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

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.