Введение к работе
Актуальность и состояние вопроса
В настоящее время большое внимание уделяется проблеме изменения климата на планете и поиску причин наблюдаемых изменений, с целью их дальнейшего прогнозирования. Все чаще, наряду с внутренними причинами изменчивости климатической системы (процессами взаимодействия атмосферы и океана), рассматривают и внешние по отношению к системе процессы. Внешние факторы, способные влиять на изменения климата Земли, могут быть естественного характера, связанного, в первую очередь, с влиянием Солнца, либо являться результатом хозяйственной деятельности человека. Исходя из общих соображений, можно считать, что на изменения климатической системы Земли влияют оба фактора. Оценка их вклада является актуальной и очень сложной задачей, от успешного решения которой зависит дальнейшее развитие прогностических моделей климата. Тем не менее, работы многих исследователей, придерживающихся различных точек зрения на причину глобальных изменений, сводятся к одному – установлению физических механизмов наблюдаемых изменений климата.
В последние несколько десятилетий увеличение средней температуры Земли и концентрации углекислого газа (CO2) в атмосфере Земли не вызывает сомнений. Основными стоками CO2 в атмосферу являются и Мировой океан, и суша. В то же время CO2 поступает в атмосферу, главным образом, за счет сжигания углеводородного топлива. Влияние концентрации СО2 на климат многократно рассчитывалось по математическим моделям. Отдавая должное большим успехам, достигнутым в моделировании современного климата, следует отметить, что из-за большой сложности климатической системы чувствительность математических моделей климатической системы к увеличению концентрации СО2 в атмосфере существенно завышена по сравнению с чувствительностью реальной климатической системы. Возможной причиной погрешностей модельных оценок является некорректность учета круговорота углерода в атмосфере.
При этом следует учитывать естественные факторы, в частности, Солнце – основной источник энергии на планете. Проблема влияния динамических нестационарных солнечных явлений на процессы в нижней атмосфере интересует исследователей уже более столетия. Утверждение, что природные процессы на Земле контролируются солнечной активностью, появилось еще в начале прошлого века. По мере развития представлений о физике Солнца и околоземного космического пространства проблема солнечно-земных связей приобретает все большую практическую значимость. Появление крупных международных грантов и программ по проблеме космической погоды свидетельствуют об этом. Детальное обсуждение влияния солнечной активности на различные явления метеорологического, биологического характера опубликовано в работах русского ученого А.Л. Чижевского [1, 2]. Однако в этих работах сопоставление природных явлений с солнечной активностью приводится без каких-либо статистических оценок, применяемых в современной геофизике. За последние десятилетия существенно увеличилось количество фактов, свидетельствующих в пользу реальности отклика солнечной активности в поведении характеристик тропосферы.
В связи с этим особый интерес приобретает вопрос о механизмах реализации солнечно-земных связей. Поскольку прямое энергетическое воздействие коротковолновой и корпускулярной радиации Солнца на тропосферу невозможно, идут поиски триггерных механизмов, при которых небольшие воздействия приводят к существенным изменениям природной системы. Исследования солнечно-земных связей многогранны. В области динамических процессов изучается распространение планетарных волн в атмосфере при изменении солнечной активности. Большое внимание уделяется исследованиям в области магнитных бурь и космических лучей, которые связаны с солнечной активностью и могут оказывать влияние на глобальную электрическую цепь и нижние слои атмосферы. Проводится анализ аэрозольных и малых газовых компонентов атмосферы, физиологических процессов растений при изменении уровня УФ-В-радиации и биологического эффекта вследствие активных процессов на Солнце.
Поскольку на данном этапе исследований построены только качественные, не противоречащие результатам наблюдений схемы влияния внешних факторов на изменения климата, необходимо глубокое изучение вопроса о механизмах реализации солнечно-земных связей. Разработка механизмов требует установления достоверных, физически обоснованных и значимых фактов взаимосвязи тех или иных процессов, особенно на малых временных масштабах от десятилетий до столетий.
Цель работы
Целью данной диссертационной работы является исследование динамики экстремальных температур воздуха, режима влажности, общей циркуляции атмосферы (ОЦА) и их связи с вариациями геомагнитной активности в умеренных и высоких широтах Северного полушария во второй половине 20 века.
Основные задачи исследования
-
Анализ пространственно–временной структуры долговременных вариаций экстремальных температур воздуха, характеристик влажности и общей циркуляции атмосферы Северного полушария.
-
Выявление закономерностей изменчивости характеристик атмосферы и исследование их связи с вариациями геомагнитной активности.
-
Обнаружение цикличности природных процессов на фоне глобальных климатических изменений.
Научная новизна работы
-
Выявлено подобие долговременных вариаций и трендов между геомагнитной активностью и приземной температурой в Северном полушарии в 20 веке.
-
Впервые получено, что простая линейная связь изменений температуры, удельной и относительной влажности воздуха с вариациями геомагнитной активности отсутствует на временных масштабах в несколько лет.
-
Впервые установлено, что увеличение геомагнитной активности во второй половине 20 века сопровождается ростом температуры, возрастанием содержания
водяного пара (удельной влажности) и уменьшением относительной влажности воздуха в нижней и средней тропосфере Северного полушария.
-
Впервые обнаружены наиболее чувствительные к внешнему воздействию типы атмосферной циркуляции Северного полушария.
-
Показано, что смена типов циркуляции, чувствительных к внешнему воздействию, связана с изменением уровня геомагнитной активности.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Синхронность долговременных вариаций и трендов геомагнитной активности и приземной температуры в Северном полушарии в 20 веке, свидетельствующая о том, что существенная часть изменений суточного хода температуры воздуха связана с влиянием геомагнитной активности на тропосферу в высоких широтах Северного полушария.
-
Основной причиной изменений содержания водяного пара в воздухе на межгодовых временных масштабах являются вариации температуры воздуха, обусловленные изменениями радиационного баланса, тогда как вариации относительной влажности являются следствием изменений циркуляции атмосферы под влиянием внешних факторов.
-
Во второй половине 20 века наблюдается возрастание неустойчивости циркуляции атмосферы в Северном полушарии, выраженное в более частой смене зональных и меридиональных форм циркуляции. Наиболее чувствительными к внешнему воздействию являются типы атмосферной циркуляции, особенностью которых в зимний период является формирование одного или двух континентальных антициклонов и развитие интенсивной циклонической деятельности над океанами.
Научная и практическая значимость работы
Полученные результаты значительно расширяют знания о связи динамики характеристик атмосферы с вариациями геомагнитной активности и могут быть полезны:
– при анализе причинно-следственных связей наблюдаемых климатических изменений,
– в развитии многофакторного моделирования,
– в поиске и разработке физического механизма солнечно-земных связей.
Работа выполнялась в рамках плана научно-исследовательских работ Института солнечно-земной физики СО РАН при поддержке программ Президиума РАН № 16, 30; ОНЗ РАН № 7.11.2, интеграционного проекта СО РАН № 182, грантов INTAS 2001– 0550; РФФИ № 06-05-81011-Бел_а.
Достоверность результатов диссертационной работы основана на использовании большого объема эмпирических данных наблюдений, корректном применении статистических методов, а также на адекватной оценке погрешностей математической обработки исследуемого материала. Достоверность результатов работ, включенных в диссертацию, подтверждается также их апробацией на различных российских и международных научных конференциях.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных мероприятиях:
– Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы», Томск, 2004, 2005, 2006, 2007 г.;
– Международная Байкальская молодежная научная школа по фундаментальной физике, Иркутск, 2007, 2009 г.;
– XIII Рабочая группа «Аэрозоли Сибири», Томск, 2006 г.;
– Седьмое, восьмое сибирские совещания по климато-экологическому мониторингу, Томск, 2007, 2009 г.;
– Всероссийская научная конференция «Изменяющаяся окружающая среда и устойчивое развитие регионов: новые методы и технологии исследований», Казань, 2009 г.
Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, опубликованы в 10 печатных работах.
Личный вклад автора
Автор принимала непосредственное участие в постановке рассмотренных в работе задач, самостоятельно провела статистическую обработку данных наблюдений, участвовала в интерпретации результатов.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения, списка использованных источников и Приложения. Общий объем составляет 134 страницы, 22 рисунка, 3 таблицы и 14 приложений. Библиографический список включает 201 наименование.
