All
 
|
 
 


Detection of Molecular Scattering Field Basing on Polarization Analysis of Sky Background During the Transitive Twilight and Temperature Measurements near the Stratopause
 
PIIS002342060000353-6-1
DOI10.31857/S002342060000353-6
Publication type Article
Status Published
Authors
Oleg Ugolnikov 
Affiliation: Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences
Address: Russian Federation, Moscow
Igor Maslov
Affiliation:
Sternberg Astronomical Institute, Moscow State University
Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences
Address: Russian Federation, Moscow
Boris Kozelov
Affiliation: Polar Geophysical Institute
Address: Russian Federation, Apatity, Murmansk distr.
Journal nameKosmicheskie issledovaniia
EditionVolume 56 Issue 4
Pages273-282
Abstract

The simplest version of the method of detection of single molecular scattering field basing on the polarization measurements of the twilight sky background by all-sky cameras is considered. The method can be used during the transitive twilight (solar zenith angles 94°-98°), when effective single scattering takes place in upper stratosphere and lower mesosphere. The application of the method to the multi-year measurements in the vicinity of Moscow and Apatity allows determination of temperature of these atmospheric layers and estimation of contribution and properties of multiple scattering during the transitive twilight period.

Keywords
Received14.08.2018
Publication date11.10.2018
Number of characters25494
Cite  
100 rub.
When subscribing to an article or issue, the user can download PDF, evaluate the publication or contact the author. Need to register.
Размещенный ниже текст является ознакомительной версией и может не соответствовать печатной

Table of contents

1. ВВЕДЕНИЕ
2. Наблюдения
3. Метод выделения однократного рассеяния
4. Результаты
5. ОБСУЖДЕНИЕ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1

1. ВВЕДЕНИЕ

Изучение средних и верхних слоев атмосферы в настоящее время становится все более актуальным как в свете появления технических средств, позволяющих делать это с высокой точностью, так и в связи с климатическими изменениями, в том числе антропогенными, которые затрагивают эти слои. В частности, увеличение содержания углекислого газа, вносящего основной вклад в парниковый эффект у поверхности Земли, может приводить к охлаждению как верхней [1], так и средней атмосферы [2]. Негативные температурные тренды были замечены в верхней стратосфере [3, 4] и в мезосфере [5-7].
2 Температурный анализ стратосферы особенно интересен в полярных регионах из-за явлений "внезапных стратосферных потеплений" [8-10], при которых температура может увеличиться на несколько десятков градусов, в отдельных случаях эффект в стратопаузе достигает 50 градусов [11]. Вместе с этим происходит резкое изменение динамической структуры стратосферы [7, 12].
3 Стратопауза и мезосфера существенно меньше доступны для контактных измерений, нежели нижняя и средняя стратосфера. Основная информация о физическом состоянии этих слоев атмосферы получается на основе оптического удаленного зондирования. Измерения температуры ведутся на основе лидарного анализа [10, 11, 13, 14], а также с борта искусственных спутников Земли. Глобальные данные о температуре в настоящее время получаются с борта спутника TIMED (Thermosphere, Ionosphere, Mesosphere, Energetics and Dynamics), прибор SABER (Sounding of the Atmosphere Using Broadband Emission Radiometry) [15], и с борта спутника EOS (Earth Observing System) Aura, прибор MLS (Microwave Limb Sounder) [16]. В обоих случаях используется методика микроволнового зондирования на заданной высоте над лимбом Земли.
4 Суть определения температуры посредством релеевского лидара [13, 17] состоит в восстановлении вертикального профиля коэффициента молекулярного рассеяния. Такая же методика может использоваться при измерении фона рассеянного излучения от Солнца после его захода за горизонт, по мере увеличения высоты земной тени. Эффективность сумеречного анализа существенно возрастает, если измерения проводятся по всей небесной полусфере, и вместе с интенсивностью определяется поляризация рассеянного излучения.
5 Основной проблемой метода сумеречного зондирования атмосферы является значительный вклад многократного рассеяния в фон сумеречного неба. Важность его учета отмечалась с начала XX века [18], но долгое время его величина недооценивалась. Поляризационные измерения [19, 20] показали, что вклад многократного рассеяния значителен уже на заходе Солнца, достигая в синей области спектра в зените 50%. Именно фактор многократного рассеяния ограничивает применимость сумеречного метода сверху: в темные сумерки, когда высота однократного рассеяния достигает 90 км, оно полностью теряется на многократно рассеянном фоне [21]. В зените это происходит, когда Солнце опускается на 9° под горизонт. Этот момент попадает на достаточно короткую фазу сумерек, во время которой однократное рассеяние наблюдается в заревом сегменте, но отсутствует в противоположной части неба (зенитные расстояния Солнца от 98° до 100°). Для данного периода был построен метод выделения однократного рассеяния, который позволил восстанавливать температурный профиль в верхней мезосфере, на высотах от 70 до 85 км [22, 23].

Number of purchasers: 1, views: 1566

Readers community rating: votes 0 

1. Roble R. G., and Dickinson R. E. How Will Changes in Carbon Dioxide and Methane Modify the Mean Structure of the Mesosphere and Thermosphere? // Geophysical Research Letters, 1989, vol. 16, pp. 1441-1444.
2. Rind D., Shindell D., Lonegran P., Balachandran N.K. Climate Change and the Middle Atmosphere. Part III: The Doubled CO2 Climate Revisited // J. Climate, 1998. V. 11. P. 876-894.
3. Ramaswamy V., Chanin M.-L., Angell J., et al. Stratospheric Temperature Trends: Observations and Model Simulations // Reviews of Geophysics, 2001. V. 39. P. 71-122.
4. Thompson D.W.J., Seidel D.J., Randel W.J., et al. The Mystery of Recent Stratospheric Temperature Trends // Nature, 2012. V. 491. P. 692-697.
5. Golitsyn G.S., Semenov A.I., Shefov, N.N., et al. Long-Term Temperature Trends in the Middle and Upper Atmosphere // Geophysical Research Letters, 1996. V. 23. P. 1741-1744.
6. Beig G., et al. Review of Mesospheric Temperature Trends // Reviews of Geophysics, 2003. V. 41(4). P. 1015-1055.
7. Варгин, П.Н., Юшков, В.А., Хайкин, С.М., Цветкова, Н.Д., Коcтрыкин, С.В., Володин, Е.М. Изменение климата и средняя атмосфера - вопросов все больше // Вестник Российской академии наук, 2010, том 80, стр. 114-130. 
8. Matsuno T. A Dynamical Model of the Stratospheric Sudden Warming // J. Atmospheric Sci. 1971. V. 28. P. 1479-1494.
9. Labitzke, K., & Naujokat, B. The lower Arctic stratosphere in winter since 1952 // SPARC Newsletters, 2000, vol. 15, pp. 11-14.
10. Николашкин С.В., Титов С.В., Маричев В.Н. и др. Лидарные исследования поведения внезапных зимних стратосферных потеплений на территории Сибири и Дальнего Востока // Наука и образование, 2013. Т. 69. С. 10-17.
11. von Zahn U., Fiedler J., Naujokat B., et al. A Note on Record-high Temperatures at the Northern Polar Stratopause in Winter 1997/98 // Geophysical Research Letters, 1998, vol. 25, pp. 4169-4172.
12. France J.A., Harvey V.L., Randall C.E., et al. A Climatology of Stratopause Temperature and Height in the Polar Vortex and Anticyclones // J. Geophysical Research, 2012. V. 117. P. D06116.

13. Зуев В.В., Маричев В.Н., Бондаренко С.Л. Исследования точностных характеристик восстановления профилей температуры по лидарным сигналам молекулярного рассеяния // Оптика атмосферы и океана, 1996. Т. 9. № 12.С. 1615-1619.
14. Маричев В.Н., Бочковский Д.А. Лидарные измерения плотности воздуха в средней атмосфере. Часть 1. Моделирование потенциальных возможностей в видимой области спектра // Оптика атмосферы и океана, 2013, т. 26, № 7, стр. 553-563.
15. Russell J.M. III, Mlynczak M.G., Gordley L.L., et al. An Overview of the SABER Experiment and Preliminary Calibration Results // Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng., 1999. V. 3756. P. 277-288.
16. Schwartz, M.J., et al., Validation of the Aura Microwave Limb Sounder temperature and geopotential height measurements // Journal of Geophysical Research, 2008, vol. 113, p. D15S11.
17. Hauchecorne, A., & Chanin, M.-L., Density and temperature profiles obtained by lidar between 35 and 70 km // Geophysical Research Letters, 1980, vol. 7, pp. 565-568.
18. Розенберг Г.В. Сумерки. Москва, Изд-во физ.-мат. лит-ры. 1963, 380 стр.
19. Угольников О.С. Фотометрия и поляриметрия сумеречного неба. Проблема многократного рассеяния света в период сумерек // Космические исследования, 1999, том 37, № 2, стр. 168-175 (Cosmic Research, pp. 159-166).
20. Угольников О.С., Маслов И.А. Многоцветная поляриметрия сумеречного неба. Роль многократного рассеяния света как функция длины волны // Космические исследования, 2002, том 40, № 3, стр. 242-251 (Cosmic Research, pp. 224-232).
21. Угольников О.С., Маслов И.А. Оптические свойства невозмущенной мезосферы на основе широкоугольной поляриметрии фона сумеречного неба // Космические исследования, 2013, т. 51, № 4, стр. 267-273 (Cosmic Research, pp. 235-240).
22. Ugolnikov, O.S., & Maslov, I.A., Summer mesosphere temperature distribution from wide-angle polarization measurements of the twilight sky // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2013, vol. 105-106, pp. 8-14.
23. Угольников О.С., Козелов Б.В. Исследования мезосферы на основе широкоугольной поляриметрии сумеречного неба: первые результаты за Полярным кругом // Космические исследования, 2016, т. 54, № 4, стр. 295-301 (Cosmic Research, pp. 279-284). 
24. Угольников О.С., Маслов И.А. Анализ направления поляризации фона сумеречного неба как средство выделения однократного рассеяния // Космические исследования, 2017, т. 55, № 3, стр. 179-188 (Cosmic Research, pp. 169-177).
25. Угольников О.С., Маслов И.А. Исследования фонового стратосферного аэрозоля с помощью многоцветных широкоугольных измерений фона сумеречного неба // Космические исследования, 2018, т. 56, № 2.
26. Ugolnikov O.S., Maslov I.A., Kozelov B.V., Dlugach J.M. Noctilucent cloud polarimetry: Twilight measurements in a wide range of scattering angles // Planetary and Space Science, 2016, vol. 125, pp.105-113.
27. Ugolnikov O.S., Galkin A.A., Pilgaev S.V., Roldugin A.V. Noctilucent Cloud Particle Size Determination based on Multi-Wavelength All-Sky Analysis // Planetary and Space Science, 2017, vol. 146, pp. 10–19.
28. Ugolnikov O.S., Maslov I.A. Detection of Leonids meteoric dust in the upper atmosphere
by polarization measurements of the twilight sky // Planetary and Space Science, 2007, vol. 55, pp.1456-1463.

29. Угольников О.С., Маслов И.А. Исследования стратосферного аэрозольного слоя на основе поляризационных измерений сумеречного неба // Космические исследования, 2009, том 47, № 3, стр. 219-228 (Cosmic Research, pp. 198-207).
30. Угольников О.С., Маслов И.А. Поляризационные исследования вклада аэрозольного рассеяния в свечение сумеречного неба // Космические исследования, 2004, том 43, № 6, стр. 424-432 (Cosmic Research, pp. 404-412).
31. Postylyakov O.V. Linearized vector radiative transfer model MCC++ for a spherical atmosphere. // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2004, vol. 88, pp. 297-303.
32. Ugolnikov O.S., Postylyakov O.V., Maslov I.A. Effects of multiple scattering and atmospheric aerosol on the polarization of the twilight sky // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2004, vol. 88, pp. 233-241.
33. Zaginailo Yu.I. Determination of the second twilight brightness by the method of the twilight probing of the Earth’s atmosphere. // Odessa Astronomical Publication, 1993, vol. 6, pp. 59-67.
34. Bourassa, A.E., Degenstein, D.A., Llewellyn, E.J. Retrieval of stratospheric aerosol size information from OSIRIS limb scattered sunlight spectra // Atmospheric Chemistry and Physics Discussions, 2008, vol. 8, pp. 4001-4016.

Система Orphus

Loading...
Up