Научная статья на тему 'Корреляционный анализ солнечной активности и грозоразрядных процессов на Северном Кавказе'

Корреляционный анализ солнечной активности и грозоразрядных процессов на Северном Кавказе Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
342
59
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ / ПЕРИОДИЧНОСТЬ АТМОСФЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ / ГРОЗОВАЯ АКТИВНОСТЬ / СОЛНЕЧНО-ЗЕМНЫЕ ВЗАИМОСВЯЗИ

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Аджиева Аида Анатольевна, Кунаева Фатима Абдуловна

В предлагаемом обзоре обсуждается одна из самых актуальных и в то же время вызывающая самые ожесточенные споры проблема современной геофизики воздействие солнечной активности на состояние нижней атмосферы и погоду. Рассмотрены закономерности взаимосвязи грозовой и солнечной активности на территории Северного Кавказа с 1989 по 2002 гг. Получены корреляционные зависимости грозовой и солнечной активности, позволяющие с высокой точностью прогнозировать закономерности частоты гроз во времени.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Аджиева Аида Анатольевна, Кунаева Фатима Абдуловна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Корреляционный анализ солнечной активности и грозоразрядных процессов на Северном Кавказе»

6

• • •

Известия ДГПУ, №2, 2010

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ

НАУКИ

УДК: 517.958:[550.3+551.5]

КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ И ГРОЗОРАЗРЯДНЫХ ПРОЦЕССОВ НА СЕВЕРНОМ КАВКАЗЕ

©2010 Аджиева А.А., Кунаева Ф.А.

Высокогорный геофизический институт, г. Нальчик

В предлагаемом обзоре обсуждается одна из самых актуальных и в то же время вызывающая самые ожесточенные споры проблема современной геофизики - воздействие солнечной активности на состояние нижней атмосферы и погоду. Рассмотрены закономерности взаимосвязи грозовой и солнечной активности на территории Северного Кавказа с 1989 по 2002 гг. Получены корреляционные зависимости грозовой и солнечной активности, позволяющие с высокой точностью прогнозировать закономерности частоты гроз во времени.

In the offered review one of the most actual and at the same time a problem of modern geophysics causing the most fierce disputes is discussed, the influence of solar activity upon the state of the lower atmosphere and weather. The regularities of interrelation of storm and solar activity in territory of the Northern Caucasus during the period of 1989-2002 are considered. The correlation dependences of storm and solar activity allowing with high accuracy to predict regularity of frequency of thunderstorms in time are received.

Ключевые слова: солнечная активность, периодичность атмосферных процессов, грозовая активность, солнечно-земные взаимосвязи.

Keywords: solar activity, periodicity of atmospheric processes, thunderstorm activity, solar-terrestrial interrelations.

Разработка вопросов реагирования тропосферных процессов на четность солнечного цикла имеет достаточно длительную историю. Имеется довольно большое количество исследований, подтверждающих наличие солнечно-земных взаимосвязей, проявляющихся в виде цикличности ряда геофизических процессов. Так, в 1880-х годах Г. Вильд [2] исследовал связь между солнечной активностью и температурой воздуха в Рос-

сии. Позднее В. Робертс [5] показал существование 22-летней повторяемости засух в западных областях США; К. Шуурманс и А. Оорт [6] обнаружили регулярные изменения высоты уровней постоянного давления в тропосфере, связанные с интенсивными солнечными вспышками; Б. Тинолей и другие [7] выявили отчетливые вариации высотного профиля температуры в тропосфере во время

Естественные и точные науки • • •

понижений интенсивности потока галактических космических лучей.

Несмотря на это многими геофизиками решительно отвергается идея о влиянии солнечной активности на процессы в нижней атмосфере. А. С. Монин [3] считает, что идея солнечно-земных взаимосвязей совершенно неприемлема, так как мощность атмосферных процессов на несколько порядков превышает поток энергии, вносимой в околоземное космическое пространство (магнитосферу Земли) солнечным ветром. В связи с этим представляется крайне маловероятным, чтобы солнечная активность могла существенно воздействовать на состояние нижней атмосферы.

Как показано в обзоре [4], исследования, выполненные за последние годы, позволили найти ключ к преодолению этого противоречия и тем самым к решению проблемы солнечно-земных связей. М. И. Пудовкину [4] на основе анализа исследований в России (ГГО) и за рубежом удалось проследить основные физические процессы, определяющие воздействие солнечной активности на состояние нижней атмосферы и погоду. Эти процессы таковы:

1. В результате активных процессов на Солнце в области интенсивных вспышек генерируются потоки энергичных (в = 100-300 МэВ) протонов, через несколько часов достигающих орбиты Земли. В то же время относительно интенсивные магнитные поля, выносимые из активных областей на Солнце связанными со вспышками потоками, экранируют магнитосферу Земли от попадания в нее потоков галактических космических лучей. В результате наложения этих двух процессов солнечные вспышки вызывают довольно сложную и неоднозначную вариацию интенсивности потоков энергичных частиц, вторгающихся в атмосферу Земли. И только разделив (путем отбора соответствующих событий) названные явления, удается обнаружить и достоверным образом описать их атмосферные эффекты.

2. Усиление (ослабление) потока вторгающихся частиц в результате еще не вполне выясненных физикохимических процессов вызывает уменьшение (или увеличение) прозрачности атмосферы и тем самым

7

модулирует поступление солнечной энергии в нижнюю атмосферу.

3. Изменение потока поступающей солнечной энергии вызывает изменение температуры воздуха и высоты изобарических поверхностей в тропосфере, обусловливая тем самым заметные изменения скорости крупномасштабной циркуляции атмосферы.

Таким образом, основное возражение против возможности эффективного воздействия солнечной активности на состояние нижней атмосферы и погоду, основанное на недостаточной мощности солнечного ветра, оказывается вполне преодолимым.

В предлагаемой работе обсуждается одно из самых актуальных проявлений солнечно-земных связей -выявление регионального реагирования грозоактивности на Северном Кавказе.

На рисунках 1-2 представлены вариации числа дней с грозой за год и продолжительности гроз в часах в течение года по данным метеостанций Сочи, Адлер, Красная Поляна за период 1989-2002 гг. [1].

Рис. 1. Вариации числа дней N с грозой в год по данным метеостанций Сочи, Адлер, Красная Поляна [1] за период 1989-2002 гг.

8

Известия ДГПУ, №2, 2010

• • •

Рис. 2. Вариации продолжительности гроз Т в часах в течение года по данным метеостанций Сочи, Адлер, Красная Поляна [1] за период 1989-2002 гг.

Имеют место следующие характерные особенности в ходе грозовой активности за указанный период:

1. Согласно полученным результатам [3], временные изменения среднего по территории числа дней с грозой за год N и средней продолжительности гроз Т хорошо коррелируют между собой.

Для ГМС «Сочи»:

Т = 2,95-N1’04 (1)

с коэффициентом корреляции 0,75. Для ГМС «Адлер»:

T=I,5N1,2 (2)

с коэффициентом корреляции 0,73. Для ГМС «Красная поляна»: T=0,74N1,3 (3)

с коэффициентом корреляции 0,88.

2. Общее постепенное увеличение среднегодовых значений грозовой активности с 27 до 60 дней в настоящее время объясняется, скорее всего, парниковым эффектом.

3. Интенсивные (с амплитудой 33 дня и 167 часов) «высокочастотные» колебания с периодом 2,4 года имеют внутриатмосферные, не связанные с солнечной активностью, причины, поэтому мы их не будем рассматривать в данном случае.

4. Наблюдались относительно длиннопериодные колебания с периодом 7 лет. Характерный период таких колебаний близок к периоду вариаций солнечной активности.

В качестве меры степени солнечной активности в данной работе использованы условные числа Вольфа, пропорциональные сумме общего числа пятен (f) и удесятеренного числа их групп (д):

W = k(f+10g), (4)

где к - коэффициент пропорциональности; f - общее число пятен на Солнце; g - число групп пятен; W -число Вольфа в момент времени t.

Количество пятен и других, связанных с ними, проявлений солнечной активности периодически меняется. Эпоха, когда количество центров активности наибольшее, называется максимумом солнечной активности, а когда их совсем или почти совсем нет - минимумом.

W

Естественные и точные науки

• • •

9

Рис. 3. Кривая вариации солнечной активности за 300-летний период

Коэффициент пропорциональности к зависит от мощности применяемого инструмента. Подавляющее большинство пятен появляется в полосе широт между 5° м ± 35°. Обычно числа Вольфа усредняют (по месяцам или годам) и строят график зависимости солнечной активности от времени. На рисунке 3 дана кривая вариации солнечной активности за 300-летний период, из которой видно, что максимумы и минимумы чередуются в среднем через каждые 11,1 лет и называются циклом, хотя промежутки времени между отдельными последо-

вательными максимумами могут колебаться в пределах от 7 до 17 лет.

В исследуемом периоде с 1700 по 2004 гг. их 28. Значения среднегодовых максимумов солнечной активности меняются в этом интервале от 45,8 в 1816 году до 190,2 в 1957 г.

Следует отметить, что значения максимумов солнечной активности имеют тенденцию к возрастанию ближе к нашему столетию, а значения чисел Вольфа колеблются в больших пределах, что хорошо прослеживается в совмещенном графике (рис. 4).

W

200 п

180

160

140

120

100

80

60

40

20

О

1700-1799гг 1800-1899гг 1900-1999гг

года

Рис. 4. Совмещенный график кривой вариации солнечной активности

за 300-летний период

Для проведения сравнительного анализа векового и сезонного хода солнечной активности 1900-2004 гг. и опасных геофизических процессов (например, гроз) использованы среднегодовые и среднемесячные данные за различные периоды 19002004 гг. (рис. 5, 6).

10

• • •

Известия ДГПУ, №2, 2010

Рис. 5. Сезонное среднегодовое распределение количества дней с грозой N и солнечной активности

W за 1989-2002 гг.

Из рисунков видно, что подъему солнечной активности во времени соответствует подъем грозовой активности, их спад также происходит синхронно. Идентичность хода кривых говорит о тесной связи между солнечной и грозовой активностью.

С помощью метода корреляции найдена количественная оценка (коэффициент корреляции г) связи солнечной активности и экстремальных ситуаций по известной формуле [7]:

Е (*.■ -х -у)

Г =

i

■ -ТТ2"

Е & -*)2^ ~у У2

i

(5)

где X, - показатели солнечной актив-

ности, т.е. числа Вольфа; х - среднее арифметическое показателей солнечной активности; х,- у, - показа-

тели грозовой активности за год; у-

среднее арифметическое количество грозовой активности, где i-целое соответствует годам 1989 < i < 2002.

Рис. 6. Сезонная среднегодовая продолжительность гроз Т в часах и солнечной активности Wза 1989-2002 гг.

Используя формулу (5), мы получили данные, что коэффициент корреляции между солнечной активностью и грозовыми характеристиками

Естественные и точные науки • • •

составляет г=0,7. Полученный коэффициент указывает на высокую степень зависимости между показателями солнечной активности х, и грозовой активности природного характера у,.

На основании изложенного можно предположить, что прогнозирование солнечной активности даст возможность сделать прогноз о наиболее вероятном размещении во времени грозовой активности на некоторый срок вперед. При этом между солнечной и грозовой активностью существует высокая корреляционная связь с коэффициентами корреляции 0,7 для числа дней с грозой и 0,78 для продолжительности гроз в течение года. Наибольшая корреляция 0,78 имеет место для взаимосвязи между среднегодовой продолжительностью гроз в часах и солнечной активностью.

Таким образом, с учетом техногенных воздействий на грозовой режим Черноморского побережья Северного Кавказа отчетливо прослеживается реагирование гроз на четность знака солнечного цикла.

Представляется весьма важным обнаружить дополнительные факты

Примечания

11

высокой степени гелиочувствительности Северного Кавказа. Естественно, что при положительной региональной корреляции грозовой и солнечной активности должны появиться статистические закономерности в частоте гроз во времени. Это предположение легко проверить сравнением эпох грозоактивности и циклов солнечной активности. Наиболее характерным проявлением периодизации солнечной активности является наличие пятнообразовательных солнечных минимумов и максимумов, которые разграничивают циклы и устанавливают точки перегиба кривой активности данного цикла. Особенно точно грозовые минимумы и максимумы ложатся на максимумы солнечной активности. Надо подчеркнуть, что грозоактивность частично опережает солнечные максимумы, т.е. на этапе подхода к максимуму на Солнце активизируются грозоэффективные процессы. Таким образом, выявленные волновые процессы затухания и возрастания грозовой активности на Северном Кавказе, по-видимому, подчинены солнечной активности и являются звеном в солнечно-земных взаимосвязях.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1. Аджиев А. X., Аджиева А. А. Пространственные и временные вариации грозовой активности над Северным Кавказом // Метеорология и гидрология. 2009. № 12. С. 25-31. 2. Вильд Г. О температуре воздуха в Российской империи. СПб., 1882. Ч. 2. 3. Монин А. С. Прогноз погоды как задача физики. М. : Наука, 1969. 4. Пудовкин М. И. Влияние солнечной активности на состояние нижней атмосферы и погоду // Соросовский образовательный журнал. 1996. № 10. С. 106-113. 5. Робертс В. О. Солнечно-земные связи, погода и климат / под ред. Б. Мак-Нормана, T. Селиги. М. : Мир, 1982. 44 с. 6. Schuurmans С. J. Е., Oort А. Н. Pure and Appl. Geophys. 1969. V. 75. P. 233. 7. Tinsley B. A., Brown G. M., Scherrer P. H. J. Geophys. Res. 1989. V. 94. № D12. P. 14783.

Статья поступила в редакцию 25.04.2010 г.

УДК 517.958:536.2

К ВОПРОСУ О НЕЛИНЕЙНОЙ ДИНАМИКЕ НЕЖЕСТКОГО ДЛИННОГО ТОНКОГО СТЕРЖНЯ

В ВЯЗКОЙ СРЕДЕ

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.