Диссертация (Влияние вариаций космических лучей на динамические процессы в нижней атмосфере Земли), страница 6

Для оценки уровня солнечной активности обычно пользуютсячислами Вольфа, являющимися численной характеристикой количества активныхобластей на Солнце, в которых наблюдается повышенное магнитное поле и более низкаятемпература, вследствие чего в телескоп они видны как темные пятна на ярком дискеСолнца. Вариация чисел Вольфа достаточно хорошо отражает изменения солнечнойактивности в ходе 11-летнего цикла.Тем не менее, следует отметить, что числа Вольфа, которые в большинстверанних работ использовались для поиска корреляций между солнечной активностью исостоянием нижней атмосферы, могут служить только для оценки общего уровняактивности Солнца в 11-летнем и более длительных солнечных циклах.

Количествоэнергии, передаваемое в нижнюю атмосферу Земли в ходе солнечных возмущений, несвязано непосредственно с количеством пятен на Солнце. Таким образом, числа Вольфане могут рассматриваться как физический агент солнечной активности, передающийвозмущение в нижнюю атмосферу. Поэтому, говоря о механизмах солнечно-земныхсвязей, целесообразно в первую очередь обратить внимание на те физические агенты,которые могут служить посредниками между активными процессами на Солнце иразличнымипараметраминижнейатмосферы.Вкачестветакихагентоврассматриваются интенсивность солнечного излучения в видимой и ближнейинфракрасной областях спектра (солнечная постоянная S0, TSI – total solar irradiance),интенсивность ультрафиолетового излучения Солнца (UV – ultra violet), потоки30солнечных (СКЛ) и галактических космических лучей (ГКЛ) и межпланетное магнитноеполе (ММП).С каждым из указанных физических агентов связан один или несколькомеханизмов солнечно-земных связей, описание которых приведено в обзорахАвдюшина и Данилова [1], Пудовкина [154]:1.

Непосредственный разогрев атмосферы в связи с вариациями интенсивностисолнечного излучения в видимой и ближней инфракрасной областях спектра,которые обусловлены изменениями солнечной активности на долгопериодныхвременных шкалах;2. Вариации концентрации атмосферного озона, связанные с изменениямиинтенсивности солнечного излучения в ультрафиолетовой области, влияющие натепловой баланс стратосферы и её крупномасштабную циркуляцию;3.

Вариации прозрачности атмосферы (концентрации оптически активных газов,аэрозолей) и облачности, обусловленные изменениями скорости ионизации внижней атмосфере в связи с вариациями потоков космических лучей;4. Изменения параметров глобальной электрической цепи (потенциала ионосферы,вертикальныхатмосферныхтоков)происходящиевследствиевариацийинтенсивности ММП и/или потоков космических лучей и приводящие кизменениям скорости образования облаков.Остановимся на каждой из перечисленных гипотез подробнее и опишем ихэкспериментальные и теоретические обоснования.311.2.1 Вариации интенсивности солнечного излучения в видимом диапазонеспектра (солнечной постоянной, S0)Общий поток волновой солнечной энергии, приходящей к Земле, характеризуетсясолнечнойпостояннойS0.Излучение,приходящееотСолнца,обуславливаетнепосредственный разогрев Земли и атмосферы, являясь основным источником энергиидля атмосферной циркуляции.

Спутниковые измерения интенсивности солнечногоизлучения в видимом диапазоне спектра (total solar irradiance - TSI) производятся,начиная с 1978 года. На рис. 1.6 приведены вариации чисел Вольфа, а также вариацииS0, измеренные на ряде спутников в ходе 11-летнего цикла солнечной активности.Рис. 1.6 Интегральный поток солнечного излучения, измеренный на ряде спутников исреднемесячные значения числа солнечных пятен.

По данным работы [100].Как видно из рисунка, изменения солнечной постоянной происходят в фазе с 11летними вариациями солнечной активности. По данным ряда авторов, солнечнаяпостоянная испытывает также короткопериодные вариации порядка суток [204] инесколькихнедель[160].ПричинойвариацийсветимостиСолнцаявляется32суперпозиция эффектов темных солнечных пятен и ярких фотосферных факелов.Солнечные пятна являются активными областями на Солнце, в которых наблюдаетсяповышенное магнитное поле, препятствующее конвекции плазмы, вследствие чегопятна имеют более низкую температуру и видны в телескоп как более темные областина ярком диске Солнца. Температура в центре солнечного пятна составляет ~ 5420 К,что намного меньше, чем температура окружающей его фотосферы ~ 6050 К.Эффективная температура солнечного факела составляет 6200 К [131]. Отношениеобщей площади поверхности Солнца, занятой пятнами, к суммарной площади факеловостаётся постоянной на протяжении последних солнечных циклов [напр., 91].Интенсивность факелов возрастает в максимуме 11-летнего цикла солнечнойактивности.

При этом общий вклад ярких факелов в светимость Солнца вдвоепревышает вклад темных солнечных пятен [99, 128], и величина S0 также возрастает. Всвязи с тем что, вклад факелов в величину S0 становится больше, когда онирасположены ближе к лимбу [напр., 188], данные эффекты могут обуславливать также27-дневные вариации солнечной постоянной S0, связанные с вращением Солнца вокругсвоей оси.Анализ измерений солнечной постоянной на спутнике Нимбус-7 за период с 1978по 1991 гг. показал, что связь между S0 и количеством солнечных пятен (W) может бытьвыражена следующей формулой [112].S0=1371.32 + (0.0070.00069)∙W(1.2.1)Согласно приведённой формуле, вариации солнечной постоянной в ходе 11летнего солнечного цикла при изменении числа пятен от 0 в его минимуме до 200 вмаксимуме, составляют 1.46 Вт/м2, что составляет ~0.1%.

Таких вариаций светимостиСолнцанедостаточно,чтобывызватьзначительныйатмосферныйоткликнакороткопериодных и декадных временных шкалах. Согласно оценкам, приведённым вработе [200], возрастание солнечной постоянной в максимуме 11-летнего циклаприводит к незначительному росту глобальной температуры атмосферы Т ~0.1%.

Темне менее, принимая во внимание тот факт, что разогрев атмосферы в основномпроисходит благодаря поглощению солнечной радиации поверхностью Земли, котораязатем переизлучается в виде инфракрасной радиации, небольшие по амплитуде33вариации солнечной постоянной могут давать заметные эффекты в масштабе вековогоцикла солнечной активности. Свидетельством влияния вариаций полного потокасолнечной радиации на климат Земли на вековых временных шкалах являютсясовпадения максимумов и минимумов (экстремумов) общего потока волновойсолнечной энергии с периодами глобального потепления и похолодания (см. рис.

1.1 изработы Эдди [94]).В работе [129] была проведена реконструкция солнечной постоянной с 1610 г. доконца ХХ века. Обнаружено, что до 1800 г. вариации солнечной постоянной довольнохорошо коррелируют с температурными аномалиями в северном полушарии (r = 0.86),тогда как для периода после 1800 г.

коэффициент корреляции несколько ниже (r = 0.73).Авторы объясняют это тем, что до 1800 г. вариации температуры северного полушарияопределялись, в основном, влиянием солнечной активности. Более позднее снижениекоэффициентакорреляции,по-видимому,связаносвлияниемнаатмосферуиндустриального периода ХХ века. В данной работе также проведена экстраполяциясвязи солнечной постоянной и приповерхностной температуры в доиндустриальныйпериод (ранее 1860 г.) и показано, что наблюдаемый в конце ХХ века рост среднейтемпературы атмосферы приблизительно на 1/3 может быть объяснён усилениемсолнечной активности и на 2/3 объясняется влиянием антропогенного фактора.Таким образом, вариации солнечной постоянной S0 практически не даютэффектов в масштабе 11-летнего солнечного цикла, но могут оказывать значительноевлияние на атмосферу и климат Земли на более длительных временных шкалах.341.2.2 Вариации интенсивности солнечного излучения в ультрафиолетовойобластиКак показали спутниковые измерения, ультрафиолетовое излучение Солнца входе 11-летнего цикла испытывает бóльшие по амплитуде вариации, чем излучение ввидимой области спектра (см.

рис. 1.7). Солнечный ультрафиолет с длинами волнλ = 175-200 нм (полосы Шумана-Рунге) и λ = 180-240 нм (континуум Герцберга)вызывает фотодиссоциацию молекулярного кислорода с последующим образованиемстратосферного озона. Наибольшие концентрации озона наблюдаются в стратосфере навысотах от 15 до 35 км. Озон является малой газовой составляющей, котораяэффективно поглощает ультрафиолетовое излучение на длинах волн λ = 220-290 нм(полоса Хартли), что приводит к разогреву верхней и средней стратосферы [2].Рис. 1.7 Спектр солнечного излучения (верхняя панель), интенсивность вариациисолнечного излучения в ходе 11-летнего цикла (нижняя панель). Источник [130].С вариациями интенсивности солнечного излучения в ультрафиолетовой областисвязан озонный механизм, согласно которому вариации концентрации озона,обусловленные действием ультрафиолетового излучения Солнца, приводят к изменению35температуры и циркуляции в стратосфере. Первое количественное обоснование данногомеханизма было предложено в работе Ракиповой [56], которая исследовала влияниевариаций озона на среднюю глобальную температуру воздуха у поверхности Земли.Впоследствии озонный механизм развивался в работах Келлиса и Нили [89], Деминова идр.

[22, 23], Брассера и Симона [86], а также Дж. Хай [102-107] и Шинделла [164].Согласно теории, изложенной в работе [102], образование стратосферного озонавызывается ультрафиолетовым излучением Солнца с более короткими длинами волн,чем то, которое ответственно за разрушение озона. Поскольку амплитуда вариацийсолнечного изучения в ультрафиолетовой области увеличивается с уменьшением длиныволны, скорость образования озона модулируется солнечной активностью болееинтенсивно, чем скорость его разрушения.

Это приводит к тому, что в периодымаксимумов солнечной активности скорость образования стратосферного озонапревышает скорость его разрушения, и концентрация стратосферного озона возрастает.Таким образом, вариации интенсивности ультрафиолетового излучения Солнцаприводят к изменению концентрации озона, от которой в значительной степени зависиттемпература стратосферы. Вариации стратосферной температуры в свою очередьприводят к изменениям интенсивности атмосферной циркуляции по всему земномушару.