Содержание к диссертации
Введение
1 Изменение состояния нижней атмосферы Земли под воздействием различных проявлений солнечной активности 17
1.1 История проблемы 17
1.2 Длиннопериодные вариации климатических условий Земли и солнечная активность 19
1.3 Короткопериодные вариации состояния нижней атмосферы и солнечная активность 23
1.4 Возможные механизмы воздействия солнечной активности на параметры нижней атмосферы 31
1.4.1 Вариации интенсивности солнечного излучения 32
1.4.2 Изменение параметров глобальной электрической цепи . 33
1.4.3 Динамический механизм 37
1.4.4 Изменение прозрачности атмосферы и облачности . 40
1.5 Выводы 43
2 Длиннопериодные вариации солнечной активности и приход солнечной радиации в нижнюю атмосферу 45
2.1 Введение 45
2.2 Анализ экспериментальных данных 47
2.3 Выводы 51
3 Лидарные измерения, получение профилей коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния и ослабления для рамановского лидара . 53
3.1 Введение 54
3.2 Получение коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния и ослабления 56
3.2.1 Метод 56
3.2.2 Результаты расчетов 62
3.2.3 Выводы 70
4 Длиннопериодные изменения солнечной активности и оптические свойства аэрозоля 73
4.1 Влияние солнечной активности и вулканических выбросов на вариации коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния 73
4.1.1 Введение 73
4.1.2 Анализ экспериментальных данных 74
4.1.3 Выводы 85
5 Короткопериодные изменения солнечной активности и оптические свойства аэрозоля 87
5.1 Воздействие солнечных протонных событий на профили коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния 87
5.1.1 Введение 87
5.1.2 Анализ экспериментальных данных 88
5.1.3 Выводы 95
5.2 Влияние солнечных протонных событий и Форбуш-понижений интенсивности галактических космических лучей на аэрозольный индекс 96
5.2.1 Введение
5.2.2 Анализ экспериментальных данных
5.2.3 Выводы 103
Заключение 107
Литература 112
Приложения 128
- Короткопериодные вариации состояния нижней атмосферы и солнечная активность
- Изменение прозрачности атмосферы и облачности
- Влияние солнечной активности и вулканических выбросов на вариации коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния
- Влияние солнечных протонных событий и Форбуш-понижений интенсивности галактических космических лучей на аэрозольный индекс
Введение к работе
Настоящая работа посвящена исследованию воздействия длинно пер йодных и кратковременных вариаций космических лучей солнечного и галактического происхождения на прозрачность атмосферы и оптические свойства аэрозоля, численному моделированию оптических свойств аэрозоля на основе данных лидарных измерений.
Актуальность проблемы.
В настоящее время наблюдается значительное повышение интереса к проблеме воздействия солнечной активности на состояние нижней атмосферы. Несмотря на большое число исследований, посвященных влиянию солнечной активности на состояние нижней атмосферы, данная проблема все еще далека от своего решения.
Одна из проблем солнечно-атмосферных исследований состоит в отсутствии ясных физических механизмов, способных объяснить полученные статистические результаты. Известно, что параметры хромосферы и короны Солнца весьма изменчивы и существенно зависят от уровня солнечной активности. Интенсивность коротковолнового излучения Солнца также существенно изменяется ото дня ко дню в зависимости от уровня солнечной активности. Тем не менее интегральная интенсивность солнечного излучения, так называемая солнечная постоянная, не испытывает вариаций более 0.1%. Существуют также публикации [54, 179,180], свидетельствующие о том, что интенсивность солнечной радиации в видимом диапазоне спектра также может зависеть от уровня солнечной активности, точнее, от количества и распределения на поверхности Солнца активных образований, таких как солнечные пятна, факелы и флоккулы. Предполагается, что причиной изменения метеорологических параметров является изменение потока солнечной радиации в видимом или ультрафиолетовом диапазонах, изменение электрических полей атмосферы, прозрачности атмосферы, количества облаков и т.д. Основной вопрос о том, как происходит передача возмущения от Солнца в нижние слои атмосферы и что является источником энергии солнечно-атмосферных эффектов, остается и по сей день открытым. Ясно, что физические процессы, обеспечивающие связь между активными явлениями на Солнце и нижней атмосферой, должны быть достаточно сложными. При этом характер протекания указанных процессов в значительной степени зависит от состояния самой атмосферы, подверженной влиянию других, более мощных факторов. В таких условиях разработка адекватного физического механизма и его экспериментальная проверка представляет довольно трудную задачу.
Проблема влияния солнечной активности на состояние нижней атмосферы имеет не только теоретическое, но и важное практическое значение как для краткосрочного, так и для долгосрочного прогнозирования погоды и климата.
Цель настоящей работы.
Исследовать воздействие длинно- и короткопериодных вариаций солнечной активности на приход солнечной радиации в нижнюю атмосферу и оптические характеристики атмосферного аэрозоля (профили коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния, полученные путем лидарных измерений).
Провести численный расчет профилей коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния и ослабления, а также расчет микрофизических параметров аэрозоля на основе данных лидарных измерений.
Научная новизна.
Исследована степень влияния длиинопериодных вариаций солнечной активности и потока галактических космических лучей на поступление солнечной радиации в нижнюю атмосферу. Полученные результаты объяснили противоречия в результатах ранее опубликованных работ по данной теме. Установлено, что интенсивность поступающего солнечного излучения в нижние слои атмосферы, на континентальных среднеширот-ных станциях {(р < 45) возрастает с возрастанием интенсивности потока ГКЛ. Для морских станций (Портленд) знак корреляции между солнечной радиацией и интенсивностью потока ГКЛ изменяется на противоположный.
Исследованы длиннопериодные вариации коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния в зависимости от вулканической, солнечной и геомагнитной активности. Установлено, что на исследуемом промежутке време- ни основным источником вариаций коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния является вулканическая деятельность. В свою очередь повышенная вспышечная и геомагнитная активность приводит к увеличению коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния.
Впервые показано, что в атмосфере на высоте около 10 км после вторжения высокоэнергичных протонов с энергиями более 100 МэВ наблюдается заметное увеличение толщины тонкого аэрозольного слоя. Коэффициенты обратного рассеяния увеличиваются на порядок по сравнению со спокойным днем. Через несколько дней коэффициенты обратного рассеяния уменьшаются, возвращаясь к исходным значениям. Если в атмосфере до солнечного протонного события не наблюдался аэрозольный слой, то эффект высокоэнергичных протонов замечен не был.
Впервые установлено, что резкое увеличение интенсивности солнечных космических лучей ведет к увеличению аэрозольного индекса. При резком уменьшении интенсивности галактических космических лучей обнаружен обратный эффект.
5. Разработан новый алгоритм получения коэффициентов аэрозольного ослабления и обратного аэрозольного рассеяния с использованием ра- мановских лидарных сигналов. В диссертации представлены результаты получения профилей коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния и ослабления с использованием модельных сигналов, в которых учтены реальные атмосферные условия. Численные оценки полученных профи лей позволяют оценить точность разработанного алгоритма. Численная ошибка при определении коэффициентов ослабления и обратного рассе яния не превышает 10%.
Апробирован IMP (Institute of Mathematics in Potsdam University) метод [56] получения микрофизических параметров аэрозоля (таких, как эффективный радиус частицы, поверхностная и объемная концентрация частиц, комплексный индекс преломления и альбедо однократного рассеяния) с использованием информации о коэффициентах обратного рассеяния и ослабления. В приложении к диссертации приведены численные результаты тестов IMP метода и результаты расчетов микрофизических параметров аэрозоля с использованием данных лидарных измерений.
Научная и практическая ценность.
Результаты проведенных исследований важны для понимания физических процессов, обеспечивающих связь между активными явлениями на Солнце и параметрами нижней атмосферы, такими как аэрозоли, приход солнечной радиации в нижние слои атмосферы. Разработанные численные программы могут быть использованы для обработки данных, полученных во время ли-дарных измерений. Результаты могут служить экспериментальной базой для моделирования эффектов солнечной активности на состояние нижней атмосферы. Обнаруженные закономерности могут быть учтены для дальнейших исследований в данной области.
Защищаемые положения.
Поступление солнечной радиации в нижнюю атмосферу зависит от интенсивности потока галактических космических лучей и индексов солнечной активности. Вид зависимости различен для континентальных и морских станций наблюдения.
Численный расчет профилей коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния и ослабления по данным лидарных измерений.
Долговременные вариации коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния связаны как с вулканической деятельностью, так и с геомагнитной и солнечной активностью.
Вторжение высокоэнергичных протонов с энергиями более 100 МэВ приводит к утолщению аэрозольного слоя на высоте около 10 км и увеличению коэффициентов обратного рассеяния на порядок по сравнению со спокойным днем.
5. Усиление потока солнечных протонов с энергиями больше 100 МэВ ведет к увеличению аэрозольного индекса. При резком уменьшении интенсив ности галактических космических лучей обнаружен обратный эффект.
Личный вклад автора.
Автор принимал участие в постановке задачи, отборе и обработке экспериментального материала, разработке и реализации численного алгоритма, анализе результатов. Все изложенные в диссертации результаты получены автором самостоятельно или на равных нравах с соавторами.
Апробация работы.
Результаты исследований, представленные в работе, докладывались и обсуждались на научных семинарах НИИФ СПбГУ, Университета г, Потсдама, на рабочих семинарах EARLINET проекта и на 19 международных конференциях:
I. Mironova, Influence of solar and geomagnetic activity on the optical properties of atmospheric aerosol, The 5-th International geologic-geophysical conference of young specialist ,lGeophysics-2005", St,Petersburg, Petrodvorets, Russia, September 2005;
I. Mironova, Daily variations of the TOMS Aerosol Index during solar proton events and Forbush decreases of intensity of galactic cosmic rays, The 9-th International conference "Solar activity as factor of cosmic weather", St.Petersburg, Pulkovo, Russia, July 2005;
I. Mironova, C.Ritter, C.Bockmann, Changes of aerosol backscatter and solar aciiviiyi European Geosciences Union General Assembly 2005 (EGU 2005), Vienna, Austria, April 2005;
I. Mironova, Atmospheric aerosol and solar activity, European Aerosol Conference (EAC 2004), Budapest, Hungary, September 2004;
I.A.Mironova, M.I.Pudovkin and C.Bockmann, Variations of aerosol optical properties and solar proton events, International Laser Radar Conference (ILRC 22), Matera, Italy, July 2004; LA.Mironovaand M.I.Pudovkin, C.Bockmann, Changes of aerosol backscatter during solar proton events The 5-th International Conference "Problems of Geocosmos", St.Petersburg, Petrodvorets, Russia, May 2004;
I. Mironova, C.Bockmann, 1. Retrieval of backscatter and extinction profiles from Raman lidar, 2. Temporal variations of the multispectral aerosol optical depths and solar activity, IV Conference "Natural and Anthropogenic aerosol", St.Petersburg, Petrodvorets, Russia, October 2003; LA.Mironova, M.LPudovkin^/ienomeno/orjica/ model influence of the longtime variation of solar activity and galactic cosmic rays on state of the low atmosphere, International conference "Climatic and ecological aspects of solar activity", St.Peterburg, Russia, Pulkovo, July 2003;
9. L Mironova, C.Bockmann, Retrieval of aerosol extinction profile from Raman lidar, NOSA Aerosol Symposium, Oslo, Kjeller, Norway, November 2002;
I. Mironova, C.Bockmann, Micropkysical Parameters from 3-Wavelength Raman Lidar, The twenty-first International Laser Radar Conference (ILRC 21), Quebec, Canada, July 2002;
I. Mironova, C.Bockmann, 1. Inverted micropkysical aerosol parameters based on hybrid regularization technique, 2. Calculation of aerosol extinction profile from Raman lidar, The 4-th International Conference "Problems of Geo-cosmos", St.Petersburg, Petrodvorets, Russia, June 2002;
I.Mironova, L.Schneidenbach, C.Bockmann and R.Nessler, Simulation retrieval results of micropkysical particle properties from multiwavelength lidar by inversion with regularization, NOSA Aerosol Symposium, Lund, Sweden, November 2001; C.Bockmann, D.Miiller, I.Mironova, U.Wandinger, R.Nessler, Micropkysical particle properties from 3-wavelength Raman lidar, European Aerosol Conference, Leipzig, Germany, September 2001; LA.Mironova and M.I.Pudovkin, The atmospheric nitrogen dioxide variations and galactic cosmic rays, The First S-RAMP Conference, Sapporo, Japan, October 2000;
I.A.Plenkina(Mironova)and M.I.Pudovkin, Effect of the long-term variations of solar activity and GCR on. the trace gases in the middle and low atmosphere, The International conference "The Solar Cycle and Terrestrial Climate1', Tenerife, Spain, September 2000; LA.Plenkma(Mironova) and M.I.Pudovkin, The resxdts of solar activity effects on tke long-term variations of solar radiation and trace gases in low atmosphere, The International conference "Space storms and space weather hazards", Crete, Greece, June 2000; LA.Mironova and M.I.Pudovkin, The solar activity is controlling factor of the trace gases and the solar radiation in the low atmosphere, The 3-d International Conference "Problems of Geocosmos", St.Petersburg, Petrodvorets, Russia, May 2000;
I.A.Plenkina(Mironova) and M.I.Pudovkin, 1. Effect of tke long-term variations of the solar activity in tke low atmosphere, 2. The solar activity is controlling factor of the carbon dioxide's concentration, The International conference of young scientists and specialists "Geophysics-99", St .Petersburg, Petrodvorets, Russia, November 1999;
19. M.LPudovkin and I.A.Plenkina(Mironova), Influence of the long-period variations of solar activity on dynamics of the lower atmosphere, The 2-nd International Conference "Problems of Geocosmos", St. Peters burg, Petrodvorets, Russia, July 1998.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 13 работ: C.Bockmann, I.Mironova, D.MulIer, L.Schneidenbach, R.Nessler, Microphy-sical aerosol parameters from multivawelength lidar, J. Appl. Opt., V.22, N.3, pp. 518-528, 2005;
И.А. Миронова, М.И. Пудовкин, Увеличение содержания аэрозоля в нижней атмосфере после протонных вспышек на Солнце в январе и августе 2002 г. по данным лидарпых наблюдений в Европе, Геомагнетизм и Аэрономия, Т.45, N.2, с.221-226, 2005;
I.A.Mironova, M.LPudovkin, Increase in the Aerosol Content of the Lower Atmosphere after the Solar Proton Flares in January and August 2002 according to Data of Lidar Observations in Europe, Translated from J.Geomagnetism and Aeronomy, V.45, N.2, pp.234-240, 2005;
3. I.A.Mironova and M.LPudovkin, Changes of aerosol backscatter and cyclic variation of solar activity Proc. The 5-th International Conference "Problems of Geocosmos", pp.363-366, 2004;
I.A.Mironova, M.LPudovkin, Temporal variations of atmospheric aerosol and solar activity, Proc. Scientific Seminar " Ecology and Cosmos", Remote sensing of environment, pp.75-77, 2004;
I.A.Mironova, M.LPudovkin and C.Bockmann, Variations of aerosol optical properties and solar proton events, Reviewed and revised paper presented at the twenty-second International Laser radar Conference (ILRC22),V.2, pp.617-619, 2004; C.Bockmann, D.MulIer, A.Chaikovsky, data, Report No.348 EARLINET: A Europian Aerosol Research Lidar Network to Establish an Aerosol Climatology, Hamburg, Max Planck Institute for Meteorology, pp.163-179, 2003;
I.A.Mironova, M.I.Pudovkin, Temporal variations of atmospheric aerosol and solar activity, Proc. International conference of Climatic and ecological aspects of solar activity, pp.317-320, 2003;
I.Mironova, C.Bockmann, Retrieval of aerosol extinction profile from Raman lidar, Proc. NOSA Aerosol Symposium 2002, pp.45-46, 2002;
I.Mironova, C.Bbkmann and R.Nessler, Microphysical Parameters from 3-Wavelength Raman Lidar, Reviewed and revised paper presented at the twenty-first International Laser Radar Conference (ILRC21), Lidar Remote Sensing in Athmospheric and Earth Sciences, V.2, pp.585-588, 2002;
I.Mironova, C.Bockmann, Calculation of aerosol extinction profile from Raman Lidar, Proc. 4th International Conference "Problems of Geocosmos", pp.242-245, 2002;
И.А. Миронова, Влияние солнечной активности на концентрацию углекислого газа в нижней атмосфере , Геомагнетизм и Аэрономия, Т.42, N.1, с.128-131, 2002;
I.A.Mironova, The effect of solar activity on carbon dioxide concentration in the low atmosphere, Translated from J. Geo magnetism and Aero no my, V.42, N.l, pp.135-138, 2002;
12. I.A.Mironova and M.I.Pudovkin, Solar activity as a controlling factor of the sunshine intensity at low latitudes, I.J.Geomagnetism and Aeronomy, V.3, N.l, pp.87-90, 2002;
13. I.Mironova, L.Schneidenbach, C.Bockmann and R.Nessler, Simulation retrie val results of Microphysical properties from Multiwavelength Lidar by inver sion with regularization, Proc. NOSA Aerosol Symposium 2001, pp.65-66, 2001.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, трех приложений и списка литературы из 184 наименований, содержит 160 страниц машинописного текста, включая 46 рисунков и 14 таблиц.
Содержание работы.
Во введении обоснована актуальность и перспективность темы исследования, сформулированы цель работы и основные положения, выносимые на защиту, отмечена научная новизна, практическая ценность работы, кратко изложено содержание работы.
В первой главе представлен обзор литературы по проблеме воздействия солнечной активности на состояние нижней атмосферы.
В п. 1.1 кратко изложена история изучения проявлений солнечной активности в вариациях климатических и погодных условий на Земле.
В п. 1.2 и п. 1.3 представлен обзор длинно- и коротко пер йодных вариаций состояния нижней атмосферы, связанных с изменением уровня солнечной активности и интенсивности потоков галактических космических лучей.
В п. 1.4 представлена схема воздействия солнечных факторов на процессы в атмосферо Земли. Приводится обзор предлагавшихся ранее механизмов воздействия проявлений солнечной активности на погоду и климат. В п. 1.4.1 рассмотрены вариации солнечного излучения в зависимости от изменения солнечной активности; в п. 1.4.2 - механизм, связанный с изменением параметров глобальной электрической цепи; в п. 1.4.3 - динамический механизм, объясняющий распространение атмосферного возмущения, вызванного вариациями солнечной активности; п. 1.4.4 - изменение прозрачности атмосферы и облачности под воздействием солнечной активности: конденсационный и озонный механизмы.
В заключении показана важность экспериментальных исследований и отмечены существующие проблемы в данной научной области.
Вторая глава посвящена исследованию степени влияния длиннопериод-ных вариаций солнечной активности и интенсивности потока галактических космических лучей (ГКЛ) на поступление солнечной радиации в нижние слои атмосферы.
П. 2.1 - введение: анализ работ по данной проблеме. Представлены результаты работ о воздействии галактических космических лучей на поступление суммарной солнечной радиации в нижний слои атмосферы [168] и облачности [151]. Результаты данных работ, на первый взгдяд, находятся в противоречии. В одном случае на средних широтах увеличение потока ГКЛ приводит к увеличению поступления солнечной радиации, в другом случае - к увеличению облачности.
В п. 2.2 приводится описание экспериментального материала и анализ данных. Исследуются ежегодные значения интенсивности солнечной радиации у поверхности Земли, выраженные в процентах от возможного суммарного поступления солнечной радиации. Данные получены со станций Соединенных Штатов Америки с 1891 по 1987 г. Наличие данных за большой промежуток времени позволяет исследовать вариации прихода солнечной радиации в ходе циклов солнечной активности.
П. 2.3 - выводы по данной главе. Здесь приводится замечание о том, что полученные результаты объясняют противоречия в результатах работ [168], [151], возникшие из-за разницы условий наблюдений. А именно, условия наблюдений на станции Портленд, расположенной на побережье (водная поверхность), и станций в высоких широтах (снежноледяная поверхность) [168] принципиально отличаются от условий наблюдений на континентальных станциях. Это различие связано с различием свойств атмосферы над водной (снежноледяной) и континентальной поверхностью. Результаты работ [168, 151] отражают вариации прихода солнечной радиации в зависимости от интенсивности ГКЛ, соответственно, над океаном и континентами. Следовательно, атмосфера различным образом реагирует на воздействие ГКЛ над водной и континентальной поверхность. Данное утверждение подтверждено результатами, полученными после анализа данных о приходе солнечной радиации на станциях США. Установлено, что интенсивность поступающего солнечного излучения в нижние слои атмосферы, на континентальных сред-неширотных станциях ((р < 45) возрастает с возрастанием интенсивности потока ГКЛ. Для морских станций (Портленд) увеличение интенсивности потока ГКЛ приводит к уменьшению прихода солнечной радиации.
В данном исследовании приход солнечного излучения в нижней атмосфере скорее всего зависит от состояния облачности нижнего яруса, так как облачность уменьшает поток суммарной радиации, а при сплошной облачности прямая радиация вообще отсутствует. Приход солнечной радиации также зависит и от прозрачности атмосферы. Необходимо отметить, что атмосферный аэрозоль отвечает за прозрачность атмосферы в видимом диапазоне электромагнитного спектра. Так как наиболее точную информацию об оптических свойствах аэрозоля получают из лидарных измерений, то в следующей (третьей) главе диссертации объясняется принцип лидарных измерений и приводится расчет профилей коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния и ослабления.
В третьей главе представлены расчеты профилей коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния и ослабления по данным лидарных измерений. Во введении, н. 3.1, объяснен общий принцип лидарных измерений. П. 3.2 посвящен получению коэффициентов обратного рассеяния и ослаб- лсния. В п. 3.2.1 описано лидарное уравнение, представлен метод расчетов коэффициентов ослабления и обратного рассеяния для рамановского лида-ра. В и. 3.2.2 описывается новый алгоритм для получения профилей коэффициентов ослабления и обратного рассеяния в случае использования рамановского лидара, также описаны тесты и приведены результаты расчетов. П. 3.2.3 - выводы по данной главе. Здесь делается замечание, что независимое использование рамановского лидара и обычного лидара позволяет получить информацию о профиле коэффициентов аэрозольного ослабления и обратного аэрозольного рассеяния. Численная ошибка при определении коэффициентов ослабления и обратного рассеяния не превышает 10%.
Четвертая глава посвящена исследованию степени влияния длишюпери-одньтх вариаций солнечной активности на оптические свойства атмосферного аэрозоля.
В данной главе представлен анализ степени влияния солнечной и геомагнитной активности, а также вулканических выбросов на интегральную величину коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния.
Во введении - п. 4.1.1 делается замечание, что одним из основных источников аэрозольных частиц могут являться извержения вулканов, а основной компонентой данных аэрозолей будут водные растворы серной кислоты. Это довольно эффективные ядра конденсации, так как серная кислота гигроскопична и очень хорошо растворяется в воде, а упругость насыщения водяного пара над раствором всегда меньше, чем упругость насыщения над чистой водой. Поскольку основным источником ионизации нижней атмосферы являются космические лучи с входящими в их состав протонами, то их вариации могут играть существенную роль в вариациях размеров частиц, а значит и в вариациях оптических свойств аэрозоля.
П. 4.1.2 - описание экспериментального материала и анализ данных. В данной части диссертации использованы данные измерений обратного аэрозольного рассеяния, которые проводились с помощью лидара, установленного в Гармиш-Партенкирхен (48.3 с.ш., 11.0 в.д.). Суточные и годовые вариации обратного аэрозольного рассеяния с 1976 но 1999 год, для длины волны 694.3 нм исследуются в зависимости от вулканической, солнечной и геомагнитной активности.
В и. 4.1.3 приводятся выводы по данной главе. Подводя итог анализу длин-нопериодных вариаций обратного аэрозольного рассеяния, отмечается, что на исследуемом промежутке времени основным источником вариаций обратного аэрозольного рассеяния является вулканическая деятельность. В свою очередь высокая вспышечная и геомагнитная активность приводит к увели- чению коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния.
В конце данного исследования приведено обсуждение полученных результатов, на основе которых сделан вывод о необходимости изучения воздействия солнечной активности на коротких промежутках времени.
Пятая глава посвящена исследованию степени влияния короткопериод-ных вариаций солнечной активности на оптические свойства атмосферного аэрозоля.
В п. 5.1 исследуется влияние солнечных протонных событий (СПС) на профили коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния. П. 5.1.1 -введение; п. 5.1.2 - описание экспериментального материала и анализ данных. Приводится критерий отбора данных, используемых для анализа. В данной части диссертации также анализируются коэффициенты обратного аэрозольного рассеяния, полученные со станции Гармиш-Партенкирхен и дополнительно данные о профилях коэффициенов обратного аэрозольного рассеяния, полученные со станции Нью Алссунд, Шпицберген (78,9 с.ш., 11.9 в.д.). Высотные профили коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния анализируются до, во время и после СПС. Приводятся численные оценки размеров частиц из информации о коэффициентах обратного аэрозольного рассеяния на основе метода [56]. В п. 5.1.3 приведены выводы по данной части работы. Здесь делается предположение о возможном механизме влияния всплесков солнечных космических лучей на оптические свойства аэрозоля.
Для подтверждения влияния коротко пер йодных вариаций солнечных космических лучей на оптические свойства атмосферного аэрозоля исследуется обратный эффект - эффект Форбуш-понижения интенсивности галактических космических лучей,
В п. 5.2 проводится анализ воздействия всплесков солнечных космических лучей, связанных с солнечными протонными событиями, и Форбуш-нонижений интенсивности галактических космических лучей на короткопе-риодные вариации аэрозольного индекса, который характеризует количество аэрозоля в атмосфере. П. 5.2.1 -введение; и. 5.2.2 - описание экспериментального материала и анализ данных. Для анализа были отобраны данные по аэрозольному индексу TOMS с 1997 по 2004г. Данные полученны со спектрометра TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer - спектрометр общего озонного картирования), расположенного на спутнике центра НАСА (NASA). Вариации аэрозольного индекса исследуются в зависимости от всплесков солнечных космических лучей, связанных с солнечными протонными вспышками, а также в зависимости от Форбуш-понижений интенсивности галактических космических лучей. В п. 5.2.3 приводятся выводы по данной главе. Ос- повным выводом проделанной работы является то, что методом наложения эпох показано, что резкое увеличение интенсивности солнечных космических лучей ведет к увеличению аэрозольного индекса. При резком уменьшении интенсивности галактических космических лучей обнаружен обратный эффект. В Заключении сформулированы основные выводы и результаты диссертационной работы.
В Приложении 1 рассматриваются вариации индексов солнечной и геомагнитной активности. Даются определения циклов солнечной активности и приводятся общие характеристики циклов галактических космических лучей. В данном приложении также описываются основные индексы, характеризующие вариации геомагнитной активности. Рассматриваются общие характеристики короткопериодных вариаций солнечной активности (солнечные протонные события и связанные с ними всплески солнечных космических лучей) и короткопериодные вариаций потоков галактических лучей (Форбуш-понижения интенсивности галактических космических лучей).
Приложение 2 посвящено получению микрофизических параметров аэрозоля (размер и объемная концентрация частиц, альбедо однократного рассеяния и комплексный индекс преломления частицы) из информации о коэффициентах обратного аэрозольного рассеяния и аэрозольного ослабления. Во введении описывается стандартный набор длин волн для лидарных систем, а также приводятся возможные вариации микрофизических параметров аэрозоля в атмосфере. Далее приводится теория метода получения микрофизических параметров аэрозоля из лидарных измерений. Численная апробация метода разделена на две части, сначала представлено численное моделирование микрофизических параметров аэрозоля при известном индексе преломления и отдельно при неизвестном индексе преломления. Также приведена иллюстрация работы метода с использованием экспериментальных данных. Представлены восстановленные микрофизические параметры аэрозоля, полученные при использовании IMP метода [56]. В конце приложения приводятся выводы по данной части работы.
В Приложении 3 приведены даты Форбуш-понижений интенсивности потока галактических космических лучей, солнечных протонных событий и резкого увеличения интенсивности космических лучей, используемые при анализе данных.
Короткопериодные вариации состояния нижней атмосферы и солнечная активность
П. 2.3 - выводы по данной главе. Здесь приводится замечание о том, что полученные результаты объясняют противоречия в результатах работ [168], [151], возникшие из-за разницы условий наблюдений. А именно, условия наблюдений на станции Портленд, расположенной на побережье (водная поверхность), и станций в высоких широтах (снежноледяная поверхность) [168] принципиально отличаются от условий наблюдений на континентальных станциях. Это различие связано с различием свойств атмосферы над водной (снежноледяной) и континентальной поверхностью. Результаты работ [168, 151] отражают вариации прихода солнечной радиации в зависимости от интенсивности ГКЛ, соответственно, над океаном и континентами. Следовательно, атмосфера различным образом реагирует на воздействие ГКЛ над водной и континентальной поверхность. Данное утверждение подтверждено результатами, полученными после анализа данных о приходе солнечной радиации на станциях США. Установлено, что интенсивность поступающего солнечного излучения в нижние слои атмосферы, на континентальных сред-неширотных станциях ((р 45) возрастает с возрастанием интенсивности потока ГКЛ. Для морских станций (Портленд) увеличение интенсивности потока ГКЛ приводит к уменьшению прихода солнечной радиации.
В данном исследовании приход солнечного излучения в нижней атмосфере скорее всего зависит от состояния облачности нижнего яруса, так как облачность уменьшает поток суммарной радиации, а при сплошной облачности прямая радиация вообще отсутствует. Приход солнечной радиации также зависит и от прозрачности атмосферы. Необходимо отметить, что атмосферный аэрозоль отвечает за прозрачность атмосферы в видимом диапазоне электромагнитного спектра. Так как наиболее точную информацию об оптических свойствах аэрозоля получают из лидарных измерений, то в следующей (третьей) главе диссертации объясняется принцип лидарных измерений и приводится расчет профилей коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния и ослабления.
В третьей главе представлены расчеты профилей коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния и ослабления по данным лидарных измерений. Во введении, н. 3.1, объяснен общий принцип лидарных измерений. П. 3.2 посвящен получению коэффициентов обратного рассеяния и ослаб лсния. В п. 3.2.1 описано лидарное уравнение, представлен метод расчетов коэффициентов ослабления и обратного рассеяния для рамановского лида-ра. В и. 3.2.2 описывается новый алгоритм для получения профилей коэффициентов ослабления и обратного рассеяния в случае использования рамановского лидара, также описаны тесты и приведены результаты расчетов. П. 3.2.3 - выводы по данной главе. Здесь делается замечание, что независимое использование рамановского лидара и обычного лидара позволяет получить информацию о профиле коэффициентов аэрозольного ослабления и обратного аэрозольного рассеяния. Численная ошибка при определении коэффициентов ослабления и обратного рассеяния не превышает 10%.
Четвертая глава посвящена исследованию степени влияния длишюпери-одньтх вариаций солнечной активности на оптические свойства атмосферного аэрозоля.
В данной главе представлен анализ степени влияния солнечной и геомагнитной активности, а также вулканических выбросов на интегральную величину коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния.
Во введении - п. 4.1.1 делается замечание, что одним из основных источников аэрозольных частиц могут являться извержения вулканов, а основной компонентой данных аэрозолей будут водные растворы серной кислоты. Это довольно эффективные ядра конденсации, так как серная кислота гигроскопична и очень хорошо растворяется в воде, а упругость насыщения водяного пара над раствором всегда меньше, чем упругость насыщения над чистой водой. Поскольку основным источником ионизации нижней атмосферы являются космические лучи с входящими в их состав протонами, то их вариации могут играть существенную роль в вариациях размеров частиц, а значит и в вариациях оптических свойств аэрозоля.
П. 4.1.2 - описание экспериментального материала и анализ данных. В данной части диссертации использованы данные измерений обратного аэрозольного рассеяния, которые проводились с помощью лидара, установленного в Гармиш-Партенкирхен (48.3 с.ш., 11.0 в.д.). Суточные и годовые вариации обратного аэрозольного рассеяния с 1976 но 1999 год, для длины волны 694.3 нм исследуются в зависимости от вулканической, солнечной и геомагнитной активности.
В и. 4.1.3 приводятся выводы по данной главе. Подводя итог анализу длин-нопериодных вариаций обратного аэрозольного рассеяния, отмечается, что на исследуемом промежутке времени основным источником вариаций обратного аэрозольного рассеяния является вулканическая деятельность. В свою очередь высокая вспышечная и геомагнитная активность приводит к увели чению коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния.
В конце данного исследования приведено обсуждение полученных результатов, на основе которых сделан вывод о необходимости изучения воздействия солнечной активности на коротких промежутках времени.
Пятая глава посвящена исследованию степени влияния короткопериод-ных вариаций солнечной активности на оптические свойства атмосферного аэрозоля.
В п. 5.1 исследуется влияние солнечных протонных событий (СПС) на профили коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния. П. 5.1.1 -введение; п. 5.1.2 - описание экспериментального материала и анализ данных. Приводится критерий отбора данных, используемых для анализа. В данной части диссертации также анализируются коэффициенты обратного аэрозольного рассеяния, полученные со станции Гармиш-Партенкирхен и дополнительно данные о профилях коэффициенов обратного аэрозольного рассеяния, полученные со станции Нью Алссунд, Шпицберген (78,9 с.ш., 11.9 в.д.). Высотные профили коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния анализируются до, во время и после СПС. Приводятся численные оценки размеров частиц из информации о коэффициентах обратного аэрозольного рассеяния на основе метода [56]. В п. 5.1.3 приведены выводы по данной части работы. Здесь делается предположение о возможном механизме влияния всплесков солнечных космических лучей на оптические свойства аэрозоля.
Для подтверждения влияния коротко пер йодных вариаций солнечных космических лучей на оптические свойства атмосферного аэрозоля исследуется обратный эффект - эффект Форбуш-понижения интенсивности галактических космических лучей,
В п. 5.2 проводится анализ воздействия всплесков солнечных космических лучей, связанных с солнечными протонными событиями, и Форбуш-нонижений интенсивности галактических космических лучей на короткопе-риодные вариации аэрозольного индекса, который характеризует количество аэрозоля в атмосфере. П. 5.2.1 -введение; и. 5.2.2 - описание экспериментального материала и анализ данных. Для анализа были отобраны данные по аэрозольному индексу TOMS с 1997 по 2004г. Данные полученны со спектрометра TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer - спектрометр общего озонного картирования), расположенного на спутнике центра НАСА (NASA). Вариации аэрозольного индекса исследуются в зависимости от всплесков солнечных космических лучей, связанных с солнечными протонными вспышками, а также в зависимости от Форбуш-понижений интенсивности галактических космических лучей. В п. 5.2.3 приводятся выводы по данной главе. Ос повным выводом проделанной работы является то, что методом наложения эпох показано, что резкое увеличение интенсивности солнечных космических лучей ведет к увеличению аэрозольного индекса. При резком уменьшении интенсивности галактических космических лучей обнаружен обратный эффект. В Заключении сформулированы основные выводы и результаты диссертационной работы.
Изменение прозрачности атмосферы и облачности
Электрическая проводимость воздуха в нижней атмосфере поддерживается в основном в результате ионизации молекул воздуха потоком энергичных частиц галактических космических лучей (ГКЛ); в более высоких слоях - потоком ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца. В результате проводимость атмосферы экспоненциально растет с увеличением высоты (см. рис. 1.10 из книги [92]).
На рис. 1.9 из [113] показано, что общее сопротивление атмосферы над грозовым генератором равно 106 Ом, тогда как интегральное сопротивление атмосферы в области токов замыкания не превышает 200 Ом. Таким образом, общее сопротивление рассматриваемого контура и, соответственно, сила тока в нем определяются в основном сопротивлением атмосферы в области грозового генератора. В то же время локальные вариации электрических токов в контуре могут быть обусловлены вариациями проводимости атмосферы непосредственно в области замыкающих токов.
Модулированные вариациями солнечной активности потоки космических лучей вызывают изменение проводимости атмосферы в области грозового генератора и над ним, что, в свою очередь, приводит к изменению интенсивности электрического поля и токов во всем контуре.
Увеличение интенсивности электрического поля вызывает увеличение скорости роста капелек воды в облаке и, соответственно, интенсивности осадков [116]. Капли достаточно большого размера достигают поверхности Земли прежде, чем успевают испариться, в результате чего высвобождается большое количество скрытого тепла парообразования. Как происходит дальнейшее развитие атмосферного возмущения изложено в пункте 1.4.3 данной главы.
Значительное развитие рассматриваемая модель [113] получила в работах [156, 157, 158, 159, 160].
Одной из фундаментальных величин, характеризующих оптические свойства облаков и определяющих интенсивность осадков, является концентрация облачных капель. В свою очередь, концентрация облачных капель определяется концентрацией аэрозольных частиц с диаметром более 0.1 мкм. Другой важной характеристикой облаков является скорость образования в них кристаллов льда. Присутствие частиц льда резко увеличивает скорость образования облачных капель и тем самым интенсивность осадков. Кроме того, образование льда влияет на термодинамическую структуру облаков, что в свою очередь влияет на площадь облачного покрова.
Непосредственно в облаке ионы весьма эффективно вымываются дождевыми каплями, в результате чего проводимость атмосферы в облаке существенно уменьшается, что, при учете непрерывности электрического тока, приводит к усилению электрического поля и накоплению электрических зарядов на его верхней и нижней границах. В результате частицы аэрозоля в этой области приобретают весьма значительный (до 1000 е) заряд [137]. Тиноли (Tinsley) с коллегами [156, 157, 158, 159, 160] предположили, что заряженные частицы аэрозоля являются весьма эффективными ядрами образования льда. Экспериментальным подтверждением этого предположения является то, что вымывание аэрозолей заметно увеличивается, если частицы аэрозоля заряжены. Теоретические расчеты также показывают, что скорость вымывания аэрозолей быстро увеличивается с ростом их заряда [158].
Работы Тиисли с коллегами существенно проясняют физические процессы, связывающие изменение параметров глобальной электрической цепи с состоянием нижней атмосферы и погодой. Но даже и в столь усовершенствованном виде модель не дает сколько-нибудь надежных количественных оценок ожидаемых эффектов.
Распространение атмосферного возмущения под воздействием вариаций солнечной активности представлено на рис. 1.11 из [113].
Предлагаемый автором работы [113] механизм воздействия солнечной активности на динамику нижней атмосферы состоит в следующем. В результате интенсивного выпадения осадков и выделения скрытого тепла парообразования температура низкоширотной атмосферы увеличивается, вызывая подъем разогретого воздуха до высот тропопаузы и интенсификацию экваториальной конвективной ячейки Хадли (Hadley), что в целом подтверждается экспериментально [164]. Это, в свою очередь, активизирует среднеширотную ячейку и увеличивает конвергенцию потоков воздуха в области полярного фронта ячейки. Согласно расчетам [113], запаздывание явлений в области среднеширотной конвергенции относительно процессов интенсификации экваториальной ячейки составляет 2-3 суток.
Интенсификация меридиональной циркуляции сопровождается блокировкой зональных потоков. Наблюдения показывают, что меридиональная циркуляция, действительно, усиливается в эпоху максимума солнечной активности [144]; в это же время высота экваториальной тропопаузы оказывается максимальной [136].
Таким образом, предложенная модель [113] качественно объясняет механизм воздействия солнечной активности на состояние нижней атмосферы. В то же время модель не содержит каких-либо количественных оценок предполагаемых ею изменений атмосферных параметров (температура, давление, скорость ветра).
Таким образом, предложенную в [113] модель можно конкретизировать следующим образом. Изменения параметров глобальной электрической цепи, обусловленные вариациями потоков космических лучей, вызывают изменения плотности вертикальных токов и интенсивности электрического поля в нижней атмосфере и, тем самым, концентрацию ионов и величину электрического заряда частиц аэрозолей вблизи границ облака. Это, как было сказано выше, приводит к ускорению роста кристаллов льда и возникновению крупных частиц, которые вызывают появление дождевых капель, к усилению осадков и к увеличению скорости выделения скрытой теплоты парообразования. Динамический механизм воздействия солнечной активности на состояние нижней атмосферы, предложенный Авдюшиным и Даниловым [1], состоит в следующем.
Известно, что в атмосфере существует целый спектр внутренних волн, обладающих относительно большой амплитудой. Распространение этих волн в верхние слои атмосферы зависит от зональной циркуляции воздуха в стратосфере. Так, планетарные волны могут распространяться в стратосферу и далее в мезосферу лишь при зональном переносе воздуха с запада на восток, причем только при величине скорости V менее некоторой критической величины Vkr [lj 15]. Вариации солнечной активности сопровождаются вариациями ультрафиолетового излучения Солнца, часть которого поглощается слоем озона и, соответственно, меняет температуру воздуха и циркуляцию в стратосфере. Таким образом, если в какой-то период циркуляция в стратосфере формируется западными ветрами, скорость которых близка к критической, то даже незначительные изменения в скорости циркуляции в стратосферо, вызванные вариациями солнечной активности, могут контролировать выход внутренних атмосферных волн в стратосферу или запирание их в тропосфере. В последнем случае энергия этих волн диссипирует в нижней атмосфере, вызывая ее нагрев и изменение топографии изобарических поверхностей.
Влияние солнечной активности и вулканических выбросов на вариации коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния
Информацию об атмосферном аэрозоле получают как с помощью приборов, производящих забор воздуха в ограниченный объем рабочей кюветы прибора, так и с помощью наземных и космических методов дистанционного зондирования. При заборе воздуха в кювету прибора состав воздуха анализируется в лабораторных условиях, и это является классическим методом анализа атмосферы. Этот метод имеет много преимуществ, однако имеется и большое количество принципиальных недостатков. К ним относятся: трудоемкость измерений, длительность обработки пробы, для каждой измеряемой компоненты воздуха необходим свой метод измерения и прибор, малое количество точек наблюдений, недоступность многих точек наблюдений (как правило, высотных). Все это принципиально ограничивает возможности осуществления мониторинга атмосферного аэрозоля, поэтому для решения этой задачи используют методы лазерного зондирования атмосферы. Основными приборами лазерного зондирования атмосферы являются лидары.
Одними из основных параметров, характеризующих оптические свойства аэрозоля, являются коэффициенты обратного аэрозольного рассеяния и ослабления, получаемые из лидарных измерений.
Так как в дальнейшем, при анализе степени влияния солнечной активности на оптические параметры аэрозоля будут использоваться данные, полученные при лидарных измерениях, то в данной главе подробно рассматривается принцип наземных лидарных измерений, а также приводятся методы получения информации об оптических свойствах аэрозоля (профилях коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния и ослабления). В Приложении 2 приводится расчет микрофизических параметров аэрозоля (концентрации и размеров частиц, альбедо однократного рассеяния) из лидарных измерений.
Лидары являются эффективными инструментами для проведения измерений оптических свойств аэрозоля с высоким пространственным и временным разрешением. В частности, комбинированное использование рамановско-го лидара и обычного лидара позволяет проводить независимые измерения таких оптических свойств аэрозоля как аэрозольное ослабление и обратное аэрозольное рассеяние.
Принцип лидарных измерений может быть объяснен через принцип радара. В радаре радиоволна посылается в атмосферу и, рассеивая часть энергии, возвращается назад в радарный приемник. Лидар (Lidar - Light Detection And Ranging), так же испускает и получает электромагнитную радиацию, но более высокой частоты. Принцип действия лидара основан на измерении интенсивности рассеяния лазерного излучения аэрозолем атмосферы. Лидар посылает в атмосферу короткий импульс света и принимает обратно сигнал обратного рассеяния. Рассеяние света в атмосфере происходит как молекулами воздуха (рэлеевское рассеяние), так и частицами аэрозоля. Таким образом, наличие аэрозоля в атмосфере увеличивает сигнал обратного рассеяния по сравнению с чистой атмосферой и концентрация аэрозоля может быть определена как функция расстояния и интенсивности сигнала на фоне чистой атмосферы. Лидары работают в УФ, видимом и инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра. Любая лидарная система основывается на принципе излучения и получения энергии, как показано на рис. 3.1 [111].
Лазерный передатчик (излучатель) испускает в атмосферу короткие импульсы излучения на длинах волн (355 нм, 532 нм и 1064 нм). Излучение лазера, рассеянное в атмосфере в обратном направлении поступает в апертуру приемного телескопа (см. рис. 3.1, где А - диаметр приемного телескопа, R - расстояние, которое прошел сигнал от лазерного источника до области зондирования атмосферы). Затем световой сигнал поступает в анализатор, где излучение разделяется на оптические каналы в зависимости от длин волн (355 нм, 532 нм и 1064 нм). Далее световые сигналы поступают на фотодстск-торы, которые преобразуют световые сигналы в электрические (аналоговые) и усиливают их. Потом сигналы поступают в аналого-цифровой преобразователь, который преобразует аналоговые сигналы в цифровую форму. Амплитуда сигнала определяется свойствами атмосферного рассеивания и затухания. Эти свойства зависят от длины волны лазера, распределения молекул и частиц по размерам, форме и индексу отражения [84, 118].
Пример рамановского лидара, установленного на станции Юнгфрауйох (Jungfraujoch) в Швейцарии (46 с.ш., 7 з.д.), приведен на рис. 3.2 [76]. Излучатель системы основан на ниодимовом (Nd:YAG) лазере с максимальной энергией в импульсе 400 мДж на 1064 нм, а также оснащен двумя нелинейными кристаллами для второй (532 нм) и третьей (355 нм) гармоники генератора. Типичная испускаемая в атмосферу энергия в импульсе - 70 мДж для 355 нм, 60 мДж для 532 нм, 45 мДж для 1064 нм. Измерения проводятся с использованием метода дистанционного лазерного зондирования атмосферы, при котором измеряются сигналы обратного рассеяния в УФ, видимом и инфракрасном спектральных диапазонах. Система регистрирует сигналы, полученные при упругом рассеянии, на длинах волн 1064 нм, 355 нм и 532 нм с параллельной и перпендикулярной поляризацией, так же как и раманов-ских сдвинутых сигналов для азота на длине волны 387 нм, воды на 408 нм (355 нм) и азота на длине волны 607 нм (532 нм). Эта информация используется для получения коэффициентов обратного рассеяния или ослабления, а также состояния водяного пара.
В рамановской лидарной технике рассеянный обратно сигнал является функцией интенсивности обратно рассеянного сигнала и ослабления зондирующего сигнала на пути к рассеивающему объему и обратно. Такой сигнал позволяет определить профиль аэрозольного ослабления и обратного аэрозольного рассеяния.
Влияние солнечных протонных событий и Форбуш-понижений интенсивности галактических космических лучей на аэрозольный индекс
В данной работе использованы данные измерений обратного аэрозольного рассеяния, которые проводились с помощью лидара, установленного в Гармиш-Партенкирхен (Garmish-Partenkirchen) (48.3 с.ш., 11.0 в.д.) на высоте 730 м над уровнем моря. Принцип лидарных измерений и метод расчета коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния для рамановского лидара приведен в Главе 3. Суточные вариации обратного аэрозольного рассеяния с 1976 по 1999 год, для длины волны 694.3 нм представлены на рис.4.1. Из рисунка 4.1 видно, что на данном временном интервале вариации коэффициептов обратного аэрозольного рассеяния имеют два отчетливо выраженных максимума (в 1983 году и в 1992 году). Притом коэффициенты обратного аэрозольного рассеяния в максимумах возросли на два порядка относительно фоновых значений коэффициентов. С одной стороны, хорошо известно, что одним из основных источников аэрозольных частиц в атмосфере являются извержения вулканов- С другой стороны, вариации космических лучей являются основным источником ионизации в атмосфере и могут играть существенную роль в вариациях аэрозольных частиц.
За исследуемый промежуток времени были зафиксированы сильные извержения вулканов. Вулканический индекс (VEI - volcanic explosivity index), измеряющийся в баллах от 0 до 8 и определяющий мощность вулканического выброса, для этих вулканов равен 5. Список извергающихся вулканов (с 1976 по 1999 год) с вулканическим индексом равным 5 представлен в табл. 4.1.
Известно, [46] что важную роль в образовании аэрозолей играют извержения вулканов, лесные пожары, биологические процессы и т.д. При этом основные газы, способствующие образованию аэрозолей - это SO2, H2S и N11 . После мощных вулканических извержений количество аэрозольных частиц в стратосфере увеличивается во много раз, что приводит к изменению ее оптических характеристик. Эти изменения сохраняются в течение 1-2 лет после извержения. Действительно, два больших максимума в вариациях аэрозоля (см. рис. 4.1) приходятся на следующий год после извержений трех из четырех вулканов (см. табл. 4.1).
В работах [3, 4, 5, 6] анализируются вариации концентрации аэрозоля за тот же промежуток времени, что и в нашем случае. Общий ход концентрации аэрозоля с 1979 по 1994 г., рассмотренный в статьях [3, 4, 5, б{, совпадает с поведением коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния (см. рис. 4.1). В то же время в работах [3, 4, 5, 6] утверждается, что рассматриваемый аэрозоль не содержит частиц вулканического происхождения. Авторы статей изучают воздействие солнечной активности на поведение концентрации аэрозоля. В заключении [5] дается прогноз вплоть до 2008 года изменения концентрации частиц аэрозоля в зависимости от радиоизлучения Солнца.
Для того, чтобы понять, существует ли связь между изменением солнечной активности и оптическими свойствами аэрозоля, необходимо оценить эффект циклов солнечной активности и потоков галактических космических лучей в вариациях коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния.
На рис. 4.2 представлены вариации чисел Вольфа, интенсивности потока галактических космических лучей и годовые вариации оптических свойств аэрозоля с 1976 по 1999 г. Приведенные циклы на этих рисунках не синхронны относительно друг друга. Результат корреляционного анализа-между циклами солнечных пятен (W) и коэффициентами обратного аэрозольного рассеяния (А) дает коэффициент корреляции равный 0.07, что говорит о том, что исследуемые параметры не коррелируют между собой, так как дисперсия выборочного коэффициента корреляции и = 0.22, для N = 24. На следующем этапе исследования в вариациях обратного аэрозольного рассеяния были исключены периоды времени с 1982 по 1984 г. и с 1991 по 1993 г., т.е. периоды когда было воздействие вулканических выбросов на атмосферный аэрозоль. Анализ данных показал, что несмотря на исключенные максимумы вариаций аэрозоля, циклы солнечных пятен находятся в фазе, а галактические космические лучи ( ГКЛ) в нротивофазе с обратным аэрозольным рассеянием. Корреляционный анализ между циклами солнечной активности и коэффициентами обратного аэрозольного рассеяния, а так же между интенсивностью галактических космических лучей и коэффициентами обратного аэрозольного рассеяния, с учетом вырезанных промежутков времени, тоже не дал положительного результата (коэффициенты корреляции r{A, W} = —0.17 и г{А,ГКЛ} = —0.11 соответственно, N — 18, а = 0.26). Однако коэффициенты частной корреляции для целого ряда данных возросли: r{A, W6e3 учета ГКЛ} — —0.49 и г{Л,ГКЛ без учетаИ7} —0.47, дисперсия для обоих коэффициентов корреляции и = 0.22, N — 24. Частная корреляция позволяет оценить линейную зависимость двух величин при исключении остальных. Частный коэффициент корреляции между переменными xi и Х2, когда устранено влияние, обусловленное переменной хз, имеет вид:
Далее, основываясь на анализе, приведенном выше, был проведен кросс- корреляционный анализ с временным сдвигом между циклами солнечных пятен, интенсивностью потока ГКЛ и коэффициентами обратного аэрозольного рассеяния в один, два, три и четыре года. Результат кросс-корреляционного анализа показал самые большие коэффициенты корреляции r{A, W} = 0.69 и г{А,ГКЛ} = —0.75 (а = 0.22), с временным сдвигом, равным двум годам. Это может означать, что солнечная активность влияет на оптические свойства аэрозоля через процессы и/или параметры, которые дают временную задержку в вариациях аэрозоля около двух лет по сравнению с вариациями космических лучей. Действительно, максимум в вариациях обратного аэрозольного рассеяния приходится на спад цикла солнечной активности (см. левый рисунок рис. 4.2). В свою очередь, период спада солнечного цикла связан с развитием рекуррентных солнечных потоков. Притом скорость солнечного ветра тесно связана с вариациями геомагнитного индекса Кр (определения геомагнитных индексов приведены в Приложении 1). Известно, что максимумы в вариациях геомагнитных индексов, например, индексов Кр и Со приходятся на спад циклов солнечной активности и отстают от максимумов чисел Вольфа приблизительно на два года. В связи с вышеизложенным, далее необходимо исследовать влияние геомагнитной активности на вариации обратного аэрозольного рассеяния (см. рис. 4.3).
На рис. 4.3, на верхнем графике изображены вариации геомагнитного индекса Сд (верхняя кривая) и циклы чисел Вольфа (нижняя кривая, цифры иод кривой номера циклоп солнечной активности). На этом графике видно, что максимумы вариаций геомагнитного индекса Сд отстают от максимумов солнечных циклов приблизительно на 2 года. Уровень геомагнитной активности на Земле, как было сказано ранее, связан с развитием рекуррентных возмущений на Солнце, а так же с состоянием короны Солнца. Нижний график рис. 4.3 отражает вариации коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния с 1976 по 1999 гг. Стрелки на этом рисунке соединяют максимумы вариаций коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния и максимумы вариаций геомагнитного индекса Сд. Притом хороню видно, что максимумы индекса Сд совпадают с максимумами вариаций обратного рассеяния.
Похожие диссертации на Влияние солнечной активности на прозрачность атмосферы и оптические свойства аэрозоля
