Выполнен обзор результатов, полученных в лидарных наблюдениях атмосферы над Камчаткой с 2008 по 2022 годы.

   В лидарных исследованиях появления аэрозоля в атмосфере Камчатки и первые случаи возрастания обратного рассеяния на длине волны 532 нм в областях термосферы, ионосферы (200-300 км), мезосферы (60-80 км) были зарегистрированы в 2008 году. При этом обнаружена корреляция лидарного сигнала с содержанием свободных электронов в этих областях. В ионосфере это явление сопровождалось высыпаниями энергичных электронов. Было сделано предположение о появлении резонансного рассеяния, которое возникает при совпадении энергии фотона с энергией возможного перехода электрона из оболочки атома, молекулы или иона на более высокий энергетический уровень с последующей релаксацией. В том числе и в исходное состояние, с излучением точно такого же фотона. Эти, дополнительные к фону, фотоны могут быть зарегистрированы приемной системой лидара.

   В справочнике спектроскопии найдена линия излучения 532.08 нм иона атома азота, в возбужденном состоянии, попадающая в спектр излучения лазера. Учитывая, что содержание ионов азота в ночной ионосфере ~102 см-3 для второго канала лидара выбрана линия излучения с длиной волны 561.107 нм. Это линия иона атома кислорода, содержание которого на два порядка больше, чем ионов азота.

   Поскольку сечение резонансного рассеяния пропорционально квадрату длины волны и равно 1.35*10-13 м2 для длины волны 532 нм, и 1.5*10-13 м2 для длины волны 561 нм, а энергия импульса лазера на красителях (561 нм) в 4 раза меньше (400 и 100 мДж/имп), ожидалось, что лидарный сигнал в линии кислорода будет в 20-25 раз больше. Явление резонансного рассеяния в атмосфере Камчатки регистрировалось нечасто, даже не каждый год, но в августе-ноябре 2017 года зарегистрировано несколько случаев появления резонансного рассеяния с высокой интенсивностью рассеяния и длительностью в несколько часов. При этом, во всех случаях лидарный сигнал в линии кислорода (561 нм) был на 20-30 % меньше чем в линии азота. Обсуждению механизма формирования этого сигнала посвящена работа «Резонансное рассеяние на возбужденных газовых компонентах атмосферы как индикатор появления процессов ионизации в атмосфере», опубликованная в Atmosphere 2023, 14(2), 271; https://doi.org/10.3390/atmos14020271.

   В работе показаны основные особенности полученных лидарных сигналов, анализ которых с привязкой к геофизической обстановке, позволил сделать следующие выводы:

- резонансное рассеяние на длинах волн 532.08 и 561.107 нм происходит на возбужденных ионах атомарного азота и кислорода, рождающихся в процессе ионизации молекул кислорода, азота, озона и атомарного кислорода;

- непосредственное взаимодействие лазерного излучения с ионами О+ и N+ в основном состоянии невозможно. Влияние на сигнал процесса возбуждения этих ионов высыпающимися электронами ничтожно. Лидарные данные не содержат значимой информации об их концентрации в атмосфере. Лидар не может использоваться в качестве радара для определения содержания ионов. Он “измеряет” лишь скорость процесса образования ионов;

- предложен механизм взаимодействия фотонов лазерного импульса с возбужденными ионами. Проведена оценка отношения скоростей образования ионов мишеней, объяснившая соотношение сигналов;

- проведен анализ возможности появления резонансного рассеяния в средней атмосфере. Показано, что условия для появления резонансного рассеяния сохраняются для всей области высот от 10 км и выше и может быть зарегистрировано лидаром с энергией импульса оазера от 100-200 мДж;

- в средней атмосфере резонансное рассеяние может формировать мнимые аэрозольные образования;

- предложен метод оценки спектров электронов, высыпающихся в атмосферу;

- в 2021-22 годах зарегистрировано резонансное рассеяние на тех же высотах в январе-феврале. Интенсивность лидарного сигнала была на порядок меньше, чем в 2017 голу. Все высыпания электронов в атмосферу происходили на фазе восстановления магнитосферы после геомагнитных возмущений, и высыпаниям электронов дано понятное обоснование. События осени 2017 года происходили в магнитоспокойных условиях, причина их появления непонятна и требует объяснения.

   Текст статьи на английском языке: Bychkov, V. Resonant Scattering by Excited Gaseous Components as an Indicator of Ionization Processes in the Atmosphere. Atmosphere 2023, 14, 271. https://doi.org/10.3390/atmos14020271