Диссертация (1145308), страница 32
Текст из файла (страница 32)
Углублениециклоновнаблюдаетсяврайонахклиматическихфронтовумеренныхширот(арктических/антарктических и полярных) и сопровождается развитием перед циклонамиобластей повышенного давления. Вариации давления в тропосфере в связи с исследуемымисобытиями имеют бóльшую амплитуду в северном полушарии, где период с октября по мартявляется холодным полугодием, для которого характерно усиление температурных градиентовв тропосфере, способствующее интенсивной циклонической деятельности.
Наиболее значимоеусиление циклонических процессов в связи с СПС наблюдается в Северной Атлантике уберегов Гренландии и у антарктического побережья Земли Королевы Мод. Обе указанныеобласти характеризуются низкими порогами геомагнитного обрезания, что позволяетвысыпаться солнечным протонам с энергиями ~100 МэВ. Наиболее благоприятные условия дляэффектов космических лучей складываются в североатлантическом регионе, где в холодноеполугодие формируются области высоких контрастов температуры у восточных берегов137Северной Америки и юго-восточного побережья Гренландии, способствующие развитиюциклонических процессов.0°b)- 40°0.940°71120.8310.70.5- 80°80°0.60.5-80°0.40.3-120°-60°120°0.5213-40°11°-1600.17-20°°0.2°1600°C/100 kmРис.2.41.
Изолинии вертикальной жесткости геомагнитного обрезания (в ГВ) по данным [Sheaand Smart, 1983] (белые линии) на картах:а) средних изменений геопотенциальной высоты изобарического уровня 500 гПа (GPH500) вюжном полушарии в день на следующий день после начала СПС с энергиями частиц ≥ 90 МэВв теплое полугодие (октябрь-март). Число событий N=48 (1980−1998 гг.).б) модуля горизонтального градиента средней температуры слоя 1000-500 гПа в южномполушарии (январь 2005 года, среднемесячные значения).1382.4.ОпроблемахфизическогомеханизмаэффектовСПСвинтенсивностивнетропического циклогенезаКак показало данное исследование, вторжения энергичных солнечных протонов сэнергиями частиц >90 МэВ вызывают статистически значимые изменения в эволюциивнетропических барических образований в обоих полушариях, которые приводят к появлениюобластей повышения и понижения давления в умеренных и высоких широтах.Первым эффектом, наблюдаемым в связи с СПС, является резкое усиление регенерации(вторичного углубления) полярнофронтовых циклонов на арктических/антарктических фронтахв первые сутки после начала события.
В северном полушарии этот процесс локализован вСеверной Атлантике у юго-восточного побережья Гренландии, в южном полушарии – у береговАнтарктиды в районе Земли Королевы Мод. Обе области характеризуются высокимиконтрастами температуры между холодной ледниковой поверхностью Гренландии иАнтарктиды и более теплой океанической поверхностью. Наибольшее понижение давления всвязи с усилением регенерации циклонов наблюдается в северном полушарии, где периодоктябрь-март является холодным полугодием, когда внетропический циклогенез наиболееинтенсивен. Для обеих областей характерны низкие пороги геомагнитного обрезания ( Rc ≤ 0.5ГВ), что допускает высыпание частиц с минимальными энергиями E min ~90 МэВ.Более интенсивная регенерация циклонов приводит к формированию высотного гребня(области повышения давления в средней и верхней тропосфере) перед углубляющимсяциклоном.
Данный процесс обусловлен оттоком воздуха из области углубляющегося циклона иадвекцией тепла в его передней части, способствующей интенсификации антициклоническихпроцессов. В северном полушарии высотный гребень вытянут в меридиональном направлениинад Центральной и Северной Европой перед циклоном, регенерирующим у побережьяГренландии, и практически не перемещается в последующие дни (как и сам циклон). В южномполушарии область повышенного давления перед циклоном, регенерировавшим у береговЗемли Королевы Мод, формируется над Индийским океаном.
Также следует отметить усилениеобласти повышенного давления позади области углубляющегося циклона (в северномполушарии у восточного побережья Северной Америки, в южном полушарии – над восточнойчастью Южной Атлантики). Возможной причиной роста давления может быть интенсификацияобласти высокого давления, формирующейся в холодной воздушной массе за холоднымфронтом циклона по мере его развития (рис.2.21).Таким образом, усиление регенерации циклонов на арктических и антарктическихфронтах в 0/+1-й дни относительно начала СПС приводит к резкому понижению давления вобластях углубления циклонов и одновременному повышению давления в двух прилегающих139областях: перед углубляющимся циклоном и за ним. В последующие дни по мере ослабленияпервого эффекта (усиления регенерации) появляются новые области статистически значимогопонижения давления в умеренных широтах (в северном полушарии над Западно-Сибирскойравниной и в тихоокеанской области циклогенеза, в южном полушарии – в области циклогенезанад морем Скоша и над Тихим океаном).
Углубление циклонов в указанных областяхсопровождается оттоком воздуха и адвекцией тепла, которые способствуют появлению новыхобластей повышения давления. В результате в умеренных широтах обоих полушарий через 2-3суток после начала СПС пространственная структура поля давления в умеренных широтаххарактеризуется чередованием областей с повышенным и пониженным давлением. Далеевариации давления в связи с исследуемыми протонными событиями начинают ослабевать.Результаты проведенного исследования позволяют сделать вывод, что эффект СПС ввариациях внетропического циклогенеза имеет 2 стадии.
Первая стадия – усиление вторичногоуглубленияциклоновнавысокоширотныхарктических/антарктическихфронтах,расположенных в области высыпания солнечных протонов с энергиями ≥ 90 МэВ. Данныйпроцесс, по-видимому, инициирует вторую стадию – интенсификацию циклоническихпроцессов в умеренных широтах, как правило, в районах климатических полярных фронтов.Углубление циклонов сопровождается формированием перед ними областей повышенногодавления (высотных гребней) в результате адвекции тепла в передней части циклона и оттокавоздуха из области углубляющегося циклона. В результате формируется пространственнаяструктура вариаций давления в связи с исследуемыми СПС, характеризующаяся чередованиемобластей понижения и повышения давления.
Полученные результаты позволяют объяснитьданные Шуурманса [Schuurmans, 1969, Schuurmans and Oort, 1969; Шуурманс, 1982],обнаружившего чередование ячеек подъема и опускания изобарических уровней в тропосферепосле мощных солнечных вспышек.Тем не менее, физический механизм влияния СПС на развитие внетропических циклоноввызывает ряд вопросов:1) Частицы с энергиями ~100−500 МэВ не долетают до высот тропосферы (см. рис.2.2) итаким образом, не могут воздействовать непосредственно на тропосферные процессы,приводящие к усилению циклогенеза умеренных широт. Мощные события типа GLE,влияющие на ионизацию тропосферы, составляют незначительную часть исследуемыхсобытий (6 событий из 48).2) Энергия, вносимая солнечными протонами в стратосферу, мала и несоизмерима сэнергией атмосферной циркуляции.Действительно, потоки частиц с энергиями >90 МэВ, как правило, невелики (Приложение1), и связанные с ними изменения ионизации происходят, в основном, в верхней стратосфере.140Вариации скорости ионизации в связи с исследуемыми СПС показаны на рис.2.42.
Для расчетаиспользовалисьсреднесуточныезначенияскоростиионизациивполярныхшапках(геомагнитные широты 60-90º), полученные Джэкмэном согласно методике [Jackman et al.,1980]ивыложенныенасайтемеждународной(https://solarisheppageomar.de/solarprotonfluxes).Нарабочейрис.2.42группыSOLARIS-HEPPAприведенымаксимальныеотклонения скорости ионизации в 0/+1 день СПС от среднего уровня ионизации за два дня,предшествующих началу события. Поскольку исследуемые события существенно различалисьпо мощности, отдельно показаны изменения скорости ионизации для событий, когда значенияскорости ионизации ниже 50 км не превышали 100 см−3с−1 (рис.2.42а, число событий N=40), идля восьми более мощных событий (рис.2.42б).На рис.2.42а представлен вертикальный профиль средних изменений скорости ионизациидля 40 вышеуказанных событий (красная линия).
Поскольку значения скорости ионизациизначительно варьировались, на рисунке также приведены медианнные значения скоростиионизации (синяя линия). Штриховыми линиями показаны средние и медианные значенияскорости ионизации перед началом события (из расчета исключены начальные условия длясобытий 29.10.1989 и 14.11.1988, когда сохранялась повышенная ионизация от предыдущегособытия). Видно, что для данных 40 событий изменение скорости ионизации увеличивается всреднем на ~9 см−3с−1 по сравнению с предшествующим уровнем. Максимальные измененияионизации наблюдаются на высотах ~35 км.
Медианное значение скорости ионизациисосталяет ~3.5 см−3с−1, т.е. в 50% случаев скорость ионизации превышает данное значение. Длявосьми более мощных СПС скорости ионизации также максимальны на высотах ~35-40 км ивариьруются в переделах от ~150 до 1000 см−3с−1, за исключением СПС 19 октября 1989 г.Таким образом, изменения скорости ионизации в ходе исследуемых событий, как правило,небольшие. Энергия, вносимая частицами с энергиями 90 МэВ в стратосферу также невелика.Для исследуемых событий (Приложение 1), максимальное значение потока частиц с энергиями>90 МэВ составляло в среднем 〈 Fmax 〉 ~3 см−2с−1⋅ср−1 (без учета мощного события 19 октября1989 года с экстремально высокими значениями потока), а средняя длительность события 〈 ∆t 〉− примерно 34 часа. Оценим полную энергию, которая могла бы быть внесена за время 〈 ∆t 〉протонами с энергией 90 МэВ (1.44·10-4 эрг) в стратосферу, расположенную выше 65°N(площадь данной области S = 25.5 млн.
км2) при постоянном потоке 〈 Fmax 〉 в течение всегособытия. Легко оценить, что даже при максимальном значении потока за 34 часа ввысокоширотную атмосферу поступило бы ~1.7⋅1020 эрг (т.е. скорость поступления энергии встратосферу составляла бы ~1020 эрг/сут), в реальности же эта величина существенно меньше.Сопоставим эту величину с энергией внетропического циклона.141СПС, Е > 90 МэВ60a)Высота, км504030СреднееМедиана20060246Скорость ионизации, см-3с-1б)1012.10.198131.01.19828.12.198219.10.198930.11.198919.03.199023.03.199130.10.199250Высота, км840302005001000150020002500Скорость ионизации, см-3 с-130003500Рис.2.42.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
