научная статья по теме О ВОЗМОЖНОМ ФИЗИЧЕСКОМ МЕХАНИЗМЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ СОЛНЕЧНОЙ И ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ НА ЯВЛЕНИЯ В НИЖНЕЙ АТМОСФЕРЕ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «О ВОЗМОЖНОМ ФИЗИЧЕСКОМ МЕХАНИЗМЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ СОЛНЕЧНОЙ И ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ НА ЯВЛЕНИЯ В НИЖНЕЙ АТМОСФЕРЕ»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2007, № 2, с. 28-33

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ^^^^^^^^

ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА

УДК 528.7:629.78:5515

О ВОЗМОЖНОМ ФИЗИЧЕСКОМ МЕХАНИЗМЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ СОЛНЕЧНОЙ И ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ НА ЯВЛЕНИЯ

В НИЖНЕЙ АТМОСФЕРЕ

© 2007 г. С. В. Авакян*, Н. А. Воронин

Всероссийский Научный Центр "Государственный оптический институт им. С И. Вавилова",

Санкт-Петербург Тел.: (812) 328-47-91; *е-таП: avak2@mail.ru Поступила в редакцию 27.04.2006 г.

Микроволновое излучение земной ионосферы в периоды солнечных вспышек и геомагнитных бурь, а также микроволновые всплески от Солнца рассматриваются как регулятор конденсационного механизма в нижней атмосфере при формировании погоды. Предложен космический эксперимент по исследованию микроволнового излучения ионосферы и его вариаций при изменениях ге-лиогеофизической активности.

ВВЕДЕНИЕ

Основными предпосылками для проведения данной работы являются экспериментальные данные. Во-первых, в работах [1-4] при наблюдении ряда погодных характеристик была обнаружена их корреляция с всплесками микроволнового излучения Солнца. Так, в [1] предложено на основании наблюдений [3, 4] учитывать влияние солнечного микроволнового излучения на состояние паров воды в нижней атмосфере в рамках вклада в конденсационный механизм. Экспериментально свойство паров воды переходить под воздействием микроволнового, а также (как вспомогательных факторов) ультрафиолетового (УФ) и корпускулярного излучений Солнца из свободного в связанное состояние и обратно впервые было обнаружено в [3]. Было показано, что в результате этих воздействий образуются водные кластеры с предполагаемой средней степенью ассоциации 50, что приводит к появлению и углублению кластерных полос поглощения в области длин волн 320-330, 360, 380-390, 400 и 480 нм [4] и уменьшению спектральной оптической толщины атмосферы в видимой и ИК-обла-стях. Экспериментальные данные [3] выявили связь явлений на Солнце (хромосферные вспышки и радиовсплески) и изменений высот изобарических поверхностей 200, 300, 500 ГПа, а также изменений на этих уровнях температуры, скорости и направления ветра. Обнаружены и увеличение нисходящего движения воздушных масс в тропосфере и, главное, резкое изменение общего содержания паров воды в атмосфере. При этом отмечалось, что плотность солнечного корпускулярного потока солнечных космических лучей (СКЛ) недостаточна для включения механизма,

связанного с образованием кластеров. Но в [1, 2] предложено учитывать конденсационный механизм с участием ионизации атмосферы и галактическими космическими лучами (ГКЛ) с образованием водных кластерных (комплексных) ионов.

В [5] также показана связь погодных факторов (температуры, относительной влажности и атмосферного давления) с изменениями магнитного поля Земли и солнечной активности, при этом подчеркнуто, что она в основном определяется непосредственно активностью Солнца, выраженной числами Вольфа и потоками радиоизлучения на волне 3000 и 200 МГц. Анализ значимости исследованных связей (на основе корреляций) показал основной вклад нелинейных зависимостей. Подобный вывод о нелинейности воздействия солнечной активности на климатические процессы сделан в [6]. Из данных [5] видно, что величины коэффициента корреляции и корреляционного отношения погодных факторов, солнечной и геомагнитной активности существенно различны для периодов высокой и низкой солнечной активности. Максимальные корреляции при высоком и низком уровне солнечной активности отмечены для зависимости температуры воздуха от радиоизлучения 200 МГц - 0.810 и 0.566 соответственно, и от магнитных бурь - 0.739 и 0.310. Корреляция всегда выше для высокой солнечной активности. Наилучшим образом погодные факторы коррелируют с числами Вольфа, затем с радиоизлучением 3000 и 200 МГц. Для зависимости атмосферного давления от радиоизлучения корреляция выше для 3000 МГц.

Влияние солнечной активности на изменения погоды и климата через глобальные вариации оп-

тически активных газовых составляющих нижней атмосферы, включая пары воды и микроструктуру аэрозолей, обсуждалось ранее в [7], а также в [8].

Во-вторых, в [9] были зарегистрированы спорадические возрастания интенсивности микроволнового излучения ионосферы в периоды солнечных вспышек и полярных сияний (геомагнитных бурь и суббурь). При этом интенсивность в периоды вспышек многократно превышала типичные микровсплески солнечного происхождения. Микроволновое излучение полярных сияний регистрировалось и ранее, начиная с 1950 г. [10]. Важным фактором является прозрачность всей толщи земной атмосферы к излучению с длиной волны >0.8 мм, за исключением нескольких полос поглощения в мм- и см-диапазонах. Так что вопрос о роли такого спорадического радиоизлучения в процессах нижней атмосферы весьма актуален.

МИКРОВОЛНОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

ИОНОСФЕРЫ В ПЕРЕХОДАХ МЕЖДУ РИДБЕРГОВСКИМИ СОСТОЯНИЯМИ

В работах [11, 12] впервые предложено связывать микроволновое излучение ионосферы с возбуждением атомно-молекулярных составляющих всех газов верхней атмосферы в высоковозбужденные ридберговские электронные состояния с главным квантовым числом п > 10. Эти состояния, названные в честь шведского физика Йоханнеса Роберта Ридберга (1854-1919), имеют высокую энергию возбуждения и являются метастабильны-ми (долгоживущими), так как вероятность большинства излучательных квантовых переходов с них мала. Переходы с ридберговских состояний заполняют практически весь диапазон электромагнитного спектра верхнеатмосферных эмиссий, начиная от жесткого УФ-излучения. Разрешенные переходы между ними также лежат в микроволновом диапазоне длин волн и эти переходы часто наиболее вероятны [11-13].

В [12] впервые была обоснована возможная роль микроволнового излучения ионосферы в ге-лиогеобиокорреляциях, включая возникновения неблагоприятных для больных дней во время повышения солнечной и геомагнитной активностей (в том числе в периоды вспышек и магнитных бурь). В [13] выполнены энергетические оценки интенсивности ионосферного микроволнового излучения как по результатам измерений [9], так и в рамках механизма ридберговского возбуждения электронным ударом (ионосферными фотоэлектронами, а также во время геомагнитных бурь и суббурь при электронных высыпаниях из магнитосферы) [11, 12]. Получено согласие теоретических расчетов с экспериментом. При этом показано,

что во время сильной геомагнитной бури микроволновое СВЧ-излучение ионосферы в ридберговских переходах может доходить до 10-11 Вт см-2, а в период солнечной вспышки - в 10-100 раз меньше.

К настоящему времени имеются и экспериментальные подтверждения непосредственно самого механизма возбуждения микроволнового излучения ионосферы именно в ридберговских переходах. Так, в [14, 15] при активных экспериментах, которые состояли в нагреве ионосферы мощными импульсами радиоволн на частотах 4.7-6.8 МГц, в ответ ионосфера генерировала микроволновое дм-излучение с интервала высот от 185 до 240 км, а также дополнительное эмиссионное свечение красных линий атома кислорода. Проведенный в [14, 15] анализ различных возможностей генерации обнаруженного микроволнового излучения: рассеяние теплового излучения Земли на искусственных неоднородностях электронной концентрации, тормозное излучение электронов, ускоренных высокочастотной плазменной турбулентностью до энергий порядка 10-15 эВ, переход электронов между высокими ридберговскими уровнями молекул нейтральных компонент ионосферной плазмы, возбужденными при их столкновениях с ускоренными электронами, показал, что последний из трех перечисленных механизмов наиболее вероятен. В [14, 15] подчеркивается также, что область искусственной генерации микроволнового излучения по высоте (~200 км) совпадает с положением максимумов высотных профилей скоростей возбуждения ридберговских состояний, рассчитанных в [16] для ионосферы в естественных условиях (как при спокойном Солнце, так и во время солнечной вспышки). Таким образом, работы [14, 15] являются первым экспериментальным доказательством механизма возбуждения ридберговских уровней энергичными ионосферными электронами, описанного в [11, 12].

Оптические эмиссии между ридберговскими подуровнями атомарного кислорода зарегистрированы в [17] при высокогорных исследованиях спектра свечения ночного неба в области спектра 394-927 нм.

Таковы основания для предложения гипотезы о возможном новом физическом механизме воздействия солнечной и геомагнитной активностей на явления в нижней атмосфере, включая биосферу и погодные характеристики. Это воздействие осуществляет и микроволновое излучение ионосферы, интенсивность которого в ридберговских переходах полностью определяется уровнем солнечного и геомагнитного возмущений ионосферы и может быть сильнее, чем излучения типичных микроволновых всплесков Солнца [18].

КОНДЕНСАЦИОННЫЙ МЕХАНИЗМ И МИКРОВОЛНОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

В [3] обнаружено, что микроволновое излучение Солнца из активных областей влияет на динамическое равновесие в распределении кластеров нижней атмосферы Земли по степени ассоциации паров воды как в сторону ее усиления, так и в противоположном направлении - к диссоциации. Это важно при учете роли конденсационного механизма, занимающего по [4] ведущее положение в солнечно-погодных связях.

В конденсационном механизме основную роль в тропосфере (нижней атмосфере) играет ионизация под действием галактических космических лучей (ГКЛ). ГКЛ - потоки частиц, испытывающие вариации по амплитуде до 30% с изменением солнечной активности. В земной атмосфере наиболее энергичные ГКЛ производят ионизацию на высотах до 3-7 км. Интенсивность ионизации ГКЛ имеет широтный ход, возрастая от экватора к средним широтам (40°-50°) приблизительно на 8-15% и оставаясь неизменной далее к полюсам. Ионизация космическими лучами запускает конденсационный механизм во верхнетропосферных воздушных массах, способствует образованию перистой облачности и усилению развития высококучевых облаков на типичных уровнях в средней и нижней тропосферах [19, 1]. На больших высотах - от 7 до 25 км конденсационный механизм запускается всплесками СКЛ, вызванными солнечным

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