Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2024. Т. 21. № 4. С. 263-274
Формирование резонансного рассеяния на возбуждённых ионах атомов кислорода и азота в лидарных исследованиях атмосферы
1 Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН, Паратунка, Россия
Одобрена к печати: 08.07.2024
DOI: 10.21046/2070-7401-2024-21-4-263-274
Представлены результаты анализа лидарных данных, полученных на Камчатке (53° с. ш., 158° в. д.) в 2008–2022 гг. Зондирование атмосферы проводилось в диапазоне высот 25–600 км на длинах волн 532 и 561 нм. Обнаружено появление повышенного рассеяния в области высот 200–400 км. Показано, что оно вызвано резонансным рассеянием на возбуждённых ионах атомов азота и кислорода. В ночных условиях такие ионы рождаются в процессе ионизации основных газовых компонент атмосферы при высыпаниях энергичных электронов. Показано, что процесс возбуждения ионов в основном состоянии не играет сколь-нибудь заметной роли в формировании лидарного сигнала. Резонансное рассеяние на этих высотах появляется в процессе ионизации основных газовых компонент — N2, O2, O — и свидетельствует о появлении источников ионизации атмосферы. Предложен механизм формирования лидарного сигнала резонансного рассеяния на возбуждённых ионах. Предлагается общая схема оценки потенциальной эффективности излучения лазера при выборе длины волны для лидарного исследования атмосферы. Обсуждается смысл коэффициента рассеяния в термосфере.
Ключевые слова: атмосфера, ионосфера, лидар, рассеяние
Полный текстСписок литературы:
- Авакян С. В., Воронин Н. А., Серова А. Е. Роль ридберговских атомов и молекул в верхней атмосфере // Геомагнетизм и аэрономия. 1997. T. 37. № 3. C. 99–106.
- Андреев Г. В. Расчет сечения ионизации электронным ударом для атомов водорода и азота // Физико-хим. кинетика в газовой динамике. 2010. Т. 9. С. 263–264. http://chemphys.edu.ru/issues/2010-9/articles/161/.
- Бычков В. В., Середкин И. Н. Резонансное рассеяние на возбужденных ионах как индикатор высыпаний сверхтепловых электронов в термосферу // Оптика атмоферы и океана. 2020. Т. 33. № 10. С. 774–781. DOI: 10.15372/AOO20201005.
- Бычков В. В., Шевцов Б. М. Динамика лидарных отражений верхней атмосферы Камчатки и ее связь с явлениями в ионосфере // Геомагнетизм и аэрономия. 2012. Т. 52. № 6. C. 837–844.
- Бычков В. В., Пережогин А. С., Пережогин А. С., Шевцов Б. М., Маричев В. Н., Матвиенко Г. Г., Белов А. С., Черемисин А. А. Лидарные наблюдения появления аэрозолей в средней атмосфере Камчатки в 2007–2011 г. // Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25. № 1. C. 87–93.
- Бычков В. В., Середкин И. Н., Маричев В. Н. Резонансное рассеяние как причина регистрации мнимого аэрозоля в средней атмосфере // Оптика атмосферы и океана. 2020. Т. 33. № 11. С. 867–873. DOI: 10.15372/AOO20201107.
- Зуев В. В. Лидарный контроль стратосферы. Новосибирск: Наука, 2004, 306 с.
- Константинов О. В., Матвеенцев А. В. Гигантское сечение резонансного рассеяния электромагнитных волн электроном в металлическом или полупроводниковом кластере // Письма в Журн. техн. физики. 2010. Т. 36. № 22. С. 17–20.
- Костко О. К. Использование лазерной локации в исследованиях атмосферы // Квантовая электроника. 1975. Т. 2. № 10. С. 2133–2162.
- Шефов Н. Н., Семенов А. И., Хомич В. Ю. Излучение верхней атмосферы — индикатор ее структуры и динамики. М.: ГЕОС, 2006. 740 с.
- Bychkov V. V. Resonant scattering by excited gaseous components as an indicator of ionization processes in the atmosphere // Atmosphere. 2023. V. 14. No. 2. P. 271–287. https://doi.org/10.3390/atmos14020271.
- Bychkov V. V., Nepomnyachiy Y. A.,Perezhogin A. S., Shevtsov B. M. Lidar returns from the upper atmosphere of Kamchatka on observations in 2008–2014 // Earth, Planets and Space. 2014. V. 66. Article 150. 4 p. DOI: 10.1186/s40623-014-0150-6.
- Collins R., Hallinan T., Smith R., Hernandez G. Lidar observations of a large high-altitude sporadic Na layer during active aurora // Geophysical Research Letters. 1996. V. 23. No. 24. P. 3655–3658. https://doi.org/10.1029/96GL03337.
- Collins R., Li J., Martus C. First lidar observation of the mesospheric nickel layer // Geophysical Research Letters. 2015. V. 42. No. 2. P. 665–671. https://doi.org/10.1002/2014GL062716.
- Kawahara T., Nozawa S., Saito N. et al. Sodium temperature/wind lidar based on laser-diode-pumped Nd:YAG lasers deployed at Tromsø, Norway (69.6° N, 19.2° E) // Optics Express. 2017. V. 25. No. 2. P. A491–A501. https://doi.org/10.1364/OE.25.00A491.
- Kramida A., Ralchenko Yu., Reader J. et al. NIST atomic spectra database (ver. 5.5.2) / National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD. 2018. https://physics.nist.gov/asd.
- Rees M. H. Auroral ionization and excitation by incident energetic electrons // Planetary Space Science. 1963. V. 11. No. 10. P. 1209–1218. https://doi.org/10.1016/0032-0633(63)90252-6.
- Picone M., Hedin A. E., Drob D. NRLMSISE-00 Model. 2001. https://ccmc.gsfc.nasa.gov/modelweb/atmos/nrlmsise00.html.
- Richards P. J. Reexamination of ionospheric photochemistry // J. Geophysical Research. 2011. V. 116. Iss. A8. Article A08307. 14 p. DOI: 10.1029/2011JA016613.
- Tsuda T., Nozawa S., Kawahara T. et al. Decrease in sodium density observed during auroral particle precipitation over Tromsø, Norway // Geophysical Research Letters. 2013. V. 40. No. 17. P. 4486–4490. https://doi.org/10.1002/grl.50897.