Диссертация (Влияние вариаций космических лучей на динамические процессы в нижней атмосфере Земли)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиАртамонова Ирина ВасильевнаВлияние вариаций космических лучей на динамическиепроцессы в нижней атмосфере Земли01.03.03 – физика Солнца25.00.29 – физика атмосферы и гидросферыДиссертация на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукНаучный руководительк. ф.-м. н., Веретененко С.В.Санкт-Петербург20152ОглавлениеВведение……………………………………………………………………………………….5Глава 1. Проблема влияния солнечной активности на состояние нижнейатмосферы, погоду и климат Земли……………………………………………………...171.1 История исследования солнечно-атмосферных связей………………………...171.2 Физические механизмы воздействия солнечной активности на погодуи климат Земли……………………………………………………………………..…291.2.1 Вариации интенсивности солнечного излучения в видимом диапазонеспектра (солнечной постоянной, S0)………………………………………….311.2.2 Вариации интенсивности солнечного излучения в ультрафиолетовойобласти.

…………………………………………………………………...…....341.2.3 Вариации прозрачности атмосферы и состояния облачности………..381.2.4 Вариации параметров глобальной электрической цепи……………....481.3 Выводы к главе 1……………………………………………………………….....56Глава 2. Исследование эффектов ГКЛ в вариациях атмосферного давления всеверном и южном полушариях………………………………………………………......582.1 Постановка задачи…………………………………………………………….......582.2 Пространственное распределение эффектов форбуш-понижений ГКЛв вариациях атмосферного давления в северном и южном полушарии………….602.3 Оценка жесткости геомагнитного обрезания в областях формированияэффектов форбуш-понижений ГКЛ………………………………………………….6932.4 Причины региональных особенностей эффектов форбуш-понижений ГКЛв эволюции барических систем северного и южного полушарий………………....732.6 Выводы к главе 2………………………………………………………………….81Глава 3.

Влияние форбуш-понижений ГКЛ на интенсивность циклоническихпроцессов в североатлантическом регионе……………………………………………...843.1 Постановка задачи………………………………………………………………...843.2 Вариации давления в тропосфере североатлантического региона в ходефорбуш-понижений галактических космических лучей…………………………...843.3 Анализ приземных карт погоды………………………………………………….903.4 Оценка жесткости геомагнитного обрезания в областях максимальныхэффектов форбуш-понижений ГКЛ………………………………………………….943.5 Сравнительный анализ вариаций давления в нижней атмосфере в ходесолнечных протонных событий и форбуш-понижений космических лучей……..963.6 Возможный физический механизм влияния космических лучей надинамические процессы в нижней атмосфере Земли……………………………..1013.7 Выводы к главе 3………………………………………………………………...105Глава 4. Влияние вариаций потоков космических лучей на продолжительностьмакросиноптических процессов………………………………………………………....1074.1 Типизация макросиноптических процессов.Естественное развитие ЭСП в отсутствии возмущающего влияния космическихлучей………………………………………………………………………………….1074.2 Исследование вариаций длительности элементарных синоптическихпроцессов в ходе короткопериодных вариаций потоков космических лучей.…..1094.2.1 Постановка задачи……………………………………………………...1094.2.2.

Анализ длительности ЭСП в ходе вариаций потоков космическихлучей…………………………………………………………………………..1114.2.3 Причины наблюдаемых вариаций длительности ЭСП…………...….1164.3 Выводы к главе 4………………………………………………………………...1204Заключение…………………………………………………………………………………121Список сокращений ………………………………………………………………………123Список литературы………………………………………………………………………..124Приложение 1. Определение индекса завихренности………………………………...…143Приложение 2.

Вариации галактических космических лучей….……………………….145Приложение 3. Оценка статистической значимости методом Монте-Карло………......149Приложение 4. Классификация макросиноптических процессов………………………1545ВведениеНастоящая диссертация посвящена изучению влияния вариаций космическихлучей на динамические процессы в нижней атмосфере Земли.

В работе исследуетсявлияние короткопериодных вариаций интенсивности галактических космических лучей(ГКЛ), известных как форбуш-понижения, на процессы формирования и развитиябарических образований в умеренных и высоких широтах северного и южногополушарий. Рассматривается динамика изменений атмосферного давления во времяфорбуш-понижений ГКЛ; изучается, какими атмосферными процессами обусловленыизменения давления, наблюдаемые во время исследуемых событий. Приводится оценкажесткости геомагнитного обрезания, а также соответствующие минимальные энергиивысыпающихся космических частиц, которые могут оказывать влияние на эволюциювнетропических барических систем в областях наиболее значимых эффектов ГКЛ.Рассматривается изменение длительности макросиноптических процессов в связи свариациямикосмическихлучейсолнечногоигалактическогопроисхождения.Проводится сравнительный анализ отклика нижней атмосферы на вторжения солнечныхкосмическихлучейифорбуш-понижениягалактическихкосмическихлучей.Обсуждаются возможные физические механизмы влияния солнечной активности надинамические процессы в нижней атмосфере.Актуальность темы исследованияДолгое время считалось, что атмосфера Земли является самосогласованнойсистемой, не подверженной влиянию извне.

Однако результаты проведенных впоследние годы исследований свидетельствуют о наличии заметного откликаатмосферных параметров, таких как количество осадков [116, 117], площадь ираспределение облачного покрова [150, 186, 187], температура тропосферы [152, 153], а6также потоки прямой солнечной радиации [149, 195-197], на различные проявлениясолнечной активности.Несмотря на наличие большого объема работ, посвящённых исследованиюсолнечно-атмосферных связей, некоторыми учеными ставится под сомнение сам фактвлияния солнечной активности на погоду и климат Земли [44, 88, 147, 163, 171].

Камнемпреткновения является отсутствие на настоящий момент завершенной теории, ясно иполно описывающей физический механизм переноса энергии солнечного возмущения ватмосферу Земли. К настоящему времени различными авторами предложены такиефизические механизмы солнечно-атмосферных связей как непосредственный разогреватмосферы в связи с вариациями интенсивности солнечного излучения в видимойобласти спектра (солнечной постоянной, S0); вариации солнечной радиации вультрафиолетовом диапазоне, влияющие на концентрацию стратосферного озона исвязанные с этимизмененияинтенсивностикрупномасштабнойтропосфернойциркуляции [102, 103]; вариации прозрачности атмосферы (концентрации оптическиактивных газов, аэрозолей) и облачности, обусловленные изменениями скоростиионизации в нижней атмосфере в связи с вариациями потоков космических лучей [53,54, 92,119]; модуляцияпроводимости атмосферывследствиееёионизациикосмическими лучами и последующее изменение интенсивности токов в глобальнойтоковой цепи [180-185].

Однако ни один из предложенных выше физическихмеханизмов влияния солнечной активности на состояние нижней атмосферы непретендует на всеобъемлющее и завершенное описание проблемы.В данной работе в качестве космического агента, участвующего в процессепереноса энергии солнечного возмущения в атмосферу Земли, рассматриваютсякосмические лучи солнечного (СКЛ) и галактического (ГКЛ) происхождения.Космические лучи представляют собой потоки высокоэнергичных заряженных частиц,преимущественно протонов, с энергиями Е ∼103 - 1019 эВ [напр., 60]. Низкоэнергичнаякомпонента космических лучей (Е ∼105 - 109 эВ), высыпающаяся в высокоширотныхобластях Земли, может проникать в атмосферу до высоты стратосферы и верхних слоевтропосферы, и при этом оказывать влияние на динамические процессы, происходящие внижней атмосфере [151, 175, 178].

С другой стороны, интенсивность потоковкосмических лучей с указанными энергиями в значительной степени модулируетсясолнечной активностью [напр., 81-83]. При выборе агента солнечной активности также7было учтено, что космические лучи могут одновременно участвовать в работе разныхмеханизмов солнечно-земных связей, в частности, оптического и электрического.Степень разработанности темы исследованияВ ряде работ имеется подтверждение существенной роли космических лучей вфизическоммеханизмесолнечно-атмосферныхсвязей.Например,обнаруженопонижение зонального давления в поясе широт ∼ 55–70°N в связи с солнечнымипротонными событиями и его рост в связи с форбуш-понижениями космических лучей[148].Показано,чтовсплескиСКЛсопровождаютсяростомциклоническойзавихренности в районе Северной Атлантики [17, 198, 199].

С другой стороны, в ходефорбуш-пониженийГКЛнаблюдаетсяуменьшениеиндексациклоническойзавихренности над океанами на широтах ∼ 40–65°N [178]. В работах Веретененко иТайла [17, 198, 199] обнаружено, что кратковременные вариации потоков космическихлучей во время солнечных протонных событий могут оказывать влияние на эволюциюсевероатлантических циклонов.Таким образом, изучение влияния вариаций космических лучей на состояниенижней атмосферы Земли играет важную роль в исследованиях солнечно-земных связейи дает возможность прояснить физический механизм влияния солнечной активности нациркуляцию нижней атмосферы, погоду и климат Земли.

Результаты данногоисследования могут использоваться в качестве экспериментальной базы для созданияпрогностических моделей погодно-климатических изменений.Целью настоящей работы является детальное исследование барическогоотклика атмосферы северного и южного полушарий на короткопериодные вариациипотоков галактических космических лучей (форбуш-понижений ГКЛ); исследованиеэволюции барических систем в ходе исследуемых форбуш-понижений; оценка энергийкосмических частиц, которые могут принимать участие в процессах, влияющих наинтенсивность и время жизни данных барических образований; изучение вариацийдлительности макросиноптических процессов в связи со всплесками СКЛ и форбушпонижениями ГКЛ; сравнительный анализ отклика атмосферы на вариации потоковсолнечных и галактических космических лучей.8Положения, выносимые на защиту1.

В ходе форбуш-понижений ГКЛ происходит ослабление циклонической иинтенсификацияантициклоническойдеятельностивумеренныхширотахсеверного и южного полушарий. Максимальные изменения в динамикебарических систем, связанные с форбуш-понижениями ГКЛ, наблюдаются врайонах арктических, антарктических и полярных климатических фронтов.2. Всплески солнечных протонов и форбуш-понижения ГКЛ могут оказыватьвлияниенадлительностьэлементарныхсиноптическихпроцессовпоклассификации Вангенгейма-Гирса.3.