Диссертация (Влияние вариаций космических лучей на динамические процессы в нижней атмосфере Земли), страница 8

Как показали42исследования, в ходе развития геомагнитного возмущения, сопровождающегосяпонижением интенсивности ГКЛ, наблюдается увеличение потоков прямой солнечнойрадиации на поверхности Земли в авроральной (65-75ºN) и субавроральной зонах (5562ºN) на 5-10% (см. рис. 1.11 из работы [149]). С другой стороны, результатынаблюдений за атмосферной прозрачностью в связи с солнечными протоннымисобытиямисэнергиямичастицЕ > 25 МэВпоказали,чтоданныесобытиясопровождаются значительным понижением спектральной прозрачности на длиневолны λ = 344 нм на высокоширотных станциях (Апатиты и Мурманск) (см.

рис. 1.12 изработы [59]). Таким образом, приведённые выше экспериментальные данныесвидетельствуют о том, что космические лучи действительно могут выступать вкачестве агента, модулирующего прозрачность и радиационный режим атмосферы..Рис. 1.11. (а) – Вариации прямой солнечной радиации, наблюдаемые в ходегеомагнитного возмущения, в авроральной (1) и субавроральной (2) зонах; (b) – вариацияпотоков ГКЛ на ст. Апатиты   67 (1) и ст. Москва   55 (2), вариация геомагнитногоиндекса 8Kp (3).

Рисунок заимствован из работы [149].43Рλ,%t, daysРис. 1.12. Вариации прозрачности на длине волны λ = 344 нм в связи с интенсивнымисолнечными протонными событиями. (1) – ст. Мурманск (30.04.1976 г.); (2) – ст. Архангельск(03.04.1979 г.); (3) – ст. Архангельск (17.08.1979 г.). Рисунок заимствован из работы [59].Гипотеза об изменениях облачности в связи с явлениями солнечнойактивности была впервые выдвинута в работе Робертса и Олсона [161]. Авторыпредположили, что тормозное рентгеновское излучение, генерируемое авроральнымиэлектронами, приводит к увеличению стратосферной ионизации, способствующейобразованию перистых облаков.

Дальнейшее развитие гипотеза о вариациях состоянияоблачности под действием различных космофизических факторов получила в работахДикинсона [92], Ю и Турко [190, 205-207], а также Тинсли и др. [177-180]. В основеданных механизмов лежит предположение о том, что скорость образования иначального роста облачных частиц зависит от степени ионизации атмосферы. В своюочередь, облачность является эффективным регулятором радиационных процессов ватмосфере: от состояния облачного покрова зависят как потоки приходящей, так иуходящей солнечной радиации. Действительно, согласно оценкам, сделанным в работеШнейдера [165], изменение облачного покрова на 8% равносильно изменениюсолнечной постоянной S0 на 2%.Рассмотрим механизмы влияния скорости ионизации на состояние облачностиболее подробно.

Известно, что процесс формирования атмосферного аэрозоля включаетв себя несколько этапов. На первом из них происходит образование кластеров частиц44диаметром около 1 нм из паров воды и малых составляющих атмосферы. Согласномеханизму, предложенному Дикинсоном [92], в качестве такой малой составляющейможет выступать серная кислота Н2S04, большие концентрации водных растворовкоторой обнаружены в нижней стратосфере на высоте ~ 12 км в полярных широтах ивыше ~ 18 км в экваториальных. Далее происходит рост зародышевых частиц аэрозолей.Сначала они превращаются в ядра конденсации с диаметром до 10 нм, затем, по мередальнейшего роста, в аэрозольные частицы, диаметр которых значительно больше идостигает 0.5 мкм.

Дикинсон предположил, что данные процессы протекают болееинтенсивно, если в атмосфере присутствуют ионы, источником которых служаткосмические лучи. Увеличение концентрации аэрозольных частиц, служащих ядрамиконденсации, способствует формированию перистой облачности, влияющей наинтенсивность уходящей длинноволновой радиации, тем самым меняя тепловой балансатмосферы. Согласно оценкам, сделанным Дикинсоном, изменения температуры в связис вариациями перистой облачности могут привести к изменению скорости зональногопереноса в атмосфере на ~ 2 м/с.Предположение о влиянии изменений атмосферной ионизации на скоростьформирования стратосферных аэрозолей, способных выступать в качестве ядерконденсации для облачных частиц, подтверждается результатам моделирования.Согласно данным, приведённым в работах Ю и Турко [190, 205-207], возрастаниескорости ионизации в нижней атмосфере на 20% приводит к росту концентрации частицс диаметром 3-10 нм на 5-10%. В ряде экспериментальных работ также обнаружензначительный рост аэрозольной концентрации на различных высотах: ~ 10 км [41], ~ 1015 км [170], ~ 10-14 км и ~ 18-22 км [18], ~ 15-25 км [57], а также ~ 45 км [37],происходящий в связи с мощными солнечными протонными событиями.

Следуетотметить, что рост концентрации атмосферного аэрозоля, обусловленный усилениемионизации атмосферы, может как сам по себе приводить к уменьшению потоков прямойсолнечной радиации на поверхности Земли за счет её рассеяния на частицах аэрозоля,так и способствовать интенсификации процессов облакообразования с последующимизменением теплового баланса атмосферы.Впервые работа по исследованию вариаций облачности в связи с явлениямисолнечной активности была проведена Дмитриевым и Ломакиной [24]. Авторами былопоказано, что всплески рентгеновского излучения Солнца сопровождаются увеличением45облачности. При этом наиболее выраженные эффекты наблюдались в умеренныхширотах северного полушария. Далее, вариации общей облачности в связи скороткопериодными вариациями потоков космических лучей были обнаружены в рядеработ российских авторов [14, 15].

Так, исследования Веретененко и Пудовкинапоказали, что форбуш-понижения галактических космических лучей сопровождаютсяуменьшением облачного покрова (см. рис. 1.13 из работы [14]), а всплески солнечныхкосмических лучей с энергиями частиц Ep > 90 МэВ, напротив, вызывают возрастаниеоблачности (см. рис. 1.14 из работы [15]). Указанные вариации общей облачности вобоих случаях наблюдались в поясе умеренных и высоких широт  > 60ºN, что,вероятно, обусловлено эффектом геомагнитного обрезания потоков высокоэнергичныхчастиц в атмосфере Земли.

Вариации облачного покрова в ходе короткопериодныхвозмущений потоков ГКЛ также были обнаружены в работах Тодда и Найвтона [117,186, 187], выполненных на основе анализа спутниковых данных. В частности, авторамибыло показано, что форбуш-понижения ГКЛ сопровождаются уменьшением облачностивысокого яруса над Антарктикой.Рис. 1.13. Вариации общей облачности в ходе форбуш-понижений ГКЛ для различныхширотных поясов в течение зимнего (1) и летнего (2) периодов. Источник [14].46Рис. 1.14. Вариации общей облачности на четырёх высокоширотных станциях( > 60ºN) в ходе всплесков СКЛ с энергиями частиц Ep>90 МэВ (левая панель). Зависимостьамплитуды эффекта от геомагнитной широты станции (правая панель).

Источник [15].Эффекты вариаций потоков ГКЛ на состояние облачности в глобальном масштабебыли проведены в работе Свенсмарка и Фрииса-Кристенсена [174]. Авторами былаобнаружена положительная корреляция (r = 0.8) между аномалиями облачного покроваи интенсивностью потоков ГКЛ в масштабе 11-летнего цикла для периода 1983 1995 гг., наиболее выраженная в поясе умеренных широт над океанами. Впоследующих работах Маршем и Свенсмарком [136, 137], а также Пале и Батлером[145] было показано, что с вариациями потоков ГКЛ лучше всего коррелируютаномалии облачности нижнего яруса (r = 0.63), в то время как для верхней и среднейоблачности такая зависимость не наблюдалась (см. рис.

1.15 из работы [137]).47Рис. 1.15. Среднемесячная вариация глобальных аномалий значения облачности (a) верхнего (h > 6.5 км), (b) - среднего (h < 6.5 и h >3.2 км) и (c) - нижнего ярусов (h < 3.2 км)(синяя кривая). Вариация потоков ГКЛ на ст. Клаймакс (красная кривая). Источник [137].В работе Усоскина и др. [191] показан региональный характер корреляциианомалий облачности нижнего яруса с расчетными величинами ионизации втропосфере, индуцируемой космическими лучами.

Тем не менее, исследованияотдельных авторов не подтвердили приведённые выше результаты, что позволилоусомниться в наличии влияния ГКЛ на состояние облачного покрова [90, 95-97, 146,172]. Таким образом, обнаруженные противоречия свидетельствуют о том, что проблемасвязи состояния облачности с вариациями потоков ГКЛ является достаточно сложной итребует дальнейших исследований.481.2.4 Вариации параметров глобальной электрической цепиДанный механизм влияния солнечной активности на состояние нижнейатмосферы связан с вариациями параметров глобальной электрической цепи (ГЭЦ),происходящими под действием потоков космических лучей, солнечных вспышек ипересечением Землей секторных границ межпланетного магнитного поля.Согласноклассическойтеорииатмосферногоэлектричества[напр.,67]поверхность Земли и ионосферу можно рассматривать как сферический конденсатор,положительно заряженной обкладкой которого является ионосфера, а отрицательнозаряженной – поверхность Земли.