КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-12-00064

НазваниеРазработка новых методов и средств дистанционного мониторинга важнейших характеристик мезосферы – нижней термосферы по данным спутниковых и наземных измерений

РуководительКуликов Михаил Юрьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук", Нижегородская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

2022 г. - 2024 г.

Конкурс№68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-403 - Радиофизика, статистическая радиофизика

Ключевые словамезосфера, нижняя термосфера, атмосферные свечения, малые примеси, химические реакции, данные спутникового зондирования, микроволны, спектрорадиометры, химико-транспортные модели, математически корректно упрощенные модели малых примесей атмосферы, обратное моделирование, восстановление неизмеряемых характеристик атмосферы по данным измерений

Код ГРНТИ37.21.15, 37.21.03

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Под мезосферой - нижней термосферой (МНТ) обычно принято понимать регион от 50 до 100-105 км, включающий в себя собственно мезосферу и область мезопаузы. Высокая актуальность исследования МНТ обусловлена, прежде всего, тем, что характеристики протекающих здесь процессов являются важными индикаторами и предикторами возможных изменений состояния всей атмосферы. В частности, климатические изменения на высотах МНТ выглядят значительно заметней (например, скорость уменьшения температуры мезосферы во второй половине 20 века достигала ~0.5-1 К/год!) и могут на десятилетия опережать изменения в нижней атмосфере. При этом, несмотря на довольно большие усилия, потраченные на ее исследование, МНТ остается наименее изученной областью атмосферы и в последнее время интенсивно исследуется значительным числом научных коллабораций. Так, например, девизом спутника TIMED является фраза «A Mission to Explore One of the Last Frontiers in Earth’s Atmosphere». Химический состав МНТ (прежде всего, компоненты семейств НОх (Н, ОН, НО2) и Ох (О, O3, O(1D)) и протекающие с их участием физико-химические процессы – один из важнейших элементов МНТ. Они вносят один из главных вкладов в энергетический и радиационный баланс данной области атмосферы. В частности, О и Н, формируемые в результате фотолиза О2 и Н2О соответственно, являются нелокальными (как по времени, так и по пространству) посредниками, участвующими в трансформации поглощенной солнечной энергии в нагрев МНТ за счет экзотермических химических реакций. В тоже время, столкновения молекул CO2 с O усиливают радиационное охлаждение этой области в полосе CO2 15 мкм. Кроме того, О и Н непосредственно участвуют в балансе озона на высотах МНТ и в формировании слоев свечения возбужденных состояний OH (OH(ν), Meinel bands), O (O(1S), green line) и O2 (O2(a1delta g), A-band). Эти атмосферные свечения (airglows) широко используются в качестве индикаторов для мониторинга наблюдаемых изменения климата (в частности, многолетних трендов температуры мезопаузы), различных волновых процессов на высотах МНТ, в том числе, генерируемых в нижней тропосфере (например, гравитационных волн). Физико-химические процессы с участием компонент НОх и Ох непосредственно участвуют в формировании первых двух слоев ионосферы (D и Е) и таким образом оказывают существенное влияние (1) на распространение радиоволн и работу спутниковых навигационных систем, (2) на глобальную электрическую цепь (ионосферный потенциал) и через нее, например, на электродинамические характеристики нижней атмосферы. Экспериментальное наблюдение компонент НОх и Ох производится, в основном, дистанционными методами с поверхности земли и со спутников. Однако, несмотря на значительный рост данных наблюдений в последние два десятилетия, число доступных прямым и регулярным измерениям компонент этих семейств остается по-прежнему невелико, в частности, сравнительно неплохо измеряется фактически только озон. Поэтому вот уже несколько десятилетий разрабатываются и применяются непрямые методы, основанные на использовании физико-химической моделей в качестве априорной связи между измеряемыми непосредственно и восстанавливаемыми (в частности, О и Н) характеристиками МНТ. Наиболее продвинутый и часто используемый подход – использование модели возбужденного ОН (OH*) и данных измерений эмиссии его различных переходов в видимом и ИК диапазонах. На данный момент эта модель выглядит исчерпывающим образом: учитывает химическое (за счет реакции H + O3) заселение верхних (с 5 по 9) колебательно-вращательных уровней ОН* и последующие одно- и многошаговые переходы с верхних уровней на нижние, в том числе за счет спонтанного излучения или гашения возбуждения из-за столкновений с О2, N2 или О. При этом модель обладает большим (более 100 штук) числом параметров (константы различных процессов), известных с большими неопределенностями, и, вообще говоря, с неизвестными температурными зависимостями, что в конечном итоге приводят к значительным (до 100 и более %) расхождениям между результатами восстановления распределений О, Н и химического нагрева по различным данным (или по одним и тем же данным, но разными методами). В рамках подходов, которые в настоящее время применяются, когда параметры пытаются измерять, рассчитывать или настраивать независимо, эта проблема выглядит неразрешимой. Очевидно, что ее следует решать комплексно, с применением радиофизических и статистических подходов, хорошо зарекомендовавших себя, в частности, при построении эмпирических моделей по ансамблям данных измерений для решения различных задач, например, в климатических исследованиях. Первой задачей проекта является улучшение точности и существенное увеличение числа ключевых характеристик МНТ в диапазоне высот 80-105 км, восстанавливаемых по данным наиболее информативных (с точки зрения исследования этой области) спутниковых кампаний: SABER (Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry) на спутнике TIMED и SCIAMACHY (Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography) на спутнике ENVISAT. Для этого будет впервые проведено статистическое (основанное на теореме Байеса) восстановление сразу практически всех параметров полной модели возбужденных состояний ОН непосредственно по самим данным измерений SABER, а также будет найдена температурная зависимость каждого из этих параметров. Помимо приложения этой информации для более качественного определения распределений О и Н, будут разработаны новые статистические методы определения всех других неизмеряемых компонент НОх и Ох на этих высотах. Последующее восстановление позволит впервые получить многолетние пространственно-временные ряды распределений дневных и ночных О(1D), О, Н, ОН и НО2 на 80-105 км, а также полной скорости дневного и ночного химического нагрева и исследовать сезонную, годовую и межгодовую изменчивость этих важных характеристик МНТ. Кроме того, полученные данные будут использованы для исследования связи между ночными свечениями OH*, O2(b1Σg+) и O2(a1Δg). Вышеуказанные исследования будут сопровождаться моделированием годовой эволюции МНТ двумя глобальными 3D химико-транспортными моделями с динамикой (пространственно-временные поля температуры, давления и всех компонент ветра), взятой из результатов расчета моделей CMAM и COMMA-IAP. Второй задачей данного проекта является создание на базе существующего мобильного микроволнового озонометра ИПФ РАН нового микроволнового комплекса для одновременного непрерывного мониторинга вертикальных распределений концентрации О3 в диапазоне высот 15-75 км и скорости зонального ветра в диапазоне высот 30-80 км. Проведение с помощью данного комплекса продолжительной круглосуточной экспериментальной кампании над Нижним Новгородом позволит впервые провести детальное (экспериментальное и теоретическое) исследование эффекта Зоннеманна-Доплера на высотах 50-75 км в зависимости от высоты и времени года и его влияния на формирование третичного максимума озона вблизи 70 км. Таким образом, все задачи проекта является новыми, но их решение будет основано на существенном научном заделе авторов проекта (см., например, [Kulikov et. al., Atmos. Chem. Phys., 2009; Kulikov et al., Ann. Geophys., 2017; Belikovich et al., Adv. Space Res., 2018; Kulikov et al., J. Geophys. Res., 2018; Kulikov et. al., Atmos. Chem. Phys., 2018; Kulikov et al., Geophys. Res. Lett., 2019; Kulikov and Belikovich, Ann. Geophys. 2020; Kulikov et al., Geophys. Res. Lett., 2021]). Кроме того, выполнение задач проекта будет сопровождаться интенсивной подготовкой молодых кадров.

Ожидаемые результаты
Ожидаемые результаты: 1. По данным измерений SABER будет впервые восстановлен практически весь набор параметров полной модели возбужденных состояний ОН на уровнях 4-9, а также установлены ранее неизвестные температурные зависимости этих параметров. Отметим, что данная модель широко используется во многих задачах: для моделирования слоев возбужденного ОН на высотах МНТ, связи этих слоев с возбужденными состояниями других компонент атмосферы (СО2, О, O2 и др) и влияния на энергетический баланс МНТ; для исследования механизмов формирования свечений возбужденного ОН, в том числе, при анализе их многолетних трендов в контексте изменения климата; для восстановления распределений О и Н; для измерения температуры мезопаузы по данным наземных измерений свечений ОН*, в том числе, в качестве индикатора наблюдаемых изменений климата; для мониторинга волновой активности на высотах МНТ, генерируемой, в том числе, в нижней тропосфере (например, внутренних гравитационных волн) и др. Недавно слои свечения возбужденного ОН были обнаружены на Марсе и и Венере, поэтому этот результат найдет свое приложение в космических исследованиях. Данный результат будет превосходить мировой уровень и, как мы полагаем, вызовет значительный интерес. Прежде всего, он приведет к массовому пересмотру полученных ранее результатов и устоявшихся представлений в выше указанных задачах, а также сделает возможным создание новых методов исследования МНТ, которые, например, будут основаны на анализе более детальных, чем сейчас используется, свойств измеряемых спектров излучения возбужденного ОН, в частности, в ИК диапазоне. 2. Будут восстановлены многолетние (за 2003-2020 гг.) пространственно-временные ряды распределений дневных и ночных концентраций О(1D), О, Н, ОН и НО2, а также полной скорости дневного и ночного химического нагрева на 80-105 км в широком диапазоне широт (82грS, 82грN) с достаточно высоким пространственно-временным разрешением (например, по вертикали до 0.25 км). Данный результат будет превосходить мировой уровень и также найдет широкое применение. Полученная информация может выступать в качестве базы данных (1) для восстановления других неизмеряемых, но важнейших характеристик МНТ, в частности, параметров переноса (например, коэффициента турбулентной диффузии); (2) для поиска первых экспериментальных свидетельств уникальных особенностей фотохимии МНТ, предсказанных теоретически (например, нелинейного отклика фотохимии мезопаузы (80-90 км) на суточные вариации освещенности и возникновение периодических (с периодами 2, 3, 4 и т.д. суток) и хаотических осцилляций [см., например, Kulikov and Feigin, Adv. Space Res., 2005; Kulikov, J. Geophys. Res., 2007; Kulikov et al., Nonlinear Processes in Geophysics, 2012; Kulikov et al. J. Geophys. Res., 2020]); (3) для валидации современных химико-транспортных и климатических моделей; 4) для исследования энергетического баланса атмосферы; (5) для моделирования нижней ионосферы и исследования их вариаций в процессе как естественных возмущений (например, высотных разрядов, метеоров и т.д.), так и искусственных воздействий. Кроме того, ряд компонент будет восстановлен впервые, в частности, ночные ОН и НО2 на высотах 80-105 км, а пространственно-временные ряды данных ночного О(1D) позволят фактически впервые провести детальное исследование связи между ночными свечениями OH*, O2(b1Σg+) и O2(a1Δg). Напомним, что O(1D) играет важную роль в химическом, радиационном и тепловом балансе стратосферы, мезосферы и термосферы. До настоящего момента было принято полагать, что его единственным источником является фотолиз O2 и O3, так что его ночная концентрация близка к нулю. Тем не менее, в недавней работе [Kalogerakis, Science Advances, 2019], было показано, что ночной O(1D) может образовываться в результате мультиквантовой релаксации возбужденного OH при соударениях с О. В рамках проекта с помощью моделирования эволюции МНТ глобальными 3D химико-транспортными моделями будут также получены первые данные о влиянии механизма [Kalogerakis, Science Advances, 2019] на пространственно-временную эволюцию всех представляющих научный интерес компонент МНТ (O, O3, H, OH, HO2, H2O2, H2O, N, NO, NO2, NO3, N2O, CH4, CH2, CH3, CH3O2, CO2, CO). 3. Будет исследована сезонная, годовая и межгодовая изменчивость важных характеристик МНТ (дневных и ночных О(1D), О, Н, ОН и НО2, а также полной скорости дневного и ночного химического нагрева на 80-105 км) в 2003-2020 гг. в сравнение с результатами моделирования МНТ 3D химико-транспортными моделями. Данный результат будет соответствовать мировому уровню. В частности, будут получены первые данные о реальных глобальных трендах указанных характеристик, которые представляют существенный интерес в контексте изменения климата. Отметим, что до настоящего момента такие данные получались в основном только с помощью глобальных моделей. 4. Будет создан новый микроволновой комплекс, предназначенный для одновременного непрерывного мониторинга вертикальных распределений концентрации О3 в диапазоне высот 15-75 км и скорости зонального ветра в диапазоне высот 30-80 км. Будет впервые детально (экспериментально и теоретически) исследован эффект Зоннеманна-Доплера на высотах 50-80 км и его влияние на формирование третичного максимума озона вблизи 70 км. Данный результат будет в целом превосходить мировой уровень и может быть использован, в частности, для улучшения свойств глобальных химико-транспортных моделей. Известно, что современные модели достаточно грубо описывают переход день-ночь на высотах МНТ, что сильно сказывается на точности моделирования последующей ночной концентрации озона на высотах 55-80 км. Дело в том, что в процессе перехода день-ночь концентрация О3 на этих высотах резко возрастает («подпрыгивает» в 1.5-10 раз), после чего сравнительно медленно меняется в течение всей ночи. Кроме того, переходные процессы чувствительны к переносу зональным ветром, так что ночная концентрация О3 и формирование его третичного максимума существенно зависят от величины и направления зонального ветра (эффект Зоннеманна-Доплера [Sonnemann, J. Atmos. Solar-Terr. Phys., 2001]). Результаты планируемого исследования позволят получить параметризации связи между локальной концентрацией О3 в начале ночи и основными характеристиками МНТ (температурой, концентрацией паров воды, величиной и направлением скорости зонального ветра) в зависимости от высоты и сезона. Эти параметризации позволят значительно улучшить качество моделирования современными моделями ночного О3 на высотах 50-80 км. По результатам проекта планируется опубликовать серию, минимум, из 5 статей в журналах из Q1, что с учетом коэффициента будет соответствовать 10-ти публикациям в изданиях WoS и SCOPUS. В основном, мы будем ориентированы на Nature Geoscience (IF WOS 14.5, SCOPUS 11.7), Science Advances (IF WOS 13.1, SCOPUS 13.5), Atmospheric Chemistry and Physics (IF WOS 6.1, SCOPUS 10.1), Remote Sensing (IF WOS 4.85, SCOPUS 6.6), Geophysical Research Letters (IF WOS 4.7, SCOPUS 5.27), Scientific Reports (IF WOS 4.4, SCOPUS 4.2), Journal of Geophysical Research Atmospheres (IF WOS 4.3, SCOPUS 4.5) и др. Кроме того, если позволит ситуация с коронавирусом, будут сделано не менее 15 докладов на крупнейших международных и российских научных конференциях, будут созданы и размещены в Интернете открытые базы данных полученных результатов, будет опубликовано несколько научно-популярных статей в Интернет-изданиях (indicator.ru, scientificrussia.ru, poisknews.ru или ras.ru), занимающихся популяризацией научных исследований. В процессе выполнения проекта будут защищены, минимум, 2 студенческих диплома и 2 кандидатские диссертации. Существуют реальные возможности практического использования запланированных результатов проекта в экономике и социальной сфере. Во-первых, в рамках проекта будет разработан широкий спектр методов восстановления ключевых характеристик атмосферы по экспериментальным данным, которые найдут важное применение, в том числе, для обработки данных измерений в других областях атмосферы. Эти методы, в частности, могут быть использованы для правильного планирования структурами Роскосмоса, Росгидромета и РАН будущих спутниковых кампаний РФ, направленных на исследование химического состава атмосферы. В качестве успешного образца такого планирования можно отметить историю создания спутникового прибора SABER на спутнике TIMED под руководством проф. Martin G. Mlynczak (NASA Langley Research Center). Данный спутник был запущен в 2002 году, однако до этого Mlynczak & co провели большой объем теоретических исследований. Они были, главным образом, нацелены на разработку новых методов извлечения информации из будущих данных измерений и создания технического облика прибора с соответствующими этим методам характеристиками (см. например, [Mlynczak et al., Geophys. Res. Lett., 1998; Mlynczak, J. Geophys. Res., 1999]). В результате именно этой предварительной работы в течение 18-ти лет последующего функционирования прибора на орбите было опубликовано около 1800 статей в ведущих зарубежных журналах (http://saber.gats-inc.com/publications3.php), т.е. потенциал данных измерений SABER для получения новых знаний, по-видимому, существенно превысил ожидания его авторов и, как будет показано в рамках данного проекта, далеко не исчерпан. Во-вторых, создаваемый в рамках проекта новый микроволновой комплекс имеет существенный коммерческий потенциал в качестве сетевого прибора для проведения регулярных измерений скорости горизонтального ветра на высотах 30-80 км. Известно, что горизонтальный ветер (зональный и меридиональный) является ключевой динамической характеристикой атмосферы. До недавнего времени не было известно ни одного метода, позволяющего производить регулярные продолжительные измерения горизонтального ветра на этих высотах. Однако, до сих пор данные о ветре на высотах на высотах 30-70 км, в основном, берутся из результатов расчетов моделей или извлекаются, используя данные измерений полей температуры или атмосферных трассеров. Впервые возможность регулярных измерений профиля этой характеристики на высотах 30-80 км была показана в работе [Rüfenacht et al., Atmos. Meas. Tech., 2012]. Однако, прибор этих авторов осуществляет пассивное зондирование атмосферы в окне прозрачности 2 мм, характеризуемой достаточно высоким тропосферным поглощением. Поэтому он может проводить успешные измерения, в целом, только в особых условиях, например, в горах [Hagen, Atmos. Meas. Tech., 2018]. Планируемый в рамках данного проекта микроволновой комплекс предназначен для зондирования атмосферы в окне прозрачности 3 мм, характеризуемой заметно меньшим тропосферным поглощением по сравнению с 2 мм, что делает возможным проведение регулярных измерений профиля скорости ветра, в принципе, в любой точке пространства. Именно этими обстоятельствами обусловлен существенный коммерческий потенциал создаваемого прибора.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1. Исследование функции, связывающей константы модели возбужденного ОН (ОН*) и характеристики мезосферы – нижней термосферы (МНТ), измеряемые в рамках спутниковой кампании SABER/TIMED, позволило определить все наборы констант ОН*, которые статистически неразличимы при последующем восстановлении их по данным SABER. Изначально в указанную функцию входило 128 констант ОН*. В результате корреляционного анализа найдена 1 группа, состоящая из 5 констант, 12 групп – из 4 констант, 3 группы – из 3, 6 групп – из 2. В результате полное количество статистически независимых констант модели ОН* удалось сократить до 76. 2. Создан статистический метод восстановления независимых констант полной модели ОН* на уровнях 4-9 по данным ночных измерений SABER. Построена условная плотность вероятности констант при условии конкретного ряда данных наблюдений (температуры, концентрации воздуха, объемных скоростей эмиссии вблизи 1.6 и 2 мкм) и выполнения определенной алгебраической связи между измеряемыми характеристиками. По каждому набору экспериментальных данных данная функция находится численно с помощью ранее созданных методик и соответствующего пакета программ. 3. Создан статистический метод восстановления дневных распределений ОН и НО2 по данным дневных измерений SABER на высотах МНТ. Построены условные плотности вероятности ОН и НО2 при условии конкретных данных наблюдений (температуры, концентрации воздуха, озона и объемной скорости эмиссии вблизи 2 мкм) и наличия алгебраических связей ОН и HO2 с измеренными данными, следующих из условия равновесия этих компонент. По каждому набору экспериментальных данных данная функция находится численно с помощью ранее созданных методик и соответствующего пакета программ. 4. Исследование условий равновесия концентраций ночных ОН и НО2 с помощью трехмерных химико-транспортных моделей МНТ с динамикой из моделей COMMA-IAP и СМАМ показало, что высота нижней границы равновесия ОН варьируется от 73-75 до 87 км в зависимости от месяца и широты. Наибольшие значения достигаются в ноябре-феврале вблизи южных полярных широт и в мае-августе вблизи северных полярных широт, наименьшие – в сентябре – марте на 60-80 гр северной широты и в марте-сентябре на 60-80 гр южной широты. Похожая динамика наблюдается и в случае высоты нижней границы равновесия НО2, однако ее минимумы лежат несколько ниже и могут опускаться до 70 км. В целом, граница равновесия ОН и НО2 может быть заметно ниже кривой равновесия ночного озона. 5. Построены простые и удобные для практического использования критерии, позволяющие определять выполнение условий равновесия ночных ОН и НО2 непосредственно по самим данным спутниковых измерений SABER. Используя результаты расчетов химико-транспортных моделей с различной динамикой, было показано, что линии уровня этих критериев хорошо воспроизводят довольно сложную пространственно-временную эволюцию границ равновесия ОН и НО2. Критерии зависят от О и Н, которые, в свою очередь, восстанавливаются по данным SABER (температура и концентрация воздуха, объемные скорости эмиссии вблизи 1.6 и 2мкм). 6. Создан статистический метод восстановления ночных распределений ОН и НО2 по данным ночных измерений SABER в диапазоне высот 70-105 км. Построены условные плотности вероятности ОН и НО2 при условии конкретных данных наблюдений (температуры и концентрации воздуха, озона, объемных скоростей эмиссии вблизи 1.6 и 2 мкм) и наличия алгебраических связей ОН и HO2 с измеренными данными с учетом критериев равновесия этих компонент. По каждому набору экспериментальных данных данная функция находится численно с помощью ранее созданных методик и соответствующего пакета программ. 7. Создан статистический метод восстановления ночных распределений ночного O(1D) по данным измерений SABER на высотах МНТ. Построена условная плотность вероятности O(1D) при условии конкретных данных наблюдений (температуры и концентрации воздуха, озона, объемных скоростей эмиссии вблизи 1.6 и 2мкм) и наличия алгебраической связи O(1D) с измеренными данными. По каждому набору экспериментальных данных данная функция находится численно с помощью ранее созданных методик и соответствующего пакета программ. 8. Моделирование годовой эволюции МНТ 3D химико-транспортных моделями с динамикой COMMA-IAP и CMAM свидетельствуют о возможности образования заметных концентраций О(1D) в ночное время. Почти весь год на 90-95 км присутствуют 1-2 ярко выраженных максимума, расположенных на 15-20 гр широты северного и южного полушариев с максимальной концентрацией около 150-200 см^(-3). На средних и высоких широтах возможны вторичные, сильно локализованные (по времени и месту) максимумы с концентрацией менее 100 см^(-3). Вне областей максимумов концентрация ночного О(1D) обычно ниже 50 см^(-3). 9. Исследование локального и глобального влияния механизма Kalogerakis (Science Advances, 2019) на пространственно-временную эволюцию всех компонент МНТ выявило следующее. Включение нового механизма образования О(1D), который, в отличие от фотодиссоциации О2 и О3, работает не только днем, но и ночью (1) не оказывает влияние на CH4, CH2, CH3, CH3O2, CO2, CO, N2O и Н2, относительная разница ночных распределений этих компонент, полученных с учетом и без учета нового механизма составляет меньше 1%; (2) оказывает слабое влияние на H2O в небольших областях на высоких широтах, где относительная разница распределений, полученных с учетом и без учета механизма Kalogerakis может достигать 3-4%; (3) оказывает заметное влияние на O, O3, H, OH, HO2, H2O2, N, NO, NO2 и NO3, при этом относительная разница распределений, полученных с учетом и без учета механизма Kalogerakis может достигать 20-30%. Интересно, что такие возмущения наблюдаются не в областях тропических максимумов ночного О(1D), а на высоких северных широтах в условиях полярной ночи, где средненочная концентрация О(1D) много меньше, чем в областях максимумов. Наибольшее воздействие наблюдается в декабре на 75-90 грN на 80-92 км, что приводит к повышению Н, ОН, НО2, Н2О2, О, N и NO и понижению О3, NO2 и NO3. Анализ локальных источников и стоков этих компонент показал, что возникновение ночного О(1D) запускает химические источники окислов азота и нечетного водорода за счет, главным образом, реакций O(1D)+N2O и O(1D)+H2O. Эти источники малы относительно дневных источников компонент семейств нечетного водорода и азота, но в ночное время другие химические источники этих семейств отсутствуют. Поэтому, если указанные ночные источники «работают» непрерывно в течение нескольких десятков дней, возможен эффект накопления возмущений указанных компонент. В условиях же постоянных суточных вариаций освещенности даже в областях тропических максимумов ночного О(1D) воздействие этих источников практически полностью нивелируется в дневное время и эффекта накопления не происходит. 10. На базе микроволнового озонометра с центральной частотой 110.836 ГГц создан спектрорадиометрический комплекс, позволяющий одновременно измерять всю линию атмосферного озона в полосе 1 ГГц с разрешением 61кГц и центр этой линии в полосе несколько десятков МГц с разрешением до 3 кГц. 11. Лабораторные исследования показали, что суммарная частота всех трех гетеродинов спектрорадиометра составляет 110774.939004 MHz с суммарной нестабильностью частоты лучше, чем 0.1 кГц. Используя результаты натурных измерений, предшествующих проекту, найдено положение центра этой линии с высокой точностью: 110835.910±0.016 MHz. Это значение меньше на 130 кГц, чем лабораторное, но близко к результатам ранних полуэмпирических расчетов. Исследование влияния доплеровского сдвига меридиональным ветром и тропосферного поглощения показало, что оба фактора слабо влияют на полученный результат. Проведена модификация алгоритма автоматизации измерений спектров атмосферного излучения озона в разных диапазонах и соответствующего программного обеспечения с учетом выполненных изменений спектрорадиометра. Создан новый цифровой управляющий модуль для автоматизации измерений. 12. Сделано 4 доклада на российских конференциях, 1 – на международной. Подготовлено и направлено в зарубежные журналы 3 статьи, одна принята к печати.

Публикации

1. Беликович М.В., Куликов М.Ю., Фейгин А.М. О возможности определения параметров модели свечения возбужденного гидроксила в области мезопаузы по длительному ряду спутниковых наблюдений Тезисы докладов, Двадцатая международная конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА (Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов)», - (год публикации - 2022)

2. Григалашвили М., Куликов М.Ю., Беликович М.В.,Зоннеманн Г.Р., Фейгин А.М. The revised method for retrieving daytime distributions of atomic oxygen and odd-hydrogens in the mesopause region: The evaluation of the importance of the reaction H + O3 → O2 + OH in the ozone balance 20th International EISCAT Symposium and 15th Intenational Workshop on Layered Phenomena in the Mesopause Region (LPMR), Sundbyholm Castle, Sweden, August 14-19, 2022. Abstracts, - (год публикации - 2022)

3. Куликов М.Ю., Беликович М.В., Чубаров А.Г., Дементьева С.О., Фейгин А.М. Восстановление ночных распределений О и Н на высотах мезосферы – нижней термосферы по данным спутниковых измерений Всероссийская конференция, посвященная памяти академика Александра Михайловича Обухова ТУРБУЛЕНТНОСТЬ, ДИНАМИКА АТМОСФЕРЫ И КЛИМАТА, 22 – 24 ноября 2022 года, Сборник тезисов, стр 132 (год публикации - 2022)

4. Чубаров А.Г., Куликов М.Ю., Беликович М.В., Фейгин А.М. Исследование условий фотохимического равновесия семейства нечётного кислорода с помощью трёхмерной химико-транспортной модели Тезисы докладов, Двадцатая международная конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА (Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов)», - (год публикации - 2022)

5. Чубаров А.Г., Куликов М.Ю., Беликович М.В., Фейгин А.М. Исследование фотохимического равновесия семейств нечётного кислорода и водорода на высотах мезосферы Тезисы докладов, НЕЛИНЕЙНЫЕ ВОЛНЫ – 2022, XX научная школа 7 – 13 ноября 2022 года, Нижний Новгород, - (год публикации - 2022)

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Проведено восстановление параметров полной модели ОН* на уровнях 4-9 по годовым данным ночных измерений SABER в 2002-2021 гг. с учетом их температурной зависимости. 2. Проведено исследование изменчивости статистических характеристик восстановленных параметров в зависимости от номера года. 3. Восстановлена пространственно-временная эволюция (в 2002-2022 гг) дневных и ночных распределений О и Н в области мезопаузы в соответствие с новыми параметрами полной модели ОН* на уровнях 4-9. 4. Проведено сравнение полученных данных (1) с результатами восстановления О и Н по старым параметрам модели ОН*, (2) с результатами восстановления О, полученными другими спутниковыми кампаниями (SCIAMACHY, OSIRIS и WINDII), (3) с результатами расчетов 3D химико-транспортных моделей с динамикой COMMA-IAP и CMAM. 5. Восстановлена пространственно-временная эволюция ночных ОН и НО2 по данным SABER в 2002-2021 гг. 6. Проведено исследование сезонной, годовой и межгодовой (в 2002-2021 гг) изменчивости ночных распределений ОН и НО2 в области мезопаузы, а также сравнение с результатами расчетов 3D химико-транспортных моделей с динамикой COMMA-IAP и CMAM. 7. Восстановлена пространственно-временная эволюция ночного О(1D) по данным SABER в 2002-2021 гг. 8. Проведено исследование сезонной, годовой и межгодовой изменчивости ночного О(1D) на высотах МНТ, а также сравнение с модельными распределениями О(1D), полученными в результате расчетов 3D химико-транспортных моделей с динамикой COMMA-IAP и CMAM. 9. Проведено исследование вклада процесса OH(ν≥5) + O -> OH(0≤ν’≤ν-5) + O(1D) в формирование ночного O2(a1Δg) в области мезопаузы и его излучения на 1.27 мкм. 10. Разработан статистический алгоритм и соответствующий пакет программ восстановления вертикальных распределений скорости зонального ветра в диапазоне высот 30-80 км по данным измерений доплеровского смещения линии собственного излучения озона вблизи ее центра 110.836 ГГц. Проведено тестирование алгоритма на модельных примерах. 11. Проведены почти годовые натурные испытания спектрорадиометрического комплекса над Нижним Новгородом. По данным измерений спектров собственного излучения атмосферы определена эволюция вертикального распределения скорости зонального ветра в диапазоне высот 30-80 км. 12. Опубликовано 3 статьи в иностранных журналах (2- Q1, 1- Q2) и 2 статьи в просидингах. 13. Сделано 7 докладов на конференциях (6 устных). 14 Создана база данных результатов (восстановленных распределений дневных О и Н, ночных О, Н, ОН, НО2 и O(1D)) на Интернет-странице ИПФ РАН. 15. Подготовлен научно-популярный материал.

Публикации

1. Беликович М.В., Куликов М.Ю., Чубаров А.Г, Фейгин А.М. Information retrieval from long term mesospheric data series: an improvement of excited hydroxyl airglow model Proceedings of SPIE, Vol.12780, 1278075 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1117/12.2690254

2. Куликов М.Ю., Беликович М.В., Чубаров А.Г, Дементьева С.О., Фейгин А.М. Boundary of nighttime ozone chemical equilibrium in the mesopause region: improved criterion of determining the boundary from satellite data Advances in Space Research, 71, 6, 2770-2780 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.asr.2022.11.005

3. Куликов М.Ю., Беликович М.В., Чубаров А.Г, Дементьева С.О., Фейгин А.М. Boundary of nighttime ozone chemical equilibrium in the mesopause region: long-term evolution determined using 20-year satellite observations Atmospheric Chemistry and Physics, 23, 14593–14608 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.5194/acp-23-14593-2023

4. Куликов М.Ю., Красильников А.А., Беликович М.В., Рыскин В.Г., Швецов А.А., Скалыга Н.К., Кукин Л.М., Фейгин А.М. High precision measurements of resonance frequency of ozone rotational transition J = 6_1,5 - 6_0,6 in the real atmosphere Remote Sensing, 15, 9, 2259 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/rs15092259

5. Чубаров А.Г, Куликов М.Ю., Беликович М.В., Фейгин А.М. Photochemical equilibrium of odd oxygen and hydrogen families at mesospheric altitudes using a three-dimensional chemistry-transport model Proceedings of SPIE, Vol.12780,127807N (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1117/12.2691016