Восстановление ночных распределений характеристик мезосферы – нижней термосферы по спутниковым данным

Полный текст

Статья подготовлена на основе устного доклада, представленного на IV Всероссийской конференции с международным участием “Турбулентность, динамика атмосферы и климата”, посвященной памяти академика А.М. Обухова (Москва, 22–24 ноября 2022 г.).

1. ВВЕДЕНИЕ

Известно, что малые примеси (МП) средней атмосферы и физико-химические процессы с их участием – один из ключевых факторов, определяющий фундаментальные свойства структуры и динамики данной области атмосферы. В частности, они оказывают существенное влияние на радиационный и тепловой баланс, например, обеспечивают один из основных источников нагрева воздуха в средней атмосфере за счет поглощения УФ излучения Солнца и последующих экзотермических реакций. С другой стороны, эволюция МП подвержена влиянию всех типов атмосферного переноса, чувствительна к температуре, вариациям солнечной освещенности и др., т.е. МП являются важными индикаторами и трассерами основных атмосферных процессов, в том числе обусловленных климатическими изменениями. Их пространственное распределение и эволюция определяются взаимосвязанными физическими и химическими процессами, образующими сложную систему, изменчивость которой в общем случае описывается химико-транспортными моделями – системами дифференциальных уравнений высокого порядка.

Экспериментальное наблюдение МП средней атмосферы производится с помощью двух групп методов: контактных и дистанционных. Контактные измерения осуществляются посредством самолетов, зондов (стратостатов) или ракет и, как правило, обеспечивают более высокую точность измерений. При этом они имеют ряд ограничений и обеспечивают фрагментарное покрытие атмосферы как по времени, так и в пространстве. В сравнении с ними дистанционные измерения обладают большими возможностями. В частности, спутниковые методы позволяют вести регулярные наблюдения и охватывают среднюю атмосферу глобально, так что в настоящее время именно эти методы обеспечивают основной объем данных. Одной из основных проблем дистанционных методов является точность измерений: в большинстве случаев они оперируют с интегральным сигналом (характеризуемым спектром собственного излучения/поглощения атмосферы), приходящим, как правило, из широкого диапазона высот и во многих случаях довольно сильно зашумленным, что дает заметную случайную и систематическую ошибку в измеренных данных. Кроме того, далеко не все МП средней атмосферы имеют соответствующие линии поглощения/излучения с нужной интенсивностью в технически доступных диапазонах длин волн.

Хорошо известный способ увеличить информативность экспериментальных данных – использование химико-транспортных моделей для извлечения информации о неизмеряемых характеристиках по экспериментальным данным. В рамках такого подхода модель выступает в качестве априорной связи между измеряемыми непосредственно и восстанавливаемыми характеристиками. Эти связи могут применяться для восстановления неизмеряемых МП из имеющихся экспериментальных данных, независимого определения других характеристик атмосферы (например, температуры), валидации данных одновременных наблюдений нескольких МП, оценки констант химических реакций, известных с большой погрешностью, источников (эмиссий) и др. (см. обзор в [Kulikov et al., 2018a]). Отметим, что привлечение моделей к обработке измеряемых данных может значительно (в разы) увеличивать информативность результатов экспериментальных кампаний по исследованию атмосферы.

Наиболее простая модель, позволяющая осуществить указанный подход, основана на условии локального (как во времени, так и в пространстве) фотохимического/химического баланса (равновесия) между источниками и стоками так называемых “быстрых” переменных модели: концентраций МП со сравнительно малыми (в том числе – относительно характерных времен переноса) временами жизни. С математической точки зрения, данное условие не означает пребывание данных переменных в состоянии равновесия, но при его выполнении соответствующие концентрации могут сколь угодно близко подходить к своим мгновенно-равновесным значениям. Степень “равновесности” каждой быстрой компоненты определяется соотношением между временем ее жизни и характерным временем изменения ее мгновенно-равновесной концентрации. При этом из-за сильной диссипации в большинстве случаев (кроме особых ситуаций, когда в ансамбле быстрых компонент присутствуют формируемые ими медленные семейства) нет необходимости следить за выполнением закона сохранения массы и можно отбрасывать малосущественные стоки и источники, в том числе обусловленные переносом, практически без потери точности. В результате получаемые алгебраические соотношения являются наиболее простыми априорными локальными связями между измеряемыми и неизмеряемыми МП атмосферы.

Уже несколько десятилетий условия равновесия озона и возбужденных состояний OH, O и O₂ используются для определения распределений компонент семейств нечетного кислорода O_x (O, O(¹D), O₃) и водорода HO_x (H, OH, HO₂) на высотах мезосферы – нижней термосферы (МНТ, 50–105 км) по данным дневных и ночных ракетных и спутниковых измерений [Evans, Llewellyn, 1973; Good, 1976; Pendleton et al., 1983; McDade et al., 1985; McDade, Llewellyn, 1988; Evans et al., 1988; Thomas, 1990; Llewellyn et al., 1993; Llewellyn, McDade, 1996; Mlynczak et al., 2007, 2013а, 2013b, 2014; Smith et al., 2010; Siskind et al., 2008, 2015]. Отметим, что наиболее важные компоненты этих семейств О и Н фактически недоступны прямым регулярным измерениям. В частности, начиная с 2002, успешно продолжается миссия прибора SABER на спутнике TIMED, так что к настоящему моменту накоплены значительные массивы непрерывных измерений профилей температуры, давления, концентрации озона, объемной скорости эмиссии ОН* вблизи 2 мкм в результате переходов (9–7), (8–6) и др. в широких диапазонах локальных времен (0–24 ч) и широт (82˚ ю.ш., 82˚ с.ш.) с довольно высоким пространственно-временным разрешением (например, по вертикали до 0.25 км). Авторы SABER долгое время применяют полученные данные для определения пространственно-временных распределений О и Н (а по ним – некоторых других характеристик) с использованием условия фотохимического/химического равновесия озона и модели ОН* на уровнях v = 8 и 9 [Mlynczak et al., 2007, 2013а, 2013b, 2014]. В частности, полагается, что в ночное время условие химического равновесия озона выполняется на высотах 80–100 км. Сравнительно недавно стартовала кампания по существенной ревизии указанных подходов к восстановлению О и Н как по данным SABER/TIMED, так и некоторых других экспериментов (в частности, SCIAMACHY) [Sharma et al., 2015; Kalogerakis et al., 2016; Panka et al., 2017, 2018, 2021; Mlynczak et al., 2018; Zhu, Kaufmann, 2018, 2019; Fytterer et al., 2019; Kalogerakis, 2019]. В наших работах [Kulikov et al., 2017, 2018b, 2019; Belikovich et al., 2018] проведено комплексное исследование выполнимости условий дневного и ночного равновесия озона на высотах МНТ, в том числе с помощью 3D химико-транспортного моделирования годового цикла фотохимии этой области. Показано, в частности, что ночное условие равновесия озона хорошо (с отклонением и дисперсией менее 10%) выполняется выше некоторой границы, чье положение варьируется в диапазоне высот 81–90 км и сложным образом зависит от координат и сезона. Обработка данных SABER выявила, что использование условия ночного равновесия ниже этой границы приводит к значительной (до 5–8 раз) недооценке концентрации О на высотах 80–85 км.

В недавней работе [Kulikov et al., 2022] проведен анализ параметров модели ОН*, используемой в работах [Mlynczak et al., 2013а, 2013b, 2014, 2018]. Оказалось, что основная масса констант возбуждения и гашения ОН* на уровнях v = 8 и 9 не соответствует опубликованным данным лабораторных измерений и моделирования [Makhlouf et al., 1995; Adler-Golden, 1997; Xu et al., 2012; Caridade et al., 2013]. Применение исправленной модели к дневным данным SABER/TIMED выявило значительные изменения в восстановленных распределениях дневных концентраций О, Н, ОН и НО₂.

Целью данной работы является (1) восстановление ночных О, Н, ОН, НО₂ и скорости химического нагрева на высотах 80–100 км по данным измерений SABER/TIMED в 2002–2021 гг. с помощью модернизированной в [Kulikov et al., 2022] модели ОН*, (2) сравнение полученных распределений с данными, определяемыми по модели ОН* авторов SABER, последняя версия которой представлена в работе [Mlynczak et al., 2018], (3) определение основных причин расхождений между двумя наборами данных.

2. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МНТ ПО ДАННЫМ SABER/TIMED: ОБЩИЙ ПОДХОД

Как уже отмечалось, в основе метода [Mlynczak et al., 2007, 2013а, 2013b, 2014, 2018] лежит условие химического равновесия озона. Баланс ночного озона на высотах МНТ определяется двумя основными реакциями: (1) O + O₂ + M → O₃ + M и (2) H + O₃ → O₂ + OH, в соответствии с которыми условие равновесия этой компоненты выглядит следующим образом:

$k_1\cdot M\cdot O_2\cdot O=k_2\cdot H\cdot O_3,$ (1)

где k_i – константы реакций, представленные в табл. 1. Их значения соответствуют последним данным NASA JPL.

 

Таблица 1. Основные химические реакции с участием компонент семейств НО_х (Н, ОН, НО₂) и О_х (О, O₃, O(¹D)) на высотах МНТ в ночное время, М – молекула воздуха

	Реакция	Скорость
1	O + O2 + M → O3 + M	k1 = 6.1 · 10–34(298/T)2.4
2	H + O3 → O2 + OH	k2 = 1.4 · 10–10exp(–470/T)
3	O + OH → O2 + H	k3 = 1.8 · 10–11exp(180/T)
4	O + HO2 → O2 + OH	k4 = 3 · 10–11exp(200/T)
5	H + O2 + M→ HO2 + M	k5 = 5.3 · 10–32(298/T)1.8
6	O3 + OH → O2 + HO2	k6 = 1.7 · 10–12exp(–940/T)
7	H + HO2 → 2OH	k7 = 7.2 · 10–11
8	H + HO2 → O2 + H2	k8 = 6.9 · 10–12
9	H + HO2 → O + H2O	k9 = 1.6 · 10–12
10	OH + HO2 → H2O + O2	k10 = 4.8 · 10–11exp(250/T)
11	О + О + M → О2 + M	k11 = 4.7 · 10–33(298/T)2
12	О + O3 → 2О2	k12 = 8 · 10–12exp(–2060/T)

 

Второе уравнение, необходимое для восстановления О и Н, следует из модели OH* (см. табл. 2) для уровней v = 8 и v = 9, основным источником которых является реакция H + O₃ → O₂ + OH(ν). Измеряемая объемная скорость эмиссии ОН* вблизи 2 мкм есть сумма объемных скоростей спонтанной эмиссии в результате переходов (9–7) и (8–6):

$VE{R}_{2\mu m}=V_{97}+V_{86}$, (2)

которые, в свою очередь, определяются следующими выражениями:

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{97}=E_{97}\cdot O{H}_9\\ V_{86}=E_{86}\cdot O{H}_8,\end{array}\right.$ (3)

где $(O{H}_8,O{H}_9)$ – концентрации ОН* на уровнях v = 8 и v = 9, (Е₉₇, Е₈₆) – соответствующие коэффициенты. Локальные концентрации ОН* на этих уровнях определяются из условия физико-химического равновесия. При этом учитывается, что молекулы ОН* на 9-м уровне “рождаются” за счет реакции H + O₃ → O₂ + OH, а “гибнут” в результате одноквантовых или мультиквантовых переходов на нижележащие уровни в результате спонтанного излучения или гашения в столкновениях с О, О₂ или N₂. В случае ОН* на 8-м уровне рассматриваются эти же процессы, только добавляется рождение за счет переходов с 9-го уровня. В результате концентрации ОН* на этих уровнях можно записать в следующем виде:

$O{H}_9=\frac{f_9\cdot k_2\cdot H\cdot O_3}{B_9\cdot O_2+C_9\cdot O+D_9\cdot N_2+E_9},$ (4)

$\begin{array}{c}O{H}_8=f_8\cdot k_2\cdot H\cdot O_3+B_{98}\cdot O{H}_9\cdot O_2+\\ +D_{98}\cdot O{H}_9\cdot N_2+E_{98}\cdot O{H}_9/\\ /B_8\cdot O_2+C_8\cdot O+D_8\cdot N_2+E_8,\end{array}$ (5)

где f₈ и f₉ – доли ОН*, образующиеся в состояниях v = 8 и v = 9 за счет реакции O₃ + H → O₂ + OH(ν), E_νν и E_ννʹ – коэффициенты Эйнштейна для различных переходов из этих состояний вниз, B_ν, C_ν, D_ν, B_νν’, C_νν’, D_νν’ – коэффициенты скорости релаксации состояний v = 8 и v = 9 при столкновениях с O₂, N₂ и O. Во второй колонке табл. 2 представлены величины этих констант, используемые авторами данных SABER/TIMED [Mlynczak et al., 2013a, 2018] для восстановления О и Н.

Комбинируя уравнения (2)–(5), нетрудно получить, что

$VE{R}_{2\mu m}=k_2\cdot H\cdot O_3\cdot A\left(T,O_2,N_2,O\right),$ (6)

$\begin{array}{c}A\left(T,O_2,N_2,O\right)=\\ =\frac{f_9\cdot E_{97}}{E_9+B_9\cdot O_2+C_9\cdot O+D_9\cdot N_2}+\\ +\frac{f_8\cdot E_{86}}{E_8+B_8\cdot O_2+C_8\cdot O+D_8\cdot N_2}+\\ +\frac{f_9\cdot E_{86}}{E_9+B_9\cdot O_2+C_9\cdot O+D_9\cdot N_2}\times \\ \times \frac{B_{98}\cdot O_2+D_{98}\cdot N_2+B_{98}+C_{98}+E_{98}}{B_8\cdot O_2+C_8\cdot O+D_8\cdot N_2+E_8},\end{array}$ (7)

где $A\left(T,O_2,N_2,O\right)$ – функция, зависящая от концентраций O₂, N₂ и O различных констант возбуждения и релаксации ОН* на уровнях v = 8 и 9. Каждая пара локальных значений концентраций О и Н определяется по одному единичному кванту измененных данных ($VE{R}_{2\mu m}, T, O_2,N_2$), используя уравнения (1) и (7)–(8).

Локальные ночные концентрации ОН и НО₂ определяются из условия химического равновесия этих компонент, используя исходные данные измерений и результаты восстановления О и Н:

$\text{OH}=\frac{k_4\cdot \text{O}\cdot {\text{HO}}_2+k_2\cdot {\text{O}}_3\cdot \text{H}+2k_7\cdot \text{H}\cdot {\text{HO}}_2}{k_3\cdot \text{O}+k_6\cdot {\text{O}}_3+k_{10}\cdot {\text{HO}}_2},$ (8)

${\text{HO}}_2=\frac{k_5\cdot \text{H}\cdot \text{M}\cdot {\text{O}}_2+k_6\cdot {\text{O}}_3\cdot \text{OH}}{k_4\cdot \text{O}+\left(k_7+k_8+k_9\right)\cdot \text{H}+k_{10}\cdot \text{OH}}.$ (9)

Локальная скорость ночного химического нагрева рассчитывается как сумма семи отдельных скоростей нагрева за счет экзотермических реакций 1–5 и 11–12 [Mlynczak et al., 2013b], представленных в табл. 1.

В третьей колонке табл. 2 представлены константы модели ОН*, соответствующие опубликованным данным лабораторных измерений и моделирования. Можно видеть, что заметная часть констант возбуждения и гашения ОН* на уровнях v = 8 и 9 в модели авторов данных SABER/TIMED [Mlynczak et al., 2013a, 2018] имеет довольно сильные отличия от данных работ [Makhlouf et al., 1995; Adler-Golden, 1997; Xu et al., 2012; Caridade et al., 2013]. Наиболее существенные расхождения наблюдаются между величинами констант всех одноквантовых и мультиквантовых переходов с этих уровней вниз за счет столкновений с О, О₂ и N₂. В частности, константа процесса OH(8) + O₂ → OH(0–7) + O₂ оказывается ниже примерно в 25 раз. Более того, такой процесс, как OH(v = 9) + O → OH(v = 8) + O вообще исключен из рассмотрения в [Mlynczak et al., 2013a, 2018].

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК МНТ ПО ДАННЫМ SABER/TIMED

Чтобы проанализировать влияние пересмотренных параметров модели OH* на качество восстановления ночных распределений О, Н, ОН, НО₂ и скорости химического нагрева (CHR), была использована версия 2.0 (Level2A) базы данных SABER (https://saber.gats-inc.com/, доступ открытый) одновременно измеренных профилей T, O₃ и в диапазоне давлений 0.01–0.00032 гПа (примерно 80–100 км) за 2002–2021 гг. Чтобы отстроиться от переходных процессов вблизи восхода и захода, были приняты в рассмотрение только моменты зенитного угла Солнца χ > 95°. С помощью уравнений (1) и (7) были рассчитаны ряды данных, отвечающие новым (О, Н, ОН, НО₂ и CHR) и старым (Оʹ, Нʹ, ОНʹ, НО₂ʹ и CHRʹ) наборам значений параметров функции $A\left(T,O_2,N_2,O\right)$ соответственно (см. 3 и 2 колонки в табл. 2). В результате по одному и тому же набору экспериментальных данных были получены два пространственно-временных ряда каждой восстанавливаемой характеристики в диапазоне широт (82˚ю.ш., 82˚с.ш.) длиной 20 лет. Каждый ряд был усреднен по долготе, в узких (~4˚) широтных интервалах и во времени в зависимости от сезона, т.е. для получения, например, летнего распределения усреднялись данные, приходящиеся на все летние месяцы 2002–2021 гг. Далее производилось попарное сравнение полученных распределений, отвечающих разным моделям, и в зависимости от сезона для каждой восстановленной характеристики МНТ определялось распределение относительной разницы.

Систематическая погрешность полученных данных в основном определяется систематическими погрешностями данных температуры, O₃ и скоростей химических реакций. Следуя [Mlynczak et al., 2013a, 2014] была рассчитана индивидуальная чувствительность каждой характеристики к возмущению отдельного фактора. В результате обнаружено, что суммарные неопределенности O, H, ОН и НО₂ изменяются, в основном, в пределах ~(20–30)% в зависимости от высоты и широты. Благодаря усреднению по большим (20000–40000 значений в каждой пространственной точке) ансамблям, случайная ошибка представленных ниже данных много меньше систематической.

На рис. 1 представлены полученные распределения О и относительной разницы $O{P}_O=\frac{O-O´}{O´}$ в зависимости от сезона. Можно видеть, что (1) в весенне-осеннее время характерны 2 основных пика концентрации О, лежащие вблизи границы низких и средних широт каждого полушария, (2) в зимне-летнее время эта симметрия разрушается, пик в летнем полушарии становится главным, он сдвигается к полярным широтам, именно здесь наблюдается абсолютный максимум концентрации О (~6 ∙ 10¹¹ см^–3). Относительная разница $O{P}_O$ является заметной во все сезоны. Можно видеть, что только в районе 90–93 км $O{P}_O$ не превышает ~±0.2. Выше этого диапазона высот уменьшается до –0.4, а выше – монотонно возрастает с уменьшением высоты во все сезоны и на всех широтах, достигая ~1.4 на 80 км. Таким образом, можно заключить, что новые параметры процедуры восстановления приводят к значительному возрастанию концентрацию О ниже 90 км и заметному ее уменьшению вблизи 100 км.

 

Рис. 1. Усредненные по долготе и времени (за каждый сезон 2002–2021 гг.) ночные распределения O (левая колонка, в см–3) и ОРО (правая колонка). 1 ряд – декабрь, январь, февраль, 2 ряд – март, апрель, май, 3 ряд – июнь, июль, август, 4 ряд – сентябрь, октябрь, ноябрь.

 

На рис. 2 представлены распределения Н и относительной разницы $O{P}_H=\frac{H-H´}{H´}$ в зависимости от сезона. Можно видеть, что (1) в весенне-осеннее время наибольшие значения (до ~4 ∙ 10⁸ см^–3) концентрации этой компоненты сосредоточены на 80–85 км на низких и средних широтах обоих полушарий, (2) в зимне-летнее время эта область расширяется до 90–95 км и смещается в область высоких широт летнего полушария, именно здесь наблюдается абсолютный максимум концентрации Н (до ~(7–8) ∙ 10⁸ см^–3). Как и в предыдущем случае, относительная разница $O{P}_H$ является заметной во все сезоны. Более того, структурно широтно-высотная зависимость $O{P}_H$ копирует распределения $O{P}_O$, т.е. новые параметры процедуры восстановления приводят к значительному (до 140%) возрастанию концентрации Н ниже 90 км и заметному (до 40%) ее уменьшению вблизи 100 км.

 

Рис. 2. Усредненные по долготе и времени (за каждый сезон 2002–2021 гг.) ночные распределения H (левая колонка, в см–3) и ОРН (правая колонка). 1 ряд – декабрь, январь, февраль, 2 ряд – март, апрель, май, 3 ряд – июнь, июль, август, 4 ряд – сентябрь, октябрь, ноябрь.

 

На рис. 3–4 представлены распределения ОН, НО₂, $O{P}_{OH}=\frac{OH-OH´}{OH´}$ и $O{P}_{H{O}_2}=\frac{H{O}_2-H{O}_2^{´}}{H{O}_2^{´}}$ в зависимости от сезона. Максимумы значений ОН (до ~(6–7) · 10⁷ см^–3) расположены в высоких летних широтах в районе ~80–85 км и по своему положению они соответствуют максимумам Н. Распределения НО₂ повторяют в основном сезонно-широтные вариации ОН, но демонстрируют более низкие значения. Можно видеть, что относительные отклонения $O{P}_{OH}$ и $O{P}_{H{O}_2}$ везде и во все сезоны меньше 10–20%. Таким образом, можно заключить, что новая процедура восстановления не приводит к заметным изменениям распределений ОН и НО₂.

 

Рис. 3. Усредненные по долготе и времени (за каждый сезон 2002–2021 гг.) ночные распределения ОН (левая колонка, в см–3) и ОРОН (правая колонка). 1 ряд – декабрь, январь, февраль, 2 ряд – март, апрель, май, 3 ряд – июнь, июль, август, 4 ряд – сентябрь, октябрь, ноябрь.

 

Рис. 4. Усредненные по долготе и времени (за каждый сезон 2002–2021 гг.) ночные распределения НО2 (левая колонка, в см–3) и ОРНО2 (правая колонка). 1 ряд – декабрь, январь, февраль, 2 ряд – март, апрель, май, 3 ряд – июнь, июль, август, 4 ряд – сентябрь, октябрь, ноябрь.

 

На рис. 5 представлены распределения $CHR$ и относительной разницы $O{P}_{CHR}=\frac{CHR-CHR´}{CHR´}$ в зависимости от сезона 2002–2021 г. Можно видеть, что (1) в весенне-осеннее время характерны 3 основных максимума $CHR$ с характерными значениями 6–10 К/сут, лежащие на 85–95 км вблизи экватора и полюсов каждого полушария, при этом наблюдается небольшое различие в величинах высокоширотных максимумов, которое меняется на противоположное при смене сезона, (2) в период декабрь – январь – февраль на высоких широтах северного полушария возникает мощный (до 14 К/сут) максимум на 90–93 км, который довольно слабо воспроизводится в южном полушарии в период сентябрь – октябрь – ноябрь. Как у в случае О и Н, относительная разница $O{P}_{CHR}$ является заметной во все сезоны. Можно видеть, что новая процедура восстановления приводит к значительному (до 150%) возрастанию скорости химического нагрева ниже 90 км и заметному (до 60%) ее уменьшению вблизи 100 км.

 

Рис. 5. Усредненные по долготе и времени (за каждый сезон 2002–2021 гг.) ночные распределения скорости химического нагрева воздуха CHP (левая колонка, в К/сут) и OPCHP (правая колонка). 1 ряд – декабрь, январь, февраль, 2 ряд – март, апрель, май, 3 ряд – июнь, июль, август, 4 ряд – сентябрь, октябрь, ноябрь.

 

4. ОБСУЖДЕНИЕ

Из рис. 1, в частности, можно видеть, что в нижней части (80–90 км) рассматриваемого диапазона высот концентрация О заметно меньше, чем на 90–100 км. В то же время для концентрации воздуха имеет место обратная ситуация. Это означает, что на 80–90 км гашение ОН* на уровнях ν = 8 и 9 в значительной степени определяется столкновениями с О₂ и N₂, но выше этого диапазона высот процесс OH(v) + O становится превалирующим. Сравнение констант процессов, представленных в табл. 2, показывает, что данные работ [Makhlouf et al., 1995; Adler-Golden, 1997; Xu et al., 2012; Caridade et al., 2013] заметно увеличивают скорости таких процессов, как OH(9) + O₂ → OH(0–8) + O₂ и OH(8) +O₂ → OH(0–7) + O₂, и уменьшают скорости процессов OH(9) +O → OH(0–8) + O и OH(8) + O → OH(0–7) + O. Это означает, что при прочих равных изменение констант этих процессов приводит к уменьшению значений функции на 80–90 км и увеличению на 90–100 км, что за счет связей (1) и (6) выражается в результатах восстановления О, Н и скорости химического нагрева, представленных на рис. 1–2 и 5. Более того, именно пропорциональность значений О и Н, следующая из (1), приводит к идентичности широтно-высотных распределений $O{P}_O$ и $O{P}_H$. В то же время относительные отклонения $O{P}_{OH}$ и $O{P}_{H{O}_2}$ значительно отличаются от $O{P}_O$ и $O{P}_H$, несмотря на то, что ОН и НО₂ определяются через О и Н. Мы провели количественный анализ отдельных членов уравнений (8)–(9), который выявил, что в первом приближении реакции 6 и 10 (см. табл. 1) являются менее существенными, чем остальные, и могут быть отброшены. Укороченные условия равновесия этих компонент выглядят следующим образом:

${\text{HO}}_2\approx \frac{k_5\cdot \text{H}\cdot \text{M}\cdot {\text{O}}_2}{k_4\cdot \text{O}+\left(k_7+k_8+k_9\right)\cdot \text{H}},$ (10)

$\text{OH}\approx \frac{k_4\cdot \text{O}\cdot {\text{HO}}_2+k_2\cdot {\text{O}}_3\cdot \text{H}+2k_7\cdot \text{H}\cdot {\text{HO}}_2}{k_3\cdot \text{O}}.$ (11)

С учетом (1) их можно переписать в виде, не зависящем от констант процессов, представленных в табл. 2:

${\text{HO}}_2\approx \frac{k_5\cdot k_1\cdot M^2\cdot {O_2}^2}{k_4\cdot k_2\cdot O_3+\left(k_7+k_8+k_9\right)\cdot k_1\cdot M\cdot O_2},$ (12)

$\begin{array}{c}\text{OH}\approx \left(\frac{k_4}{k_3}+\frac{2k_7\cdot k_1\cdot M\cdot O_2}{k_3\cdot k_2\cdot O_3}\right)\times \\ \times \frac{k_5\cdot k_1\cdot M^2\cdot {O_2}^2}{k_4\cdot k_2\cdot O_3+\left(k_7+k_8+k_9\right)\cdot k_1\cdot M\cdot O_2}+\\ +\frac{k_1\cdot M\cdot O_2}{k_3}.\end{array}$ (13)

Именно поэтому изменение констант модели ОН* не приводит к существенным изменениям распределений ОН и НО₂, показанных на рис. 3–4.

Скорость химического нагрева пропорциональна сумме скоростей реакций 1–5, 11–12:

$\begin{array}{c}\text{CHR}~k_1\cdot M\cdot O_2\cdot O+k_2\cdot O_3\cdot H+\\ +k_3\cdot OH\cdot O+k_4\cdot H{O}_2\cdot O+\\ +k_5\cdot M\cdot O_2\cdot H+k_{11}\cdot O_3\cdot O+k_{12}\cdot M\cdot O^2.\end{array}$ (14)

Можно видеть, что в этом выражении почти все члены линейны по Н или О. Именно поэтому распределение $O{P}_{CHR}$ в целом соответствует $O{P}_O$ и $O{P}_H$. Некоторые отличия выше 90 км вызваны наличием нелинейности за счет экзотермической реакции О + О + M → О₂ + M.

 

Таблица 2. Список физико-химических процессов и их констант с участием верхних двух уровней ОН*

Процесс	Коэффициенты из работ [Mlynczak et al., 2013a, 2018]	Данные лабораторных измерений и моделирования
H + O3 → O2 + OH(9,8)	f9 = 0.47, f8 = 0.34	f9 = 0.47, f8 = 0.34 [Adler-Golden, 1997]
OH(9) → OH(ν = 0-8) + hν	E9 = 215.05 с–1	E9 = 199.2495 с–1 [Xu et al., 2012]
OH(8) → OH(ν = 0-7) + hν	E8 = 178.06 с–1	E8 = 171.5238 с–1 [Xu et al., 2012]
OH(9) → OH(ν’ = 8) + hν	E98 = 20.05 с–1	E98 = 18.3507 с–1 [Xu et al., 2012]
OH(9) → OH(ν’ = 7) + hν	E97 = 118.35 с–1	E97 = 112.4054 с–1 [Xu et al., 2012]
OH(8) → OH(ν’ = 6) + hν	E86 = 117.21 с–1	E86 = 116.6081 с–1 [Xu et al., 2012]
OH(9) + O2 → OH(0-8) + O2	B9 = 2.5 · 10–11 см3/с	B9 = 3.1·10–11 см3/с [Adler-Golden, 1997]
OH(9) + O → OH(0-8) + O	C9 = 3 · 10–10 см3/с	C9 = (8.54; 7.66; 6.81; 6.29; 6.16)·10–11 см3/с при T = (110, 160, 210, 255, 300)K [Caridade et al., 2013]
OH(9) +N2 → OH(0-8) + N2	D9 = 3.36 · 10–13 · exp(220/T) см3/с	D9 = 4.8·10–13 см3/с [Makhlouf et al., 1995]
OH(8) +O2 → OH(0-7) + O2	B8 = 4.8 · 10–13 см3/с	B8 =1.19·10–11 см3/с [Adler-Golden, 1997]
OH(8) + O → OH(0-7) + O	C8 = 1.5 · 10–10 см3/с	C8 = (8.07; 7.28; 6.66; 6.37; 6.16)·10–11 см3/с при T = (110, 160, 210, 255, 300)K [Caridade et al., 2013]
OH(8) + N2 → OH(0-7) + N2	D8 = 7 · 10–13 см3/с	D8 = 2.7 · 10–13 см3/с [Makhlouf et al., 1995]
OH(9) + O2 → OH(8) + O2	B98= 4.2 · 10–12 см3/с	B98 = 4.2 · 10–12 см3/с [Adler-Golden, 1997]
OH(9) + O → OH(8) + O	C98 = 0	C98 = (3.4; 4; 2.6; 3.1; 3.3)·10–12 см3/с при T = (110, 160, 210, 255, 300)K [Caridade et al., 2013]
OH(9) + N2 → OH(8) + N2	D98 = 4 · 10–13 см3/с	D98 = 4.8·10–13 см3/с [Makhlouf et al., 1995]

 

Во введении было отмечено, что О и Н недоступны прямым регулярным измерениям на высотах МНТ. На рис. 6 представлены вертикальные профили О, усредненные в диапазоне 0–20˚ с.ш. за осень 2005 и зиму 2005–2006 гг. соответственно, отвечающие разным моделям ОН* в сравнении с результатами восстановления этой компоненты по данным измерений свечения O(¹S) прибором SCIAMACHY. Можно видеть, что модернизированная модель ОН* позволяет получить заметно лучше соответствие с данными SCIAMACHY.

 

Рис. 6. Вертикальные профили О, усредненные в диапазоне 0–20°N за осень 2005 (левый) и зиму 2005–2006 гг. (правый) соответственно, отвечающие модернизированной модели ОН* (синие линии) и модели [Mlynczak et al., 2013a, 2018] (красные) в сравнение с результатами восстановления (черные линии) этой компоненты по данным измерений свечения O(1S) прибором SCIAMACHY [Kaufmann et al., 2014].

 

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенный анализ показал, что новые параметры процедуры восстановления приводят к значительным (до 2 раз и более) изменениям в пространственных распределениях О, Н и скорости химического нагрева. Это происходит вследствие увеличения скоростей процессов OH(9) + + O₂ → OH(0–8) + O₂ и OH(8) + O₂ → OH(0–7) + O₂ и уменьшения скоростей OH(9) + O → OH(0–8) + O и OH(8) + O → OH(0–7) + O. Среднесезонные распределения О имеют максимумы, не превышающие (5–6) ∙ 10¹¹ см^–3, что соответствует результатам работ [Panka et al., 2018, 2021; Zhu, Kaufmann, 2018, 2019]. Кроме того, данные О, полученные с помощью модернизированной модели ОН*, заметно лучше соответствуют данным SCIAMACHY, чем в случае модели [Mlynczak et al., 2013a, 2018].

Восстановление распределений О и Н и анализ полученных результатов выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-12-00064, https://rscf.ru/project/22-12-00064/. Восстановление распределений ОН, НО₂ и скорости химического нагрева выполнено за счет средств темы государственного задания в сфере науки (№ 0729-2020-0037).

Об авторах

М. Ю. Куликов

Институт прикладной физики РАН им. А.В. Гапонова-Грехова; Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

Автор, ответственный за переписку.
Email: kulm@ipfran.ru
Россия, ул. Ульянова, 46, Нижний Новгород, 603950; пр. Гагарина, 23, Нижний Новгород, 603022

М. В. Беликович

Институт прикладной физики РАН им. А.В. Гапонова-Грехова; Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

Email: kulm@ipfran.ru
Россия, ул. Ульянова, 46, Нижний Новгород, 603950; пр. Гагарина, 23, Нижний Новгород, 603022

А. Г. Чубаров

Институт прикладной физики РАН им. А.В. Гапонова-Грехова; Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

Email: kulm@ipfran.ru
Россия, ул. Ульянова, 46, Нижний Новгород, 603950; пр. Гагарина, 23, Нижний Новгород, 603022

С. О. Дементьева

Институт прикладной физики РАН им. А.В. Гапонова-Грехова

Email: kulm@ipfran.ru
Россия, ул. Ульянова, 46, Нижний Новгород, 603950

А. М. Фейгин

Институт прикладной физики РАН им. А.В. Гапонова-Грехова; Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

Email: kulm@ipfran.ru
Россия, ул. Ульянова, 46, Нижний Новгород, 603950; пр. Гагарина, 23, Нижний Новгород, 603022

Список литературы

Дополнительные файлы