Регулярные измерения температуры в области верхней мезосферы–нижней термосферы по наблюдениям полосы излучения ОН(3-1) в Звенигороде

Верхняя мезосфера‒нижняя термосфера (ВМНТ) представляет собой важную часть атмосферы, в которой происходит поглощение солнечной энергии в жестком ультрафиолете и сток большей части энергии и импульса атмосферных волн, распространяющихся снизу вверх, при чем последний процесс доминирует в формировании климатических вариаций в области ВМНТ (Brasseur and Solomon, 2005). С целью исследований ВМНТ широко используются наземные ночные спектрофотометрические измерения ее собственного излучения. К ее эмиссиям относятся полосы излучения колебательно-возбужденного гидроксила, возникающего в основном в результате озоно-водородной реакции в слое с максимумом около 87 км и полушириной 7‒9 км (Baker and Stair, 1988; Khomich et al., 2008; Wüst et al., 2017). C начала 2000 г. на Звенигородской научной станции ИФА им. А.М. Обухова РАН (56° с.ш., 37° в.д.) для регулярных наблюдений температуры в области ВМНТ используется полоса (6-2) 0.84 мкм, спектры которых, получаемые спектрографом СП-50 с 10-минутной экспозицией, позволяют определять вращательную температуру с точностью до 3 К (Pertsev and Perminov, 2008). В конце 2008 г. с помощью подобного спектрографа начались измерения полосы (3-1) 1.52 мкм, носящие нерегулярный характер по 2017 г. К концу этого года работа спектрографа была полностью автоматизирована, и с начала 2018 г. на нем начались регулярные наблюдения. Целью данной работы является описание аппаратуры, методики расчета температуры и анализ температурного ряда, полученного за последние восемь с половиной лет наблюдений.
Спектральные измерения излучения гидроксила в области полосы ОН(3-1) выполнялись спектрографом СП-50, оснащенным цифровой камерой iDus InGaAs 1.7 µm с термоэлектрическим охлаждением ПЗС-линейки до –50 °C. Для определения температуры использовались интенсивности первых трех линий P1-ветви полосы (3-1) в предположении, что населенности вращательных уровней гидроксила описываются распределением Больцмана. Для точной оценки температуры была применена методика коррекции линии P1(4), в область которой попадают неразрешенные линии R1(6) и R2(6) полосы (4-2). Коррекция проводится итерационным методом с использованием теоретических интенсивностей, рассчитанных по вероятностям переходов Brooke et al. (2016).
За период с 2018 по 2026 год было получено более 301 тысячи температурных значений со средней ошибкой около 2 К. Гармонический анализ годовой вариации показал, что средняя температура составляет 189.8 (±0.04, 2σ) К, а первые две гармоники (годовая и полугодовая) описывают около 80% изменчивости. Показан рост среднегодовой температуры, который статистически значимо коррелирует с потоком солнечного излучения в линии Лайман-альфа (коэффициент связи 2.1 К на 10¹¹ фотон см⁻² с⁻¹). Отмечена высокая межгодовая изменчивость амплитуд и фаз третьей и четвертой гармоник, что может быть связано с нерегулярными явлениями в средней атмосфере.
Сопоставление температур, полученных по полосам ОН (3-1) и (6-2), показало их совпадение в ноябре–декабре. В остальное время наблюдалось превышение температуры ОН(6-2) над ОН(3-1), достигающее 3–6 К в летние месяцы. Основной причиной расхождения, по-видимому, является высотный сдвиг слоев излучения гидроксила с различным колебательным возбуждением, что подтверждается экспериментальными данными (Khomich et al., 2008).
Полученные результаты демонстрируют преимущества наблюдений полосы ОН(3-1): малая экспозиция спектра (2 минуты), возможность длительных наблюдений в летний период и большая устойчивость к облачности. Созданный температурный ряд является важным вкладом в мониторинг климатических изменений в области ВМНТ и может быть использован для дальнейших исследований влияния солнечной активности и волновых процессов.