CC BY
36
Озоновый механизм управления
региональным климатом и погодой
В первых работах А.Л. Чижевского 20-30-х гг. прошлого столетия было доказано, что для процессов, протекающих на Земле, существенна не только постоянно излучаемая Солнцем энергия, но и периодически возникающие изменения его активности [1, 2]. Он обнаружил, что колебания интенсивности самых разнообразных процессов на нашей планете синхронны, причем на динамике биологических систем всех уровней их природной организации, включая жизнедеятельность человека, сказывается влияние солнцедеятельности. Свои первые мысли на этот счет исследователь высказал в Калуге в октябре 1915 г. в докладе «Периодическое влияние Солнца на биосферу Земли».
Дальнейшее накопление фактического материала привело Чижевского к важному выводу: периодичность вспышек напрямую связана с возмущениями физических факторов внешней (космо-теллурической) среды, они происходят, как правило, параллельно увеличению интенсивности пятнообразователь-ного процесса на Солнце (рис. 1).
В последующих работах автор доказал, что многочисленные функциональные
и органические нарушения в жизнедеятельности и развитии биологических систем (от отдельных организмов до популяций и сообществ) также обусловливаются комплексом возмущений во внешней физико-химической среде, источником которых являются космические воздействия. Особенно сильное влияние оказывают изменения хода физических процессов на Солнце. Более того, солнечная активность, в частности распределение количества вспышек, сказывается не только на психике человека (массовые психозы), но и на социальной сфере (рис. 2).
Типичные для солнечной активности 11-летние циклы прослеживаются
в массе климатических процессов, таких как возникновение засух и наводнений, увеличение интенсивности грозо-образования, циклоническая активность.
Полученные А.Л. Чижевским результаты породили частную, но исключительно важную проблему физики атмосферы - конкретных механизмов влияния солнечной активности и процессов, происходящих в верхней атмосфере, на области, расположенные ниже, в том числе на погодные процессы в тропосфере. Экспериментальные результаты наземных и орбитальных наблюдений последних десятилетий убедительно показывают, что такое воздействие существует, причем оно
Рис. 1. Схема
распределения холерных эпидемий и пандемий на кривой пятно-образовательной деятельности Солнца за 150 лет
Рис. 2.
Параллелизм кривых: пятно-образовательной деятельности Солнца
(нижняя кривая) и всемирной военно-политической активности человечества (верхняя кривая) с 1749 по 1920-е гг.
1749 1760 1770 1780 1790 1800
1810 1820
1830 1835 1840
1 23456789
6 7 8 к
•ч J "Л А ) \ \ 1 4
V. У > и \ У \ J \ ч/
1749 1760 1770 1780 1790 1800
1810 1820
1840
1850
1870
1890
1900
1910
1830 1840
1920 1925 1930
123456789
5
6 7 8 9 2
--1-
1840
1850
1870
гораздо значительнее и сложнее, чем предполагалось ранее.
В предыдущей публикации мы уже частично касались вопросов строения земной атмосферы и особенностей взаимодействия ее основных слоев друг с другом и с излучением Солнца [3]. За прошедшее время был получен дополнительный экспериментальный материал, позволяющий сформулировать несколько дополнительных гипотез.
Электромагнитное и корпускулярное излучение Солнца и последующее перераспределение поглощенной энергии в ряде фотофизических и фотохимических процессов приводит к формированию специфического вертикального температурного профиля земной атмосферы (рис. 3). В соответствии с его «поведением» и характером доминирующих фотопроцессов принято делить атмосферу на слои: тропо-, страто-, мезо- и термосферу. Границы между слоями принято называть соответствующими паузами (тропо-, страто-, мезопауза). Необходимо также напомнить, что с высотой падает давление газовой
1890
1900
1910
1920
1930
и ионной смеси, образующей атмосферный воздух.
Наличие высотных градиентов температуры различной величины и знака приводит к делению атмосферных слоев на устойчивые и неустойчивые [4]. Те, где температура падает с высотой быстрее чем на 1°/100 м (сухоадиабатичес-кий градиент), в метеорологии считаются неустойчивыми, поскольку любое смещение объема воздуха (воздушной частицы) по вертикали приведет к его ускоряющемуся движению в том же направлении по закону Архимеда. Слои с более медленным падением температуры и при ее росте с высотой (называются инверсиями) устойчивые, так как любое вертикальное перемещение воздушной частицы будет тормозиться.
Солнце влияет на планеты Солнечной системы своим гравитационным и магнитным полем, а также потоками испускаемого излучения. Основной спектр представляет собой электромагнитные волны нагретого тела с температурой 6000 °С, его спектральные характеристики достаточно
0
0
стабильны. Ультрафиолет с длиной волн <290 нм эффективно поглощается атмосферным кислородом и озоном. Это приводит к тому, что ~3% всей падающей энергии забирает стратосфера на ее нагрев. До земной поверхности доходит излучение, основная энергия которого сосредоточена в спектре 290 + 3200 нм. Кроме основного квазиравновесного спектра Солнце испускает также потоки рентгеновских и корпускулярных лучей. Их уровень, способный существенно возрастать в периоды солнечных вспышек, не доходит до нижних слоев атмосферы и претерпевает преобразование на ее верхней границе, формируя вторичное излучение.
Изменение интенсивности и состава потоков излучения, связанных с солнечной активностью, в первую очередь сказывается на верхних и средних слоях атмосферы Земли (термо-, мезо-) и прежде всего на состоянии ионосферы, вызывая перемену концентрации и кинетических характеристик ионов и свободных электронов. Количество и динамика заряженных частиц, движущихся в магнитном поле Земли, может отражаться также на движении нейтралов, приводя к дополнительному нагреву и изменению констант фотохимических реакций и химического состава атмосферы. Кроме того, указанные слои наиболее чутко реагируют на изменения, происходящие в состоянии Солнца. В них возникают вызванные неравномерным освещением сильные «приливные явления», которые имеют суточные и сезонные, а также широтно-долгот-ные зависимости, что порождает волновые и резонансные процессы.
В то же время из данных, приведенных на рис. 3, видно, что верхние слои атмосферы, в частности максимально неустойчивая мезосфера, отделены от условно неустойчивой тропосферы абсолютно устойчивым 40-километровым слоем - стратосферой. Это обстоятельство, с одной стороны, воздействует на общую циркуляцию атмосферы и климат Земли, а с другой - является основной загвоздкой в объяснении влияния верхних слоев атмосферы, например последствий солнечной активности, на тропосферные процессы, поскольку не совсем понятно, как солнечное влияние проникает через эту «стену». Долгое время вообще считалось, что устойчивая стратосфера никак не влияет на приземной слой и тропосферу. Лишь в 2003 г. был издан обзор «Взаимодействие озон -климат», где впервые была показана сложная многоступенчатая связь между стратосферными и тропосферными процессами [5].
Уже в течение ряда лет в ННИЦ мониторинга озоно-сферы БГУ совместно с Главной геофизической обсерваторией им. А.И. Воейкова (РФ) изучают причинно-следственные связи пространственно-временных вариаций поля стратосферного озона и динамики тропосферных воздушных масс. Накоплен значительный экспериментальный материал, свидетельствующий о существовании такого явления различных пространственных и временных масштабов. Так, например, анализ многолетних рядов наблюдений за общим содержанием озона в вертикальном столбе атмосферы (ОСО) показывает, что летом его изменения
протекают синхронно с колебанием приземной температуры, в зимний период эта связь нарушается и снова восстанавливается только весной. Эти процессы происходят с таким высоким коэффициентом антикорреляции, что на основе данной зависимости разработана методика краткосрочного (до 3 дней) прогноза уровней и доз облученности биологически активным УФ-излучением, базирующаяся на прогнозе ОСО и облачности [7].
Анализ данных орбитальных наблюдений за перемещением озоновых аномалий совместно с данными численного моделирования атмосферных процессов различных пространственно-временных масштабов показал корреляцию со спецификой изменения погодных условий по маршруту движения аномалий. Более того, анализ этих наблюдений указывает на четкую связь между распределением стратосферного озона и положением стационарных атмосферных фронтов [8, 9]. Проведенные исследования позволили сформулировать некоторые гипотезы о причинно-следственных связях между динамикой стратосферного озона и тропосферной циркуляцией, а также о конкретных деталях механизма их реализации. Это привело нас к следующей обобщающей концепции: ■ основное передаточное звено воздействия на тропосферу процессов, развивающихся в верхних слоях атмосферы,- озоновый слой атмосферы, который формируется за счет фотофизического создания озона в верхней стратосфере жестким УФ-излучением Солнца. Его активность модулирует состояние мезосферы, при этом меняются как ионный состав слоя, так и характеристики атмосферных
электрических полей, что влияет на процесс образования озона в верхней стратосфере. Поскольку в этой области относительная его концентрация велика, как и турбулентность на этих высотах, создаваемый озон за счет диффузии и гравитационного осаждения активно распространяется по вертикали и горизонтали. Накопление этого вещества приводит к разогреву стратосферы и опусканию слоя тропопаузы. Много озона - низкая тропопауза (полярная зона); ■ поле общего содержания озона формируется за счет конкуренции двух механизмов (рис. 4), один из которых, условно названный «радиационным», отвечает за образование этого вещества в верхней стратосфере и понижает высоту тропопаузы, другой, традиционный, условно названный «термодинамическим», действует в тропосфере, создает условия для сухой и влажной неустойчивости и за счет этого поднимает высоту тропопаузы, в результате чего общее содержание озона уменьшается. Взаимное влияние данных механизмов зависит от региона и времени года.
Рис. 3. Деление
атмосферы на слои в соответствии с вертикальным профилем температуры
Рис. 4.
Схематическое вертикальное распределение парциального давления озона (рз), отношения смеси озона (гз) и температуры (Т) в атмосфере [10]
■ нагрев подстилающей поверхности и повышение температуры воздуха в неустойчивой тропосфере приводит к поднятию слоя тропопаузы - термодинамический механизм. При этом увеличивается область «отрицательного высотного градиента температуры». Резко возрастает вероятность разрушения молекул озона за счет водяного пара, ионов гидрок-сила и других факторов, указанных в приложении к Венской конвенции об охране озонового слоя. Высокая тропопауза - мало озона (тропическая зона);
■ от региона и времени года зависят взаимное влияние и относительная роль тропосферных (термодинамических) и стратосферных (радиационных) механизмов. Первые превалируют в тропической области, вторые - в полярных широтах;
■ в зоне средних широт, в которой располагается Беларусь, в летний период существенное влияние оказывают тропосферные процессы, а во время перехода в зимний период основную роль начинает играть озоновый механизм. По нашему мнению, именно этой сменой механизмов объясняется уменьшение корреляции между значениями ОСО и приземной температурой, регистрируемыми на Минской озонометрической станции в осеннее-зимний период.
Активные исследования аномалий внезапного стратосферного потепления также
свидетельствуют о влиянии солнечной активности на приземные атмосферные процессы. Это проявляется в возникновении специфических блокирующих эффектов, в значительной степени определяющих региональный климат.
В заключение обратим внимание еще на один аспект связи между Солнцем и Землей, проанализированный А. Чижевским: эффект Чижевского - Вельховера [11]. Он заключается в том, что реакция большинства биологических объектов, особенно микроорганизмов, на поверхности Земли наступает на несколько дней раньше, чем происходит протонная вспышка. Солнце - это могучий термоядерный котел, в котором непрерывно выделяется огромное количество энергии, перед протонной вспышкой изменяется циркуляция его приповерхностной зоны, что порождает мощные звуковые волны. Они через космический вакуум до Земли не доходят, однако производят звуковую модуляцию потока испущенных Солнцем корпускул и фотонов. Анализ таких колебаний показывает наиболее сильную модуляцию в области инфразвуковых частот. Именно такие особо низкие частоты характерны для собственных
колебаний мезосферы и свойственны не только атмосфере и океану, но также циклам жизнедеятельности бактерий и ритмам мозга. Перед мощными протонными вспышками происходит изменение частоты инфразвукового звучания Солнца - тональность солнечного двигателя становится другой. И бактерии ощущают это лучше нас. Исследование подобного механизма, а есть все основания считать его существование доказанным, возможно, приблизит нас к более глубокому пониманию влияния солнечной активности на атмосферные процессы и жизнь человека. СИ
Александр Красовский,
доцент кафедры общего землеведения
и гидрометеорологии географического
факультета БГУ, ведущий научный сотрудник
ННИЦ мониторинга озоносферы БГУ
Леонид Турышев,
директор ННИЦ МО БГУ
Александр Светашев,
заведующий лабораторией биофотоники
ННИЦ МО БГУ
Сергей Бородко,
научный сотрудник ННИЦ МО БГУ
Вероника Жучкевич,
старший научный сотрудник ННИЦ МО БГУ
¿р See: http://innosfera.by/2016/09/Ozone
Литература
1. Чижевский А.Л. Земное эхо солнечных бурь.- М., 1976.
2. Чижевский А.Л. Космический пульс жизни.- М., 1995.
3. Красовский А.Н., Турышев Л.Н. Взаимодействие системы «озон - климат» // Наука и инновации. 2011, № 4. С. 14-16.
4. Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы.- Л., 1984.
5. Ozone-climate interactions. Air pollution research report No. 81. ISBN92—894—5619—1.— ES, 2003.
6. Scientific Assessment ofOzone Depletion: 2010. WMO Report. N52.
7. ТурышевЛ.Н., Красовский А.Н., Жучкевич В.В., Борковский Н.Б. и др. Разработка методики краткосрочного прогноза ультрафиолетового индекса в районе г. Минска // Природные ресурсы. 2005, № 1. С. 15-25.
8. Шаламянский А.М. Пространственно-временная структура поля озона в границах воздушных масс // Атмосферный озон. Труды IV Всесоюзного симпозиума.- Л., 1987. С. 230-237.
9. Шаламянский А.М. Концепция взаимодействия атмосферного озона и воздушных масс Северного полушария // Труды ГГО им. А.И. Воейкова.- 2013. Т. 568. С. 173-194.
10. Звягинцев А.М. Пространственно-временная изменчивость озона в тропосфере.- Долгопрудный, 2013.
11. Краткий справочник по космической биологии и медицине.- М., 1967. С. 296.
