Диссертация (1145308), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Если кластер образуется вокруг иона, действие кулоновской силыспособствует его стабилизации и более эффективному образованию зародышей аэрозоля.Таким образом, с ростом ионизации увеличивается вероятность образования заряженных, болееустойчивых кластеров и, соответственно, увеличивается скорость нуклеации. Действительно,модельные расчеты, проведенные в работах Ю и Турко [Yu and Turco, 2000, 2001] показали, чтоповышение на 20% скорости ионизации в нижней атмосфере может привести к увеличениюконцентрации аэрозольных частиц сверхкритических размеров ( r ~3−10 нм), способных кдальнейшему росту, на 5−10%. В свою очередь, увеличение скорости нуклеации должноувеличивать концентрацию облачных ядер конденсации, что влияет на формированиеоблачности.
Увеличение аэрозольной концентрации в связи с ростом стратосферной ионизации,обусловленной всплесками солнечных протонов, отмечалось в ряде работ [Shumilov et al., 1996;Миронова и Пудовкин, 2005; Веретененко и др., 2007в, 2008; Mironova et al., 2012; Mironova andUsoskin, 2013].Экспериментальные данные, указывающие на возможность влияния вариаций КЛ насостояние облачности, были впервые получены в работах Пудовкина и Веретененко[Веретененко и Пудовкин, 1994; Pudovkin and Veretenenko, 1995; Veretenenko and Pudovkin,1997] по данным актинометрических наблюдений на ряде российских станций.
Авторыобнаружили уменьшение облачного покрова на ~0.75 балла в среднем по области широтϕ ≥ 60ºN (геомагнитные широты Φ ≥ 55º) в ходе Форбуш-понижений ГКЛ с амплитудой ≥ 3%.Было показано, что эффекты ГКЛ наиболее четко выражены на станциях с преобладающейоблачностью верхнего яруса (перистой) Охотск и Оймякон.
Частота повторяемости ясного неба(облачность 0−2 балла) на данных стациях увеличивалась в первые 1−2 суток после началаФорбуш-понижений в 1.6−2 раза по сравнению с невозмущенными условиями. Аналогичныерезультаты были получены на основе данных о приходе суммарной радиации [Веретененко иПудовкин, 1997; Veretenenko and Pudovkin, 1997].
Было обнаружено, что суточное поступлениесуммарной радиации в ходе Форбуш-понижений увеличивалось на (2.5−4.6)⋅105 Дж·м−2⋅сут−1(~7−12% относительно сезонных значений) на станциях с преобладающей верхней облачностью(Оймякон, Якутск, Оленек, Верхоянск, Охотск). В ходе солнечных протонных событий с47энергиями частиц > 90 МэВ было обнаружено увеличение облачности на ряде высокоширотныхстанций (Φ > 60º) [Веретененко и Пудовкин, 1996].Вариации облачности в ходе Форбуш-понижений ГКЛ исследовались в работах Тодда иНайвтона [Todd and Kniveton, 2001, 2004; Kniveton, 2004] на основе спутниковых данных ISCCP(International Satellite Cloud Climatology Project). Результаты исследования показали небольшое(до 1.4%), но статистически значимое уменьшение глобального облачного покрова, связанное сисследуемыми событиями.
Наибольшие эффекты наблюдались в полярных широтах южногополушария (Антарктида) для облачности высокого яруса. Тем не менее, ряд исследований неподтвердил влияния короткопериодных вариаций КЛ на состояние облачного покрова (напр.,[Calogovic et al., 2010; Krissansen‐Totton and Davies, 2013]).Особый интерес представляют исследования связи между состоянием облачности ипотоками ГКЛ на длительных временных шкалах, начатые в работе Свенсмарка и ФриисХристенсена [Svensmark and Friis-Christensen, 1997]. Используя спутниковые данные ISCCP,авторыобнаружилидостаточновысокую(~0.9)положительнуюкорреляциюмеждуизменениями глобального облачного покрова (преимущественно над океанами) и потокамиГКЛ в 22-м цикле солнечной активности. Основываясь на том, что согласно спутниковымданным и результатам моделирования, изменение глобальной облачности на 1% соответствуетизменению результирующего притока радиации в атмосферу на 0.5 Вт⋅м−2 [Rossow and Cairns,1995], Свенсмарк пришел к выводу, что радиационный эффект обнаруженного уменьшенияглобальной облачности (на ~3% с 1987 по 1990 год) составляет ~1.5 Вт⋅м−2 и может объяснитьбóльшую часть изменений температуры в северном полушарии за указанный период[Svensmark, 1998, 2000].Последующие работы Марша и Свенсмарка [Marsh and Svensmark, 2000a; 2000b]показали, что с вариациями ГКЛ хорошо коррелируют аномалии облачности только нижнегояруса, тогда как для облачности более высоких ярусов подобная связь отсутствует.
Кроме того,была выявлена региональная и высотная зависимость эффектов ГКЛ в вариациях состоянияоблачности [Voiculescu and Usoskin, 2012]. Следует отметить, что обнаруженная Маршем иСвенсмарком положительная корреляция между аномалиями нижней облачности и потокамиГКЛ наблюдалась только для временного периода 1983-1995 гг.; в более поздних работах(напр., [Gray et al., 2010]) было выявлено нарушение указанной корреляция в начале 2000-хгодов. Таким образом, в настоящее время имеется ряд достаточно противоречивых данных,свидетельствующих как в пользу гипотезы о влиянии ГКЛ на формирование облачности, так ипротив нее.
Подробное обсуждение данной проблемы, а также исследование возможныхпричин нарушения корреляции между облачностью и ГКЛ на десятилетней шкале приводятся вглаве 6 настоящей диссертации.48Следуетотметить,чтодляэкспериментальнойпроверкивозможноговлияниякосмических лучей на скорость нуклеации и последующий рост кластеров в Европейскоминституте ядерных исследований (ЦЕРН) был проведен эксперимент CLOUD [Kirkby et al.,2011]. В эксперименте исследовались процессы формирования кластеров на основе молекулсерной кислоты, аммиака и паров воды и влияние ионизации на скорость этих процессов.Эксперимент CLOUD подтвердил, что в присутствии ионов скорость нуклеации увеличиваетсяв 10 раз при условиях, характерных для средней тропосферы (~5 км), при этом для нуклеацииоказалось достаточно серной кислоты и воды.
Однако для условий нижней части атмосферыскорость образования кластеров с диаметром 1.4 нм оказалась в 10-1000 раз ниже, чем вреальнойатмосфере[Kirkbyetal.,2011].Чтобысоответствующие измеренным в нижней атмосфере,получитьскоростинуклеации,пришлось существенно увеличиватьколичество аммиака и понижать температуру до −250С [Kirkby et al., 2011; Dunne et al., 2016].Другим способом ускорения нуклеации стало добавление биогенных органических веществ(диметиламина) [Almeida et al., 2013].
Это указывает на то, что в нижней части атмосферы, повидимому, происходит тройная нуклеация с участием серной кислоты, воды, а также аммиака ибиогенных органических веществ. Однако скорость такой тройной нуклеации оказалась слабозависящей от ионизации [Almeida et al., 2013; Dunne et al., 2016]. С другой стороны,экспериментальные данные Свенсмарка [Svensmark et al., 2013] подтверждают наличиезаметной связи между генерацией частиц CCN размером более 50 нм и ионизацией.
Такимобразом, вопрос о влиянии космических лучей на интенсивность нуклеации и дальнейшегороста кластеров до размеров облачных капель, по-видимому, остается открытым.К группе оптических механизмов влияния СА на состояние нижней атмосферы относитсятакже “радиооптический” механизм, предложенный Авакяном и Ворониным [Авакян иВоронин, 2006а, 2006б]. Согласно данному механизму, усиление ионизации в верхнейатмосфере, обусловленное высыпаниями авроральных электронов, а также излучениемсолнечных вспышек в крайнем УФ и рентгеновском диапазонах, приводит к увеличениюпотока фотоэлектронов и оже-электронов, которые могут возбуждать ридбергеровскиесостояния атомов (высоковозбужденные состояния с главным квантовым числом n = 10 − 20 ).Разрешенные переходы с ридбергеровских уровней генерируют излучение в микроволновомдиапазоне длин волн (от миллиметров до дециметров). Микроволновое излучение ионосферынаблюдалось экспериментально [Троицкий и др., 1973; Мусатенко, 1980].
Результатынаблюдений [Крауклис и др., 1990; Никольский и Шульц, 1991] показали, что всплескимикроволновогорадиоизлученияспособствуютувеличениюконцентрациикластерныхкомплексов, образующихся из паров воды. В свою очередь, увеличение концентрации водных49кластеров может приводить к возникновению оптически тонкой перистой облачности исоответствующим изменениям метеорологических характеристик.1.2.3.3. Вариации атмосферного электричества и электрические механизмыВысыпания заряженных частиц влияют на ионизацию и, соответственно, проводимостьатмосферы, вызывая изменения в глобальной электрической цепи (ГЭЦ), которые, в своюочередь могут влиять на развитие атмосферных процессов, в частности, через электризациюоблаков, усиление конденсации и выделение скрытой теплоты (напр., [Markson, 1978; Marksonand Muir, 1980]).
С вариациями токов в глобальной электрической цепи связаны “электрическиемеханизмы” влияния солнечной активности и вариаций космических лучей на формированиеоблачности, разрабатываемые в работах Тинсли и соавторов [Tinsley and Deen, 1991; Tinsley andHeelis 1993; Tinsley, 2008, 2012; Lam and Tinsley, 2016].Идея глобальной электрической цепи, которая определяет структуру электрических полейи токов в атмосфере, баланс электрических токов и условия их поддержания, была впервыевыдвинутаВильсоном[Wilson,1921].Согласноклассическойсхемеатмосферногоэлектричества, земная поверхность и ионосфера представляют собой высоко проводящиеконцентрические слои, которые разделены слабо проводящей атмосферой.
Потенциалионосферы составляет порядка +250 кВ относительно земной поверхности (за исключениемвысокоширотных областей). Таким образом, планетарный контур можно сравнить сконденсатором, состоящим из двух проводящих концентрических оболочек (ионосфера иземная поверхность) и дающим утечку за счет слабо проводящей атмосферы. Схема глобальнойэлектрической цепи приведена на рис.1.11 из работы Марксона [Markson, 1978].Рис.1.11. Схема глобальной электрической цепи [Markson, 1978]. Стрелки указываютнаправление тока положительных зарядов.
Направленный вниз ток течет в областях с яснойпогодой. Генератором является планетарная грозовая активность (суммарная активность всехгроз на планете).50Разность потенциалов между ионосферой и поверхностью Земли порождает вертикальныетоки, направленные вниз в областях с “хорошей” (ясной) погодой (т.е., в областях, гдеотсутствует интенсивная облачность, осадки, метели и другие атмосферные явления).Существование таких токов было обнаружено еще в 16-17 веках. Необходимые длявозникновения токов заряды обеспечиваются ионизацией атмосферы, главным образом, за счетгалактических космических лучей.
В результате ионизации в атмосфере образуютсяположительные ионы и электроны, которые за время ~10−7 секунд захватываютсянейтральными молекулами, что приводит к появлению отрицательных ионов. Первичные ионыза несколько микросекунд образуют кластеры с молекулами воды и другими атмосфернымисоставляющими (т.н.
малые, или кластерные ионы, обладающие достаточно высокойподвижностью). Примерами кластерных ионов являются H3O+(H2O)n, H+(H2O)n, NO+(H2O)n,NO2+(H2O)n (положительные ионы), O2−(H2O)n, CO4−(H2O)n, NO−(H2O)n, NO2−(H2O)n(отрицательные ионы), где n =4−8 [Harrison, 2000]. Электрическая проводимость атмосферы σ(при отсутствии аэрозолей) может быть записана какσ = e ⋅ ( µ + ⋅ n+ + µ − ⋅ n− )(1.7)где e − элементарный заряд, n+ ( n− ) − концентрация положительных (отрицательных) малыхионов, µ + ( µ − ) – подвижность положительных (отрицательных) малых ионов. Средняяконцентрация ионов n при равновесных условиях дается выражениемn = q /α ,(1.8)где q - скорость ионизации, α - коэффициент ионной рекомбинации (для кластерных ионов уземной поверхности составляет 1.6⋅10−6 см3⋅с-1 [Bazilevskaya et al., 2008]).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
