Диссертация (Влияние вариаций космических лучей на динамические процессы в нижней атмосфере Земли), страница 9

Между обкладками конденсатора Земля-ионосферанаходится слабопроводящая атмосфера, дающая утечку заряда. В областях с яснойпогодой протекают токи, направленные к Земле, они невелики, но охватывают большуюплощадь, и, при отсутствии генератора, поддерживающего разность потенциалов междуповерхностью Земли и ионосферой, эти токи затухли бы с характерным временемпорядка 15 минут [113, 114]. В качестве такого генератора принято рассматриватьмировую грозовую активность.Действительно, согласно теории, предложенной Вильсоном [203], планетарнаяглобальная электрическая цепь представляет собой электрический контур, в которомимеется перенос положительного заряда от ионосферы к Земле, стремящийсянейтрализовать разность потенциалов между ними.

Над областями с грозовойактивностьюимеетсяинтенсивныйпереносположительногозарядавверх,компенсирующий направленный вниз перенос заряда в областях с ясной погодой.Теория Вильсона достаточно убедительна, поскольку подтверждается подобиемсуточных вариаций грозовой активности и градиента потенциала над океанами (см. рис.1.16).49Рис.

1.16. (а) - Суточная вариация вертикального электрического поля Еz вневозмущённых условиях: (1) - над Северным Ледовитым океаном, (2) - средняя вариация надвсеми океанами; (b) – суточные UT-вариации площади, занятой грозами: (1) – планетарнаявариация, (2) – территория Америки, (3) – территория Африки и Европы, (4) – территория Азиии Австралии, (5) – территория Новой Зеландии.Дальнейшее развитие данная теория получила в работах Марксона [38, 134, 135],предложившегорассматриватьглобальнуюэлектрическуюцепькакнаборпоследовательно соединённых активных сопротивлений и источника тока, которымявляется планетарная грозовая активность (см.

рис. 1.17). Согласно оценкам, сделаннымМарксоном, сопротивление столба воздуха, расположенного между верхней границейгрозовых облаков (h ≈ 13 км) и ионосферой (h ≈ 60 км), составляет 105-106 Ом.Сопротивление в области, расположенной между поверхностью Земли и нижнейграницей грозовых облаков (h ≈ 3-4 км), оценивается как 104-105 Ом. Замыкающийэлемент планетарной электрической цепи (области с ясной погодой) можнорассматривать как набор параллельно соединённых сопротивлений. В связи с этиминтегральное сопротивление атмосферы в области токов замыкания относительноневелико и составляет порядка 230 Ом [36].

Поверхность Земли и ионосфера в данноймодели считаются проводниками. Таким образом, общее сопротивление планетарного50контура и величина силы тока в нём в основном определяются сопротивлением столбавоздуха между грозовым генератором и ионосферой, т.е. на высотах 13-60 км.Ионизация воздуха в нижней атмосфере в основном происходит под влияниемэнергичных частиц космических лучей. В более высоких слоях за ионизацию атмосферыответственныпотокиультрафиолетовогоирентгеновскогоизлученияСолнца.Максимумы ионизации космическими лучами наблюдаются на высотах ~ 10-20 км(ГКЛ) и ~ 20-80 км (СКЛ) [82], т.е. в области грозового генератора и над ним.

Такимобразом, вариации потоков космических лучей могут оказывать значительное влияниена проводимость столба воздуха между грозовым генератором и ионосферой и темсамым модулировать интенсивность электрического тока во всём планетарном контуреи электрическое поле в областях с ясной погодой.Рис. 1.17. Схема глобальной токовой цепи [134].Согласно механизму Марксона [38, 134, 135], вариации электрического поляоказывают значительное влияние на микрофизические процессы, происходящие воблаках.

Усиление электрического поля в областях с хорошей погодой (т.е. неохваченных грозовой активностью), приводит к возрастанию разделения электрическогозаряда внутри облака. Электризацияоблака стимулирует развитие процессов51конденсации водяного пара и слияния мелких капелек воды в крупные дождевые капли,вследствие чего выделяется большое количество скрытого тепла парообразования. Еслидождевые капли не успевают испариться, а выпадают на поверхность Земли в видеосадков, то скрытое тепло парообразования остаётся в атмосфере и может статьэнергетическимисточникомизмененийциркуляции,связанныхссолнечнойактивностью. Интенсивное выпадение осадков, сопровождаемое выделением скрытоготепла парообразования, приводит к подъёму воздушных масс в низкоширотнойатмосфере и интенсификации экваториальной ячейки Хедли.

Данный процессстимулирует циркуляцию в среднеширотной ячейке Ферреля и приводит к усилениюконвергенции потоков воздуха в области её полярного фронта. В итоге в поясеумеренных широт происходит интенсификация меридиональной циркуляции атмосферыи блокирование зональных потоков. Что касается временной задержки передачивозмущения из экваториальной ячейки в область среднеширотной конвергенции, торасчеты, сделанные Марксоном, оценивают её длительность в 2-3 дня.Модель Марксона представляет несомненный интерес для исследователей, тем неменее, она не объясняет некоторые наблюдаемые явления метеорологическогохарактера. Например, экспериментальные данные свидетельствуют о том, что эффектывариаций космических лучей в нижней атмосфере носят широтный характер, т.

е.возмущение сначала появляется в высоких широтах и затем движется к низким. Такжеэкспериментально показано, что связанные с вариациями потоков космических лучейвозмущения в нижней атмосфере прослеживаются в основном в холодное время года, вто время как грозовая активность в умеренных широтах максимальна в теплоеполугодие.

Модель Марксона не даёт объяснения наблюдаемым сезонным ирегиональным эффектам вариаций космических лучей в состоянии нижней атмосферы.Также следует отметить, что результаты работы Тинсли и Дина [178], посвященнойисследованию вариаций индекса VAI в ходе форбуш-понижений ГКЛ, не подтверждаютгипотезу Марксона, поскольку в данной работе не обнаружено значимых измененийциркуляции на низких широтах, напротив, авторами показано, что вариациирассматриваемых потоков космических лучей приводят к изменениям циклоническойзавихрённости в поясе широт 40-65ºN.Дальнейшее развитие электрический механизм влияния солнечной активности надинамику атмосферы получил в работах Тинсли и соавторов [177-185].

В основу52данного механизма положено предположение о том, что напряженность вертикальногоэлектрического поля в областях с ясной погодой модулируется как скоростьюионизации атмосферы, так и изменениями ионосферного потенциала. Источникамиионизации атмосферы служат галактические космические лучи, солнечные протоны,электроны из радиационных поясов Земли. Изменения ионосферного потенциала могутпроисходить вследствие геомагнитных возмущений и/или пересечений Землёйсекторной структуры ММП в ходе её орбитального движения. На рис 1.18 из работы[183] приведена вариация величины ионосферного потенциала для меридиана “утровечер” в северном полушарии при значении Bz = -5.5 нТ и различных значениях By = 7/0/+7 нТ, разность потенциалов “утро-вечер” составляет 80 кВ.Рис.

1.18. Вариация ионосферного потенциала “утро-вечер” в северном полушарии приBz < 0 и различных значениях Bу. Рисунок взят из работы [183].Указанные вариации ионосферного потенциала, а также скорости ионизацииатмосферы приводят к изменению напряженности вертикального электрического поля итоков проводимости в областях с хорошей погодой. Вариации токов проводимостивлияют на скорость разделения электрических зарядов в облаке, от которой, в своюочередь, зависит протекание ряда микрофизических процессов внутри самого облака.

Кэтим процессам, по мнению Тинсли, относятся электрозамерзание “electrofreezing”[178], электровымывание аэрозольных частиц “electroscavenging” и обратный этомупроцесс“anti-electro-scavenging”[183-185].“Electrofreezing”представляетсобойзамерзание капелек термодинамически неустойчивой переохлаждённой до температуры53-5/-15ºС воды в облаках верхнего яруса. Скорость “электрозамерзания” напрямуюзависит от частоты столкновений переохлаждённых заряженных водяных капелек снезаряженными или противоположно заряженными частицами аэрозолей, а значит, отстепени ионизации атмосферы. Процесс вымывания аэрозольных частиц из облакападающими заряженными водными каплями, рост которых обусловлен увеличениемчастоты их столкновения с аэрозольными частицами и “слипания” в конгломераты,обозначается термином “electroscavenging”.

Обратный этому процесс сохранения инакопления аэрозольных частиц в облаке за счет уменьшения частоты столкновений,“коэффициента слипания” и вследствие этого уменьшения размеров водных капелекназывается “anti-electro-scavenging”.На рис. 1.19 из работы Тинсли [185] показаны процессы развития облака приразличных величинах токов проводимости в областях с хорошей погодой. При высокихзначенияхтоковпроводимостиразвиваетсяпроцесс“electro-anti-scavenging”,увеличивается концентрация водяных капелек малого размера, что способствуетуменьшению выпадения осадков из облака.

Капли малого размера поднимаютсявосходящими потоками воздуха выше уровня замерзания, затем они приходят внестабильноепереохлажденноесостояние.Этоспособствуетразвитию“электрозамерзания” с последующим выделением скрытого тепла льдообразования воблаках высокого яруса, за счет которого происходит интенсификация циклоническихобразований и усиление циркуляционных процессов в атмосфере.Рис. 1.19. Процесс развития облака при низких (левая панель) и высоких (правая панель)значениях токов проводимости [162, 185].54Принизкихзначенияхтоковпроводимостиразвиваетсяпроцесс“electroscavenging”, т.е.