CC BY
18
SQFiE L2 z.oTestFri 2013-06-21 Temperature (К) S0F|E L2 2.0TestTue 2013.07.02 Temperature (K)
А Б
Рис. 6. Профиль изменения температурного градиента для точек, совпадающих с положением облака
Таким образом, можно констатировать, что вид вертикальных профилей относительной концентрации водяного пара и температуры однозначно связан с наличием в мезосфере ледяного водного аэрозоля. Обнаружение этого эффекта позволит в перспективе детектировать наличие МСО в условиях недостаточной (ночь) или избыточной освещённости (день). Благодаря этому возможно решение давно обсуждаемого вопроса о возможности образования серебристых облаков в дневных условиях.
Список литературы:
1. Сайт спутника AIM, раздел содержит профили влагосодержания и температуры [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://sofie.gats-inc.com/ sofie/index.php.
2. Lubken F-J., Baumgarten G., Fiedler J., Gerding M., Houffner J., Berger U. // Seasonal and latitudinal variation of noctilucent cloud altitudes. geophysical research letters, Vol. 35, L06801, doi:10.1029/2007 GL032281. - 2008. - С. 3, 4.
ОЦЕНКА СОДЕРЖАНИЯ АЭРОЗОЛЬНОЙ КОМПОНЕНТЫ В СЕРЕБРИСТЫХ ОБЛАКАХ ПО СПУТНИКОВЫМ ПРОФИЛЯМ КОНЦЕНТРАЦИИ ВОДЯНЫХ ПАРОВ
© Солодовник А.А.*, Журавлев П.Л.Ф
Северо-Казахстанский государственный университет, Республика Казахстан, г. Петропавловск
Исследуется возможность дистанционного определения абсолютной плотности аэрозольной компоненты в мезосферных серебристых обла-
* Доцент астрономии кафедры «Физика», кандидат физико-математических наук.
* Магистрант.
ках. Показано, что решение этой задачи на основе анализа высотных профилей относительной концентрации водяного пара позволяет получить непротиворечащие данным дистанционного эксперимента результатам. Обсуждаются перспективы развития и практического применения метода.
Ключевые слова МСО, облака, метеорология, мезосфера, аэрозоли.
При изучении спутниковых данных, полученных в ходе реализации миссии AIM, мы обратили внимание на вертикальные профили относительной концентрации водяного пара [1]. Характерной для них оказалась зависимость скорости падения концентрации водяных молекул в верхней части мезосферы от присутствия в этой области ледяных аэрозолей (фактически - наличия серебристых облаков). Причём в отсутствии облачности концентрация молекул воды падает плавно, а при наличии облачности - очень резко [2] (рис. 1).
А
Б
Рис. 1. Вертикальные профили относительной концентрации водяных паров в отсутствии МСО (А), и при их наличии (Б)
Замечательно, что резкое падение относительной концентрации водяного пара всякий раз приходится на высоты типичные для формирования МСО. Это обстоятельство позволяет связать падение концентрации молекул воды с вымораживанием водяных паров. Исходя из этого вполне обоснованного физически предположения, становится возможным оценить абсолютную плотность содержания аэрозоля в облаках.
Физически обосновано считать, что в отсутствие явления вымораживания падение концентрации водяных паров должно происходить плавно [2]. Это отражено в виде дополнительного построения на рис. 2, на котором показан типичный высотный профиль относительной концентрации водяных паров для случая, когда точка измерения проецировалась на облачное поле. При этом заливкой нами отмечена область, где концентрация водяного пара уменьшилась за счёт его конденсации в облачный аэрозоль.
83bm nfo 5at 2013-06-15 20'30:10 Lat: 65 3716 Lcin: 72 3518
H20 vmr, event 66949 orbit number 33475
100r
0 12
SO FIE L2 2C~::-t,'.: J 2013-06-1=
3 4 5 H20_vmr (vmrl
Рис. 2. Наблюдаемый реально (сплошная кривая) и ожидаемый в случае отсутствия МСО (верхняя граница заливки) профили концентрации паров воды в верхней части мезосферы МСО [1]
Заметим, что доступная информация об относительной концентрации молекул воды кроме графического имеет и табличное представление. Поэтому возможна постановка и решение задачи расчёта абсолютного содержания ледяного аэрозоля в элементарном по протяжённости (1-2 км) слое мезосферы. Рассмотрим последовательность действий по расчёту содержания аэрозольной фазы в области МСО на примере данных соответствующих графику, приведённому на рис. 2. Здесь на высоте обычной для формирования слоя МСО относительная концентрация водяных паров резко убывает от 7 х 10-6 до 2 х 10-6. Таким образом, количество водяных паров соответствующее значению их относительной концентрации 5 х 10-6 сконденсировалось в ледяную фазу. Для нахождения абсолютной плотности аэрозоля достаточно эту последнюю величину умножить на плотность воздуха соответствующую высоте образования МСО.
Требуемое значение плотности воздуха на высоте 83.3 км (средней высоты расположения МСО [3]) получено нами на основе данных стандартной модели атмосферы (таблица 1) путём экспоненциальной интерполяции. Она составляет около 1.1 х 10-5 кг/м3.
Таблица 1
Параметры стандартной модели атмосферы [4]
h (км) P (мбар) T (°К) р (г/см3) N (см-3) H (км)
0 1013 288 1,22х10-3 2,55х1019 8,4
1 899 281 1,11х10"3 2,31х1019
2 795 275 1,01х10-3 2,10х1019
3 701 268 9ДХ10-4 1,89х1019
4 616 262 8,2х10-4 1,70х1019
5 540 255 7,4х10-4 1,53х1019 7,7
Продолжение табл. 1
h (км) P (мбар) T (°К) р (г/см3) N (см-3) H (км)
6 472 249 6,6х10-4 1,37х1019
8 356 236 5,2х10-4 1,09х1019
10 264 223 4,1х10-4 8,6х1018 6,6
15 121 214 1,93х10-4 4,0х1018
20 56 214 8,9х10-5 1,85х1018 6,3
30 12 225 1,9х10-5 3,9х1017 6,7
40 2,9 268 3,9х10-6 7,6х1016 7,9
50 0,97 276 1,15х10-6 2,4х1016 8,1
60 0,28 260 3,9х10-7 7,7х1015 7,6
70 0,08 219 1,1х10-7 2,5х1015 6,5
80 0,014 205 2,7х10-8 5,0х1014 6,1
90 2,8х10-3 210 5,0х10-9 9х1013 6,5
100 5,8х10-4 230 8,8х10-10 1,8х1013 7,4
110 1,7х10-4 260 2,1х10-10 5,4х1012 8,5
120 6х10-5 300 5,6х10-11 1,8х1012 10,0
150 5Ж10-6 450 3,2х10-12 91010 15
200 5х10-7 700 1,6х10-13 5х109 25
В таблице приведены: h - высота от уровня моря, Р - давление, Т - температура, р - плотность, N - число молекул или атомов в единице объёма, H -шкала высоты.
С учётом всего сказанного выше на высоте основания слоя МСО абсолютная плотность аэрозольной компоненты составила в данном случае около 5.5 х 10-11 кг/м3. Ответить на вопрос о том, насколько реалистична эта величина, мы можем, например, путём её сопоставления с известными оценками концентрации частиц в МСО.
Предположим, что облако состоит в основном из частиц размером около 0.1 мкм. Объём и масса одной такой частицы составит соответственно: 0.5 х 10-21 м3 и 4.5 х 10-19 кг. Концентрация облачных частиц такого размера, создающих рассчитанную величину абсолютной плотности аэрозоля должна быть не менее 1.22 х 108 м-3 или 1.22 х 102 см-3. Этот результат хорошо согласуется с литературными данными о концентрации частиц в МСО, полученными на основании поляризационных и фотометрических измерений [5, 6]. Задавая другие значения размеров частиц или закон их распределения по размерам, мы можем получить и другие оценки концентрации аэрозоля. Впрочем, как видно из приведённого примера они будут вполне сопоставимыми с экспериментально найденными значениями этой величины.
Полученный результат позволяет в принципе оценить и общее влагосо-держание облачности. При этом следует задать вертикальную протяжённость облачного слоя (она составляет от 1 до 5 км) и горизонтальную его площадь (тысячи и десятки тысяч квадратных километров). Легко найти, что облако средней толщины (2.5 км) и размеров 100 х 100 км будет содержать всего лишь около 2000 кг воды. Действительно это эфемерные создания!
При ничтожных относительных концентрациях водяного пара трудно ожидать реального изменения температурного профиля в мезосфере за счёт облакообразования. Проведённые нами расчёты показывают, что выделение скрытой теплоты конденсации способного повысить температуру облачного элемента на десятые доли Кельвина. Наблюдаемые нами трансформации температурных профилей в области МСО следует связать скорее с эффектами изменения радиационного баланса верхних слоёв атмосферы в присутствии облачности.
Следующим этапом в нашем исследовании должен стать поиск связи абсолютного содержания аэрозольной компоненты с яркостью полей серебристых облаков.
Список литературы:
1. Сайт спутника AIM, раздел содержит профили влагосодержания и температуры [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://sofie.gats-inc.com/sofie/index.php
2. Солодовник А.А., Журавлёв П.Л. Обнаружение ледяных аэрозолей в мезосфере по изучению вертикальных профилей относительной концентрации водяного пара. - в печати.
3. Lubken F-J., Baumgarten G, Fiedler J., Gerding M., Houffner J., Beiger U. // Seasonal and latitudinal variation of noctilucent cloud altitudes. geophysical research letters, Vol. 35, L06801, doi:10.1029/2007 GL032281. - 2008. - С. 3, 4.
4. Атмосфера стандартная. Параметры, ГОСТ 4401-81, ИПК. - М.: Издательство стандартов, 2004. - С. 1-181.
5. Бронштэн В.А. Серебристые облака и их наблюдение. - М., Наука, 1984. - С. 5, 20.
6. Dalin P., Kirkwood S., Mostrom A., Stebel K., Hoffmann P., Singer W. // A case study of gravity waves in noctilucent clouds. - Annales Geophysicae, 2004. -№ 6.
