Диссертация (Влияние вариаций космических лучей на динамические процессы в нижней атмосфере Земли), страница 7

Действительно, модельные расчеты, проведенные в работах Дж. Хай [102-107],показали, что наблюдаемое в годы максимумов 11-летних солнечных цикловвозрастание концентрации озона на ~ 2-3% приводит к повышению температурыстратосферы на несколько градусов, что вызывает изменения скорости зональноговетра, достигающие в зимний период величины ~ 1 м/с. см. рис. 1.8.Согласноимеющимсяданным,солнечнаяизменчивостьвближнемультрафиолете проявляется в основном на временных шкалах длительностью от 27-дней(период обращения Солнца вокруг своей оси) до 11 лет (длительность основного цикласолнечной активности). Таким образом, озонный механизм может работать только науказанных временных шкалах.

Невозможность эффективного проявления действияданного механизма на коротких временных шкалах обусловлена отсутствием суточныхвариаций интенсивности солнечного ультрафиолетового излучения [напр., 93], а такжесложностью быстрой передачи возмущения из верхней стратосферы в тропосферу.36Рис. 1.8. Среднее значение скорости зонального ветра в январе по данным модельныхрасчетов (а), отклонения скорости зонального ветра, вызванные вариациями ультрафиолетовогоизлучения в солнечном цикле (b).

Рисунок заимствован из работы [107].Изменения температурного режима стратосферы, приводящие к вариациямскорости зонального ветра, могут влиять на тропосферную циркуляцию посредствомизменения условий распространения планетарных волн. В настоящее время имеетсябольшое число работ, посвящённых исследованиям в данной области. В обзорахАвдюшина и Данилова [1] и Пудовкина [154] приведено описание одного из возможныхмеханизмов влияния солнечной активности на циркуляцию тропосферы посредствомизменения условий распространения планетарных волн. Известно, что в атмосфересуществует целый спектр планетарных волн, обладающих довольно большойамплитудой. Планетарные волны представляют собой, фактически, распространениевозмущения в полях температуры или давления вдоль широты.

Проникновение данныхволн из тропосферы в стратосферу в высокой степени зависит от интенсивностизонального потока стратосферы. При скорости западного переноса в стратосфере,превышающей некоторую критическую величину Vкр., планетарные волны “запираются”в тропосфере и не проникают в верхние слои атмосферы. Когда скорость западногопереноса в стратосфере близка к критической, незначительное изменение термического37режима стратосферы в связи с вариациями интенсивности ультрафиолетового излученияСолнца или других космофизических факторов может привести к возрастанию скоростизонального переноса выше Vкр., что будет препятствовать проникновению планетарныхволн в верхние слои атмосферы.

“Запирание” планетарных волн в тропосфере приводитк диссипации их энергии, которое сопровождается нагревом тропосферы и изменениемтопографии её барического поля. При этом энергия формируемых барическихобразований может в несколько раз превышать энергию, поглощаемую озоном изсолнечного излучения.381.2.3 Вариации прозрачности атмосферы и состояния облачностиПоскольку модуляция поступающей в нижнюю атмосферу солнечной энергииобусловлена изменениями её оптических свойств, т.е. вариациями прозрачности, а такжесостояниемоблачногопокрова,указанныепараметрыявляютсяважнымиклиматообразующими факторами. Вариации прозрачности атмосферы могут бытьсвязаныкаксизменениямиеёхимическогосостава(концентрациеймалыхсоставляющих атмосферы H2O, O3, NO2 и др.), так и с изменениями характеристикаэрозольных частиц.

В качестве агента, эффективно воздействующего на физикохимические процессы в атмосфере, могут выступать космические лучи солнечного игалактического происхождения, интенсивность потоков которых в высокой степенимодулируется солнечной активностью.Галактическиевысокоэнергичныекосмическиезаряженныечастицы,лучи(ГКЛ)приходящиепредставляютнаЗемлюизсобоймировогопространства. Около 92% частиц ГКЛ являются протонами, ~ 6% составляют ядраатомов гелия, ~ 1% приходится на долю более тяжёлых атомных ядер и ~ 1%составляют электроны.

Причиной возникновения ГКЛ являются вспышки сверхновыхзвёзд. Поскольку сверхновые равномерно распределены в нашей галактике, поток ГКЛ,приходящий к Земле, изотропен и непрерывен. Его величина на границе атмосферыЗемли приблизительно равна 1 частице на 1 см2 в 1 секунду. Энергии ГКЛ варьируютсяв диапазоне от 107 до 1020 эВ [60]. На длиннопериодных временных шкалахинтенсивность потоков ГКЛ меняется в противофазе с солнечной активностью.Уменьшение потока ГКЛ в максимуме 11-летнего солнечного цикла происходитблагодаря экранированию Земли усилившимся магнитным полем солнечного ветра.Кратковременное резкое ослабление интенсивности ГКЛ, связанное, как правило, сгеомагнитным возмущением и обусловленное прохождением высокоскоростногопотока, называется форбуш-понижением, по имени американского исследователяС.

Форбуша, впервые открывшего данное явление в 1937 г. (Подробное описаниефорбуш-понижений приведено в Приложении 2).В отличие от галактических космических лучей, солнечные космические лучи(СКЛ) проявляют себя эпизодически, поскольку генерируются не постоянно, а лишь вовремя мощных хромосферных вспышек. Такие внезапные всплески интенсивности СКЛ39наблюдаются, как правило, в периоды наибольшей активности Солнца и называютсясолнечными протонными событиями (СПС). Величина потока СКЛ во время солнечнойвспышки может достигать величины 106 частиц на 1 см2 за 1 секунду, что значительнопревышает потоки ГКЛ.

Отличаются СКЛ также и по составу, на ~ 98-99% они состоятиз ядер водорода (протонов), и незначительного количества ~ 1-2% ядер гелия. СКЛтакже имеют более мягкий энергетический спектр по сравнению с ГКЛ, их энергияварьируется в диапазоне от 105 до 1010 эВ [60].Известно, что космические лучи являются главным источником ионизации втропосфере и стратосфере в диапазоне высот от ~3-4 до 50 км [81-83]. Максимумыионизации галактическими и солнечными космическими лучами наблюдаются навысотах 10-20 км и 20-60 км, соответственно (см. рис. 1.9 из работы Базилевской [82]). Вто же время, интенсивность потоков космических лучей в значительной степени зависитот солнечной активности.Рис.1.9. Скорость ионизации в полярной атмосфере в ходе солнечного протонногособытия 14.07.2000 [155] и связанная с вариациями интенсивности галактических космическихлучей в минимуме (1964) и максимуме (1959) 11-летнего солнечного цикла [141].

Рисунокзаимствован из работы [82].40С воздействием космических лучей связан оптический механизм солнечноземных связей, впервые предложенный Кондратьевым и Никольским [119] ивпоследствии развитый Пудовкиным и Распоповым [53, 54]. Суть данного механизмасостоит в следующем.

Вторгаясь в атмосферу Земли, космические лучи сталкиваются смолекулами газов, составляющих атмосферу, в том числе с молекулами кислорода O2 иазота N2, вызывая их диссоциацию и ионизацию. Это приводит к формированиюположительных ионов N2+, O2+, N+, O+, участвующих в различных фотохимическихреакциях, в результате которых выделяется оксид азота NO.

Далее оксид азота NO иатомарный кислород O каталитически разрушают молекулы озона О3 в ходе химическихреакций: NO + O3  NO2 + O2, NO2 + O  NO + O2 [напр., 31].Таким образом, ионизирующее влияние высокоэнергичных частиц, вторгающихсяв атмосферу Земли, стимулирует разрушение стратосферного озона и приводит кформированию двуокиси азота NO2.

Изменение химического состава атмосферы, в своюочередь, может вызывать изменения её радиационного режима, поскольку при этомизменяется пропускная способность атмосферы. Разрушение озона приводит кувеличению потока коротковолнового излучения Солнца в нижней атмосфере и наповерхности Земли вследствие уменьшения его поглощения озоном. В то же времяпоток радиации в сине-зелёной части спектра уменьшается, поскольку возрастает егопоглощение двуокисью азота NO2, обладающей широкой полосой поглощения в области350-550 нм, где сосредоточено около 25% энергии интегрального излучения Солнца.Изменения температурного режима атмосферы, происходящие вследствиевариацийпрозрачности,могутприводитькизмененияминтенсивностикрупномасштабной циркуляции.

Действительно, в работе Пудовкина и Распопова [54]показано, что уменьшение общего содержания озона, наблюдаемое в ходе интенсивныхсолнечных протонных событий в октябре 1989 г. сопровождалось значительнымиизменениями индекса меридиональной циркуляции атмосферы (см. рис. 1.10 из [54]).41Рис. 1.10. (а) – Вариация общего содержания озона (ед. доб.) на ст.

Соданкюля (1),ст. Осло (2), ст. Архангельск (3), ст. Рейкьявик (4) в октябре 1989 г.; (б) – вариация индексамеридиональной циркуляции атмосферы; (в) –данные нейтронного монитора ст. Апатиты.Источник [54].Первые экспериментальные подтверждения возможности действия оптическогофизического механизма были получены Кондратьевым и Никольским [30, 118]. Врезультате аэростатных экспериментов, проведённых с 1960-1970 гг было обнаружено,что метеорологическая солнечная постоянная (поток солнечной радиации в диапазоне340-2400 нм, поступающей в тропосферу и воздействующей на её термический режим)достигает максимума при значениях чисел Вольфа 50-70 и уменьшается, при болеевысоких и более низких значениях чисел Вольфа. Впоследствии авторами былопредположено, что причиной наблюдаемых вариаций прозрачности являются вариациисолнечных и галактических космических лучей [119].Дальнейшее исследование атмосферной прозрачности в связи с вариациямипотоков космических лучей было проведено в работах [59, 149].