научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ФОРБУШ-ПОНИЖЕНИЙ ГАЛАКТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ НА РАЗВИТИЕ АНТИЦИКЛОНИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ В УМЕРЕННЫХ ШИРОТАХ Физика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ФОРБУШ-ПОНИЖЕНИЙ ГАЛАКТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ НА РАЗВИТИЕ АНТИЦИКЛОНИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ В УМЕРЕННЫХ ШИРОТАХ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 5, с. 747-749

УДК 551.590.21,551.590.29

ВЛИЯНИЕ ФОРБУШ-ПОНИЖЕНИЙ ГАЛАКТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ НА РАЗВИТИЕ АНТИЦИКЛОНИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ В УМЕРЕННЫХ ШИРОТАХ © 2015 г. И. В. Артамонова1, 2, С. В. Веретененко1, 3

E-mail: artirin@yandex.ru

Проведено исследование барического отклика нижней атмосферы на форбуш-понижения галактических космических лучей (ГКЛ). Показано, что форбуш-понижения ГКЛ сопровождаются ослаблением циклонической и усилением антициклонической активности в поясе умеренных широт (45°—70°) северного и южного полушарий. Полученные результаты свидетельствуют о важной роли космических лучей в солнечно-земных связях.

DOI: 10.7868/S0367676515050075

В качестве внешнего агента, связывающего возмущения на Солнце с процессами, происходящими в атмосфере Земли, в данной работе рассматриваются потоки галактических космических лучей (ГКЛ), интенсивность которых в значительной степени модулируется солнечной активностью. Ранее было показано [1—4], что вариации космических лучей как солнечного, так и галактического происхождения могут приводить к значительным изменениям давления в районе Северной Атлантики. Цель данной работы — анализ барического отклика атмосферы на форбуш-понижения ГКЛ в глобальном масштабе.

Для проведения исследования было отобрано 48 форбуш-понижений ГКЛ с амплитудой более 2.5% по данным станции Апатиты (широта ~67° М). Отбор событий осуществлялся за холодный период (октябрь—март) 1980—2006 гг., поскольку в эти месяцы в северном полушарии наблюдаются наиболее высокие градиенты температуры, способствующие интенсивному циклогенезу. Дополнительным критерием отбора было отсутствие в период ±3 дня относительно начала исследуемых форбуш-пониже-ний всплесков солнечных космических лучей с интенсивностью I > 100 частиц • см-2 • с-1 • ср-1 для протонов с энергиями Е>10 МэВ. Данное условие позволяет разделить эффекты солнечных протонных событий и форбуш-понижений ГКЛ [5].

1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет.

2 Федеральное государственное бюджетное учреждение Главная геофизическая обсерватория имени А.И. Воейкова, Санкт-Петербург.

3 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе Российской академии наук, Санкт-Петербург.

Для анализа вариаций атмосферного давления были использованы среднесуточные значения геопотенциальных высот изобарического уровня 1000 гПа из архива реанализа МСЕР/МСЛЯ [6]. Расчет средних отклонений давления от невозмущенного уровня, определявшегося по 10 дням, предшествующим началу форбуш-понижения ГКЛ, проводился методом наложения эпох (МНЭ). За нулевой день был принят день начала события.

Результаты расчетов показали, что по мере развития форбуш-понижения в поясах умеренных широт северного и южного полушарий формируются области значимых (0.95-0.99 согласно оценкам статистической значимости по методу Монте-Карло) вариаций давления. На рис. 1 приведены средние карты отклонений давления от невозмущенного уровня на 4-й день после начала форбуш-понижения ГКЛ. Как видно из рис. 1, максимальное повышение изобарического уровня 1000 гПа в северном полушарии наблюдается над Скандинавией, северной Европой и севером Европейской части России и достигает ~50 гп. м. В то же время в восточной части Северного Ледовитого океана происходит развитие области отрицательных отклонений давления (до -40 гп. м). В южном полушарии области повышенного давления с амплитудой отклонений ~30-40 гп. м формируются в восточной части Южной Атлантики напротив побережья Земли Королевы Мод и в Южном океане над морем Дюрвиля. При этом над западной частью Тихого океана в умеренных широтах образуется область пониженного давления (-40 гп. м). В последующие дни после начала форбуш-понижений происходит выравнивание давления в указанных областях. Одновременно с этим уменьшается их площадь.

748

АРТАМОНОВА, ВЕРЕТЕНЕНКО

Северное полушарие 160°

160°

-120°

Л

Л

80°

80°

40 30 20

10 20 30 40

Южное полушарие

10 -80°|Щч^! ^/л-../ 0

80°

120°

° 120

160°

160°

40 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40

о

0

о

Рис. 1. Средние вариации геопотенциальной высоты (в гп. м) изобарического уровня 1000 гПа на 4-й день после начала форбуш-понижений ГКЛ в северном и южном полушариях. Климатическое положение основных атмосферных фронтов в январе приведено согласно [8]. Арктический и антарктический фронты обозначены пунктирными черными линиями, полярные фронты — сплошными черными линиями. Серыми линиями показаны области, в которых уровень значимости отклонений давления превышает 0.95 (сплошная) и 0.99 (пунктирная) согласно оценкам по методу Монте-Карло.

Следует отметить, что максимальные вариации давления в ходе форбуш-понижений ГКЛ наблюдаются в областях климатического положения основных атмосферных фронтов: арктических, антарктических и полярных (рис. 1). Это указывает на то, что наблюдаемые отклонения давления связаны с изменениями в развитии барических образований, формирующихся на указанных фронтах. Для проверки данного предположения был проведен анализ приземных карт погоды, содержащих информацию о состоянии барических полей, положении атмосферных фронтов, направлении и скорости ветра и других атмосферных параметров.

Результаты синоптического анализа показали, что причиной формирования области повышенного давления над Скандинавией, северной Европой и севером европейской части России является интенсификация блокирующих антициклонов, которые формируются в тыловой части циклонической серии, движущейся в зональном потоке из Атлантики на европейский континент. Понижение давления в полярной области северного полушария обусловлено смещением траекторий североатлантических циклонов в высокие широты. Области высокого давления, наблюдаемые в ходе форбуш-понижений ГКЛ в южном полушарии, формируются в связи с ослаблением циклонов и одновременным смещением к берегам Антарктиды антициклонических гребней из умеренных широт. Развитие области низкого давления в центральной части Тихого океана обу-

словлено смещением траекторий циклонов, формирующихся над морем Росса. Таким образом, результаты исследования показывают, что фор-буш-понижения ГКЛ могут способствовать ослаблению циклонической и усилению антициклонической активности в умеренных широтах обоих полушарий.

Также была выполнена оценка минимальных энергий ГКЛ, которые могут принимать участие в атмосферных процессах, приводящих к наблюдаемым изменениям в эволюции внетропических барических систем. Для этого были проанализированы величины жесткости геомагнитного обрезания в областях максимальных отклонений давления, наблюдавшихся в связи с форбуш-по-нижениями ГКЛ. Средние карты отклонений давления от невозмущенного уровня на 4-й день после начала исследуемых событий, сопоставленные с изолиниями жесткости геомагнитного обрезания согласно [7] и положением основных атмосферных фронтов согласно [8], приведены на рис. 2. Как видно из рис. 2, в северном полушарии в областях значимых изменений давления жесткости геомагнитного обрезания варьируются от ~0.5 ГВ (арктический фронт) до 3.5 ГВ (полярные фронты), что соответствует минимальным энергиям частиц ~0.1—2.7 ГэВ. В южном полушарии в областях значимых изменений давления жесткости геомагнитного обрезания составляют от ~0.5 ГВ (антарктический фронт) до ~3 ГВ (полярные фронты), что соответствует минимальным энергиям частиц ~0.1—2.2 ГэВ. Интенсивность

Рис. 2. Средние вариации геопотенциальной высоты (в гп. м) изобарического уровня 1000 гПа на 4-й день после начала форбуш-понижений ГКЛ в северном и южном полушариях. Климатическое положение основных атмосферных фронтов в январе приведено согласно [8]. Арктический и антарктический фронты обозначены пунктирными черными линиями, полярные фронты — сплошными черными линиями. Серым цветом обозначены изолинии жесткости геомагнитного обрезания (0.5; 1; 2; 3; 5; 7; 11; 13 ГВ) согласно [7].

космических лучей с указанными энергиями в значительной степени модулируется солнечной активностью, поэтому они рассматриваются как одно из важных связующих звеньев между солнечной активностью и процессами в нижней атмосфере Земли, например [9—11].

Следует отметить, что Северная Атлантика — это выделенный регион северного полушария, в котором проявляется барический отклик на ко-роткопериодные вариации галактических космических лучей, в отличие от тихоокеанского региона, где эффекты ГКЛ не наблюдаются. Различие в реакции атмосферы в указанных регионах на вариации космических лучей может быть связано с тем, что для тихоокеанского сектора характерны более высокие жесткости геомагнитного обрезания Я и пороговые энергии космических лучей Е (Я ~ 2—9 ГВ, Е ~ 1.3—6.1 ГэВ), чем для Северной Атлантики (Я ~ 0.5-3.5 ГВ и Е ~ 0.1-2.7 ГэВ). Низкие значения пороговой жесткости геомагнитного обрезания в североатлантическом регионе указывают на влияние в областях формирования атмосферных фронтов менее энергичной компоненты галактических космических лучей, которая в большей степени модулируется солнечной активностью. Таким образом, в североатлантическом регионе складываются более благоприятные условия для влияния ГКЛ на развитие внетропических барических систем, чем в тихоокеанском.

Физический механизм наблюдаемых эффектов может быть связан с вариациями состояния облачности и последующими изменениями ради-

ационно-теплового баланса нижней атмосферы, приводящими к изменениям в структуре термобарического поля, благоприятным для развития тех или иных внетропических барических образований. Вариации облачного покрова, в свою очередь, могут быть обусловлены как изменениями скорости ионизации атмосферы, так и изменениями ионосферного потенциала, а также интенсивности токов в глобальной токовой цепи [9—11], происходящими под влиянием вариаций потоков ГКЛ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Veretenenko S.V., ThejllP. // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2004. V. бб. P. 393.

2. Veretenenko S.V., Thejll P. // Adv. Space Res. 2005. V. 35. № 3. P

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