Особенности изменчивости вертикального распределения аэрозоля в средней атмосфере Камчатки

Бычков Василий Валентинович

    Актуальность проблемы

    В исследованиях атмосферы всегда уделялось большое внимание аэрозолям, влияющим на ее тепловой режим, динамику, атмосферное электричество и другие свойства атмосферы. Считается, что в области от верхней стратосферы до верхней мезосферы аэрозоля настолько мало, что его невозможно обнаружить лидарными или радарными методами. Меж тем, еще в 80-х годах прошлого века J.M. Rosen и D.J. Hofman обнаружили аэрозольные образования в верхней стратосфере. Их надежные шар-зондовые измерения подтверждены лидарными наблюдениями в Австралии и измерениями лидара на Ямайке. Согласно этим работам, аэрозоли на высотах 25-35 км могут появляться в периоды стратосферных потеплений. Был сделан вывод о том, что на низких широтах в зимнее время появление аэрозоля в верхней стратосфере возможно, и оно обусловлено внутренними процессами нуклеации, а не повышением вулканической активности. Но лидарными наблюдениями в Томске в 1986-2000 г. появление аэрозоля в верхней стратосфере зимой было обнаружено и на средних широтах.

    Аэрозольные образования в области стратосфера-мезосфера обнаруживались спектрофотометрическими и другими видами наблюдений, выявившими сложную слоистую структуру мезосферного аэрозоля субмикронной фракции с максимумами на высотах 20, 50, 65 и 75 км. В целом, разные авторы отмечали низкую точность спектрофотометрических методов наблюдений и высокую динамику аэрозольного наполнения в мезосфере, в которой большую роль играют турбулентные перемещения воздушных масс, гравитационные волны и другие спорадические явления.

    Современных публикаций по наблюдению аэрозоля в верхней стратосфере и мезосфере очень мало. В обзоре SEDAR из 241 работ, выполненных в рамках этого проекта, посвященного средней атмосфере, лишь одна относится к наблюдению аэрозольных слоев на высоте 38 км в Арктике, где зимой 2000 г. наблюдались аэрозоли с частицами размером 30-50 нм. При исследовании полярного зимнего мезосферного эхо радаром ESRAD, Кируна, Швеция во время протонных событий с сентября 2000 по апрель 2001 года были обнаружены многочисленные случаи повышенных радарных отражений в области 50-80 км. Повышенные радарные отражения можно было объяснить только предположением о наличии на этих высотах аэрозольных слоев.

    Исследование этого явления с привлечением данных лидара Боннского университета, расположенного в двух километрах от радара, подтвердили это предположение. В области высот 70 км 12/13 января 2002 г. во время слабого протонного события обнаружен слой повышенного светорассеяния с отношением рассеяния R~1.1. Одновременно, радаром были зафиксированы повышенные эхосигналы с тех же высот. Детальный анализ данных показал, что возможность появления на высоте 70 км повышенного светорассеяния в связи с температурной инверсией маловероятна. Оценка возможности реконденсации на этих высотах метеорного вещества показала, что его не хватает по массе почти на порядок. Основной вывод этой работы состоит в том, что факт появления аэрозоля обоснован достаточно. А многочисленные случаи регистрации радаром ESRAD повышенных эхосигналов зимой 2000/2001 гг. ставят вопрос о необходимости пересмотра распространенного представления об отсутствии аэрозоля на этих высотах.

    Мезосфера полностью относится к слою D ионосферы, и заметную роль при образовании в ней аэрозоля может играть наличие заряженной компоненты атмосферы. Поэтому постановка задачи синхронных радарных и лидарных наблюдений и сопоставление результатов со спутниковыми данными представляется обоснованной.

    Положения, выносимые на защиту:

    1. Для лидара с большой базой, работающего от высот ~ 20 км, выделение экспоненты из сигнала в области ~ 90-150 км и вычитание ее из исходного сигнала устраняет вклад импульсов последействия в области высот больше 60 км и позволяет восстановить профиль отношения до высот ~ 75-90 км. 

    2. В средней атмосфере Камчатки в холодный сезон, с конца октября по март, происходит регулярное появление аэрозольных слоев, а для периода с апреля по октябрь, характерно отсутствие, либо слабое проявление аэрозольного рассеяния в интервале высот 65-80 км. Среднестатистический профиль отношения рассеяния в мезосфере Камчатки имеет максимумы на высотах 65, 69 и 75 км. 

    3. Появление аэрозольных слоев в мезосфере коррелирует с понижением температуры в ней в условиях стратосферных потеплений. В обычных условиях наблюдаются корреляции на стратосферных высотах и слабые корреляции на высотах мезосферы.

    Особенности изменчивости вертикального распределения аэрозоля в средней атмосфере Камчатки: автореферат дис. ... кандидата физико-математических наук: 25.00.29 / Бычков Василий Валентинович;[Место защиты: Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук].- Паратунка, 2012.- 23 с.