Влияние вариаций галактических космических лучей на динамические процессы в нижней атмосфере

И. В. Артамонова, С. В. Веретененко

ВЛИЯНИЕ ВАРИАЦИЙ ГАЛАКТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ НА ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В НИЖНЕЙ АТМОСФЕРЕ

Введение. Долгое время считалось, что атмосфера Земли является самосогласованной системой, не подверженной влиянию извне. Однако результаты проведённых в последние годы исследований свидетельствуют о наличии заметного отклика атмосферных параметров, таких как количество осадков [1, 2], площадь и распределение облачного покрова [3-5], температура тропосферы [6], а также потоки прямой солнечной радиации [7, 8], на различные проявления солнечной активности.

В качестве одного из важных связующих звеньев между солнечной активностью и атмосферой Земли рассматриваются потоки космических лучей солнечного (СКЛ) и галактического (ГКЛ) происхождения с энергиями от ~ 100 МэВ до нескольких ГэВ [9-12]. Этих энергий достаточно, чтобы космические лучи могли проникнуть в атмосферу Земли до высот тропосферы/нижней стратосферы. С другой стороны, интенсивность потоков космических лучей с указанными энергиями в значительной степени модулируется солнечной активностью [13].

Ряд работ свидетельствует в пользу гипотезы о существенной роли космических лучей в физическом механизме солнечно-атмосферных связей. Например, Пудовкиным и Бабушкиной [14] были исследованы вариации зонального давления на разных стадиях геомагнитного возмущения в поясе широт 55-70°N. В ходе анализа было обнаружено понижение зонального давления в связи с солнечными протонными событиями и его рост в связи с форбуш-понижениями космических лучей. Далее, на основании данных аэрологических зондирований на станции Sodankyla (Финляндия, 67°N) Пудовкиным с соавторами [6] было показано, что форбуш-понижения ГКЛ сопровождаются медленным ростом давления с максимумом на 3-й-4-й день после начала события. Кроме того, Веретененко и Тайлом [15, 16] было обнаружено понижение давления во всей толще тропосферы на 1-й-2-й день после начала события на станциях Tasiilaq (юговосточное побережье Гренландии, 65,5°N, 38°W), Thorshavn (Фарерские острова, 62°N, 6,5°W), связанное с интенсивными солнечными протонными событиями.

Известно, что кратковременные вариации атмосферного давления в первую очередь обусловлены прохождением над станцией, ведущей измерения, какого-либо барического образования, например, циклона или антициклона. В связи с этим особый интерес вызывают исследования вариации индекса циклонической завихренности (Vorticity Area Index, VAI), характеризующего степень циклонической активности в заданном регионе [17]. Результаты, полученные Тинсли и Дином [12], свидетельствуют об уменьшении индекса циклонической завихренности на широтах ~ 40-65°N преимущественно над океанами в связи с форбуш-понижениями потоков ГКЛ. С другой стороны, Веретенен-ко и Тайлом [15] был отмечен рост циклонической завихренности в районе северной Атлантики (50-70°N, 0-40°W) в связи с вторжением солнечных протонов с энергиями E > 90 МэВ. Это позволило сделать предположение, что кратковременные вариации потоков космических лучей во время солнечных протонных событий и форбуш-пони-жений могут оказывать влияние на эволюцию циклонов и антициклонов в указанных регионах.

© И. В. Артамонова, С. В. Веретененко, 2011

-50 0 50 -50 0 50 гп. м

Широта, °

Рис. 1. Вариации высоты изобарической поверхности 1000 гПа во время форбуш-понижений

галактических космических лучей

Целью представляемой работы стало детальное исследование атмосферных динамических процессов, которыми могут быть обусловлены изменения давления в области умеренных и высоких широт северного полушария, наблюдаемые во время короткопериодных изменений интенсивности потоков космических лучей.

Вариации давления в нижней атмосфере в ходе форбуш-понижений галактических космических лучей. В работе использовались среднесуточные значения геопотенциальных высот основных изобарических уровней 1000, 850, 700, 500, 300 и 200 гПа по данным «реанализа» МСЕР/МСАИ [18]. Исследование проводилось методом наложения эпох (МНЭ) для 48 форбуш-понижений с амплитудой ЬЫ/Ы > 2,5 %, отобранных в течение холодного полугодия (октябрь-март) 1980-2006 гг. на основании данных Апатитского нейтронного монитора (геомагнитная широта 63°М). Одним из критериев отбора было также отсутствие в период ± 3 дня относительно начала форбуш-понижения всплесков солнечных космических лучей с интенсивностью выше I > 100 протон • см-2с-1 ср-1 для частиц с энергией Е > 10 МэВ. Это условие было введено нами для разделения эффектов солнечных протонных событий и форбуш-понижений ГК Л в вариациях давления [3]. Невозмущённый уровень рассчитывался осреднением по 10 дням, предшествующим началу события. Нулевой день для анализа МНЭ соответствовал дню начала форбуш-понижения.

На рис. 1 приведены средние изменения высоты изобарической поверхности 1000 гПа в ходе исследуемых форбуш-понижений космических лучей. Белые линии ограничивают области, где значимость отклонений превышает 0,95 и 0,99 согласно ¿-критерию Стьюдента. Как видно, сразу после начала форбуш-понижения (0/+1 день) наблюдается увеличение давления около южного побережья Гренландии. Затем область повышенного давления распространяется к северо-востоку и через 2-3 дня охватывает умеренные и субполярные широты Северной Атлантики, а также Скандинавию и побережье Северного Ледовитого океана. Возмущение давления наблюдается

во всей толще тропосферы, однако статистическая значимость эффекта максимальна у поверхности Земли и убывает с высотой. Наибольшие изменения давления на всех уровнях тропосферы наблюдаются на 3-й—4-й день после начала события и достигают ~ 60-70 гп. м на уровне 1000 гПа.

Дополнительная проверка статистической значимости проводилась методом Монте-Карло. Было сгенерировано 1000 наборов по 48 случайных ключевых дат за тот же период, который использовался для отбора рассмотренных выше форбуш-понижений космических лучей. Относительно этих ключевых дат методом наложения эпох был проведён расчёт вариаций геопотенциальных высот для поверхности 1000 гПа. Затем было построено распределение значений модельных отклонений давления в точке, для которой на реальной карте поверхности 1000 гПа наблюдалось максимальное отклонение от среднего уровня. Проведённый анализ показал, что максимальное изменение давления, наблюдаемое во время форбуш-понижений космических лучей, превышает 2,8 среднеквадратичного отклонения модельного распределения, что соответствует уровню значимости 98 %.

Сопоставление наблюдаемых вариаций давления со средним многолетним положением основных климатических фронтов показало, что обнаруженный эффект (рост давления) локализован в районе расположения указанных фронтов (рис. 2). Поскольку климатический фронт является зоной наиболее вероятного расположения реальных атмосферных фронтов, на которых проходят процессы формирования циклонов и антициклонов, было сделано предположение, что космические лучи могут оказывать влияние на интенсивность циклонических процессов во фронтальных зонах.

Для изучения причин наблюдаемого повышения давления в районе климатического арктического фронта, проходящего над Северной Атлантикой и побережьем Северного Ледовитого океана, проведён синоптический анализ приземных карт погоды [20]. Погодные карты содержат исчерпывающую информацию о состоянии атмосферы на момент наблюдения, т. е. о распределении и характере воздушных масс, атмосферных фронтов и расположении барических систем — циклонов и антициклонов, что, в свою очередь, позволяет проследить их эволюцию [21]. Данные синоптического анализа показывают, что рост давления в указанном регионе обусловлен усилением области высокого давления, которая обычно формируется за холодным фронтом циклона или циклонической серии, прошедшей из Атлантики за Урал вдоль арктического побережья. В связи с исследуемыми форбуш-понижениями ГКЛ в районе арктического фронта наблюдается также интенсивное преобразование подвижных холодных антициклонов, сформированных в тылу холодного фронта циклона, в малоподвижные обширные антициклоны, блокирующие западный перенос. Обнаружено, что форбуш-понижения сопровождаются формированием блокирующих антициклонов в 67 % случаев, в то время как в отсутствие возмущающего влияния ГКЛ блокирующие антициклоны в исследуемом регионе формируются лишь в 43 % случаев. Кроме того, наблюдается смещение траекторий движения циклонов к югу в 30 % случаев. Эти процессы в целом приводят к замедлению движения или остановке и ослаблению циклонов, двигающихся в зональном потоке в восточном направлении, что еще больше способствует росту давления над Западной Европой.

Полученные результаты синоптического анализа позволяют сделать вывод о существенном влиянии форбуш-понижений галактических космических лучей на эволюцию барических систем в районе климатического арктического фронта, что проявляется в усилении антициклонической активности над Северной Атлантикой, Западной Европой и Скандинавией.

Рис. 2. Вариации высоты изобарической поверхности 1000 гПа на 4-й день после начала форбуш-понижения космических лучей и среднее многолетнее положение основных климатических фронтов в январе, согласно Хромову и Петросянцу [19]

Изменение продолжительности элементарных синоптических процессов в ходе форбуш-понижений космических лучей. В качестве прикладного аспекта работы приведём результаты исследования вариаций длительности элементарных синоптических процессов (ЭСП), на основе анализа которых строятся прогнозы погоды.

Согласно определению, введённому российским метеорологом Г. Я. Вангенгеймом [22], элементарный синоптический процесс представляет собой естественный отрезок времени, в течение которого сохраняется положение основных барических систем и направление основных воздушных потоков над атлантико-европейским сектором Северного полушария. Средняя продолжительность ЭСП составляет, как правило, 3-5 дней. Все многообразие элементарных синоптических процессов Вангенгейм свёл к трём основным формам атмосферной циркуляции: западной (W), восточной (Е) и меридиональной (С). Для западной формы атмосферной циркуляции характерно усиление западно-восточного переноса во всей толще тропосферы, при этом отмечается наличие волн небольшой амплитуды, быстро смещающихся с запада на восток. В высоких широтах у поверхности земли развивается область низкого давления, а в умеренных и субтропических широтах область высокого давления. Для восточной формы циркуляции характерно формирование в тропосфере устойчивых волн большой амплитуды с градиентами, направленными широтно. Над континентами в эти периоды развиваются

стационарные антициклоны, которые нарушают западно-восточный перенос воздушных масс и барических образований. В то же время в Тихом и Атлантическом океанах сохраняются значительные зональные составляющие. Меридиональная форма циркуляции, так же как и восточная, характеризуется формированием устойчивых стационарных волн большой амплитуды, однако географическая локализация гребней и ложбин при этой форме несколько иная. Так, при развитии меридиональной формы отмечается формирование высокого теплого антициклона над восточной частью Атлантики и Западной Европой.

Результаты, представленные нами выше, свидетельствуют о том, что форбуш-по-нижения космических лучей способствуют интенсификации и/или увеличению времени жизни антициклонов над Северной Атлантикой, Скандинавией и Западной Европой. Это, в свою очередь, приводит к усилению меридиональной циркуляции и ме-жширотного воздухообмена. Ранее Веретененко и Пудовкиным [23] было обнаружено ослабление зональной циркуляции во время форбуш-понижений космических лучей и усиление зональной циркуляции во время всплесков СКЛ с энергиями Ер > 90 МэВ. Все это позволило нам предположить, что вариации интенсивности потоков космических лучей могут также влиять и на длительность ЭСП, которые характерны для той или иной формы атмосферной циркуляции. Для проверки данной гипотезы на основании каталога макросиноптических процессов [22] были отобраны ЭСП, совпадающие во времени с рассмотренными в предыдущем разделе форбуш-понижениями космических лучей. Для них были построены гистограммы длительности ЭСП во время форбуш-понижений и в отсутствие возмущающего влияния космических лучей. Невозмущённый уровень определялся за период 1980-2006 гг для дней, когда отсутствовало влияние солнечных и галактических космических лучей.

На рис. 3 представлены гистограммы распределения длительности ЭСП для западной (*^, меридиональной (С) и восточной (Е) форм атмосферной циркуляции. Можно убедиться, что как в невозмущённых условиях, так и во время вариаций потоков космических лучей ~ 65-80 % ЭСП имеют среднюю продолжительность 3-4 дня. Однако в присутствии возмущающего влияния космических лучей форма их распределения несколько меняется. Так, форбуш-понижения сопровождаются увеличением длительности ЭСП, относящихся к меридиональной форме атмосферной циркуляции. Наиболее вероятная длительность ЭСП в ходе форбуш-понижений составляет 4 дня, в то время как в отсутствие возмущающего влияния ГКЛ — 3 дня. Для западной и восточной форм наблюдается уменьшение количества ЭСП длительностью 4 и более дней по сравнению с невозмущёнными условиями и возрастание количества ЭСП длительностью 3 дня для западной и 2-3 дня для восточной форм атмосферной циркуляции.

Наблюдаемые изменения продолжительности ЭСП во время форбуш-понижений авторы объясняют влиянием вариаций потоков космических лучей на развитие барических образований над Европой, Скандинавией и Северной Атлантикой. Действительно (см. рис. 1), форбуш-понижение космических лучей сопровождается формированием области высокого давления над Северной Атлантикой, Скандинавией и Европой, максимально развивающейся на 3-й-4-й день после начала события. На картах погоды ей соответствует образование стационарного антициклона, блокирующего западновосточный перенос атлантических воздушных масс на европейский континент. Подобное распределение барических полей соответствует меридиональной форме атмосферной циркуляции. Таким образом, наблюдаемое увеличение средней продолжительности ЭСП меридиональной формы во время форбуш-понижений может быть объяснено влиянием космических лучей на эволюцию и время жизни барических образований

40

30

20

10

0

О 40

т

е

я

р

о

т

£Е

о

п

а

т

о

т

аст

Ет

20

50

40

30

20

10

3 4 5 6 7 8

Меридиональная форма атмосферной циркуляции

I

I I I

1

П_

3 4 5 6 7 8

Восточная форма атмосферной циркуляции

У1

4 5 6

Длительность ЭСП, дни

7

Рис. 3. Распределение длительности ЭСП западной, меридиональной и восточной форм атмосферной циркуляции во время форбуш-понижений космических лучей

(антициклонов) в указанном регионе. В то же время наблюдаемое уменьшение длительности ЭСП западной и восточной форм атмосферной циркуляции, для которых характерны интенсивная циклоническая активность и значительные зональные составляющие в североатлантическом секторе, могут также объясняться ослаблением циклогенеза и формированием блокирующего антициклона в указанном регионе.

Следует отметить, что полученные выше результаты о вариациях длительности элементарных синоптических процессов в связи с форбуш-понижениями космических лучей могут быть использованы для улучшения качества метеопрогнозов.

Сравнительный анализ вариаций давления в нижней атмосфере в ходе солнечных протонных событий и форбуш-понижений космических лучей. Согласно представленным результатам, форбуш-понижения галактических космических лучей (ГКЛ) способствуют более интенсивному формированию области высокого

0

0

8

давления и/или увеличению времени жизни блокирующих антициклонов над Западной Европой и Скандинавией. Сравним эффекты ГКЛ с эффектами всплесков солнечных космических лучей (СКЛ) в вариациях давления и эволюции барических образований.

В работах Веретененко и Тайла [15, 24] проведено исследование поведения барического поля нижней атмосферы в ходе солнечных протонных событий. Было обнаружено, что всплески СКЛ с энергиями протонов Ep > 9G МэВ приводят к регенерации циклонов в Северной Атлантике у юго-восточного побережья Гренландии. Сравнительная характеристика вариаций параметров нижней атмосферы в ходе форбуш-понижений космических лучей и солнечных протонных событий приведена в таблице.

Изменение параметров нижней атмосферы в североатлантическом регионе в ходе вариаций солнечных и галактических космических лучей

Параметры атмосферы Солнечные протонные события с энергией частиц Ер > > 90 МэВ Форбуш-понижения ГКЛ с амплитудой 8М/М > 2,5 %

Характер реакции атмосферы Уменьшение давления Рост давления

Максимальное изменение высот изобарических уровней Понижение на 70-100 гп. м Повышение на 60-70 гп. м

Локализация наблюдаемого эффекта Юго-восточное побережье Гренландии Северо-восточная часть Атлантики, Западная Европа и Скандинавия

День максимума эффекта 1-й день после начала всплеска СКЛ 3-й-4-й день после начала форбуш-понижения

Атмосферный процесс, приводящий к изменению давления (по данным синоптического анализа) Регенерация циклонов Формирование блокирующих антициклонов

Причина усиления атмосферного процесса Адвекция холода Адвекция тепла

Из представленных данных видно, что реакция атмосферы на всплески СКЛ выражена более ярко: она имеет меньшее время отклика и большую амплитуду, чем в случае форбуш-понижений ГКЛ.

Следует также отметить, что обнаруженное усиление циклонической и антицикло-нической активности в связи с вариациями интенсивности потоков космических лучей наблюдается, как правило, в районах расположения основных атмосферных фронтов: арктического, разделяющего арктический воздух и воздух умеренных широт, и полярного, разделяющего тропический воздух и воздух умеренных широт. Это связано с наибольшими температурными контрастами, наблюдающимися во фронтальных зонах и создающими благоприятные условия для адвективных изменений температуры, которые играют важную роль в эволюции барических образований [21]. Расчёт адвективных

С другой стороны, форбуш-понижения космических лучей сопровождаются увеличением адвекции тепла над арктическим побережьем Евразии [25, 26] и, как следствие, усилением антициклонического вихря.

Таким образом, усиление циклонической/антициклонической активности в указанных регионах в связи с вариациями потоков солнечных/галактических космических лучей тесно связано с изменениями структуры термобарического поля в районе фронтальных зон, что приводит к более интенсивной адвекции холода/тепла. Указанные изменения структуры термобарического поля нижней атмосферы могут быть вызваны вариациями облачности в ходе возмущений потоков космических лучей. Согласно имеющимся в настоящее время двум основным гипотезам, физический механизм влияния космических лучей на состояние облачности может быть связан как непосредственно с ионизацией верхних слоев тропосферы космическими лучами [27], так и с модуляцией проводимости атмосферы космическими лучами и, как следствие, изменениями интенсивности токов в глобальной токовой цепи, что также может приводить к изменению скорости облакообразования [28, 29].

Заключение. Результаты проведённого исследования свидетельствуют о том, что вариации потоков солнечных и галактических космических лучей играют важную роль в физическом механизме влияния солнечной активности на атмосферную циркуляцию, погоду и климат.

Авторы выражают благодарность В. В. Иванову и В. А. Ульеву (ААНИИ) за предоставленные данные и полезную дискуссию.

Литература

1. KnivetonD. R., ToddM. C. On the relationship of cosmic ray flux and precipitation // J. Geophys. Res. 2001. Vol. 28. P. 1527-1530.

2. Kniveton D. R. Precipitation, cloud cover and Forbush decreases in galactic cosmic rays // J. Atm. Sol.-Ter. Phys. 2004. Vol. 66. P. 1135-1142.

3. Pudovkin M. I., Veretenenko S. V. Cloudiness decreases associated with Forbush decreases of galactic cosmic rays // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 1995. Vol. 57. N 11. P. 1349-1355.

4. Todd M. C., Kniveton D. R. Changes in cloud cover associated with Forbush decreases of galactic cosmic rays // J. Geophys. Res. 2001. Vol. 106. N D23. P. 32031-32041.

5. Todd M. C., Kniveton D. R. Short term variability in satellite-derived cloud cover and galactic cosmic rays: an update // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2004. Vol. 66. P. 1205-1211.

6. Pudovkin M. I., Veretenenko S. V., PellinenR., Kyro E. Meteorological characteristic changes in the high-latitudinal atmosphere associated with Forbush decreases of galactic cosmic rays // Adv. Space Res. 1997. Vol. 20. N 6. P. 1169-1172.

7. Pudovkin M. I., Babushkina S. V. Atmospheric transparency variations associated with geomagnetic disturbances // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 1992. Vol. 54. N 9. P. 1135-1138.

8. Veretenenko S. V., Pudovkin M. I. Effects of the galactic cosmic ray variations on the solar radiation input in the lower atmosphere // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 1997. Vol. 59. N 14. P. 1739-1746.

9. NeyE. P. Cosmic radiation and the weather // Nature. 1959. Vol. 183. P. 451-452.

10. Pudovkin M. I., Veretenenko S. V. Variations of the cosmic rays as one of the possible links between the solar activity and the lower atmosphere // Adv. Space Res. 1996. Vol. 17. N 11. P. 161-164.

11. Svensmark H. Influence of cosmic rays on Earth’s climate // Phys. Rev. Lett. 1998. Vol. 81. N 22. P. 5027-5029.

12. Tinsley B. A., DeenG. W. Apparent tropospheric response to MeV-GeV particle flux variations: a connection via electrofreezing of supercooled water in high-level clouds? // J. Geophys. Res. 1991. Vol. 96. P. 283-296.

13. Bazilevskaya G. A., UsoskinI. G., FluckigerE. O. et al. Cosmic ray induced ion production

in the atmosphere // Space Sci. Rev. 2008. Vol. 137. N 1-4. P. 149-173.

14. Pudovkin M. I., Babushkina S. V. Influence of solar flares and disturbances of the interplanetary medium on the atmospheric circulation // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 1992. Vol. 54. N 7/8. P. 841-846.

15. Veretenenko S. V., ThejllP. Effects of energetic solar proton events on the cyclone development in the North Atlantic // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2004. Vol. 66. P. 393-405.

16. Веретененко С. В., Тайл П. Солнечные протонные события и эволюция циклонов в Северной Атлантике // Геомагнетизм и аэрономия. 2008. Т. 48. № 4. С. 542-552.

17. Wilcox J. M., Scherrer P. H., SvalgaardL. et al. Influence of solar magnetic sector structure

on terrestrial atmospheric vorticity // J. Atm. Scien. 1974. Vol. 31. № 2. P. 581-588.

18. KalnayE., Kanamitsu M., KistlerR. et al. The NCEP/NCAR 40-year reanalysis project // Bull. Am. Meteorol. Soc. 1996. Vol. 77. P. 437-472.

19. Хромов C. П., Петросянц М. А. Метеорология и климатология М., 1994. 520 c.

20. Synoptic Bulletin: Northern Hemisphere, 1980-1989. The State Committee of the USSR of Hydrometeorology // Hydrometcenter USSR, WDCB for Meteorology, Obninsk.

21. Воробьёв В. И. Синоптическая метеорология. Л., 1991. 616 c.

22. ВангенгеймГ. Я., ГирсА. А. Каталог макросиноптических процессов по классификации Г. Я. Вангенгейма. Л., 1964. 200 c.

23. Веретененко С. В., ПудовкинM. И. Эффекты вариаций космических лучей в циркуляции нижней атмосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 1993. Т. 33. № 6. С. 35-40.

24. Veretenenko S. V., ThejllP. Cyclone regeneration in the North Atlantic intensified by energetic solar proton events // Adv. Space Res. 2005. Vol. 35. N 3. P. 470-475.

25. Veretenenko S. V., ArtamonovaI. V. Galactic cosmic ray variation influence on baric system dynamics at middle latitudes // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2010. Doi:10.1016/j.jastp.2010.05.004.

26. Веретененко С. В. Роль фронтальных зон в формировании эффектов солнечной активности в вариациях интенсивности циклогенеза умеренных широт // Труды XI Пулковской международной конференции по физике Солнца. СПб., 2007. С. 81-84.

27. Dickinson R. E. Solar variability and the lower atmosphere // Bull. Am. Meteorol. Soc. 1975. Vol. 56. P. 1240-1248.

28. Tinsley B. A. Influence of solar wind on the global electric current, and inferred effects on cloud microphysics, temperature and dynamics in the troposphere // Space Sci. Rev. 2000. Vol. 94. P. 231-258.

29. Tinsley B. A., YuF. Atmospheric ionization and clouds as links between solar activity and climate // Solar variability and its effects on the Earth’s atmosphere and climate system / ed. by J. Pap et al. Washington, 2004. P. 321-339.

Статья поступила в редакцию 26 октября 2010 г.