ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 5, с. 750-752
УДК 523.165
О ВОЗМОЖНЫХ ПРИЧИНАХ НАРУШЕНИЯ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ СВЯЗЕЙ МЕЖДУ СОСТОЯНИЕМ ОБЛАЧНОСТИ И ПОТОКАМИ ГАЛАКТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ © 2015 г. С. В. Веретененко1,2, М. Г. Огурцов1
E-mail: s.veretenenko@mail.iojfe.ru
Исследована природа корреляционных связей, наблюдаемых между аномалиями нижней облачности и потоками галактических космических лучей (ГКЛ) на десятилетней временной шкале. Показано, что эффекты ГКЛ в вариациях состояния облачности тесно связаны с развитием динамических процессов в атмосфере. Предположено, что возможной причиной нарушения положительной корреляции между облачностью и потоками ГКЛ в начале 2000-х годов является смена знака эффектов ГКЛ в тропосферной циркуляции, обусловленная изменением состояния стратосферного циркумполярного вихря.
DOI: 10.7868/S0367676515050440
Изменения облачного покрова, обусловленные вариациями ГКЛ, и связанные с ними изменения радиационно-теплового баланса атмосферы рассматриваются как один из возможных механизмов влияния солнечной активности на состояние нижней атмосферы, погоду и климат [1]. Экспериментальным подтверждением данного механизма до недавнего времени считалась достаточно высокая положительная корреляция между аномалиями нижней облачности (ЬСА) и потоками ГКЛ, наблюдавшаяся в 1983—1994 гг. [2]. Однако в начале 2000-х гг. произошло изменение знака корреляции [3], что поставило под сомнение влияние ГКЛ на формирование облаков. Цель данной работы — исследование природы корреляционных связей между облачностью в умеренных широтах и потоками ГКЛ, а также причины изменения характера этих связей после 2000 года.
Как известно, основная причина образования облаков — перенос водяного пара по вертикали и его охлаждение [4]. В умеренных широтах наиболее крупномасштабные восходящие движения (с горизонтальными размерами от нескольких сотен до нескольких тысяч километров) наблюдаются в областях пониженного давления (циклонах и ложбинах). Вертикальные движения в циклоне возникают вследствие сходимости воздушных течений к его центру. Кроме того, эволюция внетропического циклона тесно связана с атмосферными фронтами, на которых возникают упорядоченные восходящие движения воздуха, способствующие образо-
1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе Российской академии наук, Санкт-Петербург.
2 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет.
ванию мощных систем слоистообразных облаков всех трех ярусов: слоисто-дождевых N8, высокослоистых Аз и перисто-слоистых С8. На фотографиях со спутника развитый циклон виден как облачный вихрь спиралевидной структуры, при этом горизонтальная протяженность облачного поля циклона соизмерима с его размерами.
Поскольку поле облачности в значительной степени формируется барическими объектами (циклонами и ложбинами) и системами их фронтов, это должно обусловливать тесную связь между облачностью и давлением. Рассмотрим изменения количества облаков по данным КССР йр:// isccp.giss.nasa.gov/pub/data/D2CLOUDTYPS для умеренных широт 30°—60° N где имеет место интенсивный внетропический циклогенез, и сопоставим их с изменениями давления. На рис. 1а, 1б представлены временные вариации среднемесячных аномалий нижней облачности (давление на вершине облака СР > 680 гПа) и давления, осред-ненного по области 30°—60° N. Для характеристики давления использовались геопотенциальные (гп) высоты изобарического уровня 700 гПа (0РИ700) из архива реанализа ^ЕР/ЫСАЯ [5]. Аномалии исследуемых величин рассчитывались как разность между среднемесячным значением и климатическим средним для данного месяца.
Видно, что с начала 1980-х гг. нижняя облачность постепенно уменьшалась, при этом давление возрастало, т.е. в среднем по исследуемому широтному поясу циклоническая деятельность ослабевала. Отклонения аномалий облачности и давления от линейных трендов (рис. 1в) также изменялись в противофазе. Таким образом, временные вариации (как тренды, так и отклонения от трендов) среднемесячных аномалий нижней облачности и давления в умеренных широтах 30°—60° N
О ВОЗМОЖНЫХ ПРИЧИНАХ НАРУШЕНИЯ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ СВЯЗЕЙ
751
имеют противоположный характер, т.е. ослабление циклонической активности приводит к уменьшению количества облаков. Отрицательная корреляция между аномалиями облачности и давления наиболее четко выражена для среднегодовых значений (рис. 1г). Коэффициент корреляции между среднегодовыми величинами ЬСЛ и аномалий 0РИ700 составляет —0.63 и достигает —0.8 для скользящих средних по трем годам.
Приведенные выше данные свидетельствуют о тесной связи изменений состояния облачности с динамическими процессами в атмосфере. Это позволяет предположить, что корреляция аномалий нижней облачности и потоков ГКЛ в 11-летнем солнечном цикле [2] может быть обусловлена изменениями циклонической активности в связи с вариациями ГКЛ. Действительно, согласно [6,7], интенсивность внетропического циклогенеза усиливается при росте потоков космических лучей и ослабевает при их уменьшении.
Рассмотрим связь между вариациями давления в умеренных широтах и потоками ГКЛ. Для характеристики ГКЛ использовались потоки заряженных космических частиц в максимуме переходной кривой (высота 15—25 км) на станции Долгопрудный (жесткость геомагнитного обрезания Яс = 2.35 ГВ) по данным [8]. Временной ход среднегодовых значений аномалий давления 0РИ700 в широтном поясе 30°—60° N и потоков космических частиц после вычета линейных трендов показан на рис. 2а. Видно, что до 2000 года давление и потоки ГКЛ изменялись в противо-фазе, т.е. рост ГКЛ приводил к усилению циклогенеза и соответственно к увеличению облачности. После 2000 года произошло резкое изменение характера связи между исследуемыми величинами.
Временной ход коэффициентов корреляции по скользящим 11-летним интервалам между аномалиями давления и потоками ГКЛ (рис. 2б, кривая 1) показывает, что с середины 1980-х по середину 1990-х гг. между ними наблюдались достаточно высокие коэффициенты отрицательной корреляции (—0.8), затем эти коэффициенты начали ослабевать, и после 2000 года произошло резкое изменение их знака. Поскольку формирование облаков в умеренных широтах тесно связано с циклоническими процессами, изменение характера влияния ГКЛ на развитие внетропиче-ских барических систем должно было повлечь за собой нарушение корреляции между облачностью и потоками ГКЛ, наблюдавшейся в 1980— 1990-х гг. Действительно, временной ход коэффициентов корреляции между аномалиями нижней облачности и потоками заряженных частиц (рис. 2б, кривая 2) обнаруживает обращение знака корреляции в начале 2000-х годов, совпадающее по времени с обращением знака корреляции между давлением и потоками ГКЛ.
ЬСЛ, % 6 г а
4
2 0 -2 -4
-6
Аномалии 0РИ700, гп. м
30 г б 20 10 0 10 20
-30
ЬСЛ, % 4| *
2 0 -2
Аномалии 0РИ700, гп. м 20 10
0
I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I
10
20
Аномалии 0РИ700, гп.
ЬСЛ, % 4
1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 Годы
Рис. 1. Временной ход аномалий нижней облачности ЬСЛ и давления 0РИ700 в умеренных широтах 3060° N а — среднемесячные значения ЬСЛ; б — среднемесячные значения аномалий давления; в - среднемесячные значения аномалий нижней облачности (черная линия) и давления (серая линия) после вычета линейных трендов; г — среднегодовые значения аномалий нижней облачности (кривая 1) и давления (кривая 2). Толстыми линиями показаны линейные тренды и полиномиальное сглаживание аномалий.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 79 № 5
2015
10*
752
ВЕРЕТЕНЕНКО, ОГУРЦОВ
Аномалии GPH700, гп. м 8
Fcr, см 2 ■ c 1 0.6
0.4
0.2
0
-0.2 -0.4 -0.6
1980 1990 R
2000
2010
2020
1.0 0.5 0 0.5 1.0
р б
1 \ 2 1\ > ч V J \ 1 . 1 . 1 / .\ 1
/ * \ ^ » / • vwA Л^ / 1 Vi /W 1 \ 1 / \ / 1
1960 1970
1980 1990 Годы
2000 2010
Рис. 2. а — среднегодовые значения аномалий давления 0РИ700 в широтном поясе 30—60° N (кривая 1) и потоков заряженных частиц в переходном максимуме на ст. Долгопрудный (кривая 2) по данным [8]; б — временной ход коэффициентов корреляции по скользящим 11-летним интервалам между аномалиями давления и потоками частиц (кривая 1) и между аномалиями нижней облачности и потоками частиц (кривая 2).
Следует отметить, что изменения знака корреляций — достаточно характерное явление для солнечно-атмосферных связей [9]. В работе [10] была обнаружена ~60-летняя периодичность в коэффициентах корреляции между давлением во вне-тропических широтах и числами Вольфа, обусловленная сменой эпох крупномасштабной атмосферной циркуляции. В свою очередь, эпохи циркуляции связаны с эволюцией стратосферного циклонического вихря в полярных широтах (циркумполярного вихря). В периоды сильного и слабого вихря меняются условия для распространения планетарных волн, что приводит к изменению характера взаимодействия тропосферы и стратосферы [11] и, по-видимому, влияет на передачу возмущения, создаваемого ГКЛ, из стратосферы в тропосферу.
Действительно, обращение знака корреляций между давлением тропосферы и потоками ГКЛ наблюдалось в начале 1980-х гг. и совпало с рез-
ким изменением повторяемости основных форм макроциркуляции по классификации Вангенгей-ма-Гирса и переходом циркумполярного вихря в сильное состояние [12]. При сильном вихре увеличение потоков ГКЛ сопровождается интенсификацией внетропических циклонов [12], что объясняет положительную корреляцию между облачностью и ГКЛ в период с ~1980-х по начало 2000-х гг. Так как эволюция вихря характеризуется ~60-летней периодичностью [10-12], возможной причиной флуктуаций коэффициентов корреляции между давлением в умеренных широтах и потоками ГКЛ (и соответственно между облачностью и потоками ГКЛ), наблюдаемых в начале 2000-х гг., является начало перехода циркумполярного вихря в слабое состояние, при котором эффекты ГКЛ в развитии циклогенеза ослабевают и меняют знак.
Таким образом, результаты исследования показали, что корреляционные связи между состоян
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.