ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2008, № 6, с. 3-11
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
УДК 551.590.29
ВОЗДЕЙСТВИЕ КРУПНОМАСШТАБНЫХ АТМОСФЕРНЫХ ВИХРЕВЫХ ПРОЦЕССОВ НА ИОНОСФЕРУ НА ПРИМЕРЕ УРАГАНА КATRINA
© 2008 г. В. Г. Бондур1, С. А. Пулинец1, Д. Узунов2
1ГУ Научный центр аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" Минобрнауки РФ и РАН, Москва 2Центр космических полетов им. Годдарда, Гринбелт, Мэрилэнд, США 1Е-таИ: vgbondur@online.ru;pulse1549@mail.ru Поступила в редакцию 23.06.2008 г.
Представлены результаты комплексного анализа данных аэрокосмического мониторинга параметров атмосферы и ионосферы в регионе прохождения урагана КаМпа в интервале 23—30 августа 2005 г. Показано наличие связи между тропосферой и ионосферой, выражающееся в повышении электронной концентрации в максимуме слоя Г ионосферы над центром урагана, вызываемое проникновением электрического поля от пространственного электрического заряда, формирующегося в верхней части урагана в результате усиления конвекции. Формирование неоднородности в ионосфере совпадает по времени с максимумом потока уходящего длинноволнового инфракрасного излучения, генерируемого также в верхней части урагана.
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время все большее внимание уделяется исследованиям электромагнитных процессов внутри крупномасштабных атмосферных вихревых структур, таких, например, как ураганы [1]. Это связано, в первую очередь, с необходимостью уточнения понимания энергетики подобных образований, особенно на фазе их зарождения, а также улучшения качества моделирования критических процессов в атмосфере Земли [2]. Об интенсивности электромагнитных явлений внутри ураганов свидетельствует, например, тот факт, что электромагнитные квазистационарные [4, 5] и переменные [3] поля, обусловленные этими явлениями, зарегистрированы с помощью спутниковых измерений даже в верхней ионосфере. На периферии ураганов при ракетном зондировании обнаружены также вариации электронной плотности в нижней ионосфере [6].
Воздействие ураганов на ионосферу связано прежде всего с наличием пространственного заряда в его верхней части ~4.4 х 107 Кн, и генерацией электрического поля исключительно высокой интенсивности (порядка сотен киловольт [1]), что сравнимо с разностью потенциалов между ионосферой и поверхностью Земли (от 250 до 450 кВ) [7]. Электрические поля такой интенсивности, обусловленные облачными структурами размерами порядка 200—500 км, могут проникать в ионосферу и создавать там неоднородности различных масштабов [8—10].
Генерация электрического поля связана с процессами электризации грозовых облаков, в результате которой происходит разделение зарядов. Для электризации облака необходимо выполне-
ние двух условий: наличие положительных и отрицательных ионов, а также эффективного механизма разделения зарядов. Основными причинами ионизации атмосферных газов являются энергичные частицы различного происхождения: галактические космические лучи (ГКЛ) [11], солнечные космические лучи (СКЛ) и высыпание энергичных частиц из радиационных поясов Земли [12]. Создание электрических зарядов может происходить также в результате интенсивно идущих внутри циклонов процессов испарения/конденсации влаги [13].
Несмотря на то, что процессы разделения зарядов в атмосфере достаточно широко освещены в литературе [14], их природа выявлена не до конца. Об этом свидетельствуют, например, обнаруженные недавно многослойные (в виде смены знака электрического заряда) структуры грозовых облаков [15]. Поэтому современные представления о процессах разделения зарядов в атмосфере требуют существенного уточнения.
Следует отметить еще один фактор, который может помочь в оценках энергетики урагана, в том числе интенсивности процесса ионизации. Помимо теоретических исследований, специальные лабораторные эксперименты показали, что не только аэрозольные частицы, но и ионы могут быть центрами конденсации водяного пара [16].
Тепло, выделяемое в процессе конденсации (скрытая теплота испарения), может быть оценено спутниковыми методами в инфракрасной (ИК) области спектра. Одним из наиболее надежных источников информации о количестве тепла на уровне верхнего слоя облаков служит уходящее длинноволновое ИК-излучение (Outgoing Long-
wave Radiation — OLR) [17]. Специальная методика выделения локальных аномалий OLR может быть использована для оценки теплового излучения, а, следовательно, и интенсивности процессов ионообразования, в верхней части тропических циклонов.
Из многообразия методов измерения параметров ионосферы наиболее адекватным представляется разработанный недавно метод восстановления вертикальной структуры электронной концентрации по данным навигационных спутниковых систем типа GPS [18—20]. Метод использовался, в основном, для выявления ионосферных аномалий перед сильными землетрясениями [19, 20]. Возможности этого метода спутникового мониторинга для выявления локальных аномалий электронной концентрации ионосферы были использованы в данной работе для исследования процессов электромагнитного взаимодействия тропосферы и ионосферы в результате развития кризисных атмосферных явлений, таких как интенсивные ураганы (на примере урагана Katrina).
РОЛЬ ТРОПОПАУЗЫ В ЭНЕРГЕТИКЕ УРАГАНА
Галактические космические лучи играют важную роль в формировании климата нашей планеты за счет модуляции облачного покрова [21]. Поскольку тропические циклоны представляют собой мощные облачные структуры, то должна существовать связь между изменениями потоков космических лучей и интенсивностью тропических циклонов. Статистически такая связь была установлена в работе [22], а физический механизм воздействия космических лучей на ураган описан в работе [23], где как раз был рассмотрен случай урагана Katrina. Оказалось, что основное взаимодействие происходит в верхней части урагана на уровне тропопаузы, где располагается максимум профиля ионообразования за счет ионизации космическими лучами [24]. В работе [23] было установлено, что уменьшение потока галактических космических лучей во время Фор-буш-понижения приводит к понижению температуры воздуха на уровне тропопаузы (~16 км). Это связано с понижением уровня ионизации, приводящим к уменьшению выделения скрытой теплоты испарения молекул воды, присоединяющихся к вновь образуемым ионам.
Однако как профиль ионизации космическими лучами, так и энергетический спектр космических лучей являются статистическими характеристиками и могут сильно отличаться в различные моменты времени и в разных точках пространства. Статистические исследования, проведенные для различных пунктов метеозондирования в районе Северной Атлантики в течение сезона 2005 г., подтверждают картину пространственной
неоднородности эффектов влияния космических лучей. В случае урагана Katrina эта неоднородность отражается в пространственной анизотропии температуры, обнаруженной по данным станций метеозондирования.
Динамика развития урагана и его траектория, построенные по данным спутника GOES11, приведены на рис. 1 (см. на вклейках с цветн. рис.). Здесь же указаны значения температуры на высоте 10 км для семи станций метеозондирования. Из представленного рисунка видно, что максимальная разница температур на этой высоте превышает 5°С (станции TJSJ и EYW). Дополнительные исследования с привлечением данных других станций метеозондирования подтвердили вывод работы [23] о том, что тепловые эффекты Фор-буш-понижения космических лучей неоднородны по пространству и наблюдаются на различных высотах и с разной интенсивностью.
Для определения тепловыделения в верхней части урагана нами использованы результаты спутникового мониторинга уходящего длинноволнового (10—14 мкм) ИК-излучения — OLR. Измерения проводились с помощью ИК-спек-трометра AIRS, установленного на спутнике Aqua. Космические изображения в ИК-диапазо-не позволяют проводить мониторинг положения урагана и его динамических параметров (скорости и направления движения). На рис. 2 (см. на вклейках с цветн. рис.) представлены распределения тепловых потоков для разных стадий развития урагана Katrina (показаны стрелками): фаза зарождения в регионе Багамских островов 24 августа 2005 г. (а); первая фаза усиления после магнитной бури 25 августа 2005 г. (б); фаза входа в Мексиканский залив после прохождения по п-ову Флорида 26 августа 2005 г. (в); фаза максимального развития урагана, когда он достиг 5-й категории 28 августа 2005 г. (г). Данные получены для ночных пролетов спутника Aqua в моменты времени 01:30. На рис. 2 показаны разности между измеренными потоками уходящего ИК-излучения OLR и средним семилетним уровнем, вычисленным путем обработки данных AIRS за 2002 —2008 гг.
Анализ результатов измерений, представленных на этом рисунке, показывает, что тепловой поток из верхней части урагана Katrina намного выше, чем в окружающей части атмосферы. Это свидетельствует о намного более интенсивном процессе конденсации влаги в урагане. В течение 24 августа 2005 г. (см. рис. 2а) имело место слабое усиление циклонической активности в зоне над Багамскими островами и превращение области пониженного давления в тропический циклон Katrina. Структура, обозначенная на рис. 2а стрелкой, имеет протяженный характер, а потоки тепла не превышают величины 20 Вт/м2. При
этом потоки тепла от отдельных гроз в Мексиканском заливе и на полуострове Флорида имеют значения, превышающие тепловыделение из циклона. В этот период Ка^та достигла уровня урагана 1-й категории перед соприкосновением с сушей.
Одной из возможных причин последующего усиления урагана считается магнитная буря, имевшая место 24—25 августа 2005 г. и последующее усиление конвекции, связанное с вариациями потока галактических космических лучей [23]. Об усилении урагана свидетельствует увеличение потока ОЬЯ, выявленное на распределении, полученном для 25 августа (см. рис. 2б). Здесь заметно появление концентрической структуры. После незначительного ослабления к вечеру 26 августа 2005 г. ураган вошел в воды Мексиканского залива (см. рис. 2в). Форма аномалии стала иметь более сконцентрированный характер, однако величина теплового потока из верхней
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.