Многолетний тренд температуры в области мезопаузы по наблюдениям гидроксильного излучения в Звенигороде

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Представлен анализ многолетнего хода среднегодовой температуры ОН*, значения которой получены по ночным спектральным измерениям полос излучения гидроксила на Звенигородской научной станции (56° N, 37° E) с 1957 по 2022 г. В настоящее время данный ряд температур ОН*, отражающий тепловое состояние области мезопаузы, является самым длинным в мире. На его основе выполнена оценка линейного тренда и отклика температуры на изменения солнечной активности как в целом по всей совокупности данных, так и для отдельных интервалов времени. В первом случае тренд составил −0.23 ± 0.04 К/год. Во втором случае анализ показал сильное охлаждение в области мезопаузы (−0.53 ± 0.34 К/год) до 1970-х гг., которое впоследствии замедлилось до −0.14 ± 0.03 К/год. Сравнение результатов анализа с другими измерениями и модельными расчетами показывает, что последние имеют более низкие значения трендов. Предполагается, что причинами температурного тренда, помимо роста парниковых газов, основным из которых является СО2, могут быть долговременные изменения в динамике верхней атмосферы.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. И. Перминов

Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН (ИФА РАН)

Автор, ответственный за переписку.
Email: v.perminov@rambler.ru
Россия, Москва

Н. Н. Перцев

Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН (ИФА РАН)

Email: n.pertsev@bk.ru
Россия, Москва

П. А. Далин

Swedish Institute of Space Physics; Институт космических исследований РАН (ИКИ РАН)

Email: pdalin@yandex.ru
Швеция, Kiruna; Россия, Москва

В. А. Семенов

Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН (ИФА РАН)

Email: vasemenov@mail.ru
Россия, Москва

В. А. Суходоев

Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН (ИФА РАН)

Email: vladi13s@yandex.ru
Россия, Москва

Ю. А. Железнов

Институт электрофизики и электроэнергетики РАН (ИЭЭ РАН)

Email: otdel18@bk.ru
Россия, Санкт-Петербург

М. Д. Орехов

Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН (ИФА РАН)

Email: jlestersskull@gmail.com
Россия, Москва

Список литературы

  1. Гайнуллина Р.Х., Карягина З.В. Определение температуры верхней атмосферы по вращательным полосам спектра гидроксила // Спектральные, спектрофотометрические и радиолокационные исследования полярных сияний и свечения ночного неба. № 2−3. С. 63−65. 1960.
  2. Герасимова Н.Г., Яковлева А.В. Комплект светосильных спектрографов с дифракционными решетками // Приборы и техника эксперимента. № 1. С. 83−86. 1956.
  3. Капорский Л.Н., Николаева И.И. Оптические приборы. Каталог / Под ред. В.А. Никитина. М.: Машиностроение. 305 с. 1969.
  4. Мерзляков Е.Г., Портнягин Ю.И. Многолетние изменения параметров ветрового режима нижней термосферы умеренных широт (90−100 км) // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. Т. 35. С. 531−542. 1999.
  5. Мохов И.И., Семенов А.И., Володин Е.М., Дембицкая М.А. Выхолаживание в области мезопаузы при глобальном потеплении по данным измерений и модельным расчетам // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. Т. 53. № 4. С. 435−444. 2017.
  6. Перминов В.И., Семенов А.И. Неравновесность вращательной температуры полос ОН с высоким колебательным возбуждением // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 32. № 2. С. 175−178. 1992.
  7. Перминов В.И., Семенов А.И., Шефов Н.Н., Тихонова В.В. Оценка сезонных вариаций высоты излучающего слоя гидроксила // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 33. № 3. С. 113−120. 1993.
  8. Перминов В.И., Семенов А.И., Шефов Н.Н. О вращательной температуре гидроксильной эмиссии // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 47. № 6. С. 798−805. 2007.
  9. Прокудина В.С. Определение вращательной температуры гидроксила в верхней атмосфере // Изв. АН СССР. Серия геофиз. № 125. С. 629−631. 1959.
  10. Семенов А.И., Шефов Н.Н., Фишкова Л.М., Лысенко Е.В., Перов С.П., Гивишвили Г.В., Лещенко Л.Н., Сергеенко Н.П. Об изменении климата верхней и средней атмосферы // Доклады АН СССР. Т. 349. № 1. С. 108−110. 1996.
  11. Семенов А.И. Температурный режим нижней термосферы по эмиссионным измерениям в течение последних десятилетий // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 36. № 5. С. 90−97. 1996.
  12. Семенов А.И., Баканас В.В., Перминов В.И., Железнов Ю.А., Хомич В.Ю. Спектр излучения ночной верхней атмосферы Земли в ближней инфракрасной области // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 42. № 3. С. 407−414. 2002.
  13. Семенов А.И., Шефов Н.Н. Излучение верхней атмосферы — чувствительный индикатор солнечно-земных процессов. Итоги за 60 лет (обзор) // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 51. № 4. С. 435−449. 2011.
  14. Шефов Н.Н. Об определении вращательной температуры полос ОН* // Спектральные, спектрофотометрические и радиолокационные исследования полярных сияний и свечения ночного неба. № 5. С. 5−9. 1961.
  15. Шефов Н.Н., Семенов А.И., Хомич В.Ю. Излучение верхней атмосферы − индикатор ее структуры и динамики. М.: ГЕОС. 740 с. 2006.
  16. Шуйская Ф.К. Некоторые результаты спектроскопических исследований полярных сияний и излучения ночного неба // Спектральные, спектрофотометрические и радиолокационные исследования полярных сияний и свечения ночного неба. № 1. С. 45−47. 1959.
  17. Фишкова Л.М. Ночное излучение среднеширотной верхней атмосферы Земли. Тбилиси: Мецниереба. 271 с. 1983.
  18. Ярин В.И. Эмиссия ОН по наблюдениям в Якутске // Спектральные, спектрофотометрические и радиолокационные исследования полярных сияний и свечения ночного неба. № 5. С. 10−17. 1961.
  19. Bakanas V.V., Perminov V.I., Semenov A.I. Seasonal variations of emission characteristics of the mesopause hydroxyl with different vibrational excitation // Adv. Space Res. V. 32. № 5. P. 765−770. 2003.
  20. Baker D.J., Stair A.T. Rocket measurements of the altitude distributions of the hydroxyl airglow // Physica Scripta. № 37. P. 611−622. 1988.
  21. Beig G., Keckhut P., Lowe R.P. et al. Review of mesospheric temperature trends // Rev. Geophys. V. 41. 1015. 2003. https://doi.org/10.1029/2002RG000121
  22. Beig G. Long-term trends in the temperature of the mesosphere/lower thermosphere region: 1. Anthropogenic influences // J. Geophys. Res. V. 116. A00H11. 2011. https://doi.org/10.1029/2011JA016646
  23. Dalin P., Perminov V., Pertsev N., Romejko V. Updated long-term trends in mesopause temperature, airglow emissions, and noctilucent clouds // J. Geophys. Res. − Atmos. V. 125. e2019JD030814. 2020. https://doi.org/10.1029/2019JD030814
  24. Dick K.A. On the rotational temperature of the airglow hydroxyl emissions // Planet. Space Sci. V. 25. № 6. P. 595—596. 1977.
  25. Emmert J.T., Drob D.P., Picone J.M., et al. NRLMSIS 2.0: A whole-atmosphere empirical model of temperature and neutral species densities // Earth and Space Science. V. 8. № 3. e2020EA001321. 2021. https://doi.org/10.1029/2020EA001321
  26. Feofilov A.G., Kutepov A.A. Infrared radiation in the mesosphere and lower thermosphere: energetic effects and remote sensing // Surveys in Geophysics. V. 33. 1231—1280. 2012.
  27. Fomichev V.I., Jonsson A.I., de Grandpré J., Beagley S.R., McLandress C., Semeniuk K., Shepherd T.G. Response of the middle atmosphere to CO2 doubling: results from the Canadian middle atmosphere model // J. Clim. V. 20. P. 1121—1144. 2007.
  28. French W.J.R., Burns G.B., Finlayson K., Greet P.A., Lowe R.P., Williams P.F.B. Hydroxyl (6−2) airglow emission intensity ratios for rotational temperature determination // Ann. Geophysicae. V. 18. P. 1293−1303. 2000.
  29. French W.J.R., Mulligan F.J., Klekociuk A.R. Analysis of 24 years of mesopause region OH rotational temperature observations at Davis, Antarctica —Part 1: long-term trends // Atmos. Chem. Phys. V. 20. P. 6379—6394. 2020.
  30. Garcia R.R., Marsh D.R., Kinnison D.E., Boville B.A., Sassi F. Simulation of secular trends in the middle atmosphere, 1950—2003 // J. Geophys. Res. V. 112. D09301. 2007. https://doi.org/10.1029/2006JD007485
  31. Garcia R.R., Yue J., Russell J.M. Middle atmosphere temperature trends in the twentieth and twenty‐first centuries simulated with the Whole Atmosphere Community Climate Model (WACCM) // J. Geophys. Res. − Space Physics. V. 124. P. 7984—7993. 2019.
  32. Golitsyn G.S., Semenov A.I., Shefov N.N., Fishkova L.M., Lysnko E.V., Perov S.P. Long-term temperature trends in atmosphere // Geophys. Res. Let. V. 23. № 14. P. 1741−1744. 1996.
  33. Grygalashvyly M. Several notes on the OH* layer // Ann. Geophysicae. V. 33. P. 923−930. 2015.
  34. Holmen S.E., Dyrland M.E., Sigernes F. Mesospheric temperatures derived from three decades of hydroxyl airglow measurements from Longyearbyen, Svalbard (78° N) // Acta Geophys. V. 62. P. 302—315. 2014.
  35. Jacobi Ch. Long-term trends and decadal variability of upper mesosphere/lower thermosphere gravity waves at midlatitudes // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. V. 118. P. 90−95. 2014.
  36. Kalicinsky C., Knieling P., Koppmann R., Offermann D., Steinbrecht W., Wintel J. Long-term dynamics of OH* temperatures over central Europe: trends and solar correlations // Atmos. Chem. Phys. V. 16. P. 15033—15047. 2016.
  37. Krassovsky V.I., Shefov N.N., Yarin V.I. Atlas of the airglow spectrum λλ 3000−12400 Å // Planet. Space Sci. V. 9. № 12. P. 883−915. 1962.
  38. Krassovsky V.I., Potapov B.P., Semenov A.I., Shagaev M.V., Shefov N.N., Sobolev V.G. On the equilibrium nature of the rotational temperature of hydroxyl airglow // Planet. Space Sci. V. 25. № 6. P. 596−597. 1977.
  39. Kvifte G. Temperature measurements from OH bands // Planet. Space Sci. V. 5. P. 153—157. 1961.
  40. Langhoff S.R., Werner H.J., Rosmus P. Theoretical transition probabilities for the OH Meinel system // J. Molecular Spectrosc. V. 118. № 4. P. 507—529. 1986.
  41. Makhlouf U.B., Picard R.H., Winick J.R. Photochemical-dynamical modeling of the measured response of airglow to gravity waves. 1. Basic model for OH airglow // J. Geophys. Res. V. 100. № D6. P. 11289−11311. 1995.
  42. Marsh D.R., Mills M.J., Kinnison D.E., Lamarque J.-F., Calvo N., Polvani L.M. Climate change from 1850 to 2005 simulated in CESM1 (WACCM). J. Clim. V. 26. № 19. P. 7372—7391. 2013.
  43. Meinel A.B. OH emission bands in the spectrum of the night sky // Astrophys. J. V. 112. № 1. P. 120−130. 1950.
  44. Mlynczak M.G., Hunt L.A., Garcia R.R., Harvey V.L., Marshall B.T., Yue J., Mertens C.J., Russell J.M. Cooling and contraction of the mesosphere and lower thermosphere from 2002 to 2021 // J. Geophys. Res. —Atmos. V. 127. e2022JD036767. 2022. https://doi.org/10.1029/2022JD036767
  45. Offermann D., Hoffmann P., Knieling P., Koppmann R., Oberheide J., Steinbrecht W. Long‐term trends and solar cycle variations of mesospheric temperature and dynamics // J. Geophys. Res. V. 115. D18127. 2010. https://doi.org/10.1029/2009JD013363
  46. Perminov V.I., Semenov A.I., Shefov N.N. Long-term variations in mesopause temperature // Abstracts of Eighth International Symposium on Solar Terrestrial Physics. Sendai, Japan, June 5−10, 1994. P. 199. 1994.
  47. Perminov V.I., Semenov A.I., Medvedeva I.V., Zheleznov Yu.A. Variability of mesopause temperature from the hydroxyl airglow observations over mid-latitudinal sites, Zvenigorod and Tory, Russia // Adv. Space Res. V. 54. № 12. P. 2511−2517. 2014.
  48. Perminov V.I., Semenov A.I., Pertsev N.N., Medvedeva I.V., Dalin P.A., Sukhodoev V.A. Multi-year behaviour of the midnight OH* temperature according to observations at Zvenigorod over 2000−2016 // Adv. Space Res. V. 61. № 7. P. 1901−1908. 2018.
  49. Pertsev N., Perminov V. Response of the mesopause airglow to solar activity inferred from measurements at Zvenigorod, Russia // Ann. Geophysicae. V. 26. № 5. P. 1049−1056. 2008.
  50. Qian L., Burns A.G., Solomon S.C., Wang W. Carbon dioxide trends in the mesosphere and lower thermosphere // J. Geophys. Res. − Space Phys. V. 122. P. 4474—4488. 2017.
  51. Reisin E.R., Scheer J., Dyrland M.E., et al. Traveling planetary wave activity from mesopause region airglow temperatures determined by the Network for the Detection of Mesospheric Change (NDMC) // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. V. 119. P. 71—82. 2014.
  52. Rezac L., Yue J., Yongxiao J., Russell J. M., Garcia R., Lopez-Puertas M., Mlynczak M.G. On long-term SABER CO2 trends and effects due to nonuniform space and time sampling // J. Geophys. Res. − Space Phys. V. 123. 7958—7967. 2018.
  53. Rishbeth H., Roble R.G. Cooling of the upper atmosphere by enhanced greenhouse gases − Modeling of thermospheric and ionospheric effects // Planet. Space Sci. V. 40. P. 1011—1026. 1992.
  54. Roble R.G., Dickinson R.E. How will changes in carbon dioxide and methane modify the mean structure of the mesosphere and thermosphere? // Geophys. Res. Lett. V. 16. P. 1441—1444. 1989.
  55. Schmidt H., Brasseur G.P., Charron M., Manzini E., Giorgetta M.A., Diehl T., Fomichev V.I., Kinnison D., Marsh D., Walters S. The HAMMONIA chemistry climate model: Sensitivity of the mesopause region to the 11-year solar cycle and CO2 doubling // J. Clim. V. 19. P. 3903—3931. 2006.
  56. Shefov N.N. Hydroxyl emission of the upper atmosphere − I. The behaviour during a solar cycle, seasons and geomagnetic disturbances // Planet. Space Sci. V. 17. P. 797−813. 1969.
  57. She C.Y., Thiel S.W., Krueger D.A. Observed episodic warming at 86 and 100 km between 1991 and 1997: effects of Mount Pinatibo eruption // Geophys. Res. Lett. V. 25. № 4. P. 497−500. 1998.
  58. She C.Y., Berge U., Yan Z.A., Yuan T., Lübken F.J., Krueger D.A., Hu X. Solar response and long‐term trend of midlatitude mesopause region temperature based on 28 years (1990—2017) of Na lidar observations // J. Geophys. Res. − Space Phys. V. 124. P. 7140—7156. 2019.
  59. Semenov A.I. Long term temperature trends for different seasons by hydroxyl emission // Phys. Chem. Earth (B). V. 25. № 5−6. P. 525−529. 2000.
  60. Semenov A.I., Shefov N.N., Lysenko E.V., Givishvili G.V., Tikhonov A.V. The season peculiarities of behaviour of the long-term temperature trends in the middle atmosphere on the mid-latitudes // Phys. Chem. Earth. V. 27. P. 529−534. 2002.
  61. Solomon S.C., Liu H.-L., Marsh D.R., McInerney J.M., Qian L., Vit F.M. Whole atmosphere simulation of anthropogenic climate change // Geophys. Res. Lett. V. 45. P. 1567—1576. 2018.
  62. Yue J., Russell J., Jian Y., Rezac L., Garcia R., López-Puertas M., Mlynczak M.G. Increasing carbon dioxide concentration in the upper atmosphere observed by SABER // Geophys. Res. Lett. V. 42. P. 7194—7199. 2015.
  63. Zhao X.R., Sheng Z., Shi H.Q., Weng L.B., He Y. Middle atmosphere temperature changes derived from SABER observations during 2002—20 // J. Clim. V. 34. P. 7995−8012. 2021.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Многолетний ход температуры ОН* по наблюдениям в Звенигороде: (а) — точки показывают среднегодовые значения температуры. Линия — многолетний тренд до исключения влияния солнечной активности. Штриховые линии − 95%-й статистический уровень достоверности; (б) — аналогично рис. 1а, но значения температуры приведены согласно (1) к фиксированному уровню солнечной активности FLy-α = 4.5; (в) — аналогично рис. 1б, но линии тренда приведены раздельно для временных интервалов 1957−1976 и 1972−2022 гг.

Скачать (349KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024