Диссертация (1145308), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Изменение электрическиххарактеристик в атмосфере высоких широт в ходе СПС 4 августа 1972 года исследовалось вработе [Holzworth and Mozer, 1979]. В результате аэростатных измерений на высоте ~30 км надсеверной полярной шапкой 4−5 августа было обнаружено резкое уменьшение вертикальногоэлектрического поля от ~250 мВ/м почти до нуля. Это изменение было интерпретировано какследствие увеличения атмосферной проводимости. Если вертикальные токи в глобальнойэлектрической цепи предположить примерно постоянными, то при увеличении проводимостиσ согласно закону Ома J = σ ⋅ E , электрическое поле должно уменьшиться.Аэростатные измерения ряда электрических характеристик стратосферы южногополушария(полнойпроводимости,вертикальногоэлектрическогополяиплотностивертикального тока) проводились во время протонного события типа GLE 16 февраля 1984 годана разных широтах [Holzworth et al., 1987].
В более высокоширотном районе запуска аэростата,где жесткость геомагнитного обрезания составляла 1.4 ГВ, было обнаружено увеличение в 2раза полной проводимости σ TOT = σ + + σ − (где σ ± − проводимость за счет положительных иотрицательных ионов, соответственно), на высоте ~26 км, а также увеличение в 2 разаплотности вертикального тока J z , которое длилось около 20 минут, что соизмеримо с временемрелаксации ГЭЦ.
Аэростатные измерения на более низких широтах (с более высокойжесткостью геомагнитного обрезания 2.8 ГВ, соответствующей энергии протонов ~2 ГэВ)заметных возмущений σ ± и J z не обнаружили, так как частицы СКЛ в эту область непроникали.Особый интерес представляют изменения электрических характеристик в связи с мощнымGLE 20 января 2005 года, о котором говорилось выше (рис.2.4, 2.10).
В ходе данного события83было проведено 4 запуска аэростатов MINIS со станции SANAE IY в Антарктике(географические координаты 71.7ºS, 2.8ºW) на высоту 30.9 км. Результаты измерений показали,что событие GLE 20 января оказало существенное влияние на электродинамику атмосферы(рис.2.13). Одновременно с резким возрастанием потока протонов было обнаружено значитель-Рис.2.13. Вариации электрических характеристик в полярной стратосфере южного полушарияво время GLE 20 января 2005 года [Kokorowsky et al., 2006].84ное увеличение электрической проводимости (рис.2.13а), при этом имел место скачоквертикального электрического поля от −100 мВ/м (значение, ожидаемое при ясной погоде ГЭЦ)до нуля (рис.2.13b). Горизонтальное электрическое поле также упало до нуля (рис.2.13с).Расчеты плотности тока по данным MINIS с использованием закона Ома (рис.2.13d) показали,что после начала события вертикальная плотность тока менялась не только по величине, но понаправлению в переделах ±5пА·м−2.Таким образом, мощные вторжения солнечных протонов приводят к возмущениямглобальной электрической цепи, которые в свою очередь могут играть важную роль вфизическом механизме влияния солнечной активности на циркуляцию нижней атмосферы,погоду и климат ([Markson, 1978; Markson and Muir, 1980; Tinsley, 2008, Lam and Tinsley, 2016]).Поглощение радиоволн в полярных шапках.
Возрастание во время СПС потокасубрелятивистских протонов с энергиями 10−100 МэВ вызывает дополнительную ионизацию вслоях ионосферы D и E (60−120 км), лежащих в высоких геомагнитных широтах – полярныхшапках. Ионизация области D настолько интенсивна (может возрасти от своего обычногозначения ~10 см–3с–1 до 104 и даже 105 см–3с–1, напр. [Криволуцкий и Репнев, 2009]), чторадиоволны средних и высоких частот полностью поглощаются, приводя к нарушениюрадиосвязи (радиоблэкаутам).
Свободные электроны, образующиеся в результате ионизацииатмосферы солнечными протонами, вынуждены осциллировать на частоте проходящейрадиоволны, получая от нее энергию, часть этой энергии они теряют при столкновениях сдругими частицами ионосферы. Таким образом, затухание (поглощение) радиоволны зависит отчастоты столкновений и электронной плотности на рассматриваемых высотах. Этот эффектназывают ППШ – поглощение в полярной шапке [Baily, 1959; Rose and Ziauddin, 1962]. ППШнаблюдаются с помощью риометров (relative ionospheric opacity meter), которые измеряютпоглощение радиоволн в ионосфере по уменьшению интенсивности космического радиошума(радиоизлучения с частотами 20−60 МГц).Поглощение радиоволны, проходящей через ионизованную среду, измеряют в децибелахA = 10 ⋅ lg( P1 / P2 ) , используя отношение начальной P1 и конечной P2 плотностей мощности.
Сучетом характеристик среды поглощение (в системе СИ) может быть записано следующимобразом [Харгривс, 1982]A = 4.5 ⋅ 10 −5 ∫Nνdx ,ω +ν 22(2.4)где N − концентрация электронов, ω − угловая частота волны, ν − частота столкновений, иинтеграл берется вдоль пути волны x .
Концентрация электронов N при условиях равновесия85связана со скоростью ионизации q соотношением q = α eff ⋅ N , где α eff − эффективный2коэффициент рекомбинации.Пример поглощения радиоволн в полярной шапке в ходе солнечных протонных событий вноябре 2001 года приведены на рис.2.14 согласно данным работы [Perrone et al., 2004].Измерения ионосферного поглощения проводились в Антарктиде на станции Terra Nova Bay(географические координаты 74.69ºS, 64.12ºE, геомагнитная широта 77.32º). Хорошо виднозначительное усиление поглощения до ~20 дБ в связи с событиями 4 ноября и 23 ноября 2001года, сопровождавшимися возрастаниями потока частиц в диапазоне 110−500 МэВ.
Согласнооценкам авторов, начальная фаза ППШ 4 ноября была вызвана наиболее энергичнымипротонами (84−500 МэВ), тогда как в целом событие было обусловлено протонами с энергиямиE = 4.2−82 МэВ, проникающими на высоты от 80 до 40 км. Для СПС 22-23 ноября,характеризуемого менее жестким спектром, начальная фаза ППШ была связана с протонами,имеющими энергии 15−44 МэВ, в целом же ППШ было обусловлено частицами c E =4.2−14.5МэВ, достигающими высот от 80 до 60 км.
Длительность ППШ в ходе этих событий составляла5-6 суток. В незначительное увеличение поглощения 19 октября основной вклад далинизкоэнергичные частицы (E= 0.6−8.7 МэВ) на высотах более 70 км.Рис.2.14. Вариации поглощения радиоволн на частоте 30 МГц в Антарктиде (ст. Terra NovaBay) и потоки протонов по данным NOAA-GOES8 в ноябре 2001 года [Perrone et al., 2004].86Таким образом, перечисленные выше явления, возникающие при вторжении солнечныхкосмических лучей, указывают их важную роль в солнечно-земных связях, а также позволяютпредположить, что всплески СКЛ быть одним из элементов влияния солнечной активности наразвитие динамических процессов в нижней атмосфере.2.1.3.
Солнечные протонные события и вариации метеорологических характеристикнижней атмосферыНаряду с перечисленными выше геофизическими эффектами всплески солнечныхпротонов могут оказывать влияние на развитие динамических процессов в нижней атмосфере,приводя к изменению различных метеорологических характеристик [Щука, 1969, Schuurmans,1969, Schuurmans and Oort, 1969; Olson et al., 1975; Zerefos, 1975; Schuurmans, 1991;Веретененко и Пудовкин, 1993; Pudovkin et al., 1995, 1996; Watanabe, 1996].В работе Щуки [1969] исследовалась реакция приземного давления атмосферы навторжения солнечных протонов, вызывающих поглощение радиоволн в полярной шапке.
Былообнаружено, что ППШ с интенсивностью ≥4 дБ вызывают резкое понижение давления (на 4-8гПа) на ряде высокоширотных станций (геомагнитные широты ≥ 60ºN) уже в день начала ППШ(нулевой день). Характерной особенностью изменений давления являлось наличие, какправило, двух статистически значимых минимумов давления: в первые дни после начала ППШи примерно на +7…+9-й день.
Построение карты отклонений давления показало, чтопонижение давления в день начала ППШ (нулевой день) охватывает небольшую область надСеверной Атлантикой и обширную область над Канадой. По мере удаления от этихцентральных областей наступление минимума отдвигалось на более поздний срок.Исследование изменения давления в средней тропосфере (геопотенциальных высотизобарического уровня 500 гПа) северного и южного полушария в связи с мощнымисолнечными вспышками было проведено в работах Шуурманса и Оорта [Schuurmans, 1969,Schuurmans and Oort, 1969; Шуурманс, 1982]. Для анализа была отобрана 81 вспышка, имеющаябалл 2 и выше, за период с июля 1957 по декабрь 1959 года.
Данные первого аэрологическогозондирования, проводимого после начала вспышки (в среднем через 6 часов), обнаружили, чтов высоких и средних широтах имеют место статистически значимые отклонения высотыисследуемой поверхности ∆H 500 от невозмущенного уровня, наблюдаемого перед вспышкой.На низких широтах отклонения ∆H 500 были незначительны. Авторы отметили довольносложную пространственную структуру вариаций давления после вспышки. Карта отклонений∆H 500 представляла собой чередование ячеек подъема и опускания поверхности 500 гПа, приэтом в средних широтах преобладали ячейки подъема, а в высоких широтах – опускания.Аналогичная картина наблюдалась в южном полушарии.
Таким образом, изменения зонально87усредненной высоты поверхности 500 гПа были положительны в умеренном поясе иотрицательны в субполярных и полярных широтах ( ≥ 60º) обоих полушарий. По мнениюавторов, обнаруженные эффекты были обусловлены не вариациями потока УФ излучениявспышки, а солнечными протонами. Можно отметить, что области понижения давления вумеренных широтах наблюдались, как правило, над океанами: центральной частью СевернойАтлантики, вытянутой в сторону Исландии, и в восточной части Тихого океана вдоль западногопобережья Северной Америки.Исследование эффектов солнечных вспышек проводилось в работе [Olson et al., 1975] сиспользованием индекса VAI (Vorticity Area Index) и [Pudovkin and Babushkina, 1992а] сиспользованием индекса зональной циркуляции (индекса Блиновой).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
