ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 4, с. 467-482
УДК 551.558,551.596,534.221
ЭФФЕКТЫ СОЛНЕЧНЫХ ЗАТМЕНИЙ В ПРИЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЕ
© 2008 г. Л. Ф. Черногор
Харьковский национальный университет имени ВН. Каразина, 61077 Украина, г. Харьков, пл. Свободы, 4 E-mail: Leonid.F.Chernogor@univer.kharkov.ua Поступила в редакцию 09.03.2007 г., после доработки 16.08.2007 г.
Приведены результаты однотипных оптических наблюдений, анализа и сравнения динамики эффектов в приземной атмосфере, сопровождавших четыре частных затмения Солнца (ЗС) вблизи г. Харькова (Украина) 11 августа 1999 г., 31 мая 2003 г., 3 октября 2005 г. и 29 марта 2006 г. Эффекты в утреннее, околополуденное и послеполуденное время заметно отличались. ЗС сопровождались уменьшением температуры приземной атмосферы на 1.3-7.3°. Обнаружено, что при изменении максимального значения функции покрытия от 0.24 до 0.73 среднее квадратическое отклонение смещения края солнечного диска cS уменьшилось на 0.14-0.68" соответственно. Определено время развития конвекции, равное 15-16 мин. По результатам измерений статистических характеристик уровня дрожания края солнечного диска c привлечением теоретических соотношений вычислены параметры динамических процессов в приземной атмосфере и оценены параметры механической и термической турбулентности. ЗС сопровождались квазипериодическими процессами в атмосфере, скорее всего связанными с генерацией и распространением внутренних гравитационных волн.
1. ВВЕДЕНИЕ
Затмение Солнца (ЗС) дает исследователям уникальную возможность проследить за динамикой околоземной среды. В целом, полное ЗС подобно наступлению кратковременной ночи, поэтому и сопутствующие эффекты в обоих случаях отчасти подобны. Однако динамические процессы при конкретном затмении существенно зависят от времени суток, метеорологической и геофизической обстановки, от степени возмущенности Солнца и околоземной среды. Наблюдения при каждом ЗС позволяют уточнить сопутствующие физические процессы и динамику среды.
Еще с 50-60-х гг. прошлого века предпринимались попытки проследить за вариацией параметров атмосферы во время полных или частных затмений Солнца. В 70-е гг. и позднее изучение процессов, сопутствующих затмениям, существенно активизировалось. Для этого использовался, кроме астрономических, весь арсенал существовавших тогда радиофизических, а также ракетных и спутниковых методов (см. спецвыпуски [1, 2]).
В ходе исследований было установлено, что ЗС вызывает целый комплекс физических процессов в атмосфере, ионосфере и геомагнитном поле. К ним относятся: охлаждение атмосферного газа, генерация ударной волны плотности и, как результат, акустико-гравитационных волн в атмосфере, уменьшение концентрации электронов во всех областях ионосферы, уменьшение температур электронов и ионов в ионосфере и др.
Эффектам, сопутствующим ЗС, посвящено достаточно много публикаций. К новым работам следует отнести статьи [3-15]. Заметим, что подавляющее число работ посвящено эффектам в верхней атмосфере и геокосмосе. Лишь в отдельных работах описаны эффекты в приземной атмосфере (см., например, [12-15]).
Из-за сложности процессов и их многообразия уровень понимания всей картины происходящих в приземной атмосфере явлений далек от желаемого. К этому следует добавить, что полные солнечные затмения в данной местности бывают относительно редко. Поэтому задача исследования эффектов ЗС в атмосфере и геокосмосе остается актуальной.
Целью настоящей работы является изложение результатов оптических наблюдений, анализа и сравнения динамики атмосферных эффектов четырех ЗС, имевших место в разное время суток вблизи г. Харькова (Украина) 11 августа 1999 г., 31 мая 2003 г., 3 октября 2005 г. и 29 марта 2006 г.
Обсерватория, где выполнены оптические и метеорологические наблюдения, находилась в открытой ровной степи в 70 километрах на юго-восток от г. Харькова.
2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Энергетические характеристики. Все описываемые ниже ЗС были частными (табл. 1). Максимальное значение функции покрытия Солнца
А (г) = 50^/5, где ЗоЬ5,5 - площадь покрытой части
467
4*
Таблица 1. Основные данные о затмениях Солнца и атмосферных эффектах
Характеристики и параметры 11 августа 1999 г. 31 мая 2003 г. 3 октября 2005 г. 29 марта 2006 г.
Начало ЗС 09:57 02:10 08:36 10:02
Конец ЗС 12:29 04:20 10:42 12:21
Момент наступления макси- 11:13 03:10 09:38 11:12
мального покрытия
Максимальное значение 0.73 0.64 0.24 0.77
функции покрытия Солнца
Максимальное уменьшение 3.9 3.6 1.3 5.2
освещенности, разы
Средняя скорость ветра, м/с 5-6 5-6 3 - 4 4 - 5
Порывы ветра, м/с 15-16 8 6 - 8 7
Облачность Появилась после Практически Практически Присутствовала
13:00 отсутствовала отсутствовала более 80% от времени наблюдения
Максимальное значение тем- 32 20 18 14
пературы воздуха градусы
Максимальное уменьшение 7.3 2.1 1.3 2.3
га, градусы
Значение охтп, угл. секунды 0.38 ± 0.01 0.60 ± 0.01 0.58 ± 0.01 0.35 ± 0.01
Максимальное уменьшение 0.68 ± 0.03 0.30 ± 0.02 0.14 ± 0.02 -
о^, угл. секунды
Солнца и его полная площадь, не превышало 0.77, а минимальное равнялось 0.24. Освещенность поверхности Земли в моменты максимального покрытия диска Солнца уменьшалась в 1.3-5.2 раза по сравнению с фоновыми днями. Это приводило к уменьшению абсолютной температуры приземной атмосферы Та по сравнению с контрольными днями на 1.3-7.3 К в течение времени ц - 1.5 часов. Исходя из этого, оценим энергетические характеристики возмущенной приземной атмосферы. Для изменения объемной плотности внутренней
энергии газа £Т = СррЛТа имеем £Т - 0.5 х 103-4.5 х х 103 Дж/м3. Здесь Ср - 103 Дж/(кг К) - теплоемкость газа при постоянном давлении, р - 1.3 кг/м3 -плотность приземного воздуха, ЛТа - ЛТа/2 -- 0.7-3.6 К - среднее изменение Та за время г0. Такому значению £Т соответствует изменение удельной мощности рТ = еТД0 - 0.2-1 Вт/м3. Полученное значение £Т близко к изменению удельной энергии движения газа в циклоне (антициклоне). В то же время рТ~ 0.2-1 Вт/м3 на 1-2 порядка превышает изменение удельной мощности движения газа в циклоне и соизмерима с аналогичной характеристикой для ураганов (тайфунов) и шквалов.
Оценим уменьшение внутренней энергии Еа приземной атмосферы и соответствующую мощность Ра. Для этого вначале вычислим объем Уа газа в области частного ЗС. При длине этой зоны
Ц - 10000 км, ее ширине около 4000 км (по уровню А - 0.6) имеем площадь частично затененной атмосферы 8а - 4 х 1013 м2. Высотный масштаб убывания возмущений Та порядка Ц = (К/0/2)1/2, где Кг - коэффициент турбулентного обмена. При типичном значении Кг = 1 м2/с имеем Ц - 50 м. Тогда Уа = 2 х 1015 м3. При этом Еа - 2 х 1018-1019 Дж, Ра - 4 х 1014-2 х 1015 Вт. Полученное значение Еа близко к энергии циклона. Величина Ра на 1-2 порядка превышает мощность, потребляемую человечеством в настоящее время (около 2 х 1013 Вт).
В озоносфере (средняя высота г - 45 км) значение р - 10-3 кг/м3, а вертикальный масштаб близок к 10 км. Тогда при ЛТа - 1 К приведенные выше удельные энергетические характеристики для озоносферы будут на 3 порядка меньше. Значение Еа - 4 х 1017 Дж, Ра - 8 х 1013 Вт.
В начале термосферы р - 10-7-10-6 кг/м2, ЛТа - 10 К и соответствующие удельные энергетические характеристики на 5-7 порядков меньше, чем эти же характеристики в приземной атмосфере. Поскольку вертикальный масштаб порядка 10 км, Еа - 4 х 1014-4 х 1015 Дж и Ра - 8 х х 1010-8 х 1011 Вт.
Таким образом, ЗС приводят к существенным изменениям энергетики физических процессов
в атмосфере, вызывая их перестройку. Изучению некоторых из этих процессов и посвящена настоящая работа.
Функция покрытия Солнца. Освещенность поверхности Земли. Для описания освещенности поверхности Земли положим:
Ee( t) = Ee (0)(1- A (t)) cos x, (1)
где Ee(0) = Ee (x = 0), x = X(t) - зенитный угол. Освещенность достигает максимального значения EE при Xmin, который при фиксированной широте зависит от времени года.
При более точном описании в выражении (1)
A (t) следует заменить на A(t), которая учитывает распределение яркости по диску Солнца. Учет последнего осуществлялся при помощи безразмерной функции
i(r) = I + (1 - Мю)(1 - r2),
где r - безразмерное расстояние до данной точки на диске Солнца от его центра, |0 = 0.46 - коэффициент [17]. Связь между A(t) и A (t) следующая:
A (t) = A (t )■ i (r),
где 0 < r < 1. При равномерном распределении
очевидно, что |0 = 1, а A(t) = A (t). Заметим, что
различие между функциями A(t) и A (t) может быть существенным, особенно на последних стадиях покрытия Солнца или при его незначительном затенении.
Метеорологическая обстановка. Состояние погоды, существенное для оптических наблюдений, было следующим (см. также табл. 1).
Утром 11 августа 1999 г. до 05:00 (здесь и далее время мировое - UT) дул слабый восточный ветер. Затем его направление изменилось на юго-западное. В атмосфере отмечалась слабая дымка. Около 09:00 появились конвективные облака. К 10:00 ветер значительно усилился, большая часть неба была покрыта облаками. В 10:40 ветер достиг максимальной силы (u ~ 15 м/с). При сильных порывах ветра отмечалось дрожание телескопа с частотой около 8 Гц. В 11:00 ветер существенно ослабел, облака начали "рассыпаться", "таять", превращаться в дымку и исчезать. К моменту максимальной фазы ЗС облака полностью исчезли и прекратился ветер. Температура воздуха на высоте 2 м уменьшилась почти на 7.3°. Около 12:00 началось усиление ветра, появились небольшие облака. Примерно в 13:00 небо покрылось хорошо развитыми кучевыми облаками.
В течение всего времени наблюдения утром 31 мая 2003 г. небо было практически безоблачным. Примерно до 03:00 ветер отсутствовал, после 03:00 скорость юго-западного ветра посте-
пенно увеличивалась, и к 06:00 его скорость достигла 5-6 м/с. Эпизодически (в интервалах времени 03:30-04:20 и 05:30-06:00) отмечались порывы ветра со скоростью до 8 м/с.
Днем 3 октября 2005 г. небо было безоблачным, скорость северо-западного ветра обычно не превышала 3-4 м/с. Некоторое усиление ветра имело место примерно в 07:30 и в интерв
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.