Диссертация (Воздействие солнечных и межпланетных факторов на атмосферу и климат Земли)

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение«Полярный геофизический институт»На правах рукописиКАСАТКИНА Елена АлексеевнаВОЗДЕЙСТВИЕ СОЛНЕЧНЫХ И МЕЖПЛАНЕТНЫХ ФАКТОРОВНА АТМОСФЕРУ И КЛИМАТ ЗЕМЛИСпециальность 25.00.29 – Физика атмосферы и гидросферыДиссертация на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукАпатиты – 20152СОДЕРЖАНИЕСтр.Введение ____________________________________________________________51.

Феноменологические особенности изменений в газовом составеатмосферы высоких широт под действием космических лучей211.1. Фотохимия разрушения озона ____________________________________251.2. Солнечные космические лучи и озонные «минидыры»______________281.3. Особенности широтного распределения и эффект северо-южнойасимметрии в появлении озонных «минидыр», вызванных GLE _____331.4. Вопросы применимости фотохимической теории для оценки воздействияпротонных вспышек на озон _____________________________________451.5.

Вариации двуокиси азота, вызванные вторжением солнечных протонов ватмосферу высоких широт ________________________________________ 521.6. О воздействии форбуш-понижений ГКЛ на озоновый слой ___________ 581.7. Выводы ________________________________________________________ 642. Воздействие солнечных и галактических космических лучей насодержание аэрозолей в высокоширотной атмосфере ___________ 662.1.

Воздействие СКЛ на аэрозольный слой высокоширотной атмосферы:данные экспериментальных наблюдений __________________________ 662.2. Моделирование воздействия СКЛ на концентрацию аэрозолей в высокихширотах и механизм ионной нуклеации __________________________692.3. Изучение вариаций космических лучей по данным о кислотности вполярных льдах ________________________________________________ 722.4. Выводы _______________________________________________________753. Космофизическая обусловленность изменений электрическихпараметров атмосферы высоких широт ________________________ 773.1. Высокоширотный автоматизированный комплекс для исследованияатмосферных изменений интегрированными методами _____________ 783.2.

Спектральные характеристики вариаций атмосферного давления иэлектрического поля при экстремальных погодных условиях в высокихширотах _______________________________________________________ 843.3. Происхождение электрического поля Земли _______________________ 9333.4. Суточные вариации атмосферного электрического поля имагнитосферные эффекты _______________________________________ 963.5. Эффекты СКЛ в вариациях атмосферного электрического поля _____ 1033.6. Эффекты форбуш-понижений ГКЛ в вариациях атмосферногоэлектрического поля высоких широт ______________________________ 1163.7. Выводы ________________________________________________________ 1184.

Инфразвуковые волны как один из каналов передачи энергии вполярной атмосфере _____________________________________________ 1214.1. Два типа атмосферных волн (акустические и гравитационные) ______ 1214.2. Вариации атмосферного давления в области подветренных волн вблизигорного массива Хибины _________________________________________ 1244.3. Вариации приземного озона, вызванные генерацией подветренных волнв арктических горах (арх. Шпицберген) ___________________________ 1274.4. Регистрация инфразвукового сигнала от взрыва Витимского болида24 сентября 2002 г. ______________________________________________ 1384.5.

Выводы ________________________________________________________ 1435. Космофизические аспекты климатических изменений __________ 1445.1. Роль солнечной активности и антропогенных факторов в измененияхклимата. Глобальный и региональный аспекты ____________________ 1445.2. Возможные механизмы воздействия космофизических агентов наклимат _________________________________________________________ 1525.3. Пространственно-частотные закономерности проявлений солнечнойактивности в атмосфере Северной Атлантики и Европы ____________ 1575.4. Космофизическая обусловленность 20-22-летней периодичности вклиматических вариациях ______________________________________1655.5.

Выводы ________________________________________________________ 1716. Применение дендрохронологического анализа для решениянекоторых проблем палеоастрофизики __________________________ 1736.1. Дендрохронологический метод и полуавтоматический измерительныйкомплекс для обработки древесно-кольцевых хронологий ___________ 1736.2. Региональные особенности климатических изменений на Кольскомполуострове по дендрохронологическим данным ___________________ 17946.3. Палеоклиматический потенциал можжевельника Juniperus sibiricaна Кольском полуострове ________________________________________ 1866.4. Климатические последствия вулканических извержений____________ 1956.5. Последствия мощных вулканических извержений по палеоклиматическимданным Кольского п-ова _________________________________________ 1986.6.

Использование дендрохронологического метода для решения некоторыхпроблем палеоастрофизики______________________________________2056.7. Выводы ________________________________________________________ 215Заключение _________________________________________________________ 217Литература __________________________________________________________ 2215ВведениеОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫДиссертация посвящена проблеме воздействия вариаций солнечной активностии межпланетных факторов на атмосферу и климат Земли. В частности, рассматриваетсяроль высыпания частиц космического и солнечного происхождения (солнечных игалактических космических лучей, космической пыли) в изменениях климата ипараметров полярной атмосферы (озоновый слой, азотные составляющие, атмосферноеэлектрическоеполе).Вработувключентакжераздел,связанныйспалеоастрофизическими и экологическими аспектами столкновения с Землей малыхнебесных тел Солнечной системы.Актуальность темы.

Изучение физических процессов и явлений, протекающихна Солнце и в околоземном космическом пространстве, а также их экологическихаспектов, является чрезвычайно актуальным для решения многих проблем физикиСолнца,астрофизики, астроэкологии, геофизики,климатологии, метеорологии,дендрохронологии, биофизики. Процессы, происходящие в ближнем космосе,оказывают существенное влияние на атмосферу и климат Земли, радиосвязь,спутниковые навигационные системы, биосферу, а также непосредственно нажизнедеятельность и здоровье человека.Солнце, являясь основным источником энергии, поступающей на Землю, играетрешающую роль в поддержании физических условий существования жизни на Земле –среде обитания человека.Сама проблема солнечно-земных связей (или проблема «космической погоды иклимата») имеет многолетнюю историю.

В ХХ столетии большой вклад в исследованияв данной области внес выдающийся русский ученый А.Л. Чижевский [1976]. Затем втечение длительного периода данной проблеме не уделялось достаточного внимания.Одной из основных причин такого положения явилось отсутствие ясного физическогомеханизма, а также, видимо, то обстоятельство, что воздействие космофизическихагентов на атмосферу и климат носит нелинейный и многофакторный характер,поэтому поиск простых корреляционных связей в солнечно-земных взаимодействияхне всегда приводил к успеху. Недооценка роли естественных факторов в измененияхокружающей среды способствовала возникновению и последующему доминированиюцелого ряда научных теорий, объясняющих глобальные изменения окружающей среды(озонная «дыра», «глобальное потепление»), исключительно только действиемантропогенныхисточников,вчастности,выбросомватмосферупродуктов6жизнедеятельности человека (фреонов, парниковых газов – СО2, СH4 и др.).Следствием такого подхода явилось принятие рядом стран целого комплекса решенийна международном и межправительственном уровне, например, подписание Киотскогомеждународного протокола в 1997г., ограничивающего потребление энергии и выбросв атмосферу парниковых газов.

Киотский протокол был ратифицирован 161 страноймира, в том числе и Россией, и вступил в силу 16 февраля 2005 г.Лишь в последние двадцать лет научное сообщество вплотную приблизилось кпониманию того, что на атмосферу и климат, наряду с антропогенными факторами,воздействует целый ряд плохо изученных внешних агентов естественного, в том числеи внеземного происхождения.

Причем, воздействие естественных (не антропогенных)факторов во многих случаях является более существенным, а результаты этоговоздействия – катастрофическими. Например, из палеоклиматических реконструкцийизвестно, что концентрация «парниковых» газов достигала максимальной величины впериоды межледниковья, аналогичные современной эпохе [Petit et al., 1999]. Что жекасается температурных изменений, то, согласно палеоклиматическим исследованиям,глобальное потепление, наблюдавшееся с конца прошлого века, не является чем-тоэкстраординарным, и климат нашей планеты уже испытывал более высокие значениятемпературы около 1000 лет назад, во время так называемого «средневековогоклиматического оптимума» (900 – 1300 гг.) [Клименко и др., 2001; Keigwin, 1996; Soon,Baliunas, 2003].

В этой связи особенно возрастает роль палеоклиматических, вчастности, дендроклиматических исследований в высоких широтах, где реакцияэкосистем на климатические изменения проявляется наиболее ярко. Важность такихисследований определяется также тем фактом, что современное изменение климатаимеет сложную региональную структуру. Наиболее значительные различия врегиональных климатических вариациях наблюдались за последние 30-40 лет вАрктике [Анисимов, Белолуцкая, 2003; Overpeck et al., 1997]. Корреляционные связимежду явлениями солнечной активности и атмосферными и климатическимипараметрами также имеют характер пространственно-временной неустойчивости.Изучение высокоширотных палеоклиматических данных в связи с внешнимифакторами позволит оценить относительный вклад солнечной и антропогеннойсоставляющей в современные и будущие изменения глобального и региональногоклимата.Отметим,чтовнастоящеевремяактивнодискутируетсявопросонеэффективности использования методов Киотского протокола для сохраненияклимата на современном уровне [Израэль, 2005; Сrutzen, 2006].

В связи с этим, в7последниенескольколетзаметновозросинтерескконтролируемомукомпенсирующему воздействию на климат за счет эмиссий сульфатных аэрозолей встратосферу, получившему название геоинженерии [Сrutzen, 2006; Eliseev, Mokhov,2011]. Такое контролируемое воздействие на климат допустимо только в том случае,если его возможные побочные эффекты (например, изменения в продуктивностирастительности, уменьшение озонового слоя) достаточно хорошо изучены. Природныманалогом такого воздействия могут рассматриваться вулканические извержения, атакже мощные солнечные протонные события класса GLE (Ground Level Events)[Касаткина и др., 1999; Shumilov, Kasatkina et al., 1996; Kasatkina, Shumilov, 2005;Shumilov, Kasatkina et al., 2011] и вторжение в атмосферу малых небесных тел (комет).Открытие в 1985 г.