Спектрорадиометрические измерения в линии собственного излучения озона 110.8ГГц: исследование возможности регистрации внутренних гравитационных волн на высотах средней атмосферы

Средняя атмосфера является важной частью климатической системы Земли. Характеристики протекающих в ней процессов считаются важными индикаторами возможных изменений состояния всей атмосферы в целом. Значительную роль в динамике средней атмосферы играют волновые процессы, в частности, внутренние гравитационные волны (ВГВ).
Статистические характеристики ВГВ на глобальном масштабе достаточно хорошо определяются по спутниковым измерениям температуры. Однако задача локального наблюдения одной волны и оценки ее характеристик пока далека от своего решения. Она имеет фундаментальное значение с точки зрения понимания динамики средней атмосферы и представляет практический интерес, поскольку эти волны, генерируемые тропосферными источниками, могут нести в себе информацию об опасных атмосферных явлениях. В данной работе оцениваются возможности наблюдения ВГВ посредством пассивного микроволнового зондирования в полосе частот, включающей линию вращательного перехода озона 110.8 ГГц.
Микроволновое зондирование атмосферы в данном диапазоне производится, в первую очередь, для измерений вертикальных профилей концентрации озона на высотах стратосферы и мезосферы (обычно в диапазоне высот 15-70 км). В настоящей работе оценивается возможность наблюдения ВГВ по данным измерений озонометра ИПФ РАН. Прибор представляет собой мобильный, полностью автоматизированный наземный спектрорадиометрический комплекс с центральной частотой 110.836 ГГц, предназначенный для непрерывного мониторинга структуры озонного слоя Земли. Отличительными особенностями комплекса являются широкая полоса приема и анализа (0.8 ГГц), сопряжение с цифровым анализатором спектра с разрешением 60 КГц, калибровка измеряемого сигнала по электронно управляемому внутреннему эталону.
Основная идея наблюдения ВГВ посредством пассивного микроволнового зондирования заключается в том, что распространяющиеся на высотах средней атмосферы ВГВ приводят к соответствующей модуляции в профиле озона. Поэтому посредством анализа этих профилей можно исследовать характеристики ВГВ. Однако, такой подход сопряжен с рядом трудностей. Определение (восстановление) профиля озона по радиометрическим данным является некорректной обратной задачей, так что результат ее решения сильно зависит от алгоритма и используемых априорных ограничений. Ошибки в профиле, как правило, имеют сложный коррелированный характер. Как показывают наши оценки, проявление ВГВ в профиле озона оказывается ниже ошибки измерения озона, вызванной шумом измерений. Поэтому для детектирования ВГВ необходимо анализировать длинный временной ряд измерений профилей озона с достаточно высоким временным разрешением. В работе анализируется возможности наблюдений ВГВ на основе 10-ти часовых рядов с временным разрешением 15 мин.
Другая возможность заключается в измерении скоростей горизонтального ветра на высотах стратосферы и мезосферы по доплеровскому смещению наблюдаемой линии собственного излучения озона, подобно тому, как это сделано в (J.Hagen et al., 2018). Озонометр ИПФ РАН после специально проведенных усовершенствований достиг необходимых технических параметров для проведения подобных измерений (главным образом, стабильности гетеродина и высокого частотного разрешения (15 КГц)). Приводятся первые результаты наблюдений и оценка точности определения горизонтального ветра в контексте возможности детектирования ВГВ.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №18-35-00675.