Пространственное распределение температуры во время геомагнитных возмущений

Современные изменения температуры у поверхности Земли [Груза и др., 2015] обусловлены как внутренними причинами изменчивости климатической системы, так и внешними по отношению к системе процессами. Внешние факторы, способные влиять на состояние составляющих климатической системы, могут быть естественными, т. е. связанными, в первую очередь, с влиянием солнечной и вулканической активности, либо являться результатом антропогенного воздействия. Определение роли естественных и антропогенных факторов в изменениях климата поможет дальнейшему развитию прогностических моделей климата.

Вопрос о влиянии Солнца — основного источника энергии на планете — на процессы в нижней атмосфере интересует исследователей уже более столетия. Утверждение, что природные процессы на Земле контролируются солнечной активностью, по- явилось еще в начале прошлого века. По мере развития представлений о влиянии солнечной активности на различные явления метеорологического и биологического характера [Гульельми, Рубан, 2016] особый интерес приобретает вопрос о физических механизмах реализации солнечно-земных связей. Установлено, что прямое энергетическое воздействие потока солнечного излучения на приповерхностную температуру существенно меньше влияния углекислого газа [Мохов и др., 2012]. Поэтому идут поиски триггерных или параметрических механизмов, при которых небольшие воздействия могут приводить к существенным изменениям природной системы. К таким механизмам можно отнести воздействие на радиационный баланс в тропосфере, обусловленное изменениями глобальной электрической цепи вследствие вариаций солнечного ветра и межпланетного магнитного поля [Жеребцов и др., 2005; Tinsley, 2000; Kniveton et al., 2008]. В ряде ра- бот проводится анализ воздействия галактических космических лучей на аэрозольный и малый газовый состав атмосферы и, как следствие, на процессы в нижней атмосфере [Пудовкин, Распопов, 1992, Svensmark, Friis-Christensen, 1997, Mironova et al., 2015].

Нелинейное воздействие солнечной активности на нижние слои атмосферы может реализовываться в системе общей циркуляции атмосферы. Данные, полученные в работах [Veretenenko, Ogurtsov, 2012, Karakhanyan, Molodykh, 2017] , подтверждают, что существует значительная пространственно-временная неоднородность тропосферного отклика на солнечное воздействие, которая может быть связана с циркуляционными процессами в атмосфере. Установлено, что наибольший отклик в тропосфере наблюдается на средних и высоких широтах. Поэтому в качестве параметра, учитывающего данную закономерность, могут рассматриваться индексы, описывающие геомагнитную активность в авроральной зоне — области максимального проявления солнечного влияния. Следует отметить, что в пространственном распределении характеристики геомагнитной активности, обусловленные солнечной активностью, отражают только широтную зависимость, а отклик метеопараметров на солнечное воздействие имеет существенную долготную неоднородность. В связи с этим в настоящей работе предлагается показатель эффективности воздействия, который описывает влияние солнечной активности с учетом состояния тропосферы перед возмущением и во время геомагнитного возмущения.

ДАННЫЕ И МЕТОДИКА АНАЛИЗА

В данной работе в качестве индикатора солнечной активности выбран PC-индекс геомагнитной активности []. PC-индекс разработан для контроля магнитной активности в полярной шапке, обусловленной геоэф-фективным солнечным ветром, и описывает межпланетное электрическое поле, влияющее на магнитосферу, независимо от мирового времени, сезона и точки наблюдения [Troshichev et al., 1988]. Кроме того, в отличие от планетарного индекса аа [Заболотная, 2007], который рассчитывается по данным двух антиподальных обсерваторий и позволяет описать возмущенность геомагнитного поля в глобальном масштабе, PC-индекс рассчитывается для каждого полушария. Вариации PC-индекса хорошо согласуются с вариациями AL-индекса [Troshichev, Janzhura, 2009].

Согласно модели воздействия солнечной активности на климатическую систему [Жеребцов и др., 2005], отклик тропосферы на гелиогеофизические возмущения определяется не только величиной самого возмущения, которая может характеризоваться индикатором солнечной активности (индексом геомагнитной активности), но и состоянием тропосферы перед возмущением и во время возмущения. В этой модели предполагается, что вариации солнечной активности через изменения параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля влияют на магни- тосферную конвекцию, которая, в свою очередь, влияет на распределение разности электрического потенциала между ионосферой и Землей. Отметим, что вариации параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля воздействуют также и на геомагнитную активность, именно поэтому ее можно использовать в качестве индикатора солнечной активности. Далее, изменения разности электрических потенциалов ионосфера—Земля приводят к перестройке вертикального профиля объемного электрического заряда, который влияет на состояние водяного пара (основного парникового газа) и, следовательно, на радиационный баланс. Поскольку в соответствии с физической схемой, предложенной в работе [Жеребцов и др., 2005], изменения радиационного баланса в тропосфере, обусловленные воздействием гелиогеофизических возмущений, связаны с изменением состояния водяного пара в атмосфере, можно ожидать, что отклик тропосферы на возмущения должен зависеть от содержания водяного пара в данной области. В качестве характеристики содержания водяного пара в атмосфере в данной работе мы использовали абсолютную влажность.

Показатель эффективности воздействия солнечной активности, учитывающий пространственную неоднородность отклика на солнечное воздействие как по широте, так и по долготе, рассчитывается по следующей формуле:

А = kalog|PC|exp(-(ф-ф)2 /dФ2), где k — масштабный множитель; a — аномалии абсолютной влажности; PC — индекс геомагнитной активности; φ — географическая широта; φ0 — географическая широта максимума воздействия (φ0=60°); dφ — коэффициент, характеризующий полуширину области воздействия (dφ=20°). Поскольку РС-индекс характеризует степень магнитной возмущенности в полярной шапке в целом, в формулу введен дополнительный множитель exp(–(φ–φ0)2/dφ2), учитывающий широтную зависимость. Кроме того, вместо самого РС-индекса мы используем log|PC|, что обусловлено большим диапазоном изменений РС-индекса.

На основе данных реанализа NCEP/NCAR [Kalnay et al., 1996], предоставленных NOAA/OAR/ESRL PSD [], по предложенной формуле были построены карты показателя эффективности солнечного воздействия во время гелио-геофизических возмущений (с учетом водяного пара). При этом средние суточные распределения аномалий абсолютной влажности в слое 925–700 гПа рассчитывались как отклонения от среднего за пятнадцать дней до начала возмущения.

Для проведения сравнительного анализа нами построены на основе данных реанализа NCEP/NCAR средние суточные карты аномалий температуры в слое 925–700 гПа, рассчитанных как отклонения от среднего за пятнадцать дней (приблизительно два синоптических периода жизни барических образований) до начала возмущения. Синоптический период циклонов и антициклонов составляет от трех до десяти дней. Выбор среднего по двум синоптическим

Коэффициенты линейной корреляции между изменениями аномалий температуры и показателя воздействия для различных областей во время возмущений

Дата вспышки	*Координаты центров областей с повышенной температурой в день 0 возмущения	Коэффициент корреляции для областей с повышенной температурой, R T_A	∗ Координаты центров областей с пониженной температурой в день 0 возмущения	Коэффициент корреляции для областей с пониженной температурой, R T_A
22.03.2002	60° N, 130° W	0.90±0.18	80° N, 135° W	0.93±0.15
	65° N, 40 W	0.94±0.14	50° N, 15° E	0.90±0.18
16.04.2002	50° N, 160° W	0.68±0.26	65° N, 165° E	0.96±0.10
16.06.2005	65° N, 100° W	0.91±0.17	55° N, 120° W	0.64±0.31
	50° N, 15° E	0.88±0.18	65° N, 60° E	0.85±0.20
07.09.2005	70° N, 180° E	0.90±0.18	75° N, 90° W	0.97±0.10
	80° N, 105° E	0.51±0.35	65° N, 140° E	0.56±0.34
	55° N, 50° W	0.78±0.26	70° N, 45° E	0.93±0.15

*В таблице приведены координаты центров рассматриваемых областей, размер которых составляет 5°×5°.

периодам в качестве нормы для расчета аномалий обусловлен попыткой минимизировать влияние на результаты анализа как синоптических процессов, так и сезонной вариации. Отметим, что наличие долговременных вариаций солнечной активности (с периодами более 30 лет) не позволяет использовать стандартную норму с 1961 по 1990 г. для учета сезонного хода.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Для сопоставления пространственного распределения предлагаемого показателя эффективности воздействия с распределением аномалий температуры нами были построены последовательности карт этих параметров для ряда гелиогеофизических возмущений, во время которых среднесуточные значения РС -индекса >1.5 (см. таблицу). В качестве примера на рис. 1 представлено изменение пространственного распределения аномалий температуры и показателя воздействия во время геомагнитного возмущения, связанного с солнечной вспышкой 07.09.2005. Результаты сравнительного анализа показали сходство изменений пространственного распределения температуры и показателя эффективности воздействия. Отчетливо видно несколько четко выраженных областей положительных и отрицательных изменений рассматриваемых характеристик. Пространственное распределение коэффициента корреляции между аномалиями температуры и показателем эффективности воздействия приведено на рис. 2. Подобие в изменении пространственного распределения температуры и предложенного показателя свидетельствует о том, что показатель эффективности воздействия действительно отражает пространственную структуру отклика температуры на геомагнитное возмущение.

Представляется интересным рассмотреть временную динамику аномалий температуры и показателя воздействия для различных областей во время данного возмущения. Для анализа выбирались области с наибольшей амплитудой вариаций рассматриваемых параметров. Анализ показал, что во время возмущений в различных областях временные изменения аномалий температуры подобны изменениям показателя эффективности воздействия (см. таблицу). На рис. 3 представлен усредненный временной ход аномалий температуры, вариаций показателя эффективности воздействия, вариаций PC- и аа-индексов геомагнитной активности для областей с повышенной температурой. Данные, приведенные на рис. 3, показывают, что увеличение показателя эффективности воздействия сопровождается повышением температуры в этих областях. Отметим, что для данных областей учет водяного пара в показателе эффективности воздействия приводит к увеличению коэффициента линейной корреляции (R=0.94±0.14), при этом коэффициент корреляции между изменением температуры и вариациями индексов геомагнитной активности составляет 0.80±0.24. На рис. 4 представлен временной ход аномалий температуры, вариаций показателя эффективности воздействия, вариаций PC- и аа-индексов, усредненный для областей с пониженной температурой. Сравнительный анализ данных, приведенных на рис. 4, показывает, что уменьшение показателя эффективности воздействия сопровождается понижением температуры. Для областей с пониженной температурой учет водяного пара приводит к тому, что температуры и показателя показателя эффективности воздействия (R=0.92±0.16) коррелируют. Следует отметить, что в областях с пониженной температурой изменения температуры антикоррелируют с вариациями PC- и аа-индексов (R=–0.68±0.30).

ВЫВОДЫ

Результаты проведенного исследования позволяют сделать следующие выводы.

• 1.    Предложен показатель эффективности внешнего воздействия, который описывает влияние солнечной активности на тропосферу с учетом пространственной неоднородности тропосферного отклика на солнечное воздействие как в широтном, так и в долготном направлении.

• 2.    Полученные результаты анализа пространственно-временной структуры изменений температуры и вариаций показателя эффективности воздействия свидетельствуют о высокой степени связи между температурой и предложенным показателем воздействия.

• 3.    Предложенный показатель эффективности воздействия хорошо описывает наблюдаемые изменения

Рис. 1 . Пространственное распределение аномалий температуры (слева) и показателя воздействия (справа) во время геомагнитного возмущения: a — начало возмущения (08.09.2005); б — максимум (11.09.2005); в — окончание (14.09.2005)

Рис. 2 . Пространственное распределение коэффициента корреляции между аномалиями температуры и показателем эффективности воздействия во время геомагнитного возмущения, связанного с солнечной вспышкой 07.09.2005

Работа выполнена в рамках базового финансирования программы ФНИ II.16.