”Воздействие солнечных и межпланетных факторов на атмосферу и климат Земли ” Касаткина Елена Алексеевна

Содержание к диссертации

Введение

1. Феноменологические особенности изменений в газовом составе атмосферы высоких широт под действием космических лучей 21

1.1. Фотохимия разрушения озона 25

1.2. Солнечные космические лучи и озонные «минидыры» 28

1.3. Особенности широтного распределения и эффект северо-южной асимметрии в появлении озонных «минидыр», вызванных GLE 33

1.4. Вопросы применимости фотохимической теории для оценки воздействия протонных вспышек на озон 45

1.5. Вариации двуокиси азота, вызванные вторжением солнечных протонов в атмосферу высоких широт 52

1.6. О воздействии форбуш-понижений ГКЛ на озоновый слой 58

1.7. Выводы 64

2. Воздействие солнечных и галактических космических лучей на содержание аэрозолей в высокоширотной атмосфере 66

2.1. Воздействие СКЛ на аэрозольный слой высокоширотной атмосферы: данные экспериментальных наблюдений 66

2.2. Моделирование воздействия СКЛ на концентрацию аэрозолей в высоких широтах и механизм ионной нуклеации 69

2.3. Изучение вариаций космических лучей по данным о кислотности в полярных льдах 72

2.4. Выводы 75

3. Космофизическая обусловленность изменений электрических параметров атмосферы высоких широт 77

3.1. Высокоширотный автоматизированный комплекс для исследования атмосферных изменений интегрированными методами 78

3.2. Спектральные характеристики вариаций атмосферного давления и электрического поля при экстремальных погодных условиях в высоких широтах 84

3.3. Происхождение электрического поля Земли

3.4. Суточные вариации атмосферного электрического поля и магнитосферные эффекты 96

3.5. Эффекты СКЛ в вариациях атмосферного электрического поля 103

3.6. Эффекты форбуш-понижений ГКЛ в вариациях атмосферного электрического поля высоких широт 116

3.7. Выводы 118

4. Инфразвуковые волны как один из каналов передачи энергии в полярной атмосфере 121

4.1. Два типа атмосферных волн (акустические и гравитационные) 121

4.2. Вариации атмосферного давления в области подветренных волн вблизи горного массива Хибины 124

4.3. Вариации приземного озона, вызванные генерацией подветренных волн в арктических горах (арх. Шпицберген) 127

4.4. Регистрация инфразвукового сигнала от взрыва Витимского болида 24 сентября 2002 г. 138

4.5. Выводы 143

5. Космофизические аспекты климатических изменений 144

5.1. Роль солнечной активности и антропогенных факторов в изменениях климата. Глобальный и региональный аспекты 144

5.2. Возможные механизмы воздействия космофизических агентов на климат 152

5.3. Пространственно-частотные закономерности проявлений солнечной активности в атмосфере Северной Атлантики и Европы 157

5.4. Космофизическая обусловленность 20-22-летней периодичности в климатических вариациях 165

5.5. Выводы 171

6. Применение дендрохронологического анализа для решения некоторых проблем палеоастрофизики 173

6.1. Дендрохронологический метод и полуавтоматический измерительный комплекс для обработки древесно-кольцевых хронологий 173

6.2. Региональные особенности климатических изменений на Кольском полуострове по дендрохронологическим данным 179

6.3. Палеоклиматический потенциал можжевельника Juniperus sibirica на Кольском полуострове 186

6.4. Климатические последствия вулканических извержений 195

6.5. Последствия мощных вулканических извержений по палеоклиматическим данным Кольского п-ова 198

6.6. Использование дендрохронологического метода для решения некоторых проблем палеоастрофизики 205

6.7. Выводы 215

• Особенности широтного распределения и эффект северо-южной асимметрии в появлении озонных «минидыр», вызванных GLE
• Моделирование воздействия СКЛ на концентрацию аэрозолей в высоких широтах и механизм ионной нуклеации
• Происхождение электрического поля Земли
• Вариации приземного озона, вызванные генерацией подветренных волн в арктических горах (арх. Шпицберген)

Введение к работе

Актуальность темы

Изучение физических процессов и явлений, протекающих на Солнце и в
околоземном космическом пространстве, а также их экологических аспектов, является
чрезвычайно актуальным для решения многих проблем физики Солнца, астрофизики,
астроэкологии, геофизики, климатологии, метеорологии, дендрохронологии,

биофизики. Процессы, происходящие в ближнем космосе, оказывают существенное влияние на атмосферу и климат Земли, радиосвязь, спутниковые навигационные системы, биосферу, а также непосредственно на жизнедеятельность и здоровье человека.

Солнце, являясь основным источником энергии, поступающей на Землю, играет решающую роль в поддержании физических условий существования жизни на Земле – среде обитания человека.

Сама проблема солнечно-земных связей (или проблема «космической погоды и климата») имеет многолетнюю историю. В ХХ столетии большой вклад в исследования в данной области внес выдающийся русский ученый А.Л. Чижевский [1976]. Затем в течение длительного периода данной проблеме не уделялось достаточного внимания. Одной из основных причин такого положения явилось отсутствие ясного физического механизма, а также, видимо, то обстоятельство, что воздействие космофизических агентов на атмосферу и климат носит нелинейный и многофакторный характер, поэтому поиск простых корреляционных связей в солнечно-земных взаимодействиях не всегда приводил к успеху. Недооценка роли естественных факторов в изменениях окружающей среды способствовала возникновению и последующему доминированию целого ряда научных теорий, объясняющих глобальные изменения окружающей среды (озонная «дыра», «глобальное потепление»), исключительно только действием

4 антропогенных источников, в частности, выбросом в атмосферу продуктов жизнедеятельности человека (фреонов, парниковых газов – СО₂, СH₄ и др.). Следствием такого подхода явилось принятие рядом стран целого комплекса решений на международном и межправительственном уровне, например, подписание Киотского международного протокола в 1997г., ограничивающего потребление энергии и выброс в атмосферу парниковых газов. Киотский протокол был ратифицирован 161 страной мира, в том числе и Россией, и вступил в силу 16 февраля 2005 г.

Лишь в последние двадцать лет научное сообщество вплотную приблизилось к пониманию того, что на атмосферу и климат, наряду с антропогенными факторами, воздействует целый ряд плохо изученных внешних агентов естественного, в том числе и внеземного происхождения. Причем, воздействие естественных (не антропогенных) факторов во многих случаях является более существенным, а результаты этого воздействия – катастрофическими. Например, из палеоклиматических реконструкций известно, что концентрация «парниковых» газов достигала максимальной величины в периоды межледниковья, аналогичные современной эпохе [Petit et al., 1999]. Что же касается температурных изменений, то, согласно палеоклиматическим исследованиям, глобальное потепление, наблюдавшееся с конца прошлого века, не является чем-то экстраординарным, и климат нашей планеты уже испытывал более высокие значения температуры около 1000 лет назад, во время так называемого «средневекового климатического оптимума» (900 – 1300 гг.) [Клименко и др., 2001; Keigwin, 1996; Soon, Baliunas, 2003]. В этой связи особенно возрастает роль палеоклиматических, в частности, дендроклиматических исследований в высоких широтах, где реакция экосистем на климатические изменения проявляется наиболее ярко. Важность таких исследований определяется также тем фактом, что современное изменение климата имеет сложную региональную структуру. Наиболее значительные различия в региональных климатических вариациях наблюдались за последние 30-40 лет в Арктике [Анисимов, Белолуцкая, 2003; Overpeck et al., 1997]. Корреляционные связи между явлениями солнечной активности и атмосферными и климатическими параметрами также имеют характер пространственно-временной неустойчивости. Изучение высокоширотных палеоклиматических данных в связи с внешними факторами позволит оценить относительный вклад солнечной и антропогенной составляющей в современные и будущие изменения глобального и регионального климата.

Отметим, что в настоящее время активно дискутируется вопрос о неэффективности использования методов Киотского протокола для сохранения

5
климата на современном уровне [Израэль, 2005; Сrutzen, 2006]. В связи с этим, в
последние несколько лет заметно возрос интерес к контролируемому

компенсирующему воздействию на климат за счет эмиссий сульфатных аэрозолей в стратосферу, получившему название геоинженерии [Сrutzen, 2006; Eliseev, Mokhov, 2011]. Такое контролируемое воздействие на климат допустимо только в том случае, если его возможные побочные эффекты (например, изменения в продуктивности растительности, уменьшение озонового слоя) достаточно хорошо изучены. Природным аналогом такого воздействия могут рассматриваться вулканические извержения, а также мощные солнечные протонные события класса GLE (Ground Level Events) [Касаткина и др., 1999; Shumilov, Kasatkina et al., 1996; Kasatkina, Shumilov, 2005; Shumilov, Kasatkina et al., 2011] и вторжение в атмосферу малых небесных тел (комет).

Открытие в 1985 г. озонной «дыры» (понижения общего содержания озона (ОСО) над Антарктидой) привело к подписанию в 1987 г. Монреальского протокола, согласно которому основные изменения в озоновом слое вызваны увеличением выбросов техногенных фреонов или хлорфторуглеродов (ХФУ) в атмосферу. Решениями протокола дальнейшее производство ХФУ было запрещено и практически свёрнуто во всём мире к 2000 г. При этом роль естественных факторов в изменениях ОСО была проигнорирована. Потенциальная опасность уменьшения ОСО связана с его способностью поглощения ультрафиолетового излучения Солнца в УФ-Б диапазоне (280-315 нм). Известно, что уменьшение ОСО на 10% приводит к увеличению потока УФ-Б на 20%, что, в свою очередь, может привести к существенному увеличению числа случаев немеланомного рака кожи, возрастанию количества катаракт и некоторых заболеваний, связанных с ослаблением иммунной системы человека [Перов, Крученицкий, 1996; Зуев, 2006]. Понижение ОСО может также привести к гибели некоторых микроорганизмов, в частности, фитопланктона и зоопланктона, составляющих основу трофической цепочки пресноводных и морских экосистем [Smith et al., 1992; Williamson, 1996]. Увеличение УФ-Б может вызвать также изменения в годичном росте деревьев, падение урожайности культурных и дикорастущих растений [Зуев, 2006]. Актуальность изучения озонового слоя диктуется также той ролью, которую играет озон в радиационном балансе планеты и в формировании температурных изменений в стратосфере.

Изучение состояния озонового слоя в Арктике, где его роль для жизнедеятельности человека значительно возрастает, является актуальной задачей современных исследований в полярных областях. Отметим, что изучению чувствительности высокоширотной атмосферы к внешним воздействиям естественного

6 происхождения не уделялось достаточного внимания.

В настоящее время в качестве основных космофизических факторов, влияющих на атмосферу и климат, рассматриваются солнечная радиация (включая волновой УФ-диапазон) [Веретененко, Пудовкин, 1998; Lean et al., 1995; Haigh, 1996] и вариации солнечных (СКЛ) и галактических (ГКЛ) космических лучей, промодулированные изменениями межпланетного магнитного поля [Веретененко, Пудовкин, 1994; Касаткина и др., 1999; Лапшин и др., 2013; Shumilov, Kasatkina et al., 1996; Svensmark, Friis-Christensen, 1997; Tinsley, 2000; Carslaw et al., 2002; Kasatkina, Shumilov, 2005; Veretenenko, Thjel, 2005; Troshichev et al., 2008]. В качестве основных механизмов рассматриваются механизмы «триггерного» воздействия, т.е. воздействия на систему достаточно слабого сигнала, приводящего к выделению большого количества энергии. (Известно, что энергия, приходящаяся на изменчивую часть солнечного спектра, очень мала по сравнению со средней энергией атмосферных процессов). В некоторых механизмах обмен энергией между различными слоями атмосферы осуществляется при помощи внутренних атмосферных волн широкого спектра (от акустико-гравитационных до планетарных), благодаря их способности распространяться на значительные расстояния от источника. Введение «триггерных» механизмов позволило решить вопросы, связанные с энергетикой взаимодействий в проблеме влияния солнечной активности на погоду и климат. Одним из недостатков предлагаемых механизмов является то, что они плохо разработаны в количественном отношении. В частности, при разработке таких механизмов следует учитывать то обстоятельство, что мощные вулканические извержения, приводящие к значительным и длительным изменениям аэрозольной концентрации в атмосфере, также могут оказывать значительное воздействие на характер солнечно-атмосферных связей.

Среди других внешних воздействий на атмосферные параметры и климат Земли, по-видимому, следует учитывать и межпланетные факторы (космическая пыль, кометы, метеориты). По некоторым оценкам приток космического вещества на Землю может достигать величины 10⁹ т/год и даже выше [Frank et al., 1986]. Столкновение с Землей относительно больших астероидов и комет рассматривается в качестве одной из основных опасностей, угрожающих человечеству [Боярчук, 1999; Аткинсон, 2001]. Степень воздействия на окружающую среду зависит от размера падающих небесных тел. Гигантский астероид диаметром 10 км упал на Землю 65 миллионов лет назад, что привело к глобальной катастрофе и, по-видимому, к массовой гибели динозавров [Аткинсон, 2001]. Падение на Землю космического объекта диаметром более 500м вызвало резкое похолодание и последовавший за этим голод в 536-540 гг. [Baillie, 1994;

7 Rigby et al., 2004]. Столкновение с Землей небесного тела размером 50м в диаметре может привести к уничтожению практически всего живого на территории площадью до 2000 км², как это произошло во время Тунгусской катастрофы 30 июня 1908 г. [Nesvetailo, 1998; Vasilyev, 1998]. Актуальность исследований в этом направлении, наряду с проблемой астероидно-кометной опасности, привела к созданию ряда международных космических программ.

Работа представляет собой результаты многолетних (более 15 лет) исследований автора по воздействиям различных внешних агентов (солнечная активность, космические лучи, вулканические извержения) на атмосферу и климат высоких широт.

Цель и задачи

Целью работы является решение междисциплинарной проблемы воздействия солнечных и межпланетных факторов на атмосферу и климат Земли. Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи.

1. Изучить эффективность воздействия солнечных космических лучей на
озоновый слой Земли.

2. Исследовать условия применимости газофазных фотохимических моделей для
количественного описания изменений в газовых составляющих высокоширотной
атмосферы, наблюдаемых во время солнечных протонных событий.

3. Разработать модель для описания увеличения концентрации аэрозолей и
образования озонных «минидыр», стимулированных высыпанием солнечных протонов
в высоких широтах. Провести оценку адекватности модели на основе сопоставления
расчетов с экспериментом.

4. Исследовать, используя интегрированные методы наблюдений,
кратковременные вариации атмосферных параметров (атмосферного давления и
вертикальной компоненты электрического поля) с целью разделения источников таких
изменений, имеющих внеземное происхождение (солнечные вспышки, корональные
выбросы массы, вариации СКЛ и ГКЛ, геомагнитные возмущения) от процессов
метеорологического характера (гроза, дождь, туман, метель и др.).

1. Изучить пространственно-частотные закономерности проявлений солнечной активности в атмосфере системы Северная Атлантика – Европа.

2. Разработать концепции, методику и программное обеспечение для обработки дендрохронологических образцов (сосна, ель, можжевельник) с целью создания банка долговременных древесно-кольцевых палеоклиматических хронологий Кольского п-ова для изучения современных и прогнозирования будущих глобальных и

8 региональных изменений климата.

7. По дендрохронологическим данным Кольского п-ова изучить реакцию древесного прироста на глобальные и региональные изменения климата и их связь с вариациями солнечной и вулканической активности.

8. Изучить возможности применения дендрохронологического метода для решения некоторых проблем палеоастрофизики, в частности астероидно-кометной опасности: получение информации о столкновениях с Землей небесных тел в прошлом и их воздействии на атмосферу и климат (например, Тунгусская катастрофа).

Научная новизна

Впервые обнаружены озонные «минидыры» (кратковременные понижения ОСО более 15%), возникающие при вторжении в атмосферу релятивистских солнечных протонов во время мощных солнечных протонных событий типа GLE (Ground Level Events). В этом случае высокоэнергичная часть СКЛ (E>450МэВ) проникает глубоко в атмосферу, проходя через максимум озонового слоя (~20 км) и регистрируется сетью нейтронных мониторов на поверхности Земли. В результате исследования пространственного распределения озонных «минидыр», инициированных событиями СКЛ, показано, что понижения ОСО образуются местной весной и сосредоточены в кольцевых зонах, окружающих полярные шапки. Обнаруженный эффект позволит оценить вклад атмосферных высыпаний релятивистских солнечных протонов в современные и будущие изменения озонового слоя в полярных областях.

Впервые экспериментально обнаружено увеличение общего содержания NO₂ в высоких широтах, вызванное солнечным протонным событием типа GLE 2 мая 1998 года. Результаты модельных расчётов увеличения NO₂ показали достаточно хорошее совпадение с экспериментом.

Показано, что образование озонных “минидыр” во время событий СКЛ, равно как и увеличения ОСО после Форбуш-понижений ГКЛ, нельзя объяснить в рамках обычной гомогенной фотохимической теории.

Впервые разработана модель на основе механизма ионной нуклеации адекватно описывающая наблюдаемые увеличения концентрации аэрозолей и образования озонных «минидыр», стимулированных высыпанием высокоэнергичных солнечных протонов, являющихся аналогом ГКЛ, в высоких широтах. При сопоставлении модельных расчетов с экспериментом выявлено, что солнечные релятивистские протоны могут приводить к увеличению аэрозольного слоя и образованию озонных «минидыр» лишь при выполнении некоторых необходимых условий: соответствующие

9 значения атмосферных параметров ([H₂SO₄], температура, влажность, атмосферное давление); а также особенности спектров вторгающихся частиц. Включение атмосферных эффектов СКЛ и ГКЛ позволит усовершенствовать и развить существующие численные модели глобальной атмосферы и климата.

В результате применения интегрированных методов измерений атмосферных параметров в высокоширотной зоне при помощи созданного оригинального экспериментального комплекса (ВКИАВЭ) впервые показано, что в условиях нарушенной погоды (дождь, туман, гроза) спектральные характеристики вариаций давления и атмосферного электрического поля меняются практически синхронно. Полученные результаты указывают на необходимость исследования изменений атмосферных параметров в высокоширотной зоне при помощи интегрированных методов наблюдений. Этот подход позволяет приблизиться к пониманию физических процессов в высокоширотной атмосфере и природы источников их вызывающих.

Впервые в России по данным наземных измерений зафиксирован акустико-гравитационный сигнал в диапазоне частот 0.0001 - 1 Гц с максимумом амплитуды АР=45 дн/см² от взрыва в атмосфере Витимского болида 24 сентября 2002 г. на расстоянии 4000 км от источника. Данное событие подтверждает полученные ранее факты о том, что яркие болиды большой массы могут создать мощной импульсное излучение акустико-гравитационных волн в атмосфере Земли, которое может быть зафиксировано микробарографами на расстоянии нескольких тысяч километров от источника.

Впервые выдвинута гипотеза, что 20-22-летняя периодичность, наблюдаемая в вариациях различных климатических параметров практически повсеместно, связана с увеличением количества космической пыли внутри солнечной системы вследствие ослабления величины магнитного поля Солнца при смене знака во время солнечных максимумов.

При обработке древесно-кольцевых хронологий Кольского п-ова также получен ряд новых результатов. Впервые в одном из труднодоступных районов Кольского п-ова (северо-восточная часть, р-н Кейвы) обнаружены реликтовые образцы можжевельника (Juniperus Sibirica), некоторые из них имеют возраст около 700 лет. Созданный нами комплекс для подсчета и измерения ширины годичных колец позволил использовать найденные образцы можжевельника для получения 677-летней древесно-кольцевой хронологии. Впервые получены самые длинные древесно-кольцевые хронологии по сосне Pinus sylvestris для горного массива Хибины (448 лет) и для всего Кольского п-ова (561 год). Выявлена хорошая корреляция интенсивности прироста ширины

10
годичных колец можжевельника с климатическими вариациями в Европе и вариациями
солнечной активности: отчетливо проявились эффекты Маундеровского,

Шпереровского и Дальтоновского минимумов солнечной активности в

соответствующих депрессиях радиального прироста. В результате спектрального и вейвлет-анализа дендрохронологических серий выявлены периодичности, близкие к основным циклам солнечной активности (11 лет, 22 года, 80-100 лет). При исследовании обработанных древесно-кольцевых хронологий не обнаружено какого-либо значительного потепления климата в ХХ веке в данном регионе. Проведенный анализ палеоклиматических данных позволил выявить региональные особенности климатических вариаций на протяжении последнего тысячелетия, а также их связь с вариациями солнечной и вулканической активности. Полученные результаты позволяют оценить относительный вклад солнечной и антропогенной составляющей в современные и будущие изменения глобального и регионального климата.

Впервые выявлены особенности воздействия наиболее мощных (VEI5) вулканических извержений на региональный климат Мурманской области по дендрохронологическим данным Кольского п-ова за период, превышающий 560 лет. Показано, что наблюдается существенное понижение древесного прироста, в среднем, в течение 8 лет после извержений вулканов в экваториальных областях, после чего происходит его восстановление до нормального уровня. Полученный результат указывает на то, что при разработке механизмов воздействия солнечной активности на атмосферу и климат следует учитывать, что мощные вулканические извержения, приводящие к значительным и длительным изменениям аэрозольной концентрации в атмосфере, также могут оказывать значительное воздействие на характер солнечно-атмосферных связей.

Впервые обнаружены новые эффекты воздействия межпланетных факторов на окружающую среду. По данным дендрохронологического анализа впервые показано, что ускоренный рост деревьев, наблюдавшийся, как сообщалось ранее, после взрыва Тунгусского болида 30 июня 1908 г. в зоне катастрофы (около 2000 км²), на самом деле охватывает огромную территорию площадью около 2.5 млн.км.² Данный результат свидетельствует о том, что экологические последствия падения на Землю небесных тел (комет и астероидов) могут быть гораздо более значительными, чем считалось ранее.

Полученные результаты открывают новые возможности применения

дендрохронологического метода для решения проблем палеоастрофизики, в частности, астероидно-кометной опасности (каталогизация событий, оценка траектории и зоны воздействия и др.), а также для изучения и оценки возможных побочных эффектов

11 применения некоторых методов геоинженерии, связанных с эмиссией аэрозолей в атмосферу.

В целом полученные результаты позволяют наметить новые направления и
методы научных исследований, такие, например, как применение

дендрохронологического метода для решения некоторых проблем климатологии, геоинженерии и палеоастрофизики.

Научная и практическая ценность работы состоит в получении большого количества новых фактов и закономерностей, способствующих решению важной междисциплинарной проблемы воздействия космофизических агентов на атмосферу, озоновый слой и климат Земли, выявлении во многих случаях определяющей роли этих факторов, а также в разработке механизмов и количественных оценок такого воздействия. Особенности работы над решением данной научной проблемы состояли в необходимости учета нелинейного характера многих рассматриваемых физических процессов, а также в необходимости дополнения ряда имеющихся экспериментальных данных собственными (в ряде случаев полевыми) измерениями.

Отметим ряд результатов, полученных в работе, которые представляет практическую ценность, а также позволяют наметить новые направления и методы научных исследований.. А именно:

1) Очевидную научную ценность представляет разработанная на основе механизма ионной нуклеации модель, адекватно эксперименту описывающая образование озоных «минидыр» в высокоширотной атмосфере во время событий СКЛ. В отличие от газофазных фотохимических теорий, применявшихся ранее, предлагаемая модель позволяет не только учитывать высокоэнергичную часть спектров солнечных протонов, но также является концептуально новым подходом к решению крупной научной проблемы количественного описания воздействия релятивистских солнечных протонов на озоновый слой в высоких широтах. Включение атмосферных эффектов СКЛ и ГКЛ позволит усовершенствовать и развить существующие численные модели глобальной атмосферы и климата. Созданная модель может также быть использована при прогнозе климатических изменений, а также в области геоинженерии при оценке побочных эффектов контролируемого воздествия на климат, например, образование аэрозолей и понижений ОСО. Данная модель, а также способность СКЛ приводить к увеличению сульфатных аэрозолей могут являться основанием для введения новой методики определения вариаций СКЛ и ГКЛ в прошлом по индексу кислотности полярного льда, который использовался ранее только для идентификации

12 вулканических извержений в прошлом [Hammer et al., 1980]. Введение этой методики может явиться важным дополнением к уже существующему методу определения характеристик различных астрофизических явлений в прошлом по содержанию нитратов в полярных льдах [Гладышева, Дрешхофф, 1997; McCracken et al., 2001].

2) Обнаруженные закономерности в пространственном распрелелении
понижений ОСО, связанных с событиями СКЛ позволят оценить вклад атмосферных
высыпаний релятивистских солнечных протонов в современные и будущие изменения
озонового слоя в полярных областях. В частности, возможно их использование для
разделения естественных и антропогенных факторов при образовании резких
понижений озона в высоких широтах, без чего невозможен никакой более или менее
достоверный прогноз развития озонной «дыры» в Антарктиде, а также планирование
хозяйственной деятельности человека в полярных областяхю

3) Применение интегрированных методов наблюдения может быть использовано
для выделения и идентификации различных источников возмущения физических
параметров атмосферы (атмосферное электрическое поле, электропроводность воздуха,
атмосферные волны), как относящихся к экстремальным факторам «космической
погоды» (солнечные вспышки, корональные выбросы массы, события СКЛ, Форбуш-
понижения ГКЛ), так и носящих метеорологический характер.

4) Разработанный полуавтоматический измерительный комплекс с
соответствующим программным обеспечением может быть использован для подсчета и
измерения ширины годичных колец с целью получения палеоклиматической
информации.

5) Полученные региональные палеоклиматические данные могут быть
использованы для восстановления климатических вариаций в Евро-Арктическом
регионе за последние 700 лет, а также для оценки относительного вклада солнечной и
антропогенной составляющей в современные и будущие изменения глобального и
регионального климата.

6) ) Палеоклиматические хронологии Кольского п-ова могут быть использованы
для каталогизации мощных вулканических извержений в прошлом, исследования
региональных климатических и экологических последствий мощных вулканических
извержений в этом стратегически важном для России в хозяйственно-экономическом
отношении регионе, а также для оценки эффективности и возможных побочных
эффектов контролируемого воздействия на климат за счет стратосферных эмиссий
сульфатных аэрозолей.

13 7) Результат о последствиях Тунгусской катастрофы впервые показал, что зона воздействия на лесные экосистемы охватывает огромную территорию площадью около 2.5 млн. км.² (в 1000 раз большую, чем считалось ранее). В связи с этим, полученный результат открывает новые возможности применения дендрохронологического метода для изучения климатических и экологических последствий падения на Землю небесных тел (комет и метеоритов) и каталогизации таких событий, а также для решения других проблем астероидно-кометной опасности (каталогизация событий, оценка траектории и зоны воздействия и др.).

Реализация результатов

Полученные результаты использовались при выполнении работ по следующим темам НИР: ПГИ КНЦ РАН «Воздействие гелиогеофизичеких факторов на атмосферу и климат высоких широт» (№ ГР 01.200.2 12243); ИППЭС КНЦ РАН «Воздействие внешних гелиогеофизических и антропогенных факторов на климат и биосферу высоких и средних широт» (№ ГР 0120.050 1084).

На защиту выносятся следующие положения:

1. Закономерности в образовании и пространственном распределении
обнаруженных впервые озонных «минидыр», вызванных солнечными протонами
релятивистских энергий: установлено, что озонные «минидыры», сопровождающие
события СКЛ, образуются местной весной и сосредоточены в кольцевых зонах,
окружающих полярные шапки. Обнаруженный эффект не связан с явлением северо
южной асимметрии в проникновении солнечных протонов в полярные шапки двух
полушарий и обусловлен метеорологическими факторами сезонного характера.
Расчеты, выполненные с использованием фотохимической модели, показали, что
образование озонных “минидыр” во время протонных событий типа GLE нельзя
объяснить в рамках обычной гомогенной фотохимической теории.

2. Модель, позволяющая на основе процессов ионизации, ионной нуклеации и
гетерогенной химии рассчитывать образование дополнительного количества
сульфатных аэрозолей при вторжении в атмосферу релятивистских солнечных
протонов, адекватно эксперименту описывающая образование открытых нами озонных
«минидыр» во время событий СКЛ. Адекватность разработанной модели эксперименту
показана на примере нескольких событий GLE. При сопоставлении модельных
расчетов с результатами экспериментальных измерений показано, что только
протонные события типа GLE средней мощности могут приводить к значительным

14 увеличениям аэрозольной концентрации и, как следствие, образованию озонных «минидыр» в высоких широтах.

3. Создание банка палеоклиматическх (дендрохронологических) данных по Кольскому п-ову для изучения цикличности климатических вариаций в Евро-Арктическом регионе. Банк включает несколько самых длинных хронологий: 677-летняя хронология по реликтовым (возрастом около 600 лет) образцам можжевельника сибирского (Juniperus sibirica), самая продолжительная (561 год) серия по сосне (Pirtus sylvestris) для Кольского п-ова, самая длинная (448 лет) древесно-кольцевая хронология по сосне для Хибинских гор. Региональные палеоклиматические данные могут быть использованы для восстановления климатических вариаций в Евро-Арктическом регионе за последние 700 лет, а также для прогнозирования будущих глобальных и региональных изменений климата.

4. Обнаружение эффектов минимумов солнечной активности Шперера (1416-1534), Маундера (1645-1715) и Дальтона (1801-1816), которые вызвали похолодания и уменьшения радиального прироста. Выявленные при помощи спектрального и вейвлет-анализа в древесно-кольцевых хронологиях Кольского п-ова периодичности 11.7, 20-22, 30-33 и 80-90 лет, соответствующие основным циклам солнечной активности. Полученные результаты позволят оценить вклад вариаций солнечной активности в современные и будущие изменения глобального и регионального климата.

5. Впервые выявленные особенности воздействия наиболее мощных (VEI5) вулканических извержений на региональный климат Евро-Арктической зоны по палеоклиматическим данным за период, превышающий 560 лет. Показано, что наблюдается существенное снижение древесного прироста, в среднем, в течение 8 лет после начала извержения.

6. Впервые обнаружены новые эффекты воздействия межпланетных факторов на
окружающую среду. По дендрохронологическим данным обнаружено аномальное
увеличение роста деревьев после взрыва Тунгусского болида 30 июня 1908 г.,
зафиксированное на значительном (более 1500 км) расстоянии от источника на
территории (60-75с.ш.; 80-110в.д.) площадью около 2.5 млн. км². Ранее сообщалось
об аномальном росте деревьев лишь в зоне, подвергнутой непосредственному
разрушению (около 2000 км²). Обоснование возможности применения
дендрохронологического метода для решения актуальных проблем палеоастрофизики,
в частности, астероидно-кометной опасности (каталогизация событий, оценка
траектории и зоны воздействия и др.)

Личный вклад автора

Постановка задач, разработка моделей и методов решения, обработка и получение первичных экспериментальных данных, а также получение результатов по теме диссертации выполнены лично автором. Основные статьи, опубликованные по теме работы, написаны либо лично автором, либо при его определяющем вкладе.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на следующих семинарах и конференциях:

8-й Всесоюзный семинар «Генерация и распространение солнечных космических лучей», Нижний Архыз, Россия (1991); XX General Assembly IUGG, Vienna, Austria (1991); Annual European Meetings on Atmospheric studies by Optical Methods (XVIII – Tromso, Norway (1991), XIX – Kiruna, Sweden (1992), XX – Apatity, Russia (1993), XXI – London, UK (1994), XXII – Nurmijarvi, Finland (1995), XXIV – Andenes, Norway (1997), XXV – Granada, Spain (1998), XXVIII – Oulu, Finland (2001); 43rd Arctic Science Conference, Valdeez, USA (1992); International Symposium on High Latitude Optics, Tromso, Norway (1993); 7th Scientific Assembly of IAGA, Buenos-Aires, Argentina (1993); VIII International Symposium STP/STEP, Sendai, Japan (1994); 14^th International Congress of Biometeorology, Ljubljana, Slovenia (1996); IV Международный Пущинский симпозиум, Пущино, Россия (1996); Symposium on Climate Change Effects on Northern Terrestrial and Freshwater Ecosystems, Rovaniemi, Finland (1997); Third NySMAC Meeting, Kjeller, Norway (1997); Fourth Ny-Alesund Seminar, Ravello, Italy (1998); International Symposium “Polar aspects of global changes”, Tromso, Norway (1998); First International BASIS Research Conference, St.-Petersburg, Russia (1999); 4^th International Conference on Modeling of Global Climate Change and Variability, Hamburg, Germany (1999); International Conference on Dendrochronology for the Third Millenium, Mendoza, Argentina (2000); I SOLSPA Euroconference “The Solar Cycle and Terrestrial Climate”, Tenerife, Spain (2000); IX Международный Симпозиум «Мониторинг здоровья населения и окружающей среды. Технологии и информационные базы данных – 2001», о. Крит, Греция (2001); International Conference on the Future of Dendrochronology “Tree Rings and People”, Birmensdorf, Swissland (2001); Climate Conference 2001, Utrecht, The Netherlands (2001); International Symposium on Climate Change and Variability in Northern Europe, Turku, Finland (2001); 8^th European Symposium on the Physico-Chemical behaviour of Air Pollutants “A Changing Atmosphere”, Torino, Italy (2001); International Workshop “Russian Science at Svalbard for the Third Millenium”, Barentsburg, Norway (2001); Annual

16 International Seminar “Physics of Auroral Phenomena”, Apatity, Russia (23^th – 2000, 24^th – 2001, 25^th – 2002, 26^th – 2003); Second AMAP International Symposium on Environmental Pollution of the Arctic, Rovaniemi, Finland (2002); Научная сессия МИФИ, Москва, Россия (2002); EGS General Assembly, Nice, France (2002; 2003); 34^th COSPAR Scientific Assembly, Houston, USA (2002); VIII International Congress of Ecology (INTECOL), Seoul, Korea (2002); Infrasound Technology Workshop, Utrecht, Netherlands (2002); IAGA/ICMA 3^rd Workshop “Solar forcing of the middle atmosphere”, Prague, Czech Republic (2003); Infrasound Technology Workshop, San-Diego, USA (2003); 1^st International Symposium on Space Climate “Direct and Indirect Observations of Long-Term Solar Activity”, Oulu, Finland (2004); EURODENDRO Conferences (Savonlinna, Finland (1997), Ljubljana, Slovenia (2001), Obergurgl, Austria (2003), Rendsburg, Germany (2004), Viterbo, Italy (2005), Hallstadt, Austria (2008), Calla Millor, Mallorca, Spain (2009)); International Conferences on Dendrochronology (Rovaniemi, Finland (2010), Melburne, Australia (2014)); Международная конференция «Современные экологические проблемы Севера (к 100-летию со дня рождения О.И. Семенова-Тян-Шанского)», Апатиты, Россия (2006); European Planetary Science Congress, Berlin, Germany (2006); EMS Annual Meetings (Nice, France (2004), Ljubljana, Slovenia (2006)); 18^th Nordic Meeting in Social Medicine and Public Health, Helsinki, Finland (2007); III-я Всероссийская конференция с международным участием «Экологические проблемы северных регионов и пути их решения», Апатиты, Россия (2010); EGS General Assemblies (Nice, France (2002; 2003), Vienna, Austria (2007; 2008; 2010, 2011, 2014, 2015)).

Публикации. По теме диссертации опубликована 151 работа, в том числе 40 работ в реферируемых отечественных и зарубежных журналах (из них 38 публикаций в докторском списке ВАК), 17 статей в сборниках и 94 тезиса докладов.

Благодарности. Выражаю искреннюю благодарность своему научному руководителю и, в дальнейшем, научному консультанту д.ф.-м.н. О.И. Шумилову за неоценимую помощь и ценные советы при подготовке работы.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, и списка литературы, включающего 691 наименование. Общий объём работы содержит 272 страницы, 93 рисунка и 5 таблиц.

Особенности широтного распределения и эффект северо-южной асимметрии в появлении озонных «минидыр», вызванных GLE

В настоящее время изучение атмосферы приобретает все большую роль в фундаментальных исследованиях глобальных изменений окружающей среды. Именно в атмосфере происходят явления и процессы, влияющие на формирование и регулирующие изменения глобального климата Земли. Состав атмосферы менялся с начала ее образования, причем, за последние два столетия скорость этих изменений существенно возросла, в основном, как полагают, в связи с продуктами деятельности человека (кислотные дожди, выбросы парниковых газов, смог, истощение озонового слоя, и др.). При этом концентрация основных атмосферных газов (N2, Ог), составляющих 99.9% от всей массы атмосферы, практически не менялась на протяжении всего времени существования человека [Graedel, Crutzen, 1989]. Речь поэтому идет об изменениях концентраций малых газовых составляющих атмосферы, к которым относятся озон (Оз), семейства азота (NO, N2O, ЖЬ, HNO3) и хлора (О, СЮ, НС1), двуокись углерода (СОг), диоксид серы (SO2) и др. [Брасье, Соломон, 1987; Матвеев, 2000]. Именно способность некоторых из этих соединений поглощать и рассеивать солнечную энергию может привести к глобальным изменениям окружающей среды.

Исследование вариаций параметров средней и нижней атмосферы в связи с различными проявлениями солнечной активности входит в число основных задач множества международных и российских программ и проектов. Существенной частью этих проектов является изучение поведения атмосферного озона под действием различных факторов. Важность этих работ связана, в первую очередь, с проблемой "озонной дыры" (аномального понижения общего содержания озона (ОСО)), впервые обнаруженной над Антарктидой в 1985 г. [Farman et al., 1985], а также с возможными последствиями понижений озона для среды обитания человека. Уменьшения озонового слоя, благодаря способности озона поглощать ультрафиолетовое (УФ) излучение Солнца в диапазоне длин волн 220-290 нм, приводят к изменениям термического режима средней атмосферы и могут, что чрезвычайно важно, оказывать достаточно сильное воздействие на биосферу Земли [Матвеев, 2000; Зуев, 2006; Garcia, 1994]. Например, в Восточной Сибири было зафиксировано увеличение УФ-Б излучения (280-315 нм) на 25-30% в период аномалии ОСО [Михалев и др., 2000]. Существенное уменьшение общего содержания озона (ОСО) может приводить к замедлению роста растений, повреждению водных экосистем за счет подавления фотосинтеза, нарушению пищевых цепей на суше и в океане, подавлению иммунной системы человека, увеличению случаев немеланомного рака кожи и катаракты [Перов, Крученицкий, 1996; Garcia, 1994; Зуев, 2006]. Проблема воздействия УФ излучения на человека также существует, и при этом важно учитывать также кратковременные (менее суток) изменения ОСО [Перов, Крученицкий, 1996].

Открытие озонной "дыры" над Антарктидой, а также почти повсеместного снижения ОСО в средних и полярных широтах в последние десятилетия XX века, явилось началом целой серии работ, посвященных исследованиям вариаций озона в Антарктиде, Арктике и в средних широтах [Данилов, Авдюшин, 1992; Зуев, 1998; 2006; Solomon, 1988; Evans, 1990; Larsen, Henriksen, 1990; Taalas, Kyro, 1992]. В разрушении озонового слоя напрямую обвинили техногенные фреоны [Farman, 1985], что впоследствии привело к свёртыванию их производства. При этом сторонники техногенной гипотезы совершенно не учитывали природные факторы. Например, в работе [Зуев, 1998] была выдвинута гипотеза, объясняющая наблюдаемые изменения озонового слоя как неполный цикл долгопериодных колебаний природного характера, который модулируется вековым циклом солнечной активности. Согласно современным представлениям, образованию озонной «дыры» в весенний период предшествует образование циркумполярного вихря, и, как следствие, приводит к аномально низким температурам (ниже -70С) и формированию полярных стратосферных облаков [Данилов, Авдюшин, 1992; Solomon, 1988]. На поверхности частиц этих облаков, в результате гетерогенных химических процессов, происходит высвобождение хлора, являющегося активным катализатором разрушения озона [Solomon, 1988; Prather, 1992]. В северном полушарии явления, подобного озонной «дыре», не зафиксировано. С другой стороны, сравнительно небольшие (до 30%) и кратковременные (несколько дней) аномальные уменьшения ОСО, или так называемые озонные «минидыры», достаточно часто наблюдаются в Арктике [Solomon, 1988; Evans, 1990; Larsen, Henriksen, 1990; Taalas, Kyro, 1992] или в среднеширотной зоне Сибири [Зуев, Смирнов, 1996; Зуев, 2006]. Основной причиной образования арктических озонных «минидыр» считается наличие полярных стратосферных облаков и (или) сульфатных аэрозолей [Solomon, 1988; Larsen, Henriksen, 1990]. Динамические процессы в стратосфере также рассматриваются в качестве одной из причин образования локальных озонных «минидыр» [Зуев, Смирнов, 1996; Зуев, 2006; Taalas, Kyro, 1992].

Однако помимо перечисленных, как это будет показано ниже, существуют и другие естественные агенты, воздействующие на озоновый слой в средней стратосфере высоких широт. Это релятивистские ( 450 МэВ) протоны солнечных (СКЛ) и галактических (ГКЛ) космических лучей [Шумилов и др., 1991; Шумилов, Касаткина и др., 1996; 1998; Касаткина и др., 1998; Shumilov et al., 1992; Shumilov, Kasatkina et al., 1993a; 1995; Kasatkina et al, 1992; 1993a,b; 1997; 1998; 1999; 2004]. Отметим, что во время обычных событий СКЛ большое количество высокоэнергичных протонов, в основном, проникает в верхнюю стратосферу, и лишь протоны релятивистских энергий могут вызывать события GLE (Ground Level Events), регистрируемые нейтронными мониторами на поверхности Земли [Shea, Smart, 2001]. При этом протоны теряют большую часть своей энергии в средней атмосфере, вызывая диссоциацию и ионизацию нейтральных составляющих, что приводит к образованию водородного НОх (Н, ОН, НОг) и азотного NOx (N, NO, NO2) ряда. Эта способность СКЛ делает возможным идентификацию этих событий, и, следовательно, вариаций солнечной активности в прошлом по содержанию нитратов в полярных льдах [Гладышева, Дретхофф, 1997; Dreschhoff, Zeller, 1990; Zeller, Dreschhoff, 1995; Vitt et al., 2000; McCracken et al., 2001a,b]. Космогенные изотопы (14C, 10Be), образованные при взаимодействии первичных космических лучей с ядрами атмосферных газов, откладываются в естественных архивах космических лучей (кольцах деревьев, полярном льду, донных отложениях), исследование которых позволяет изучать процессы на Земле и околоземном космическом пространстве на временной шкале в десятки тысяч лет [Дерганее, 1995; Гладышева, Комаров, 1996; 1999; Константинов и др., 1997; Васильев, Дерганее, 1999]. Предполагается, например, что значительное увеличение притока космических лучей в атмосферу из-за инверсий геомагнитного поля могло стать причиной уничтожения озонного слоя, что имело катастрофические последствия для земного климата и биосферы в геологическом прошлом [Reid et al., 1976; Chamberlain, 1977].

О возможном воздействии вариаций космических лучей на биологические объекты сообщалось в ряде исследований, где были выявлены корреляционные зависимости с изменчивостью скорости роста семян [Shumilov, Kasatkina et al., 2004e] и жизнедеятельностью бактерий [Фараоне и др., 2005], а также со случаями сердечнососудистых и раковых заболеваний у человека с летальным исходом [Шумилов, Касаткина и др., 1998; Еникеев, Касаткина и др., 2008; Stoupel et al., 1997; Juckett, Rosenberg, 1997; Styra et al., 2005]. При этом следует иметь в виду, что космические лучи, являясь мутагенным агентом, вносят лишь 15% в суммарную дозу облучения организма в среде обитания [Фараоне и др., 2005].

Моделирование воздействия СКЛ на концентрацию аэрозолей в высоких широтах и механизм ионной нуклеации

Для расчета изменений аэрозольной концентрации во время протонных событий был использован механизм ионной нуклеации [Arnold, 1982], согласно которому ионы, образующиеся в процессе ионизации в атмосфере, являются центрами ассоциации молекул серной кислоты и, разрастаясь до размеров кластеров, образуют ядра конденсации CN, которые становятся центрами образования аэрозольных частиц. Скорость ионной нуклеации зависит от скорости ионообразования в атмосфере, а также от концентрации серной кислоты [H2SO4], температуры, влажности и атмосферного давления [Yu, Гиг со, 2001].

Для расчета скорости ионной нуклеации J (см" с") было использовано выражение [Arnold, 1982]: J=Q-(1+ (aQ)mIK [H2S04])"№ (2.4) где oc=10" см" с" - коэффициент ионной рекомбинации; К=10 см" с" - коэффициент ассоциации молекул H2SO4; [H2SO4] - концентрация молекул серной кислоты; 7VC -минимально необходимое для устойчивости кластера количество молекул H2SO4 (Nc=3 для высоты h 27 км иіУс=10 для высоты h 27 км [Arnold, 1982]).

На рис. 2.2 (кривая 3) приведен высотный профиль ядер конденсации CN, рассчитанный с использованием формулы (2.4) и распределения H2SO4 по высоте для зимних условий [Arnold, 1982]. Как видно из рис. 2.2, расчетные значения CN на порядок превышают экспериментальные значения концентрации аэрозолей (кривая 2), в то же время выше 27 км и ниже 16 км экспериментальные и теоретические кривые совпадают. Высота (h=27 км) приблизительно соответствует верхней границе, выше которой аэрозольные частицы становятся нестабильными [Arnold, 1982]; нижняя граница (h=\6 км) соответствует резкому понижению скорости ионообразования (см. рис. 1.10). Следует отметить, что размеры аэрозольных частиц, регистрируемых лидаром, в основном, превышают г=0.69 мкм [Байдалов, 1987], в то время как ядра CN, образующиеся вследствие ионной нуклеации, имеют размеры г=0.01 мкм [Arnold, 1982] и достигают больших размеров лишь через некоторое время вследствие коагуляционных процессов. Согласно экспериментальным данным и модельным расчетам ядра CN достигают размеров аэрозольных частиц (г=0.69 мкм и выше) через процессы конденсации и коагуляции в пределах суток [Касаткина и др., 1999; Timmreck, Graf, 2000; Yu, 2002].

На рис.2.3 приведены высотные профили концентрации ядер конденсации CN для событий GLE (4 августа 1972 г., 16 февраля 1984 г., 19 октября 1989 г., 24 мая 1990 г. и 14 июля 2000 г.). Как видно из рис.2.3, расчетные значения CN для событий мая 1990 г. более, чем на два порядка превышают фоновые значения. Такие большие значения CN могут приводить к катастрофическим понижениям концентрации озона (более 10% в день) [Prather, 1992]. Рис. 2.3 дает возможное объяснение тому факту, что из всех рассматриваемых событий озонные «минидыры» наблюдались только в мае 1990 г. [Shumilov, Kasatkina, 2003а; Kasatkina, Shumilov, 2005], хотя с энергетической точки зрения эти события являются «средними» (см. рис. 1.10). Дело в том, что для более мощных событий GLE (4 августа 1972 г., 19 октября 1989 г. и 14 июля 2000 г.), имеющих большие значения скорости ионообразования ( 100 см" с" ), скорость ионной рекомбинации являются доминирующей. Поэтому следует ожидать линейного роста J с увеличением Q только для событий GLE средней мощности. Во время событий GLE с более мощным спектром процессы ионной нуклеации будут эффективно подавляться. Поэтому поиски простой (линейной) корреляции и попытки установления какой-либо статистической зависимости между протонными событиями и наблюдением понижений ОСО не приведут к успеху, что и было продемонстрировано в работе [Ролдугин, 2000].

Высотные профили концентрации ядер конденсации CN, рассчитанные для событий GLE. В последнее время был опубликован целый ряд работ, посвященных роли галактических космических лучей (ГКЛ) в образовании новых аэрозольных частиц в атмосфере, а также экспериментальным фактам [Yu, 2002; Yu, Turco, 2001; Marsden, Lingenfelter, 2003], подтверждающим связь между интенсивностью ГКЛ и облачностью [Marsh, Svensmark, 2000; Palle, Butler, 2000]. Предлагаемая модель вовсе не исключает другие механизмы, например, дипольное взаимодействие хлорсодержащих молекул с неоднородностями ледяных кристаллов PSC {Беликов, Николайшвили, 2012]. В работе [Tinsley, Deen, 1991] предполагается, что в результате ионизации космическими лучами изменяются электрические параметры атмосферы, что также влияет на эффективность образования ядер конденсации в атмосфере. Согласно другой гипотезе космические лучи разрушают хлорфторуглероды в атмосфере, что способствует высвобождению активных радикалов и последующему разрушению озона [Lu, Sanche, 2001].

При вторжении в атмосферу протоны теряют большую часть своей энергии в средней атмосфере, вызывая диссоциацию и ионизацию нейтральных составляющих, что приводит к образованию водородного НОх (Н, ОН, НСЬ) и азотного NOx (N, NO, NO2) ряда. Эти свойства СКЛ явились основанием для введения нового метода по идентификации этих событий, и, следовательно, вариаций солнечной активности в прошлом по содержанию нитратов в полярных льдах [Гладышева, Дрешхофф, 1991; Zeller, Dreschhoff 1995; Vitt et al., 2000; McCracken et al., 2001a,b]. С другой стороны, способность СКЛ вызывать увеличение концентрации сульфатных аэрозолей в высокоширотной атмосфере открывает возможность для идентификации событий СКЛ по данным о кислотности в полярных льдах [Шумилов, Касаткина и др., 2000; Shumilov et&\., 2000].

На рис. 2.4 показаны записи нитратных и сульфатных составляющих в гренландском льду за более, чем 415-летний период [Zeller, Dreschoff, 1995]. В работе [Zeller, Dreschoff, 1995] показано, что нитратные аномалии, в целом, совпадают с протонными событиями типа GLE, в то время как пики в сульфатной составляющей соответствуют мощным вулканическим извержениям (Лаки, 1783; Тамбора, 1815; Кракатау, 1883; Пинатубо, 1991). Из рис.2.4 видно также, что некоторые сульфатные пики не соответствуют вулканическим извержениям и совпадают с нитратными пиками

Происхождение электрического поля Земли

Эффекты солнечных вспышек и космических лучей в атмосферном электрическом поле исследовались в ряде работ [Моисеев и др., 1985; 1993; Cobb, 1967; Reiter, 1969; 1971; Markson, 1971; 1978; Olson et al., 1978; Reagan et al., 1983; Goldberg, 1984; Sheftel et al., 1994; Zadorozhny et al., 1994; Rycroft et al., 2000; Farrel, Desch, 2002]. Отмечалось, что вторжение солнечных протонов релятивистских энергий (СКЛ) может привести к значительным изменениям электрических свойств атмосферы. Например, в работах [Holzworth, Mozer, 1979; Reagan et al., 1983] сообщалось о значительном понижении величины Ez (на 90%) и об увеличении проводимости на высоте 30 км во время GLE 4 августа 1972 г. Такая реакция атмосферы не противоречит концепции «глобальной электрической цепи», согласно которой в атмосфере течет ток, определяемый разностью потенциалов между ионосферой и поверхностью Земли ( 250 кВ) и проводимостью атмосферы а, которая, в свою очередь, в нижней атмосфере зависит от ионизации, вызываемой космическими лучами и эманацией радона из почвы. Генератором тока в такой «цепи» служит грозовая активность в тропической зоне (см. рис. 3.17) [Rycroft et al., 2000]. Предположительно, что некоторые планеты Солнечной Системы (Венера, Марс, Титан) имеют сходную с Землей атмосферную электрическую систему или «глобальную электрическую цепь» [Aplin, 2006]. Проводимость также зависит от степени загрязненности атмосферы, облачности, наличия аэрозолей и, в приземном слое, от метеорологических факторов. Соотношение между этими величинами в приближении «хорошей погоды» определяется законом Ома [Чалмерс, 1974; Reagan et al., 1983; Farrel, Desch, 2002]:

Согласно модельным оценкам, использующим соотношение (3.8), только высокоэнергичные частицы (Е 450 МэВ), проникающие до тропосферных высот и ниже, как во время событий типа GLE, могут вызвать лишь незначительные ( 5%) изменения величины Ez на поверхности Земли [Reagan et al., 1983; Farrel, Desch, 2002]. Однако существует ряд экспериментальных фактов, которые, на первый взгляд, противоречат классической концепции «глобальной электрической цепи». Например, согласно [Гапонов и др., 1988; Никифорова и др., 2003; 2005; Hale, Croscey, 1979] высыпания частиц с гораздо меньшими энергиями (сотни электрон-вольт) в авроральной зоне во время магнитосферных возмущений могут привести к вариациям Ez на поверхности Земли. С другой стороны, по данным ракетных и баллонных измерений в стратосфере и нижней мезосфере обнаружено одновременное увеличение Ez и сг во время двух событий GLE (16 февраля 1984 г. и 19 октября 1989 г.) [Holzworth et al., 1987; Zadorozhny et al., 1994]. Всё это можно объяснить, если вспомнить, что существование больших электрических полей в стратосфере и мезосфере может быть связано с аэрозольными слоями [Hale, Croscey, 1979; Holzworth et al., 1987; Zadorozhny et al., 1994]. Согласно оценкам авторов работы [Park, 1976] горизонтальные крупномасштабные электрические поля ионосферы эффективно проникают к земной поверхности, вызывая вариации Ez. Известно, что сами СКЛ, проникая в атмосферу, могут через ионизацию воздействовать на процессы нуклеации и образования аэрозолей (см. Главу 2). Например, во время GLE 16 февраля 1984 г. по данным лидарных измерений было зафиксировано увеличение концентрации аэрозолей на 50% на высоте 20 км в авроральной зоне [Касаткина и др., 1999; Shumilov et al., 1993b; Shumilov, Kasatkina et al., 1996b; Kasatkina, Shumilov, 2005]. Кроме того, высыпающиеся энергичные частицы могут «закоротить» существующие в стратосфере и нижней мезосфере электрические поля, приводя таким образом к значительным изменениям величины Ez на поверхности Земли [Hale, Croscey, 1979; Zadorozhny et al., 1994]. В частности, в работах [Holzworth et al., 1987; Zadorozhny et al., 1994; Zadorozhny, Tyutin, 1998] было показано, что увеличение величины Ez во время GLE возможно, если увеличение аэрозольной концентрации в атмосфере в процессе ионизации происходит быстрее, чем рост проводимости. Существуют также теоретические обоснования, согласно которым высыпающиеся солнечные протоны могут привести к увеличению Ez в стратосфере вблизи соответствующей широты геомагнитного обрезания, или вблизи границы между теплым и холодным атмосферным фронтом в высоких широтах [Herman, Goldberg, 1978].

В настоящем разделе приводятся результаты измерений -компоненты (обе. Апатиты) для трех событий GLE 2001 г.: 15 апреля, 18 апреля и 4 ноября [Kasatkina et al., 2003а, 2009; Шумилов, Касаткина и др., 2015]. Все эти события сопровождались корональными выбросами массы или Coronal Mass Ejections (СМЕ) [Застенкер, Зеленый, 1999; Gosling, 1993] по данным коронографа LASCO, установленного на борту солнечной гелиосферной обсерватории SOHO. По определению СМЕ грандиозные выбросы вещества (до 10 млрд. т) из короны Солнца [Застенкер, Зеленый, 1999]. В Таблице 3.1 приведены сведения о вспышках и СМЕ, приведенные на сайте NOAA [http://www.sec.noaa.gov]: (начало - ТІ, интенсивность в рентгеновском диапазоне - I, начало СМЕ - Т2), о солнечных протонных событиях (начало GLE - ТЗ, максимум события - Т4, интенсивность потока протонов с энергиями 10 МэВ в максимуме события (см" стер" с" МэВ" ) - F). Информация о событиях GLE приведена на сайте станции космических лучей в Оулу (Ф =61.8) [http://cosmicrays.oulu.fi/GLE.html]. Для события GLE 15.04.2001 г. были привлечены также данные измерений в средних широтах (обе. Воейково, Ф = 56.1) и в полярной шапке (обе. Восток, Ф = -89.4), данные ИСЗ GOES-8 об интенсивности потоков рентгеновского излучения и солнечных протонов [http://rsd.gsfc.nasa.gov/goes] (рис. 3.18).

Из рис. 3.18 видно, что изменения в электрическом поле в обе. Апатиты, представляющие собой иррегулярные колебания с периодом 10 мин и максимальной амплитудой 1000 В/м, становятся заметными за 2 часа до начала GLE (14.10 UT) и за 1.5 часа до всплеска рентгеновского излучения мощностью Х14. Соответствующая вспышка на Солнце произошла в области с гелиокоординатами S20W85 в 13.19 UT [Nitta et al., 2003] (см. Табл. 3.1). Следует отметить, что за период 1976-1989 гг. наблюдалось только 16 вспышек с интенсивностью в рентгеновском диапазоне XI0 и выше [Poirier, D Andrea, 2002]. Величина Ez в это время составляла 1000 В/м (см. рис. 3.18а). По данным нейтронных мониторов Оулу и Неварк (Ф =49.9) увеличение интенсивности космических лучей для GLE 15.04.2001 г. составило 57% и 35% соответственно [Poirier, D Andrea, 2002]. Данное событие GLE также являлось одним из самых мощных в 23-м солнечном цикле, энергия релятивистских протонов в этом событии достигала 1 ГэВ [Bieber et al., 2004]. С началом события GLE резкие изменения в электрическом поле прекратились, и начались плавные изменения Ez. Следующий всплеск Еъ с максимумом амплитуды 1000 В/м в 19.40 UT (см. рис. 3.18а) имел место в конце события GLE [Poirier, D Andrea, 2002]. Приблизительно в это же время ( 19.00 UT) началось еще одно увеличение потока протонов с энергиями Е \ МэВ и 10 МэВ (см. рис. 3.18д). Похожие изменения в Ег наблюдались в это же время ( за 2.5 часа до вспышки) в полярной шапке и в средних широтах (см. рис. 3.18б,в). Максимальная амплитуда изменений Еъ за исследуемый период в обе. Воейково и Восток достигала значений -450 В/м и -750 В/м соответственно (см. рис. 3.18б,в). Следует отметить, что данные Ez обе. Восток представляют среднечасовые значения, поэтому максимальная амплитуда изменений могла превышать величину 750 В/м

Вариации приземного озона, вызванные генерацией подветренных волн в арктических горах (арх. Шпицберген)

Существует три возможных объяснения 20-22-летней периодичности в климатических вариациях:

1. Одно из них связано с предположением о том, что этот цикл может быть связан с нелинейным откликом климатической системы, которая в данном случае рассматривается как нелинейная динамическая система, на солнечный сигнал (например, удвоение 11-летнего периода солнечного цикла) [Хакен, 1985]. Этот механизм уже рассматривался достаточно подробно в предыдущем разделе. Но в рамках этого механизма не всегда можно объяснить практически повсеместное присутствие 20-22-летнего цикла в климатических вариациях (см. п. 5.3).

2. Другое объяснение предлагается в работе [Ogurtsov et al., 2003]. В данном случае интерпретация основана на предположении о том, что интегральный поток ГКЛ как бы удваивается во время 11-летних циклов с положительной полярностью (т.е., когда магнитное поле направлено от Солнца) [Ogurtsov et al., 2003]. На рис. 5.11 из работы [Ogurtsov et al., 2003] приведено схематическое изображение чередующихся 11-летних циклов солнечной активности. Действительно, интегральный поток ГКЛ будет немного ниже во время «отрицательных» 11-летних солнечных циклов, как об этом свидетельствуют экспериментальные данные [Webber, Lockwood, 1988; Bravo, Cruz-Abeyro, 1996] (см. рис. 5.12 [Webber, Lockwood, 1988]). Но, принимая во внимание, что амплитуда 11-летних вариаций ГКЛ на поверхности Земли не превышает, в среднем, 18% [Tinsley et al., 1989; Shea, Smart, 2004], вряд ли можно ожидать, что какая-либо часть от этой величины может вызвать значительные климатические изменения через вариации в облачном покрове, хотя и не исключена возможность преобладания 20-22-летнего цикла в вариациях ГКЛ во время Маундеровского минимума солнечной активности [Комаров, Перистых, 1991]. Кроме того, авторы [Ogurtsov et al., 2003] утверждают, что 20-22-летняя периодичность в климатических вариациях наблюдается, главным образом, в высоких широтах. Однако, экспериментальные данные свидетельствуют о более широкой распространенности 20-22-летней периодичности в климатических вариациях [Оль, 1969; 1984; Комин, 1969; Башкирцев, Машнич, 2003; Baliunas et al., 1997; Cook et al., 1997; Gusev et al., 2004; Kasatkina et al., 2007].

3. Автором работы впервые было высказано предположение, что 20-22-летняя периодичность, наблюдаемая в вариациях различных климатических параметров, связана с увеличением количества космической пыли внутри солнечной системы вследствие ослабления величины магнитного поля Солнца при смене знака во время солнечных максимумов [Kasatkina et al., 2006b; 2007; Shumilov, Kasatkina et al., 2006b].

Среднемесячные значения вариаций нейтронного монитора по данным станции Маунт Вашингтон [Webber, Lockwood, 1988].

Магнитное поле Солнца предохраняет Солнечную систему от проникновения межзвездной пыли, частицы которой могут быть сфокусированы в плоскости эклиптики или отклоняться от нее в зависимости от полярности магнитного ПОЛЯ Солнца, которая изменяется каждые 11 лет [Zank, Frisch, 1999; Frisch, 2000]. Результаты недавних экспериментов, проведенных в рамках проекта DUST на борту космического аппарата Ulysses, показали, что экранировка магнитного поля Солнца была ослаблена во время недавнего 11-летнего солнечного максимума (2000 г.), и количество межзвездной пыли внутри Солнечной системы увеличилось втрое [Landgraf еґ al., 2003]. Согласно модельным расчетам во время следующего максимума солнечной активности при противоположной конфигурации магнитного поля количество межзвездной пыли внутри Солнечной системы может возрасти ещё больше [Altobelli et al., 2003; Landgraf et al., 2003]. Пока трудно сказать, насколько такое количество межзвездной пыли может увеличить приток космического вещества на Землю, который по различным оценкам может достигать 10-10 т/год {Симоненко, Левин, 1972; Голенецкий и др., 1981]. Вероятно для этого, как отмечалось в работе [Огурцов, Распопов, 2011], должен существовать мощный усилительный механизм. Под космическим веществом понимают всё вещество, поступающее на Землю из космического пространства, начиная с мельчайших пылинок в доли микрона с массой порядка 10" г. и до крупных объектов размерами в 30-40 м [Симоненко, Левин, 1972]. При этом очень мелкие частицы (от десятых долей до десятков микрон) теряют космическую скорость в верхних слоях атмосферы, не успевая сколько-нибудь значительно нагреться [Симоненко, Левин, 1972]. Эти пылинки, увлекаемые атмосферными течениями и вертикальным переносом воздушных масс (до 450 м/день) [Forkman et al., 2005], в течение какого-то времени могут находиться в различных слоях атмосферы и служить центрами конденсации для образования аэрозольных частиц, затем выпадают вместе с осадками на поверхность Земли [Симоненко, Левин, 1972]. По оценкам химического состава аэрозолей, существующих в атмосфере Земли, космическое вещество, поступающее на Землю, имеет преимущественно кометное происхождение [Голенецкий и др., 1981]. Этот вывод нашел свое подтверждение после открытия нового класса объектов Солнечной системы, так называемых мини-комет, имеющих размеры в несколько метров и массу -100 т [Frank et al., 1986a,b; Бронштэн, 1998]. Согласно оценкам [Frank et al., 1986a,b], полученным по данным наблюдений верхней атмосферы Земли с ИСЗ Dynamics Explorer, приток мини-комет на Землю составляет до 3x10 т/сут. Возможно, крупнейшим из них был Тунгусский метеорит [Бронштэн, 1998] (см. Главу 6).

Увеличение количества межзвездной пыли может повысить вероятность столкновений малых тел Солнечной системы (мини-комет, комет и астероидов) друг с другом и с Землей. Взаимные столкновения тел и частиц в межпланетном пространстве приводят к их дроблению и эрозии и образованию ещё большего количества межпланетной пыли [Симоненко, Левин, 1972]. Учитывая состав кометного вещества (сложные органические соединения, высокое содержание микроэлементов, таких, например, как Se, Br, Zn, Pb, Ag, S и др.), нельзя не согласиться с предположением, что кометное вещество играет важную роль в формировании микроэлементного состава внешних оболочек Земли, включая атмосферу, океанические воды и биосферу [Фесенков, 1965; Голенецкий и др., 1981; Яковлев, 1991; Hoyle, Wickramasinghe, 1978; Kobayashi et al., 2004]. В метеоритах также были обнаружены остатки некоторых видов бактерий и микроорганизмов [Жмур и др., 1997]. В работе [Яковлев, 1991] установлена связь атмосферных осадков с метеорными потоками и кометами. В июле 2001 г. в провинции Кераля в Индии после события увеличения метеорных потоков наблюдали странное явление - выпадение "красного дождя", который по составу был богат органическими соединениями [Louis, Kumar, 2006]. В следующей главе приведены дополнительные экспериментальные свидетельства воздействия кометного вещества непосредственно на биосферу Земли.