ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2013, том 77, № 5, с. 658-660
УДК 523.165
ЦИРКУМПОЛЯРНЫЙ ВИХРЬ КАК ПРИЧИНА ВРЕМЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ЭФФЕКТОВ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ И ГАЛАКТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В ЦИРКУЛЯЦИИ НИЖНЕЙ АТМОСФЕРЫ © 2013 г. С. В. Веретененко, М. Г. Огурцов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе Российской академии наук, Санкт-Петербург
E-mail: s.veretenenko@mail.iojfe.ru
Исследованы возможные причины временной изменчивости долгопериодных эффектов солнечной активности (СА) и вариаций галактических космических лучей (ГКЛ) в циркуляции нижней атмосферы. Показано, что наблюдаемые вариации амплитуды и знака эффектов СА/ГКЛ тесно связаны с эволюцией циркумполярного вихря, формирующегося в стратосфере высоких широт.
DOI: 10.7868/S0367676513050529
Ранее было показано, что временная структура эффектов СА/ГКЛ в вариациях давления тропосферы умеренных и высоких широт характеризуется ~60-летней периодичностью [1]. В настоящей работе продолжено исследование возможных причин временной изменчивости указанных эффектов и рассмотрена роль циркумполярного вихря в механизме их формирования.
Циркумполярный вихрь (ЦПВ) представляет собой циклоническую циркуляцию, которая формируется в холодной воздушной массе над полярной областью и охватывает верхнюю тропосферу и стратосферу. ЦПВ играет важную роль в целом ряде атмосферных процессов, его положение и характеристики влияют на развитие крупномасштабных динамических процессов в атмосфере. В частности, с ЦПВ связано образование озоновых дыр в Антарктике [2]. От состояния вихря в зимний период зависит полярность Северо-Атлантической Осцилляции [3]. С эволюцией вихря связывают также чередование холодных и теплых эпох в Арктике [4] и т.д.
В [1] было показано, что эффекты ГКЛ в тропосферной циркуляции меняют знак в зависимости от эволюции меридиональных процессов типа С согласно классификации Вангенгейма—Гирса [5, 6]. При данных процессах наблюдается развитие в поле давления стационарных или медленно движущихся волн большой амплитуды (ложбин и гребней), при этом характерной чертой является формирование высотного гребня над восточной Атлантикой. На рис. 1 приведено распределение коэффициентов корреляции между давлением в тропосфере, характеризуемым геопотенциальными (гп.) высотами изобарического уровня 700 гПа (по данным реанализа МСБР/МСЛЯ [7]) и интен-
сивностью ГКЛ для периодов усиления и ослабления меридиональных процессов указанного типа. Видно, что в период усиления меридиональной циркуляции (рис. 1а) увеличение потока ГКЛ сопровождается ростом давления (усилением приземных антициклонов) в Арктике и понижением давления (интенсификацией внетропиче-ских циклонов) на полярных фронтах умеренных широт. В период ослабления меридиональной циркуляции (рис. 1б) знак эффектов ГКЛ в указанных регионах меняется на противоположный.
Сопоставим долговременные вариации эффектов СА/ГКЛ в давлении тропосферы с изменениями состояния вихря. На рис.2 показаны скользящие коэффициенты корреляции давления в области широт >60°М [7, 8] с числами Вольфа и интенсивностью ГКЛ, долговременные изменения частоты повторяемости формы С меридиональной циркуляции и характеристик вихря, рассчитанных по данным [7]. Интенсивность вихря характеризуется разностью зональных гп. высот АЛ изобарического уровня 500 гПа между широтами 40° и 65°М и температурой стратосферы на уровне 50 гПа, осредненной по области 60°—90°М.
Данные на рис. 2 показывают, что колебания коэффициентов корреляции между давлением тропосферы и характеристиками СА/ГКЛ тесно связаны с эволюцией ЦПВ и меридиональных процессов. В 1950—1980 годах вихрь был ослаблен, что проявлялось в уменьшении градиентов давления между высокими и средними широтами и повышении температуры в области ЦПВ, меридиональная циркуляция при этом ослабевала. В 1980—2010 годах отмечены увеличение меридиональных градиентов давления, понижение температуры в стратосфере (интенсификация вихря) и
ЦИРКУМПОЛЯРНЫЙ ВИХРЬ КАК ПРИЧИНА ВРЕМЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ
659
а
1-----2 3 4
б
1-----2-3-----4
Рис. 1. Распределение коэффициентов корреляции между среднегодовыми значениями гп. высот изобарического уровня 700 гПа и скорости счета нейтронного монитора в Клаймаксе в периоды усиления (а) и ослабления (б) меридиональной циркуляции. Положения климатологических фронтов показаны линиями: 1, 2 — арктический фронт в январе и июле, соответственно; 3, 4 — полярный фронт в январе и июле соответственно.
усиление меридиональной циркуляции. Изменения характеристик вихря предполагают наличие ~60-летней периодичности с переходами между его различными состояниями в 1950-х, 1980-х и, по-видимому, в 2010-х годах.
Из сопоставления данных на рис. 2 видно, что изменения знака эффектов СА/ГКЛ в 1950-х и 1980-х годах соответствуют переходам ЦПВ из одного состояния в другое. В период сильного вихря и интенсификации меридиональных процессов (1980—2010 гг.) возрастание потоков ГКЛ в минимумах 11-летнего цикла сопровождается ростом давления (усилением антициклонов) в высоких
Коэффициент корреляции
1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 Годы
Рис. 2. а — коэффициенты корреляции по скользящим 15-летним интервалам среднегодовых значений давления в высокоширотной области (>60°К) с характеристиками СА/ГКЛ: 1 — для приземного давления и чисел Вольфа; 2 — для гп. высот изобарического уровня 700 гПа и скорости счета нейтронного монитора в Клаймаксе; б — долговременные изменения частоты повторяемости (число дней в году) формы С меридиональной циркуляции (15-летние скользящие средние); в — аномалии (отклонения от среднего многолетнего) среднегодовых значений разности гп. высот изобарического уровня 500 гПа между широтами 40 и 65° К; г — аномалии (отклонения от среднего многолетнего) среднегодовых значений температуры в высокоширотной области 60—90°К на уровнях 50 гПа. Толстой линией на рис. 1в и г показано сглаживание полиномом 3-й степени. Вертикальные штриховые линии показывают моменты обращения знака коэффициентов корреляции.
широтах (положительная корреляция давления с интенсивностью ГКЛ и отрицательная с числами Вольфа). В то же время наблюдается понижение
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 77 № 5 2013
660
ВЕРЕТЕНЕНКО, ОГУРЦОВ
давления (интенсификация циклогенеза) в умеренных широтах (рис. 1а). В период слабого вихря (1950—1980 гг.) интенсивность меридиональных процессов уменьшается, и при увеличении потоков ГКЛ наблюдается ослабление как арктических антициклонов (понижение давления в высоких широтах), так и внетропических циклонов (рост давления в умеренных широтах). Таким образом, обнаруженные ранее ~60-летние вариации амплитуды и знака эффектов СА/ГКЛ в атмосферном давлении [1], по-видимому, тесно связаны с состоянием ЦПВ и его влиянием на развитие меридиональных процессов в тропосфере.
Причиной обращения знака эффектов СА/ГКЛ в эволюции барических систем высоких и умеренных широт могут быть изменения характера взаимодействия стратосферы и тропосферы в периоды сильного и слабого вихря, обусловленные различными условиями для распространения/отражения планетарных волн [9]. Стратосфера может воздействовать на тропосферу только при сильном вихре, когда происходит отражение планетарных волн обратно в тропосферу. При слабом вихре, когда планетарные волны могут свободно распространяться вверх, только тропосфера оказывает влияние на стратосферу. Таким образом, если в период сильного вихря вариации ГКЛ, а также другие факторы солнечной активности приводят к каким-либо изменениям в полярной стратосфере (состоянии вихря), эти изменения могут влиять на циркуляцию тропосферы. В результате при росте потока ГКЛ наблюдается интенсификация циклонов в умеренных широтах и антициклонов в высоких. В периоды слабого вихря, когда влияние стратосферы на тропосферу ослабевает, меняется и характер влияния СА/ГКЛ на эволюцию внетропических барических систем. Поскольку интенсивность вихря обнаруживает, по-видимому, ~60-летнюю периодичность, это может объяснить наблюдаемые колебания амплитуды и знака эффектов СА/ГКЛ в атмосферном давлении умеренных и высоких широт [1].
Следует отметить, что расположение ЦПВ благоприятно для работы механизмов влияния солнечной активности на тропосферную циркуляцию, включающую вариации космических лучей. В связи с низким порогом геомагнитного обрезания в области формирования вихря высыпаются частицы в широком диапазоне энергий и скорости ионизации выше, чем на средних и низких широтах. При этом наибольшие значения скорости ионизации наблюдаются на высотах ~10—20 км, т.е. в нижней части ЦПВ. Амплитуда 11-летней вариации потоков ГКЛ максимальна на высотах ~15— 25 км [10], где вихрь наиболее интенсивен.
Поскольку эволюция вихря зависит как от динамического взаимодействия тропосферы и стратосферы, так и от радиационных процессов в страто-
сфере, механизм влияния СА/ГКЛ на состояние вихря может включать изменения радиационно-теплового баланса стратосферы вследствие изменений состояния облачности и/или содержания аэрозолей под действием вариаций ГКЛ и других источников ионизации. Значительное увеличение концентрации аэрозолей, наиболее четко выраженное на высотах 10—12 км и сопровождавшееся понижением температуры в вышележащей стратосфере, было обнаружено во время серии мощных солнечных протонных событий 15—20 января 2005 г. [11]. В свою очередь, интенсификация ЦПВ под действием вариаций космических лучей может приводить к росту градиентов температуры на его границах, что на стадии сильного вихря будет способствовать увеличению контрастов температуры во фронтальных зонах тропосферы и усилению интенсивности циклогенеза в умеренных широтах.
Таким образом, результаты данного исследования показывают, что циркумполярный вихрь играет важную роль в механизме солнечно-атмосферных связей. Наблюдаемые ~60-летние колебания коэффициентов корреляции атмосферного давления с характеристиками СА/ГКЛ, по-видимому, тесно связаны с эволюцией вихря. Изменения знака коэффициентов корреляции совпадают с моментами перехода вихря от одного состояния к другому
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.