CC BY
14
УДК 53.01, 53.05
И. И. Колтовской, П. П. Аммосов, Г. А. Гаврильева, А. М. Аммосова, С. Г. Парников
Короткопериодические волны по изображениям камер всего неба
ИКФИА СО РАН, г. Якутск, Россия
Аннотация. Целью исследования является выявление особенностей характеристик и динамики внутренних гравитационных волн (ВГВ) в области мезопаузы высоких широт. Эти волны играют существенную роль в термодинамическом равновесии всей атмосферы, тем самым и в формировании климата. Также благодаря возрастанию амплитуды внутренних гравитационных волн по мере их проникновения на большие высоты становится возможным их обнаружение в верхних слоях атмосферы. В данной статье представлена визуализация ВГВ при помощи двух камер всего неба, регистрирующих эмиссии ночного неба на двух разных высотах мезопаузы (87 км и 97 км). Первая камера регистрирует эмиссии полос молекулы гидроксила в ближней инфракрасной области, которые излучаются на высоте 87 км. Вторая камера регистрирует ВГВ в видимой области спектра по зеленой эмиссии атомарного кислорода (557,7 нм), излучающиеся на высоте 97 км. Обе камеры установлены на высокоширотной оптической станции Маймага (63°N, 129.5°E). Для визуализации и обработки данных камер всего неба был использован временной метод обработки (time differencing (TD)). Для гравитационных волн с периодами больше, чем частота съемки, TD-картина усиливает контраст в областях, где волны движутся, усиливаются
КОЛТОВСКОй Игорь Иннокентьевич - к. ф.-м. н., м. н. с. лаборатории оптики атмосферы ИКФИА СО РАН.
E-mail: [email protected]
KOLTOVSKOI Igor Innokentevich - Candidate of Physics and Mathematical Sciences, Research Associate of the Laboratory of Atmospheric Optics, Yu.G. Shafer Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy of SB RAS (SHICRA).
АММОСОВ Петр Петрович - к. ф.-м. н., с. н. с. лаборатории оптики атмосферы ИКФИА СО РАН.
E-mail: [email protected]
AMMOSOV Petr Petrovich - Candidate of Physics and Mathematical Sciences, Senior Research Associate of the Laboratory of Atmospheric Optics, Yu.G. Shafer Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy of SB RAS (SHICRA).
ГАВРИЛьЕВА Галина Алексеевна - н. с. лаборатории оптики атмосферы ИКФИА СО РАН.
E-mail: [email protected]
GAVRILYEVA Galina Alekseevna - Research Associate of the Laboratory of Atmospheric Optics, Yu.G. Shafer Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy of SB RAS (SHICRA).
АММОСОВА Анастасия Михайловна - к. ф.-м. н., н. с. лаборатории оптики атмосферы ИКФИА СО РАН.
E-mail: [email protected]
AMMOSOVA Anastasya Michailovna - Candidate of Physics and Mathematical Sciences, Research Associate of the Laboratory of Atmospheric Optics, Yu.G. Shafer Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy of SB RAS (SHICRA).
ПАРНИКОВ Станислав Григорьевич - м. н. с. лаборатории оптики атмосферы ИКФИА СО РАН.
E-mail: [email protected]
PARNIKOV Stanislav Grigorievich - Junior Research Associate of the Laboratory of Atmospheric Optics, Yu.G. Shafer Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy of SB RAS (SHICRA).
или ослабляются. По данным камер на примере одной ночи получены горизонтальные характеристики ВГВ (направление распространения, скорость, период и длина волны). На данном примере у обеих камер с самого начала наблюдения происходит медленное перемещение (v~20-35 м/с) короткопериодных волн (длина волны до 10 км) по направлению с северо-запада на юго-восток. Более отчетливое движение начинается с 15:25 (UT) по зеленой эмиссии и с 15:47 (UT) - по эмиссиям гидроксила (разница высот ~10 км). Затем примерно одновременно у обеих камер (~17:30(UT)) начинается резкое движение более крупных волн (X ~ 40-60 км) с направлением распространения на северо-восток со скоростью от 70 до 160 м/с.
Ключевые слова: атмосфера, мезосфера, внутренние гравитационные волны, мезопауза, гидроксил, камера всего неба, инфракрасная область, широта, процессы, направление распространения, эмиссия свечения ночного неба, континуум.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ № 16-35-00204 мол а.
DOI 10.25587/SVFU.2018.64.12154
1.1. Koltovskoi, P. P. Ammosov, G. A. Gavrilyeva, A. M. Ammosova, S. G. Parnikov
Detection of Short Waves by the Images of the Two All-Sky Cameras
Yu.G. Shafer Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy of SB RAS, Yakutsk, Russia
Abstract. The purpose of the study is to identify the features of the characteristics and dynamics of internal gravity waves (IGW) in the mesopause region of high latitudes. These waves play an important role in the thermodynamic balance of the atmosphere, thereby also in the formation of the climate. Also, due to the increase in the amplitude of these waves as they penetrate the higher altitudes, it becomes possible to detect them in the upper layers of the atmosphere. The short-period gravity waves by the images of two all-sky cameras, registered at different heights (~97 кm and ~87 кш) are detected. The first camera detects gravity waves in the visible region by emission of atomic oxygen (557,7 nm) at a height of 97 km. Second camera detects hydroxyl molecule emission in the near infrared region at a height of 87 km. Both cameras installed at Maymaga station (63°N, 129.5°E). To visualize and process the data of the all-sky cameras, a time differencing (TD) method was used. For gravitational waves with periods greater than the survey frequency, the TD-picture intensifies the contrast in areas where waves move, amplify or weaken. According to the cameras, horizontal characteristics of IGW (direction of propagation, velocity, period and wavelength) were obtained using the example of one night. In this example, in both cameras, from the very beginning of the observation, there is a slow movement (v ~ 20-35 m / s) of short-period waves (a wavelength of up to 10 km) from north-west to southeast. A more distinct movement begins at 15:25 (UT) for green emission and from 15:47 (UT) for the emission of hydroxyl (altitude difference ~ 10 km). Then approximately simultaneously (~ 17: 30 (UT)) start the sharp movement of larger waves (X ~ 40-60 km) with the direction of propagation to the northeast at a speed of 70 to 160 m/s.
Keywords: atmosphere, mesosphere, internal gravity waves, mesopause, hydroxyl, all-sky camera, infrared region, latitude, processes, direction of propagation, emission of night sky glow, continuum.
The project was conducted with financial support from RFBR grant # 16-35-00204 mola.
Введение
Внутренние гравитационные волны (ВГВ - англ. Internal Gravity Waves) в разных литературных источниках называют по-разному - атмосферные гравитационные волны или часто просто гравитационные волны, по-другому, волны плавучести. Указание на «внутренние» изначально было связано с тем, что волна распространяется не только по горизонтали, но и по вертикали. ВГВ сравнительно легко проникают в верхнюю атмосферу, что является главным отличием их от звуковых волн. Для того чтобы ВГВ
распространялись вертикально, их периоды должны быть больше некоего минимума, так называемого периода Брента-Вяйсяля. Источниками ВГВ, как правило, являются различные метеорологические и турбулентные процессы (холодные фронты, тропические циклоны, цунами, морские волны, землетрясения, ветры в горах, струйные течения и т. д.). Кроме того, ВГВ являются основными переносчиками энергии, импульса из нижней атмосферы в мезосферу и термосферу [1].
Общеизвестно, что у ВГВ при распространении снизу вверх амплитуда растет с высотой по мере уменьшения плотности атмосферы. На высотах области мезопаузы волны достигают максимальных амплитуд и начинают разрушаться. Передача энергии и импульса происходит именно при диссипации волн, другими словами, когда волновые процессы затухают и исчезают. Энергия волны переходит на тепловое движение молекул. Расчёты потоков энергии, переносимых ВГВ, оказались сопоставимы с потоками коротковолнового солнечного излучения и составили вблизи мезопаузы ~10 эрг*см-2*с-1, а на высоких широтах она может достигать 29 эрг*см-2*с-1 [2-3]. В разных работах влияние ВГВ на термический режим верхних слоев атмосферы описывают по-разному. В одних работах говорится, что это приводит к разогреву, в других же, что происходит при этом выхолаживание [4, 5]. Передача импульса приводит к ускорению среднего потока (течения). В высоких широтах в зимнее время этот поток обычно направлен на восток. Поэтому в большинстве случаев распространение ВГВ должно быть направлено на запад.
На высоте мезосферы и нижней термосферы волновую активность исследуют разными способами: радарами, лидарами, спутниковыми измерениями и оптическими наблюдениями. Среди них наиболее информативным и дешевым методом исследования горизонтальных параметров ВГВ является визуализация волновых структур в эмиссиях свечения ночного неба камерами всего неба. В работе [6] было проведено подобное исследование на высоких широтах по данным камеры всего неба, установленной на станции Маймага (63°N, 129.5°E). Основные результаты согласуются со среднеширотны-ми наблюдениями, кроме немного завышенных средних фазовых скоростей и длины волн.
В данной работе приводятся предварительные результаты одновременной регистрации двумя камерами ВГВ на разных высотах высокоширотной мезопаузы за одну ночь 06.02.2013 г.
Цифровые камеры всего неба установлены на оптической станции Маймага (63°N, 129.5°E) и настроены на регистрацию пространственной неоднородности в эмиссиях свечения ночного неба. Первая камера регистрирует излучение в ближней инфракрасной области. В качестве основного объектива использован широкоугольный объектив «рыбий глаз» (Nikkor Япония, 8 мм f/2.8), угол зрения которого равен 180 градуса. Съемки волновых структур ночного неба производятся через широкополосный стеклянный фильтр КС17, пропускающий свет в ближней инфракрасной области спектра (более 660 нм). Длинноволновая часть спектра ограничивается падением чувствительности регистрирующего приемника до нуля около длины волны 1000 нм. В области спектра 660-1000 нм излучаются интенсивные полосы молекулы гидроксила, слабые эмиссии континуума и полос молекулярного кислорода О2(0-1). В качестве регистрирующего устройства служит CCD камера ST-6 производства «Santa Barbara Instrument Group» (США). Кадры с экспозицией 150 снимались каждые 3 мин, CCD камера охлаждалась до -30 °C.
С 2013 года на станции Маймага установлена на постоянную регистрацию вторая камера, более современная. Камера всего неба «Keo Sentry» фирмы «Keo Scientific Ltd.» (Канада). CCD камера ProEM 1024B (Princeton Instruments) обладает высокой квантовой эффективностью (больше 0.9 в области 500-700 нм) и может охлаждаться до -65 °C при окружающей температуре 20 °C. В табл. 1 приведено сравнение технических характеристик двух камер всего неба.
Таблица 1
Технические характеристики камер всего неба
Фильтр Длина волны (нм) Разрешение Охлаждение, °С Экспозиция, сек Разница кадров,сек
ОН 660-1000 241x250 -30 150 180
О 557.7 1024x1024 -65 20 60
Методика обработки
Для обработки отбирались данные за одну ясную безлунную ночь без сияний. Прозрачность атмосферы оценивалась наличием четких изображений фрагментов Млечного пути. Основным критерием был выбран объективный способ оценки прозрачности по методу Ван-Райна, который основан на зависимости интенсивности свечения неба от зенитного угла [7]. Подробнее метод описан в [8]. Строится горизонтальный разрез интенсивности изображения небосвода через зенит. Если разность между максимумом и минимумом интенсивности больше 2-х, то можно считать, что прозрачность неба хорошая. В противном случае это означает, что небо затянуто облаками или имеет большой континуум ночного неба. Для визуализации и обработки данных камер всего неба был использован временной метод обработки (time differencing (TD)). Подробное описание методики в [9] (рис. 1). Суть метода заключается в следующем: строится картина разности интенсивностей двух различных кадров. При этом неподвижные объекты, Полярная звезда, континуум ночного неба вычитаются, и остается картина движения неоднородности ночного неба между выбранными кадрами. Для гравитационных волн с периодами больше, чем частота
Рис. 1. Пример снятия кадра (а), кадр после ТD обработки (б)
Рис. 2. Пример обнаружения волновых структур
съемки, TD-картина усиливает контраст в областях, где волны движутся, усиливаются или ослабляются. Для обработки использовалась центральная часть небосвода при зенитных углах < 45°, при которых пространственная картина имеет наименьшее искажение. Более подробно с методикой наблюдения и обработкой можно ознакомиться в работе [10].
Волна считалась зарегистрированной в случае четкой картины волны в течение 4 последовательных TD кадров, позволяющих оценить её скорость и направление распространения.
На рис. 2 приведен пример обнаружения четырех последовательных TD-картин. На кадр наносятся вспомогательные линии и по разности смещений их от кадра к кадру определяются параметры волновых структур. Благодаря вышеописанной выборке были определены горизонтальные характеристики ВГВ, такие как направление распространения, скорость, период и длина волны (табл. 2).
Заключение
В данной работе на примере одной ночи выявлены короткопериодические волны по изображениям двух камер всего неба. Ночь была выбрана не случайно, ВГВ регистрировались в течение всего периода наблюдения. По данным обеих камер с самого начала наблюдения происходит медленное перемещение (у~20-35 м/с) короткопериодных волн (длина волны до 10 км) по направлению с северо-запада на юго-восток. Более отчетливое движение
Таблица 2
Статистические параметры зарегистрированных волн
Эмиссия Высота, км Время, ОТ Направление Длина волны,км Скорость, м/с Период, мин
О 97 15:25 Ю-В 7-9 23-46 5
ОН 87 15:47 Ю-В 8-10 20-30 5-6
О 97 17:30 С-В 40-70 160-180 7-8
ОН 87 17:35 С-В 40-60 70-130 6-8
ОН 87 19:00 С-З 18-20 30-40 5-8
О 97 19:40 С-З 20-25 40-60 6-7
начинается с 15:25 по зеленой эмиссии и с 15:47 - по эмиссиям гидроксила (разница высот ~10 км). Можно сделать вывод, что распространение волн происходит сверху вниз. Затем примерно одновременно у обеих камер (~17:30) начинается резкое движение более крупных волн (X ~ 40-60км) с направлением распространения на северо-восток со скоростью от 70 до 160 м/с. После прохождения этих крупных волн наблюдается распространение мелкомасштабных волн, но в противоположном направлении - на северо-запад. Еще одно наблюдение касается времени начала обнаружения мелкомасштабных волн. Если в начале наблюдения волны первым и обнаруживались по эмиссии гидроксила, то повторное появление мелкомасштабных волн первым обнаруживается по зеленой эмиссии. Можно предположить, что направление вертикального движения волн тоже поменялось. Распространение волн происходит снизу вверх.
В дальнейшем планируется создать базу данных по найденным ВГВ, прописать алгоритмы и программы обработки картин с ВГВ и сделать статистический анализ по различным сезонам.
Л и т е р а т у р а
1. Шефов Н. Н., Семенов А. И., Хомич В. Ю. Излучение атмосферы - индикатор ее структуры и динамики. - М.: Геос, 741 - 2006 с.
2. Гаврилов Н. М. Тепловой эффект внутренних гравитационных волн в верхней атмосфере // Изв. АН СССР Физ. атмосф. и океана. - 1974. - Т. 10, № 1. - С. 83-84.
3. Vincent R. A. Gravity wave motions in the mesosphere // J. Atmos. Terr. Phys. - 1984. - V. 46, № 2.
- P. 119-128.
4. Швед Г. М. Тепловой режим атмосферы умеренных широт в окрестности мезопаузы (70-100 км) // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. - 1977. - № 43. - С. 182-191.
5. Чунчузов Е. П. Об энергетических характеристиках внутренних гравитационных волн, наблюдаемых по гидроксильной эмиссии мезопаузы // Изв. АН СССР. Физ. атмосф. и океана. - 1978.
- Т. 14, № 10. - С. 1094-1097.
6. Аммосов П. П., Гаврильева Г. А., Колтовской И. И. Наблюдение короткопериодических волн камерой всего неба в инфракрасных свечениях ОН над Якутском // Геомагнетизм и Аэрономия. - 2006.
- Т. 46, № 5. - 1 с.
7. Van Rhijn P. J. On the brightness of the sky at night and the total amount of the starlight // Publ. Astron. Lab. Groningen. - 1921. - № 31. - P. 1-83.
8. Чемберлен. Физика полярных сияний и излучение атмосферы. - М: Иностранная литература. 1963. - 778 с.
9. Swenson G. R. and. Mende S. B. OH emission and gravity wave (including a breaking wave) in all-sky imagery from Bear Lake, UT // Geophys. Res. Lett. - 1994. - V. 21, № 20. - р. 2239.
10. Гаврильева Г. А., Аммосов П. П. Наблюдения распространения гравитационных волн в инфракрасном свечении всего неба // Геомагнетизм и аэрономия. - 2001. - Т. 41, № 3. - 375 с.
R e f e r e n c e s
1. Shefov N. N., Semenov A. I., Khomich V. Iu. Izluchenie atmosfery - indikator ee struktury i dinamiki. - M.: Geos, 741 - 2006 s.
2. Gavrilov N. M. Teplovoi effekt vnutrennikh gravitatsionnykh voln v verkhnei atmosfere // Izv. AN SSSR Fiz. atmosf. i okeana. - 1974. - T. 10, № 1. - S. 83-84.
3. Vincent R. A. Gravity wave motions in the mesosphere // J. Atmos. Terr. Phys. - 1984. - V. 46, № 2.
- P. 119-128.
4. Shved G. M. Teplovoi rezhim atmosfery umerennykh shirot v okrestnosti mezopauzy (70-100 km) // Issledovaniia po geomagnetizmu, aeronomii i fizike Solntsa. - 1977. - № 43. - S. 182-191.
5. Chunchuzov E. P. Ob energeticheskikh kharakteristikakh vnutrennikh gravitatsionnykh voln, nabliudaemykh po gidroksil'noi emissii mezopauzy // Izv. AN SSSR. Fiz. atmosf. i okeana. - 1978. - T. 14, № 10. - S. 1094-1097.
6. Ammosov P. P., Gavril'eva G. A., Koltovskoi I. I. Nabliudenie korotkoperiodicheskikh voln kameroi vsego neba v infrakrasnykh svecheniiakh ON nad Iakutskom // Geomagnetizm i Aeronomiia. - 2006. - T. 46, № 5. - 1 s.
7. Van Rhijn P. J. On the brightness of the sky at night and the total amount of the starlight // Publ. Astron. Lab. Groningen. - 1921. - № 31. - P. 1-83.
8. Chemberlen. Fizika poliarnykh siianii i izluchenie atmosfery. - M: Inostrannaia literatura. 1963. - 778 c.
9. Swenson G. R. and. Mende S. B. OH emission and gravity wave (including a breaking wave) in all-sky imagery from Bear Lake, UT // Geophys. Res. Lett. - 1994. - V. 21, № 20. - r. 2239.
10. Gavril'eva G. A., Ammosov P. P. Nabliudeniia rasprostraneniia gravitatsionnykh voln v infrakrasnom svechenii vsego neba // Geomagnetizm i aeronomiia. - 2001. - T. 41, № 3. - 375 s.
^SHír^ír
МИП СВФУ ООО «АМТЭК+»
Оказывает услуги по внедрению энергоэффективных технологий и решений:
- энергоаудит и обследование;
- проектирование и ТЭО;
- IT-разработка;
- монтаж;
- энергосервис. Телефон: +7 (9142) 747-733. E-mail: [email protected]. Сайт: http://www.amtechplus.ru/.
