Вариации плотности полярной мезосферы по данным метеорного радара и спутниковым измерениям

Мониторинг состояния верхних слоев средней атмосферы – мезосферы/нижней термосферы в диапазоне высот 80-100 км, представляет собой достаточно сложную задачу, поскольку спутниковые орбиты проходят выше этой области, а запускаемые с земли зонды не достигают таких высот. Информация о параметрах мезосферы может быть получена с помощью зондирующих спутников, а также наземных метеорных радаров, которые измеряют радиоотражения от слабо ионизованных метеорных следов. Влетая в атмосферу на большой скорости, метеоры ионизуют окружающий воздух, создавая след, который постепенно распадается вследствие амбиполярной диффузии. Характеристики метеорных следов (время и высота затухания, смещение следа по горизонтали) определяются главным образом параметрами окружающей атмосферы. Это позволяет получить информацию о температуре воздуха (по времени затухания следа) и о скорости ветра (по доплеровскому сдвигу частоты) на высотах мезосферы. Мониторинг именно этих двух параметров является стандартной задачей метеорных радаров.

Вместе с тем, анализ характеристик метеорных следов показывает, что по ним можно также проводить мониторинг вариаций плотности нейтральной атмосферы на высотах 80-90 км. Наблюдения показывают, что в верхней части метеорной области время затухания сигналов растет с увеличением плотности атмосферы, но уменьшается в нижних частях метеорной области. Этот эффект является результатом нейтрализации плазмы из-за различных механизмов рекомбинации и присоединения к молекулам атмосферного газа ниже 80-85 км. Сравнение высотных профилей скорости затухания метеорных следов, полученных метеорным радаром SKiYMET, обс. Соданкюля (67N, 23E) с данными измерений плотности атмосферы с помощью прибора SABER спутника TIMED и прибора MLS спутника Aura показало, что высота, на которой изменяется знак градиента времени затухания следа, следует за высотой поверхности постоянной плотности нейтральной атмосферы. При этом обнаруживается наличие сезонного эффекта, обусловленного особенностями химического состава атмосферы и изменением температуры от ~100 K (лето) до ~200 K (зима). В полярной мезосфере летом, осенью и зимой высота максимума затухания следует, соответственно, изолинии ~17•10-9 г/cм-3, 20•10-9 г/cм-3 и 21•10-9 г/cм-3 на высоте 84-86 км, 81-83 км и 80-82 км. Во время больших стратосферных возмущений зимнего периода высота максимума затухания и соответствующая высота поверхности постоянной плотности уменьшается до ~78 км. Рутинные измерения характеристик высотного профиля затухания метеорных следов (высоты максимума, верхнего и нижнего квартилей) позволяют проводить мониторинг вариаций плотности атмосферы в диапазоне высот от 75 до 90 км.