CC BY
13ОПТИЧЕСКИЕ И СПУТНИКОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ
В ЯКУТИИ
С. В. Николашкин, И. И. Колтовской
Семён Викторович Николашкин,
кандидат физико-математических наук, заместитель директора по научным вопросам Института космофизических исследований и аэрономии им. Ю. Г. Шафера СО РАН (ИКФИА СО РАН) -обособленного подразделения ФИЦ «Якутский научный центр СО РАН», г. Якутск
Оптические исследования в Якутии берут своё начало с первых наблюдений полярных сияний и свечения ночного неба в верхней атмосфере во время проведения Международного геофизического года в 1957 г Именно тогда на материковой части республики и прилегающих островах Северного Ледовитого океана была организована сеть станций патрульного наблюдения полярных сияний. Наиболее важными среди них являлись г. Якутск, бухта Тикси, острова Котельный и Столбовой. В те времена было ещё не совсем ясно происхождение полярных сияний, их морфологические особенности. Объединённые усилия учёных всего мира успешно решили эту проблему, и сегодня полярные сияния служат индикатором процессов на Солнце и в магнитном поле Земли. Вместе с тем, есть ещё не до конца понятые явления в
DOI: 10.24412/1728-516Х-2022-2-16-22
полярных сияниях, такие, как SAR-дуги и STEVE.
В настоящее время основной целью наших исследований является изучение термодинамических и волновых процессов в верхней атмосфере Арктики и Субарктики, их реакции на изменения уровня солнечной активности, используя оптические наблюдения за свечением ночного неба и полярных сияний. Для их проведения мы широко используем современные высокочувствительные оптические приборы - фотокамеры, спектрографы, фотометры, лидары, установленные на станциях в Тикси, Жиганске, Маймаге и Нерюнгри. Все они составляют единую сеть оптического мониторинга на территории Якутии (рис. 1). Основным узлом этой сети является оптический полигон «Маймага», расположенный в Намском улусе, недалеко от одноимённого села (рис. 2).
Игорь Иннокентьевич Колтовской,
кандидат физико-математических наук, и.о. заведующего лабораторией оптики атмосферы ИКФИА СО РАН , г. Якутск
Рис. 1. Меридиональная сеть станций оптического мониторинга
в Якутии
Рис. 2. Оптический полигон «Маймага» им. В. М. Игнатьева
Другим важным научным направлением является проведение исследований по данным дистанционного спутникового зондирования объектов подстилающей поверхности и характеристикам нижней атмосферы высокоширотной и умеренной зоны Сибири в условиях изменяющегося климата, а также изучение вариаций содержания парниковых газов (метана, углекислого газа) в нижней атмосфере по данным наземных и спутниковых наблюдений и особенностей пространственно-временного распределения общего содержания атмосферного аэрозоля над северо-восточной частью России.
Под SAR-дугой подразумевается вид полярного сияния, возникающий во время магнитных бурь и представляющий собой субвизуальное (не видимое невооружённым глазом) стабильное красное свечение (Stable Auroral Red) в виде широкой дуги в умеренных широтах. Причиной её появления является усиление потока сверхтепловых электронов вдоль магнитных силовых линий вследствие перекрытия кольцевого тока с внешней плазмосферой, где потоки энергичных ионов нагревают плазмосферные электроны, что вызывает
Рис. 3. Снимки всего неба в разных эмиссиях в режиме автоконтраста во время наблюдений
1 марта 2017 г. Время и длины волн эмиссий указаны на снимках. Направления сторон света на кадрах: слева - запад, вверху - север
усиление красной линии свечения атомарного кислорода на высотах области F2 ионосферы (300-400 км) (рис. 3) [1], а вновь открытое явление STEVE (Strong Thermal Emission Velocity Enhancement) представляет собой узкую, вытянутую вдоль широты, ленту свечения (десятки километров в направлении «север-юг» и тысячи километров в направлении «восток-запад»), часто сопровождаемую зелёными образованиями в виде штакетника (Picket fence - PF) и имеющую лиловый оттенок (рис. 4). Свечение вызвано сильным повышением скорости теплового излучения и ассоциируется с чрезвычайно интенсивными ионными дрейфами в ионосфере. По всей вероятности, STEVE тесно связано с ионосферно-магнитосферным взаимодействием, и его полное понимание, безусловно, дополнит картину этого взаимодействия. Впервые в России по данным монохроматической камеры всего неба были изучены их яркостные и пространственные характеристики. Показано, что PF и STEVE протекают на одних силовых линиях. Рассчитанная высота свечения STEVE равна ~190 км. Интенсивность свечения STEVE в эмиссиях 486,1; 470,9; 480,0; и 620,0 нм составляла единицы рэ-лей. В эмиссии 630,0 нм [OI] интенсивность составляла ~20-30 рэлей [2].
Рис. 4. Явление STEVE (снимок из Википедии)
Данные камер всего неба также используются для исследования волновой структуры верхней атмосферы, например, для определения пространственно-временных характеристик внутренних гравитационных волн (ВГВ) в области мезопаузы по снимкам излучения молекул гидроксила в свечении ночного неба. Как известно,
генерация ВГВ в основном происходит в тропосфере или на её границе во время активных метеорологических процессов. Они являются переносчиками энергии, импульса из нижней атмосферы в мезосферу и термосферу. На высоте мезопаузы волны подвергаются спектральной фильтрации из-за ветрового сдвига и поглощаются, отдавая энергию и импульс окружающей среде, вызывая её избыточное разогревание. Нами были получены следующие результаты статистического анализа параметров внутренних гравитационных волн. На рис. 5 приведена гистограмма распределения по длинам волн. Горизонтальные длины волн, зарегистрированных за весь период наблюдений, варьируют от 15,4 до 100 км. Среднее значение длин волн составляет порядка 30 км. Наблюдаемые горизонтальные фазовые скорости изменяются от 19 до 166 м/с (рис. 6) (среднее значение равно ~ 55 м/с), оценённые периоды находятся в пределах 9-90 мин (среднее значение равно ~ 11 мин) (рис. 7) [3].
Для исследования ВГВ также используются снимки серебристых облаков. С развитием современной фотоаппаратуры появилась возможность получать ряды последовательных снимков. Например, на основе снимков
Рис. 5. Пример обнаружения волновых структур: 07.02.2011 г. (13:12-13:21 UT) на снимках камеры всего неба
70 60
ш 50
? 40
го
20
10-
0 10 20 30 40 50 во 70 ЭО 00 100 1Ю ДЛИНА ВОЛНЫ (КМ)
<4
»
8 о
5 ^ 20
4«
S0
.40
£ 30
¡«н 10
О 10 20 ЭО 40 50 60 70 вО 90 100 N0 ФАЗОВАЯ СКОРОСТЬ (М/С>
Рис. 6. Распределение ВГВ по длинам волн и скоростям
100 50 ВО
S3 ™
5 ео § 60
О JO
о зо. з- 20 10' о
О 6 10 16 20 26 30 16 40 46 60 66 60 ПЕРИОД (МИМ)
Рис. 7. Распределение ВГВ по направлениям распространения
серебристых облаков от 25 июля 2018 г нам удалось обнаружить и исследовать параметры внутренних гравитационных волн одновременного различного направления распространения и длин волн (более длинные волны, распространяющиеся на северо-восток и короткие волны, распространяющиеся на юго-запад) (рис. 8). В данном случае, вся облачная структура во второй половине ночи дрейфует на северо-восток, по направлению распространения первой волны. Короткие волны распространяются против направления преобладающего ветра. При этом предполагается, что данная ситуация подразумевает двухслоистую структуру серебристых облаков. Нами были оценены основные параметры волн. Для первой волны Л1 = 22,5 ± 3 км наблюдаемая горизонтальная фазовая скорость V., = 37,5 ± 5 м/с; период составил 42 ± 4 мин с направлением на северо-восток. Основные параметры второй волны: длина - 5,4 ± 3 км, наблюдаемая горизонтальная фазовая скорость равна v2 = 25 ± 5 м/с, период составил 28 ± 3 мин с направлением на юго-запад. Предположительными источниками этих волн явились циклон, расположившийся севернее оз. Байкал (длинные волны), и генерация внутренних гравитационных волн на обтекании гор Верхоянского хребта (короткие волны) [4].
Основной и наиболее информативной характеристикой атмосферы является её температура. Исследование особенностей вертикального температурного профиля атмосферы в том или ином районе земного шара даёт представление о химических и физических процессах, которые протекают на различных высотах атмосферы. Таким образом, зная параметры этого процесса над определённым регионом, можно оценить общую динамику атмосферы и с той или иной долей вероятности прогнозировать её поведение. Исследование характеристик свечения ночного неба спектрографическими методами - это широко используемый метод определения параметров верхней мезосферы. В частности, обычно изучаются вращательные температуры и изменения интенсивности эмиссий собственного свечения атмосферы, полученные по спектрам излучения возбуждённых молекул гидроксила или кислорода.
Рис. 8. Две атмосферные гравитационные волны
с разными параметрами и противоположные по направлению на снимке серебристых облаков над Якутском 26 июля 2018 г.
Полученные результаты таких измерений позволяют определять долгосрочные температурные тренды в области мезосферы и нижней термосферы и исследовать динамические явления верхней мезосферы, как, например, планетарные волны, внутренние гравитационные и инфразвуковые волны.
Меридиональная сеть инфракрасных спектрографов для исследования вариаций температуры мезопау-зы и волновых процессов регистрирует полосы гидроксила ОН (3,1) в далёкой инфракрасной области (около 1,5 мкм), излучающихся на высоте ~87 км (рис. 9). Вращательная температура полос гидроксила ОН(3,1), оценённая методом подгонки модельных спектров, построенных с учётом аппаратной функции прибора для различных, заранее заданных температур к реально измеренному спектру, соответствует температуре области мезопаузы на данной высоте. Например, средние ночные значения вращательной температуры OH, полученные наземным прибором на станции Маймага, и фоновая температура, выделенная из измерений со спутника (Aura (MLS)), имеют схожий вид межсуточных вариаций (r = 0,948) и синфазно отражают сезонное изменение температуры атмосферы на высоте излучения гидроксила за 20132018 гг При этом средние сезонные значения температуры OH превышают средние сезонные значения фоновой температуры до 10 К в зимние периоды 2013-2015 гг. Зимой 2014-2015 гг. температура атмосферы на высоте 87 км над станцией Маймага была выше, а активность внутренних гравитационных волн - ниже по сравнению с другими сезонами (рис. 10). Измерение спутниковым
ст. H ara
Ш-
_ ZD
190 1« U0-
в-
ЕЛ
0.030
„еда Z о.«о
с 0.01 о-
•I
-1-1-1-г
си^тин tptjn« WTJ
ât\
.......
-in:
et
дел I
шт±ЛЩ
/ ^ ^ $ / / / # О О О' С О' О О" ^ С' С1' О' V' О'
Рис. 9. Средненочные вращательные температуры гидроксила по наблюдениям на ст. Маймага и сезонные вариации средненочной температуры (скользящее среднее 30 т.);
б) сезонные вариации ВГВ-компоненты стандартных отклонений температуры, являющиеся скользящим средним с окном
усреднения 30 дней; в) относительные стандартные отклонения температуры, вызванные ВГВ, являющиеся скользящим средним с окном усреднения 30 дней
Рис.10. Общий вид лидара на полигоне ШАЛ, п. Октёмцы
прибором Aura (MLS) также показало, что в данный сезон наблюдалась повышенная температура в области эмиссии гидроксила относительно других сезонов с 2013 по 2018 гг., которой сопутствовала пониженная температура в области стратопаузы. Данное отклонение объясняется появлением так называемого внезапного зимнего стратосферного потепления [5].
Полярная и субполярная зимняя стратосфера Северного полушария характеризуется весьма динамичным поведением, связанным с взаимодействием распространяющихся в тропосфере планетарных волн со стоячей волной орографического происхождения, средним зональным потоком, которое приводит к возникновению внезапных стратосферных потеплений. Они характеризуются резким повышением температуры в стратосфере (на десятки градусов в течение нескольких суток) и наблюдаются ежегодно в зимний период (с декабря по март). В зависимости от величины потепления и наличия обращения направления среднего зонального ветра с западного на восточное, потепления разделяют на «major» и «minor». В настоящее время одной из основных гипотез считают волновую теорию, в которой основным механизмом её развития считают волновые возмущения планетарного масштаба.
Среди всех известных методов исследования температурного профиля атмосферы, включая всевозможные методы прямых контактных измерений, а также методы активного и пассивного дистанционного зондирования, несомненным преимуществом обладают методы активного дистанционного зондирования с использованием лазерных источников излучения. Методы лазерного зондирования обеспечивают получение профилей или полей различных параметров атмосферы с исключительно высоким
»
¿9 4В 47
■15
■¿ь <ы
■il «
41
40 39 58 ÎÏ îfi 39 34 33 32 31
и
19 28 2"i 26 ¿9
23 22 21
20
временным и пространственным разрешением, обладая при этом рекордными концентрационными чувстви-тельностями. В ИКФИА СО РАН для проведения таких исследований используются стратосферные лидары на NdYAG-лазере, установленные на полигонах ШАЛ в Октёмцах и Маймаге (рис. 10).
С 2004 по 2020 гг. нами было рассмотрено 14 внезапных стратосферных потеплений. Их длительность составляла от 3 до 7 дней с повышением температуры в очаге потепления до 50 °К. Во время всех событий очаг потепления опускался со скоростью примерно 1 км/сут. и, как следствие этого, стратопауза опускалась до 35 км. Во время стратосферных потеплений в январе 2010 и 2012 годов наблюдалось раздвоение стратопаузы. Оценена была связь температуры средней атмосферы с фазой 11-летнего цикла солнечной активности по лидарным данным и выявлена положительная зависимость температуры средней атмосферы около Якутска с солнечной активностью при восточной фазе квазидвухлетних колебаний стратосферного зонального ветра над экватором и отрицательная связь при западной их фазе. Возможно, это связано с изменениями глобальной атмосферной циркуляции под воздействием изменения солнечной активности [6].
Кроме температурных измерений, при помощи ли-дара можно измерить высотный профиль аэрозольного содержания атмосферы. Аэрозоли - это взвешенные частицы мелкодисперсных жидкостей (капельки воды, кислот), твёрдых тел (пыль, сажа, органические частицы), которые образуются при извержениях вулканов, морских брызгах, пыльных бурях, лесных пожарах и в результате промышленных выбросов. Нами, например, были обнаружены аэрозольные частицы, образовавшиеся в результате взрыва Челябинского метеорита в 2013 г. на высоте 39,5 км (рис. 11) [7].
Г) ро фи л и коэ фф и ци с нта а э]>оэ о л ь н of о р a cœn н и л 20.02,1 î
-W13.«iO_î3.Sl_l
- ■■ »iî.(Jî.Jû„M.oi_i
zoiïjw.îojte.ii^î
3013.02. аО.И3.31_9
-2C13.02J 1.03.02.0
Рис. 11. Профили коэффициента аэрозольного рассеяния 20.02.13 г. от следа Челябинского метеорита по лидарным измерениям в г. Якутске. Вертикальные линии сетки соответствуют R = 1, и каждое измерение смещено на 1 для удобства восприятия
Рис. 12. Вариации КДК и АОТ на длине волны 500 нм для Якутска (2004 -2012 гг.)
Кроме лидарного метода, в нашем институте для измерения общего содержания аэрозоля и влагосо-держания в атмосфере используется солнечный фотометр СЕ-318, входящий в международную сеть AERONET Он работает по принципу поглощения солнечного излучения аэрозолем и парами воды на различных участках спектра. Многолетние измерения аэрозольного и влагосодержания атмосферы над Центральной Якутией показали существование их вариаций в зависимости от фаз солнечной активности и квазидвухлетних колебаний стратосферного зонального ветра (рис. 12). Существенное изменение содержания атмосферного аэрозоля в Якутии происходит по причине лесных пожаров - это дым, сажа и взвешенные частицы [8].
Влияние лесных пожаров исследуется в ИКФИА СО РАН при помощи данных спутникового мониторинга. Были проведены исследования влияния лесных пожаров на сезонный ход атмосферных аэрозолей в Восточной Сибири (Якутия). Для оценки возмущающего воздействия лесных пожаров на сезонный ход атмосферных аэрозолей, рассматриваемый период (20012016 гг.) был разделён на три группы пожароопасных сезонов: сезоны с наименьшим уровнем пожарной активности, выступающие в качестве наиболее близких к «фоновым» (2004, 2006, 2007, 2015, 2016 гг.); сезоны с наиболее высоким уровнем лесопожарной активности (2001, 2002, 2012-2014 гг.); сезоны со средним и низким уровнем. Сезонные вариации лесопожарной активности приведены на рис. 13, а: сплошными, штриховыми и пунктирными линиями представлены соответственно сезоны с высокой, средней и низкой пожарной активностью. Количество пожаров в мае и июне в годы с высокой и средней пожароопасностью невысоко, а в сезоны с низким уровнем пожароопасности их практически нет. Максимум активности лесных пожаров приходится на июль. Для сезонов с высокой пожарной активностью он составляет 12 000, для средней - 4000 и 400 «хотспо-тов» - для наименее пожароопасных сезонов. В августе для средних и низкоопасных сезонов наблюдается резкий спад активности пожаров в среднем на 70 % по сравнению с июлем, в то время как для высокоопасных
пожарных сезонов спад составляет 25 %. В сентябре лесопожарная активность в Якутии, в целом, прекращается. Лишь в отдельные годы возможно присутствие незначительного количества очагов пожаров, которые быстро исчезают в связи с осенними дождями.
Вариации аэрозольной оптической толщины (АОТ) в мае - сентябре представлены на рисунке 13, б. Сезонный ход АОТ в СПА и НПА-годы отличаются незначительно: значения АОТ снижаются с мая по июнь, затем наблюдается небольшой рост с максимумом в июле (~0,2-0,25), возможно, обусловленный активным развитием вегетации, далее следует плавное снижение АОТ до минимума в сентябре (~0,1). Иная картина наблюдается в ВПА-сезоны: рост значений в июле более значителен и достигает ~0,3, после чего следует максимум в августе (~0,35) и резкий спад до минимума в сентябре (~0,1). Очевидно, что
Рис. 13. Сезонные вариации: а) количество Hotspot
(горячих пикселей); б) АОТ в годы ВПА (сплошные линии); СПА (штриховые линии) и НПА (пунктирные линии)
такой сезонный ход АОТ обусловлен динамикой лесных пожаров [9].
Другим, представляющим интерес направлением исследований, является изучение трендов вегетационного индекса (NDVI) по данным спутникового дистанционного зондирования. Для работы используются данные прибора MODIS на спутниках Terra и Aqua. По результатам исследований пространственно-временной динамики интегрального вегетационного индекса (TIN) и начала вегетационного сезона (SOS) растительного покрова на территории Сибири по данным дистанционного зондирования Земли (1982-2015 гг.) установлено, что в среднем на территории Сибири преобладают положительная TIN (~ 3,7 %) и отрицательная динамики SOS (~ -4,5 дня) (рис. 14). Наиболее сильные статистически значимые тренды TIN (~ 13,6 %) и SOS (—12 дней) наблюдаются на севере Якутии. Выявленный рост TIN и сдвиг SOS к более ранним датам в этой области в основном обусловлены ростом температуры воздуха в мае на ~ 3,4 °C и в июне на ~ 2,7 °С. Что касается территории Якутии в целом, то наибольшая положительная динамика вегетации наблюдалась на севере республики: на тестовом участке прирост NDVI и длительность вегетационного сезона (LOS) составили ~14 % и ~24 дня соответственно. Увеличение LOS в основном обусловлено более ранним началом сезона вегетации и, в меньшей степени, более поздним его окончанием. Корреляции вариаций NDVI тестового участка с температурой воздуха и осадками составили r = 0,8 и r = 0,2 соответственно. Сделан вывод, что влияние температурного фактора на динамику вегетации северных регионов имеет доминирующее значение, а влияние атмосферных осадков несущественно [10].
Список литературы
1. Иевенко, И. Б. Связь динамики SAR-дуги с суббуревой инжекцией по наблюдениям полярных сияний. Магнитосферные явления в окрестности плазмопау-зы / И. Б. Иевенко, С. Г. Парников // Геомагнетизм и аэрономия. - 2022. - Т. 62, № 2.
2. Парников, С. Г. Субавроральное свечение STEVE над Якутией во время суббури : анализ события 1 марта 2017 г. / С. Г. Парников, И. Б. Иевенко, И. И. Колтов-ской // Геомагнетизм и аэрономия. - 2022. - Т. 62, № 3 (в печати).
3. Короткопериодические волны по изображениям камер всего неба / И. И. Колтовской [и др.] // Вестник СВФУ. - 2018. - Т. 64, № 2. - С. 70-76.
4. Nikolashkin S.V., Ammosova A.M., Koltovskoi I.I. Properties of internal gravity waves observed on noctilucent clouds on high latitudes // Proceedings of SPIE on 25th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics. 2019. 112088K.
5. Температура области мезопаузы по измерениям спутника AURA MLS и OH (3-1) в Маймаге /В. И. Сивцева [и др.]//Оптика атмосферы и океана. - 2021. -Т. 34, № 05. - С. 364-368.
(4) TiKHflTINdMÎ-MIS)
--;-1-=--1-'--43S
ÎO>Ç mer* ци Mot
Рис. 14. Карты трендов TIN (а) и SOS (б) на территории Сибири за 1982-2015 гг. Сплошными чёрными линиями выделена область на севере Якутии со значениями тренда TIN выше 0,03/год. Точками отмечены области с p < 0,05
6. Николашкин, С. В. Лидарные исследования средней атмосферы в Якутии / С. В. Николашкин [и др.] // Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М. К. Аммосова. - 2018. - № 3 (65). - С. 70-79.
7. Лидарные наблюдения стратосферных аэрозольных следов от челябинского метеорита /
B. Н. Иванов [и др.] // Оптика атмосферы и океана. -2014. - Т. 27, № 2 (301). - С. 117-122.
8. Васильев, М. С. Связь широтной динамики вла-госодержания атмосферы с квазидвухлетними колебаниями зонального ветра в экваториальной стратосфере и солнечной активностью над северо-востоком Евразии за период 1979-2015 гг. / М. С. Васильев,
C. В. Николашкин // Оптика атмосферы и океана. -2017. - Т. 30, № 5. - С. 409-413.
9. Tomshin O.A., Solovyev V.S. Spatio-temporal patterns of wildfires in Siberia during 2001-2020// Geocarto International. 2021.
10. Варламова, Е. В. Пространственно-временная динамика индекса растительного покрова Восточной Сибири по данным ДЗЗ / Е. В. Варламова, В. С. Соловьёв // Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы : материалы XXVII Международного симпозиума [Электронный ресурс]. - Томск : ИОА СО РАН, 2021. - С. 289-291.
