Погодные аномалии и природные факторы, их провоцирующие Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

МЕТЕОРОЛОГИЯ

УДК 502.58;504.056;502.58.001.18

ПОГОДНЫЕ АНОМАЛИИ И ПРИРОДНЫЕ ФАКТОРЫ, ИХ ПРОВОЦИРУЮЩИЕ

© 2006г Е.С. Андреева, С.С. Андреев

This paper presents nature condition changes atmosphere circulation and defines significant weather. It also sights scientific and well-founded regional policy for development of new territory and protection of human health in the aria. Assessment of climatic condition and the influence of meteorological factors on human health and activity are considered in this work.

Погодные аномалии, рассматриваемые как следствие закономерного динамического развития атмосферы, имеют очевидную обусловленность от внешних (космических) и внутренних (геофизических) природных факторов.

Агентами, вызывающими возмущения околоземного космического пространства, являются:

- транзитные структуры - выбросы коронального вещества, являющиеся следствием активных процессов во вспышках и в выбросах волокон;

- высокоскоростные потоки солнечной плазмы, следующие за ударной волной от больших вспышек и выбросов солнечных волокон или истекающие из областей с открытой конфигурацией магнитного поля [1].

В начале 1970-х гг. объектом интенсивных исследований стали так называемые корональные дыры, являющиеся источниками быстрых квазистационарных потоков солнечного ветра [2]. В настоящее время под коро -нальными дырами понимают крупномасштабные области короны с пониженной плотностью вещества и температурой.

Установлено, что большая часть корональных дыр возникает вблизи групп солнечных пятен. Дыры могут быть двух видов: изолированные и полярные с заливами, простирающимися до низких широт Солнца, иногда пересекающими солнечный экватор. Они относятся к наиболее долгожи-вущим геоэффективным явлениям на Солнце. Большая корональная дыра обычно существует от четырех до восьми солнечных оборотов, практически не меняя своего положения на Солнце.

Прогноз начала возмущений в околоземном космическом пространстве и их длительностей, связанных с реализацией геоэффективных вспышеч-ных явлений, возможен на период от 1 до 5 сут, а корональных дыр - на период одного оборота Солнца (27,3 сут) [1].

Выбросы солнечных волокон - это явления, которые при наблюдениях с хорошим разрешением имеют вид двухленточной вспышки с медленным

ростом интенсивности к максимуму (>1 ч) и значительным временем спада интенсивности (>3 ч). В большинстве случаев явление происходит вне активных областей в малых магнитных полях (<50 Гс). Из наблюдений за всплытием новых магнитных потоков можно суммировать признаки, после которых наступает рост вспышечной активности. Любое появление нового всплытия магнитного потока приводит к увеличению вспышечной активности. Для осуществления большой вспышки необходимо, чтобы новое всплытие магнитного потока было не менее 1013 Вб и скорость его всплытия была не менее 109 Вб/с [1]. Большие вспышки появляются через

I-2 сут после обнаружения всплытия магнитного потока в пределах активной области. Вспышки больших и средних баллов в активных областях группируются в серии. Проведенные за 1970-2001 гг. исследования [1] показали, что в своем большинстве вспышки происходят в отраженном временном интервале. Интервал времени, за который в активной области осуществляется основная доля вспышек больших и средних баллов, называется периодом вспышечного энерговыделения. В зависимости от степени развития активной области, характеристик ее магнитного поля и мощности нового всплытия магнитного потока данный период может занимать от 16 до 80 ч, в среднем (55 ± 30 ч) или 16 % времени прохождения активной области по диску Солнца.

В настоящее время [1] определен перечень наблюдательных данных, на основании которых составляется прогноз солнечной активности, куда включены следующие ежедневные характеристики:

- относительное число пятен;

- поток радиоизлучения на 10,7 см (Бщ7);

- фон мягкого рентгеновского излучения в диапазоне (12,5-1 кэВ).

К числу космических факторов, возмущающих атмосферную циркуляцию [3], большинство исследователей относит солнечную активность, а именно вековой ее цикл (80-90-летний). Однако периоды роста и спада векового цикла формируются периодами роста и спада 11-летних циклов солнечной активности, которые также необходимо учитывать, исследуя их влияние на циркуляцию [4].

При этом рост солнечной активности векового цикла усиливает интенсивность и обусловливает увеличение повторяемости аномальных меридиональных переносов в атмосферной циркуляции. Очевидно, что ее спад должен привести к развитию зональной (нормальной) составляющей. В

II-летних циклах такой характер связи солнечной активности с атмосферной циркуляцией неоднозначен.

Кроме того, данные циклы обусловливают формирование эпох или временных промежутков однородной циркуляции в соответствии с изменениями аномалий чисел Вольфа внутри циклов.

Как показано на рисунке, графики чисел Вольфа и аномалий погоды, построенные для территории юга России, имеют весьма сходные тенденции, более сглаженные в случае аномалий.

Взаимосвязь между показателями солнечной активности и аномалиями погоды юга РФ, 1965—1990 гг.:_— числа Вольфа, Ж;____— число аномалий погоды

Достаточно заметно повторение пиков солнечной активности (1969 г.) и числа случаев аномалий. Например, по данным Северо-Кавказского УГМС в 1969 г., отличавшимся наиболее интенсивным режимом аномалий погоды не только в России, но и в мире, на юге России число аномальных явлений достигло 99,2, т.е. в среднем по 8,3 явления в месяц. Тогда как в среднем за год на этой территории (за 1950-2000 гг.) возникало около 72 явлений. Корреляция чисел Вольфа и аномалий показала существенную взаимосвязь, на уровне значимости (к > 0,5).

Но как показывают реальные наблюдения, кроме моментов усиления активности Солнца (увеличенного количества пятен на его поверхности), необходимо учитывать также и периоды средней и слабой активности. На слабовозмущенном фоне возможны отдельные весьма активные выбросы элементарных частиц высокой энергии, которые возмущают магнитосферу Земли в значительной степени, что может быть сопоставимо с периодами повышенного количества числа Вольфа.

Обобщенное представление о физической природе гелиогеофизиче-ских механизмов дано в работе А. А. Дмитриева. Установлено, что в числе последствий проникновения корпускулярных потоков солнечного происхождения необходимо отметить следующие:

1. Конденсационный механизм.

Всплески рентгеновского излучения приводят (с опозданием на 24 ч) к росту облачности (на 0,25-0,5 балла), что способствует уменьшению радиационного баланса на 1-2 %. В результате наблюдаются значительные изменения в режиме конденсации при малых энергетических воздействиях. По экспериментальным данным, поток солнечных протонов с ППИ 1 Вт/м2 менее чем в течение 1 ч обеспечивает условия для возникновения тумана с водностью 0,1 г/м3.

2. Индукционный механизм.

Создается в верхних ионизированных слоях атмосферы, где изменение вектора магнитной индукции ЛВ [Тл] солнечного происхождения должно,

в соответствии с уравнениями Максвелла, вызывать изменения завихренности Лг0 тpv. При этом, если удельный массовый заряд среды q [К/кг], а плотность р [кг\м3], то Лг0 тpv = - р q ЛВ. Согласно принципу минимума диссипации энергии, в областях однородной завихренности могут возникать дискретные вихри, проникающие в тропосферу. Эффект бароклинно-сти при неустойчивости будет способствовать развитию вихрей в соответствии с теоремой В. Бьеркнеса. На периферии области изменения завихренности возникает изменение циркуляции скорости, равное изменению потока вектора вихря через поверхность, ограниченную контуром, вдоль которого вычисляется циркуляция. Так, для кругового контура радиуса г при однородной завихренности изменение скорости составляет:

До = V (ДиА)2 + (До/ = ДВг г.

То есть следствием циркуляционного механизма является изменение завихренности и изменение значительных скоростей на периферии областей завихренности. Так, в частности, на уровне 300 гПа над северной частью Тихого океана и Северной Америкой отмечена связь между завихренностью ложбины и резким изменением геомагнитной активности за 24 дня до появления ложбины. Также выявлена зависимость между индексом солнечной активности 8щ7 и скоростью ветра, причем соседние максимумы повторялись примерно через 27 дней.

3. Механизм воздействия электрического поля.

Третий механизм менее выражен и характеризуется прямым воздействием электрического поля на практически нейтральный воздух тропосферы, рассматриваемый как диэлектрик. Под действием электрического поля диэлектрик поляризуется и стремится втянуться в области более сильного поля. Сила втягивания единицы объема воздуха, имеющего относительную диэлектрическую постоянную е, равна f = е0(е - 1)/2 ДЕ2, Н/м3, где е0 = 0,885-10-11, Ф/м.

Если это поле связано с солнечной плазмой, пересекаемой Землей при ее орбитальном движении, то оно будет иметь вид бегущих волн, захватывающих за собой поляризованные частички, создавая добавочные ветровые поля.

4. Механизм воздействия на тропосферу магнитного поля.

Данный механизм осуществляется посредством взаимодействия токов проводимости и конвекционных токов в тропосфере со слабо изменяющимся магнитным полем. На единицу объема при наличии плотности тока ] и магнитной индукции В действует сила f = [ЛВ]. Однако величина сил, возникающих при средних условиях среда, настолько мала (порядка 2 ■ 10-16 Н/м3 при J = 4 ■ 10-12 А/м2 и В = 0,5 ■ 10-4 Тл), что даже при длительном, в течение нескольких суток, действии заметного эффекта не последует. Более вероятно влияние магнитного поля на конденсационные свойства воды. Исходя из представления К. С. Трингера, что вода содержит микрофрагменты льда, кристаллические жидкие микрофазы, и в слабых

постоянных магнитных полях переход жидких микрофаз в кристаллические не требует расходования свободной энергии, то можно ожидать влияния солнечно обусловленных магнитных полей на конденсационные процессы. По экспериментальным данным, дистиллированная вода, обработанная магнитным полем 24-103-48-103 А/м и помещенная в холодильник, начинает на 30-40 % быстрее кристаллизоваться. При таком ускорении кристаллизации в природных условиях разрешение влажнонеустойчивых состояний соответственно будет интенсифицироваться в случае воздействия магнитного поля, что приведет к увеличению грозовой деятельности, локальных подоблачных вихрей и осадков.

Согласно последним научным представлениям, установленными считаются основные типы энергетических потоков (частиц и излучения) от Солнца, воздействие которых приводит к тому или иному характеру воз-мущенности в околоземной среде, куда относятся магнитосфера, ионосфера и собственно атмосфера Земли. Среди них:

1. Потоки сравнительно плотной (п ~ 1-70 см-3) на орбите Земли квазинейтральной и низкоэнергетичной (Е < 10 кэВ) плазмы солнечного ветра, вызывающие магнитосферные и ионосферные бури с длительностью от суток и более.

2. Потоки энергетичных (Е ~ 10-100 МэВ) «вспышечных» протонов малой плотности (п ~ 10-10 - 10-7 см-3) с длительностью порядка нескольких часов, вызывающие явления поглощения в полярной шапке.

3. Всплески потоков ультрафиолетового излучения от солнечных вспышек, вызывающие изменения концентрации в различных областях ионосферы с характерным временем порядка часа.

4. Всплески потоков мягкого и жесткого рентгеновского излучения от вспышек, вызывающие внезапные ионосферные возмущения (в Б-области ионосферы), характерное время - минуты.

В настоящее время установлено, что потоки солнечного ветра первого типа вызывают глобальную перестройку магнитосферы и ионосферы и могут быть разделены на два больших класса [5]:

- квазистационарные, время источников существования которых составляет менее суток;

- спорадические, источники которых характеризуются величиной менее суток. Основными источниками спорадического солнечного ветра являются выбросы корональной массы, включающие в себя эруптивное волокно и, возможно, вспышки [5].

В свою очередь квазистационарный солнечный ветер бывает двух типов:

- быстрый, истекающий из области корональных дыр и достигающий на орбите Земли скорости 400-800 км/с;

- медленный, текущий в поясе стримеров или в цепочках стримеров со скоростью 250-400 км/с.

Наиболее сильные геомагнитные возмущения вызываются спорадическими потоками солнечного ветра, распространяющимися, как правило,

по квазистационарному солнечному ветру. В отдельных редких случаях возможна последовательность следующих друг за другом спорадических потоков, они вызывают самые мощные возмущения магнитосферы и ионосферы Земли.

Зависимость циркуляции земной атмосферы от солнечной активности установлена и очевидна [6]. Агентом, передающим это влияние, является межпланетное магнитное поле, секторная структура которого связана с индексами циркуляции [7]. По мнению ряда авторов [6], солнечное воздействие выражается в том, что на законы земного происхождения, определяющие атмосферную циркуляцию, накладывается некая дополнительная составляющая, которая приводит к изменению соотношения широтной и меридиональной составляющих в переносе воздушных масс.

Анализ корреляции между циркуляцией атмосферы и скоростью плазмы солнечного ветра показал, что прослеживаемая связь отличается неустойчивостью и оказывает влияние скорее магнитная энергия плазмы. Кроме того, установлено, что индексы зональной циркуляции связаны со знаком межпланетного магнитного сектора (разделены условно на положительный и отрицательный). Зимой в пределах северного полушария для положительного сектора характерно уменьшение индекса циркуляции; для отрицательного - увеличение. Летом и в переходные сезоны для положительного сектора наблюдалось увеличение циркуляции, а для отрицательного - уменьшение.

Среди геофизических факторов или так называемых сил деформации, влияющих на циркуляцию, можно отметить движение Земли орбитальное и осевое, что обусловливает возникновение внутренних движений планеты, к которым относят и движения полюса Земли. Именно вращение Земли обусловливает всеобщий вихревой характер движений атмосферы.

По мнению И.В. Максимова, силы деформации могут усиливать или ослаблять центры действия атмосферы, тем самым изменяя циркуляцию атмосферы.

Выражение для потенциала этой силы выведены Манком (1916) и Швейдаром (1952):

Wp = -1/2 a2 z2 (XcosX+ Y sin Л) sin26> (1)

где a- угловая скорость вращения Земли, равная 7,29 10-5 (с-1); z - радиус Земли, равный 6,3712 • 108 см; X и Y - координаты полюса вращения Земли; в - дополнение до широты места; Л - долгота места.

Уравнения вертикальной и горизонтальной составляющих этой силы были выведены И.В. Максимовым, Н.П. Смирновым и Э.И. Саруханяном (1969, 1970).

Горизонтальный компонент силы представляет векторную сумму двух составляющих, одна из которых направлена по меридиану, а другая - по параллели.

(Fp), = (F), + (Fp),, (2)

1 dWp 2

где (Fp) =--p = -ar2(x cos Л + Y sin 2)cos2<9; (3)

r dd

(Fp )A=-ar2(Y cos 2-x sin 2)cos6>. (4)

Выражение для вертикальной составляющей этой силы показывает, что изменения ее в пространстве подобны изменениям потенциала силы деформации. Сила эта достигает максимума на 45° с.ш. и ю.ш. и равна 0 на экваторе и у полюсов.

Горизонтальная составляющая силы деформации изменяется по более сложному закону. Меридиональная составляющая силы имеет максимум и противоположно направленные значения у полюсов и на экваторе и равна 0 на 45° с.ш. и ю.ш. Зональная составляющая максимальна и противоположно направлена у полюсов и равна 0 на экваторе.

Оба вектора силы деформации максимальны на полюсах, горизонтальная составляющая максимальна на экваторе, изменяясь в меридиональном направлении. При этом силой, способной вызвать возмущение в атмосфере и океане Земли, считается именно горизонтальная составляющая, т.е. она действует в плоскости, касательной к земной поверхности, и соизмерима с другими горизонтальными силами.

Реальные движения полюса вращения Земли имеют сложный характер и создаются в основном в результате 12-месячных (вынужденных) и 14-месячных (свободных) колебаний мгновенной оси вращения Земли. Кроме того, существует слабое полугодовое колебание и вековое движение полюса.

Построенное силовое поле для 1966 г. на Земле показало, что на планете существуют области - «полюса» конвергенции и дивергенции горизонтальной составляющей силы деформации, при этом они обнаружили перемещение с запада на восток вслед за движением Земли полюсов дивер-гирующих сил и всего поля в сложно-периодическом ритме в течение 14 месяцев.

Таким образом, космические факторы посредством потока элементарных частиц высокой энергии в той или иной степени возмущают атмосферу, а силы деформации, в свою очередь, усиливают или ослабляют центры ее действия. Суммируя их влияние, можно предполагать вклад последних в изменение циркуляции атмосферы и осуществлять, в частности, прогноз экстремальных ее стадий и аномалий.

Литература

1. Ишков В.Н. // Солнечно-земная физика: Сб. научн. тр. 2002. Вып. 1. С. 10-12.

2. Файнштейн В.Г., Руденко Г.В., Граблевский С.В. // Солнечно-земная физика: Сб. науч. тр. 2002. Вып. 1. С. 91-98.

3. Шерстюков Б.Г., Логинов В.Ф. Короткопериодные циклические изменения в нижней атмосфере и гелиогеофизические процессы / ВНИИ гидрометеорологической иноформации. Миров. Центр данных. М., 1986.

4. Экстремальные стадии и длительные тенденции атмосферной циркуляции: Сб. ст. / Под ред. А. А. Гирса, Л.Ю. Рыжакова. Л., 1977.

5. Еселевич В.Г. // Солнечно-земная физика: Сб. науч. тр. 2002. Вып. 1. С. 57-60.

6. Петерова Н.Г. и др. // Там же. С. 269-270.

7. Кулиева Р.Н. Влияние секторной структуры межпланетного магнитного поля на циркуляцию атмосферы Земли. Красноярск, 1974.

Российский государственный

гидрометеорологический университет, г. Санкт-Петербург;

Ростовский-на-Дону филиал РГГМУ 21 апреля 2006 г.

УДК 502.58;504.056;502.58.001.18

О ВОЗМОЖНОСТИ АППРОКСИМАЦИИ КОНЕЧНЫХ ЦЕПЕЙ МАРКОВА ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ВЕРОЯТНОСТЕЙ ОПАСНЫХ ЯВЛЕНИЙ ПОГОДЫ

© 2006 г. Е.С. Андреева, И.С. Андреев

The article includes the analysis of possibility use finite circuitrys of Markov to task solu-tiones probabilistic modelling and prediction probabily weathers aperiodicities by the example of the South Russia.

В настоящее время в практике гидрометеорологических исследований активно применяются методы математической статистики [1], из которых наибольший интерес для задач прогноза будущих значений диагностируемых величин имеют конечные цепи Маркова. Впервые их применили Т. А. Сарымсаков, В. А. Бугаев и В. А. Джорджио. Однако все эти работы были посвящены анализу качественной стороны гидрометеорологических явлений [2].

Другая возможность использования цепей Маркова - получение прогностических значений изучаемых величин - рассматривается в данной работе. В качестве объекта исследования примем нижнй слой тропосферы с опасными явлениями погоды: сильный ветер, гололед, изморозь, сильные осадки и прочее. При этом будем считать, что физический процесс состояния нижней части тропосферы, неустойчивость которого реализуется в виде возникновения искомых явлений, представляет собой некоторый случайный процесс с /-состоянием (неустойчивости тропосферы при наличии опасных явлений), развивающийся в j - возможное состояние (устойчивость тропосферы, отсутствуют явления). Схематично это утверждение может быть выражено следующим образом: Ф - Х - Cj, где Ф -реальный физический процесс нижнего слоя тропосферы; Х - непрерывный случайный процесс; Cj - процесс с m состояниями, получающийся факторизацией процесса Х:

Cj(t) = /, если а-1 <X(t) < = а, (1)