Первое экспериментальное подтверждение двухсуточных фотохимических осцилляций в земной атмосфере
Фотохимические процессы ключевым образом влияют на важнейшие характеристики и составляющие земной атмосферы: её энергетический баланс, состояние и эволюцию озонового слоя, аэрозольно-химический состав воздуха, которым дышат люди. Одним из важнейших факторов, определяющих протекание фотохимических процессов, являются суточные вариации солнечной освещённости, вызванные вращением Земли вокруг собственной оси. Эти вариации приводят к хорошо известному эффекту – колебаниям концентраций химических составляющих атмосферы с периодом одни сутки, регистрируемым на разных высотах. Кроме того, исследователями из Института физики атмосферы Ростокского университета (Германия) и Института прикладной физики Российской академии наук (Нижний Новгород) было предсказано, что на высотах 80–90 км (так называемая область мезопаузы, где температура воздуха понижается до самых низких в атмосфере значений, достигающих -170 градусов Цельсия) могут возникать особые фотохимические осцилляции с периодом двое суток, которые являются следствием нелинейного фотохимического отклика на суточные вариации освещённости. Интерес к этому явлению продиктован возможностью его проявления в эволюции других характеристик атмосферы, а также с точки зрения предсказания его возникновения на других высотах, в том числе, вследствие искусственного периодического воздействия на атмосферу.
В предшествующих теоретических исследованиях было также показано, что регистрация двухсуточных осцилляций предоставляет новые возможности для оценки ряда важнейших, но недоступных прямым измерениям параметров атмосферы. Тем не менее, вопрос обнаружения и инструментального исследования таких осцилляций оставался открытым вплоть до настоящего времени. Главная сложность регистрации этого явления связана с его локализацией в узком диапазоне высот (2–4 км), а также с большими трудностями мониторинга химических процессов на высотах мезопаузы.
В недавней работе авторов из Института прикладной физики РАН, опубликованной в журнале Американского геофизического союза Geophysical Research Letters, были выявлены индикаторы присутствия этого явления в данных измерений и предпринята первая успешная попытка обнаружить эти индикаторы в результатах спутникового зондирования области мезопаузы. Было продемонстрировано, что главной особенностью нелинейных фотохимических осцилляций с периодом двое суток является значительное – на несколько порядков величины – различие концентраций атомарного водорода в конце следующих друг за другом ночей. Обязательным условием возникновения двухсуточных осцилляций является сильное (более, чем на порядок) замедление эволюции концентрации атомарного водорода в конце ночей с его высокой концентрацией. Использование найденных индикаторов для обработки данных эксперимента SABER (Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry), полученных с помощью прибора, установленного на спутнике TIMED (Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics and Dynamics), позволило выявить около 200 эпизодов в течение одного года измерений, удовлетворяющих найденным критериям. Таким образом, получены первые экспериментальные свидетельства возбуждения нелинейных фотохимических колебаний в атмосфере Земли.
Авторы:
М.Ю. Куликов, М.В. Беликович, А.М. Фейгин (Институт прикладной физики РАН);
Kulikov M.Yu., Belikovich M.V., Feigin A.M., The 2-day photochemical oscillations in the mesopause region: the first experimental evidence? // Geophysical Research Letters, 48, e2021GL092795, 2021.
