Диссертация (1145308), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Максимальные отклонения скорости ионизации q в стратосфере от невозмущенногоуровня в ходе СПС с энергиями частиц > 90 МэВ: а) средние и медианные значениямасимальных значений скорости ионизации для 40 событий ( q < 100см −3 с −1 ), штриховыми исплошными линиями показаны значения скорости ионизации до и после начала события,соответственно; б) для 8 мощных событий ( q > 100см −3 с −1 ).142Кинетическая энергия вращающейся системы (в данном случае циклона) описываетсяформулойIω 2,(2.13)2где I – момент инерции, ω - угловая скорость барической системы. Если представить циклон вE=виде вращающегося цилиндра, то его момент инерции относительно оси вращения может бытьзаписан какMR 2,(2.14)2где M − масса воздуха в циклоне.
Пусть циклон имеет радиус R =1000 км и высоту ~9 км, т.е.I=циклоническая циркуляция охватывает тропосферу от уровня моря (~1000 гПа) до уровня 300гПа. Масса M 0 столба воздуха единичной площади, заключенного между этими уровнями,составляет ~0.7 кг ⋅ см −2 или 7⋅ 10 3 кг ⋅ м −2 . Умножая эту величину на площадь циклона,получаем массу воздуха в циклоне M ≈ 2 ⋅ 1016 кг и, соответственно, момент инерции I ≈ 10 28кг ⋅ м 2 .
Угловая скорость вращения барической системы может быть оценена как ω =V, где VR− скорость ветра в циклоне. Полагая V ~ 20 м ⋅ с −1 (напр., [Тверской, 1951]), получаемω = 2 ⋅ 10 −5 с −1 . Подставляя полученные выше значения I и ω в формулу 2.13, получаемоценку кинетической энергии циклона E ≈ 2 ⋅ 1018 Дж (или 2 ⋅ 10 25 эрг). Поскольку циклондостигает стадии максимального развития примерно за 2 суток, скорость преобразованиядоступной потенциальной энергии в кинетическую энергию циклона составляет ~ 10 25 эрг/сут,что на несколько порядков превышает скорость поступления энергии в стратосферу за счетсолнечных протонов.Возможные физические механизмы вариаций космических лучей будут обсуждаться вглаве 6, однако в данный момент можно отметить следующее.
Согласно результатамисследования, связанные с энергичными СПС изменения в эволюции барических систем внаибольшей степени выражены в районе климатических арктических и антарктическихфронтов (см. рис.2.34 и 2.37). Эти фронты формируются на границе холодных воздушных массв полярных районах обоих полушарий и отделяют данные воздушные массы от более теплоговоздуха умеренных широт. Как видно из рис.2.36 и 2.41, среднее многолетнее положение этихфронтов попадает в области высыпания частиц с минимальными энергиями ~100 МэВ.
Такимобразом, можно предположить, что исследуемые высыпания солнечных протонов вызываютизменения в областях формирования арктических/антарктических фронтов (напр., усилениеконтрастов температуры), которые способствуют более интенсивному развитию циклонов.143Что касается разницы в энергии, вносимой космическими частицами в атмосферу высокихширот, и энергии атмосферной циркуляции, то здесь следует отметить, что запасы энергии всамой атмосфере достаточно велики, чтобы обеспечить наблюдаемое усиление циклоническойактивности.
Согласно данным, приведенным Мониным [Монин, 1982], лабильная энергия(сумма потенциальной и внутренней энергии) всей атмосферы оценивается как 1.22⋅1024 Дж(1.22⋅1031 эрг). Доступная лабильная энергия, т.е. та часть, которая может превращаться вкинетическую энергию посредством адиабатических процессов, составляет согласно оценкам~0.2% всей лабильной энергии, т.е. 2.4⋅1028 эрг. Так как доступная лабильная энергияопределяется дисперсией температуры на изобарических поверхностях, т.е.
отклонениямитемпературы от среднего значения, максимальными в областях с высокими градиентамитемпературы − фронтальных зонах [Матвеев, 1991], именно эти области играют важную роль вобразовании и развитии синоптических вихрей. Действительно, внетропический циклогенезявляется естественным механизмом ликвидации температурных контрастов в тропосфере,сконцентрированных во фронтальных зонах. Теплые воздушные массы перемещаются к северув передней части циклона, холодные воздушные массы перемещаются к югу в тыловой части.
Спомощью данного механизма атмосфера при избытке контрастов потенциальной энергии ипотере устойчивости возвращается в более устойчивое состояние [Воробьев, 1991]. Усилениециклонической деятельности, наблюдаемое после начала СПС, свидетельствует об увеличениитемпературных контрастов во фронтальных зонах тропосферы в связи с исследуемымисобытиями. Очевидно, что энергия частиц с энергиями ~100 МэВ поглощается в стратосфере инепосредственно на развитие циклонической деятельности не расходуется. Следовательно,основная проблема заключается в том, каким образом процессы, происходящие на высотахстратосферы, оказывают влияние на состояние тропосферы (в частности, на контрастытемпературы во фронтальных зонах) и циклоническую активность.
Данный вопрос будетобсуждаться в главе 6.2.4. Выводы к главе 2Результаты исследования эффектов солнечных протонных событий с энергиями частиц≥ 90 МэВ в вариациях атмосферного давления и эволюции внетропических барических системпоказали следующее:1)Солнечные протонные события, в ходе которых регистрируются возрастанияпотоков частиц с энергиями E ≥ МэВ, достаточными для того, чтобы достичь уровня верхнейтропосферы, способствуют интенсификации циклонической деятельности в высоких иумеренных широтах. Наиболее значимые изменения в эволюции циклонов и вариацияхдавленияатмосферынаблюдаютсявобластяхформированияклиматических144арктических/антарктических фронтов в высоких широтах.
Региональность отклика давлениятропосферы на исследуемые события обусловлена изменениями в эволюции внетропическихбарических образований, характерных для данного региона (напр., циклонов в СевернойАтлантике).2)Усиление циклонической деятельности начинается с резкого увеличенияинтенсивности регенерации (вторичного углубления) полярнофронтовых циклонов наарктических/антарктических фронтах в первые сутки после начала СПС.
В северномполушарии данный эффект имеет место над Северной Атлантикой в районе юго-восточногопобережья Гренландии (включая область Исландского минимума) и обусловлен усилениемадвекции холода в первые сутки после начала СПС. В южном полушарии аналогичный эффектнаблюдается в области климатической депрессии над западной частью Индийского океана уберегов Земли Королевы Мод.
Углубление циклонов сопровождается формированием областейповышенного давления (высотных гребней) перед углубляющимися циклонами, что врезультате приводит к пространственной структуре вариаций давления, характеризуемойчередованием областей пониженного и повышенного давления..3)Область Северной Атлантики у побережья Гренландии и область климатическойдепрессии у восточных берегов Земли Королевы Мод в Антарктиде являются особымирегионами, где складываются наиболее благоприятные условия, как геофизические, так иатмосферные, для формирования эффектов энергичных СПС в эволюции внетропическихциклонов. Для данных областей характерна благоприятная структура термобарического поля(высокие температурные контрасты во вдоль границы раздела океан-материк, создающиеусловия для адвекции холода, расходимость изогипс в средней тропосфере) и низкие порогигеомагнитного обрезания ( Rc ≤ 0.5 ГВ), что допускает высыпание солнечных протонов сэнергиями ≥ 90 МэВ.4)Усиление циклонической деятельности, обнаруженное после начала энергичныхСПС, свидетельствует об изменениях структуры термобарического поля, создающих болееблагоприятные условия для развития циклонов.
Возможными причинами усиления регенерациициклонов на арктических/антарктических фронтах может быть увеличение температурныхконтрастов во фронтальных зонах тропосферы, а также более интенсивное смещениеполярнофронтовых циклонов в высокие широты.145Глава 3. Влияние Форбуш-понижений галактических космических лучей наинтенсивность антициклонических процессов в умеренных широтах3.1. О природе эффектов Форбуша в интенсивности галактических космических лучей.Известно, что вариации ГКЛ наблюдаются в широком диапазоне временных масштабов:от нескольких минут (часов) до нескольких тысяч лет [Дорман, 1975]. К вариациям, имеющимвременные масштабы порядка нескольких суток, относят так называемые Форбуш-понижения,или Форбуш-эффекты КЛ (в настоящее время термины “Форбуш-понижение” и “Форбушэффект” считаются эквивалентными).
В 1937 году американский физик С. Форбуш отметил, чтово время магнитной бури происходит понижение интенсивности КЛ [Forbush, 1937]. С тех пордолгое время Форбуш-эффект определялся как вариации космических лучей во времямагнитной бури. Пример Форбуш-понижения в ходе магнитной бури показан на рис.3.1. Дляхарактеристики интенсивности ГКЛ используется скорость счета нейтронного монитора ст.Апатиты (эффективная жесткость геомагнитного обрезания Rc =0.65 ГВ). Величина δNпоказываетвариации (в процентах) скоростисчета относительносреднегоуровня,наблюдавшегося до начала события. Как показывают данные на рис.3.1, мощная магнитнаяδN, %Kp10.05.01080.06-5.04-10.02-15.00-20.09101112131415161718Март 1989Рис.3.1.
Понижение интенсивности ГКЛ по данным нейтронного монитора на ст. Апатиты вовремя геомагнитной бури, начавшейся 13 марта 1989 г. Красная линия показывает измененияскорости счета нейтронного монитора (отклонение от среднего уровня до начала события),голубым показаны трехчасовые значения геомагнитного Кр-индекса.146буря, во время которой планетарный геомагнитный Kp-индекс достигает 9 (максимальновозможного значения), сопровождается значительным понижением интенсивности ГКЛ самплитудой ~15% в нейтронной компоненте.Тем не менее, связь между Форбуш-понижениями и геомагнитными бурями не являетсяоднозначной.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
