ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2007, том 47, № 3, с. 399-406
УДК 551.590.2
СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ И ВАРИАЦИИ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ КАК ФАКТОР ИНТЕНСИВНОСТИ ЦИКЛОНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
В УМЕРЕННЫХ ШИРОТАХ
© 2007 г. С. В. Веретененко, В. А. Дергачев, П. Б. Дмитриев
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, С.-Петербург e-mail: svetaveretenenko@mail.ru Поступила в редакцию 03.04.2006 г.
Исследованы долгопериодные изменения циклонической активности в умеренных и субполярных широтах Северной Атлантики по данным архива приземного давления MSLP (Climatic Research Unit, UK) за 1874-1995 гг. Обнаружено, что в холодное полугодие (период наиболее интенсивного формирования и развития внетропических циклонов) в исследуемом регионе наблюдаются колебания приземного давления с периодами, близкими к основным периодам солнечной активности ~80 и ~11 лет. Полученные результаты позволяют предположить, что солнечная активность и связанные с нею вариации галактических космических лучей являются одним из факторов, влияющих на интенсивность циклонических процессов в умеренных широтах во временных масштабах от ~10 до ~100 лет.
PACS: 94.20.wq
1. ВВЕДЕНИЕ
Известно, что зона умеренных и субполярных широт северной части Атлантического океана представляет особый интерес для изучения изменений погоды и климата как область формирования и развития циклонов. Эффекты солнечной активности в вариациях атмосферных характеристик в указанной области исследовались в ряде работ. Показано, что число циклонов в западной части Северной Атлантики уменьшается в максимуме солнечной активности (минимуме потока галактических космических лучей) в годы с западной фазой квазидвухлетних осцилляций атмосферы (КДДО) [Labitzke and van Loon, 1989]. В работе [Tinsley, 1988] обнаружено смещение траекторий движения североатлантических циклонов к северу в минимуме солнечной активности (максимуме потока ГКЛ), также более четко выраженное в западной фазе КДО. Данные, приведенные в работе [Tinsley and Deen, 1991], свидетельствуют об уменьшении циклонической завихренности, преимущественно в океаническом секторе умеренных широт, в связи с короткопериодными изменениями (форбуш-понижениями) потока ГКЛ. В настоящей работе проводится исследование изменений приземного давления в Северной Атлантике за период 1874-1995 гг., позволяющее оценить интенсивность циклонических процессов в исследуемом регионе, и сопоставление этих изменений с вариациями солнечной и геомагнитной активности и потока ГКЛ.
2. ДОЛГОПЕРИОДНЫЕ КОЛЕБАНИЯ
ИНТЕНСИВНОСТИ ЦИКЛОГЕНЕЗА В СЕВЕРНОЙ АТЛАНТИКЕ
В качестве экспериментального материала использовались среднемесячные значения приземного атмосферного давления в узлах регулярной сетки 5° х 10° в северном полушарии за период 1874-1995 гг., взятые из архива MSLP (Mean Sea Level Pressure, ftp://ftp.cru.uea.ac.uk). Значения приземного давления усреднялись по области умеренных широт Северной Атлантики (45-65°N, 10-6°W), где происходит интенсивное формирование и развитие внетропических циклонов, и по области (20-40°N, 10-80°W), включающей пояс высокого давления в субтропических широтах (пояс субтропических антициклонов). На основе полученных данных рассчитывались средние значения давления в указанных регионах для холодного (октябрь-март) и теплого (апрель-сентябрь) полугодий.
На рис. 1 представлен временной ход средних значений приземного давления в различных широтных областях Северной Атлантики. Видно, что наряду с короткопериодными (длительностью порядка нескольких лет) флуктуациями приземное давление в области широт 45-65°N испытывает в холодное полугодие, когда циклоническая деятельность наиболее интенсивна, и долгопериодные колебания с максимумами в 80-90-х гг. XIX века и в 60-х гг. XX века, т.е. с периодом ~80 лет (рис. 1а). Результаты спектрального анализа также подтвердили наличие вековых колебаний приземного давления в умеренных широтах Северной Атлантики. В более низкоширотной части
1014
ей
Е 1010
CD S
CD
S 1006
ей
1002 1022
д 1020
1 1018 <D
w
¿^1016
Холодное полугодие
1014
1860
45-65°N
1016
1014
1012
1010 1022
20-40°N
1900 1940 Годы
1980
1020
1018-
1016
1860
Теплое полугодие
45-65°N
20-40°N
1900 1940 Годы
1980
Рис. 1. Временной ход приземного давления в различных широтных областях Северной Атлантики для холодного (октябрь-март) и теплого (апрель-сентябрь) полугодий. Толстой линией показаны 20-летние скользящие средние.
а
Северной Атлантики (20-40°N) также наблюдаются изменения давления с периодом ~80 лет, но противоположного знака (рис. 16). Для теплого полугодия, когда циклонические процессы в умеренных широтах менее интенсивны, аналогичных долгопериодных изменений давления в исследуемых регионах не обнаруживается.
Таким образом, колебания давления, наблюдаемые в умеренных широтах Северной Атлантики в холодное полугодие, обнаруживают периодичность ~80 лет, что может указывать на связь циклонических процессов в данной области с вековыми колебаниями солнечной активности (циклом Глайссберга). Вековые колебания давления в области широт 20-40°N, по-видимому, тесно связаны с изменениями циклонической деятельности в вышележащей широтной области, поскольку субтропическая зона высокого давления формируется за счет подвижных антициклонов, возникающих на южной периферии внетропических циклонов [Хромов и Петросянц, 1994]. Действительно, отрицательные аномалии давления на более высоких широтах сопровождаются положительными аномалиями на более низких и наоборот, что приводит к известной связи между колебаниями интенсивности исландского минимума и азорского максимума [По-госян, 1972; Hurrel, 1995].
Сопоставим долговременные изменения давления в области внетропического циклогенеза в Северной Атлантике с индексами солнечной и геомагнитной активности, а также с изменениями концентрации космогенного изотопа 10Be. Дан-
ный изотоп образуется в результате взаимодействия космических лучей с ядрами атмосферных атомов кислорода и азота, и скорость его образования зависит от уровня солнечной активности и напряженности геомагнитного поля. После образования 10Be достаточно быстро (в течение одного года) вымывается из атмосферы, поэтому в его концентрации могут наблюдаться 11-летние вариации, обусловленные солнечным циклом, в отличие от другого космогенного изотопа - радиоуглерода 14C. Радиоуглерод после образования окисляется до 14CO2 и участвует в обменном углеродном цикле, что приводит к существенному подавлению 11-летней гармоники в его концентрации [Васильев и др., 2002].
На рис. 2 приведены долгопериодные колебания приземного давления в умеренных широтах в холодное полугодие, среднегодовые числа солнечных пятен Rz, вариации среднегодовых значений аа-индекса, характеризующего уровень воз-мущенности геомагнитного поля, и изменения концентрации космогенного изотопа 10Be в образцах гренландского льда на ст. Dye 3 [Beer et al., 1990]. Вариации аа-индекса (рис. 2в, тонкая линия) получены вычитанием линейного тренда за период 1868-2001 гг., который может быть связан с уменьшением магнитного момента Земли [Стожков, 2002], и сглажены 20-летними скользящими средними (толстая линия), что позволяет видеть изменения геомагнитной возмущенности, обусловленные вековыми колебаниями солнечной активности. Приведенные на рис. 2г измене-
ния концентрации 10Be получены вычитанием линейного тренда за период 1800-1995 гг.; при этом значения концентрации 10Be сглажены 3-летними скользящими средними (толстая линия) для устранения короткопериодных вариаций, которые могут быть обусловлены метеорологическими эффектами [Beer et al., 1990].
Сравнение данных, приведенных на рис. 2, показывает, что период понижения приземного давления (усиления циклогенеза), наблюдаемый с конца XIX века до 20-х гг. XX века, совпадает с периодом низкой интенсивности 11-летних солнечных циклов (минимумом цикла Глайссберга) и, соответственно, пониженной геомагнитной активности. Повышение приземного давления (ослабление циклонических процессов во внетропической зоне) с 20-х по 60-е гг. XX века наблюдается на фазе роста векового цикла солнечной активности, сопровождающегося усилением геомагнитной активности и уменьшением потока ГКЛ. После 60-х гг. (максимума цикла Глайссберга) давление в умеренных широтах Северной Атлантики снова стало понижаться, что также совпало с начавшимся периодом уменьшения интенсивности 11-летних циклов и геомагнитных индексов.
Таким образом, сопоставление данных показывает, что интенсивность формирования и развития циклонов в умеренных широтах Северной Атлантики может быть связана с вековыми колебаниями солнечной активности. По всей видимости, имеется тенденция к усилению внетропиче-ского циклогенеза (понижению давления) на фазе спада векового цикла солнечной активности и к его ослаблению (повышению давления) на фазе роста. Это согласуется с эффектами солнечной активности, наблюдавшимися на менее длительных временных шкалах, а именно с уменьшением числа циклонов в Северной Атлантике на широтах 40-50°N в максимуме солнечной активности [Labitzke and van Loon, 1989]. Следует отметить, что вековые колебания интенсивности циклогенеза отчетливо видны только в холодное полугодие, для которого характерно наиболее интенсивное образование и развитие внетропических циклонов.
Давление, гПа 1009.5
Северная Атлантика 45-65°N
Рис. 2. а - долгопериодные колебания давления в умеренных широтах Северной Атлантики в холодное полугодие (20-летние скользящие средние); б - среднегодовые числа солнечных пятен (штриховая линия показывает аппроксимацию значений К2 в максимумах 11-летних циклов полиномом 6-й степени); в - вариации среднегодовых значений геомагнитного аа-индекса (толстой линией показаны 20-летние скользящие средние); г - вариации содержания космоген-ного изотопа 10Ве в образцах гренландского льда (тонкой линией показаны 3-летние скользящие средние, толстой линией - 20-летние скользящие средние).
Концентрация 10Be, 104 атом/г 0.6 г
0.4 0.2 0
1800 1840 1880 1920 1960 2000
Годы
а
Рис. 3. Выборочные оценки нормированной спектральной плотности приземного давления в Севе
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.