Модель возмущения в нижней атмосфере, обусловленного вариациями солнечной активности

ВВЕДЕНИЕ.........................................................4
ГЛАВА 1.ИЗМЕНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ НИЖНЕЙ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ ПОД ВЛИЯНИЕМ РАЗЛИЧНЫХ ПРОЯВЛЕНИЙ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ............................................11
1 Л.История проблемы..........................................11
^.Экспериментальные данные (обзор)............................15
1.2.1.Вековые вариации климата и солнечная активность.......15
1.2.2.22-летний (хейловский) цикл солнечной активности
и климат....................................................18
1.2.3.11-летний цикл пятнообразователыюй деятельности
Солнца и климат.............................................20
1.2.4.Короткопериодные вариации солнечной активности
и погода....................................................22
Пересечения границ секторов ММП...........................23
Солнечные вспышки и всплески СКЛ..........................24
Геомагнитные возмущения и Фор буш-понижен и я
интенсивности ГКЛ.........................................25
1.3.Возможные механизмы воздействия солнечной активности на погоду и климат Земли (обзор)...................27
1.3.1.Изменение астрономической “солнечной постоянной11 27
1.3.2.Изменение потока ультрафиолетового излучения..........30
1.3.3.иЭлектрический11 механизм.............................30
1.3.4.“Электрозамораживание ”...............................33
1.3.5.Изменсние прозрачности атмосферы, количества
облаков и малых газовых составляющих........................36
ГЛАВА 2.ИЗМЕНЕ11ИЕ РАДИА1 (ИОННОГО БАЛАНСА НИЖНЕЙ АТМОСФЕРЫ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЧАСТИЦ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ...............................................38
2.1.Космические лучи как связующее звено между Солнцем и атмосферой Земли..................................38
2.1.1.Галактические космические лучи........................39
2.1.2.Солнечные космические лучи............................41
2.2.Изменение прозрачности нижней атмосферы под действием частиц космических лучей..........................43
1
2.3.Возможный механизм воздействия солнечной
активности на погоду и климат Земли............................46
ГЛАВА З.МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ 11ИЖНЕЙ АТМОСФЕРЫ В СРЕДНИХ И ВЫСОКИХ ШИРОТАХ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ИНТЕНСИВНОСТИ ПОТОКОВ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ................................................52
3.1.Моделирование термических и динамических процессов в тропосфере...................................................52
3.1. ЕОсновныс уравнения.....................................52
Уравнения переноса тепла в атмосфере.......................52
Лучистый приток me/via..............>......................53
Турбулентный приток тепла..................................58
Уравнение притока тепла....................................58
Силы, действующие в атмосфере..............................59
Движение свободной атмосферы...............................62
3.1.2.Моделирование процессов переноса тепла в нижней
атмосфере....................................................64
Стационарная задача........................................64
Оптическая толщина атмосферы.............................64
Распределение температуры по высоте с учетом
турбулентности...........................................65
Влияние рассеянной радиации..............................68
Учет земного альбедо.....................................71
Нестационарная задача......................................71
Основные уравнения и граничные условия...................71
Методы решения...........................................72
ЗЛ.З.Моделирование динамических процессов в тропосфере.......73
Стационарная задача........................................73
Нестационарная задача......................................75
Основные уравнения.......................................75
Методы решения...........................................76
Стандартное распределение температуры, давления
и скорости ветра во внетропических широтах
Земного шара.............................................76
3.2.Моделированис изменения состояния тропосферы после всплесков СКЛ................................................80
3.2.1.Экспериментальные данные (обзор).......................80
3.2.2.Изменение высотного профиля температуры тропосферы
в высоких широтах............................................85
Модель.....................................................85
Стационарная задача........................................8 7
2
Изменение высотного профиля температуры тропосферы в
нерассеивающей атмосфере................................87
Результаты..............................................91
Влияние рассеянной радиации и учет земного альбедо......94
Нестационарная задача.....................................95
Основные уравнения......................................95
Методы решения .........................................96
Изменение потока солнечной радиации во времени..........96
Нагревание поглощающего слоя............................97
Изменение оптических свойств атмосферы под действием
частиц СКЛ..............................................98
Результаты..............................................99
3.2.3.Изменение давления и скорости ветра в тропосфере.....103
Модель...................................................103
Стационарная задача......................................104
Моделирование изменения давления и скорости ветра в
тропосфере после всплесков СКЛ.........................104
Результаты.............................................105
Нестационарная задача....................................106
Моделирование изменения давления и скорости ветра в
тропосфере после всплесков СКЛ.........................106
Результаты.............................................107
Выводы.......................................................113
ЗЗ.Моделирование изменения состояния тропосферы после Форбуш-понижсннй интенсивности ГКЛ.........................114
3.3. ^Экспериментальные данные (обзор).....................114
3.3.2.Изменение температуры, давления и скорости ветра в
тропосфере.................................................117
Модель...................................................117
Нестационарная задача....................................119
Моделирование изменения температуры, давления и скорости
ветра в тропосфере после всплесков СКЛ.................119
Результаты.............................................119
Выводы..................................................... 125
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................126
ЛИТЕРАТУРА.....................................................128
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 (основные обозначения)........................... 144
11РИJЮЖЕНИЕ 2 (основные уравнения)............................ 147
ПРИЛОЖЕНИЕ 3.................................................. 149
3
ВВЕДЕНИЕ
Настоящая работа посвящена исследованиям воздействия вариаций космических лучей солнечного и галактического происхождения на метеорологические параметры нижней атмосферы и численному моделированию радиационных и динамических процессов в тропосфере и нижней стратосфере, связанных с кратковременными вариациями потоков космических лучей.
Актуальность темы. В настоящее время наблюдается значительное повышение интереса к проблеме воздействия проявлений солнечной активности на состояние нижней атмосферы. Накоплен обширный экспериментальный материал, свидетельствующий о реальности влияния солнечной активности на состояние нижней атмосферы (тропосферы и стратосферы), погоду и климат.
Однако механизм этого влияния еще не совсем ясен. Предполагается, что причиной вариаций мегеорологических параметров является изменение потока солнечной радиации в видимом или ультрафиолетовом диапазонах, изменение электрических полей атмосферы, прозрачности атмосферы, количества облаков и т.д.
Основной проблемой в поиске механизма, связывающего изменения солнечной активности на погоду и климат на Земле, является способ передачи энергии. Известно, что скорость поступления энергии солнечного ветра в магнитосферу Земли во время геомагнитных возмущений примерно на два - три порядка меньше, чем характерная мощность атмосферных процессов (изменение циркуляции атмосферы и пр.). Попытки выявить триггерный механизм воздействия солнечной активности на состояние нижней атмосферы не дали положительного результата. Энергии, высвобождаемой при конденсации/кристаллизации водяного пара, также, по-видимому, не достаточно. Изменения астрономической “солнечной
4
постоянной” за короткие промежутки времени (несколько дней) чрезвычайно малы. Однако создавшуюся проблему можно разрешить.
Допустим, что корпускулярное и/или электромагнитное излучение Солнца лишь модулируют поступление энергии от другого, более мощного источника. Таким регулируемым потоком энергии, несомненно, является излучение Солнца в видимом диапазоне спектра. Регуляция потока солнечной радиации может происходить за счет изменения прозрачности атмосферы, связанного с вариациями концентрации радиационно-активных малых газовых составляющих и/или изменения облачного покрова.
Пучки протонов с энергиями порядка нескольких Мэв и электронов с энергиями до нескольких Гэв, проникая в атмосферу Земли, вызывают ряд физико-химических реакций. Изменения в ионной химии и концентрации малых газовых составляющих атмосферы (N0, Щ, НзОу Оз) существенно сказываются на радиационном балансе нижней атмосферы (тропосферы и стратосферы). Возможно, что под действием космических лучей в атмосфере Земли изменяется концентрация аэрозолей и/или течение процессов кристаллизации и конденсации частиц в облаках. Как показали исследования, после геомагнитных возмущений, сопровождавшихся Форбуш-понижсниями интенсивности ГКЛ, прозрачность атмосферы возрастала примерно на 10 %, а после всплесков СКЛ - падала. Вторгающиеся в нижнюю атмосферу частицы космических лучей приводят, по всей видимости, к возникновению/интенсификации слоев или облаков, которые, в свою очередь, способны поглощать и/или рассеивать солнечную радиацию в видимом диапазоне. Уменьшение потока частиц способствует распаду таких слоев (облаков) и увеличению потока солнечного излучения в нижнюю атмосферу.
Изменения прозрачности и температурного режима нижней атмосферы неизбежно повлекут за собой вариации распределения атмосферного давления и циркуляции в высоких и средних широтах. Имеющиеся
экспериментальные данные подтверждают это предположение.
5
Целью настоящей работы является построение модели изменения радиационного баланса, температурного и барического режимов и вариаций циркуляции в нижней тропосфере высоких и средних широт, вызванных изменениями прозрачности нижней стратосферы в ходе вариаций интенсивности потоков космических лучей: всплесков солнечных
космических лучей и Форбуш-понижений галактических космических лучей.
В качестве рабочей гипотезы предполагается, что
1) Увеличение интенсивности потока космических лучей (всплески СКЛ или увеличение потока ГКЛ в период минимума солнечной акгивности) приводит к образованию/интенсификации в верхней тропосфере - нижней стратосфере высоких широт слоев/облаков, уменьшающих поток прямой солнечной радиации. В свою очередь, в периоды уменьшения интенсивности потока космических лучей (ослабление вспышечной активности или Форбуш-понижения ГКЛ) прозрачность высокоширотной атмосферы в видимом диапазоне увеличивается.
2) Изменение радиационного баланса в высоких широтах приводит к изменению высотного распределения температуры.
3) Изменения температурного режима в высокоширотной тропосфере приводит к перераспределению атмосферного давления вдоль меридиана, что, в свою очередь, оказывает существенное влияние на атмосферную циркуляцию в высоких и средних широтах, усиление или ослабление зонального переноса.
Научная новизна.
1) Предложен метод расчета изменения радиационного баланса, температуры, давления и циркуляции в нижней атмосфере высоких и средних широт, вызванных изменением прозрачности стратосферы в высоких широтах в ходе кратковременных вариаций потоков космических лучей.
6
2) Создан комплекс вычислительных программ для исследования вариаций метеорологических параметров, вызванных кратковременными вариациями солнечной активности.
3) Проведены аналитические и численные расчеты изменения температуры, атмосферного давления и циркуляции в ходе всплесков солнечных космических лучей и Форбуш-понижений интенсивности галактических космических лучей.
Научная и практическая ценность. Разработанные численные программы могут быть использованы для дальнейших исследований характера механизма воздействия солнечной активности на состояние нижней атмосферы.
На защиту выносятся следующие положения:
1) Модель воздействия вариаций потоков космических лучей на изменение метеорологических параметров в нижней атмосфере.
2) Результаты аналитического моделирования вариаций температуры воздуха в высокоширотной тропосфере, связанных со всплесками интенсивности потоков солнечных космических лучей (стационарный случай).
3) Результаты численного моделирования вариаций температуры воздуха в высокоширотной тропосфере, связанных со всплесками интенсивности потоков солнечных космических лучей (нестационарная задача);
4) Результаты численного моделирования вариаций атмосферного давления и циркуляции в высоко- и среднеширогной тропосфере, связанных со всплесками интенсивности потоков солнечных космических лучей (нестационарная задача).
5) Результаты численного моделирования вариаций температуры, атмосферного давления и циркуляции в высоко- и среднеширотной тропосфере, связанных с Форбуш - понижениями галакгических космических лучей (нестационарная задача).
7
Личный вклад ав тора. Автор принимал участи в постановке задачи, разработке и реализации численного алгоритма решения, отборе экспериментального материала. Все результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах НИИФ СПбГУ, и 9 Российских и международных конференциях и семинарах:
1. EGS General Assembly, Hamburg, April, 1995;
2. 14th International Congress of Biometeorology, Ljubljana, Slovenija, September, 1996;
3. Конференция, посвященная памяти М. Н. Гневышева и А. И. Оля, С.-Петербург, май 1997;
4. Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов “Геофизика-97”, С.-Петербург, июнь, 1997;
5. IAGA-97. 8th Scientific Assembly of IAGA with ICMA and STP Symposia. Uppsala, Sweden, August 1997;
6. EGS-98 Assembly in Nice, April, 1998;
7. Problems of Geocosmos, St.-Petersburg, June, 1998;
8. “Новый цикл солнечной активности”, С.-Петербург, июнь, 1998
9. International workshop on “The solar wind - magnetosphere system”, Graz, Austria, September, 1998.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 работы:
1.М. И. Пудовкин, А. Л. Морозова (Дементеева) Вариации высотного профиля температуры в нижней атмосфере во время солнечных протонных событий - Геомагнетизм и Аэрономия, 1997, т. 37, N 3, стр. 84.
2. М. I. Pudovkin, A. L. Morozova. Time evolution of the temperature altitudinal profile in the lower atmosphere during the solar proton. - Journal of Atmospheric and Solar- Terrestrial Physics, 1997, v. 59, N 17, pp. 2159-2166
3. М. И. Пудовкин, A. JI. Морозова Проявление циклов солнечной
активности в вариациях индексов температуры и увлажненности в
8
Швейцарии с 1525 по 1989 гг. //Труды конференции, посвященной памяти М. Н. Гневышева и А. И. Оля, май 1997, ГАО, Пулково, С.-Петербург, стр. 205
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы и 3 Приложений. Работа содержит 165 страниц машинописного текста, 52 рисунка, 2 таблицы и библиографию из 169 наименований.
Содержание работы
Во Введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи, а также положения, выносимые на защиту. Кратко изложены структура и содержание работы, дается характеристика научной новизны и практической ценности полученных результатов.
В первой главе представлен обзор литературы по проблеме
воздействия солнечной активности на состояние нижней атмосферы. В п. 1.1 кратко изложена история интереса к изучению проявлений солнечной
активности в вариациях климатических и погодных условий на Земле. В п.
1.2 представлен обзор имеющихся экспериментальных данных, касающихся вековых (п. 1.2.1), 22-летних (п.1.2.2), 11-летних (п.1.2.3) и кратковременных (и. 1.2.4) вариаций состояния нижней атмосферы, связанных с изменениями уровня солнечной активности. В п. 1.3 представлен обзор предлагавшихся ранее механизмов воздействия проявлений солнечной активности на погоду и климат.
Во второй главе представлен механизм воздействия вариаций
космических лучей на состояние нижней атмосферы, связанный с изменением прозрачности стратосферы высоких широт. В частности, в п. 2.1 рассмотрены общие характеристики галактических (п. 2.1.1) и солнечных (п. 2.1.2) космических лучей и их вариаций. П. 2.2 содержит обзор экспериментальных данных об изменении метеорологических параметров в ходе всплесков солнечных космических лучей и в ходе Форбуш-понижений
9
галактических космических лучей. В п. 2.3 предложен механизм воздействия вариаций космических лучей на состояние нижней атмосферы.
Третья глава посвящена моделированию термических и динамических процессов в тропосфере, связанных с вариациями потоков космических лучей. В п. 3.1 описаны основные уравнения и граничные условия (п. 3.1.1), используемые при расчете термического (п. 3.1.2) и барического режимов, а также циркуляции (п. 3.1.3) в нижней атмосфере. П.
3.2 посвящен моделированию изменения состояния тропосферы после всплесков солнечных космических лучей. В п. 3.3 приводятся результаты моделирования изменения состояния тропосферы после Форбуш-понижений интенсивности галактических космических лучей.
В Заключении приведены основные выводы работы.
В Приложении 1 приведены основные обозначения, используемые в тексте Диссергации.
В Приложении 2 приведены основные уравнения, используемые в тексте Диссертации.
В Приложении 3 приведены формулы для расчета оптической толщины атмосферы, разностные схемы уравнений Главы 3, решавшихся численно, и доказательство устойчивости этих схем.
10
ГЛАВА 1.ИЗМЕНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ НИЖНЕЙ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ ПОД ВЛИЯНИЕМ РАЗЛИЧНЫХ ПРОЯВЛЕНИЙ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ
1.1. История проблемы.
Солнце является колоссальным источником энергии, излучая в космическое пространство в виде электромагнитного излучения и корпускулярных потоков (в основном - протонов и электронов) ежесекундно около 2 эрг на грамм массы или примерно 4-1033 эрг/сек. Земля получает всего одну миллиардную долю солнечной энергии (около 1.78* 1024 эрг/сск). Тем не менее, этого количества достаточно для развития и поддержания всевозможных процессов на Земле. Однако, до недавнего времени в науке господствовала точка зрения, согласно которой единственным и постоянным агентом воздействия Солнца на состояние земных оболочек (атмо-, гидро-, биосферы) является солнечное электромагнитное излучение в видимой области спектра. Более тщательное изучение Солнца, околоземного пространства, параметров атмосферы и т.п. позволили связать проявления солнечной активности (вспышки, пятна, протуберанцы, радиовсплески т.д.) с изменением электрического и магнитного полей Земли, структуры ионосферы, появлениями полярных сияний и пр. Выявление различных периодичностей в вариациях солнечной активности заставило исследователей обратить внимание на похожую цикличность в изменении состояния атмосферы и биосферы [54].
Основная проблема в исследовании влияния солнечной активности на климат Земли состоит в том, что планомерное изучение активности Солнца началось примерно 150 - 200 лет назад. Спутниковые измерения полного потока солнечной радиации, параметров солнечного ветра и многих других элементов охватывает всего несколько 11-легних циклов. То же самое можно сказать и о наблюдениях солнечных вспышек и геомагнитных возмущений.
11
Исключение составляют так называемые числа Вольфа (\У), характеризующие степень пятнообразовательной деятельности Солнца. Постоянные наблюдения за солнечными пятнами ведутся с середины XIX в., а отрывочные данные имеются с 1700 г. По определению \У - К(1()% + где g - число групп пятен, / - число пятен в группах, К - поправочный коэффициент, зависящий от наблюдателя, обсерватории и т.д.
Косвенными свидетельствами повышенного уровня солнечной активности в прошлом могут служить наблюдения солнечных пятен, видимых невооруженным глазом, отмеченные в восточных летописях, и упоминания о северных сияниях в средних широтах в европейских и китайских хрониках. Однако для исследования связи солнечной активности и климата необходимо иметь не только качественные, но и достоверные количественные характеристики уровня солнечной активности на достаточно большом промежутке времени. Подобную информацию может дать измерение концентрации радиоактивных изотопов углерода (14С) и бериллия (10Ве).
Основными источниками этих изотопов в атмосфере Земли являются космические лучи солнечного (СКЛ) и галактического (ГКЛ) происхождения, интенсивность которых меняется с уровнем солнечной активности. В годы активного Солнца межпланетное магнитное поле экранирует Землю от потоков частиц ГКЛ, и концентрация радиоизотопов в атмосфере уменьшается. Во время спада солнечной активности ноток ГКЛ увели1ч икается, и, следовательно, содержание радиоизотопов растет. Накопление радиоизотопов в стволах деревьев (14С) и полярных льдах (,0Ве) позволяет оценить (с помощью моделей, учитывающих циклы обмена атмосферы, океана и биосферы) уровень активности Солнца в прошлом (рис. 1.1.1; [60], [83], [58], [6]).
Сопоставление изменений концентрации радиоуглерода в кольцах
стволов реликтовых сосен с огибающей кривой чисел Вольфа позволило Дж.
Эдди ([58], [83]) определить уровень солнечной активности до 3 тыс. лет до
12
н. э. Кроме того, Эдди установил, что эпохам повышенной активности Солнца соответствовали потепления климата. Например, т. н. “Римский'’ (I в. до н. э. - J в. н. э.) и “Средневековый” (XI в. н.э.) максимумы солнечной активности сопровождались отступлением альпийских ледников. В свою очередь, периоды снижения солнечной активности совпадали с похолоданиями: т. н. “Малый Ледниковый Период” (Little Icc Age, LIA) -примерно XVI - XIX вв. - пришелся на минимумы Маундсра (XVII - XVIII вв.) и Шперсра (XV - XVI вв.). Кроме того, “Средневековый” (VII - VIII вв.), “Греческий” (IV в. до н. э.), “Египетский” (XIV - XIII вв. до н. э.) минимумы и минимум Гомера (VII - VI в. до н. э.) сопровождались наступлениями альпийских ледников (рис. 1.1.1).
Тем не менее, возможность воздействия солнечной активности на состояние нижней атмосферы подвергается сомнению некоторыми авторами ([127], [164] и др.). Их возражения основываются на якобы отсутствии реального механизма передачи энергии солнечного ветра в атмосферу Земли, на малой статистической значимости полученных результатов. Некоторые ([143]) предполагают, что в некоторых случаях положительные результаты исследований обусловлены неправильным использованием статистических методов обработки данных.
Однако в настоящее время появляется все больше и больше статистически достоверных данных, свидетельствующих в пользу реальности влияния вариаций солнечной активности на состояние земной атмосферы. Остановимся на них более подробно.
13