Вы здесь

8. О механизмах воздействия солнечной активности на погоду

 

Каким же образом солнечная активность влияет на изменение погоды, каков механизм непосредственного воздействия активности Солнца на параметры тропосферы? Ответ на этот вопрос очень важен для составления краткосрочных (порядка суток), долгосрочных (порядка месяца) и сверхдолгосрочных (порядка года и более) прогнозов погоды, знание которой, как известно, очень существенно для организации и планирования хозяйственной деятельности человека. Однако этот вопрос является и чрезвычайно сложным, так что существующие в настоящее время ответы на него неполны, весьма разнообразны и порой противоречивы. Объяснить такую ситуацию в этой области геофизики можно, пожалуй, как многогранностью самих механизмов воздействия солнечной активности на погоду, так и тем, что к настоящему времени, несмотря на довольно обширный экспериментальный материал, устанавливающий наличие солнечно-тропосферных связей, тем не менее нет фактически еще ни одного прямого эксперимента, в котором проверялся бы тот или иной механизм воздействия.

Прежде чем переходить к рассмотрению конкретных механизмов воздействия солнечной активности, кратко остановимся на особенностях тропосферной циркуляции воздуха. Крупномасштабные движения атмосферы происходят практически в условиях равновесия сил и, по существу, без трения (выше 500 м трением можно полностью пренебречь). Равновесие достигается тем, что силы, обусловленные горизонтальными перепадами давления, уравновешиваются силами Кориолиса. (Это силы, которые действуют на тела, движущиеся во вращающейся системе координат.)

При этом движение воздуха носит круговой характер с типичными размерами в области средних широт ~1000 км. Если внутри находится область пониженного давления — циклон, то движение происходит по часовой стрелке, а если область повышенного давления — антициклон, то против часовой стрелки. Ветер направлен вдоль линий равного давления (изобар). Скорость его определяется перепадом (градиентом) давления в данном месте; типичные значения ~10 м/с. Такой ветер называется геострофическим и, по существу, определяет кинетическую энергию атмосферного образования. Энергия типичного циклона составляет ~1025 эрг. Для сравнения укажем, что такая энергия выделилась бы при взрыве нескольких тысяч водородных бомб.

В то же время отмеченная особенность циркуляции воздушных масс — движение без трения и в условиях равновесия сил — позволяет оказывать на них заметное воздействие и при существенно меньших затратах энергии. Именно так и обстоит дело в атмосфере. Изменение состояния крупных атмосферных образований определяется так называемым агеострофическим ветром, который возникает вследствие разбалансировки действующих сил. Скорости этого ветра на два порядка меньше, чем у геострофического. Однако роль его в эволюции атмосферных образований, как мы видим, является принципиальной.

Перейдем к непосредственному анализу механизмов воздействия солнечной активности на циркуляцию воздуха в тропосфере. Как мы видели, в результате поглощения на высотах от 30 до 40 км и от 7 до 12 км инфракрасного излучения, несущего основной поток энергий, выделяющейся в верхней атмосфере, происходит разогрев слоев газа в стратосфере и тропосфере. Этот разогрев глобальный, но неравномерный по географической широте, причем максимум приходится на область полярных широт. В результате такого нагрева газ расширяется и вытекает из области разогрева, что приводит к уменьшению веса столба газа, т. е. к уменьшению давления атмосферы на уровне Земли в областях разогрева. Расчет, однако, показывает, что указанный разогрев и изменение давления невелики. Так, при очень большом потоке ИК-излучения ~103 эрг/см2·с в течение суток на высотах 30—40 км атмосфера может нагреться лишь на ~1°, а на высотах 7—12 км — всего лишь на ~0,05°. Изменение давления на уровне моря составит при этом ~0,036 мб. Эта величина гораздо меньше наблюдаемых изменений, которые составляют ~1 мб/сутки.

Оказывается, однако, что это первичное возмущение давления приводит к появлению небольшого по силе, но имеющего глобальный характер ветра, являющегося добавкой к системе уже существующих ветров. Образование этого ветра связано с наличием градиента «север—юг» в первичном возмущении давления, который, в свою очередь, обусловлен большим значением потоков ИК-излучения и, следовательно, преимущественным разогревом в полярных широтах. Как показывают оценки, величина этого добавочного ветра на уровне тропопаузы может достигать ~10 см/с. По существу, такой ветер эквивалентен агеострофическому и приводит к изменению состояния атмосферных образований, в том числе к изменению давления на уровне Земли.

Расчеты показывают, что скорость изменения этого давления определяется в первую очередь зональным градиентом температуры на поверхности Земли (т. е. изменением температуры в направлении «запад—восток») и общей энергией теплового излучения, поглощенной в стратосфере и тропосфере. При этом изменения давления могут быть значительно больше, чем «первичное» возмущение давления, и достигать ~1 мб/сутки с различным знаком изменения, определяемым знаком температурного градиента «запад—восток». Оказывается, что такая модель воздействия солнечного ветра на погоду через посредство ИК-излучения верхней атмосферы позволяет объяснить ряд экспериментальных данных  и  прежде  всего средние величины и знак изменения приземного давления для различных районов Земли, найденные в работах Э. Р. Мустеля (см. рис. 7). Однако и неясностей здесь остается пока еще много.

Наряду с рассмотренным, предлагались и другие механизмы воздействия солнечной активности на погоду. Так, некоторые авторы считали, что такое воздействие осуществляется высокоэнергичными (с энергией 109 эВ) протонами, которые при вторжении в атмосферу способны достигать малых высот (~10 км). Другие считали, что механизм воздействия связан со взаимодействием возмущенной составляющей геомагнитного поля с атмосферными электрическими токами. Однако с энергетической точки зрения такие объяснения более чем проблематичны: слишком малую энергию несет возмущение. Можно отметить механизм, связанный с образованием глобальных термобарических волн, которые приводят и к изменению давления у поверхности Земли, играя роль спускового механизма. Однако здесь каких-либо надежных количественных оценок нет.

Итак, мы обсудили возможные механизмы солнечно-тропосферных связей, приводящие к короткопериодическим изменениям условий погоды. А какова природа долгопериодных связей, в частности, 11-летнего цикла? Естественно предполагать, что механизм влияния на тропосферу тот же, что и в случае действия одной солнечной вспышки, но при этом имеет место эффект «накопления» и сказывается изменение частоты активных процессов на Солнце на больших интервалах времени. Вместе с тем, при рассмотрении длительных отрезков времени необходимо учитывать, наряду с воздействием корпускулярных потоков, и возможное влияние на погоду вариаций интенсивности электромагнитного излучения Солнца.

Так, известно, что в 11-летнем солнечном цикле интенсивность ионизирующего УФ-излучения (длины волн λ<1026Å ) меняется приблизительно в 4 раза (от 2 эрг/см2·с в годы спокойного Солнца до ~8 эрг/см2·с в годы активного Солнца). Эти потоки и вариации их в общем небольшие, но вполне возможно, что здесь «работает» временной эффект накопления. Особое внимание привлекают долгопериодные вариации УФ-излучения в диапазоне длин волн 2400—2900Å, которое ответственно за фотодиссоциацию  малой  атмосферной компоненты — озона. Дело в том, что анализ содержания озона в главном озонном слое на высотах 20—25 км показал, что это содержание уменьшается в ~1,4 раза при переходе от минимума к максимуму солнечной активности в 11-летнем цикле. Оказалось, что причиной этого может быть изменение интенсивности диссоциирующего УФ-излучения, причем всего лишь на ~6%. Интересно при этом, что указанные вариации содержания О3 могут заметным образом повлиять на погодные условия. Так, например, расчет показывает, что вариации концентрации О3 приводят к изменению вертикального профиля температуры в тропосфере, причем при указанном выше увеличении концентрации в 1,4 раза средняя глобальная температура атмосферы у земной поверхности уменьшается на ~0,6°. В планетарном масштабе это климатически значимые изменения температуры. Следует при этом отметить, что изменению потока диссоциирующего УФ-излучения на 6%, приводящего к указанным вариациям температуры, соответствует изменение суммарного потока энергии от Солнца всего лишь на 0,002%.

К сожалению, сведения о вариациях солнечной радиации в ультрафиолетовом участке спектра 2400—2900Å из-за трудностей эксперимента отсутствуют. Предстоит еще выяснить этот вопрос, используя длительные, охватывающие 11-летний солнечный цикл, измерения солнечного ультрафиолетового спектра.

 

Добавить комментарий

Plain text

  • HTML-теги не обрабатываются и показываются как обычный текст
  • Адреса страниц и электронной почты автоматически преобразуются в ссылки.
  • Строки и параграфы переносятся автоматически.
CAPTCHA
Этот вопрос задается для того, чтобы выяснить, являетесь ли Вы человеком или представляете из себя автоматическую спам-рассылку.