![Seasonal and interannual variations in the [OI] 630 nm atmospheric emission as derived from observations over Eastern Siberia in 2011–2017](/upload/import_cover/journal/9916d7636b0de85194c164dd7fe26fb2.jpg)
Irkutsk, Russian Federation
Seasonal and interannual variations in the [OI] 630 nm atmospheric emission are studied from observations of airglow in Eastern Siberia. Among features of seasonal variation in this emission are a pronounced summer maximum, an autumn minimum, and a strong interannual variability in winter months, as well as an increase in the correlation coefficient with a monthly mean value of the F10.7 solar activity index in periods close to equinoxes. We identify possible causes and phenomena (including solar activity) that form the seasonal and interannual variations in the 630 nm atmospheric emission. In this study, we have used observational data from the Geophysical Observatory of the Institute of Solar-Terrestrial Physics of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences (ISTP SB RAS, 52° N, 103° E) for 2011–2017.
airglow, 630 nm emission, seasonal and interannual variations, solar activity
ВВЕДЕНИЕ
Наиболее интенсивной эмиссией ионосферной F-области в видимой части спектра является запрещенная линия атомарного кислорода [OI] (1D) 630 нм. Ночью в средних широтах в спокойных геомагнитных условиях основным процессом возбуждения эмиссии 630 нм является реакция диссоциативной рекомбинации ионов молекулярного кислорода О2+ и окиси азота NO+ [Bates, 1978; Фишкова, 1983]. Заселение уровня [OI] (1D) и высвечивание эмиссии 630 нм в реакции с участием иона молекулярного кислорода О2+ происходит в цепочке следующих реакций:
O++O2→O2++O,
O2++e–→O*(1D)+O,
O*(1D)→O(3P)+hν(630.0 нм).
Эмиссия 630 нм наблюдается в F-области ионосферы (~200–300 км) и имеет схожий с электронной плотностью Ne высотный профиль на высотах ее высвечивания. В силу приближения [O+]~Ne эта эмиссия часто рассматривается как чувствительный индикатор электронной плотности и динамики верхней атмосферы при гелиогеофизических возмущениях и явлениях различной природы, таких как среднеширотные сияния [Михалев и др., 2004], перемещающиеся ионосферные возмущения в слое F [Adachi et al., 2011].
Первые исследования межгодовых и многолетних вариаций среднеширотных эмиссий верхней атмосферы относятся к 20–30-м гг. прошлого столетия [Lord Rayleigh, Jones, 1935]. Наиболее полные данные о многолетних вариациях атмосферных эмиссий получены во второй половине ХХ в. (см., например, [Fukuyama, 1977]) и охватывают около пяти солнечных циклов (18–22-й солнечные циклы). В настоящее время можно считать установленным фактом, что многолетние вариации атмосферных эмиссий в линиях атомарного кислорода 557.7 нм (высоты высвечивания 85–115 км) и 630 нм (180–250 км) зависят от уровня солнечной активности. В разных солнечных циклах степень проявления эффектов солнечной активности в указанных атмосферных эмиссиях может быть различной [Гивишвили и др., 1996; Михалев и др., 2008]. В связи с этим особый интерес представляют вариации характеристик верхней атмосферы, включая собственное излучение, в условиях аномальной солнечной активности в 24-м цикле, который отличается крайне низким уровнем солнечной активности по сравнению с предыдущими циклами [http://spaceweathernews.com]. Регулярные аппаратурные наблюдения собственного излучения верхней атмосферы охватывают всего пять-шесть последних солнечных циклов, и данных о поведении эмиссии 630 нм в пределах солнечного цикла с такими характеристиками до сих пор не было. Вероятно, важными являются и наблюдаемые в последние десятилетия климатические изменения, которые коснулись и параметров верхней атмосферы, включая собственное излучение [Шефов и др., 2006а]. Последнее обстоятельство предполагает выяснение вопроса стабильности (или изменчивости) основных характеристик эмиссии 630 нм в разные фазы наблюдаемых климатических изменений.
В настоящей работе представлены результаты исследования сезонного хода и межгодовых вариаций атмосферной эмиссии [OI] 630 нм за период 2011–2017 гг., охватывающий фазы роста, максимумов и спада 24-го солнечного цикла. Исследования основаны на данных наблюдений в Геофизической обсерватории (ГФО) ИСЗФ СО РАН (52° N; 103° E), расположенной регионе Восточной Сибири (Тункинская долина, с. Торы).
1. Adachi T., Otsuka Y., Yamaoka M., Yamamoto M., Shiokawa K., Chen A.B., Hsu R.R. First satellite-imaging observation of medium-scale traveling ionospheric disturbances by FORMOSAT-2/ISUAL. Geophys. Res. Lett. 2011, vol. 38, L04101. DOI:https://doi.org/10.1029/2010GL046268.
2. Barbier D. Variations de l’intensite des principales radiations de la luminescence atmospherique nocturne avec le cycle solaire. [Intensity variations of the mean radiation of the night airglow of atmospheric emission in the solar cycle]. Ann. Geophys. 1965, vol. 21, pp. 265-274. (In French).
3. Bates D.R. Forbidden oxygen and nitrogen lines in the nightglow. Planet. Space Sci. 1978, vol. 26, no. 10, pp. 897-912.
4. Fishkova L.M. Nochoye izlucheniye verkhei atmosfery Zemli [Nighttime airglow of the mid-latitude Earth upper atmosphere]. Tbilisi, Metsniereba Publ., 1983, 271 p. (In Russian).
5. Fishkova L.M., Martsvaladze N.M., Shefov N.N. Seasonal variations in the 557.7 nm atomic oxygen emission dependence on solar activity and long-term trend. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2001, vol. 41, no. 4. pp. 557-562. (In Russian).
6. Fukuyama K. Airglow variations and dynamics in the lower thermosphere and upper mesosphere II. Seasonal and long-term variations. J. Atmos. Terr. Phys. 1977, vol. 39, no. 1, pp. 1-14.
7. Givishvili G.V., Leshchenko L.N., Lysenko E.V., Perov S.P., Semenova A.I., Sergeyenko N.P., Fishkova L.M., Shefov N.N. Long-term trends of some characteristics of the Earth atmosphere. Measurement results. Izvestiya RAN. Fizika atmosfery i okeana [Izvestiya. Atmospheric and Oceanic Physics]. 1996, vol. 32, no. 3, pp. 329-339. (In Russian).
8. Korobeinikova M.L, Nasyrov G.A. Structural features of the λ 6300 Å emission. Geofizichesky Byulleten’ [Geophysical Bulletin]. Moscow, Nauka Publ., 1974, no. 27, pp. 35-39. (In Russian).
9. Lord Rayleigh, Jones S.H. The light of the night sky: analysis of the intensity variations at three stations. Proc. Roy. Soc. 1935, vol. 151, no. A872, pp. 22-55.
10. Mikhalev A.V. Features of the [OI] 557.7 nm atmospheric emission variation. Optika atmosfery i okeana [Atmospheric and Oceanic Optics]. 2017, vol. 30, no. 4, pp. 296-300. (In Russian).
11. Mikhalev A.V., Beletsky A.B., Kostyleva N.V., Chernigovskaya M.A. Midlatitude airglow at the south of East Siberia during strong geomagnetic storms on October 29-31 and November 20-21, 2003. Kosmicheskie issledovaniya [Cosmic Res.]. 2004, vol. 42, no. 6, pp. 616-621. (In Russian).
12. Mikhalev A.V., Medvedeva I.V., Kostyleva N.V., Stoeva P. Manifestation of solar activity in the 557.7 nm and 630 nm atmospheric emission variations in solar cycle 23. Optika atmosfery i okeana [Atmospheric and Oceanic Optics]. 2008, vol. 21, no. 5, pp. 425-431. (In Russian).
13. Shefov N.N., Semenov A.I., Khomich V.Yu. Upper Atmosphere Airglow as an Indicator of Its Structure and Dynamics. Moscow, GEOS Publ., 2006a, 741 p. (In Russian).
14. Shefov N.N., Semenov A.I., Yurchenko O.T. Empirical model for variations in the 630 nm atomic oxygen emission. 1. Intensity. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2006b, vol. 46, no. 2, pp. 250-260. (In Russian).
15. Toroshelidze T.I. Analiz problem aeronomii po izlucheniyu verkhei atmosfery [Analys of Aeronomy Problems by the Upper Atmosphere Airglow]. Tbilisi, Metsniereba Publ., 1991, 216 p. (In Russian).
16. Truttse Yu.L., Belyavskiy V.D. 6300 Å red oxygen emission and upper atmosphere density. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1975, vol. 15, no. 1, pp. 101-104. (In Russian).
17. URL: http://atmos.iszf.irk.ru/ru/data/spectr (accessed March 15, 2018).
18. URL: http://spaceweathernews.com (accessed March 15, 2018).
