Диссертация (Влияние вариаций космических лучей на динамические процессы в нижней атмосфере Земли), страница 5

Спектры вариаций чисел Вольфа (W), зимней температуры в Санкт-Петербурге(Тwinter) и индекса геомагнитной активности С9. Вертикальными красными линиями отмеченыгармоники, соответствующие периодам 11 лет и 22-23 года. Источник [51].Заметный прогресс в понимании природы эффектов солнечной активности надекадной временной шкале был достигнут благодаря работам группы К. Лабицке [121126, 192-194].

В данных работах было показано, что отклик атмосферы на 11-летниевариации солнечной активности обнаруживает зависимость от фазы квазидвухлетнихколебаний направления и скорости ветра в экваториальной стратосфере (КДК).Впервые зависимость от фазы КДК была обнаружена Лабицке при анализевариаций зимних температур полярной стратосферы (Т ºС) на уровне 30 мбар взависимости от интенсивности потока солнечного радиоизлучения на длине волны10,7 см (F10,7) [121]. Автором было показано, что коэффициент корреляции между24исследуемыми рядами существенно возрастает, если рассматривать отдельно годы сразличнымифазамипредставляютэкваториальнойсобойквазидвухлетнихвариациистратосфереколебаний.скоростиидлительностьюКвазидвухлетниенаправленияот22дозонального34месяцев,колебанияветравсредняяпродолжительность КДК составляет около 28 месяцев.

Амплитуда колебаний скоростизонального ветра максимальна в слое 19–31 км над экватором и в среднем составляетоколо +/-20 м/с [напр., 31, 69]. Причиной возникновения КДК является нелинейноевзаимодействие распространяющихся вверх экваториальных гравитационных волн сосредним зональным потоком [70, 109, 110, 159].Согласно данным Лабицке [121], при западной фазе КДК коэффициенткорреляции между температурой и интенсивностью радиоизлучения F10,7 достигаетвеличины r = 0,78 (значимость 0.99), при восточной фазе равен r = 0,34 и статистическинезначим, в то время как за весь рассматриваемый период он не превышает r = 0,14 (см.рис.

1.4). Дальнейшие исследования в этой области, проведённые группой Лабицке [122124, 192] показали, что температура и давление нижней атмосферы для всего северногополушария испытывают аналогичные вариации в солнечном цикле в зависимости отфазы КДК.Подобнаязависимостьпрослеживаетсятакжеприанализедругихметеорологических характеристик. Например, Тинсли и др. [176] было показано, чтосмещение к северу траекторий североатлантических циклонов в минимумах солнечнойактивности (при максимуме потоков ГКЛ) более выражено при западной фазе КДК.Лабицке [123] обнаружили, что число циклонов в западной части Северной Атлантикипонижается в периоды максимумов солнечной активности (при минимуме потоков ГКЛ)также при западной фазе КДК. Пудовкиным и Веретененко [151] было показано, что призападной фазе КДК лучше выражена связь между интенсивностью зональнойциркуляции и вариациями ГКЛ. Аналогичная зависимость от фазы КДК была выявленатакже при исследовании связей между потоками приходящей суммарной солнечнойрадиации и различными солнечными/геофизическими индексами [16, 195, 197].

Вработе Бошничка и др. [85] показано, что среднемесячная температура северногополушария при восточной фазе КДК лучше коррелирует с геомагнитной активностью,характеризуемой величиной Кр индекса, а при западной фазе КДК – с числами Вольфа.25Рис. 1.4 Вариации температуры полярной стратосферы на изобарическом уровне30 мбар,осредненныезаянварь-февраль1956-1989 гг.(штрихпунктирнаялиния)иинтенсивность солнечного радиоизлучения на длине волны 10,7 см (сплошная линия). (a) – безразделения по фазам КДК (r = 0,13), (b) – западная фаза КДК (r = 0,73), (c) – восточная фазаКДК (r = -0,44). Источник [124].26Таким образом, учет фазы квазидвухлетних колебаний атмосферы позволилвыявить статистически значимые эффекты солнечной активности в масштабе 11-летнегоцикла.

Результаты указанных выше работ показывают, насколько важно приисследовании солнечно-земных связей учитывать внутриатмосферные процессы.Следует отметить, что наиболее статистически значимый отклик солнечнойактивности в вариациях атмосферных параметров получен на короткопериодныхвременных шкалах. Мустелем и его группой [45, 46] были проанализированы вариацииприземного атмосферного давления в ходе геомагнитных возмущений. Исследованияпоказали, что время реакции атмосферы составляет около 3 суток, при этоммаксимальные изменения давления наблюдаются в высокоширотном поясе в зимнийпериод (декабрь-февраль). Важным результатом исследований Мустеля было выявлениерегиональности отклика атмосферного давления на геомагнитные возмущения.В работах Шуурманса и Орта [76, 166, 167] были рассмотрены эффектысолнечных вспышек в глобальной атмосферной циркуляции.

Авторы обнаружили, чтопосле сильных вспышек на Солнце наблюдается заметное изменение высотизобарического уровня 500 мбар в умеренных и высоких широтах северного полушария.При этом имеет место чередование ячеек подъёма и опускания указанного уровня, чтотакже показывает региональный характер атмосферного отклика.В работах МакДональда и Робертса [132], Робертса и Олсона [161], исследовалосьвлияние геомагнитных возмущений на развитие тропосферных циклонов в севернойчасти Тихого океана с использованием индекса циклонической завихренности VAI (см.Приложение 1). В ходе геомагнитных возмущений было обнаружено увеличениеиндекса VAI, что свидетельствует об усилении циклонической активности.

Олсоном сколлегами [144] были обнаружены вариации индекса VAI на уровне 500 мбар всеверном полушарии в связи с мощными солнечными вспышками, вызывающимигеомагнитные возмущения. В первые два дня после начала вспышки происходит резкоевозрастание величины индекса VAI на 5-10 %. Далее, по мере развития геомагнитноговозмущения, индекс VAI уменьшается на 5-10 % и достигает минимального значения на3й-4й день после начала вспышки.Эффекты геомагнитных возмущений рассматривались также в работах Пудовкинаи Бабушкиной [148].

Авторами было показано, что в ходе интенсивных геомагнитныхбурь (Кр  35) наблюдаются значительные изменения скорости зональной циркуляции27атмосферы (см. рис. 1.5). Интенсивность зональной циркуляции характеризуетсяиндексом Блиновой, который записывается как: A = 103/, где  - угловая скоростьдвижения атмосферы относительно Земли в широтном поясе 45-60ºN,  - угловаяскорость вращения Земли [3]. В работе было обнаружено, что зональная циркуляциятропосферы начинает усиливаться за два дня до начала геомагнитного возмущения идостигает максимума на +1й день после его начала. В последующие дни наблюдаетсяослабление циркуляции с минимумом на 4й-5й день.

Авторы интерпретировалипервоначальное усиление зональной циркуляции как эффект солнечных вспышек.Последующее ослабление циркуляции объяснялось влиянием форбуш-пониженийгалактических космических лучей, которые, как правило, сопровождают геомагнитныевозмущения.Рис. 1.5. Вариации индекса Блиновой на изобарических уровнях 700, 500 и 300 мбар входе развития интенсивных геомагнитных возмущений. Источник [148].28Помимо эффектов геомагнитных возмущений и солнечных вспышек, в ряде работбыло обнаружено влияние секторных границ межпланетного магнитного поля (ММП)на вариации атмосферного давления [34, 35], индекса циклонической завихренностиVAI [68, 201, 202] и крупномасштабную атмосферную циркуляцию [32, 33]. Авторы[127] обращают внимание на понижение точности краткосрочных метеопрогнозов на15% в первые несколько дней после пересечения Землёй секторных границ ММП.

Вработе Сытинского и др. [65] обнаружено, что реакция атмосферы на резкое повышениеконцентрации частиц солнечного ветра зависит от полярности сектора ММП, в которомна момент возмущения находится планета. При положительной полярности ММПнаблюдается усиление зональной циркуляции атмосферы северного полушария наизобарическом уровне 700 гПа, при отрицательной полярности происходит ослаблениезональной циркуляции атмосферы.Таким образом, приведённые выше данные свидетельствуют о значительномвлиянии различных проявлений солнечной активности на состояние нижней атмосферы.Отклик различных атмосферных параметров на вариации солнечной активностипроявляется в широком спектре временных шкал, начиная от нескольких дней (погода)и заканчивая вековыми вариациями (изменения климата).

При этом геомагнитные бури,солнечные вспышки, форбуш-понижения и секторная структура ММП оказываютвлияние на состояние нижней атмосферы преимущественно на коротких временныхшкалах.Следует отметить, что солнечно-атмосферные связи обнаруживают значительнуюпространственно-временную изменчивость, которая может быть обусловлена, вопервых, региональными особенностями атмосферных процессов, и, во-вторых,влияниемсобственныхкрупномасштабныхдвиженийатмосферы,такихкакквазидвухлетние колебания скорости ветра в экваториальной стратосфере [121-123, 192]и явления Эль-Ниньо [98, 138, 139, 207].

Значительное влияние на характер солнечноатмосферных связей могут также оказывать мощные вулканические извержения,приводящие к изменению аэрозольной концентрации в тропосфере и нижнейстратосфере [80, 180, 207]. Таким образом, проблема влияния солнечной активности насостояние нижней атмосферы является достаточно сложной, на настоящий момент онадалека от завершения и требует дальнейших исследований.291.2 Физические механизмы воздействия солнечной активности на погоду и климатЗемлиИмея в виду многообразие проявлений солнечно-земных связей описанное впредыдущем разделе данной главы, логично предположить наличие несколькихразличных механизмов влияния солнечной активности на состояние нижней атмосферы.По-видимому, данные механизмы действуют одновременно на разных временныхшкалах и в разных регионах земного шара, взаимно дополняя, либо компенсируя другдруга.Прежде всего, рассмотрим вопрос о физических агентах, которые могутпередавать возмущения, создаваемые солнечной активностью, из межпланетной среды внижнюю атмосферу.