авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Излучение верхней атмосферы земли в средних широтах азиатского континента и его региональные особенности

-- [ Страница 1 ] --

Российская академия наук

Сибирское отделение

Институт солнечно-земной физики

На правах рукописи

УДК 550.388; 551.521.

МИХАЛЕВ Александр Васильевич

ИЗЛУЧЕНИЕ ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ

В СРЕДНИХ ШИРОТАХ АЗИАТСКОГО КОНТИНЕНТА

И ЕГО региональные ОСОБЕННОСТИ

Специальность 25.00.29 – физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Иркутск - 2008

Работа выполнена в Институте солнечно-земной физики Сибирского Отделения РАН

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

Семенов Анатолий Иванович

доктор физико-математических наук, профессор

Паперный Виктор Львович

доктор технических наук, профессор

Кудряшев Геннадий Сергеевич

Ведущая организация: Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю. Г. Шафера Сибирского Отделения РАН

Защита диссертации состоится “ 10 ” февраля 2009 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д.003.034.01 Института солнечно-земной физики СО РАН (664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 126 а, а/я 291).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИСЗФ СО РАН.

Автореферат разослан “ ” 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физ.-мат. наук Поляков В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время среди глобальных проблем, решаемых научным мировым сообществом, можно выделить проблемы изменения климата Земли, экологии и космической погоды. Для решения этих проблем осуществлялись и осуществляются национальные и международные проекты и программы, такие как WCRP (World Climate Research Programme), STEP (Solar-Terrestrial Energy Programme), MAP (Middle Atmosphere Programme) и многие другие. Атмосфера Земли является одним из важных объектов исследований этих проектов и программ.

Средняя и верхняя атмосфера Земли представляет собой слабоионизованную, многокомпонентную среду со сложной и изменчивой морфологией, которая контролируется множеством механизмов, включая прямой солнечный нагрев, фотохимические процессы, динамическое взаимодействие между отдельными слоями атмосферы и ее компонентами. Вариабильность основных характеристик средней и верхней атмосферы Земли, поведение атмосферы при гелио-геофизических воздействиях различной природы являются одной из ключевых проблем физики атмосферы, имеющей прямое отношение к глобальным проблемам изменения климата и космической погоды.

Предметом исследований настоящей диссертационной работы являются закономерности вариаций ночного излучения среднеширотной верхней атмосферы Земли, являющегося одним из фундаментальных свойств атмосферы. После открытия собственного свечения верхней атмосферы Земли и осознания его как явления планетарного масштаба возникла проблема исследования свойств этого явления и его связи с характеристиками самой атмосферы. При этом в разные периоды решались различные аспекты и задачи этой проблемы: определение спектрального состава и высоты высвечивания, выявление природы эмиссий (что стимулировало лабораторные исследования скоростей реакций, излучательных характеристик атомов и молекул), морфология, диагностика атмосферных параметров и др. Все аспекты указанной проблемы сохраняют актуальность и в настоящее время. Кроме того, в связи с глобальными проблемами изменения климата, космической погоды, экологии возникли новые задачи и аспекты, относящиеся к собственному свечению атмосферы. Так, накопленный к последнему времени многолетний материал по собственному свечению атмосферы позволил привлекать его для исследования и интерпретации выявленных тенденций глобальных и долговременных изменений в атмосфере Земли. В последние десятилетия стала очевидной роль долготной и региональной зависимостей в собственном свечении атмосферы, указывающих на его тесную связь с нижележащей атмосферой и/или подстилающей поверхностью. Над отдельными крупными регионами континентального масштаба с различными геофизическими условиями следовало ожидать отличий в характеристиках собственного свечения атмосферы и его вариациях. В то же время, к моменту выполнения настоящей работы основные сведения о свечении верхней атмосферы в средних широтах были получены по данным европейских и американских станций.

Собственное излучение атмосферы Земли является отражением фундаментальных свойств любой газовой среды – обладать собственным излучением, характеризующим его состояние и динамику. Объектом исследования настоящей работы и является это фундаментальное свойство земной атмосферы – собственное излучение в различных гелио-геофизических условиях. Излучение верхней атмосферы Земли является проявлением сложного комплекса физико-химических процессов в атмосфере Земли и явлений на Солнце. Собственное излучение верхней атмосферы - геофизическое явление, которое возникает в результате диссоциации, ионизации и возбуждения атмосферных составляющих под действием электромагнитной и корпускулярной радиации Солнца. В настоящее время достаточно хорошо исследованы спектральный состав и регулярные вариации излучения основных эмиссионных атомарных и молекулярных линий и полос верхней атмосферы Земли, полученные осреднением данных наблюдений за длительные периоды – ночи, месяцы, годы. Это позволило в последние годы перейти к созданию эмпирических моделей регулярных вариаций основных эмиссий излучения верхней атмосферы. Важно, что регистрация излучения верхней атмосферы являлась одним из первых инструментальных методов исследования верхней атмосферы, для которого получены одни из самых длинных рядов инструментальных наблюдений для рассматриваемой области высот атмосферы.

Значительно в меньшей степени изучены нерегулярные вариации оптического излучения атмосферы при гелио-геофизических возмущениях различной природы, которые позволяют изучать обширный круг явлений, связанных с солнечной активностью, магнитосферно-ионосферными взаимодействиями, взаимодействиями между нижними и верхними слоями атмосферы, литосферно-атмосферными связями. Нерегулярные вариации среднеширотных эмиссий связаны с процессами распространения возмущений в верхней атомсфере Земли типа внутренних и планетарных волн при геомагнитных бурях, стратосферных потеплениях, землетрясениях, запусках космических аппаратов, прохождении метеорологических образований и других быстропротекающих процессов. Между тем для создания полных моделей поведения эмиссий верхней атмосферы, решения ряда практических и научных задач требуется учет и знание закономерностей всех видов возмущений.

Накопленные в течение прошлого столетия знания позволили научному сообществу подойти к решению проблем изменения климата, космической погоды, катастроф различной природы и их проявлений в атмосфере Земли, требующих комплексного подхода и понимания взаимосвязей между литосферой, атмосферой Земли, околоземным космическим пространством, явлений на Солнце. В этой связи одним из направлений исследований, способствующих решению отмеченных проблем, может являться изучение свойств собственного излучения верхней атмосферы в взаимосвязи с климатическими изменениями.

В исследованиях атмосферы Земли заключены и познавательные, философские аспекты изучения окружающего нас мира, связанные с происхождением и эволюцией планет и их атмосфер.

Цель диссертационной работы состояла в исследованиях закономерностей ночного излучения верхней атмосферы в эмиссионных линиях 557.7 и 630 нм в средних широтах Азиатского континента, позволяющих расширить представления о планетарном распределении, многолетних регулярных и нерегулярных вариациях собственного свечения атмосферы.

Методы исследований. В качестве основных методов исследований в работе используются экспериментальные методы получения информации об оптическом излучении атмосферы, методы статистического анализа экспериментальных данных для выявления их закономерностей, методы вычислений характеристик атомных и ионных ансамблей – заселения спектральных уровней и поляризационных моментов, для интерпретации полученных экспериментальных данных.

Достоверность и обоснованность полученных результатов. Достоверность полученных в работе результатов и выводов обусловлена использованием большого экспериментального материала, сопоставлением с моделями и результатами других исследователей, применением апробированных методов экспериментальных исследований и математических и статистических методик обработки результатов. На работы и результаты автора имеются ссылки отечественных и зарубежных исследователей.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней:

  1. Разработаны и внедрены оригинальные методы и устройства для регистрации сверхслабых нестационарных световых потоков лабораторной плазмы и атмосферы Земли.
  2. Впервые для региона Восточной Сибири получены данные о характеристиках основных атмосферных эмиссиях 557.7 и 630 нм при различных геофизических условиях, уровнях солнечной и геомагнитной активности. Отдельные виды зарегистрированных вариаций атмосферных эмиссий типичны для всей среднеширотной зоны Азиатского континента и исследованы впервые.
  3. Впервые для региона Восточной Сибири исследованы среднеширотные сияния при больших геомагнитных бурях (геомагнитные бури 24-25 марта 1991 г., 6-7 апреля 2000 г., 31 марта 2001 г., 29-31 октября и 20-21 ноября 2003 г. и др.), во время которых на широтах ~ 50є N были отмечены проявления субавроральной и авроральной ионосферы.
  4. Впервые в средних широтах (~ 50є N) Азиатского континента зарегистрированы SAR-дуги при высоких уровнях геомагнитной активности, дополняющих морфологию SAR-дуг Азиатского континента, полученную ранее в субавроральных широтах (Якутск) при умеренных уровнях геомагнитной активности.
  5. Впервые для Байкальской сейсмической зоны показано влияние сейсмической активности на уровни и вариации атмосферной эмиссии 557.7 нм.
  6. Исследован сезонный ход атмосферной эмиссии 557.7 нм в регионе Восточной Сибири, указывающий на существование региональных (долготных) особенностей в характеристиках атмосферной эмиссии 557.7 нм, связанных, в частности, с проявлениями стратосферных потеплений.
  7. Исследованы особенности поведения вариаций атмосферных эмиссий 557.7 и 630 нм в 23-м солнечном цикле.
  8. Обнаружены и исследованы субвизуальные оптические вспышки в излучении ночной среднеширотной атмосферы, предложен механизм их образования и проанализирован возможный источник оптических вспышек – микровсплески электронных потоков.
  9. Предложено использовать свечение верхней атмосферы как параметр – индикатор гелио-геофизической обстановки и космической погоды, ввести индексы возмущенности атмосферных эмиссий.

Научная и практическая значимость работы.

  1. Полученные данные о свечении верхней атмосферы Земли в ранее не исследованной широтно-долготной зоне имеют важное значение для изучения глобальных распределений параметров атмосферы, их вариаций и региональных особенностей при гелио-геофизических возмущениях.
  2. Результаты проведенных исследований расширяют и существенно дополняют знания об оптических явлениях и связанных с ними физических процессов верхней атмосферы средних широт.

Результаты работы можно использовать для исследования механизмов и процессов влияния гелио-геофизических возмущений на структурные параметры и динамику средней и верхней атмосферы Земли, трендов атмосферных параметров; при анализе результатов наблюдений и моделирования эффектов естественных и искусственных воздействий типа геомагнитных бурь, землетрясений, солнечных и лунных затмений, запусков космических аппаратов, антропогенных изменений в атмосфере Земли; при оптическом мониторинге и прогнозе состояния атмосферы, гелио-геофизической обстановки и космической погоды.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты систематических многолетних исследований характеристик излучения верхней атмосферы в линиях атомарного кислорода 557.7 и 630 нм в ранее не исследованной широтно-долготной зоне Азиатского континента, позволяющие расширить представления о планетарном распределении свечения атмосферы и установить новые особенности излучения верхней атмосферы при гелио-геофизических возмущениях различной природы.

2. Характеристики среднеширотных сияний во время больших и экстремальных геомагнитных бурь в 23-м солнечном цикле. Экспериментальные факты регистрации SAR- дуг в средних широтах Азиатского континента при высоких уровнях геомагнитных возмущений. Межгодовые вариации атмосферных эмиссий 557.7 и 630 нм в 23-м солнечном цикле.

3. Характеристики и физическая интерпретация обнаруженных оптических вспышек в излучении ночной среднеширотной атмосферы.

4. Региональные особенности вариаций интенсивностей атмосферных эмиссий атомарного кислорода 557.7 и 630 нм в Восточной Сибири, обусловленные стратосферными потеплениями, геомагнитной и сейсмической активностью.

5. Разработанные для лабораторных и натурных исследований способы регистрации сверхслабых нестационарных световых потоков, аппаратура и устройства, позволившие исследовать оптические эффекты, процессы и атмосферные явления в широком диапазоне временных масштабов от ~ 10-6 до 104 сек.

Личный вклад автора.

Диссертационная работа является результатом более чем 30-летних исследований автора. В совместных работах и публикациях, относящихся к исследованию свечения атмосферы Земли участие и вклад автора были определяющими, а результаты, выносимые на защиту в настоящей работе, получены лично автором. В совместных работах и публикациях, связанных с лабораторными экспериментами, участие автора заключалось в постановке и проведении оптических и спектральных измерений, анализе и обсуждении полученных результатов.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на Всесоюзной конференции по высокоскоростной регистрации быстропротекающих процессов (Москва, 1975); Всесоюзной конференции по плазменной астрофизике (Иркутск, 1976); XV и XVI международных конференциях по явлениям в ионизованных газах (Минск,1981; Дюссельдорф, 1983); Российской конференции "Взаимодействие космических аппаратов с окружающей средой" (Иркутск, 1995); Ассамблее IAGA (Упсала, 1997); Международной конференции "Физика ионосферы и атмосферы Земли" (Иркутск, 1998); Ассамблее IUGG (Бирмингем, 1999); Международной конференции “Солнечная активность и ее земные проявления” (Иркутск, 2000); Международной конференции “The First S-RAMP Conference”(Саппоро, 2000); 33 - 36 Ассамблеях COSPAR (Варшава, 2000; Хьюстон, 2002; 2004; Пекин, 2006); Российско-китайских совещания и конференциях по космической погоде (Иркутск, 2000, 2002; 2004, Пекин, 2001, 2003, 2007); XXVI Генеральной ассамблее EGS (Ницца, 2001); VIII - XIV Международных симпозиумах “Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы” (Иркутск, 2001; Томск, 2002 - 2007); Международной конференции “Моделирование, базы данных и информационные системы для атмосферных наук” (Иркутск, 2001); коллоквиуме COSPAR “Solar-Terrestrial Magnetic Activity and Space Environment” (Пекин, 2001); ); Всероссийских конференциях по физике солнечно-земных связей и солнечно-земной физике (Иркутск, 2001,2004); Международной конференции “ENVIROMIS 2002” (Томск, 2002); 4-й Всероссийской конференция по электронным библиотекам (Дубна, 2002); на научных семинарах ИСЗФ СО РАН.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы из 409 наименований. Общий объем диссертации составляет 260 страниц, включает 44 рисунка и 3 таблицы.

Основное содержание работы

Во Введении обосновывается актуальность темы диссертации, определяются предмет и цель исследований, отмечается научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту и дано краткое изложение содержания диссертации.

В первой главе обзорного характера даются общие сведения о собственном свечении верхней атмосферы Земли, оптических явлениях и эффектах в средней и верхней атмосфере Земли при гелио-геофизических возмущениях. Отмечается, что свечение атмосферы Земли, возникающее на высотах атмосферы ~ 80-1000 км, обусловлено несколькими видами люминесценции - фотолюминесценцией, хемилюминесценцией, флуоресценцией, связанных с определенным диапазоном высот, определенными атмосферными составляющими и обладающих различными морфологическими особенностями. Описываются основные механизмы возбуждения атомарных линий и молекулярных полос в излучении верхней атмосферы. В настоящее время для собственного свечения верхней атмосферы в средних широтах с различной степенью изученности установлено воздействие солнечной активности, геомагнитных бурь, стратосферных потеплений, тропосферных циклонов, метеорной активности, землетрясений, запусков космических аппаратов, орографических эффектов, солнечных и лунных затмений, искусственных воздействий и других гелио-геофизических явлений. В излучении среднеширотной атмосферы отмечаются также явления типа оптических вспышек. Анализ опубликованных работ, позволяет, по-видимому, говорить в настоящее время о нескольких типах оптических вспышек и пульсаций в излучении атмосферы, источником которых могут быть различные явления. Среди последних можно отметить всплески космического рентгеновского и гамма-излучений, высотные молниевые разряды, импульсные ионосферно-магнитосферные процессы.

Проведенный обзор оптических явлений и эффектов в средней и верхней атмосфере Земли при гелио-геофизических возмущениях позволил сформулировать следующие выводы.

1. В настоящее время относительно хорошо исследованы спектральный состав и регулярные вариации излучения основных эмиссионных линий и полос верхней атмосферы Земли больших временных масштабов (суточные, сезонные, многолетние) в отдельных широтно-долготных зонах. Это позволило в последние годы перейти к созданию эмпирических моделей регулярных вариаций основных эмиссий излучения верхней атмосферы.

2. Существует большое количество источников нерегулярных возмущений излучения верхней атмосферы различной природы, пространственно-временных масштабов и областей локализаций – от литосферных до внеатмосферных космических.

3. Морфология большинства нерегулярных возмущений свечения атмосферы исследованы недостаточно. Для отдельных типов возмущений излучения верхней атмосферы не определены их природа, механизмы, отсутствуют модельные представления.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.