Диссертация (1145308), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Это позволяет идентифицировать мощные протонныесобытия в прошлом по концентрации нитратов (нитратных ионов NO3−) в кернах полярногольда Гренландии и Антарктиды [Dreschhoff and Zeller, 1990, 1998; Гладышева и Дрешхофф,1997]. В частности, в нитратных данных, полученных из ледников Антарктиды, были выделеныаномальновысокиеконцентрациинитратов,которыесовпалисмощнымиСПС,наблюдавшимися в августе 1972 года и июле 1946 года, а также c мощной оптическойвспышкой в июле 1928 года (в то время наблюдений СПС еще не проводилось). Исследованиеданных, полученных из ледников Гренландии, подтвердило наличие нитратных аномалий,78связанных с указанными вспышками. Кроме того, был обнаружен пик концентрации нитратов всвязи с мощной вспышкой 1 сентября 1859 года (вспышка Кэррингтона).
Также былообнаружено аномально высокое содержание нитратов в 1908 году, связанное с Тунгусскимсобытием [Dreschhoff et al., 1997].Вариации стратосферного аэрозоля и прозрачности атмосферы. В связи свторжениями солнечных протонов неоднократно наблюдались изменения концентрацииаэрозольных частиц и прозрачности атмосферы [Shumilov et al., 1996; Ролдугин и Вашенюк,1994, Пудовкин и др., 1997; Миронова и Пудовкин, 2005; Веретененко и др., 2007в, 2008;Mironova et al., 2012; Mironova and Usoskin, 2013].Вариации спектральной прозрачности атмосферы в связи с солнечными протоннымисобытиями 30 апреля 1976 г., 3 апреля 1979 г.
и 17 августа 1979 г. исследовались в работеРолдугина и Вашенюка [1994]. В результате исследования было обнаружено уменьшение в1.5−2 раза прозрачности атмосферы на длине волны 344 нм после указанных событий. Авторыпредположили, что уменьшение прозрачности обусловлено с увеличением в 2-4 разаконцентрации аэрозольных частиц с радиусом 0.1−1 мкм.Впервые увеличение концентрации аэрозольных частиц было обнаружено при помощилидарных исследований на ст. Верхнетуломская (68.6ºN, 31.8ºE, Кольский полуостров) в связи ссобытием GLE 16 февраля 1984 года [Shumilov et al., 1996]. Наибольшее возрастаниеаэрозольных частиц с диаметром более 0.69 мкм (до 50% по сравнению с невозмущеннымуровнем) имело место на высотах 15−25 км, т.е. именно в том диапазоне высот, где энергичныесолнечные протоны теряют свою энергию.
Анализ лидарных данных на станции ГармишПартенкирхен (47ºN, 11ºE) выявил усиление аэрозольного слоя на высотах 10-12 км после СПС27 января и 24 августа 2002 года [Миронова и Пудовкин, 2005]. Авторы работы [Маричев и др.,2004] связали с приходом солнечных протонов появление аэрозольных слоев на высотах 40-45км в ходе геомагнитных бурь в марте 1988 года и 1989 года, обнаруженных при помощилидарных зондирований в Томске (56ºN, 11ºE).Исследование содержания стратосферного аэрозоля в связи с серией мощных СПС января2005 года было проведено Веретененко и соавторами [Веретененко и др., 2007в, 2008] поданным инструмента GOMOS (Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars), установленногона спутнике Envisat [Kyrölä E. et al., 2004].
В ходе событий 15-17 января были зарегистрированычастицы с энергиями 165-500 МэВ, достигающие высот 15-25 км (рис.2.2). Наиболее мощноесобытие произошло 20 января. Потоки частиц с энергиями >100 МэВ составляли в максимуме652 пр⋅см−2⋅с−1⋅ср−1 по данным спутника GOES-11 (рис.2.10). СПС 20 января сопровождалосьвозрастанием скорости счета нейтронных мониторов (рис.2.4), т.е. относилось к типу GLE.79Поток протонов, пр/см2/с/ср10000GOES-11P>5 MeVP>50 MeVP>100 MeV10001001010.10.016810 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30Число всплесков30РентгеновскиевсплескиCM+X201006810 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30Дни в январе 2005Рис.2.10.
Вверху: потоки протонов с энергиями E >5, >50 и > 100 МэВ в ходе серии СПС 15-20января 2005 года (по данным GOES-11, http://spidr.ngdc.noaa.gov).Внизу: временной ход количества рентгеновских всплесков класса С и суммарного количествавсплесков классов M и X в январе 2005 года.Изменения аэрозольной концентрации в ходе указанных событий на широте 72ºNприведены на рис.2.11 и 2.12 согласно [Веретененко и др., 2008]. Для устранения возможноговклада циркумполярного вихря, из анализа исключены области повышенной циклоническойзавихренности над северной частью Канады и Восточной Сибирью.
Как показывают данные нарис. 2.11 и 2.12, в ходе СПС 15–17 января изменение аэрозольной концентрации наблюдалось вдиапазоне высот 10–22 км и имело два максимума: на 10 км (отклонения от медианныхзначений ~4–7 см–3) и на 16–20 км (~1–2 см–3). Второй максимум совпадает с областью высот,которую могут достигать частицы с энергиями 165–500 МэВ, и слоем Юнге – стратосфернымслоем, состоящим из аэрозолей серной кислоты. Наиболее заметное возрастание концентрацииаэрозолей на более низких высотах 10–12 км (инверсионный аэрозольный слой) наблюдалосьпосле 17 января.
После GLE 20 января аэрозольная концентрация возрастала на 18–22 км (до 2см−3) и на 10–12 км (до 10 см−3). Усиление аэрозольных слоев сопровождалось понижениемтемпературы над областью формирования слоя. Возможной причиной увеличения аэрозольной80концентрации может быть также формирование полярных стратосферных облаков, поскольку вэтот период наблюдалось понижение температуры до –78 °С.303025Aerosol concentration (cm-3). 72N.28264Aerosol concentration (cm-3).72N.Deviations from the median 10-14.01.2826324222120018-116-214-312-4202215201810Altitude, kmAltitude, km241614512102468101214161820221024246Day in January 20051012141618202224Day in January 2005303028-60Temperature.72N.-6424Temperature.72N.Deviations from the median 10-14.01.28-6226426324222120018-1-6622-6820-7018-7216Altitude, kmAltitude, km8-7416-214-7614-312-7812-410246810121416Day in January 2005182022241024681012141618202224Day in January 2005Рис.2.11.
Слева: Временной ход аэрозольной концентрации (см−3) и температуры (ºС) нашироте 72ºN (области долгот 180º−100ºW и 20ºW−100ºE) в январе 2005 года; справа – то же длявариаций (отклонений от медианных значений на интервале 10-14 января 2005 года) этихвеличин (по данным работы [Веретененко и др., 2008]).Рис.2.12. Вертикальные профили вариаций аэрозольной концентрации после начала протонныхсобытий на широте 72ºN (области долгот 180º−100ºW и 20ºW−100ºE) по данным работы[Веретененко и др., 2008].81Результаты, полученные Веретененко и соавторами [2007в, 2008] для событий января2005 года, были позднее подтверждены в работе [Mironova et al., 2012] на основе спутниковыхданных SAGE III (Stratospheric Aerosol and Gas Experiment III) в области широт ϕ ≈ 66−73ºN иOSIRIS (Optical Spectrograph and Infrared Imaging System) на спутнике Odin (ϕ ≈ 60−89ºS). Былообнаружено значительное увеличение аэрозольной концентрации в атмосфере Арктики навысотах 10-24 км 22-28 января (после GLE 20 января) 2005 года.
Более слабый аналогичныйэффект был выявлен в атмосфере Антарктики. Результаты, свидетельствующие о влиянииэнергичных солнечных протонов на свойства аэрозолей, были получены также в работе[Mironova and Usoskin, 2013], где исследовалась реакция атмосферы на мощные событиясентября-октября 1989 года с использованием спутниковых данных SAGE II (ϕ >60−70ºN) иSAM II (Stratospheric Aerosol Measurement II, ϕ ≈70ºN, S). Авторы обнаружили заметноеувеличение аэрозольной экстинкции в атмосфере Антарктики на высотах 10-16 км послесобытия 29 сентября 1989 года. При этом наблюдалось увеличение эффективного радиусааэрозольных частиц от 0.25 до 0.5 мкм.Таким образом, усиление стратосферного аэрозоля в связи с мощными всплескамисолнечных протонов наблюдалось неоднократно, хотя следует отметить нерегулярностьданного эффекта [Маричев и др., 2004, Mironova and Usoskin, 2014]. Авторы последней работыпредположили, что необходимыми условиями для появления эффекта является увеличение, покрайней мере, в 2 раза скорости ионизации в исследуемом регионе, а также холодное времягода, когда отсутствует поступление УФ радиации в высокие широты, а температурыдостаточно низкие для формирования полярных стратосферных облаков.Изменениеэлектрическиххарактеристикатмосферы.Увеличениескоростиионообразования в высокоширотной атмосфере под воздействием солнечных протоновспособствует росту электрической проводимости воздуха, что в свою очередь приводит кизменениям вертикальных электрических токов и возмущениям в глобальной электрическойцепи [Cobb, 1978; Holzworth and Mozer, 1979; Holzworth et al., 1987; Kokorowski et al., 2006].Как отмечалось в подразделе 1.2.3.3, в классической схеме атмосферного электричества(теории Вилсона) предполагается, ионосфера представляет собой высоко проводящийэквипотенциальный слой, имеющий потенциал порядка +250 кВ относительно земнойповерхности (за исключением высокоширотных областей).
Разность потенциалов междуионосферой и поверхностью Земли порождает вертикальные токи, направленные вниз вобластях с хорошей погодой. Необходимые для возникновения токов заряды обеспечиваютсяионизацией атмосферы, главным образом, за счет космических лучей. Главным генератороматмосферного электричества считается грозовая активность, преимущественно в тропическихрайонах. Таким образом, планетарный контур можно сравнить с конденсатором, состоящим из82двух проводящих концентрических оболочек (ионосфера и земная поверхность) и дающимутечку за счет слабо проводящей атмосферы.
При этом ионосфера высоких широт (±30ºотносительно магнитного полюса) не является эквипотенциальной, так как в результатевзаимодействия солнечного ветра и магнитосферы Земли создается разность потенциаловмежду утренней и вечерней стороной порядка 30−150 кВ [Roble, 1985, Tinsley, 2008].Поскольку всплески солнечных протонов могут вызывать значительное (до 104 см−3с−1)увеличение скорости ионизации в атмосфере высоких широт, влияющих на ее проводимость,следует ожидать и соответствующих изменений в глобальной электрической цепи.Действительно, имеется ряд данных о резких изменениях плотности вертикальныхэлектрических токов J z в связи с мощными протонными событиями, наблюдаемых навысокоширотных станциях. Усиление на ~70% плотности вертикального тока по сравнению спредвспышечным уровнем было выявлено в ходе СПС 22 ноября 1977 года на основеаэростатных наблюдений на станции Южный Полюс [Cobb, 1978].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
