Автореферат (Воздействие солнечных и межпланетных факторов на атмосферу и климат Земли), страница 5

Также известно, что NO2 активнопоглощает солнечную радиацию в диапазоне видимого света (400-500 нм) и УФрадиации, посредством чего может воздействовать на климат и биосферу [Чубарова,2004; Solomon et al., 1999]. В 1-й главе представлены результаты первых наземныхизмерений общего содержания двуокиси азота NO2 в Мурманске и в обс. Соданкюля вовремя и после события GLE 2 мая 1998 года и приведены соответствующие модельныерасчёты. Впервые экспериментально обнаружено увеличение общего содержания NO2в высоких широтах, вызванное солнечным протонным событием типа GLE 2 мая 199821года.

Результаты модельных расчётов увеличения NO2 показали достаточно хорошеесовпадение с экспериментом. Полученные результаты указывают на необходимостьпроведения наземных измерений двуокиси азота NO2 в высоких широтах, которыемогут быть использованы для корректировки спутниковых измерений.По данным аэрологических измерений показано, что форбуш-понижения ГКЛмогут вызывать увеличение ОСО до 10% в высоких широтах. Сопоставлениемодельных расчётов с экспериментом показало, что увеличения ОСО после форбушпонижений ГКЛ, равно как и образование озонных “минидыр” во время GLE, нельзяобъяснить в рамках обычной гомогенной фотохимической теории.Впервые предложен принципиально новый «триггерный» механизм воздействиярелятивистских солнечных протонов на озоновый слой, на основе которого разработанамодель, включающая гетерогенные химические процессы, ионную нуклеацию,образование аэрозолей и полярных стратосферных облаков.Вторая глава диссертации посвящена описанию разработанной моделивоздействия СКЛ на озоновый слой и аэрозоли, основанной на использованиипроцессов ионизации, ионной нуклеации и гетерогенной химии.Для расчета изменений аэрозольной концентрации во время протонных событийбыл использован механизм ионной нуклеации [Arnold, 1982], согласно которому ионы,образующиеся в процессе ионизации в атмосфере, являются центрами ассоциациимолекул серной кислоты и, разрастаясь до размеров кластеров, образуют ядраконденсации CN, которые становятся центрами образования аэрозольных частиц.Скорость ионной нуклеации зависит от скорости ионообразования в атмосфере, а такжеот концентрации серной кислоты [H2SO4], температуры, влажности и атмосферногодавления.При расчёте скорости ионной нуклеации J (см-3с-1) использовалось выражение[Arnold, 1982]:J = Q (1 + (Q)1/2/K [H2SO4])-Nc(3),где =10-7см-3с-1 – коэффициент ионной рекомбинации; К=10-9см-2с-1 – коэффициентассоциации молекул H2SO4; [H2SO4] – концентрация молекул серной кислоты; Nc –минимально необходимое для устойчивости кластера количество молекул H2SO4 (Nc=3для высоты h27 км и Nc=10 для высоты h>27 км).22Рис.

3. Высотные профиликонцентрации ядер конденсацииCN, рассчитанные для событийGLE.На рис.3 приведены высотные профили концентрации ядер конденсации CN длясобытий GLE (4 августа 1972 г., 16 февраля 1984 г., 19 октября 1989 г., 24 мая 1990 г. и14 июля 2000 г.). Как видно из рис.3, расчетные значения CN для событий мая 1990 г.более чем на два порядка превышают фоновые значения. Такие большие значения CNмогут приводить к катастрофическим понижениям концентрации озона (более 10% вдень). Рис.3 дает возможное объяснение тому факту, что из всех рассматриваемыхсобытий озонные «минидыры» наблюдались только в мае 1990г., хотя с энергетическойточки зрения эти события являются «средними» (см. рис. 1).

Дело в том, что для болеемощных событий GLE (4 августа 1972 г., 19 октября 1989 г. и 14 июля 2000 г.),имеющих большие значения скорости ионообразования (>100 см -3с-1), скорость ионнойрекомбинации являются доминирующей. Поэтому следует ожидать линейного роста J сувеличением Q только для событий GLE средней мощности. Во время событий GLE сболее мощным спектром процессы ионной нуклеации будут эффективно подавляться.Поэтому поиски простой (линейной) корреляции и попытки установления какой-либостатистическойзависимостимеждупротоннымисобытиямиинаблюдениемпонижений ОСО не приведут к успеху.Впервые увеличение аэрозольной концентрации (более 50%) на высоте 15-25 кмпосле протонного события типа GLE 16.02.1984 г. было обнаружено экспериментальнопо данным лидарных измерений в обс.

Верхнетуломский Мурманской обл. (68.6N,31.8E) [Касаткина и др., 1999; Шумилов, Касаткина, 2005; Shumilov, Kasatkina et al.,1996; Kasatkina, Shumilov, 2005]. Приводятся высотные профили коэффициентаобратного рассеяния R(H) лидарного сигнала на длине волны =694.3 нм для февраля1984 г. Для исключения воздействия метеорологических факторов и связанного с этимслучайного совпадения событий был проведен анализ метеорологической ситуации в23районе Кольского п-ова для исследуемого периода. В соответствии с даннымисиноптических карт для уровня 100 ГПа в период с 15 по 19 февраля 1984 г. Кольскийп-ов находился в наиболее холодной части циркумполярного вихря, близко к егогранице, и за весь исследуемый динамических изменений в указанном районе ненаблюдалось.

Сопоставление данных лидарных измерений с модельными расчетамипоказало адекватность созданной модели экспериментальным данным.Недавно был опубликован целый ряд работ, посвященных роли СКЛ и ГКЛ вобразовании новых аэрозольных частиц в атмосфере, а также экспериментальнымфактам, подтверждающим связь между интенсивностью космических лучей иоблачностью [Marsden, Lingenfelter, 2003; 2004; Миронова, Пудовкин, 2005; Mironova etal., 2008]. Предлагаемая модель воздействия СКЛ на озоновый слой через образованиедополнительного количества аэрозолей посредством ионной нуклеации вовсе неисключает другие механизмы, например, дипольное взаимодействие хлорсодержащихмолекул с неоднородностями наэлектризованных ледяных кристаллов полярныхстратосферных облаков [Беликов, Николайшвили, 2012].

Например, в работах Б. Тинсли[Tinsley, 2000] предлагается другой механизм, согласно которому в результатеионизации космическими лучами изменяются электрические параметры атмосферы,что также влияет на эффективность образования ядер конденсации в атмосфере.Впервые показано, чтоизменения фоновых значений индекса кислотностиполярного льда отражают вариации солнечной активности и (или) в антифазе –интенсивности ГКЛ в прошлом.

Данный результат, а также вышеизложенныймеханизм, основанный на способности СКЛ приводить к увеличению сульфатныхаэрозолей, могут являться основанием для введения новой методики определениявариаций СКЛ и ГКЛ в прошлом по индексу кислотности полярного льда, которыйиспользовался ранее только для идентификации вулканических извержений в прошлом[Hammer et al., 1980].

Введение этой методики может явиться важным дополнением куже существующему методу определения характеристик различных астрофизическихявлений в прошлом по содержанию нитратов в полярных льдах [Гладышева,Дрешхофф, 1997; McCracken et al., 2001; Огурцов, 2011].В третьей главе приведено описание впервые созданного Высокоширотногоизмерительного комплекса для измерения атмосферных параметров интегрированнымиметодами. Комплекс состоит из трех пространственно-разнесенных микробарографов,установок для измерения электрического поля и электропроводности воздуха,телеметрии, а также системы сбора и программного обеспечения. Уникальность этогокомплекса заключается в возможности проведения одновременных измерений24инфразвука и вариаций электрических параметров атмосферы. Измерения всех этихпараметров необходимы для выяснения механизмов воздействия космофизическихфакторов на климат и среду обитания человека.

На рис.4 приведен пример суточнойзаписи в графической форме всех датчиков, входящих в данный измерительныйкомплекс.Проанализированы первые результаты измерений вариаций вертикальнойкомпоненты атмосферного электрического поля Ez во время протонных событий типаGLE, при различных уровнях геомагнитной возмущенности, а также для различныхусловий нарушенной погоды (дождь, гроза, метель, туман).Как известно, наиболее чувствительным индикатором предстоящего измененияпогоды, на который реагирует организм человека, является атмосферное электричество.Известно также, что короткопериодные вариации градиента потенциала атмосферногоэлектричества и атмосферного давления связаны с различными метеорологическимиявлениями локального характера (облака, туманы, промышленные аэрозоли, грозоваяактивность).

Вместе с тем, в высоких широтах появление пульсаций атмосферногоэлектрического поля и атмосферного давления может быть связано также смагнитосферными возмущениями, вызванными процессами на Солнце. Введениеинтегрированных методов наблюдений необходимо для выявления и идентификацииметеорологических и магнитосферных источников возмущений полярной атмосферы.Приводятсярезультатыспектрально-временногоанализавариацийатмосферного давления и атмосферного электрического поля при условиях нарушенияпогоды. Впервые показано, что в экстремальных погодных условиях (дождь, туман,гроза)спектральныехарактеристикивариацийдавленияиатмосферногоэлектрического поля меняются практически синхронно. Результаты анализа измеренийвариаций атмосферного электрического поля в высоких широтах свидетельствуют отом, что суточный ход Еz - компоненты в авроральной зоне в значительной степениобусловлен влиянием магнитосферных электрических полей и, возможно, вариациямигалактических космических лучей.

Эта связь осуществляется сложным образом изависит от ориентации магнитного диполя относительно линии Солнце – Земля, уровнямагнитной возмущенности, а также от сезона и времени суток.Впервые показано на примере трёх событий, что солнечные протонныевспышки, сопровождаемые корональными выбросами массы CME и событиями типаGLE, могут привести к значительным (до 1 кВ/м) изменениям в атмосферномэлектрическом поле в высоких широтах. Ранее в работах других авторов отмечалось,что вторжение солнечных протонов релятивистских энергий (СКЛ) может привести к25значительным изменениям электрических свойств атмосферы лишь на стратосферныхвысотах. Приводится объяснение, связывающее обнаруженное во время GLEувеличесние Еz с образованием аэрозольных слоев в атмосфере.Рис. 4.

Пример суточной записи в графической форме всех датчиков, входящих в данную сеть.Четвёртая глава посвящена изучению свойств горных подветренных волнвпервые обнаруженных в авроральных широтах вблизи Хибинских гор. Известно, чтоколебания атмосферного давления в инфразвуковом диапазоне (частота f < 15 Гц)оказывают влияние на биосистемы [Фролов и др., 1996; Владимирский, Темурьянц,2000; Delyukov, Didyk, 1999]. В то же время атмосферные волны могут бытьответственными за передачу энергии солнечно-земных взаимодействий в нижние слоиатмосферы, а также за перераспределение энергии между различными частямиатмосферы [Госсард, Хук, 1978; Смирнов, 1984; Нетреба, 1996].