Правительство Российской Федерации
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
(СПбГУ)


Индекс УДК 551.590.2  
Рег. № НИОКТР АААА-А20-120012490102-6



УТВЕРЖДАЮ
Начальник Управления
научных исследований СПбГУ

_____________ Е.В. Лебедева
« » ______________2023 г.


ОТЧЁТ
О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ

по теме РФФИ проекта № 20-05-00450
ДНЕВНОЙ И НОЧНОЙ МЕХАНИЗМ АТМОСФЕРНЫХ СВЕЧЕНИЙ КИСЛОРОДА СОГЛАСОВАННЫЙ С НОЧНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ ГИДРОКСИЛА В МЕЗОСФЕРЕ И НИЖНЕЙ ТЕРМОСФЕРЕ
(заключительный)






Руководитель НИР,
с.н.с.,
кандидат физ.-мат. наук И.А. Миронова





Санкт-Петербург
2023

РЕФЕРАТ

Отчет __11__ стр.,__0__ рис., __0__ табл., __6__ источн.,_0_прил.

ВЫПОЛНЕНИЕ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ ПО РФФИ ПРОЕКТУ № 20-05-00450 ДНЕВНОЙ И НОЧНОЙ МЕХАНИЗМ АТМОСФЕРНЫХ СВЕЧЕНИЙ КИСЛОРОДА СОГЛАСОВАННЫЙ С НОЧНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ ГИДРОКСИЛА В МЕЗОСФЕРЕ И НИЖНЕЙ ТЕРМОСФЕРЕ


Основная цель проекта, выполнявшегося 3 года, состояла в создании согласованной модели дневного и ночного свечений кислорода, связанного с ночным излучением гидроксила в мезосфере и нижней термосфере (МНТ). В ночных условиях, возбуждённые атомы и молекулы кислорода образуются при ассоциации атомов кислорода в тройной реакции (механизм Барта), а также при переносе энергии от колебательно возбуждённых молекул гидроксила. Проект предполагал учет одновременно этих двух механизмов образования излучения в МНТ. Ночные механизмы продолжают работать в дневное время, и поэтому добавлены к созданной участниками проекта ранее дневной модели (называемой YM2011) эмиссий молекулярного и атомарного кислорода вследствие фотолиза О3 и О2 в мезосфере и нижней термосфере, что позволяет использовать эту модель для любого времени суток. Создание такой модели позволяет, в частности, решить «проблему сумерек», а именно, моделировать рассматриваемые свечения в утренних и вечерних сумерках, что никогда прежде не делалось. Мезосфера и нижняя термосфера (МНТ) - важные области атмосферы, которые необходимо изучать для понимания происходящих в атмосфере физических и химических процессов и их влияния на энергетику и глобальные изменения во всей. Озон и атомарный кислород являются ключевыми газовыми компонентами области МНТ, влияющими и на состав и энергетический бюджет этого региона. Концентрация атомарного кислорода является решающим фактором охлаждения МНТ из-за эффективного тушения колебательных возбужденных уровней молекул О3, СО2 и Н2О при столкновении с атомом О(3P). Таким образом, концентрация О(3Р) определяет инфракрасное охлаждение МНТ как в дневной, так и в ночной области мезосферы и нижней термосферы. В настоящее время прямые экспериментальные методы для измерения [О(3Р)] отсутствуют. Для дневных условий ранее участниками проекта был разработан метод определения высотного профиля атомарного кислорода, связанный с решением обратной фотохимической задачи, сводящейся к решению системы алгебраических уравнений баланса для концентрации электронно-колебательно возбуждённых уровней молекулы кислорода О2. Однако при переходе к сумеркам процессы фотолиза ослабевают, и замещаются двумя альтернативными «ночными» механизмами, которые используются для определения [O(3P)] в двух различающихся интервалах высот. Разработка в рамках данного проекта самосогласованной модели возбуждения электронных состояний молекулы кислорода при ассоциации атомов кислорода в тройной реакции и образования колебательно возбужденных молекул гидроксила OH(v=1-9) в области МНТ позволила получить метод расчета высотного профиля атомарного кислорода в интервале высот 80-105 км, который учитывает оба механизма в ночное время. Это позволяет восстанавливать высотные профили атомарного кислорода в области МНТ в течение суток.
СОДЕРЖАНИЕ


1.ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………4-7
2.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ……………………………….7-9
3.ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………….….9-11
4.СПИСОК ИСТОЧНИКОВ …………………………………11


































ВВЕДЕНИЕ

Источником эмиссий молекулярного кислорода в Атмосферной и ИК Атмосферной полосах являются электронно-колебательно возбуждённые синглетные уровни О2. Источником возбуждения этих уровней в дневных условиях является фотолиз молекулярного кислорода и озона при решающем переносе энергии от возбужденного атома кислорода, O(1D). Фотохимическая модель YM2011 (Yankovsky et al., 2011; Yankovsky et al., 2016) даёт детальное описание механизмов возбуждения метастабильных атомов O(1D), электронно-колебательно возбуждённых двух нижних синглетных уровней молекулы кислорода, O2(a, v= 0 – 5) и O2(b, v = 0 -2) в мезосфере и нижней термосфере (МНТ).
В ночных условиях, возбуждённые атомы и молекулы кислорода образуются в двух различных механизмах:
a) при переносе энергии от колебательно возбуждённых молекул гидроксила;
b) при ассоциации атомов кислорода в тройной реакции (механизм Барта).
Первый из этих механизмов доминирует в интервале высот 80 – 95 км и является источником легко наблюдаемой системы полос Мейнела OH(X, v’ ◊ X, v”) для v’ <=9. Моделированию высотных профилей объёмных скоростей этих эмиссий посвящено множество работ за последние сорок лет, однако в данной работе будут использованы самые последние разработки, использующие результаты лабораторных исследований констант скоростей и квантовых продуктов реакций с участием OH(X, v’ = 1 – 9) (Fytterer et al., 2019; Kalogerakis, 2019; Mlynczak et al., 2018; Panka et al., 2018; Zhu and Kaufman, 2015; Russell and Lowe, 2003 и др.). Необходимо подчеркнуть, что всего три года назад была обнаружена новая быстрая реакция переноса энергии OH(X, v = 9) + O→OH(X, v = 3) + O(1D), приведшая к пересмотру традиционных представлений о высотном профиле кислорода в ночной мезосфере (Kalogerakis, 2019; Panka et al., 2018).
Между тем, атомарный кислород – ключевая компонента в тушении колебательно возбужденных молекул гидроксила OH(v=1-9) в мезосфере, и эта особенность позволяла в интервале 80 – 94 км определять высотный профиль концентрации атомарного кислорода из измерений интенсивностей гидроксильных эмиссий в спутниковых, ракетных и наземных экспериментах.
Ещё один метод восстановления атомарного кислорода из измерений интенсивности кислородных эмиссий, образующихся при ассоциации двух атомов кислорода в тройной реакции, пригоден только в интервале высот 88 – 103 км. Эта реакция экзотермическая с дефектом энергии 5.12 эВ, что достаточно для возбуждения любых синглетных и триплетных уровней молекулы кислорода ниже порога её диссоциации (Amaro-Rivera et al., 2018; Grygalashvyly et al., 2019; Lednyts’kyy et al., 2019; Kaufman et al., 2014). Как правило, рассматриваются два канала образования эмиссии:
a) Одноступенчатый прямой механизм образования синглетных и триплетных возбуждённых уровней молекулы кислорода;
b) Двухступенчатый механизм, с образованием промежуточного, до сих пор неизвестного возбужденного уровня молекулы кислорода (прекурсора). Далее энергия прекурсора передаётся на нижележащие возбуждённые уровни атомарного или молекулярного кислорода.
Для первого канала квантовые выходы образования возбужденных уровней О2 не измерены, и имеются только теоретические оценки. Для второго канала константы образования и тушения неизвестного прекурсора определяются как параметры при подгонке наблюдаемых высотных профилей измеренных объемных скоростей эмиссий и известного высотного профиля атомарного кислорода. Определенные таким образом параметры метода восстановления концентрации атомарного кислорода используются в других экспериментах, когда существует единственная возможность измерять только высотные профили кислородных эмиссий. Таких ракетных экспериментов (по одновременному измерению высотных профилей объёмной скорости эмиссий кислорода и самого профиля [O(3P)]) проведено всего несколько, начиная с 80-х годов. На практике, как показано в (Russell and Lowe, 2003) высотные профили концентрации атомарного кислорода, восстановленные из измерения интенсивностей гидроксильных эмиссий и из тройной реакции ассоциации O(3P), не согласуются ни по абсолютным значениям, ни по форме зависимости от высоты в области пересечения обоих методов (от 88 до 95 км). Хотя, очевидно, «истинный» (или «реальный») высотный профиль концентрации атомарного кислорода не должен зависеть от метода его восстановления. Эта проблема не решена до сих пор.
Так называемые ночные механизмы работает как ночью, так и днем и должны включаться в дневную модель эмиссий молекулярного и атомарного кислорода. В дневных условиях фотолиз О3 и О2 солнечным излучением в ближней УФ области спектра безусловно является основным каналом переноса энергии в мезосфере и нижней термосфере. Он осуществляется на начальном этапе за счёт образования метастабильного атома O(1D) с порогом возбуждения 1.97 эВ, энергия которого передаётся электронно-колебательно возбуждённым синглетным молекулам кислорода O2(b, v) и O2(a, v). В настоящее время этот механизм детально исследован (Yankovsky et al., 2016 и др.) и валидирован на спутниковых и ракетных данных по высотным профилям некоторых кислородных эмиссий. Например, для этого нами использованы данные более 1500 событий спутника TIMED-SABER (с 2002 года по настоящее время) в зависимости от дня года, широты и зенитного угла Солнца, а также данные ракетного эксперимента METEORS (1999). Более того, фотохимическая модель YM2011 включена как составная часть в фотохимическую модель GRANADA (Funke et al., 2012). Нами были разработаны методы восстановления высотных профилей концентраций О3, СО2 и О(3Р) в МНТ, в которых в качестве трассёров (или прокси) используются эмиссии возбуждённых молекул O2(b, v) и O2(a, v) и атома кислорода O(1D). ). В модели YM2011 расчеты скоростей процессов фотодиссоциации и фотовозбуждения для каждого события базируются на реальном спектре Солнца, соответствующего моменту события (используются данные об интенсивности солнечного излучения в диапазоне от ДУФ до ВО с разрешением не хуже 1 нм и неопределенностью интенсивности, как правило, не более 1 %, которые непрерывно измеряются на спутнике SORCE). Таким образом, мы не используем статистические индексы солнечной активности (например, F10.7). Неопределённость расчётов не превышает, в большинстве случаев, нескольких процентов (Yankovsky et al., 2019; Yankovsky and Manuilova., 2019). В то же время, дополнительный вклад ночных механизмов по современным оценкам не превышает нескольких процентов (Lednyts’kyy et al., 2019; Wu et al. 2018 и др.).
Выше 100 км красная линия атома кислорода O(1D) один из перспективных трассёров для восстановления [O(3P)] (Witasse et al., 1999; Yankovsky et al., 2019), однако этот метод требует специального исследования, так как существует ещё один канал образования атомов за счёт присутствия в термосфере электронов с тепловыми и субтепловыми энергиями. В нижней термосфере (до высоты 140 км) необходимо учитывать, по крайней мере, два процесса: возбуждение атома кислорода электронным ударом и электрон-ионную рекомбинацию (Jones et al., 2006; Singh et al., 2010; Thirupathaiah and Singh, 2014; Witasse et al., 1999 и др.). Скорости этих процессов существенно зависят от функции распределения электронов по энергиям, определение (или измерение) которой составляет отдельную проблему. На данный момент не существует общего описания высотного распределения (от нижней термосферы до верхней границы тропопаузы) скоростей ионизации от высыпающихся электронов, так же как информации о временной функции распределения электронов по энергиям от эВ до нескольких МэВ. Существуют только разрозненные представления и параметризации по высыпаниям низкоэнергичных электронов (например, Virtanen et al., 2018), по средне энергичным электронам (van de Kamp et al., 2016), по высокоэнергичным электронам (Mironova et al., 2019). При обработке спутниковых данных по высотным профилям некоторых кислородных эмиссий (например, TIMED-SABER или ODIN-OSIRIS) для оценки вклада электронно-ионной рекомбинации в образование O(1D), а также для расчёта скорости возбуждения необходима зависящая от функция распределения электронов по энергиям и количество ионных пар создаваемых потоками электронов в диапазоне высот МНТ. Поэтому вклад процессов с участием электронов (полученные по статистическим моделям ионизации (например, в Jones et al., 2006, Witasse et al., 1999 или Thirupathaiah and Singh, 2014), по сравнению с фотолитическими механизмами необходимо оценить заново, опираясь на современные модели фотохимии возбуждённых атомов и молекул кислорода в МНТ, так как в этих работах фотохимия сведена к одному процессу, фотолизу О2 в континууме Шуман-Рунге.


ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Основные результаты, полученные за весь период реализации проекта можно разделить на следующие основные группы: А. Разработка объединенной модели дневного и ночного механизмов возбуждения электронно-колебательных состояний кислорода и гидроксила с целью моделирования кислородных и гидроксильных эмиссий для любого времени суток. Б. Анализ результатов наземных, ракетных и спутниковых наблюдений эмиссий газовых составляющих в области мезосферы и нижней термосферы. В. Проведение расчетов по разработанным фотохимическим моделям объемных скоростей эмиссий, на разных высотах и в разное время. Оценка точности расчетов и неопределенностей восстановления возбужденных газовых компонент.

А. Разработка объединенной модели дневного и ночного механизмов возбуждения электронно-колебательных состояний кислорода и гидроксила с целью моделирования кислородных и гидроксильных эмиссий для любого времени суток.
А1. Одним из основных результатов работы по проекту явилась разработка объединенной численной модели, учитывающей дневные и ночные механизмы возбуждения электронно-колебательных состояний кислорода и гидроксила. Для этого выполнена стыковка ночного механизма Барта с разработанной исполнителями компьютерной моделью образования возбужденных атомов и молекул кислорода в дневное время. Версии этой модели описаны в статьях (Yankovsky and Manuilova, 2006, Yankovsky et al., 2011) и известны в литературе под названиями YM2006 и YM2011. В дневное время основным процессом, приводящими к образованию возбужденных атомов и молекул кислорода является диссоциация молекул озона и кислорода под действием солнечного излучения. Переходы энергии между различными уровнями возбуждения, а также дезактивация возбужденных состояний происходят при столкновениях с другими газовыми составляющими. Фотохимические реакции, которые учитываются в модели YM2011, перечислены в работах Yankovsky et al. (2011) и Yankovsky and Vorobyeva (2020).
В процессе работы по проекту разработаны модернизированные блоки программ, которые позволяют решать указанную объединенную систему уравнений. Проведенные проверки подтвердили способность полученной объединенной модели описывать поведение возбужденных состояний атомов и молекул кислорода в любое время суток. Построена система уравнений баланса для возбужденных состояний атомов и молекул кислорода и молекулы гидроксила. Разработан алгоритм и блоки компьютерных программ для численного решения матричных алгебраических уравнений. В совокупности с упоминавшийся выше моделью YM 2011указанные программы позволяют рассчитывать характеристики ночных свечений кислорода и гидроксила для широкого набора высот и атмосферных условий.
А2. В процессе разработки объединенной модели, была выполнена модернизация механизма Барта возбуждения молекул и атомов кислорода при тройной реакции ассоциации О + О + М → О2(*) + М. Впервые учтена температурная зависимость не только скорости, но и квантовых выходов этой реакции. Была также впервые учтена температурная зависимость фактора тушения электронно-возбужденных молекул и атомов кислорода (см. Yankovsky et al., 2020, 2021). Получены аналитические формулы для ночных концентраций возбужденного атомарного и молекулярного кислорода согласно механизму Барта (Yankovsky et al., 2021).
А3. Получены оценки чувствительности анализируемых концентраций газовых составляющих к температуре и другим параметрам модели (Yankovsky et al., 2021). Результаты расчетов концентраций возбужденных О, О2 и ОН зависят от температуры, поскольку от нее зависят коэффициенты скоростей рекомбинации возбужденных атомов и молекул, квантовые выходы образования возбужденных электронных состояний и скорости реакций тушения этих состояний. Анализ чувствительности позволяет оценить интегральную температурную зависимость с учетом всех этих факторов. Вычислены коэффициенты чувствительности, отвечающие за зависимость концентрации возбужденного к-го компонента от температуры газа. Разработана программа для оценок методом Монте-Карло изменчивости характеристик ночных свечений при изменениях других параметров модели. Указанные программы применены для интерпретации наблюдений ночных эмиссий верхней атмосферы.

Б. Анализ результатов наземных, ракетных и спутниковых наблюдений эмиссий газовых составляющих в области мезосферы и нижней термосферы.
Б1. Для валидации описанных в п. А фотохимических уравнений и разработанных программ выполнен анализ данных ракетного эксперимента 1982 г ETON (Перенос Энергии в Ночном свечении Кислорода). Целью эксперимента было одновременное измерение высотных профилей интенсивностей эмиссий молекул кислорода с электронно-возбужденных уровней A3Σ_u^+, A’3Δu, b1Σ_g^+, a1Δg, а также исследование переноса энергии между этими уровнями и возбужденным уровнем атомарного кислорода, O(1S).
Б2. В соответствии с планом работ по проекту выполнен анализ наземных наблюдений вариаций интенсивности и других характеристик ночных эмиссий в области высот мезосферы и нижней термосферы (МНТ). Выполнен анализ многолетних наблюдений интенсивности свечения и вращательной температуры гидроксила (ОН) на российских станциях Звенигород, Маймага и Торы, а также данные одновременных наблюдений в 2010 – 2018 гг. свечений ОН и О2 на японских станциях Рикубетсу (44 с.ш., 144 в.д.), Шигараки (35 с.ш., 136 в.д.) и Сата (31 с.ш., 131 в.д.), которые входят в мировую сеть наблюдений ночных свечений в области МНТ. Определены сезонные и межгодовые вариации средних интенсивностей свечения и вращательных температур анализируемых данных. Выявлены мезомасштабные возмущения характеристик свечений. Впервые разработаны и применены статистические методы оценки и исключения некогерентного шума инструментальной и атмосферной природы. Средние за 2010 – 2018 гг. сезонные вариации интенсивностей свечений О2 и ОН, а также стандартных отклонений их мезомасштабных возмущений, наблюдавшихся в Шигараки. Анализ показал, что интенсивность ночного свечения ОН имеет главный максимум летом, а интенсивность свечения О2 - осенью. В соответствующие сезоны наблюдаются также максимумы интенсивности мезомасштабных вариаций.
Когерентные во времени мезомасштабные вариации характеристик ночных свечений могут быть связаны с изменениями фотохимических процессов, в частности, в связи с прохождением атмосферных акустико-гравитационных волн. В сотрудничестве с группой калининградских ученых из Балтийского федерального университета в ходе проекта были сделаны аналитические и численные оценки возмущений температуры и плотности под действием мезомасштабных волновых процессов в области МНТ. Полученные данные о вариациях температуры и интенсивности ночных свечений использованы для проведения согласованных расчетов по моделям, разработанным в ходе проекта и описанным в п. А.

В. Проведение расчетов по разработанным фотохимическим моделям объемных скоростей эмиссий, на разных высотах и в разное время. Оценка точности расчетов и неопределенностей восстановления возбужденных газовых компонент.
В1. Выполнена валидация разработанных фотохимических моделей путем сравнения с результатами ракетного эксперимента ETON (Yankovsky, 2021). Сравнение результатов расчетов с измерениями во время эксперимента ETON в области высот 85 – 115 км показали, что учет в механизме Барта температурной зависимости квантовых выходов продуктов фотохимических реакций (см. выше) улучшает согласие на высотах больших 105 км. Введенные в данном исследовании модификации механизма Барта также улучшают согласие между рассчитанными и измеренными в эксперименте ETON объемными скоростями эмиссии в Атмосферной полосе 762 нм молекулы O2(b1Σ) и в зеленой линии O(1S).
В2. Проведены расчеты концентраций возбужденных молекул ОН и О2 на разных высотах и в разное время, которые определяют объемные скорости эмиссий области МНТ. Для задания профилей фоновых распределений температуры и основных атмосферных газов использованы данные спутникового прибора SABER, данные ракетных экспериментов и моделей стандартной атмосферы (в частности, модели MSISE). Разработанная объединенная фотохимическая модель позволяет рассчитывать концентрации молекул ОН и О2 в возбужденных состояниях с различными значениями колебательного квантового числа nu и соответствуют различным полосам ночных свечений. Расчеты показывают, что вертикальные профили для различных nu различны. Сравнение таких расчетов с результатами наблюдений ночных свечений способствует лучшей интерпретации наблюдений.
В ходе работ по проекту выполнена оценка точности расчетов, связанная с погрешностями в задании температуры и газовых составляющих. Использован метод «коэффициентов чувствительности» (см. А3), который ранее был применен к анализу двухканального механизма Барта. Была обнаружена аномально сильная зависимость интенсивности зеленой линии атомарного кислорода от флуктуаций температуры в диапазоне высот 92 - 105 км. Она может быть обеспечена только прекурсором O2(5πg). Таким образом, анализ чувствительности к температурным возмущениям может давать новую и важную информацию о механизмах формирования возбужденных составляющих кислорода в области мезосферы и нижней термосферы.
На последнем этапе проекта были выполнены оценки интегральной чувствительности результатов расчета к малым вариациям температуры. Получено, что наибольшая чувствительность к вариациям температуры существует для концентраций ОН c nu = 7 – 9. Неопределенность температуры в 1% приводит к погрешности расчетов примерно в 1%. Для ОН с nu = 1 – 6 погрешность примерно в два раза меньше. Одной из причин вариаций температура в МНТ области могут быть распространяющиеся акустико-гравитационные волны (см. п. Б2 выше). Это открывает новые перспективы применения указанного выше анализа чувствительности для оценки волновых вариаций температуры по наблюдаемым мезомасштабным вариациям интенсивности ночных свечений.
В3. Проведены расчеты изменений концентраций возбужденных молекул гидроксила ОН и кислорода О2 для координат станций наблюдений вариаций характеристик ночных свечений. Выполнены расчеты сезонных вариаций концентраций ОН и О2 для японских станций Рикубетсу, Шигараки и Сата (см. п. Б2 выше). Необходимые для расчетов данные о температуре и концентрации основных атмосферных газов заданы согласно модели стандартной атмосферы NRLMSISE00. Рис. 4 в прилагаемом файле дает пример расчета сезонных вариаций концентраций возбужденных концентраций ОН и О2 на высоте 90 км в Шигараки, Япония. Анализ обнаруживает максимумы концентраций зимой, весной и осенью. Однако, полного совпадения с наблюдаемыми сезонными вариациями интенсивности ночных свечений ОН и О2 не происходит. Среди причин расхождений рассчитанных и наблюдаемых концентраций и соответствующих интенсивностей ночных свечений могут быть разные высоты светящихся слоев ОН и О2, а также изменения этих высот в разные сезоны года. Расчеты по разработанным фотохимическим моделям и их сравнение с наблюдениями способствуют более достоверной интерпретации наблюдаемых особенностей изменения характеристик ночных свечений, а также проверке и уточнению существующих моделей атмосферы.

Разработанная одномерная радиационно-конвективная фотохимическая модель с верхней границей на 120 км была использована для оценки влияния различных событий, связанных с высыпаниями энергичных электронов на химический состав и электронную плотность в термосфере. Результаты расчетов для событий 28 февраля 2008 года показали, что рассчитанная электронная плотность хорошо совпадает с измерениями радара некогерентного рассеяния EISCAT, полученными в работе Enengl et al., (2021). Таким образом, запланированная работа по сдвигу верхней границы модели с 90 до 120 км выполнена и модель готова для дальнейших экспериментов и усовершенствований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Внезапный уход из жизни руководителя проекта и еще одного основного исполнителя затруднил выполнение второго этапа работ. Однако, коллективом исполнителей получены следующие основные результаты:

А. Разработана комбинированная фотохимическая модель для дневных и ночных условий, основанная на модернизированном механизме возбуждения молекул и атомов кислорода при тройной реакции ассоциации О + О + М → О2(*) + М (механизм Барта). Впервые учтена температурная зависимость не только скорости этой реакции, но и ее квантовых выходов. Добавлены уравнения, описывающие образование эмиссий гидроксила с уровней OH(X,v=1–9), которые зависят от концентрации атомарного кислорода. Учтена недавно предложенная реакция переноса энергии OH(v=5-9)+O(3P) → OH(v’ ≤ 3) + O(1D). Эти механизмы необходимо учитывать одновременно в интервале высот 85 – 95 км. Разработан алгоритм и блоки компьютерных программ для численного решения матричных алгебраических уравнений. Выполнено объединение уравнений для ночного механизма Барта с ранее разработанной компьютерной моделью (называемой YM2011) дневных эмиссий молекулярного и атомарного кислорода вследствие фотолиза О3 и О2 в мезосфере и нижней термосфере. Объединенная модель позволяет рассчитывать характеристики ночных свечений кислорода и гидроксила для широкого набора высот и атмосферных условий. Разработана программа для оценок изменчивости характеристик ночных свечений при изменениях других параметров модели методом Монте-Карло.

Б. В соответствии с планом работ по проекту выполнен анализ наземных наблюдений вариаций интенсивности и других характеристик ночных эмиссий на российских станциях Звенигород, Маймага и Торы, а также данных одновременных наблюдений свечений ОН и О2 в Звенигороде и на японских станциях мировой сети наблюдений ночных свечений в области МНТ. Определены сезонные и междугодовые вариации средних интенсивностей свечения и вращательных температур анализируемых газов. Выявлены мезомасштабные возмущения характеристик свечений. Впервые разработаны и применены статистические методы оценки и исключения некогерентного шума инструментальной и атмосферной природы.

В. Выполнена валидация разработанных фотохимических моделей путем сравнения с результатами ракетного эксперимента ETON (Yankovsky, 2021). Показано, что учет в механизме Барта температурной зависимости квантовых выходов продуктов фотохимических реакций (см. выше) улучшает согласие на высотах больших 105 км. Введенные в данном исследовании модификации механизма Барта также улучшают согласие между рассчитанными и измеренными в эксперименте ETON объемными скоростями эмиссии в Атмосферной полосе 762 нм молекулы O2(b1Σ) и в зеленой линии O(1S). Проведены расчеты объемных скоростей эмиссий, на разных высотах и в разное время и оценка точности расчетов и неопределенностей восстановления возбужденных газовых компонент. Обнаружена аномально сильная зависимость интенсивности зеленой линии атомарного кислорода от флуктуаций температуры в диапазоне высот 92 - 105 км.

В том числе разработана и применена одномерная радиационно-конвективная фотохимическая модель с верхней границей на 120 км.

По результатам проекта опубликованы 6 и подготовлены 3 научные публикации, сделаны 7 докладов на российских и международных научных конференциях:

1) European Geosciences Union General Assembly 2020, Vienna, Austria. 4 - 8 May,
2020. Устный доклад: Yankovsky, V., 2020. effect of atmospheric temperature on the
calculations of the intensity of oxygen emissioin the framework of the Barth mechanism:
sensitivity study. https://doi.org/10.5194/egusphere-egu2020-

2) European Geosciences Union General Assembly 2020, Vienna, Austria. 4 - 8 May,
2020. Устный доклад: Manuilova R., YankovsV. Seasonal-latitudinal distributions of the
populations of the states O2(b1, v’ = 0 – 2) inn the daytime mesosphere and lower
thermosphere. https://doi.org/10.5194/egusphere-egu2020-

3) Всероссийская научная конференция с международным участием «Земля И Космос
столетию академика РАН К.Я. Кондратьева, Санкт-Петербург, 20 – 21 октября, 2020.
Устный доклад: Янковский В. А., Мануйлова Р. О. Модель кинетики возбужденных продуктов фотолиз озона и молекулярного кислорода солнечны
излучением в диапазоне длин волн 100 – 9 нм в мезосфере и нижней термосфере.

4) European Geosciences Union General Assembly 2021, Vienna, Austria,19-30 Apr 2021, Доклад Yankovsky V., Vorobeva E., Manuilova R., and Mironova I. Model of daytime oxygen emissions in the mesopause region and above: New results. https://doi.org/10.5194/egusphere-egu21-2656

5) Междунар. симп. «Атмосферная радиация и динамика», 29 июня – 2 июля 2021, Санкт-Петербург, Устный доклад Янковский В. А., Мануйлова Р. О., Воробьева Е. В., Аль-Субари О. Образование ночных эмиссий в зеленой линии O(1S), полосах O2 Герцберг I и O2 Атмосферной. Новый подход.

6) XIV школа-конференция с международным участием «Проблемы Геокосмоса – 2022», Санкт-Петербург, 3 – 8 октября 2022 г., Устный доклад Popov A.A., N.M. Gavrilov, V.I. Perminov, N.N. Pertsev, I.V. Medvedeva, P.P. Ammosov, G.A. Gavrilyeva, I.I. Koltovskoi. Coherent and non-coherent mesoscale temperature variances from the OH nightglow observations.

7) XIV школа-конференция с международным участием «Проблемы Геокосмоса – 2022», Санкт-Петербург, 3 – 8 октября 2022 г., Постерный доклад доклад Dmitry Grankin, Irina Mironova, Eugene Rozanov, Impact of energetic particle precipitation on mesospheric ozone


ПУБЛИКАЦИИ
Kshevetskii Sergey, Kurdyaeva Yuliya, Gavrilov Nikolay. Similarities of acoustic-gravity waves propagating to the upper atmosphere from tropospheric heat sources and related surface pressure perturbations. Advances in Space Research (includes Cospar Information Bulletin), 2022, 70 - 11, 3706-3717, IPF 2.15

Nikolai M. Gavrilov, Andrej A. Popov, Peter Dalin, Vladimir I. Perminov, Nikolay N. Pertsev, Irina V. Medvedeva, Petr P. Ammosov, Galina A. Gavrilyeva, Igor I. Koltovskoi. Correlated and uncorrelated mesoscale temperature perturbations near the mesopause according to hydroxyl nightglow ground-based remote sensing. International journal of remote sensing (Print), 2022, 43, 32 C., IPF 3.53

Янковский В. А., Мануйлова Р. О., Воробьева Е. В., Аль-Субари О.. .Образование ночных эмиссий в зеленой линии O(1S), полосах O2 Герцберг I и O2 Атмосферной. Новый подход.. 2021, Труды Междунар. симп. «Атмосферная радиация и динамика» (МСАРД-2021),, 184-193

Dmitri Grankin (Гранкин Дмитрий Владимирович), Irina Mironova (Миронова Ирина Александровна), Galina Bazilevskaya (Базилевская Галина Александровна), Eugene Rozanov (Розанов Евгений Владимирович) and Tatiana Egorova (Егорова Татьяна). Atmospheric response to EEP during geomagnetic disturbances. Atmosphere, 2023, IPF 3.110

Yankovsky Valentine, Vorobeva Ekaterina. Model of Daytime Oxygen Emissions in the Mesopause Region and Above: A Review and New Results. Atmosphere, 2020, 11 - 1, 116

Yankovsky Valentine. On how atmospheric temperature affects the intensity of oxygen emissions in the framework of the Barth’s mechanism. Advances in Space Research (includes Cospar Information Bulletin), 2020