ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 1, с. 104-111
УДК 551.510
ЗАТМЕННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ
© 2008 г. Г. И. Горчаков*, Е. Н. Кадыгров**, 3. В. Кортунова***, А. А. Исаков*, А. В. Карпов*, В. М. Копейкин*, Е. А. Миллер**
*Институт физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: gengor@ifaran. ru **Центральная аэрологическая обсерватория 141700 Долгопрудный Московской обл., ул. Первомайская, 3 ***ФГУ "Пятигорский ГНИИ курортологии Росздрава"
357500 Пятигорск, просп. Кирова, 30 Поступила в редакцию 09.02.2007 г., после доработки 28.09.2007 г.
Проанализировано влияние солнечного затмения на потоки солнечной радиации, метеорологические параметры, характеристики турбулентности и вертикальные профили температуры воздуха в пограничном слое атмосферы. Определены величины обусловленных затмением изменений температуры воздуха и временных задержек этих изменений по отношению к моменту наступления фазы полного затмения в приземном и пограничном слоях атмосферы. Оценено влияние солнечного затмения на турбулентную кинетическую энергию, турбулентный поток тепла, а также на дисперсию и спектральную плотность мощности пульсаций температуры воздуха. Обсуждаются вариации параметров аэрозоля и концентраций легких ионов при полном солнечном затмении.
введение
Несмотря на регулярность солнечных затмений [1], их влияние на процессы в пограничном слое атмосферы изучено явно недостаточно, в том числе воздействие затмений на вертикальное распределение температуры воздуха в пограничном слое атмосферы и режим турбулентности. Практически не исследован вопрос о влиянии солнечных затмений на атмосферный аэрозоль и электрические характеристики приземного слоя атмосферы. В настоящей работе во время полного солнечного затмения 29 марта 2006 г. [2] в г. Кисловодске выполнено экспериментальное исследование влияния затмения на потоки солнечной радиации, метеопараметры приземного слоя атмосферы и турбулентные пульсации компонент скорости ветра и температуры воздуха, вертикальные профили температуры воздуха в слое 0-600 м, а также на микрофизические параметры аэрозоля и концентрации аэроионов. Затменные эффекты сопоставлены с соответствующими внутрисуточными вариациями измеряемых характеристик.
полное солнечное затмение
29 марта 2006 г. в г. кисловодске
29 марта 2006 г. произошло первое в XXI веке полное солнечное затмение на территории России. Полоса видимости полного солнечного затмения прошла от восточного побережья Бразилии через
Атлантическии океан, западную и северную Африку, включая Нигерию, Гану и Ливию и далее через Средиземное море, Турцию, Грецию и Черное море. В России полоса полного солнечного затмения прошла через раИоны Северного Кавказа и прикаспиИские раИоны, а позже через Ал-таИскиИ краИ. На рис. 1 показана полоса полного
Рис. 1. Карта-схема полного солнечного затмения 29 марта 2006 г. в раИоне г. Кисловодска и обратные траектории переноса воздушных масс.
солнечного затмения в районе Кисловодска. Частное солнечное затмение было видно в Европе, на большей части Азии и Арктики и на Восточном побережье Южной Америки. В России частное затмение наблюдалось в Европейской части, а также в Западной и Восточной Сибири.
В г. Кисловодске солнечное затмение 29.03.2006 началось в 14:03 по местному времени и завершилось в 16:29. Фаза полного затмения длилась примерно 2.5 минуты с 15:16:31 до 15:19:03.
Метеорологические условия в г. Кисловодске 29.03.2006 были благоприятными для наблюдения солнечного затмения. В этот день г. Кисловодск находился (по данным регионального метеорологического агентства) в континентальной умеренной воздушной массе с безразличной стратификацией на юго-западной периферии антициклона. Адвекция тепла отсутствовала. В полдень примерно за час до начала затмения над г. Кисловодском наблюдались оптически тонкие перистые облака (1-2 балла). Кроме того, до полудня вблизи горизонта присутствовали кучевые облака (не более 2 баллов). К началу фазы полного затмения редкие облака (Cirrus и Altocumulus) из зоны видимости исчезли полностью. Осадков 29.03.2006 в г. Кисловодске не было. В день затмения в г. Кисловодске наблюдался относительно слабый ветер (см. ниже) южного и юго-восточного направлений. Для 28.03, 29.03 и 30.03.2006 на рис. 1 приведены также обратные траектории переноса воздушных масс на уровне 850 мб. Временной интервал между соседними точками на траекториях составляет 6 часов. Видно, что в день затмения в районе г. Кисловодска находилась воздушная масса, которая перемещалась со стороны главного Кавказского хребта.
На уровне 500 мб над г. Кисловодском располагалась передняя часть гребня, а на уровнях 700 и 850 мб - слабоградиентное поле атмосферного давления. Струйные течения и атмосферные фронты не наблюдались. В дни до и после затмения (28.03 и 30.03.2006) в г. Кисловодске существенных отличий от погоды 29.03.2006 не было.
комплексный эксперимент в г. кисловодске по исследованию
влияния солнечного затмения на характеристики нижней атмосферы
В третьей декаде марта 2006 г. в г. Кисловодске проводились комплексные измерения, направленные на выявление затменных эффектов в пограничном слое атмосферы. Измерительная аппаратура размещалась на площадке метеорологической станции Пятигорского ГНИИ курортологии Росздрава в г. Кисловодске (высота над ур. моря - 900 м). Измерения параметров аэрозо-
ля и концентраций аэроионов проводились также на территории научной станции Института физики атмосферы в г. Кисловодске (ул. Гагарина).
Первичным проявлением солнечного затмения является уменьшение потока солнечной радиации [3]. С целью контроля радиационного режима атмосферы измерялся поток суммарной коротковолновой радиации (диапазон спектра 300-3000 нм) с помощью радиометра - балансомера (пй-гаШ-ошйег) СКИ1 фирмы К1рр&7опеп (Голландия) с погрешностью ±10 Вт/м2. Подробная информация о приборе содержится на сайте фирмы-изготовителя (www.kippzonen.com).
Следовало предположить, что изменение потока нисходящей солнечной радиации при затмении сравнительно быстро проявляется в изменениях температуры подстилающей поверхности и температуры приземного слоя атмосферы [3-5]. Вариации температуры воздуха и других метеопараметров приземного слоя атмосферы контролировались с помощью акустической метеостанции "Метео-2М" [6], созданной в Институте оптики атмосферы (г. Томск). Автоматическая метеостанция "Метео-2М" позволяет регистрировать три компоненты скорости ветра (погрешность ±0.1 м/с), температуру (погрешность ±0.3°С) и относительную влажность воздуха (погрешность ±5%). Благодаря относительно высокому временному разрешению (0.1 с), метеостанция позволяет измерять турбулентные пульсации компонент скорости ветра и температуры воздуха.
Для измерения вертикального распределения температуры воздуха в пограничном слое атмосферы использовался профилемер МТП-5 (СВЧ-радиометр) [7], разработанный в Центральной аэрологической обсерватории (г. Долгопрудный Московской области). Измерения проводились в слое от 0 до 600 м над уровнем подстилающей поверхности с шагом по высоте 50 м и с временны м разрешением 5 мин. Погрешность измерения температуры не превышала ±0.5°С.
Поскольку наиболее быстро должны охлаждаться самые нижние слои атмосферы, то затмение должно приводить к повышению устойчивости этих слоев и, следовательно, проявляться через изменение режима турбулентности. Параметры турбулентности [8] определялись по данным измерений турбулентных пульсаций трех компонент скорости ветра и температуры воздуха для 15-минутных интервалов времени. В отдельных случаях расчеты проводились для более коротких и более длинных временны х интервалов.
Мы ожидали, что в однородной воздушной массе при постоянном значении абсолютной влажности вариации температуры должны приводить к изменениям относительной влажности воздуха и, в свою очередь, привести к изменению содержания воды в частицах аэрозоля и, следовательно, про-
F, Вт/м2
Время, ч:мин
Рис. 2. Вариации потока суммарной коротковолновой солнечной радиации в г. Кисловодске 29 марта 2006 г. (I, III и II - начало, окончание и фаза полного затмения).
явиться через изменение размеров частиц и их оптических свойств. В затменном эксперименте нами проводились измерения коэффициента рассеяния (для длины волны света 550 нм) с помощью малогабаритного проточного нефелометра, разработанного в Институте физики атмосферы. Погрешность определения коэффициента рассеяния составляет примерно ±10%. Временное разрешение - 1 с. Кроме того, с помощью лазерного спектрометра ЛАС-П проводились измерения (время осреднения 15 с) функции распределения частиц по размерам в диапазоне от 0.2 до 1.5 мкм (погрешность измерения счетной концентрации ±25%).
Вариации микрофизических параметров аэрозоля, обусловленные солнечным затмением, могут повлиять на электрические характеристики приземного слоя атмосферы и, в частности, привести к изменениям концентрации аэроионов [9]. В Кисловодском эксперименте были выполнены измерения концентраций отрицательных и положительных легких ионов (подвижности больше 0.4 см2В-1с-1) с помощью счетчиков ионов СИГ-МА-1 и СИГМА-2 (погрешность единичного измерения ±30%, дискретность измерений - 1.5 с). Все указанные выше измерения проводились с помощью автоматизированных систем регистрации.
обсуждение результатов эксперимента
Потоки солнечной радиации. Наиболее отчетливо солнечное затмение проявилось в изменениях потока суммарной (прямой + рассеянной) коротковолновой солнечной радиации F (рис. 2). На рис. 2 и последующих рисунках отмечены начало (I), окончание (III) и полная фаза затмения (II). В период полной фазы поток F в пределах точно-
Время, ч:мин
Рис. 3. Временная изменчивость (1) приземноИ температуры в г. Кисловодске 29 марта 2006 г. (время осреднения - 1 с) и сглаженные вариации приземноИ температуры (время осреднения 5 мин) 29.03.2006 (2) и 30.03.2006 (3). Обозначения: I, III и II - начало, окончание и фаза полного затмения.
сти измерениИ упал до нуля. Скорость изменения потока солнечноИ радиации F~1dF|dt, где г - в
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.