Диссертация (1145308), страница 54
Текст из файла (страница 54)
Однако с конца 1990-х гг. положительная корреляциямежду облачностью и потоками ГКЛ начала ослабевать. Более поздние работы [Gray et al.,2010; Ogurtsov et al., 2013] выявили обращение корреляции между нижней облачности иинтенсивностью потока ГКЛ в начале 2000-х годов. Обнаруженное нарушение корреляциипоставило под сомнение влияние ГКЛ на формирование облачности, а также возможностьсамого физического механизма солнечно-атмосферных связей, включающего изменениясостояния облачности в связи с явлениями солнечной активности и воздействие этих измененийна радиационно-тепловой баланс атмосферы [Sloan and Wolfendale, 2008; Erlykin andWolfendale, 2011; Gray et al., 2010].Таким образом, на настоящий момент вопрос о влиянии ГКЛ и других явлений солнечнойактивности на формирование облачности остается открытым.
В различных работах приводятсяданные, свидетельствующие как о наличии связи между состоянием облачности и вариациями238ГКЛ, так и об ее отсутствии. Свенсмарк и др. [Svensmark et al., 2009] обнаружили значительныеизменения жидкой воды в облаках и концентрации аэрозолей в ходе сильных Форбушпонижений. Уменьшение облачности верхнего яруса в ходе Форбуш-понижений было выявленонад Антарктикой [Todd and Kniveton, 2001, 2004]. В работе [Laken et al., 2010] на основеспутниковых данных ISCCP было показано, что Форбуш-понижения ГКЛ сопровождаютсяуменьшением облачности в умеренных широтах (30-60°) северного и южного полушарий. Темне менее, согласно данным ряда исследователей, изменений облачности в связи с Форбушпонижениями не обнаруживается [Calogovic et al., 2010; Krissansen‐Totton and Davies, 2013].При этом на десятилетней временной шкале в качестве возможных факторов, влияющих насостояние облачности, наряду с космическими лучами рассматриваются также потоки полнойсолнечной радиации (TSI) [Kristjánsson et al., 2002, 2004] и ультрафиолетовой (УФ) радиации[Voiculescu and Usoskin, 2006].
Отмечается, что эффекты ГКЛ и потоков УФ радиации ввариациях состояния облачности характеризуются региональной и высотной зависимостью[Voiculescu and Usoskin, 2012]. Так, в указанной работе выявлены районы положительной иотрицательной корреляциимежду нижнейоблачностью ипотокамиГКЛ.Областистатистически значимых корреляций выявлены также для облачности среднего и верхнегояруса с потоками ГКЛ и УФ радиации. Данные, полученные в работе [Voiculescu et al., 2013],свидетельствуют о важной роли межпланетных электрических полей (МЭП) для формированияоблачности (при положительных значениях МЭП увеличивается потенциал ионосферы и,соответственно, вертикальные атмосферные токи, которые могут влиять на разделение зарядовв облаке и протекание микрофизических процессов [Tinsley, 2008]).
Таким образом,приведенные выше данные показывают, что связи между состоянием облачного покрова ипотоками ГКЛ, а также другими явлениями солнечной активности оказываются сложными инедостаточно изученными.Следует подчеркнуть, что прямые (микрофизические) эффекты вариаций КЛ и другихгелиогеофизических явлений, могут быть обнаружены только на очень коротких временныхшкалах (от нескольких часов до 1-2 суток). Усиление облакообразования в соответствии свозможными механизмами [Tinsley and Deen, 1991; Tinsley, 2008; Lam and Tinsley, 2016; Yu andTurco, 2000, 2001; и т.д.] в свою очередь приводит к изменению радиационно-теплового балансаатмосферы и, следовательно, к изменению структуры термобарического поля тропосферы,которая оказывает влияние на эволюцию барических образований.
Если эти измененияструктуры термобарического поля будут способствовать углублению областей низкогодавления (циклонов и ложбин), то это приведет к усилению их собственных облачных полей.Таким образом, рассматривая количество облачности, осредненное за месяц и более, мы неможем различить первичные (микрофизические) эффекты ГКЛ в вариациях состояния239облачности и вторичные эффекты, обусловленные развитием циклонических процессов в связис вариациями ГКЛ. Кроме того, масштабы непосредственного воздействия ГКЛ намикрофизические процессы в облаках представляются существенно меньшими по сравнению смасштабами воздействия на облачность посредством изменений циркуляции. В результатепрямые эффекты ГКЛ в формировании облачных частиц на длительных временных шкалахбудут маскироваться опосредованными эффектами ГКЛ в состоянии облачности, т.е.связанными с развитием циклонической деятельности, формирующей поле облачности.Еще один важный вопрос касается нарушения корреляции между аномалиями облачностии потоками ГКЛ, имевшего место в начале 2000-х годов.
Как указывалось выше, данноенарушение поставило под сомнение влияние ГКЛ на формирование облачности и их роль вмеханизме солнечно-атмосферных связей. Однако следует отметить, что изменение характеракорреляций между атмосферными характеристиками и вариациями солнечной активностипредставляют собой довольно распространенное явление в солнечно-атмосферных связях (см.раздел 4.1).
В главе 4 было показано, что возможной причиной временной изменчивостиэффектов СА/ГКЛ в состоянии нижней атмосферы является смена эпох крупномасштабнойциркуляции. В свою очередь эпохи циркуляции связаны с эволюцией циклонического вихря вполярной стратосфере (полярного, или циркумполярного вихря). В связи с этим возникаетвопрос, не является ли нарушение положительной корреляции между аномалиями нижнейоблачности и потоками ГКЛ в начале 2000-х гг.
результатом очередного изменения характерагелиогеофизических эффектов в тропосферной циркуляции. В данной главе проводитсяисследование временных вариаций корреляционных связей, наблюдаемых между состояниемоблачности и потоками ГКЛ, а также возможных причин нарушения после 2000 года.Результаты исследования опубликованы в работах [Веретененко и Огурцов, 2015а, 2015б, 2017;Veretenenko and Ogurtsov, 2015; 2016а, 2016б].5.2. О связи поля облачности с динамическими процессами в атмосфереКак известно, основной причиной образования облаков является перенос водяного пара повертикали и его охлаждение (напр., [Воробьев, 1991]).
В этой связи определяющую роль вформировании поля облачности играют восходящие движения воздуха. Рассмотрим, какиепроцессы в атмосфере способствуют вертикальным восходящим движениям воздуха иформированию облачности.В умеренных широтах наиболее крупномасштабные вертикальные движения (сгоризонтальными размерами от нескольких сотен до нескольких тысяч километров) связаны сбарическими системами (синоптическими объектами) (напр., [Матвеев, 2000]).
В системахпониженного давления (циклонах и ложбинах) имеет место сходимость (конвергенция)240воздушных течений у поверхности Земли, в связи с этим в них преобладают восходящиедвижения воздуха. В системах повышенного давления (антициклонах и гребнях) преобладаютнисходящие движения, что связано срасходимостью (дивергенцией) воздушных течений.Скорость вертикальных движений синоптического масштаба составляет 10-1−100 см⋅с-1[Матвеев, 2000].В области сходимости воздушных течений, способствующих сближению воздушных массс различными температурными характеристиками, возникают атмосферные фронты – узкиепереходные зоны, разделяющие теплую и холодную воздушную массу [Воробьев, 1991].Атмосферные фронты тесно связаны с областями пониженного давления – барическимиложбинами (фронт лежит в барической ложбине, на ее оси). Тип фронта зависит от направленияперемещения воздушных масс. Если теплая воздушная масса перемещается в сторону холоднойи сдвигает ее, фронт называется теплым, и наоборот.
Характерной особенностью атмосферныхфронтов являются интенсивные восходящие движения воздуха (рис.5.1). На теплых фронтах(рис.5.1а, верхняя панель) движение теплого воздуха имеет характер восходящего скольжениявдоль фронтальной поверхности, в результате чего образуется так называемая фронтальнаяа)б)Рис.5.1. а) Облачность теплого и холодного фронтов [Хромов и Петросянц, 1994];б) облачная система холодного фронта [Воробьев,1991].241облачность: мощные системы слоистообразных облаков Ns-As-Cs (слоисто-дождевые Ns,высокослоистые As и перисто-слоистые Cs облака), из которых выпадают обложные осадки. Втеплой воздушной массе за линией фронта возникают слоистые (St) облака. В случае быстроперемещающихся холодных фронтов (рис.5.1а, нижняя панель) вытеснение теплого воздухавверх происходит более интенсивно, что способствует развитию конвекции перед линиейфронта и образованию конвективных форм облачности (кучевых Cu и кучево-дождевых Cbоблаков с ливневыми осадками и грозами).
При наблюдении со спутника (рис.5.1б) полеоблачности атмосферного фронта имеет вид полос, ширина которых составляет от одной донескольких сотен километров, а длина от нескольких сотен до тысяч километров [Воробьев,1991].Рассмотрим, чем обусловлены восходящие движения во внетропическом циклоне. Циклонпредставляетсобойобластьпониженногодавлениясзамкнутымиизобарами.Прикриволинейном движении воздуха в свободной атмосфере (где отсутствует сила трения) навоздушную массу действуют сила градиента давления, отклоняющая сила Кориолиса ицентробежная сила. При равномерном движении эти силы взаимно уравновешиваются, идвижение воздуха происходит вдоль изобар (градиентный ветер).
Вблизи поверхности Землипод действием силы трения ветер приобретает составляющую, направленную к центру циклона.а)б)Рис.5.2. а) Облачная система внетропического циклона на разных стадиях развития;б) внетропический облачный вихрь в северном полушарии, А – центр вихря [Воробьев,1991].242В результате у поверхности Земли возникает сходимость воздушных течений, которая приводитк восходящим движениям в центре циклона (напр., [Хромов и Петросянц, 1994]).
Кроме того,внетропические циклоны являются, как правило, фронтальными образованиями. Онивозникают на холодных фронтах и в процессе своей эволюции проходят несколько стадий,которые так или иначе связаны с фронтами, т.е. на всех стадиях развития циклона присутствуетфронтальная облачность. Облачность внетропического циклона на разных стадиях эволюцииприведена на рис.5.2а согласно [Воробьев, 1991].Таким образом, для внетропических циклонов характерна облачность, связанная как свосходящими движениями в центре циклона, так и с упорядоченными восходящимидвижениями на фронтальных поверхностях. На фотографиях, сделанных со спутника, развитыйциклон наблюдается как облачный вихрь, имеющий хорошо выраженную спиралевиднуюструктуру (рис.5.2б).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
