Long-Term Microwave Observations of Middle Atmospheric Ozone in Apatity during Three Winters

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The results of ground-based microwave observations of ozone in the middle atmosphere in Apatity
(67° N, 33° E) during three winters (2017–2018, 2018–2019 and 2019–2020) are presented. Long-term ozone
observations were carried out during the period of minimum solar activity for cycles 24 and 25. A mobile
microwave spectrometer with an operating frequency of 110.8 GHz was used in the measurements, which
allows tracking the behavior of ozone in the middle atmosphere with a 15-minute time resolution. The microwave
ozone data from ground-based measurements are compared with the MLS/Aura onboard data. Ground
and airborne data are compared with the data of contact measurements with ozonesondes at Sodankyla st.
(67° N, 27° E). In addition, MLS/Aura data from mid-atmospheric temperature soundings are used to interpret
perturbations in the ozone layer associated with sudden stratospheric warmings. A significant influence
sudden stratospheric warming on the ozone vertical distribution at altitudes of 22–60 km was found. At the
same time, the scale of mesospheric ozone variability (60 km) over Apatity is comparable or exceeds the
known model calculations for assessing the impact of solar proton events and auroral electron precipitation
on the ozone of the polar regions.

About the authors

Yu. Yu. Kulikov

Institute of Applied Physics, Russian Academy of Sciences (IAP RAS)

Email: yuyukul@appl.sci-nnov.ru
Nizhny Novgorod, Russia

A. F. Andriyanov

Institute of Applied Physics, Russian Academy of Sciences (IAP RAS)

Email: yuyukul@appl.sci-nnov.ru
Nizhny Novgorod, Russia

V. I. Demin

Polar Geophysical Institute (PGI)

Email: yuyukul@appl.sci-nnov.ru
Apatity, Russia

V. M. Demkin

Higher School of Economics (HSE)

Email: yuyukul@appl.sci-nnov.ru
Nizhny Novgorod, Russia

A. S. Kirillov

Polar Geophysical Institute (PGI)

Email: yuyukul@appl.sci-nnov.ru
Apatity, Russia

V. G. Ryskin

Institute of Applied Physics, Russian Academy of Sciences (IAP RAS)

Email: yuyukul@appl.sci-nnov.ru
Nizhny Novgorod, Russia

V. A. Shishaev

Polar Geophysical Institute (PGI)

Author for correspondence.
Email: yuyukul@appl.sci-nnov.ru
Apatity, Russia

References

  1. − Белоглазов М.И. Демкин В.М., Красильников А.А., Кукин Л.М., Куликов Ю.Ю., Рыскин В.Г., Шанин В.Н. Микроволновые измерения содержания озона в зимней стратосфере Арктики // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 50. № 2. С. 265–272. 2010.
  2. − Бочковский Д.А., Виролайнен Я.А., Куликов Ю.Ю., Маричев В.Н., Поберовский А.В., Рыскин В.Г., Тимофеев Ю.М. Наземный микроволновый мониторинг озона средней атмосферы над Санкт-Петербургом и Томском во время стратосферного потепления зимой 2013–2014 гг. // Изв. вузов. Радиофизика. Т. 59. № 4. С. 299–307. 2016.
  3. − Варгин П.Н., Кирюшов Б.М. Внезапное стратосферное потепление в Арктике в феврале 2018 г. и его влияние на тропосферу, мезосферу и озоновый слой // Метеорология и гидрология. № 2. С. 41–56. 2019.
  4. − Красильников А.А., Куликов Ю.Ю., Мазур А.Б., Рыскин В.Г., Серов Н.В., Федосеев Л.И., Швецов А.А. Обнаружение “озоновых облаков” в верхней стратосфере Земли методом миллиметровой радиометрии // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 37. № 3. 174–183. 1997.
  5. − Красильников А.А., Куликов Ю.Ю., Рыскин В.Г., Федосеев Л.И. Микроволновое радиометрическое зондирование верхней атмосферы над Нижним Новгородом // Изв. вузов. Радиофизика. Т. 41. № 11. С. 1405–1423. 1998.
  6. − Красильников А.А., Куликов Ю.Ю., Рыскин В.Г. Полярные стратосферные облака и вариации озона по данным микроволновой радиометрии // Труды ХХ Всероссийской конференции по распространению радиоволн. Нижний Новгород. 2–4 июля 2002 г. С. 358–359. 2002а.
  7. − Красильников А.А., Куликов Ю.Ю., Рыскин В.Г. Особенности поведения озона верхней атмосферы зимой 1999/2000 гг. по результатам одновременных микроволновых наблюдений в Нижнем Новгороде (56° N, 44° E) и Апатитах (67° N, 35° E) // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 42. № 2. С. 265–273. 2002б.
  8. − Красильников А.А., Куликов Ю.Ю., Рыскин В.Г., Щитов А.М. Микроволновые приемники для диагностики малых газовых составляющих земной атмосферы // Изв. РАН. Сер. физическая. Т. 67. № 12. С. 1791–1795. 2003.
  9. − Красильников А.А., Куликов Ю.Ю., Рыскин В.Г., Демкин В.М., Кукин Л.М., Михайловский В.Л., Шанин В.Н., Шейнер М.З., Шумилов В.А., Щитов А.М. Новый малогабаритный микроволновый спектрорадиометр – озонометр // Приборы и техника эксперимента. № 1. С. 127–133. 2011.
  10. − Куликов Ю.Ю., Красильников А.А., Рыскин В.Г. Результаты микроволновых исследований структуры озонового слоя полярных широт во время зимних аномальных потеплений стратосферы // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. Т. 38. № 2. С. 182–191. 2002.
  11. − Куликов Ю.Ю., Рыскин В.Г., Красильников А.А., Кукин Л.М. Микроволновые наблюдения изменчивости озона в стратосфере высоких широт зимой 2002–2003 годов // Изв. вузов. Радиофизика. Т. 48. № 2. С. 134–141. 2005.
  12. − Куликов Ю.Ю., Красильников А.А., Демкин В.М., Рыскин В.Г. Вариации концентрации мезосферного озона во время полного солнечного затмения 29 марта 2006 года по данным микроволновой радиометрии // Изв. РАН Физика атмосферы и океана. Т. 44. № 4. С. 522–526. 2008.
  13. − Куликов Ю.Ю., Поберовский А.В., Рыскин В.Г., Юшков В.А. Обнаружение больших флуктуаций в содержании озона средней атмосферы во время внезапных стратосферных потеплений в приполярных широтах Арктики // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 60. № 2. С. 261–269. 2020. https://doi.org/101134/S0016793220020097
  14. − Соломонов С.В., Кропоткина Е.П., Розанов С.Б., Игнатьев А.Н., Лукин А.Н. Влияние сильных внезапных стратосферных потеплений на озон в средней стратосфере по наблюдениям на миллиметровых волнах // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 57. № 3. С. 392–400. 2017.
  15. − Цветкова Н.Д., Варгин П.Н., Лукьянов А.Н., Кирюшов Б.М., Юшков В.А., Хаттатов В.У. Исследование химического разрушения озона и динамических процессов в стратосфере Арктики зимой 2019/20 г. // Метеорология и гидрология. № 9. С. 70–83. 2021. https://doi.org/10.52002/0130-2906-2021-9-70-83
  16. − Barnett J.J., Corney M. Middle atmosphere reference model derived from satellite data / ICSU Middle Atmosphere Program. Handbook for MAP. V. 16. P. 47–85. 1985.
  17. − Connor B.J., Siskind D.E., Tsou J.J., Parrish A., Remsberg E.E. Ground-based microwave observations of ozone in the upper stratosphere and mesosphere // J. Geophys. Res. – Atmos. V. 99. № 8. P. 16 757–16 770. 1994. https://doi.org/10.1029/94JD01153
  18. − Hilsenrath E., Seiden L., Goodman P. An ozone measurement in the mesosphere and stratosphere by means of a rocket sonde // J. Geophys. Res. – Oc. Atm. V. 74. № 28. P. 6873–6879. 1969. https://doi.org/10.1029/JC074i028p06873
  19. − Hilsenrath E. Ozone measurements in the mesosphere and stratosphere during two significant geophysical events // J. Atmos. Sci. V. 28. № P. 295–297. 1971. https://doi.org/10.1175/1520-0469(1971)028<0295:OMITMA>2.0.CO;2
  20. − Hilsenrath E. Rocket observations of the vertical distribution of ozone in the polar night and during a mid-winter stratospheric warming // Geophys. Res. Lett. V. 7. № 8. P. 581–584. 1980. https://doi.org/10.1029/GL007i008p00581
  21. − http://gml.noaa.gov/dv/iadv/graph.php?code=SUM&program=ozmw&type=vp
  22. − http://mls.jpl.nasa.gov
  23. − https://mls.jpl.nasa.gov/data/NRT-user-guide-v42.pdf
  24. − https://acd-ext.gsfc.nasa.gov/Data_services/met/ann_ data.html
  25. − https://gmao.gsfc.nasa.gov
  26. − http://cds-espri.ipsl.fr/etherTypo/index.php?id=1663&L=1
  27. − Keating G.M., Pitts M.C., Young D.F. Ozone reference model for the middle atmosphere (New CIRA) / ICSU Middle Atmosphere Program. Handbook for MAP. V. 31. P. 1–36. 1989.
  28. − Kulikov Y.Y., Andriyanov A.F., Demin V.I., Demkin V.M., Kirillov A.S., Ryskin V.G., Shishaev V.A. The microwave monitoring of the middle atmosphere ozone on Kola Peninsula during last three winters // “Physics of Auroral Phenomena”. Proc. XLIV Annual Seminar. Apatity. March 15– 19, 2021. P. 168–171. 2021. https://doi.org/10.51981/2588-0039.2021.44.039
  29. − Kulikov Y.Y., Krasilnikov A.A., Shchitov A.M. New mobile ground-based instrument for research of stratospheric ozone (some results of observation) // The Sixth International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW’07) Proceedings. Kharkov, Ukraine. June 25–30, 2007. V. 1. P. 62–66. 2007.
  30. − Kulikov Yu.Yu., Kuznetsov I.V., Andrianov A.F. et al. Stratospheric ozone variability in high latitudes from microwave observations // J. Geophys. Res. – Atmos. V. 99. № 10. P. 21109–21116. 1994. https://doi.org/10.1029/94.JD01102
  31. − Kulikov Yu.Yu., Ryskin V.G. Relation between ozone and temperature in the Arctic stratosphere // Int. J. Geomagn. Aeronomy. V. 1. № 3. P. 253–257. 1999.
  32. − Kulikov Yu.Yu., Ryskin V.G., Krasilnikov A.A. Microwave sounding measurements of the ozone layer in the polar and mid-latitude stratosphere in the winter seasons of 1998–2001 // Izv. Atm. Oc. Phys. V. 39. Suppl. P. S56–S61. 2003.
  33. − Lee J.-H., Jee G., Kwak Y.-S., Hwang H., Seppälä A., Song I.-S., Turunen E., Lee D.-Y. Polar middle atmospheric responses to medium energy electron (MME) precipitation using numerical model simulations // Atmosphere. V. 12. № 2. ID 133. 2021. https://doi.org/10.3390/atmos12020133
  34. − Lobsiger E. Künzi K.F. Night-time increase of mesospheric ozone measured with ground-based microwave radiometry // J. Atmos. Terr. Phys. V. 48. № 11–12. P. 1153–1158. 1986. https://doi.org/10.1016/0021-9169(86)90035-8
  35. − Manney G.L., Schwartz M.J., Krüger K. et al. Aura Microwave Limb Sounder observations of dynamics and transport during the record-breaking 2009 Arctic stratospheric warming // Geophys. Res. Lett. V. 36. № 12. ID L12815. 2009. https://doi.org/10.1029/2009GL038586
  36. − Manney G.L., Livesey N.J., Santee M.L. et al. Record-low Arctic stratospheric ozone in 2020: MLS observations of chemical processes and comparisons with previous extreme winters // Geophys. Res. Lett. V. 47. № 16. ID e2020GL089063. 2020. https://doi.org/10.1029/2020GL089063
  37. − Manney G.L., Millan L.F., Santee M.L., Wargan K., Lambert A. et al. Signatures of anomalous transport in the 2019/2020 Arctic stratospheric polar vortex // J. Geophys. Res. – Atmos. V. 127. № 20. ID e2022JD037407. 2022. https://doi.org/10.1029/2022JD037407
  38. − Matthes K., Funke B., Andersson M.E. et al. Solar forcing for CMIP6 (v3.2) // Geosci. Model Dev. V. 10. № 6. P. 2247–2302. 2017. https://doi.org/10.5194/gmd-10-2247-2017
  39. − Okui H., Sato K., Koshin D., Watanabe S. Formation of a mesospheric inversion layer and the subsequent stratopause associated with the major stratospheric sudden warming in the 2018/19 // J. Geophys. Res. – Atmos. V. 126. № 18. ID e2021JD034681. 2021. https://doi.org/1029/2021JD034681
  40. − Palm M., Hoffmann C.G., Golchert S.H.W., Notholt J. The ground-based MW radiometer OZORAM on Spitsbergen – description and status of stratospheric and mesospheric O3 measurements // Atmos. Meas. Tech. V. 3. № 6. P. 1533–1545. 2010. https://doi.org/10.5194/amt-3-1533-2010
  41. − Penfield H., Litvak M.M., Gottlieb C.A., Lilley A.E. Mesospheric ozone measured from ground-based millimeter wave observations // J. Geophys. Res. V. 81. N 34. P. 6115–6120. 1976. https://doi.org/10.1029/JA081i034p06115
  42. − Rao J., Ren R., Chen H., Yu J., Zhou J. The stratospheric sudden warming event in February 2018 and its prediction by a climate system model // J. Geophys. Res. – Atmos. V. 123. № 23. P. 13 332–13 345. 2018. https://doi.org.1029/2018JD028908
  43. − Schoeberl M.R. Stratospheric warming: Observations and theory // Rev. Geophys. V. 16. № 4. P. 521–538. 1978. https://doi.org/10.1029/RG016i004p00521
  44. − Schranz F., Fernandez S., Kämpfer N., Palm M. Diurnal variation in middle-atmospheric ozone observed by ground-based microwave radiometry at Ny-Ǻlesund over 1 year // Atmos. Chem. Phys. V. 18. № 6. P. 4113–4130. 2018. https://doi.org/10.5194/acp-18-4113-2018
  45. − Schranz F., Tschanz B., Rüfenacht R., Hocke K., Palm M., Kämpfer N. Investigation of Arctic middle-atmospheric dynamics using 3 years of H2O and O3 measurements from microwave radiometers at Ny-Alesund // Atmos. Chem. Phys. V. 19. № 15. P. 9927–9947. 2019. https://doi.org/10.5194/acp-19-9927-9947
  46. − Seppälä A., Clilverd M.A. Energetic particle forcing of the Northern Hemisphere winter stratosphere: Comparison to solar irradiance forcing // Frontier in Physics. V. 2. 2014. https://doi.org/10.3389/fphy.2014.00025
  47. − Smyshlyaev S.P., Vargin P.N., Motsakov M.A. Numerical modeling of ozone loss in the exceptional arctic stratosphere winter-spring of 2020 // Atmosphere. V. 12. № 11. ID 1470. 2021. https://doi.org/10.3390/atmos12111470
  48. − Waters J.W., Froidevaux L., Harwood R.S. et al. The earth observing system microwave limb sounder (EOS MLS) on the Aura satellite // IEEE Trans. Geosci. Remote. V. 44. № 5. P. 1075–1092. 2006. https://doi.org/10.1109/TGRS.2006.873771
  49. − Wilson W.J., Schwartz P.R. Diurnal variations of mesospheric ozone using millimeter-wave measurements // J. Geophys. Res. – Oceans. V. 86. № 8. P. 7385–7388. 1981. https://doi.org/10.1029/JC086iC08p07385
  50. − Zommerfelds R.M., Künzi K.F., Summers M.E., Bevilacqua R.M., Strobel D.F., Allen M., Sawchuck W.J. Diurnal variations of mesospheric ozone obtained by ground-based microwave radiometry // J. Geophys. Res. – Atmos. V. 94. № 10. P. 12 819–12 832. 1989. https://doi.org/10.1029/JD094iD10p12819

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (247KB)
Indexing metadata
3.

Download (464KB)
Indexing metadata
4.

Download (575KB)
Indexing metadata
5.

Download (157KB)
Indexing metadata
6.

Download (280KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Ю.Ю. Куликов, А.Ф. Андриянов, В.И. Демин, В.М. Демкин, А.С. Кириллов, В.Г. Рыскин, В.А. Шишаев

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».