ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 6, с. 829-833
УДК 523.745:551.5
ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЕАКЦИИ ПРИЗЕМНОГО ДАВЛЕНИЯ АТМОСФЕРЫ НА ИЗМЕНЕНИЕ ПОТОКА КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ
© 2014 г. М. Б. Богданов
Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, г. Саратов e-mail: BogdanovMB@info.sgu.ru Поступила в редакцию 12.03.2014 г. После доработки 08.04.2014 г.
Проведено сопоставление рядов среднесуточных значений приземного давления атмосферы для метеостанций Де-Билт и Лугано с вычтенными линейными трендами и сезонными гармониками и ряда потока галактических космических лучей (ГКЛ) на ст. Юнгфрауйох с вычтенным скользящим средним за 200 сут. С использованием метода наложения эпох показано, что в обоих пунктах фор-буш-понижения сопровождаются ростом давления. Спектральный анализ позволяет заключить, что между рассматриваемыми рядами существует отличная от нуля когерентность практически во всем диапазоне частот, начиная от 0.02 сут-1 и вплоть до частоты Найквиста 0.5 сут-1. Используя изменения потока ГКЛ как зондирующий сигнал, получены амплитудно-частотные характеристики реакции давления. Для обеих станций они качественно согласуются друг с другом и свидетельствуют о том, что реакция атмосферы может быть описана линейной динамической системой второго порядка, имеющей широкий резонанс с максимумом на частоте ~0.15 сут-1.
DOI: 10.7868/S0016794014060091
1. ВВЕДЕНИЕ
Одним из вероятных путей воздействия солнечной активности на тропосферные процессы и климат является модуляция потока галактических космических лучей (ГКЛ), способных проникать глубоко в атмосферу, вплоть до поверхности Земли [Пудовкин и Распопов, 1992; Авдюшин и Данилов, 2000; Распопов и Веретененко, 2009; Gray et al., 2010; Usoskin, 2011]. До настоящего времени основным подходом к изучению влияния ГКЛ был анализ реакции атмосферы на фор-буш-понижения их потока [Tinsley et al., 1989]. В результате работ многих авторов было установлено, что эти явления сопровождаются изменением приземных характеристик атмосферы и даже изменениями атмосферной циркуляции.
Вопрос о конкретных механизмах воздействия ГКЛ на атмосферу все еще остается открытым. Рассматривался оптический механизм, обусловленный изменением концентрации в стратосфере соединений азота NOx [Пудовкин и Распопов, 1992] и озона O3 [Кондратьев и Никольский, 1995], способных поглощать солнечное излучение в видимом диапазоне спектра и влиять на нагрев подстилающей поверхности и нижних слоев атмосферы. Предлагался конденсационный механизм влияния ГКЛ, связанный как с возможным образованием кластеров молекул воды [Тимофеев и др., 2003], так и с созданием частиц аэрозоля, играющих роль ядер конденсации при формировании облаков. Последний вариант этого механизма ис-
следовался также в ходе специальных экспериментов с использованием протонов высокой энергии [Almeida et al., 2013]. Кроме того, поскольку ГКЛ являются главным фактором ионизации воздуха в нижней атмосфере, то изменение их потока может оказывать воздействие на грозовую активность и глобальную электрическую цепь [Usoskin, 2011].
Таким образом, возможности влияния ГКЛ на атмосферу Земли достаточно разнообразны. Нельзя исключить, что некоторые из перечисленных выше механизмов могут действовать одновременно. Одним из возможных путей идентификации механизма воздействия ГКЛ является использование информации о скорости реакции выбранной характеристики атмосферы на изменение их потока.
Целью данной работы является оценка функции когерентности и частотной характеристики реакции приземного атмосферного давления на изменение потока ГКЛ. При этом атмосфера рассматривается как линейная динамическая система, выходным сигналом которой является изменение приземного давления. На вход системы могут поступать и другие сигналы, а на выход накладываться случайный шум. Изменение потока ГКЛ играет роль зондирующего сигнала, который предполагается статистически независимым от других входных сигналов и шума.
Aр, гПа
8 6 4 2 0 2
AI, имп/ч
0
-10000 -20000 -30000 -40000 -50000 -60000
20 25 At, сут
Рис. 1. Усредненное изменение приземного атмосферного давления для станций Де-Билт (светлые кружки) и Лугано (темные кружки) при форбуш-пони-жениях потока ГКЛ, полученное методом наложения эпох (а), и средний профиль форбуш-понижения (б).
2. НАБЛЮДАТЕЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
Нами были использованы долговременные ряды среднесуточных значений приземного атмосферного давления, рассчитанные по данным наблюдений на метеостанции 06260 Де-Билт (52°06' N, 5°11' E, H = 2 м) с 1 января 1901 г. по 31 декабря 2010 г. (полное число отсчетов 40177) и метеостанции 06770 Лугано (46°00' N, 8°58' E, H = 273 м) с 1 января 1901 г. по 31 декабря 2004 г. (полное число отсчетов 37986). Исходные данные получены по сети Интернет с серверов Royal Netherlands Meteorological Institute (https://data.knmi.nl/portal/ KNMI-DataCentre.html#) и European Climate Assessment (http://eca.knmi.nl/dailydata/index.php).
Одной из поставленных нами задач является исследование реакции атмосферного давления в этих пунктах на форбуш-понижения потока ГКЛ с использованием метода наложения эпох. Данный метод довольно чувствителен к возможным корреляциям в исходных рядах, что может приводить к занижению погрешности оценки и длины
доверительных интервалов [Laken and Calogovi С, 2013]. Поэтому, как и в предыдущих исследованиях [Богданов и Федоренко, 2004; Богданов и др., 2006], нами были предприняты специальные ме-
ры для фильтрации детерминированных составляющих.
Из обоих рядов были исключены линейные тренды, вызванные изменением глобального климата, параметры которых находились методом наименьших квадратов. Для исключения влияния сезонных изменений из рядов были вычтены синусоиды с периодом тропического года и его первой гармоники. Амплитуды и начальные фазы синусоид также оценивались методом наименьших квадратов.
Для сопоставления с рядами давления использовались ежедневные измерения потока ГКЛ по показаниям нейтронного монитора на альпийской высокогорной станции Юнгфрауйох (46°.6 N, 8°.0 E, H = 3475 м), для которой имеется непрерывный ряд наблюдений с 1 января 1968 г. по 31 декабря 1992 г. (полное число отсчетов 9132). Данные получены с сервера Space Physics Interactive Data Resource (http://spidr.ngdc.noaa.gov/spidr/). Устранение нестационарности ряда космических лучей проводилось путем вычитания из значений потока скользящего среднего за интервал 200 сут.
3. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕАКЦИИ ДАВЛЕНИЯ НА ФОРБУШ-ПОНИЖЕНИЯ
Метод наложения эпох, впервые использованный для изучения реакции характеристик атмосферы на форбуш-понижения потока ГКЛ Tinsley et al. [1989], ранее уже применялся для анализа изменений приземного давления [Морозова и Пудовкин, 2001; Григорьев и др., 2002]. В целом, эффект оказался сравнительно небольшим и, возможно, имеющим региональный характер. Для большинства рассмотренных пунктов был обнаружен рост давления во время форбуш-по-нижений.
Мы применили метод наложения эпох для анализа наших отфильтрованных рядов данных. Рассматривались только достаточно сильные фор-буш-понижения, при которых изменение потока ГКЛ AI превышало 40000 импульсов в час (приблизительно 7% от среднего значения). Всего за интервал времени наблюдения ГКЛ было зарегистрировано 22 таких явления. В качестве репер-ного момента взят момент за двое суток до фор-буш-понижения. При наложении эпох вычислялись средние значения разности давления Ар в рассматриваемый и реперный моменты.
Полученные результаты приведены на рис. 1а, на котором светлыми кружками отмечены средние значения разностей Ар для станции Де-Билт, а темными - для Лугано. На рисунке 1б треугольниками показан также средний профиль форбуш-понижения потока космических лучей AI. Вертикальные отрезки на рисунке дают удвоенные стандартные отклонении средних значений (±ст).
a
б
ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЕАКЦИИ ПРИЗЕМНОГО ДАВЛЕНИЯ
831
Как видно из рисунка, в обоих пунктах фор-буш-понижения ГКЛ приводят к росту атмосферного давления. Для станции Де-Билт Ар увеличивается до ~6 гПа на пятый день после минимума потока ГКЛ, а для Лугано — до 4 гПа на шестой день. Эффект является статистически значимым на уровне, превышающем 2а.
4. ОЦЕНКА ФУНКЦИИ КОГЕРЕНТНОСТИ
Проведенная фильтрация исходных рядов атмосферного давления и потока космических лучей позволяет рассматривать полученные наблюдательные данные как реализации стационарных в широком смысле случайных процессов. Предполагая, как обычно, их эргодичность, для получения информации о связи этих рядов можно использовать хорошо разработанную методику цифрового спектрального анализа [Бендат и Пирсол, 1983; Дженкинс и Ваттс, 1972; Марпл, 1990]. В отличие от метода наложения эпох, этот подход позволяет включить в рассмотрение все отсчеты данных.
Статистическая взаимосвязь двух временных рядов на частоте / оценивается с помощью функции когерентности К;р(/), квадрат которой определяется выражением:
К2 ) =_М/1
I (/ )3Рр (/)
(1)
у(/) = ,
^ 2 1 - |К;,р (/)
(2)
А(/) 0.40
где * (/) — взаимный спектр рядов космических лучей и давления; (/) — спектр мощности ряда космических лучей, а Брр (/) — спектр мощности ряда давления. Длина доверительного интервала оценки К1р (/) зависит от частоты. Поэтому для выяснения степени достоверности когерентности обычно применяют преобразование Фишера [Дженкинс и Ваттс, 1972]:
выравнивающее дисперсию и дающее доверительный интервал фиксированной длины.
На рисунке 2а приведена зависимость от частоты преобразования Фишера функции когерентности У(/) для метеостанции Де-Билт. Горизонтальным отрезком на рисунке показана ширина спектрального окна, определяющая разрешение по частоте. Штриховой линией проведена верхняя граница 90%-го доверительного интервала, центр которого находится на оси абсцисс. Аналогичные результаты для метеостанции Лугано приведены на рис. 3а. Как видно из этих рисунков, между анализируемыми временными рядами существует статистически значимая когерентность почти во всем диапазоне частот, начиная от ~0.02 сут-1 и вплоть до максимальной доступной для анализа ча-
0.4 0.5 /, сут
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.