ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2008, том 422, № 2, с. 244-249
ГЕОФИЗИКА
УДК 551.590.29
О РОЛИ ВАРИАЦИИ ГАЛАКТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ
В ТРОПИЧЕСКОМ ЦИКЛОГЕНЕЗЕ НА ПРИМЕРЕ УРАГАНА КАТРИНА
© 2008 г. Академик В. Г. Бондур, С. А. Пулинец, Г. А. Ким
Поступило 10.04.2008 г.
На основании анализа экспериментальных данных о вертикальных профилях температуры в районе прохождения урагана Катрина и вариаций потоков галактических космических данных лучей установлена взаимосвязь изменений температуры на уровне тропопаузы с изменением уровня ионизации атмосферы космическими лучами. Выявлено, что вариации температуры и ее пространственного градиента, обусловленные форбуш-пониже-нием потока космических лучей, связанным с магнитной бурей, могли привести к изменению направления меридиональной компоненты скорости и увеличению интенсивности урагана Катрина.
ВОЗДЕЙСТВИЕ ГАЛАКТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ НА ОБЛАЧНЫЙ ПОКРОВ
В исследованиях последних лет по проблеме глобальных изменений климата помимо антропогенных факторов большое внимание уделяется роли естественных причин его формирования, одной из которых являются вариации галактических космических лучей [1]. Наличие метеорологических эффектов, обусловленных космическими лучами, было выявлено давно [2]. Однако более существенное внимание этому фактору стало уделяться только в последнее время. Так, например, в работе [1] установлено наличие корреляции в вариациях галактических космических лучей и глобального облачного покрова в течение 21-22 циклов солнечной активности. Ионы, образуемые в атмосфере за счет ударной ионизации высокоэнергичными частицами космических лучей, становятся центрами конденсации водяного пара в результате процесса гидратации, что в конечном итоге приводит к формированию облаков [3]. Исследования корреляции потоков космических лучей с облачным покровом были продолжены различными авторами. В частности, в рабо-
Научный центр аэрокосмического мониторинга "Аэрокосмос" Российской Академии наук, Москва
те [4] корреляция вариаций космических лучей и облачного покрова была исследована для более продолжительного периода, чем в работе [1]. При этом коэффициент корреляции для периода с 1983 по 2001 г. составил 99.5%. Модуляция потоков галактических космических лучей солнечной активностью позволяет выделить различные временные периоды в погодных изменениях, начиная от 11-летнего цикла солнечной активности и заканчивая кратковременными вариациями во время магнитных бурь - форбуш-эффектом космических лучей. Повышение плотности плазмы солнечного ветра и межпланетного магнитного поля во время активных событий на Солнце приводит к рассеянию галактических космических лучей и понижению их потока, достигающего поверхности Земли, особенно в низких широтах [5].
В работе [6] обнаружены кратковременные вариации облачного покрова во время форбуш-понижений. Причем над областями с толстым облачным покровом этот покров существенно уменьшался, в то время как над океаном с менее плотным облачным покровом плотность облаков повышалась.
Таким образом, установлен факт связи вариаций потока галактических космических лучей (в том числе и кратковременных) с вариациями облачного покрова. Этот эффект может быть использован для анализа изменчивости тропических циклонов.
ВОЗМОЖНОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ
КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ НА ТРОПИЧЕСКИЕ ЦИКЛОНЫ
Могут ли кратковременные вариации потока космических лучей влиять на такие атмосферные образования, как тропические циклоны? В работе [7] проведен детальный статистический анализ возможной связи вариаций солнечной, геомагнитной активности и вариаций галактических космических лучей с циклонической активностью в акваториях Тихого и Атлантического океанов вблизи побережья Мексики. Было проанализировано 119 тайфунов и ураганов, имевших
место в течение временного интервала 55 лет. Обнаружено, что для 7 ураганов категории 5 за двое суток до достижения циклоном степени урагана первой категории наблюдалось форбуш-по-нижение галактических космических лучей. В работе [8] высказано предположение о генерации урагана Катрина в результате магнитной бури, наблюдавшейся 24 августа 2005 г. В качестве основного механизма предлагается увеличение барического контраста в освещенном полушарии и уменьшение давления в тропических широтах. Можно согласиться с тем, что магнитная буря могла повлиять на развитие урагана Катрина, однако механизм воздействия, предлагаемый автором работы [8], требует уточнения.
Результаты, полученные в указанных публикациях и в настоящей работе, дают основания связывать изменение динамики развития ураганов с вариациями космических лучей во время магнитных бурь.
Рассмотрим подробнее возможный механизм воздействия космических лучей на динамику тропических циклонов. Кроме процессов нуклеации, связанных с образованием новых ионов в результате ионизации и приводящих к образованию облаков, необходимо обратить внимание на термодинамику этого процесса. До настоящего времени роль космических лучей рассматривалась как фактор, модулирующий количество ядер нуклеации. При этом тепловые эффекты вследствие присоединения молекул воды к ионам не учитывались.
Следует обратить внимание на то, что основную роль в эволюции тропических циклонов играют вариации потока скрытой теплоты испарения, обусловленные процессами фазового перехода - конденсацией и испарением воды. В работе [9] показано, что увеличение/уменьшение количества ионов - продуктов ионизации атмосферы может вызывать значительные вариации потока скрытой теплоты испарения. Выделение тепла в процессе гидратации ионов приводит к одновременному повышению температуры окружающего воздуха, изменениям относительной влажности и давления. Таким образом, резкие изменения уровня ионизации нарушат термодинамический баланс внутри урагана во всем диапазоне высот.
Насколько эффективен такой процесс? Один протон с энергией Ер ~ 1015 эВ (средняя энергия галактических космических лучей) при энергии ионизации основных атмосферных газов лежащей в пределах Е ~ 10-20 эВ, может создать 10131014 ион-электронных пар. Лабораторные эксперименты и измерения на аэростатах показали, что к одному иону может присоединиться более 100 молекул воды [10]. При исследованиях процессов образования крупных частиц в результате ионизации атмосферы космическими лучами, вы-
полненных с помощью масс-спектрометра, установленного на аэростате, были зарегистрированы положительные ионы в верхней тропосфере с молекулярной массой 2500 [10]. Нетрудно показать, что в этом случае энергия, выделившаяся в виде потока скрытой теплоты испарения, в ~104 раз превосходит энергию протона - источника ионизации.
Проведенные нами измерения содержания аэрозольных частиц - гигантских ионных кластеров, образуемых в результате ионизации и последующей гидратации ионов, показали, что максимум спектра образуемых частиц находится вблизи 103 нм, что дает величину эффективности процесса ионизации (отношение выделившейся тепловой энергии к энергии, затраченной на ионизацию), превышающую 108 [9].
Таким образом, даже весьма незначительные изменения в плотности потоков космических лучей могут привести к заметным эффектам в атмосфере, что и отмечается в работах по исследованию плотности облачного покрова Земли [3, 4, 6]. Хотя в работе [9] оценивалось выделение тепла при увеличении уровня ионизации, можно предположить, что уменьшение выделения тепловой энергии с ослаблением источника ионизации будет идти с той же эффективностью.
Учитывая сказанное, можно ожидать понижения температуры на высотах максимального ионообразования с уменьшением потока галактических космических лучей во время форбуш-по-нижения.
На рис. 1 показаны экспериментальные профили ионообразования на различных широтах для периодов максимума (штриховая линия) и минимума (сплошная линия) солнечной активности [11]. Как видно из рис. 1, максимальный эффект можно ожидать на высоте Н ~ 12-16 км.
АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ СЛУЧАЯ УРАГАНА КАТРИНА
Рассмотрим конкретный случай тропического циклона Катрина (23-30 августа 2005 г.). Траектория урагана, построенная по данным спутника вОББ-П, представлена на рис. 2. Как видно из рисунка, в течение периода времени с 24 по 27 августа 2005 г. тропический циклон Катрина существенно изменял направление своего движения. Меридиональная компонента скорости урагана Катрина 25-26 августа 2005 г. сменилась с северной на южную. Вследствие этого при постоянной зональной компоненте скорости, направленной на запад, ураган переместился из западной части Атлантики в Мексиканский залив (см. рис. 2). Возникает вопрос: какой фактор мог повлиять на
к, км
30
20
10
10
20
30
40
д, см-
50
Рис. 1. Высотные профили ионообразования на различных широтах в периоды максимума 1958 г. (штриховые кривые) и минимума 1965 г. (сплошные кривые) солнечной активности по данным [10].
внезапное изменение траектории движение тропического циклона Катрина?
Анализ геофизической обстановки показал, что в течение 24-25 августа имела место сильная
магнитная буря. Значение экваториального индекса Ой на главной фазе магнитной бури составляло величину -216 нТл. При этом буря была с внезапным началом: в течение всего 3 ч индекс Ой магнитной бури изменился от невозмущенного значения 3 до -216 нТл. Развитие бури привело к резкому уменьшению потока космических лучей. Именно в течение 24-26 августа 2005 г. наблюдался минимум форбуш-эффекта (кривая на рис. 3).
Таким образом, уменьшение интенсивности источника ионизации за счет эффектов вариаций космических лучей должно привести к уменьшению тепловыделения, а следовательно, к падению температуры в области максимума ионообразования (рис. 1).
Для подтверждения этого эффекта нами были проанализированы высотные профили температуры, полученные с помощью метеозондов [13], запускаемых со станций, находящихся вблизи траектории урагана Катрина (рис. 2). Анализ экспериментальных данных, полученных с метеозондов (рис. 4), показал, что максимальное понижение температуры наблюдалось 26 августа 2005 г. на уровне тропопаузы на высоте ~16 км.
На рисунке 3 (кривая 2) показаны вариаци
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.