CC BY
71
УДК 551.590.21
ВЛИЯНИЕ АКТИВНЫХ ОБЛАСТЕЙ СОЛНЦА
НА ГЛОБАЛЬНУЮ ГРОЗОВУЮ АКТИВНОСТЬ И ПОГОДУ НА ЗЕМЛЕ
В. И. Ермаков1, Ю. И. Стожков
В результате анализа многолетних данных об изменениях напряженности электрического поля в атмосфере на высокогорных станциях (высотка (Зкм)), которые, характеризуют грозовую активность в глобальном масштабе, ранее было показано, что после прохождения активной области через центральный меридиан Солнца примерно через двое суток глобальная грозовая активность на Земле максимальна. В этот же период наблюдаются максимальные изменения погоды, связанные с ливнями, штормами, ураганами и др. В работе сделан вывод о том, что влияние активной области на грозовую активность, а через нее и на погоду, осуществляется через исходящий из этой области высокоскоростной солнечный ветер. Активная область сначала появляется на краю диска Солнца, поэтому имеется возможность учета влияния этой области при краткосрочном (на несколько суток) прогнозировании изменений погоды. Большие активные области существуют в течение нескольких оборотов Солнца, поэтому имеется возможность учета солнечной активности при долгосрочном прогнозировании изменений погоды.
Центральная аэрологическая обсерватория Росгидромета. 141700, г. Долгопрудный Московской обл., ул. Первомайская, д. 3.
Грозовое облако образуется при наличии достаточно сильного восходящего потока теплого влажного ионизованного воздуха из приземного слоя атмосферы. В этом слое воздух ионизуют космические лучи и радиоактивные элементы. В восходящем потоке воздуха присутствуют положительно и отрицательно заряженные ядра конденсат.!! водяного пара (зародыши водяных капель). При подъеме воздух охлаждается и ого относительная влажность растет. Как только находящийся в воздухе пар становится пересыщенным, начинается процесс его конденсации и образования капель. Конденсация пара на отрицательно заряженных ядрах начинается при меньших пересыщениях пара, чем на положительно заряженных. Поэтому в нижней части зарождающегося облака появляются отрицательно заряженные капельки, а в верхней части - положительно заряженные. В результате происходит макромасштабное пространственное разделение разноименных зарядов. Как только напряженность электрического поля в облаке достигает значений 2-3 кВ/см, в нем появляются молниевые разряды. Их инициируют широкие атмосферные ливни (ШАЛ), образуемые космическими частицами сверхвысоких энергий (б > 1014 эВ). В сильно разветвленных и сильно ионизованных каналах молний появляется много новых заряженных ядер. Это приводит к усилению процесса конденсации пара, выделению скрытой теплоты и, соответственно, к усилению восходящих потоков. Электрическая активность и влагосодержание облака постепенно расту I С течением времени капли вырастают настолько, что начинают падать вниз. Это приводит к появлению осадков и распаду облака [1 - 3]. К вершине облака из верхней атмосферы течет ток. Этот ток (включающий в себя электроны, высыпающиеся из ионосферы и магнитосферы) обусловлен электрическим полем облака. В свою очерет, этот ток является причиной увеличения электрической активности (и влагосодержаппя) облака. Величина указанного тока тем больше, чем выше степень ионизации столба во духа, находящегося над грозовым облаком.
Из наблюдений известно, что основными ионизаторами воздуха в тропо- и стратосфере являются космические лучи, в ионосфере - ультрафиолетовое (УФ) и рентгеновское (X) излучения Солнца. Основным поставщиком протонов и электронов в магнитосферу Земли является солнечный ветер. Потоки указанных излучений испытывают существенные изменения во времени. Наиболее сильно они зависят от солнечной активности, при усилении которой они увеличиваются во много раз [4].
Настоящая работа посвящена изучению влияния активных областей Солнца (они управляют потоками ионизующих атмосферу излучений) на глобальную грозовую ак тивность и погоду на Земле.
Исходные данные. В соответствии с механизмом образования грозовых облаков [1 3] и многолетними наблюдениями за грозами в разных точках земного шара глобаль ную грозовую активность могут характеризовать данные об изменениях напряженности электрического поля Е в атмосфере вблизи поверхности Земли. Это поле образуется находящимся в поверхностном слое Земли отрицательным электрическим зарядом, который переносится нисходящими молниями из грозовых облаков.
105 104 103 102 101 100 99 98 97
Рис. 1. Относительные изменения напряженности электрического поля Е на станции Цуг-шпитце до, во время и после солнечных вспышек балла > 1 (в линии На). Обработка проведена методом наложения эпох по 70 событиям. Использованы данные наблюдений с 1954 по 1959 гг. в дни с исключительно ясной погодой. Нулевой день соответствует моменту появления вспышки. Отбор солнечных вспышек в зависимости от их гелиографических координат не прЬводился [5].
Для получения репрезентативных в глобальном масштабе данных о вариациях Е Р. Рейтер [5, 6] использовал результаты измерений Е на высокогорных станциях Цуг-шпитце и Вэнк-Пик, находящихся над слоем перемешивания атмосферы на высотах ~ 3 км. Для этих станций 50 - 70% электрического сопротивления воздушного столба находится ниже их высотного уровня. Измерения проводились с 1954 по 1981 гг. в периоды увеличения и максимумов солнечной активности в 11-летних циклах. Ввиду большой частоты вспышек в эти периоды для анализа солнечно-земной связи выбирались результаты измерений лишь в дни с совершенно ясной погодой, в которые были, по крайней мере, две вспышки класса > 2.
Первые результаты наблюдений за изменениями Е на станции Цугшпитце, обработанные методом наложенных эпох относительно моментов солнечных вспышек в линии
На, представлены на рис. 1 [5].
Из рис. 1 видно, что в интервале от -4 до +4 суток, считая от дня вспышки (нулевой день), амплитуды вариаций Е в целом незначительны и в среднем < 2%, что находится в пределах погрешности измерений.
Подобное исследование было повторено Р. Рейтером позже в периоды времени с 1967 по 1971 гг. и с 1977 по 1981 гг. (всего было рассмотрено 125 случаев) [6]. Основное отличие повторного исследования заключалось в использовании не всех вспышек класса > 2, наблюдавшихся на диске Солнца, а только тех, которые произошли в интервале гелио-долгот между 20°\У и 20° Е. Это исследование привело к качественно и количественно новому результату (рис. 2).
100 80 60 40
20
0
-20
Рис. 2. Относительные изменения напряженности электрического поля Е на станции Цуг-шпитце до, во время и после солнечных вспышек балла > 2, произошедших в интервале ге-лиодолгот между 20°Ж и 20°Е. Обработка данных проведена методом наложения эпох по 125 событиям. Наблюдения охватывают периоды 1967— 1971 и 1977— 1981 гг. Нулевой день соответствует моменту появления вспышки. Вертикальные отрезки показывают среднеквадратичные отклонения [б].
Как видно из рис. 2, максимум Е наблюдался на второй день после вспышки, а уве личение Е составило 64%. Представленная на рис. 2 зависимость Е в интервале от -о до +6 суток, считая от дня вспышки, означает, что в глобальном масштабе грозовая активность возрастает на ~ 60% и достигает своего максимального значения примерно
через двое суток после вспышки на Солнце. Рост грозовой активности начинается за (2 - 3) суток до момента наблюдения максимума Е. В течение (2 - 3) дней после максимума происходит спад грозовой активности. Ниже изложено объяснение полученного результата.
Вспышки на Солнце и грозовая активность. Продолжительность вспышек на Солнце (вспышек вЯ„и мягком рентгеновском излучении) лежит в пределах от нескольких минут до нескольких часов [7]. В течение этого промежутка времени наблюдается многократное усиление УФ- и Х-излучений Солнца.
Указанные излучения, попадая в атмосферу Земли, производят усиленную ионизацию в ионосфере, что сопровождается усилением грозовой активности и, соответственно, интенсивности атмосфериков. В связи с тем, что из-за рекомбинации ионов усиленная ионизация воздуха сохраняется в течение не более нескольких десятков минут после вспышки, повышенная грозовая активность и повышенная интенсивность атмосфериков во время вспышек должны наблюдаться в течение промежутка времени не более, чем несколько часов. Наблюдения показывают, что между возникновением вспышки и увеличением интенсивности атмосфериков задержка во времени порядка десятка минут [8]. Это значит, что во время вспышки усиление грозовой активности и интенсивности атмосфериков происходит под действием усиленного электромагнитного (а не корпускулярного) излучения Солнца. Продолжительность повышенной грозовой активности во время вспышки примерно равна длительности вспышки и не превышает нескольких часов. Однако, согласно рис. 2, повышенная грозовая активность наблюдается и в течение нескольких суток.
Активные области на Солнце, солнечный ветер и грозовая активность. Известно, что вспышки тесно связаны с активными областями на Солнце и происходят в основном в молодых и развитых активных областях [9]. Поэтому для объяснения результатов, полученных Р. Рейтером и представленных на рис. 2, следует рассматривать не только сами вспышки на Солнце, но и активные области, внутри которых они происходили.
Из рис. 2 видно, что максимум грозовой активности наблюдается через ~ 2 дня после вспышки. Если бы на грозовую активность влияло только электромагнитное излучение Солнца, то трудно было бы ожидать такой большой задержки во времени (время распространения электромагнитного излучения от Солнца до Земли около 8 минут). Это значит, что на грозовую активность влияет не только усиленное электромагнитное излучение Солнца от солнечных вспышек, но и корпускулярное излучение из активной области, которое распространяется от Солнца со скоростью V = R/t ss 900 км/с, где
R - расстояние от Солнца до Земли и t — время распространения излучения, равное 2 суткам. Найденная величина V указывает на то, что вариации Е, представленные на рис. 2, могут быть обусловлены корпускулярным излучением, а точнее солнечным ветром, исходящим из активной области Солнца.
Обычно различают три вида солнечного ветра: спокойный - скорость на орбите Земли 300 - 400 км/с; связанный с хромосферными вспышками (активными областями на Солнце) - скорость может достигать 1000 км/с и более; связанный с корональными дырами на Солнце - скорость достигает 700 - 800 к м/с [10]. Найденное значение \ соответствует высокоскоростному солнечному ветру, исходящему из активной области Солнца, где наблюдаются вспышки.
Известно, что уходящий из активной области поток высокоскоростного солнечного ветра W в сечении плоскостью имеет в полярных координатах (г,</?) диаграмму направленности W(0, (р) в виде лепестка, ширина которого порядка 90° [11]. Поэтому, если увеличение Е связано с высокоскоростным солнечным ветром от активной области, то зависимость Е от угла вращения Солнца ip (этот угол определяется скоростью вращения Солнца, которая постоянна и равна 13.2°/сутки) должна также иметь вид лепестка. Как оказалось, построенная в соответствии с рис. 2 диаграмма Е(в, ip) соответствует форме лепестка, ширина которого ~ 70°.
Представленную на рис. 2 зависимость Р. Рейтер не мог получить в случае, когда он рассматривал все вспышки, которые наблюдались на диске Солнца на разных < лиографических широтах и долготах и находились в разных активных областях (рис. 1). Максимумы диаграмм направленности этих областей в целом были направлены не в сторону Земли. Влияние активной области на грозовую активность максимально, если эта область находится на низких гелиоширотах вблизи центрального меридиана Солнца. Если же она находится в других областях диска Солнца, то ее влияние на грозовую активность и, соответственно, на величину Е значительно ослаблено. Этим можно объяснить тот факт, что обнаруженные в период с 1954 по 1959 гг. изменения электрического поля (рис. 1) в среднем были < 2% [5]. Р. Рейтеру удалось выделить однозначно определенный эффект лишь в том случае, когда он сконцентрировал данные о вспышках, происшедших между 20°Е и 20°W, т.е. данные, соответствующие прохождению активной области через центральный меридиан Солнца (рис. 2).
Кроме того известно, что с высокоскоростными потоками также связана секторная структура магнитных полей в солнечном ветре. На второй день после пересечения границы сектора интенсивность магнитного поля и скорость солнечного ветра доен:
гает максимума, возрастает геомагнитная возмущенность. За оборот Солнца могут наблюдаться два или более секторов, сопровождающиеся высокоскоростными потоками солнечного ветра [10]. Эти потоки также могут влиять на грозовую активность.
Кроме тех результатов, которые представлены на рис. 1 и 2, имеются другие резуль таты, полученные Р. Рейтером на станции Цугшпитце. Они показывают, что максимум напряженности электрического поля Е наблюдался на вторые сутки после пересечения границы секторов (переход из отрицательного сектора в положительный /+). При этом увеличение Е достигало 20% [6]. Эти результаты свидетельствуют о возрастании глобальной грозовой активности после пересечения границ секторов. Наиболее вероятная причина этого возрастания также связана с высокоскоростным солнечным ветром.
Таким образом, в результате анализа данных, полученных в [5, 6], можно сделать следующее заключение. На глобальную грозовую активность на Земле влияют активные области, находящиеся на Солнце. Это влияние осуществляется через исходящий из них высокоскоростной поток солнечного ветра. В связи с тем, что диаграмма, направленности этого потока имеет вид лепестка, а скорость его распространения около 1000 км/с, грозовая активность максимальна примерно через 2 суток после прохождения активной области через центральный меридиан Солнца, когда поток достигает Земли. На грозовую активность влияют также электромагнитные Х- и УФ-излучения вспышки, однако это влияние непродолжительно по времени.
Высыпание электронов из магнитосферы под действием гроз. Высокоскоростной солнечный ветер проникает на большие глубины в магнитосферу и является главным поставщиком в нижнюю магнитосферу заряженных частиц (электронов и протонов). Чем выше скорость и концентрация частиц этого ветра, тем выше там концентрация электронов и протонов. Из-за наличия геомагнитного поля проникнуть из нижней магнитосферы в ионосферу и далее в стратосферу частицы солнечного ветра при отсу I ствии внешнего электрического поля не могут. В то же время наблюдения, проведенные с помощью спутников, ракет и наземных технических средств, указывают на то, что высыпание электронов из магнитосферы в ионосферу и далее к вершинам грозовых облаков в действительности наблюдается.
Во время полетов орбитальной станции "Мир", которые происходили на высотах порядка нескольких сотен км: были зарегистрированы высыпающиеся из нижней магнитосферы в ионосферу электроны с энергиями в несколько десятков и даже сотен кэВ. Эти электроны наблюдались при пролетах станции в области геомагнитного экватора и низких широт в районах грозовых очагов [12]. Как известно, распределение наиболь
шей плотности молниевых разрядов в течение года отмечается в тропических широтах и наблюдается над континентами в этих трех грозовых очагах (Азиатский (йндокитни ский), Африканский и Американский (Центральная Америка и северная часть Южной Америки)).
Проведенные наблюдения свидетельствуют о том, что квазипостоянное и низкочастотное переменное электрические поля от находящихся в очагах грозовых облаков проникают в магнитосферу. Под действием этих полей из нижней части магнитосферы в ионосферу высыпаются электроны, которые затем движутся к вершинам грозовых облаков.
Высыпания электронов происходят потому, что в грозовых очагах находятся неском-пенсированные положительные заряды. Геометрический размер такого заряда примерно равен радиусу грозового очага, т.е. порядка 2000 км. Создаваемое зарядом электрическое поле проникает на магнитосферные высоты.
Образование нескомпенсированного квазистационарного положительного заряда над грозовым очагом можно объяснить следующим образом. В глобальных масштабах 'Земля вместе с ее атмосферой имеет близкий к нулю электрический заряд. В то же время в локальных масштабах на Земле могут присутствовать избыточные заряды одного знака. Из грозовых очагов, внутри которых во время молниевых разрядов образуются большие количества разноименных зарядов, молнии переносят на поверхность Земли преимущественно отрицательный заряд. В связи с тем, что Земля имеет достаточно высокую электропроводность, он за короткое время растекается по всей ее поверхности. При этом положительный заряд, оставшийся в грозовых облаках, течет от их вершин в ионосферу и далее из ионосферы к поверхности Земли. Из-за достаточно низкой электропроводности атмосферы над вершиной грозовых облаков плотность этого заряда в районах грозовых очагов значительно выше, чем плотность отрицательного заряда в поверхностном слое Земли. Поэтому над грозовыми облаками образуются избы точные положительные заряды. Величина этих зарядов зависит от грозовой активно« ; и и от степени ионизации атмосферы [13 - 14].
Известны результаты измерений напряженности электрического поля Ет в маг ни тосфере, проведенные на спутнике 1БЕЕ-1 [15]. Эти измерения показали, что на дневной стороне, когда грозовая активность максимальна, вблизи магнитопаузы наблюдаю т сильные импульсные электрические поля с напряженностью до 10 - 15 мВ/м. Механизм непосредственного влияния Солнца на Ет неизвестен. Наиболее вероятно, ч го источником наблюдаемых полей были грозовые облака, потому что грозовая актив-
ность максимальна на дневной стороне.
Под действием положительного заряда грозового очага электроны высыпаются из магнитосферы и из ионосферы, что приводит к уменьшению концентрации электронов и в магнитосфере и в ионосфере. К сожалению, наблюдения за вариациями концентраци й электронов в магнитосфере над грозовыми очагами отсутствуют. В то же время наблюдения за ионосферой показывают, что высотное распределение максимума электронной концентрации в слое Е2 имеет выраженную впадину, середина которой находится на магнитном экваторе, а максимум (гребни) вокруг нее располагаются на широтах от 15 до 20° к северу и к югу [16]. Наличие этой впадины можно объяснить тем, что грозы, интенсивность которых максимальна в тропических широтах, вызывают высыпания электронов из .Р2-области в £>-область. Как известно, около 70% всех гроз "гремит в тропических широтах.
О высыпании электронов из магнитосферы свидетельствует также появление на низких магнитных широтах на высотах (300 - 500) км относительно яркой красной "тропической дуги". Основной причиной свечения считают возбуждение молекул кислорода электронами, ускоряемыми электрическими полями [16].
Имеются другие наблюдения, свидетельствующие в пользу того, что грозовые облака высыпают электроны из F2-oблacти. Наблюдения на мировой сети ионосферных станций показали наличие противофазной унитарной вариации критической частоты /о .Р2-слоя и грозовой активности [17]. Это значит, что при максимуме грозовой активности наблюдается минимум концентрации электронов в Е2-слое, что можно объяснить высыпанием электронов из этого слоя.
Над грозовыми облаками в /^-области ионосферы имеют место повышенные концентрации электронов [18]. Этот факт можно объяснить тем, что высыпающиеся из магнитосферы и верхней ионосферы электроны эффективно тормозятся в /^-области, где наблюдается повышенная плотность воздуха, и при торможении производят дополнительную ионизацию £)-области.
В последнее время со спутника "Космос-1809", который летал на высоте % 950 к л«, было обнаружено, что в районах зарождения и развития тропических штормов и тайфунов наблюдались аномально высокие значения (до ~ 20 мВ/м) квазистационарного электрического поля Е, т.е. меры грозовой активности (в нормальных условиях Е < 1 мВ/м) [20].
Известны также другие наблюдения, свидетельствующие о высыпании электронов из магнитосферы под действием гроз [20 - 21].
При высыпании электронов из магнитосферы к вершинам грозовых облаков теме I электрический ток, увеличивающий грозовую активность. Величина тока, текущего из магнитосферы к вершинам грозовых облаков тем больше, чем выше концентрация электронов и ионов в магнитосфере, ионосфере и стратосфере в столбах воздуха, находящихся над вершинами грозовых облаков.
Основные ионизаторы атмосферы. Концентрация электронов и ионов в магнитосфере зависит, главным образом, от скорости (и менее от плотности) солнечного ве . ра. проникающего в магнитосферу. Чем выше его скорость, тем глубже он проникае: в магнитосферу, тем выше концентрация электронов в нижней магнитосфере, тем больше ток, текущий из магнитосферы к вершинам грозовых облаков и тем выше грозовая активность.
Концентрация электронов и ионов в ионосфере зависит, главным образом, от ионизующих воздух ультрафиолетового (УФ) и рентгеновского (X) излучений Солнца. Эти излучения сильно (на порядки) возрастают во время вспышек на Солнце. Они достигают максимальных значений в периоды максимумов 11-летних циклов солнечной активности. Указанные излучения Солнца проникают в атмосферу на максимальную глубину в экваториальных широтах. Поэтому их влияние на грозовую активность наи более значительно в области тропических широт.
Концентрация ионов в стратосфере (высоты от ~ 10 до ~ 50 км) зависит, главным образом, от интенсивности 1КЛ первичных и вторичных космических лучей (ГКЛ), ко торые ионизуют воздух. Из-за наличия у Земли магнитного поля эта интенсивно« : максимальна в области геомагнитных полюсов и минимальна в области геомагнитного экватора (тропические широты). С течением времени значения 1КЛ изменяются на разных географических широтах по-разному [22].
В приземном слое атмосферы наиболее сильная ионизация воздуха наблюдается в горных районах, т.к. там в воздухе присутствует избыточное содержание радона и радиоактивных продуктов его распада. По этой причине грозовая активность в горах, как правило, выше, чем в других районах.
Из вышеизложенного следует, что грозовая активность не может быть одинаковой в разных географических районах земного шара. Она должна зависеть как от наличия активных областей и корональных дыр на Солнце (т.е. от наличия высокоскоростного солнечного ветра), от их расположения относительно центрального меридиана Солнца, от вспышек на Солнце, от временных вариаций галактических космических лучей, та) и от орографических особенностей местности и от сезона года.
Влияние активных областей Солнца на погоду на Земле. Во время гроз выделяется большое количество скрытой теплоты, наблюдаются мощные воздушные потоки и выливаются ливневые осадки. Поэтому с грозами часто связаны ливни, штормы, ураганы и другие аномальные изменения погоды.
Как было показано выше, через ~ 2 суток после прохождения активной области через центральный меридиан Солнца в регионах грозовых очагов должны наблюдаться существенные изменения погоды. С течением времени эти изменения погоды могут переноситься в другие регионы земного шара. Ниже приведены доказательства, свидетельствующие о том, что указанные изменения должны наблюдаться и в действительности наблюдаются.
Энергию, выделяемую в атмосфере при формировании грозовых облаков, можно оценить следующим образом. Электрическая мощность одного грозового облака (108 — 109)Вт. Она рассчитывается по току, текущему через облако, и напряжению между вершиной и основанием облака. Величина тока, текущего между ионосферой и облаком, измерялась на специально оборудованном самолете В-29 [13] и на аэростатах [23]. Измерения показали, что среднее значение этого тока ~ 1 А. Расчетное значение напряжения между вершиной и основанием облака (108 — 109) В [24]. На Земле одновременно "гремит" около 2000 гроз [24 - 25]. Поэтому суммарная электрическая мощность гроз в глобальном масштабе равна (2- 10й -2 -1012) Вт, т.е. она сравнима с мощностью всех работающих на земном шаре электростанций.
С учетом того, что время электрической активности одного грозового облака около 0.5 часа, за сутки в глобальном масштабе образуется около 105 грозовых облаков. В процессе образования грозовых облаков в атмосферу выделяется скрытая теплота, равная теплоте парообразования. При образовании одного грозового облака количество выделяемой скрытой теплоты лежит в пределах 1014 — 1015 Дж, а за сутки в глобальном масштабе ее выделяется (1019 — 1020)Дж. В атмосфере как в тепловой машине происходит преобразование тепловой энергии в кинетическую. КПД этой машины ~ (1 —2)% [26]. Поэтому кинетическая энергия, появляющаяся при преобразовании в атмосфере скрытой теплоты, равна ~ (2 • 101' — 2 • 1018) Дж. Она достаточна для образования одного циклона за одни сутки. Соответственно, она достаточна для заметного изменения погоды.
Количество воды, выливаемой из грозовых облаков, можно оценить следующим образом. Как показано в [27], водосодержание грозового облака и его электрическая активность (количество молний в минуту) связаны между собой законом, приближаю
ицимся к линейному. Водосодержание среднего грозового облака с электрической актив ностью ~ 10 молний в минуту (это суммарное число внутриоблачных и облако-земля молний) составляет около 200000 тонн воды. При общем числе грозовых облаков 10; появляющихся за сутки, количество выливаемой из них воды ~ 2 • Ю10 тонн.
Приведенные выше оценочные расчеты показывают, что при изменениях г розово.: активности на Земле должны происходить заметные погодные изменения. Как показал:, наблюдения Р. Рейтера, при прохождении активной области через центральный меридиан Солнца усиление грозовой активности достигает 60%. Если указанные изменения происходят, то они должны наблюдаться.
Наблюдать одновременно за изменениями грозовой активности и погоды на Земле весьма сложно. Это связано с тем, что грозовые облака появляются не везде и не так часто, их размеры и время жизни весьма ограничены (порядка 2 км в радиусе и ~ 1 час во времени). Кроме наблюдений Р. Рейтера, имеются спутниковые наблюдения за изменениями грозовой активности, однако их продолжительность невелика менее 2-х лет [28]. По указанным причинам в настоящее время отсутствуют прямые данные, свидетельствующие о связи погоды с грозовой активностью. В то же время имеются косвенные доказательства того, что такая связь существует. К таким доказательствам можно отнести следующие многолетние наблюдения.
В Европе в конце 1920-х годов попытки практического применения данных о солнеч ной активности к метеорологическим прогнозам были произведены Мирбахом и Ауфзе< сом [29]. Мирбаху удалось подметить, что число циклонов заметно увеличивается, когда активная область располагается близ центра Солнца. (Этот факт можно объяснить лепестковым характером диаграммы направленности ветра из активной области Солнца.) Основываясь на этом, Мирбах время от времени давал прогнозы. В частности, он upe дупредил французских летчиков, планировавших в начале 1927 г. первый перелет из Франции в США, о возможности в ближайшее время развития штормовой ситуации над Атлантикой ввиду того, что в день, намеченный для вылета, из-за края Солнца вышла большая группа пятен. Его прогноз оправдался. Шторм послужил причиной гибели французских пилотов.
Во Франции изучением связи погоды с солнечной активностью занимался Мемери [30]. На основе многолетних наблюдений он делал успешные прогнозы о суровых зимах и жарких летах. Он указывал, что пятна, расположенные на небольших гелиограф! ческих широтах, оказывают более сильное влияние на земные явления, чем высокоши ротные. Этот установленный им факт объясняется тем, что диаграмма направленности
высокоскоростного ветра активной области Солнца имеет вид лепестка.
В России изучением связи погоды с солнечной активностью занимался А. В. Дьяков. Он еще в 1938 г. обнаружил систематическое появление потоков тропического воздуха над территорией Западной Сибири спустя 3-4 суток после прохождения активной области через центральный меридиан Солнца. Наблюдая регулярно за поверхностью Солнца с 1940 по 1972 гг. он давал успешные прогнозы погоды для западной Сибири [31]. Высокую оправдываемость прогнозов А. В. Дьякова можно объяснить усилением грозовой активности в тропиках через 2 суток после прохождения активной области через центральный меридиан Солнца и далее переносом теплого воздуха из тропиков на Алтай в течение следующих двух суток.
В США У. Роберте и Р. Олсон [32, 33] обнаружили, что завихренность атмосферы (мера циклогенеза) значительно увеличивается через 3-4 суток после начала геомал нитной бури. Дж. Уилкокс и др. [34] показали затем, что индекс атмосферной завихрен ности, применявшийся У. Робертсом и Р. Олсоном, реагирует таким же образом и на пересечение Землей границ солнечных магнитных секторов.
Влияние грозовых облаков на сейсмичность Земли. Из грозовых облаков выпадаю ! как правило, ливневые осадки. Их скорость лежит в пределах от 8м/с (капли дождя) до 16 м/с (крупа) [35]. Как было показано выше, масса осадков, выпадающих из одного облака средних размеров, составляет ~ 2 • 105 го, а за сутки в глобальном масштабе из грозовых облаков выпадает ~ 2 • Ю10 го. Эти осадки оказывают большое давление на земную кору и верхнюю мантию и, тем самым, влияют на глобальную сейсмичность Земли.
В работах А. Д. Сытинского [36, 37] рассмотрен вопрос о связи времени возникновения сильных землетрясений с наличием и положением активных областей на Солнце. Как оказалось, землетрясения происходят в среднем на 3 день после прохождения ак тивной области через центральный меридиан. Землетрясения происходят также в дни прихода к Земле высокоскоростного ветра от корональных дыр. Результаты этих исследований свидетельствуют в пользу того, что связь сейсмичности Земли с активными областями и корональными дырами на Солнце осуществляется посредством высокоскоростного солнечного ветра через грозовую активность на Земле. В связи с тем, что активные области и корональные дыры вращаются вместе с Солнцем, имеется возможность учета вариаций солнечной активности при прогнозировании изменений глобальной сейсмической активности Земли.
Инверсии геомагнитного поля и грозовая активность. Грозовая активность долж-
на зависеть также от величины напряженности геомагнитного поля. Чем меньше эта величина, тем на большую глубину должен проникать высокоскоростной солнечный ветер в атмосферу и тем выше должна быть грозовая активность. Максимум грозовой активности должен наблюдаться в периоды инверсий геомагнитного поля, когда напряженность геомагнитного поля снижается до нуля. В эти периоды должны быть максимальными угловая скорость суточного вращения, сейсмичность и вулканическая деятельность (излияние лавы) на Земле. Вулканы и землетрясения - это разные проявления одних и тех же геологических процессов [38]. Как показано в [38], при излиянии 1 млн.км3 лавы (этот процесс длится несколько тысяч лет) в атмосферу поступает не менее 1014 тонн Си примерно столько же СН4 (общее содержание С0-2 в современной атмосфере 2.3 ■ 1012 тонн). В результате излияния лавы и парникового эффекта, связанного с избыточным содержанием этих газов в атмосфере (парниковый эффект от метана СЩ превосходит в 35 раз аналогичный эффект от СО2), должны происхо дить таяние ледников и эвстатические ("вековые") колебания уровня Мирового океана, изменения химического и изотопного состава океанической воды, климата и рельефа.
В периоды инверсий геомагнитного поля из-за повышенной грозовой активное 1 и должны наблюдаться большие выливания магмы, избыточное содержание СО2 и СН\. недостаток О2 и, как следствие, вымирание организмов. Об этом свидетельствуют фа нерозойские мантийные плюмы и массовые вымирания организмов (в том числе динозавров) на Земле [39].
Известно, что в последнее время наблюдается уменьшение магнитного поля Земли на ~ 0.5% в десятилетие [40]. Оно должно сопровождаться повышением грозовой активности, усилением вулканической активности, парникового эффекта. В какой-то части оно может быть ответственным за наблюдаемое потепление климата.
Заключение. В результате анализа многолетних данных о наблюдениях за вариациями напряженности электрического поля в горах, которые характеризуют вариации глобальной электрической активности гроз, и данных об изменениях солнечной активности сделан вывод о том, что максимальная грозовая активность наблюдается на Земле примерно через 2 суток после прохождения активной области через центральный меридиан Солнца. В эти моменты времени грозовая активность возрастает на десят ки процентов (до > 60%), что может приводить к усилению ливней, штормов, ураганов в определенных регионах земного шара. Наблюдения подтверждают этот вывод. Грозовая активность усиливается также при попадании Земли в высокоскоростной поток солнечного ветра, исходящий из корональных дыр.
Активная область появляется сначала на краю диска Солнца, поэтому имеется возможность прогнозирования моментов ее появления на центральном меридиане и учета влияния этой области при краткосрочном прогнозировании изменений погоды (на несколько суток). Большие активные области существуют на Солнце в течение несколь ких оборотов Солнца, поэтому имеется возможность учета солнечной активности при долгосрочном прогнозировании изменений погоды, а возможно и сейсмической активности.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства промышленности, науки и технологий РФ (тема 14: Взаимодействие гелиокосмических факторов с атмосферой Земли).
ЛИТЕРАТУРА
[1] Ermakov V.I.,Stozhkov Yu.I. Proceedings of IIth International Conference on Atmospheric Electricity, USA, Alabama, 1999, p. 242.
[2] E p м а к о в В. И., С т о ж к о в Ю. И. Препринт ФИАН N 25, М., 2002.
[3] Ермаков В.И. Геомагнетизм и аэрономия, 40, N 1, 129 (2000).
[4] JI и в и н г с т о н У. К. В кн.: Солнечно-земные связи, погода и климат. Под ред. Б. Мак-Кормака и Т. Селиги. М., Мир, 1982, с. 61.
[5] Р е й т е р Р. В кн.: Солнечно-земные связи, погода и климат. Под ред. Б. Мак-Кормака и Т. Селиги. М., Мир, 1982, с. 275.
[6] R е i t е г R. Phenomena in Atmospheric and Environmental Electricity. Amsterdam: Eesevier, 1992.
[7] Солнечная и солнечно-земная физика. Иллюстрированный словарь терминов. М.. Мир, 1980.
[8] Ч а л м е р с Дж. А. Атмосферное электричество. Пер. с англ. Д., Гидрометео-издат,1974.
[9] Витинский Ю. И. Солнечная активность. М., Наука, 1983.
[10] Космические лучи и солнечный ветер.Новосибирск, Наука, 1981.
[11] Физика космоса. Маленькая энциклопедия. М., Советская энциклопедия, 1986, с. 636.
[12] Братолюбова-Цулукидзе Л. С., Грачев Е.А ., Григорян О. Р., Н е ч а е в О. Ю. Космические исследования, 39, N 6, 602 (2001).
[13] G i s h О. Н. and W a i t G. R. Journal of Geophysical Research, 55, N 4, 473 (1950).
J1 е б JI. Основные процессы электрических разрядов в газах. M-JL, ГТТЛ, 1950. Heppner J. Р., М а у n а г d N. С., and A g g s о n Т. L. Space Science Reviews, 22, N 6, 777 (1978).
Ришбет Г., Гарриот О. К. Введение в физику ионосферы. Л., Гидроме-теоиздат, 1975.
Кузнецов В. В., Плоткин В. В., Нестерова Г. В., Нестерова И. И. Геомагнетизм и аэрономия, 38, N 2, 107 (1998).
Гоков А. М.,Тырнов О. Ф. Геомагнетизм и аэрономия, 38, N 1, 184 (1998). Исаев Н. В., Сорокин В. М., Чмырев В. М., Серебрякова О. Н., Я щ е н к о А. К. Космические исследования, 40, N 6, 591 (2002). Goldberg R. А., В а г с u s J. R., Н а 1 е L. С., С u г t i s S. A. Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, 48, N 3, 293 (1986).
К e 1 1 e у M. C., Ding J. C., and Holzworth R. H. Geophysical Research Letters, 17, N 12, 2221 (1990).
Ермаков В. И., О х л о п к о в В.П.,Стожков Ю. И. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 10, 18 (2002).
S t е г g i s С. G., Rein G. С., and К a n g a s T. Journal of Atm. Terr. Physics, 11, 77 (1957).
Марксон P. В кн.: Солнечно-земные связи, погода и климат. Под ред. Б. Мак-Кормака и Т. Селиги. М., Мир, 1982, с. 242.
Brooks С. Е. P. Geophysics and Meteorologie, London, 24, 138 (1925). Бо.рисенков E. П. В сб.: Солнечно-атмосферные связи в теории климата и прогнозах погоды. Л., Гидрометеоиздат, 1974, с. 111.
Schrooder V. and Baker М. В. Proceedings of 11<А International Conference on Atmospheric Electricity. Alabama, USA, June 7 - 11, 1999 p. 276. С r i s t i a n H. J., В 1 a k e s 1 e e R. J., В о s s i p i о D. J., et al. Proceedings of \\th International Conference on Atmospheric Electricity, Alabama, USA, June 7 11, 1999, p. 726.
Эйгенсон M. С., Гневны шев M. H., Оль А. И., Рубашев Б. М. Солнечная активность и ее земные проявления. М-Л., ГТТИ, 1948. Memery Н. L'Action individuelle des Taches solaries sur les phenomenes terrestres. Talence, 1948, p. 40.
Дьяков А.В В сб.: Солнечно-атмосферные связи в теории климата и прогнозах погоды. Л., Гидрометеоиздат, 1974, с. 307.
[32] Roberts W. О. and О 1 s о n R. Н. Rev. Geophys. Space Phys., 11, N 3, 731 (1973).
[33] Roberts W. 0. and О 1 s о n R. H. J. Atmos. Sei., 30, 135 (1973).
[34] Wilcox J. M., S с h e r r e r P. H., S v a 1 g a a r d, R о b e r t s W. 0., and Oison RH. Science, N 180, 185 (1973).
[35] Каземир Г. В кн: Проблемы атмосферного электричества. JL, Гидрометео-издат, 1969, с. 146.
[36] Сытинский А. Д. Доклады Академии Наук СССР, 295, N 2, 338 (1987).
[37] Сытинский А. Д. Известия Академии Наук СССР. Физика Земли, N 2, 13 (1989).
[38] Э й б и Дж. А. Землетрясение. М., Недра, 1982.
[39] Грачев А. Ф. Мантийные плюмы и массовые вымирания организмов в истории Земли. Атлас временных вариаций природных антропогенных и социальных процессов.:"Янус-К2", 2002, с. 93.
[40] А л л е н К. У. Астрофизические величины, М., Мир, 1977.
Поступила в редакцию 16 марта 2003 г.
