Исследование связи долгопериодных вариаций интенсивности ОНЧ-шумов грозовой природы с вариациями плотности солнечного ветра

УДК 523.928.8, 551.590.2

P.P. Каримов, В.А. Муллаяров, В.И. Козлов

ИССЛЕДОВАНИЕ СВЯЗИ ДОЛГОПЕРИОДНЫХ ВАРИАЦИЙ ИНТЕНСИВНОСТИ ОНЧ-ШУМОВ ГРОЗОВОЙ ПРИРОДЫ С ВАРИАЦИЯМИ плотности

СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА

Проведено исследование связи долгопериодных вариаций интенсивности ОНЧ-шумов грозовой природы с вариациями плотности солнечного ветра. В работе использованы данные непрерывной аналоговой регистрации, проводящейся в лаборатории РИМ ИКФИА СО РАН интенсивности ОНЧ-шумов на частоте 8,7 кГц за период с 1979-1996 гг. Интенсивность ОНЧ-шумов характеризует грозовую активность на Востоке Сибири и Африканского мирового грозового центра. Установлено, что существует значимая связь между интенсивностью ОНЧ-шумов грозового происхождения и плотностью солнечного ветра. Полученный результат может быть объяснен воздействием солнечных и космофизических факторов на глобальный атмосферный электрический контур.

Введение

Проблема воздействия солнечной активности и возмущений в межпланетной среде на климатические и погодные условия на Земле интересует метеорологов и геофизиков уже более столетия. Решение этой проблемы в настоящее время имеет большую практическую значимость, так как изменения погоды и климата оказывают влияние на жизнедеятельность современного общества. Составной частью исследования солнечно-земных связей является изучение воздействия солнечной активности на грозовую деятельность. Однако, несмотря на то, что данный вопрос решаетсяужедлительное время, до сих пор он остается дискуссионным ввиду противоречивых результатов, получаемых исследователями. Предложено несколько физических механизмов солнечно-погодных связей, с помощью которых можно объяснить связь грозовой деятельности с солнечной активностью. Среди них можно выделить механизм, описывающий влияние солнечных и космофизических параметров на глобальную электрическую цепь.

Ранее авторами данной статьи были проведены исследования связи солнечной активности и вариаций космических лучей с грозовой активностью, оцениваемой по интенсивности ОНЧ-шумов. Так, в нашей работе [1] было получено, что грозовая активность как на востоке Сибири, так и в Африканском мировом центре, находится в отрицательной связи с изменением количества солнечных пятен. Причем наиболее высокие значения коэффициента антикорреляции (-0,83) между грозовой деятельностью и солнечной активностью получены для гроз на востоке Сибири. В предыдущих наших работах [2, 3] было показано, что существует связь вариаций грозовой активности с вариациями космических лучей. Во время Форбуш-по-нижения интенсивности галактических космических лучей происходит увеличение, а во время всплесков интенсивности солнечных протонов - уменьшение грозовой

активности на Востоке Сибири и в Африканском мировом грозовом центре.

Полученные результаты исследований говорят о явной связи грозовой деятельности на Востоке Сибири и в Африканском мировом центре с солнечной активностью и космическими лучами. Причем эта связь проявляется как в масштабе 11-летних циклов солнечной активности, так и в масштабе нескольких суток. Однако существует противоречие, которое трудно объяснить. Так как во время Форбуш-понижения галактических космических лучей грозовая деятельность увеличивается, а во время всплеска солнечных протонов интенсивность гроз уменьшается, то следовало ожидать, что и в масштабе циклов солнечной активности связь ме^ду космическими лучами и грозовой активностью будет отрицательной. Но в то же время это противоречило бы результату отрицательной связи солнечной активности с грозовой деятельностью, так как интенсивность галактических космических лучей имеет также отрицательную связь с солнечной активностью. Кроме того, при исследовании долгопериодных вариаций интенсивности ОНЧ-шумов и вариаций интенсивности галактических космических лучей, проведенное по методике, предложенной в нашей работе [1], в масштабе солнечных циклов значимой связи между галактическими космическими лучами и грозовой активностью не было найдено. В данной работе проведено исследование связи долгопериодных вариаций интенсивности ОНЧ-шумов грозовой природы с вариациями плотности солнечного ветра, которое может объяснить это противоречие.

Методика

Как известно, разряд молнии сопровождается электромагнитным излучением в широкой полосе частот с наибольшей интенсивностью в ОНЧ-диапазоне - от нескольких сотен герц до 30 кГц [4]. Подробное описание измерений

электрического и магнитного полей, излучаемых во время молниевого разряда, сделано М. Юманом [5]. Электромагнитное излучение грозового разряда распространяется на большие расстояния благодаря относительно малому затуханию в приземном волноводе. При этом на достаточном удалении от грозовых источников наряду с импульсной составляющей электромагнитного поля (атмос-ферики) присутствует и флуктуационный (шумовой) компонент. Фоновая флуктуационная составляющая поля является основным типом ОНЧ-шумов, регистрируемых приемной аппаратурой, разработанной в лаборатории РИМ ИКФИА СО РАН.

В работе для оценки грозовой активности использова-ны данные непрерывной аналоговой регистрации регулярных ОНЧ-шумов (РШФ) на частоте 8,7 кГцза периоде 19791996 гг., регистрируемые с помощью рамочной антенны, ориентированной в направлении восток-запад. Выбор частоты 8,7 кГц из диапазона фиксированных частот ОНЧ-ре-гистратора обусловлен несколькими причинами. Спектральный максимум интенсивности ОНЧ-излучения, сформированный за счет распространения ОНЧ-волн в волноводе Земля-ионосфера, приходится на частоты около 10 кГц. В то же время в интенсивность ОНЧ-излучения на более низких частотах существенный вклад вносят всплески магни-тосферно-ионосферного происхождения, а на частотах выше 10,0 кГц спектр ОНЧ-шумов в основном определяется сигналами радиостанций СДВ-диапазона.

По результатам исследования природы РШФ ОНЧ-излучения с помощью кардиоидной антенной системы было показано, что всплески ОНЧ-излучения магнито-сферного происхождения приходят либо сверху, либо с северного (для Якутска) сектора [6]. В то же время грозовые источники ОНЧ-излучения на востоке Сибири и в Африканском мировом центре, принимаются на рамочную антенну с восточного и западного направления. Кроме того, максимум частоты появления всплесков в Якутске приходится на утренние часы местного времени, в то время как максимальная активность Африканского грозового очага проявляется в околополуночные часы, а грозовая активность на востоке Сибири - в дневные часы местного времени. Магнитосферные всплески ОНЧ-излучения на частоте 8,7 кГц являются достаточно редким событием, однако для исключения их возможного влияния на вариации РШФ в исходном массиве данных значения интенсивности ОНЧ-шумов в магнитно-возмущенные дни не рассматривались.

Дополнительное указание на связь РШФ с атмосферными радиошумами (атмосфериками) получено также по результатам исследований эффектов солнечных вспышек в вариациях интенсивности РШФ [7-9]. Атмосферики и РШФ имеют одни и те же амплитудные и спектральные характеристики эффекта вспышек. На дру-

гие характеристики РШФ, свидетельствующие в пользу его грозовой природы, указывалось К.И. Федякиной [10], а обобщение результатов наблюдений РШФ проведено нами [11]. Таким образом, при выборе соответствующих сезонов, времени суток и магнитно-невозмущенных дней вкладом ОНЧ-излучения негрозового происхождения в интенсивность ОНЧ-шумов можно пренебречь.

В данной работе грозовая деятельность на Востоке Сибири оценивалась по интенсивности ОНЧ-шумов в око-лополуденные (14 LT) часы летнего периода, а активность Африканского мирового грозового очага - по интенсивности ОНЧ-шумов в околополуночные часы (01 LT) .

Данные по плотности солнечного ветра взяты из каталога Кинга [12]. Данные по параметрам солнечного ветра регистрируются на американских спутниках серии IMP и других спутниках. В 1979-1996 годах регистрацию вел спутник IMP-8. Орбита спутника проходила как через солнечный ветер (за пределами магнитосферы), так и внут-ри магнитосферы, в том числе и через её хвостовую часть. Данные, когда спутник находился внутри магнитосферы, были исключены из анализа.

Для нахождения связи вариаций грозовой активности с вариациями плотности солнечного ветра использовался корреляционный анализ. Для того, чтобы исключить влияние сезонного хода грозовой активности, исследование связи проводилось для каждого месяца отдельно, для чего данные по интенсивности ОНЧ-шумов и плотности солнечного ветра усреднялись помесячно.

Полученные результаты

На рис. 1. показаны годовые ходы среднемесячных значений интенсивности ОНЧ-шумов в 14 и 01 LT и плотности солнечного ветра за период с 1979-1996 гг. Из этого

Рис. 1. Среднемесячные ходы интенсивности регулярного шумового фона (РШФ) на частоте 8,7 кГц (в 14 КГ и 01 КГ) и плотности солнечного ветра за 1979-1996 гг.

28 -й-

рисунка видно, что проявляется одинаковый характер поведения вариаций грозовой активности и вариаций плотности солнечного ветра. Особенно это заметно, когда в 1988-1989 годах происходит уменьшение как в грозовой активности, так и в плотности солнечного ветра.

Для оценки связи вариаций плотности солнечного ветра и вариаций грозовой активности был проведен корреляционный анализ (рис. 2). На этом рисунке представлены сезонные распределения коэффициента корреляции (без сдвига) между плотностью солнечного ветра и грозовой активностью: а) на Востоке Сибири и б) в Африканском мировом грозовом центре.

Для грозовой активности на Востоке Сибири получены максимальные пложительные коэффициенты связи в августе, сентябре и октябре (> 0,6). Для грозовой активности в Африканском мировом центре в эти же месяцы получена менее значимая связь (максимальный коэффициент равен ~0,4).

Таким образом, получено, что существует значимая положительная связь между грозовой активностью и плот -ностью солнечного ветра.

Обсуждение

На основе проведенного корреляционного анализа связи интенсивности регулярного шумового фона ОНЧ-излучения на частоте 9,7 кГц грозовой природы с плотностью солнечного ветра А. В. Соболевым и В. И. Козловым [13] был сделан вывод, что повышение плотности протонов солнечного ветра приводит к увеличению грозовой активности. Этот вывод согласуется с результатом данной работы. Однако следует отметить, что вывод был сделан по данным в периоды с 29 января-10 марта 1977 г. и с 18 августа-10 сентября 1978 г., длительность которых приблизительно равна 27 дням. В этой же работе с привлечением эпизодических данных по ОНЧ-шумам за 19721974 гг. и 1981 г., а также данных по плотности солнечного ветра с 1963-1976 гг., взятых из работыВ. А. Коваленко [14], было показано, что изменение плотности протонов солнечного ветра и интенсивности ОНЧ-шумов в 11-лет-нем цикле солнечной активности имеют одинаковый характер. Причем оба параметра находятся в отрицательной связи с числами Вольфа. В своей работе В. А. Коваленко [14] сделал вывод, что энергии проникших протонов солнечного ветра из переходной области в магнитосферу явно недостаточно для того, чтобы они достигли высот средней атмосферы, и, следовательно, трудно объяснить прямое влияние протонов солнечного ветра на атмосферу.

В работе B. A. Tinsley [15] представлены результаты исследования влияния солнечного ветра на глобальный атмосферный электрический контур, схема которого показана на рис. 3.

Рис. 2. Сезонный ход коэффициента корреляции между плотностью солнечного ветра (каталог Кинга, спутник 1МР-8) и интенсивностью РШФ ОНЧ-излучения на частоте 8,7 кГц: а) в 14 КГ, б) в 01 КГ

Рис. 3. Схема глобального атмосферного электрического контура

Из полученных B. A. Tinsley результатов следует, что существует, по крайней мере, три независимых пути влияния солнечного ветра на вариации плотности атмосферного тока, одного из основных параметров глобальной электрической цепи: 1) через изменение энергетического спектра галактических космических лучей, 2) через изменение интенсивности высыпания релятивистских электронов из магнитосферы и 3) через изменение распределения ионосферного потенциала в полярной шапке, отражающее магнитосферно-ионосферные процессы.

Рассмотрим первый путь влияния солнечного ветра на глобальный атмосферный контур. Солнечный ветер модулирует поток галактических космических лучей (ГКЛ), энергии которого достаточно, чтобы достичь высот нижней атмосферы. Верхние части контура (рис. 3) как генератора (представляющего сумму всех гроз на земном шаре), так и нагрузки (сопротивление столба воздуха в областях «хорошей погоды») доступны ионизирующему воздействию космических лучей. При изменении интенсивности космических лучей происходит изменение проводимости атмосферы, что, в свою очередь, приводит к изменению электрических параметров глобальной электрической цепи и что в конечном итоге приводит к изменению грозовой активности. Результаты наших ранее опубликованных работ [2-3] согласуются с предложенным сценарием воздействия космических лучей на атмосферный электрический контур в масштабе нескольких суток: во время Форбуш-понижений ГКЛ и всплесков солнечных высокоэнергетичных протонов. Предложеный сценарий согласуется также с результатами работ других авторов [16-22], проведенных в различное время и для различных районов земного шара.

Второй путь воздействия солнечного ветра на глобальный электрический контур, рассмотренный B.A. Tinsley [15], заключается в том, что релятивистские электроны, высыпающиеся из магнитосферы на средних и высоких широтах, увеличивают сопротивление воздуха на стратосферных высотах электрической цепи, что также приводит к изменению ее параметров. Кроме того, в этой же работе приводятся результаты исследований, которые показывают, что скорость солнечного ветра и поток релятивистских электронов имеют вариации, зависящие от секторной структуры межпланетного магнитного поля (ММП). Причем фаза уменьшения потока релятивистских электронов при прохождении Землей границы смены знака ММП запаздывает на двое суток относительно фазы уменьшения скорости солнечного ветра. Авторами данной работы было установлено [23], что также существуют вариации интенсивности ОНЧ-шумов грозового происхождения, зависящие от секторной структуры ММП.

Третий путь модуляции параметров глобальной атмосферной электрической цепи [15] заключается в изменении проводимости атмосферы на высоких геомагнитных широтах (в полярной шапке), где происходит изменение ионосферного потенциала «утро-вечер» (достигаю-

щие ~ 100 кВ), являющееся результатом воздействия солнечного ветра на магнитосферу Земли (рис. 4).

Рис. 4. Диаграмма, показывающая разницу атмосферного потенциала «утро-вечер» в полярной шапке, возникающей при воздействии солнечного ветра на магнитосферу

Заключение

Исследование связи долгопериодных вариаций интенсивности ОНЧ-шумов грозовой природы с вариациями плотности солнечного ветра показало, что существует значимая связь между грозовой активностью и вариациями плотности солнечного ветра.

Полученный результат может быть объяснен с помощью физического механизма воздействия солнечных и космофизических факторов на глобальный атмосферный электрический контур и в том числе на грозовую активность. Рассмотрены три канала влияния солнечного ветра на вариации плотности атмосферного тока, одного из основных параметров глобальной электрической цепи: 1) через изменение интенсивности солнечных и галактических космических лучей, 2) через изменение интенсивности высыпания релятивистских электронов из магнитосферы и 3) через изменение распределения ионосферного потенциала в полярной шапке, отражающее магнитосферно-ионосферные процессы.

Литература

1. МуллаяровВ.А., Каримов P.P., Козлов В.И, МурзаеваН.Н. Связь грозовой деятельности с солнечной активностью по наблюдениям фонового ОНЧ-излучения // Метеорология и гидрология. 1998. № 8. С. 48-56.

2. Каримов P.P., Муллаяров В.А., Козлов В.И. ОНЧ-шумы в периоды Форбуш-понижений космических лучей // Геомагнетизм и аэрономия. 2000. T. 40. № 3. C. 130-132

3. Каримов P.P., Козлов В.И., Муллаяров В.А. Связь ОНЧ-шумов со всплесками солнечных протонов // Геомагнетизм и аэрономия. 2001. Т. 41. №5. С. 624-626.

4. Александров М.С. Флуктуации электромагнитного поля Земли в диапазоне СНЧ. М.: Наука, 1972. 195 с.

5. ЮманМ. Молния. М.: Мир, 1972. 327 с.

6. Дружин Г.И., Торопчинова Т.В., Шапаев В.И. Регулярный шумовой фон и мировые очаги гроз // Геомагнетизм и аэрономия. 1986. Т. 26. № 2. С. 258-264.

7. Мурзаева H.H. Регулярный шумовой фон во время солнечных вспышек // Связь ОНЧ-излучения верхней атмосферы с другими геофизическими явлениями. Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1977. С. 21-34.

8. Мурзаева H.H., Флигель Д.С. Овлиянии солнечных вспышек на спектральные характеристики непрерывного низкочастотного излучения // Исследование структуры и волновых свойств околоземной плазмы. М.: ИЗМИРАН, 1980. С. 24-40.

9. Мурзаева H.H., Флигель Д.С. Изменение спектров регулярного шумового фона во время солнечных вспышек // Магни-тосферные исследования. М.: Наука, 1985. № 7. С. 150-154.

10. Федякина H.H. О природе регулярного шумового фона // Структурные особенности субавроральной ионосферы. Якутск: ЯФ СО АН, 1979. C. 31-47.

11. Мурзаева H.H., Муллаяров В.А., Козлов В.Н., Каримов P.P. Морфологические характеристики среднеширотного регулярного шумового фона естественного низкочастотного излучения // Геомагнетизм и аэрономия. 2001. Т. 41. № 1. C. 76-83.

12. http://omniweb.gsfc.nasa.gov

13. Соболев A.B., Козлов В.И. Зависимость регулярного шумового фона ОНЧ-излучения и грозовой активности от плотности протонов солнечного ветра // Геомагнетизм и аэрономия. 1997. Т. 37. № 3. C. 187-190.

14. КоваленкоВА. Солнечный ветер. М.: Наука, 1983. 272 с.

15. Tinsley В.А. Influence of solar wind on the global electric

circuit, and inferred effects on cloud microphysics, temperature, and dynamics in the troposphere // Space Science Reviews, 2000. № 94. P. 231-258.

16. Markson R. Solar modulation of atmospheric electrification and possible implications for the sun-weather relationship // Nature. № 273. 1978. P. 103-109.

17. Markson R. Solar modulation of fair-weather and thunderstorm electrification and a proposed program to test an atmospheric electrical Sun-weather mechanism // Wether and Climate Responses to Solar Cariation. 1983. P. 323-330.

18. RycroftM.J., Israelsson S., Price C. The global atmospheric electric circuit, solar activity and climate change // Journal of Atmosheric and Solar-Terrestrial Physics 62(2000). P. 1563-1576.

19. Lethbridge M.D. Thunderstorms, cosmic rays, and solarlunar influences.// Journal of Geophysical Research, 1990. V 95. № D9. P. 13645-13649.

20. Sheftel VM., Bandilet O.I., Yaroshenko A.N., Chernychev A.K. Space-time structure and reasons of global, regional, and local variations of atmospheric electricity // Journal of Geophysical Research. 1994. V 99. № D5. P. 10797-10806.

21. Герман Дж.Р, Голдберг P.А. Солнце, погода и климат. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 317 с.

22. Reiter R. Fields, Currents and aerosols in the lower troposphere. Scientific Research Reports, Natural Sciencas Series. Vol. 71. 1985. P. 714.

23. Каримов P.P., КозловВ.И., Муллаяров B.A. Связь вариаций ОНЧ-шумов с секторной структурой межпланетного магнитного поля // Геомагнетизм и аэрономия. 2001. Т. 41. № 1. C. 84-87.

R.R. Karimov, VA. Mullayrov, VI. Kozlov

Investigation of connection of long-periodic variations of thunderstorm vlf-noise intensity with

solar wind density variations

Investigation of connection long-periodic variations of VLF-noise intensity of the thunderstorm origin with solar wind density variations is carried out. The data of the continuous analogue registration of the VLF-noises intensity at frequency 8,7 kHz for a period of 1979-1996 years were used. The VLF-noises intensity characterizes thunderstorm activity in Eastern Siberia, and activity of the African global thunderstorm centre. It is obtained, that there is a significant connection between a thunderstorm activity and solar wind density variation. The obtained result can be explained by the physical mechanism in that solar and cosmophysical factors acts on the global atmospheric electrical circuit.

4MNT