Сборник тезисов докладов шестнадцатой Всероссийской открытой конференции "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса", Москва, ИКИ РАН, 2018 год

(http://smiswww.iki.rssi.ru/d33_conf)

Ночное химическое равновесие озона в области мезопаузы и его применение для восстановления О и Н по данным спутникового зондирования SABER

Куликов М.Ю. (1), Беликович М.В. (1), Нечаев А.А. (1), Фейгин А.М. (1)
(1) Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, РФ
Озон является одной из важнейших составляющих атмосферы, поэтому изучение его пространственно-временной эволюции традиционно считаются одними из основных задач в исследовании атмосферы Земли. Во-первых, озоновый слой, расположенный в основном на высотах нижней и средней стратосферы, защищает все живое на нашей планете от губительного воздействия УФ излучения Солнца. Во-вторых, локальная эволюция озона управляется фотохимическими процессами, которые связывают его концентрацию с концентрациями других составляющих атмосферы. При этом распределение озона в нижней и средней атмосфере регулярно и сравнительно неплохо измеряется разнообразными дистанционными методами посредством спутниковых приборов, а также с поверхности Земли. Результаты данных измерений (например, в виде отдельных вертикальных распределений или пространственно-временных рядов) предоставляют широкий спектр возможностей для восстановления плохо измеряемых химических составляющих атмосферы с применением методов обратного моделирования и химических моделей.
Наиболее простая, по-видимому, химическая модель, позволяющая осуществить указанный подход, следует из условия фотохимического равновесия концентрации озона (ФРО). Это условие уже несколько десятилетий [1-5] используется для определения пространственно-временных распределений О и Н на высотах мезосферы и нижней термосферы (МНТ, 50-110 км) по данным дневных и ночных ракетных и спутниковых измерений озона и интенсивности излучения возбужденных состояний OH, O и O2.
Известно, что О и Н являются ключевыми компонентами МНТ. Реакции с участием данных компонент определяют химический состав и вносят существенный вклад в энергетический и радиационный баланс данной области атмосферы, влияют на распределение электронов в нижних слоях ионосферы и т.д. В условиях, когда регулярные непосредственные измерения этих компонент фактически отсутствуют, развитие и применение непрямых методов их мониторинга является важным направлением исследования средней атмосферы и одной из основных задач нескольких спутниковых кампаний, например, SABER на спутнике TIMED, посвященных исследованию МНТ. Однако, корректность применения условия ФРО для определения О и Н должна быть как обоснована с физической точки зрения, так и проверена численно с помощью трехмерных химико-транспортных моделей в зависимости от локального времени, сезона и географических координат.
В данном исследовании [6-7] определены, во-первых, условия выполнимости ночного условия ФРО на высотах МНТ. На основании результатов 3D химико-транспортного моделирования годового цикла фотохимии данной области атмосферы посредством моделей СМАМ и COMMA-IAP рассчитано отношение реальной концентрации озона к его локальному равновесному значению в зависимости от высоты, широты и сезона. Показано, что условие ФРО хорошо (с отклонением и дисперсией менее 10%) выполняется выше некоторой границы, чье положение варьируется в диапазоне высот 80-90 км и крайне сложным образом зависит от координат и сезона. Продемонстрировано, что ряд сделанных ранее выводов об особенностях распределений О и Н в диапазоне высот 80-90 км, восстановленных по данным ночных спутниковых измерений SABER озона и атмосферных свечений OH [3-5], могут быть ошибочными и должны быть пересмотрены. В результате аналитического исследования химической эволюции ночного озона с помощью базовой динамической модели мезосферной фотохимической системы [8] найден простой и удобный для практического использования критерий, позволяющий определять границы применимости (в зависимости от локального времени суток, времени года и координат) условия равновесия озона по доступным данным измерений. В частности, в случае спутниковой кампании SABER [3-5] это одновременно измеренные профили температуры, давления и интенсивности излучения возбужденных состояний ОН в ИК диапазоне (2 мкм).
Во вторых, указанный критерий применен к данным измерений SABER за 2004 год для определения границы ночного ФРО. Полученные результаты в целом подтвердили выводы наших работ [6-7]. Было обнаружено, что граница ночного ФРО варьируется в пределах 77-86 км в зависимости от сезона и широты. Показано, что восстановление атомарного кислорода без учета этой границы приводит к значительной (до 5-8 раз) недооценке концентрации этой компоненты в диапазоне 80-85 км, но практически не сказывается на качестве восстановления атомарного водорода.
Наши результаты свидетельствуют о необходимости учета критерия выполнимости ФРО в различных приложениях (например, при оценке химического нагрева или радиационного охлаждения МНТ), где используются восстановленные данные атомарного кислорода.
Работа выполнена при поддержке проекта РФФИ № 17-05-01142 и программы Президиума РАН №28 (проект № 0035-2018-0020).

1. Good R.E. Determination of atomic oxygen density from rocket borne measurements of hydroxyl airglow // Planet. Space Sci. 1976. Vol. 24. P. 389–395.
2. Thomas R.J. Atomic hydrogen and atomic oxygen density in the mesosphere region: Global and seasonal variations deduced from Solar Mesosphere Explorer near-infrared emissions // J. Geophys. Res. 1990. Vol. 95. P. 16457–16476.
3. Mlynczak M.G., Hunt L.A., Mast J.C., Marshall B.T., Russell III J.M., Smith A.K., Siskind D.E., Yee J.-H., Mertens C.J., Martin-Torres F.J., Thompson R.E., Drob D.P., Gordley L.L. Atomic oxygen in the mesosphere and lower thermosphere derived from SABER: Algorithm theoretical basis and measurement uncertainty // J. Geophys. Res. 2013. Vol. 118. P. 5724–5735.
4. Mlynczak M.G., Hunt L.A., Marshall B.T., Mertens C.J., Marsh D.R., Smith A.K., Russell III J.M., Siskind D.E., Gordley L.L. Atomic hydrogen in the mesopause region derived from SABER: Algorithm theoretical basis, measurement uncertainty, and results // J. Geophys. Res.. 2014. Vol. 119. P. 3516–3526.
5. Mlynczak M.G., Hunt L.A., Russell III J.M., Marshall B.T. Updated SABER night atomic oxygen and implications for SABER ozone and atomic hydrogen // Geophys. Res. Lett. 2018. Vol. 45. P. 5735–5741.
6. Belikovich M.V., Kulikov M.Y., Grygalashvyly M., Sonnemann G.R., Ermakova T.S., Nechaev A.A., Feigin A.M. Ozone chemical equilibrium in the extended mesopause under the nighttime conditions // Adv. Space Res. 2018. Vol. 61. P. 426–432.
7. Kulikov M.Y., Belikovich M.V., Grygalashvyly M., Sonnemann G.R., Ermakova T.S., Nechaev A.A., Feigin A.M. Nighttime ozone chemical equilibrium in the mesopause region // J. Geophys. Res. 2018. Vol. 123. P. 3228–3242.
8. Feigin A.M., Konovalov I.B., Molkov Ya.I. Towards understanding nonlinear nature of atmospheric photochemistry: Essential dynamic model of the mesospheric photochemical system // J. Geophys. Res. 1998. Vol. 103. P. 25447–25460.

Ключевые слова: мезосфера и нижняя термосфера, озон, возбужденный ОН, восстановление атомарного кислорода и водорода, SABER
Литература:
  1. Good R.E. Determination of atomic oxygen density from rocket borne measurements of hydroxyl airglow // Planet. Space Sci. 1976. Vol. 24. P. 389–395.
  2. Thomas R.J. Atomic hydrogen and atomic oxygen density in the mesosphere region: Global and seasonal variations deduced from Solar Mesosphere Explorer near-infrared emissions // J. Geophys. Res. 1990. Vol. 95. P. 16457–16476.
  3. Mlynczak M.G., Hunt L.A., Mast J.C., Marshall B.T., Russell III J.M., Smith A.K., Siskind D.E., Yee J.-H., Mertens C.J., Martin-Torres F.J., Thompson R.E., Drob D.P., Gordley L.L. Atomic oxygen in the mesosphere and lower thermosphere derived from SABER: Algorithm theoretical basis and measurement uncertainty // J. Geophys. Res. 2013. Vol. 118. P. 5724–5735.
  4. Mlynczak M.G., Hunt L.A., Marshall B.T., Mertens C.J., Marsh D.R., Smith A.K., Russell III J.M., Siskind D.E., Gordley L.L. Atomic hydrogen in the mesopause region derived from SABER: Algorithm theoretical basis, measurement uncertainty, and results // J. Geophys. Res.. 2014. Vol. 119. P. 3516–3526.
  5. Mlynczak M.G., Hunt L.A., Russell III J.M., Marshall B.T. Updated SABER night atomic oxygen and implications for SABER ozone and atomic hydrogen // Geophys. Res. Lett. 2018. Vol. 45. P. 5735–5741.
  6. Belikovich M.V., Kulikov M.Y., Grygalashvyly M., Sonnemann G.R., Ermakova T.S., Nechaev A.A., Feigin A.M. Ozone chemical equilibrium in the extended mesopause under the nighttime conditions // Adv. Space Res. 2018. Vol. 61. P. 426–432.
  7. Kulikov M.Y., Belikovich M.V., Grygalashvyly M., Sonnemann G.R., Ermakova T.S., Nechaev A.A., Feigin A.M. Nighttime ozone chemical equilibrium in the mesopause region // J. Geophys. Res. 2018. Vol. 123. P. 3228–3242.
  8. Feigin A.M., Konovalov I.B., Molkov Ya.I. Towards understanding nonlinear nature of atmospheric photochemistry: Essential dynamic model of the mesospheric photochemical system // J. Geophys. Res. 1998. Vol. 103. P. 25447–25460.

Дистанционные методы исследования атмосферных и климатических процессов

190