научная статья по теме ПРИРОДА ДОЛГОВРЕМЕННЫХ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ СВЯЗЕЙ МЕЖДУ СОСТОЯНИЕМ ОБЛАЧНОСТИ И ВАРИАЦИЯМИ ПОТОКА ГАЛАКТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ПРИРОДА ДОЛГОВРЕМЕННЫХ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ СВЯЗЕЙ МЕЖДУ СОСТОЯНИЕМ ОБЛАЧНОСТИ И ВАРИАЦИЯМИ ПОТОКА ГАЛАКТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ»

УДК 551.590.2

ПРИРОДА ДОЛГОВРЕМЕННЫХ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ СВЯЗЕЙ МЕЖДУ СОСТОЯНИЕМ ОБЛАЧНОСТИ И ВАРИАЦИЯМИ ПОТОКА ГАЛАКТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

© 2015 г. С. В. Веретененко1, 2, М. Г. Огурцов1, 3

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург 2Санкт-Петербургский государственный университет, г. Санкт-Петербург 3Главная астрономическая обсерватория, г. Санкт-Петербург е-таП: s.veretenenko@mail.iojfe.ru Поступила в редакцию 03.07.2014 г. После доработки 02.02.2015 г.

Исследована природа долговременных корреляционных связей между аномалиями нижней облачности и интенсивностью галактических космических лучей (ГКЛ), а также возможные причины изменения характера этих связей в начале 2000-х гг. Показано, что влияние ГКЛ на состояние облачности в умеренных широтах тесно связано с эффектами ГКЛ в вариациях интенсивности внетропи-ческого циклогенеза. Высокие значения коэффициентов положительной корреляции между нижней облачностью и потоками ГКЛ, наблюдавшиеся в 1983—2000 гг., обусловлены тем, что в указанный период увеличение потоков ГКЛ сопровождалось усилением циклонической активности в умеренных широтах. Возможной причиной нарушения корреляции между облачностью и потоками ГКЛ в начале 2000-х гг. является обращение знака эффектов ГКЛ в развитии внетропических барических образований в связи с изменением состояния стратосферного циркумполярного вихря.

БО1: 10.7868/80016794015040148

1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в качестве одного из возможных механизмов влияния солнечной активности (СА) на циркуляцию нижней атмосферы, погоду и климат рассматривается модуляция солнечной энергии, поступающей в нижнюю атмосферу, в связи с изменениями облачного покрова, обусловленными вариациями галактических космических лучей (ГКЛ). Гипотеза о влиянии ГКЛ на формирование облачности была предложена Dickinson [1975] и затем развивалась в работах [Tinsley and Deen, 1991; Tinsley and Yu, 2004; Yu, 2002, 2004 и др.]. Экспериментальные данные, свидетельствующие о возможности данных механизмов, приведены в ряде работ [Pudovkin and Veretenenko, 1995; Todd and Kniveton, 2001; Svensmark et al., 2009; Laken et al., 2010].

Особое место в ряду имеющихся экспериментальных данных занимают корреляционные связи, обнаруженные между состоянием облачности и потоками ГКЛ на десятилетней шкале. В работе [Svensmark and Friis-Christensen, 1997] на основе анализа спутниковых данных ISCCP (International Satellite Cloud Climatology Project, http://isc-cp.giss.nasa.gov/) было обнаружено, что общая облачность испытывает 11-летнюю вариацию, развиваясь в фазе с интенсивностью ГКЛ. Дальнейшие исследования [Marsh and Svensmark,

2000] обнаружили, что с вариациями потока ГКЛ наиболее тесно связано изменение площади облаков нижнего яруса. В указанной работе были приведены достаточно высокие коэффициенты корреляции между усредненными по земному шару аномалиями нижней облачности (по данным архива ISCCP-D2) и скоростью счета нейтронного монитора в Уанкайо для периода 1983— 1994 гг. (R = 0.63 для несглаженных значений и R = 0.92 — для скользящих средних по 12-ти месяцам). Однако более поздние работы (например, [Gray et al., 2010; Erlykin and Wolfendale, 2011; Ogurtsov et al., 2013]) выявили нарушение корреляции между аномалиями нижней облачности и потоками ГКЛ после 2000 г. Полученные результаты поставили под сомнение влияние ГКЛ на формирование облачности, а также возможность физического механизма солнечно-атмосферных связей, включающего изменения облачности и воздействие этих изменений на радиационно-тепловой баланс атмосферы [Gray et al., 2010].

Тем не менее, изменения знака корреляции между параметрами нижней атмосферы и различными характеристиками солнечной активности представляют собой довольно распространенное явление в солнечно-атмосферных связях (например, обзор Германа и Голдберга [1981]; Geor-gieva et al. [2007]; Веретененко и Огурцов [2012]). В работах [Veretenenko and Ogurtsov, 2012,

2014] было высказано предположение, что возможной причиной временной изменчивости эффектов СА/ГКЛ в состоянии нижней атмосферы является смена эпох крупномасштабной циркуляции, определяемая эволюцией циклонического вихря в полярной стратосфере (полярного, или циркумполярного вихря). В связи с этим встает вопрос, не является ли наблюдаемое нарушение корреляции между аномалиями нижней облачности и потоками ГКЛ результатом очередного изменения характера эффектов солнечно-геофизических факторов в тропосферной циркуляции.

Таким образом, целью данной работы является исследование природы корреляции между состоянием облачности и потоками ГКЛ, а также возможных причин нарушения корреляции после 2000 г.

2. О СВЯЗИ ОБЛАЧНОСТИ

С ДИНАМИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В АТМОСФЕРЕ

Как известно, основной причиной образования облаков является перенос водяного пара по вертикали и его охлаждение (см., например, [Воробьев, 1991]). В этой связи определяющую роль в формировании поля облачности играют вертикальные движения воздуха. В умеренных широтах наиболее крупномасштабные восходящие движения (с горизонтальными размерами от нескольких сотен до нескольких тысяч километров) связаны с барическими системами (синоптическими объектами): циклонами и ложбинами.

Рассмотрим, чем обусловлены вертикальные движения во внетропическом фронтальном циклоне. Циклон представляет собой область пониженного давления с замкнутыми изобарами. В свободной атмосфере, где отсутствует сила трения, силы, действующие на воздушную массу (сила градиента давления, отклоняющая сила Ко-риолиса и центробежная сила), взаимно уравновешиваются и движение воздуха происходит вдоль изобар (градиентный ветер). У поверхности Земли в результате действия силы трения ветер будет приобретать составляющую, направленную к центру циклона. Сходимость (конвергенция) воздушных течений у поверхности Земли приводит к возникновению восходящих движений в центре циклона (например, [Хромов и Петро-сянц, 1994]).

В то же время циклоны умеренных широт являются, как правило, фронтальными образованиями. Они возникают на холодных фронтах и в процессе своей эволюции проходят несколько стадий, так или иначе связанных с фронтами [Воробьев, 1991]. На первой стадии эволюции циклон представляет собой волну на холодном фронте. Затем наступает стадия молодого циклона,

когда в нем образуется теплый сектор, ограниченный теплым и холодным фронтами. По мере развития циклона холодный и теплый фронты начинают сливаться, образуя фронт окклюзии. К началу процесса окклюзии циклон вступает в стадию максимального развития. В результате дальнейшего развития циклон переходит в заключительную стадию, характеризуемую хорошо выраженным фронтом окклюзии и смещением теплого сектора на периферию, и начинает постепенно заполняться.

Следует отметить, что характерной особенностью атмосферных фронтов являются интенсивные вертикальные движения воздуха. На теплых фронтах движение теплого воздуха имеет характер восходящего скольжения вдоль фронтальной поверхности, в результате чего образуются мощные системы слоистообразной облачности N8—Аз—Сб (слоисто-дождевые, высокослоистые и перисто-слоистые облака) — так называемая фронтальная облачность. В случае быстро перемещающихся холодных фронтов теплый воздух более интенсивно вытесняется вверх, что способствует развитию конвекции перед приземной линией фронта и образованию конвективных форм облачности (кучевых и кучево-дождевых облаков). Атмосферные фронты тесно связаны с барическими ложбинами (фронт лежит в барической ложбине, на ее оси).

Таким образом, для циклона умеренных широт характерна облачность, связанная с упорядоченными вертикальными движениями на фронтальных поверхностях, а также с восходящими движениями в центре циклона. На спутниковых фотографиях развитый циклон виден как облачный вихрь с хорошо выраженной спиралевидной структурой, при этом размеры облачного поля соизмеримы с размерами циклона. Облачность отдельных атмосферных фронтов имеет вид полос, ширина которых составляет от одной до нескольких сотен километров, а длина — от нескольких сотен до тысяч километров [Воробьев, 1991].

Приведенные выше факты указывают на тесную связь между полями облачности и давления. Эта связь подтверждается также широтной и сезонной зависимостью поля облачности [Хромов и Петросянц, 1994]. Среднегодовые значения количества облаков достигают максимума в зоне 50°—70° как северного, так и южного полушарий, что связано с максимальным развитием циклонической деятельности на этих широтах. Минимум облачности наблюдается в зоне 20°—30°, где формируются субтропические антициклоны. В регионах, находящихся под влиянием циклонов, максимум облачности приходится на зимние месяцы, когда наиболее развита циклоническая деятельность (например, в Европе).

LCA, % 6

4 2 0 -2 -4

LCA,

1980 1985 1990 1995 2000

2005 2010 Годы

1980 1985 1990 1995 2000

2005 2010 Годы

Рис. 1. Временной ход аномалий нижней облачности ЬСА в умеренных широтах 30°—60° N по данным архива 18ССР-Б2 (среднемесячные значения) (а); аномалии нижней облачности после удаления линейного тренда (б).

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ И ИХ АНАЛИЗ

3.1. Аномалии нижней облачности по данным спутникового проекта ISCCP и давление в умеренных широтах

Как было показано выше, наблюдаемое со спутника поле облачности во внетропических широтах формируется в значительной степени синоптическими объектами (циклонами, ложбинами) и системами их фронтов. Это позволяет предположить, что на этих широтах корреляция между вариациями облачности и потоков ГКЛ, обнаруженная во временных масштабах 11-летнего цикла [Svensmark and Friis-Christensen, 1997; Marsh and Svensmark, 2000], объясняется не столько прямым воздействием космических частиц на протекание микрофизических процессов в облаках, сколько опосредованным, т.е. через изменения интенсивности внетропического циклогенеза. Действительно, в ряде работ показано, что вариации потоков космических лучей, как солнечных, так и галактических, могут влиять на развитие динамических процессов в нижней атмосфере как на временных шкалах порядка часов и суток, так и в масштабе 11-л

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