Автореферат (Воздействие солнечных и межпланетных факторов на атмосферу и климат Земли), страница 2

По некоторым оценкам приток космического вещества на Землю можетдостигать величины 109 т/год и даже выше [Frank et al., 1986]. Столкновение с Землейотносительно больших астероидов и комет рассматривается в качестве одной изосновных опасностей, угрожающих человечеству [Боярчук, 1999; Аткинсон, 2001].Степень воздействия на окружающую среду зависит от размера падающих небесныхтел. Гигантский астероид диаметром 10 км упал на Землю 65 миллионов лет назад, чтопривело к глобальной катастрофе и, по-видимому, к массовой гибели динозавров[Аткинсон, 2001].

Падение на Землю космического объекта диаметром более 500мвызвало резкое похолодание и последовавший за этим голод в 536-540 гг. [Baillie, 1994;7Rigby et al., 2004]. Столкновение с Землей небесного тела размером 50м в диаметреможет привести к уничтожению практически всего живого на территории площадью до2000 км2, как это произошло во время Тунгусской катастрофы 30 июня 1908 г.[Nesvetailo, 1998; Vasilyev, 1998]. Актуальность исследований в этом направлении,наряду с проблемой астероидно-кометной опасности, привела к созданию рядамеждународных космических программ.Работа представляет собой результаты многолетних (более 15 лет) исследованийавтора по воздействиям различных внешних агентов (солнечная активность,космические лучи, вулканические извержения) на атмосферу и климат высоких широт.Цель и задачиЦелью работы является решение междисциплинарной проблемы воздействиясолнечных и межпланетных факторов на атмосферу и климат Земли.

Для достиженияэтой цели были поставлены и решены следующие задачи.1. Изучить эффективность воздействия солнечных космических лучей наозоновый слой Земли.2. Исследовать условия применимости газофазных фотохимических моделей дляколичественного описания изменений в газовых составляющих высокоширотнойатмосферы, наблюдаемых во время солнечных протонных событий.3. Разработать модель для описания увеличения концентрации аэрозолей иобразования озонных «минидыр», стимулированных высыпанием солнечных протоновв высоких широтах. Провести оценку адекватности модели на основе сопоставлениярасчетов с экспериментом.4.Исследовать,используяинтегрированныеметодынаблюдений,кратковременные вариации атмосферных параметров (атмосферного давления ивертикальной компоненты электрического поля) с целью разделения источников такихизменений, имеющих внеземное происхождение (солнечные вспышки, корональныевыбросы массы, вариации СКЛ и ГКЛ, геомагнитные возмущения) от процессовметеорологического характера (гроза, дождь, туман, метель и др.).5.

Изучить пространственно-частотные закономерности проявлений солнечнойактивности в атмосфере системы Северная Атлантика – Европа.6. Разработать концепции, методику и программное обеспечение для обработкидендрохронологических образцов (сосна, ель, можжевельник) с целью создания банкадолговременных древесно-кольцевых палеоклиматических хронологий Кольского повадляизучениясовременныхипрогнозированиябудущихглобальныхи8региональных изменений климата.7. По дендрохронологическим данным Кольского п-ова изучить реакциюдревесного прироста на глобальные и региональные изменения климата и их связь свариациями солнечной и вулканической активности.8. Изучить возможности применения дендрохронологического метода длярешения некоторых проблем палеоастрофизики, в частности астероидно-кометнойопасности: получение информации о столкновениях с Землей небесных тел в прошломи их воздействии на атмосферу и климат (например, Тунгусская катастрофа).Научная новизнаВпервые обнаружены озонные «минидыры» (кратковременные понижения ОСОболее 15%), возникающие при вторжении в атмосферу релятивистских солнечныхпротонов во время мощных солнечных протонных событий типа GLE (Ground LevelEvents).

В этом случае высокоэнергичная часть СКЛ (E>450МэВ) проникает глубоко ватмосферу, проходя через максимум озонового слоя (~20 км) и регистрируется сетьюнейтронныхмониторовнаповерхностиЗемли.Врезультатеисследованияпространственного распределения озонных «минидыр», инициированных событиямиСКЛ, показано, что понижения ОСО образуются местной весной и сосредоточены вкольцевых зонах, окружающих полярные шапки. Обнаруженный эффект позволитоценить вклад атмосферных высыпаний релятивистских солнечных протонов всовременные и будущие изменения озонового слоя в полярных областях.Впервые экспериментально обнаружено увеличение общего содержания NO2 ввысоких широтах, вызванное солнечным протонным событием типа GLE 2 мая 1998года.

Результаты модельных расчётов увеличения NO2 показали достаточно хорошеесовпадение с экспериментом.Показано, что образование озонных “минидыр” во время событий СКЛ, равнокак и увеличения ОСО после Форбуш-понижений ГКЛ, нельзя объяснить в рамкахобычной гомогенной фотохимической теории.Впервые разработана модель на основе механизма ионной нуклеации адекватноописывающая наблюдаемые увеличения концентрации аэрозолей и образованияозонных «минидыр», стимулированных высыпанием высокоэнергичных солнечныхпротонов, являющихся аналогом ГКЛ, в высоких широтах. При сопоставлениимодельных расчетов с экспериментом выявлено, что солнечные релятивистскиепротоны могут приводить к увеличению аэрозольного слоя и образованию озонных«минидыр» лишь при выполнении некоторых необходимых условий: соответствующие9значения атмосферных параметров ([H2SO4], температура, влажность, атмосферноедавление); а также особенности спектров вторгающихся частиц.Включениеатмосферных эффектов СКЛ и ГКЛ позволит усовершенствовать и развитьсуществующие численные модели глобальной атмосферы и климата.В результате применения интегрированных методов измерений атмосферныхпараметров в высокоширотной зонеприпомощи созданного оригинальногоэкспериментального комплекса (ВКИАВЭ) впервые показано, что в условияхнарушенной погоды (дождь, туман, гроза) спектральные характеристики вариацийдавления и атмосферного электрического поля меняются практически синхронно.Полученные результаты указывают на необходимость исследования измененийатмосферных параметров в высокоширотной зоне при помощи интегрированныхметодов наблюдений.

Этот подход позволяет приблизиться к пониманию физическихпроцессов в высокоширотной атмосфере и природы источников их вызывающих.Впервые в России по данным наземных измерений зафиксирован акустикогравитационный сигнал в диапазоне частот 0.0001 – 1 Гц с максимумом амплитудыP45 дн/см2 от взрыва в атмосфере Витимского болида 24 сентября 2002 г. нарасстоянии 4000 км от источника. Данное событие подтверждает полученные ранеефакты о том, что яркие болиды большой массы могут создать мощной импульсноеизлучение акустико-гравитационных волн в атмосфере Земли, которое может бытьзафиксировано микробарографами на расстоянии нескольких тысяч километров отисточника.Впервые выдвинута гипотеза, что 20-22–летняя периодичность, наблюдаемая ввариациях различных климатических параметров практически повсеместно, связана сувеличением количества космической пыли внутри солнечной системы вследствиеослабления величины магнитного поля Солнца при смене знака во время солнечныхмаксимумов.При обработке древесно-кольцевых хронологий Кольского п-ова также полученряд новых результатов.

Впервые в одном из труднодоступных районов Кольского п-ова(северо-восточная часть, р-н Кейвы) обнаружены реликтовые образцы можжевельника(Juniperus Sibirica), некоторые из них имеют возраст около 700 лет. Созданный намикомплекс для подсчета и измерения ширины годичных колец позволил использоватьнайденные образцы можжевельника для получения 677-летней древесно-кольцевойхронологии. Впервые получены самые длинные древесно-кольцевые хронологии пососне Pinus sylvestris для горного массива Хибины (448 лет) и для всего Кольского пова (561 год).

Выявлена хорошая корреляция интенсивности прироста ширины10годичных колец можжевельника с климатическими вариациями в Европе и вариациямисолнечнойактивности:ШпереровскогоиотчетливопроявилисьэффектыДальтоновскогоминимумовсолнечнойМаундеровского,активностивсоответствующих депрессиях радиального прироста. В результате спектрального ивейвлет-анализа дендрохронологических серий выявлены периодичности, близкие косновным циклам солнечной активности (11 лет, 22 года, 80-100 лет). Приисследовании обработанных древесно-кольцевых хронологий не обнаружено какоголибо значительного потепления климата в ХХ веке в данном регионе.

Проведенныйанализ палеоклиматических данных позволил выявить региональные особенностиклиматических вариаций на протяжении последнего тысячелетия, а также их связь свариациямисолнечнойивулканическойактивности.Полученныерезультатыпозволяют оценить относительный вклад солнечной и антропогенной составляющей всовременные и будущие изменения глобального и регионального климата.Впервые выявлены особенности воздействия наиболее мощных (VEI≥5)вулканических извержений на региональный климат Мурманской области подендрохронологическим данным Кольского п-ова за период, превышающий 560 лет.Показано, что наблюдается существенное понижение древесного прироста, в среднем, втечение 8 лет после извержений вулканов в экваториальных областях, после чегопроисходит его восстановление до нормального уровня.