Диссертация (Влияние вариаций космических лучей на динамические процессы в нижней атмосфере Земли), страница 10

вымывание аэрозольных частиц из облака. При этом происходитрост размеров капелек воды, препятствующий их подъему выше уровня замерзания, чтоделаетневозможнымразвитиепроцесса“electrofreezing”,сопровождающегосявыделением большого количества скрытого тепла и интенсификацией атмосфернойциркуляции. Следует отметить, что “electroscavenging” также связан с выделениемскрытого тепла, поскольку сопровождается процессом конденсации водяных капель.Однако данный процесс протекает в облаках среднего яруса и, по мнению Тинсли,энергии выделяющейся в ходе “electroscavenging” недостаточно для измененияинтенсивности циркуляционных процессов.Таким образом, вариации токов проводимости приводят к изменению временижизни облака, количеству выпадающих из него осадков и скорости образованияледяных кристаллов в верхней части облака.

При этом модулируется выделениескрытого тепла и изменяется тепловой баланс атмосферы. Вариации теплового балансав свою очередь приводят к изменению конфигурации барических полей иинтенсивности циркуляции атмосферы.Экспериментальныеподтвержденияреальностифизическогомеханизма,предложенного Тинсли, приведены в ряде работ. Так, Тинсли и Дином [178] показано,что в ходе форбуш-понижений ГКЛ наблюдается ослабление циклоническойактивности,характеризуемойиндексомVAIвпоясеумеренныхширот,преимущественно над океанами. Увеличение частоты повторяемости циклонов всевероатлантическом регионе было отмечено при возрастании потоков ГКЛ в минимумециклов солнечной активности [123]. Веретененко и Тайлом [198, 199] было обнаруженопонижение давления, сопровождающееся усилением циклонической завихрённости, всевероатлантическом регионе в связи с короткопериодными всплесками солнечныхкосмических лучей с энергиями частиц Е > 90 МэВ.

Авторами было показано, чтонаблюдаемые эффекты обусловлены усилением регенерации циклонов у юговосточного побережья Гренландии.В работе Бёрнса с коллегами [87] обнаружена положительная корреляция междуBy-компонентой межпланетного магнитного поля и величиной приземного давления наантарктических станциях, в то время как на арктических станциях наблюдаласьотрицательная корреляция между указанными параметрами. Наблюдаемая асимметрия55вариаций давления может быть обусловлена противоположными по знаку изменениямиионосферного потенциала, происходящими вследствие вариаций межпланетногомагнитного поля. Трошичевым с коллегами [189] были рассмотрены вариацииразличных метеорологических параметров (облачности, температуры, скорости инаправления ветра) над Антарктикой и показано, что изменения межпланетногомагнитного поля могут оказывать влияние на атмосферную циркуляцию в южномполярномрегионе.Результатыприведённыхвышеработсвидетельствуютосущественной роли электрического механизма в солнечно-атмосферных связях.Таким образом, изменения параметров глобальной электрической цепи,включающие в себя изменения скорости ионизации, а также потенциала ионосферы иинтенсивности вертикальных атмосферных токов, которые происходят вследствиевариаций интенсивности ММП и/или потоков космических лучей, действительно могутприводить к заметным изменениям в развитии облаков, таким как время существованиясамого облака, количество и тип выпадающих осадков.

Состояние облачного покрова, всвою очередь, оказывает значительное влияние на радиационный баланс атмосферы,структуруциркуляции.еётемпературно-барическогополяиинтенсивностьатмосферной561.3 Выводы к главе 1Приведённые выше данные свидетельствуют о том, что влияние солнечнойактивности на состояние нижней атмосферы многогранно и не сводится к действиюкакого-либо одного фактора.

К настоящему моменту предложен ряд возможныхмеханизмов,обусловленныхразличнымиагентами(проявлениями)солнечнойактивности, такими как вариации полного и коротковолнового изучения Солнца,вариации потоков космических лучей, пересечение границ секторной структуры ММП.Указанные механизмы солнечно-земных связей действуют на различных временныхшкалах независимо друг от друга.

При этом эффекты различных факторов солнечнойактивности могут как компенсировать, так и усиливать друг друга.Тем не менее, исследователи не пришли к единому мнению и до сих пор неразработан универсальный физический механизм, описывающий в подробностях всюцепочку процессов, связывающих возмущения на Солнце и отклик на них в вариацияхпараметров нижней атмосферы. Таким образом, имеющиеся на настоящий моментфизические механизмы солнечно-земных связей нуждаются как в экспериментальномподтверждении, так и в существенной доработке.С этой целью в данной работе предполагается провести детальное исследованиеотклика нижней атмосферы на короткопериодные вариации галактических космическихлучей. В качестве агента солнечной активности были выбраны именно космическиелучи, поскольку они обладают высокой проникающей способностью, при этом взависимости от солнечной активности испытывают вариации на временных шкалах,длительностью от нескольких часов до нескольких тысяч лет.

Важную роль в выбореагента солнечной активности играет тот факт, что космические лучи могутодновременно участвовать в работе нескольких механизмов солнечно-земных связей:оптического и электрического.В работе планируется детально исследовать возмущение циркуляции нижнейатмосферы и эволюции барических систем умеренных и высоких широт северного июжного полушария в связи с короткопериодными вариациями галактическихкосмических лучей (форбуш-понижениями ГКЛ), а также провести сравнительныйанализ эффектов форбуш-понижений ГКЛ и всплесков СКЛ в динамике нижнейатмосферы. Особое внимание предполагается уделить изучению пространственного57распределения атмосферного отклика на указанные форбуш-понижения ГКЛ иисследованию причин региональности эффектов с привлечением синоптическогоанализа приземных карт погоды.

Также планируется провести изучение влияниякороткопериодных вариаций солнечных и галактических КЛ на длительностьмакросиноптических процессов, характеристики которых используются для построениядолгосрочных метеопрогнозов. Таким образом, результаты планируемого исследованияпомогут прояснить физический механизм воздействия солнечной активности нанижнюю атмосферу Земли, погоду и климат, а также послужить экспериментальнойбазой для создания прогностических моделей погодных и климатических изменений.58Глава 2Исследование эффектов ГКЛ в вариациях атмосферного давленияв северном и южном полушариях2.1 Постановка задачиВ настоящее время в качестве одного из связующих звеньев между возмущениямина Солнце и процессами, происходящими в атмосфере Земли, рассматриваются потокикосмических лучей как солнечного (СКЛ), так и галактического (ГКЛ) происхождения,интенсивность которых, в свою очередь, в значительной степени модулируетсясолнечной активностью.

Подробно вопрос о влиянии различных космофизическихфакторов на нижнюю атмосферу рассмотрен в Главе 1.Имеется ряд работ, свидетельствующих о влиянии вариаций космических лучейна циклонические процессы в умеренных и высоких широтах. Например, Пудовкиным иБабушкиной [148] были исследованы вариации среднезонального (осреднённого пошироте) давления на разных стадиях геомагнитного возмущения в поясе широт 55-70°N.В ходе анализа было обнаружено понижение зонального давления в связи с солнечнымипротонными событиями и его рост в связи с форбуш-понижениями космических лучей.Далее, на основании данных аэрологических зондирований на станции Sodankylä(Финляндия, 67°N), Пудовкиным и др.

[153] было показано, что форбуш-пониженияГКЛ сопровождаются медленным ростом давления с максимумом на 3-4 день посленачала события. В то же время, Веретененко и Тайлом [198] было обнаруженопонижение давления во всей толще тропосферы на 1-2 день после начала события настанциях Tasiilaq (юго-восточное побережье Гренландии, 65.5°N, 38°W), Thorshavn59(Фарерские острова, 62°N, 6.5°W), связанное с интенсивными солнечными протоннымисобытиями.Известно, что кратковременные вариации атмосферного давления в первуюочередь связаны с прохождением над станцией, ведущей измерения, какого-либобарического образования, например, циклона или антициклона. Для характеристикиинтенсивности циклонической активности в определенном регионе обычно пользуютсяиндексом завихренности (Vorticity Area Index, VAI), определяемым как суммаплощадей, для которых абсолютная завихренность превышает значение 20×10−5 сек -1 и24×10−5 сек -1 [161, 202].

(Описание индекса завихренности приведено в Приложении 1.)В ряде работ были проведены исследования вариации индекса VAI в связи сизменениями потоков солнечных и галактических космических лучей. Результаты,полученные Тинсли и Дином [178], свидетельствуют об уменьшении индексациклонической завихренности на широтах ~40-65°N (преимущественно над океанами) всвязи с форбуш-понижениями потоков ГКЛ. С другой стороны, Веретененко и Тайлом[198] был отмечен рост циклонической завихренности в районе Северной Атлантики(50-70°N, 0-40°W) в связи с вторжением солнечных протонов с энергиями Eр > 90 MeV.Это позволило сделать предположение о том, что кратковременные вариации потоковкосмических лучей, происходящие во время солнечный протонных событий и форбушпонижений, могут оказывать влияние на эволюцию циклонов и антициклонов вуказанных регионах.Позднее, Веретененко и Тайлом [198, 199] был проанализирован отклик нижнейатмосферы в северном полушарии на вторжение высокоэнергичных солнечныхкосмических лучей.

В работе показано, что солнечные протонные события приводят кинтенсификации североатлантических циклонов. Рост циклонической активностинаблюдается преимущественно в районе Гренландии на следующий день после началасобытия.Поскольку(уменьшениефорбуш-пониженияинтенсивностипротивоположныйпопотокаамплитудеКЛ)галактическихможносолнечномукосмическихрассматривать,протонномукаксобытиюлучейэффект,(ростуинтенсивности потока КЛ), было сделано предположение, что и в барическом полетакже будет наблюдаться эффект, противоположный по амплитуде, т.е. рост давления.Однако в случае форбуш-понижения отклик нижней атмосферы может отличаться по60амплитуде, локализации эффекта и скорости реакции атмосферы на возмущающеевлияние ГКЛ.Как отмечено ранее Пудовкиным и др. [153], в ходе анализа вариаций давления настанции Sodankylä (Финляндия, 67°N) в связи с форбуш-понижениями ГКЛ наблюдаетсязначительный рост давления во всей толще тропосферы и нижней стратосфере. Следуетподчеркнуть, что указанные результаты получены только для одной высокоширотнойстанции.Для создания полной картины, описывающей реакцию нижней атмосферы накороткопериодные вариации ГКЛ в глобальном масштабе, была поставлена задачарасширитьобластьатмосферногоисследованийдавления,атакжеипроанализироватьэволюциюизменениябарическихсистемприземноговсвязискороткопериодными вариациями ГКЛ как в северном, так и в южном полушарии.Исследования вариаций давления в ходе форбуш-понижений ГКЛ в глобальноммасштабепредставляютбольшойинтерес,посколькупозволяютпроследитьпространственную структуру вариаций атмосферного давления и сравнить результаты,полученные для разных полушарий.2.2 Пространственное распределение эффектов форбуш-понижений ГКЛ ввариациях атмосферного давления в северном и южном полушарииВ работе использовались среднесуточные значения геопотенциальных высотизобарического уровня 1000 гПа по данным реанализа NCEP/NCAR [115].