научная статья по теме ГЕОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ–КЛИМАТ: ПРИЧИННО-СЛЕДСТВЕННЫЕ СВЯЗИ В ИЗМЕНЕНИИ НЕКОТОРЫХ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ГЕОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ–КЛИМАТ: ПРИЧИННО-СЛЕДСТВЕННЫЕ СВЯЗИ В ИЗМЕНЕНИИ НЕКОТОРЫХ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ»

ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2015, № 5, с. 160-178

УДК 550.38+551.51

ГЕОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ-КЛИМАТ: ПРИЧИННО-СЛЕДСТВЕННЫЕ СВЯЗИ В ИЗМЕНЕНИИ НЕКОТОРЫХ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ © 2015 г. Н. А. Килифарска1, В. Г. Бахмутов2, Г. В. Мельник2

Национальный институт геофизики, геодезии и географии, Болгарская академия наук, г. София, Болгария

E-mail: nkilifarska@geophys.bas.bg 2Институт геофизики им. С.И. Субботина НАН Украины, г. Киев, Украина E-mail: bakhm@igph.kiev.ua Поступила в редакцию 04.04.2015 г.

О связи климатических параметров с магнитным полем Земли сообщают многие авторы. Однако отсутствие механизма такой связи является препятствием для расширения таких исследований. На основании инструментальных наблюдений выявлена пространственно-временная связь основных структур в геомагнитном поле, полях приземной температуры и давления, а также озона и удельной влажности вблизи тропопаузы. Предлагается один из возможных механизмов:

— цепочка причинно-следственных связей: модуляция интенсивности и глубины проникновения энергичных частиц (галактических космических лучей—ГКЛ) в атмосфере Земли геомагнитным полем;

— изменение плотности озона вблизи тропопаузы под воздействием ГКЛ;

— изменение температуры вблизи тропопаузы вследствие высокой поглощающей способности озона;

— изменение удельной влажности вблизи тропопаузы вследствие изменения температуры в этой области;

— изменение приземной температуры из-за увеличения/уменьшения количества длинноволнового излучения Земли.

DOI: 10.7868/S0002333715050063

1. ВВЕДЕНИЕ

Среди многих направлений исследований в области феномена магнитного поля Земли Г.Н. Петрова уделяла особое внимание фундаментальным вопросам, связанным с воздействием геомагнитного поля на окружающую среду, в том числе и на климат. Сопоставление изменений геомагнитного поля с климатическими изменениями проводится по па-леоданным, в основном, на уровне поисков корреляционных связей (см., например, [Петрова и др., 1992]). Тем не менее, до настоящего времени вопрос о связи магнитного поля Земли (МПЗ) и климата является достаточно спорным. При этом такая связь рассматривается как в масштабах тысяч и миллионов лет с привлечением палеоданных, так и за период прямых инструментальных наблюдений в связи с климатическими изменениями и солнечной и геомагнитной активностью. То есть, речь идет о связи изменений климата с изменениями МПЗ разных источников — внутренних (в ядре) и внешних (магнитосфера и ионосфера), которые имеют принципиально разную природу, характеризуются разным частотным диапазоном, и информацию о которых получают с привлечением разных методов. Такая связь рассматривается как в масштабах сотен, тысяч и миллионов лет с привлечением палеоданных, так и за период прямых инструментальных наблюдений за измене-

ниями климата, солнечной и геомагнитной активности и других геофизических параметров.

Накоплено много данных, свидетельствующих как в пользу доказательств таких связей, так и их опровержений, что вызывает бурные дискуссии (см., например, [Courtillot et al., 2007; 2008; Bard and Delaygue, 2007]). Основными проблемами являются как установление достоверных корреляционных связей, так и их возможный механизм.

В предыдущих работах [Бахмутов и др., 2011; Бахмутов и др., 2014] мы показали, что на временных шкалах от десятилетий до столетий наблюдается корреляция между изменениями параметров главного геомагнитного поля и климата. По единой методике в узлах регулярной сетки с шагом по широте и долготе 10° для пояса 40°—70° с.ш. были выполнены расчеты величины модуля полного вектора напряженности геомагнитного поля, полей приземной температуры и давления для временного интервала 1900—2010 гг. с шагом дискретизации 10 лет. Были проанализированы интегральные характеристики и динамика этих полей, что позволило выделить как их региональные, так и глобальные особенности.

В данной статье представлены результаты определения временных и пространственных соотношений между главным магнитным полем

Земли и другими параметрами, которые могут воздействовать на изменения климата (в масштабах десятков лет), и предложен механизм, объясняющий причинно-следственную связь между ними. Этот механизм объясняет воздействие геомагнитного поля на климат через процессы на границе верхняя тропосфера-нижняя стратосфера, отдельные звенья механизма детально описаны в работах [КлШагека, 2012а; Ь]. Здесь мы представляем цепочку причинно-следственных связей между космическими лучами, МПЗ, вариациями озона и водяного пара в верхней тропосфере/нижней стратосфере, что в итоге приводит к изменению радиационного баланса нашей планеты и, как следствие, к долговременным изменениям приземной температуры воздуха.

2. ВОЗМОЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ КОСМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА АТМОСФЕРУ ЗЕМЛИ

Установление корреляции между разными геофизическими (в том числе обусловленными процессами в верхней атмосфере и околоземном пространстве) и климатическими параметрами не дает ответ ни о причинно-следственных связях, ни о возможных механизмах таких связей. Предложен ряд механизмов воздействия внешних (космических) факторов на нижнюю и среднюю атмосферу (см., например, [Логинов, 2008]). В качестве агентов, определяющих состояние верхней атмосферы, основными являются солнечная электромагнитная радиация, солнечные корпускулярные потоки, галактические космические лучи, высыпание электронов из радиационных поясов. С их изменением меняются структура, состав и динамические характеристики на разных высотах.

На характер взаимодействия атмосферы с внешними космическими факторами оказывает влияние МПЗ. Быстропротекающие магнитосферные процессы незначительно влияют на нижнюю атмосферу. С учетом сложности передачи возмущения из верхних слоев в нижние, возможно допущение существования некоторых триггерных механизмов, связанных с агентами, которые поглощаются в стратосфере. Но когда речь идет о главном геомагнитном поле и его вековых вариациях, их роль как модулятора внешних космических агентов сомнения не вызывает.

Воздействию энергичных частиц - галактических космических лучей (ГКЛ), солнечных космических лучей (СКЛ), релятивистских электронов — на состояние верхней атмосферы посвящены многие работы (см., например, обзор [Криволуцкий, Репнев, 2012]). Механизмы воздействия заряженных частиц высоких энергий, попадающих в земную атмосферу ниже 100 км, несмотря на достаточ-

но долгую историю их изучения и наблюдений, по-прежнему требуют дальнейших исследований.

Энергичные частицы могут производить диссоциацию, ионизацию и диссоциативную ионизацию составляющих атмосферы. Образовавшиеся электроны малых энергий (~10—100 эВ) производят затем основную часть ионизации. Галактические космические лучи проникают в тропосферу, солнечные космические лучи в отдельных случаях частиц с энергией больше 100 МэВ — до высот 20—30 км, электроны с энергией 5 МэВ — до 40 км. Энергия, вносимая в атмосферу энергичными частицами, намного меньше по сравнению с другими ее источниками в средней атмосфере, но является одним из главных источников ионизации и диссоциации ниже ~80 км, где солнечное УФ и рентгеновское излучение сильно ослаблены. Частицы низких энергий влияют в основном на ионизацию и нагревание термосферы и отдают свою энергию в высоких широтах, тогда как частицы высоких энергий вторгаются в нижнюю атмосферу любых широт.

В результате реакций взаимодействия энергичных частиц с частицами атмосферы образуются новые соединения, влияющие, в том числе, и на малые составляющие атмосферы, в частности на концентрацию озона. Энергичные частицы могут существенно разрушать озон, понижая его концентрацию в мезосфере и верхней стратосфере [Криволуцкий, Репнев, 2012]. Вклад имеющих место в озоносфере ионно-молекулярных реакций с участием озона (О3) в суммарную скорость "гибели" озона не может превышать 10% при любой концентрации частиц [Ларин, Тальрозе, 1977]. Косвенное воздействие на слой озона через образование активного катализатора разрушения озона, ОН, в результате ионно-молекулярных реакций первичных ионов N и 0+ с молекулами воды в ночных условиях, существенно возрастает при ионизации стратосферы солнечными протонами на высотах выше максимума озонового слоя при солнечных протонных событиях СПС [Виноградов и др., 1980].

Таким образом, актуальным направлением исследований является изучение возможных механизмов воздействия заряженных частиц на климат — через воздействие на облачность, аэрозоль, изменение циркуляции, альбедо и, в том числе, через озон. Недавний обзор опубликованных работ [Криволуцкий, Репнев, 2012] свидетельствует о том, что исследование соответствующих механизмов является чрезвычайно сложной задачей. Тем не менее, выполненный нами анализ ряда геофизических параметров, отражающих динамику процессов на уровне нижней стратосферы-верхней тропосферы (UTLS) и на поверхности Земли, позволяет предложить новый механизм, посредством которого геомагнитное поле может оказывать влияние на изменения климата.

3. ДАННЫЕ И МЕТОДИКА

Анализ изменения полей давления и температуры от десятилетия до десятилетия на протяжении ХХ столетия нами выполнен для января, когда наблюдается наибольшее изменение температур -ного режима в связи с глобальным повышением температуры, по методике, описанной в [Мартази-нова, Иванова, 2011]. По этой же методике был выполнен расчет модуля полного вектора геомагнитного поля F (нТл) и его вековых вариаций с 1900 по 2010 гг. с шагом 10 лет по коэффициентам IGRF (International Geomagnetic Reference Field) [http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/igrf/index.html]. Результаты их сопоставления в деталях приведены в [Бахмутов и др., 2014]. Все расчеты выполнены в узлах географической сетки с шагом 10° по широте и долготе для широтного пояса 40°—70° с.ш., который покрыт наиболее густой сетью мониторинговых наблюдений.

Для последующих построений в качестве расчетных параметров нами использовались данные ре-анализа ERA-40 и ERA Interim (http://apps.ecm-wf.int/datasets/) для определения содержания озона (на уровне 70 гПа) и удельной влажности (на уровне 150 гПа) за период 1957—2011 гг. Данные реанализа привед

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Геофизика»