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

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 проекта 22-12-00064

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

Руководитель Куликов 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

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 слова мезосфера, 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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)

2. 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)

3. 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)

4. 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)

5. 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)
10.3390/rs15092259

6. 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)
10.1016/j.asr.2022.11.005

7. 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)
10.5194/acp-23-14593-2023

8. 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)
10.1117/12.2691016

9. 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)
10.1117/12.2690254

10. 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)

11. Куликов М.Ю., Беликович М.В., Чубаров А.Г, Дементьева С.О., Фейгин А.М. Technical note: Nighttime OH and HO2 chemical equilibria in the mesosphere–lower thermosphere Atmospheric Chemistry and Physics, 24, 10965–10983 (год публикации - 2024)
10.5194/acp-24-10965-2024

12. Чубаров А.Г., Куликов М.Ю., Беликович М.В., Фейгин А.М. Фотохимическое равновесие семейств нечетного кислорода и нечетного водорода в мезосфере: теория, моделирование, применение Тезисы 21 Научной Школы "Нелинейные Волны-2024", 5–11 ноября 2024 г., Нижний Новгород, сс. 290-291 (год публикации - 2024)

13. Беликович М.В., Куликов М.Ю., Чубаров А.Г., Фейгин А.М. Эффект изменения доверительного интервала под влиянием помех в обратной задаче дистанционного зондирования Труды XXX Международного симпозиума «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы», Санкт-Петербург, 1–5 июля 2024, сс. Е138-Е141 (год публикации - 2024)

14. Куликов М.Ю., Беликович М.В., Чубаров А.Г, Дементьева С.О., Фейгин А.М. Фотохимическое равновесие малых примесей средней атмосферы Труды XXX Международного симпозиума «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы», Санкт-Петербург, 1–5 июля 2024, сс. Е49-Е53 (год публикации - 2024)

15. Чубаров А.Г, Куликов М.Ю., Беликович М.В., Дементьева С.О., Фейгин А.М. Основные источники и стоки семейств нечётного кислорода и водорода на высотах мезосферы – нижней термосферы в дневное время Труды XXX Международного симпозиума «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы», Санкт-Петербург, 1–5 июля 2024, сс. Е179-Е183 (год публикации - 2024)

16. Куликов М.Ю., Беликович М.В., Чубаров А.Г, Дементьева С.О., Фейгин А.М. Химическое равновесие ночных OH и HO2 на высотах мезосферы – нижней термосферы Тезисы V Всероссийской конференции с международным участием «Турбулентность, динамика атмосферы и климата», 19–21 ноября 2024, г. Москва, с. 150 (год публикации - 2024)

17. Куликов М.Ю., Беликович М.В., Чубаров А.Г, Дементьева С.О., Фейгин А.М. Retrieval of Nighttime Distributions of Mesosphere–Lower Thermosphere Characteristics from Satellite Data Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, Vol. 60, No. 1, pp. 74–86 (год публикации - 2024)
10.1134/S0001433824700051

18. Андреев В.В., Баженов О.Е., …, Куликов М.Ю., …, Фейгин А.М., Ходжер Т.В. Russian Studies of Atmospheric Ozone and Its Precursors in 2019–2022 Izvestiya, Atmospheric and Ocean Physics, Volume 59, pages S437–S461 (год публикации - 2023)
10.1134/S0001433823150021

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Восстановлена пространственно-временная эволюция ночного О(1D) в 2008 по данным SCIAMACHY в соответствие с новыми параметрами модели ОН* на уровнях 4-9. Сравнение с результатами, ранее полученными для этого же года по данным SABER, демонстрирует довольно неплохое соответствие между данными с относительным отклонением не более 40-50%. 2. Проведено исследование процессов формирования ночного O2(b1Σg+) на высотах области мезопаузы. Получено, что учет реакции OH(ν≥5) + O -> OH(0≤ν’≤ν-5) + O(1D) в зависимости от координат и времени примерно на 50-450% увеличивает концентрацию O2(b1Σg+) и интенсивность его излучения на 762 нм. 3. Восстановлена пространственно-временная эволюция дневных распределений ОН и НО2 в 2002-2021 гг. в соответствие с новыми параметрами модели ОН* на уровнях 4-9. 4. Восстановлена пространственно-временная эволюция дневных и ночных распределений полной скорости химического нагрева в 2002-2021 гг. в соответствие с новыми параметрами модели ОН* на уровнях 4-9. 5. Сезонная и годовая изменчивость полученных дневных распределений ОН и НО2 и дневных и ночных распределений полной скорости химического нагрева в области мезопаузы определяется конкуренцией различных гармоник с периодами 3, 4, 4.8, 6 и 12 месяцев в зависимости от широты и высоты, межгодовая – проявлением 11-летнего солнечного цикла (в большей степени) и квазидвухлетних осцилляций. Сравнение с результатами расчетов 3D химико-транспортных моделей с динамикой COMMA-IAP и CMAM в всех случаях выявило ряд заметных отличий из-за смещения модельных распределений дневных или ночных О и Н относительно восстановленных данных этих компонент. 6. Продолжено проведение длинной экспериментальной кампании по круглосуточному зондированию средней атмосферы над Нижним Новгородом с помощью разработанного в рамках проекта спектрорадиометрического комплекса с центральной частотой 110.836 ГГц, позволяющего одновременно измерять всю линию собственного излучения атмосферного озона в полосе 1 ГГц с разрешением 61кГц и центр этой линии в полосе несколько десятков МГц с разрешением несколько кГц. 7. Используя полученные ряды спектров собственного излучения атмосферы над Нижним Новгородом и методы, разработанные на прошлых этапах выполнения проекта, восстановлена эволюция вертикальных распределений концентрации О3 и скорости зонального ветра. 8. Сравнение измеренных профилей ветра с модельными данными, полученными в результате расчета глобальной 3-мерной химико-климатической модели WACCM 6, выявило хорошее качественное и количественное соответствие рядов данных с максимальным рассогласованием менее 30 м/с. 9. Используя полученные ряды профилей озона и зонального ветра над Нижним Новгородом, было обнаружено, что отношение ночной концентрации озона к предшествующему ей дневному значению растет с ростом высоты от 50 км и достигает максимума (~10) вблизи 70 км в зимне-весенний и осенний периоды времени, где оно неплохо коррелирует с величиной скорости зонального ветра (с учетом его направления). На формирование третичного максимума озона вблизи 70 км оказывает заметное влияние уменьшение скорости ветра выше максимума, при этом зональный ветер не оказывает принципиального влияния на дневную концентрацию озона вблизи перехода ночь-день. 10. Результаты моделирования суточной эволюции компонент семейств НОх и Ох (Н, ОН, НО2, О, О(1D) и О3) с помощью двухмерной (по высоте и горизонтали) фотохимической модели с учетом переноса воздуха зональным ветром в целом (как качественно, так и количественно) соответствуют выводам экспериментального исследования. 11. Опубликовано 3 статьи в журналах (одна из них в Q1), индексируемых в WoS/SCOPUS. В результате полное число публикаций с учетом Q1 достигло 11. 12. Сделано 8 докладов на российских конференциях и международных симпозиумах, из них 4 устных, в том числе 1 – приглашенный (лекция на 45 мин). 13. База данных результатов проекта на Интернет-странице ИПФ РАН дополнена данными дневных ОН и НО2 за 2002-2021 гг., а также дневной и ночной скорости химнагрева за этот же период. 14. Опубликовано 2 научно-популярных материала на сайте Портале «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru). Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет (url-адреса), посвященные проекту: https://scientificrussia.ru/articles/rossijskie-ucenye-issledovali-himiceskie-processy-v-mezopauze-naimenee-izucennoj-casti-atmosfery https://scientificrussia.ru/articles/naturnye-izmerenia-sobstvennogo-izlucenia-atmosfernogo-ozona-s-vysokoj-tocnostu https://acp.copernicus.org/articles/24/10965/2024/ https://ipfran.ru/institute/structure/121113262/public-data-for-the-article https://link.springer.com/article/10.1134/S0001433824700051

Публикации

Возможность практического использования результатов
Существуют реальные возможности практического использования запланированных результатов проекта в экономике и социальной сфере. Во-первых, в рамках проекта разработан широкий спектр методов восстановления ключевых характеристик атмосферы по экспериментальным данным, которые могут применятся 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 22-ти лет последующего функционирования прибора на орбите было опубликовано более 2000 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 показано в рамках данного проекта, далеко не исчерпан. Во-вторых, созданный в рамках проекта новый микроволновой комплекс имеет существенный коммерческий потенциал в качестве сетевого прибора для проведения регулярных измерений скорости зонального ветра на высотах 30-80 км. Известно, что горизонтальный ветер (в зональном и меридиональном направлениях) 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 30-80 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]. Созданный в рамках данного проекта микроволновой комплекс предназначен для зондирования атмосферы в окне прозрачности 3 мм, для которого характерно заметно меньшее тропосферное поглощение 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 созданного прибора.