Диссертация (1145308), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Глубина проникновения варьирует взависимости от энергии частиц: до ~90 км для электронов с энергией 30 кэВ и до ~50 км дляэлектронов с энергией 2 МэВ [Turunen et al., 2009]. Несмотря на то, что релятивистскиеэлектроны достигают только высот мезосферы, генерируемое ими тормозное рентгеновскоеизлучение может достигать высот ~30 км (верхняя стратосфера).Авроральные электроны ~1 – 30 кэВ. Авроральные электроны с энергиями от ~1 до 30кэВ относятся к низкоэнергичной (мягкой) компоненте авроральной радиации. Указанныечастицы высыпаются из магнитосферного плазменного слоя, который располагается вовнешней магнитосфере, но также заходит и в область квазизахвата (область авроральнойрадиации). Область квазизахвата, расположенная за внешним радиационным поясом,проецируется на геомагнитные широты выше 60º и совпадает с областью максимальнойчастоты повторяемости полярных сияний.
Высыпания авроральных электронов происходятвнутри аврорального овала в диапазоне геомагнитных широт 60−75º во время магнитосферныхсуббурь и сопровождаются полярными сияниями, возникающими в результате возбужденияатомов и молекул атмосферы высыпающимися частицами. Энергия электронов поглощаетсяглавным образом на высотах нижней термосферы (выше 90 км). Высыпание авроральныхчастиц приводит к усилению ионизации в полярной ионосфере.С вариациями потока заряженных частиц в атмосфере связывают ряд механизмовсолнечно-атмосферныхсвязей,включающихизмененияатмосфернойпрозрачностииоблачности, характеристик глобальной электрической цепи, изменения химического состава итемпературногорежимавысокоширотнойатмосферы.Перечисленныемеханизмырассматриваются в следующих разделах.1.2.3.2. Вариации прозрачности атмосферы и состояния облачностиВозможным звеном в механизме влияния солнечной активности на циркуляцию нижнейатмосферы является модуляция солнечной энергии, поступающей в нижнюю атмосферу, за счетизменений атмосферной прозрачности и состояния облачного покрова.
Оптический механизмсолнечно-атмосферных связей был предложен Пудовкиным и Распоповым [Пудовкин иРаспопов, 1992] на основе экспериментальных данных, полученных в работах [Кондратьев иНикольский, 1970; Kondratyev and Nikolsky, 1983; Задорожный и др., 1992; Шумилов и др.,1991; Pudovkin and Babuskina, 1992б, и др.] Авторы предположили, что под действиемкосмических лучей солнечного и галактического происхождения, а также УФ и рентгеновскогосолнечного излучения может происходить изменение компонентного состава атмосферы,43включая оптически активные малые составляющие ( NO 2 , H 2 O , O 3 ) и механические примеси(аэрозоли), что в итоге приводит к изменениям прозрачности атмосферы.Первые экспериментальные данные, свидетельствующие об изменениях атмосфернойпрозрачности в 11-летнем солнечном цикле, были получены Кондратьевым и Никольским[Кондратьев и Никольский, 1970; Kondratyev and Nikolsky, 1983].
За период 1960-1970 гг. имибыл проведен аэростатный эксперимент (28 подъемов на высоты 25−30 км) с целью изучения“метеорологической” солнечной постоянной в условиях меняющейся солнечной активности.Под “метеорологической“ солнечной постоянной понимался поток солнечной радиации вспектральном диапазоне 340−2400 нм − часть радиации, которая поступает в тропосферу послепоглощения в стратосфере и более высоких слоях и может воздействовать на тепловой режимтропосферы. В результате эксперимента было обнаружено, что “метеорологическая” солнечнаяпостоянная достигает максимума при значениях чисел Вольфа R z =50−70 и уменьшается на1.2% при R z > 70. Данный эффект был интерпретирован авторами как следствие измененияхимического состава атмосферы (содержания оптически активной двуокиси азота) при высокойсолнечной активности под воздействием солнечных космических лучей.Исследование потоков прямой солнечной радиации (радиации, приходящей к земнойповерхности непосредственно от диска Солнца и околосолнечной зоны радиусом 5°) во времяинтенсивных геомагнитных возмущений ( ΣK p ≥ 35), сопровождавшихся мощными Форбушпонижениями ГКЛ, было проведено в работе [Pudovkin and Babushkina, 1992б] по даннымназемныхактинометрическихизмеренийприбезоблачныхусловиях.Врезультатеисследования было обнаружено заметное увеличение потока солнечной радиации (на ~70Вт·м−2) на станциях в области широт 60−70ºN, свидетельствующее об увеличениипрозрачности атмосферы.
Согласно проведенным оценкам, изменение прихода солнечнойрадиации в нижнюю атмосферу умеренных и высоких широт в связи с исследуемымисобытиями могло составлять до ~ 10 26 эрг/сут.Вариации спектральной прозрачности атмосферы в связи с солнечными протоннымисобытиями (СПС) и геомагнитными возмущениями исследовались в работах [Ролдугин иВашенюк, 1994, Старков и Ролдугин, 1994].
Уменьшение в 1.5−2 раза прозрачности атмосферына длине волны 344 нм было обнаружено после мощных протонных событий 30.04.1976,3.04.1979 и 17.08.1979 на высокоширотных станциях Мурманск (ϕ≈69ºN) и Архангельск(ϕ≈65ºN) [Ролдугин и Вашенюк, 1994]. Авторы предположили, что уменьшение прозрачностисвязано с увеличением в 2−4 раза концентрации аэрозольных частиц с радиусом 0.1−1 мкм.Согласно данным Старкова и Ролдугина [1994] в ходе геомагнитных возмущений на станциях44Мурманск (ϕ≈69ºN) и Ленинград (ϕ≈60ºN) наблюдалось увеличение на 5−8% прозрачностиатмосферы на длинах волн 344 и 627 нм.
Также было отмечено уменьшение прозрачности настанции Мурманск за 2 дня до начала возмущения, которое авторы связали с увеличениемчисла рентгеновских всплесков, предшествовавшим геомагнитным возмущениям.Следуетотметить,чтоувеличение аэрозольной прозрачности атмосферы былообнаружено на фазе роста векового цикла солнечной активности (цикла Глайссберга),[Огурцов, 2007]. Автор предположил, что обнаруженная вариация прозрачности обусловленаизменением атмосферной ионизации в связи с долговременными изменениями потокакосмических лучей. Таким образом, результаты перечисленных выше исследований указываютна возможное влияние вариаций космических лучей на прозрачность атмосферы на временныхшкалах от нескольких дней до векового цикла и соответствующие изменения приходасолнечной радиации.Гипотеза об изменении состояния облачности и радиационно-теплового балансатропосферы как возможной причины возмущений атмосферной циркуляции в связи сявлениями солнечной и геомагнитной активности была впервые выдвинута Робертсом иОлсоном [Roberts and Olson, 1973].
Как известно, облачность является наиболее эффективнымрегуляторомрадиационныхпотоковватмосфере,влияющимкакнапоступлениекоротковолновой солнечной радиации, так и на уходящее тепловое излучение Земли иатмосферы. Робертс и Олсон предположили, что увеличение стратосферной ионизации за счетрентгеновского излучения, генерируемого авроральными электронами во время геомагнитныхвозмущений, может способствовать образованию перистых облаков.
В свою очередь,увеличение перистой облачности в холодный период должно уменьшить уходящее тепловоеизлучениенадотносительнотеплойповерхностьюокеанаиспособствоватьболееинтенсивному углублению барических ложбин.Гипотеза Робертса и Олсона была подвергнута критике в работе Дикинсона [Dickinson,1975]. Дикинсон указал, что для конденсации водяного пара на ионах требуется пресыщение всотни процентов, тогда как в реальной атмосфере такие пресыщения никогда не наблюдаются,и предложил свой механизм образования облачности в зависимости ионизации атмосферы.Согласно механизму Дикинсона изменение ионизации атмосферы под действием галактическихкосмических лучей оказывает влияние на формирование стратосферных аэрозолей, способныхиграть роль ядер конденсации при образовании облачных частиц.
Водные растворы сернойкислотыявляютсяосновнойкомпонентойстратосферныхаэрозолей.Значительныеконцентрации данного вида аэрозолей обнаружены на высотах ~18 км в экваториальныхширотах и ~12 км – в полярных. Аэрозольные частицы H2SO4 с размерами порядка несколькихдесятых долей микрометра представляют собой достаточно эффективные ядра конденсации,45поскольку серная кислота хорошо растворяется в воде, и при этом давление насыщенноговодяного пара над раствором меньше, чем над чистой водой.
Согласно предположениямДикинсона, образование аэрозольных частиц H2SO4 указанных размеров с большейвероятностью происходит на положительно заряженных ионных кластерах H2O+(H2O)n(n=5−7), концентрация которых зависит от скорости ионизации в атмосфере.Процесс образования зародышей аэрозольных частиц, которые при определенныхусловиях могут вырасти до размеров облачных ядер конденсации (Cloud Condensation Nuclei –CCN), при участии ионов получил название ион-индуцированной нуклеации (Ion-mediatednucleation – IMN) и в дальнейшем развивался в работах [Yu and Turco, 2000, 2001, Carslaw et al.,2002; Kirkby et al., 2011].
На рис.1.10 представлена схема ион-индуцированной нуклеациипаров воды и серной кислоты согласно [Carslaw et al., 2002].Рис.1.10. Схема ион-индуцированной нуклеации согласно [Carslaw et al., 2002]. Показанпроцесс образования ультрамелких ядер конденсации (ultrafine condensation nuclei − UCN) изпаров воды и серной кислоты при наличии ионов и их дальнейшего роста до ядер конденсации(CN) критических размеров и облачных ядер конденсации (CCN).При столкновении молекул воды и серной кислоты могут образовываться кластеры −временные ассоциации нескольких молекул, которые удерживаются вместе за счет силсцепления, обеспечивающих поверхностное натяжение. Кластеры субкритических размеров( r < 1 − 2 нм) нестабильны и могут легко разрушаться.
Скрытая теплота, выделяющаяся при46образовании кластера, увеличивает его температуру и энергию входящих в него молекул, чтоможет привести к разрушению кластера. При увеличении размеров кластеров до критическихзначений ( r ~1−2 нм) силы поверхностного натяжения начинают доминировать и кластерстановиться стабильным, представляя собой зародыш стратосферного аэрозоля. Далее он можетрасти, достигая за счет конденсации и коагуляции размеров r ~ 0.1 мкм, достаточных для того,чтобы стать облачным ядром конденсации (CCN) и участвовать в образовании облачных частиц( r ~10−20 мкм).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
