Физика Земли, 2022, № 4, стр. 56-70

1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время наблюдается беспрецедентное увеличение количества опасных по негативным последствиям для человека и его производственной деятельности атмосферных явлений в виде ураганов, шквалов, ливневых осадков с затоплением значительных по размеру территорий, а также сильных гроз. Считается, что эти погодные катаклизмы связаны с изменением земного климата, а точнее, как это постоянно отмечается Межправительственной группой экспертов ООН по изменению климата (IPCC) [Climate, 2021], с глобальным потеплением на планете.

Мощные атмосферные явления, как правило, являются следствием мощной циклонической деятельности. Действительно, отмечаемые нарушения сезонного хода повторяемости мощных циклонов и их распределения по земной поверхности приводят к сложным и весьма изменчивым погодным условиям. Вероятнее всего это связано с увеличением контрастности термобарических зон и изменением направлений глобальных воздушных потоков в атмосфере Земли. В результате изменяются длительности синоптических периодов, и главное – увеличивается количество локальных природных явлений с опасными последствиями.

Традиционно описание мощных атмосферных явлений и прогноз их негативных последствий основываются на анализе метеорологической обстановки [Алексеева, 2017; Атмосфера, 1991; Губенко, Рубинштейн, 2017; и др.]. Однако, как показывает опыт, указанный подход характеризуется известной неопределенностью в оценках конкретного района, времени, а главное интенсивности самого явления и его последствий. В связи с этим представляет интерес рассмотрение геофизических эффектов, сопровождающих мощные атмосферные явления, и не только с точки зрения полноты их описания, но также с целью разработки прогностических признаков [Спивак, Рябова, 2022; Спивак и др., 2019].

Следует отметить, что по негативным последствиям особый интерес представляет рассмотрение атмосферных явлений, которые происходят при прохождении холодных атмосферных фронтов 2-го рода, характеризующихся достаточно высокой скоростью распространения и мощными турбулентными движениями воздушных масс [Атмосфера, 1991]. В этом случае формирование в окрестности линии атмосферного фронта и вдоль его фронтальной поверхности активной атмосферной ячейки, представленной мощными конвективными потоками, осложненными спиралеобразными движениями воздушных масс, вызывает не только волновые движения в атмосфере, но также электрические и магнитные эффекты [Адушкин и др., 2021; Кузнецов и др., 2007; Пхалагов и др., 2009]. Одновременно с этим фронт проявляется в изменениях характеристик сейсмического шума [Adushkin et al., 2008; Loktev, Spivak, 2008], генерация которого происходит в результате упругой реакции земной среды на вариации гравитационного поля атмосферного фронта [Muller, Zurn, 1983].

Вызванные фронтальными возмущениями внутренними гравитационными волнами (ВГВ), скорость распространения которых v_g превышает скорость продвижения атмосферного фронта v_f [Грачев и др., 1994; Spivak et al., 2018c], опережают фронт и регистрируются до его прихода в пункты регистрации, что является основанием для разработки прогностических признаков приближающегося сильного атмосферного события. При этом возникает потенциальная возможность оценивать масштаб негативных последствий этого события на основе анализа амплитудных и спектральных характеристик предвестника [Адушкин, Спивак, 2014].

В настоящей работе демонстрируются геофизические эффекты мощных атмосферных фронтов, а также предлагается новый подход к разработке комплексного прогностического признака, основанного на совместном анализе микробарических вариаций и вариаций электрических характеристик и магнитного поля приземной атмосферы в периоды времени, предшествующие приходу опасного по последствиям атмосферного фронта.

2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

В качестве исходных данных использовались цифровые ряды инструментальных наблюдений, выполненных на среднеширотной Геофизической обсерватории “Михнево” (ГФО MHV) ИДГ РАН¹¹ (GEO: 54.95° с.ш., 37.73° в.д.; СGМ: 51.12° с.ш., 11.79° в.д.) и Центра геофизического мониторинга г. Москвы (ЦГМ) ИДГ РАН (GEO: 55.71° с.ш., 37.57° в.д.) в периоды сильных возмущений атмосферы при прохождении холодных атмосферных фронтов, сопровождающихся ураганами, шквалами и сильными грозами. В общей сложности рассмотрено 23 события указанного типа, которые произошли за период 2009–2018 гг.

Анализировались результаты сейсмических наблюдений, регистрации микропульсаций атмосферного давления Р и вариаций напряженности электрического поля в MHV и ЦГМ, магнитного поля и атмосферного тока в MHV [Адушкин, Спивак, 2014]. Регистрация выполнялась в приземном слое атмосферы. Метеорологические параметры атмосферы (температура Т и влажность W воздуха, атмосферное давление Р₀, скорость ветра V, мощность солнечного излучения S₀) регистрировались с помощью цифровой автоматической метеостанции Davis Vantage Pro2.

Сейсмическая регистрация выполнялась с использованием сейсмометра STS-2 и цифровой сейсмической станции АЦСС-3 в диапазоне частот 0.008–100 Гц.

Микропульсации атмосферного давления амплитудой в диапазоне 0.01–200 Па измерялись с помощью микробарометров МБ-03 (полоса регистрации (по уровню –3 дБ) – 0.0003–10 Гц) [Адушкин и др., 2020].

Напряженность электрического поля (вертикальная компонента Е) измерялась с помощью электростатического флюксметра ИНЭП, который обеспечивает измерения Е в интервале от 1 В/м до 6–10 кВ/м в зависимости от конкретного экземпляра²² в частотном диапазоне 0–20 Гц [Адушкин и др., 2018]. Непрерывная регистрация вертикальной компоненты атмосферного тока I в MHV осуществлялась с помощью компенсационного регистратора тока с частотой опроса 1 Гц [Барышев и др., 2009]. Вследствие высокой временной вариабельности I в настоящей работе использовались ряды его абсолютных значений, усредненные по одноминутным интервалам.

Постоянная регистрация трех компонент магнитного поля B_x, B_y и B_z в направлениях соответственно: x – на географический север, y – на географический восток, z – вертикальная компонента вниз и их вариаций с периодами, превышающими 1 с, выполнялась c помощью трехкомпонентного магнитометра LEMI-018, обеспечивающего измерения в диапазоне ±68000 нТл с разрешением 10 пТл (частота опроса 1 Гц).

Обработка цифровых рядов с определением амплитудных, временных и спектральных характеристик рассматриваемых геофизических полей выполнялась с использованием методов анализа цифровых рядов и выделения полезных сигналов, предложенных в работе [Хаттон и др., 1989]).

3. ПРОЯВЛЕНИЕ МОЩНЫХ АТМОСФЕРНЫХ ФРОНТОВ В ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЯХ

Прохождение холодного атмосферного фронта сопровождается резкими изменениями в суточном ходе не только температуры воздуха Т, но также атмосферного давления Р₀, влажности воздуха W, скорости ветра V и мощности солнечного излучения S₀, что является следствием интенсивного формирования, как правило, мощной кучево-дождевой (с_b) облачности. В качестве примера на рис. 1 приведены результаты регистрации метеопараметров в период известного по своим негативным последствиям в г. Москва события – прохождения мощного холодного атмосферного фронта 29.05.2017 г. [Куличков и др., 2019; Spivak et al., 2018b].

Рис. 1.

Вариации метеопараметров в период прохождения сильного атмосферного фронта 29.05.2017 г. по данным ЦГМ (скорость ветра усреднена по 1 мин интервалу).

Как это видно из рис. 1, холодный атмосферный фронт, распространяющийся с юго-восточного направления, вызвал падение температуры воздуха на ~10°С и значительные изменения суточного хода метеопараметров, а также и усиление ветра, порывы которого достигали величины, превышающей 30 м/с.

Воздействие сильного холодного фронта 2-го рода на окружающую среду обусловлено несколькими факторами: 1) резким изменением атмосферного давления, оказывающего механическое действие на земную кору [Muller, Zurn, 1983]; 2) мощными движениями воздушных масс в атмосферной ячейке, порождающими помимо акустико-гравитационных волн (АГВ) и волны на частоте Брента–Вяйсяля и ниже [Данилов, Свертилов, 1991; Грачев и др., 1994; Кашкин, 2013; Куличков и др., 2017; 2019; Курдяева и др., 2019; Романова, Якушкин, 1995; Hines, 1960]; 3) формированием возмущенной области в ионосфере в эпицентральной зоне атмосферной ячейки, что вызывает модификацию ее электронной плотности и электрические токи и, как следствие, вариации электрических характеристик атмосферы и магнитного поля³³ [Скороход, Лизунов, 2012; Спивак, Рябова, 2022; Федоренко, 2017].

Вызванные фронтальными возмущениями ВГВ распространяются на значительные расстояния вследствие слабого затухания при распространении по атмосферному волноводу и являются значимым фактором, определяющим турбулентный характер возмущения приземной атмосферы на мезомасштабном и мелкомасштабном уровне и соответственно возмущения электрического и магнитного поля [Адушкин и др., 2020]. При этом скорость распространения ВГВ характеризуется величиной в районе 40–60 м/с, что в целом заметно превышает скорость движения холодного фронта 2-го рода, которая, как правило, находится в диапазоне 12–18 м/с и в редких случаях достигает 28 м/с [Атмосфера, 1991; Грачев и др., 1994; Spivak et al., 2018a]. Вследствие этого вызванные атмосферным фронтом микробарические вариации регистрируются до прихода фронта в точку наблюдения.

3.1. Отклик сейсмического шума на прохождение атмосферного фронта

Известно, что изменение атмосферного давления вносит определенные возмущения в микросейсмические колебания земной коры [Adushkin et al., 2008; Loktev et al., 1983; Spivak, 2008]. Вариации атмосферного давления, вызываемые мощными атмосферными фронтами, могут достигать по амплитуде 100–150 Па [Вощан, Спивак, 2017; Spivak et al., 2018b]. Это приводит к изменению амплитудных характеристик сейсмического шума. В качестве примера на рис. 2 приведены вариации амплитуды (скорости смещения) сейсмического шума A в период прохождении мощного холодного атмосферного фронта 29.05.2017 г. Подход фронта к точке регистрации в MHV зарегистрирован в ~10:45 UTC и вызвал падение температуры воздуха на ~5.5°С. Как это следует из рис. 2б, в это же время наблюдается увеличение A до ~18 мкм/с. При этом следует особо отметить, что возмущение сейсмического шума в виде заметного увеличения среднеквадратичного отклонения (СКО) регистрируется также и в период, предшествующий приходу фронта (рис. 2в). Эффект, выраженный в увеличении СКО до ~двух фоновых значений, явно проявляется примерно за 3 ч до прихода фронта, что объясняется опережающим распространением вызванного фронтом сейсмического возмущения.

Рис. 2.

Изменение температуры воздуха Т (а), вариаций амплитуд горизонтальных компонент сейсмического шума А (б), (в) и среднеквадратического отклонения амплитуды сейсмического фона СКО (г) в период прохождения сильного атмосферного фронта 29.07.2017 г. по данным MHV (пунктиром выделена область повышенных амплитуд СКО).

Другой пример характеризует изменение сейсмического шума в период прохождения холодного атмосферного фронта меньшей интенсивности. Фронт 11.07.2015 г. проявился в MHV примерно в 14:30 UTC (рис. 3) и сопровождался достаточно резким падением температуры воздуха на ~5°С. Так же как и в первом случае наблюдалось увеличение примерно на порядок амплитуды сейсмического шума, осложненное импульсными помехами в диапазоне частот от 4 до 7 Гц (рис. 3 и рис. 4). Частотный состав и поляризационные характеристики импульсных помех позволяют утверждать, что они носят локальный характер. Более того, по данным ISC (International Seismological Centre), в течение 24 ч до обсуждаемого явления не было землетрясений с магнитудой m_b > 6 на расстояниях меньше 110° и с m_b > 5 на расстояниях меньше 70° и, следовательно, импульсные сигналы не связаны с сейсмичностью Земли, а являются следствием приближения атмосферного фронта.

Рис. 3.

Изменение температуры воздуха Т и вариаций амплитуды сейсмического фона А в период прохождения сильного атмосферного фронта 11.07.2015 г. по данным MHV.

Рис. 4.

Спектрально-временная диаграмма вариаций амплитуды сейсмического фона в период прохождения сильного атмосферного фронта 11.07.2015 г. по данным MHV.

3.2. Волновой эффект в атмосфере

Мощные атмосферные фронты, сопровождающиеся ураганами, шквалами и сильными грозами, вызывают значительное увеличение микропульсаций атмосферного давления. В качестве примера на рис. 5 приведена амплитуда барических микропульсаций Р в период прохождения мощного атмосферного фронта 30.06.2018 г. Для сопоставления на том же рисунке приведен ход температуры воздуха Т.

Рис. 5.

Изменение температуры воздуха Т (а); амплитуды микробарических вариаций Р (б) в период прохождения сильного атмосферного фронта 30.06.2018 г. по данным MHV; (в) – фрагмент записи микробарических вариаций в увеличенном масштабе.

Из рис. 5 следует, что холодный атмосферный фронт, характеризующийся падением температуры воздуха на ~9°С, вызвал увеличение амплитуды микробарических вариаций Р до ~90 Па в период максимального изменения Т. Здесь следует отметить, что сходный с этим характер микробарического эффекта наблюдается при всех рассмотренных в настоящей работе событиях.

Более детальный анализ показывает, что микробарические возмущения, но меньшей амплитуды проявляются в периоды, предшествующие приходу атмосферного фронта. В качестве иллюстрации на рис. 5в приведен фрагмент записи микробарических вариаций в увеличенном масштабе. Как это следует из рис. 5в примерно за 2 ч до максимальных по амплитуде вызванных атмосферным фронтом микробарических вариаций, начиная с ~09:40 UTC, регистрируются повышенные микробарические вариации амплитудой до ~10 Па с периодом ~30 мин. Указанные вариации связаны с приходом в точку наблюдений ВГВ, распространяющихся в стратосферном волноводе в условиях устойчивой стратификации. Эффект возмущения микробарических вариаций до прихода фронта может свидетельствовать о потенциальном наличии краткосрочного акустического предвестника сильного атмосферного фронта.

3.3. Электрические эффекты мощных атмосферных фронтов

Как показывают данные наблюдений, интенсивные атмосферные и ионосферные возмущения, сопровождающие прохождение мощных атмосферных фронтов, вызывают значительные вариации напряженности электрического поля, амплитуда которых достигает 3000–6000 В/м и более. В качестве типичного примера на рис. 6 представлены вариации вертикальной компоненты электрического поля в период прохождения сильного атмосферного фронта через MHV 29.05.2017 г.

Рис. 6.

Вариации вертикальных компонент электрического поля Е и атмосферного тока I в период прохождения сильного атмосферного фронта 29.05.2017 г. по данным MHV.

Из рис. 6 следует, что в период максимальной скорости изменения температуры воздуха (рис. 2) наблюдаются значительные вариации атмосферного электрического поля и тока на земной поверхности. Максимальные амплитуды вариаций Е и I достигают соответственно ~4800 В/м и ~75 пА/м². При этом следует отметить безгрозовой характер рассматриваемого атмосферного фронта.

Анализ вариаций Е в период, предшествующий приходу атмосферного фронта, показывает, что за ~1.5–4 ч до периода максимальных вызванных фронтом вариаций электрического поля регистрируются повышенные вариации Е амплитудой до ~200 В/м (рис. 7).

Рис. 7.

Вариации электрического поля в периоды, предшествующие приходу атмосферного фронта в MHV (а) и ЦГМ (б) 29.05.2017 г. (пунктиром выделена область повышенных вариаций Е перед приходом атмосферного фронта).

Представляет определенный интерес рассмотрение вариаций электрического поля при прохождении атмосферного фронта с грозовой ячейкой. В этом случае на суточном ходе электрического поля отчетливо проявляются молниевые разряды. Причем, при достаточной чувствительности измерительного канала отчетливо регистрируются удаленные молниевые разряды за некоторое время до прихода атмосферного фронта в точку наблюдений. В качестве примера на рис. 8 представлены вариации Е, зарегистрированные в ЦГМ в период прохождения атмосферного фронта с грозовой ячейкой 18.08.2021 г. Атмосферный фронт, распространяющийся в северо-западном направлении, подошел к ЦГМ в ~13:42 UTC и вызвал резкое понижение температуры воздуха у земной поверхности соответственно на ~11°С. Средняя скорость изменения температуры составила ~0.17°С/мин при максимальном значении ~0.47°С/мин.

Рис. 8.

Вариации вертикальной компоненты напряженности электрического поля в приземной атмосфере при прохождении холодного атмосферного фронта 18.08.2021 г. по данным ЦГМ (стрелками 1 и 2 на врезке обозначены начала интервалов регистрации удаленных и местных молниевых разрядов).

Характер реакции атмосферного электрического поля на прохождение грозовой ячейки хорошо виден из врезки на рис. 8. Примерно за 10 мин до подхода фронта датчик электрического поля начал регистрировать удаленные молниевые разряды, затем в период с ~13:41 до ~13:51 UTC был отмечен период локальной, так называемой “сухой”, грозы, во время которой на записях электрического поля хорошо проявлялись молниевые разряды местного происхождения⁴⁴. Затем в период с ~13:51 до ~14:10 UTC наблюдалось уменьшение Е до отрицательных значений, что было вызвано сильными осадками. Однако и в этом случае на записях электрического поля отчетливо регистрировались молниевые разряды. Общая длительность возмущения электрического поля составила около 1 часа при максимальной амплитуде вариаций E более 3000 В/м.

3.4. Геомагнитные вариации, сопутствующие прохождению мощных атмосферных фронтов

Мощный атмосферный фронт сопровождается увеличенными вариациями индукции геомагнитного поля. В качестве примера рассмотрим геомагнитный эффект холодного атмосферного фронта 12.05.2021 г. Атмосферный фронт проявился резким снижением температуры воздуха в приземной атмосфере в MHV в период с ~14:15 UTC до 14:30 UTC (рис. 9). В ~14:30 UTC скорость спада температуры уменьшилась с 0.16 до 0.0018°С/мин. Выход температурного режима воздушных масс на стационарный режим состоялся в ~15:45 UTC. Таким образом общее время спада Т составило ~95 мин.

Рис. 9.

Изменение температуры воздуха у земной поверхности T (a) и вызванные вариации В_Н (б) в MHV в период прохождения холодного атмосферного фронта 12.05.2021 г.

Повышенные знакопеременные вариации горизонтальной, наиболее чувствительной к внешним возмущениям, компоненты индукции магнитного поля В_Н = ${{\{ B_{x}^{2} + B_{y}^{2}\} }^{{1/2}}}$ зарегистрированы, начиная с ~14:40 UTC, и продолжались в течение ~70 мин до ~15:50 UTC. При этом вариации В_Н характеризовались периодом ~25 мин и максимальной амплитудой ~75 нТл.

Отдельный интерес представляют геомагнитные вариации, вызванные прохождением грозовой ячейки. В качестве примера на рис. 10 представлены вариации В_Н, зарегистрированные в ЦГМ в период прохождения грозового атмосферного фронта 18.08.2021 г. (рис. 8).

Рис. 10.

Вариации горизонтальной компоненты индукции геомагнитного поля в период прохождения грозового фронта 18.08.2021 г. (пунктир – суточный ход В_Н ).

Следует отметить, что рассматриваемые сутки, как и период времени с 16.08.2021 г. по 20.08.2021 г. характеризовались низкой геомагнитной активностью (величина станционного К-индекса магнитной активности (MHV) приведена в табл. 1.

Таблица 1.  

Значение станционного (MHV) К-индекса магнитной активности

Дата	Время суток (UTC)
	0–3	3–6	6–9	9–12	12–15	15–18	18–21	21–24
16.08.2021 г.	2	1	2	1	3	2	1	2
17.08.2021 г.	1	1	0	3	2	2	0	2
18.08.2021 г.	2	1	1	2	1	1	2	0
19.08.2021 г.	0	0	0	2	2	1	1	1
20.08.2021 г.	0	1	2	2	3	3	2	0

Из рис. 10 следует, что атмосферный фронт вызвал увеличение В_Н на фоне естественных вариаций в виде положительной бухты в течение примерно 50–55 мин. При этом максимальная амплитуда вызванной вариации составила ~10 нТл.

4. ПРОГНОСТИЧЕСКИЕ ПРИЗНАКИ МОЩНЫХ АТМОСФЕРНЫХ ФРОНТОВ В ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЯХ

Как отмечалось выше, вызванные мощным атмосферным фронтом ВГВ распространяются на значительные расстояния вследствие слабого затухания при распространении по атмосферным волноводам и являются значимым фактором, определяющим турбулентный характер возмущения приземной атмосферы на мезомасштабном и мелкомасштабном уровне и соответственно возмущения электрического и магнитного поля [Адушкин и др., 2020]. При этом указанные ВГВ могут регистрироваться задолго до прихода фронта в точку наблюдения. Одновременно с этим в предшествующий приходу фронта период регистрируются, как отмечалось выше, волны, которые распространяются в стратосферном волноводе в условиях устойчивой стратификации.

Анализ данных настоящей работы свидетельствует о том, что действительно наряду со значительными возмущениями геофизических полей при прохождении сильного холодного фронта и меньшими по амплитуде возмущениями непосредственно перед ним, регистрируются также геофизические эффекты в виде акустических сигналов, а также геомагнитных вариаций и вариаций электрических характеристик атмосферы за несколько часов до прихода фронта.

Простые оценки показывают, что при разности скорости распространения ВГВ (v_g) и скорости продвижения холодного атмосферного фронта (v_f) в 15–40 м/с [Адушкин и др., 2020; Грачев и др., 1994; Spivak et al., 2018c] возможна регистрация ВГВ предвестника и сопутствующих геофизических эффектов за 5–8 ч до прихода фронта в точку наблюдений.

В качестве примера рассмотрим результаты инструментальных наблюдений, выполненных в период события 16.07.2019 г. Прохождение мощного холодного атмосферного фронта 2-го рода зарегистрировано в MHV в ~13:00 UTC (рис. 11). Фронт, распространяющийся с юго-восточного направления, подошел к MHV в ~12:50 UTC и вызвал резкое понижение температуры воздуха Т у земной поверхности на ~8°С. Как это видно из рис. 11, замещение теплых воздушных масс холодными привело также к резкому увеличению атмосферного давления Р₀.

Рис. 11.

Характеристики холодного атмосферного фронта 16.07.2019 г. по данным MHV.

Как это видно из рис. 11, период прохождения атмосферного фронта характеризуется повышенными микробарическими вариациями Р с амплитудой ~60 Па. Одновременно с этим зарегистрированы сильные вариации вертикальной компоненты напряженности электрического поля Е амплитудой ~4000 В/м и атмосферного тока I амплитудой ~80 пА/м².

Прохождение фронта сопровождалось также магнитным эффектом: в период прохождения фронта было зарегистрировано резкое повышение амплитуды наиболее чувствительной к внешним возмущениям горизонтальной компоненты магнитного поля В_Н, а также геомагнитные пульсации в широкой полосе частот. На рис. 12 приведен фрагмент спектра геомагнитных пульсаций в диапазоне 0–4 Гц за 16.07.2019 г., который демонстрирует повышенные вариации магнитного поля в диапазоне частот до 4 Гц в период прохождения атмосферного фронта (вызванные вариации отмечены в данном случае стрелкой А).

Рис. 12.

Динамический спектр геомагнитных пульсаций по данным MHV за 16.07.2019 г.; А – геомагнитные пульсации в период прохождения мощного атмосферного фронта; В – в период возмущений, вызванных приходом акустического сигнала, распространяющегося по атмосферному волноводу.

Анализ результатов регистрации в периоды времени, предшествующие приходу фронта, показывает, что в ~6:10 UTC в MHV (рис. 13) наблюдаются аномальные микробарические вариации, которые с учетом времени прихода допустимо рассматривать в качестве вызванных фронтом внутренних гравитационных волн, распространяющихся в атмосферном волноводе со скоростью ~50 м/с, а также вариации электрических характеристик атмосферы (Е и I) и вариации В_Н (рис. 13). В этот же период времени регистрируются характерные геомагнитные пульсации (рис. 12).

Рис. 13.

Микробарические пульсации Р (за вычетом тренда), вариации вертикальной компоненты напряженности электрического поля Е, вертикального атмосферного тока I и горизонтальной компоненты геомагнитного поля В_Н в период прихода акустического сигнала, распространяющегося по атмосферному волноводу, по данным MHV.

В целом рассматриваемые вариации Р, Е, I и В_Н регистрируются примерно за 4–6 часов до прихода мощных атмосферных фронтов и могут служить в качестве их прогностических признаков.

5. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Полученные в настоящей работе данные свидетельствуют о том, что сильные атмосферные возмущения фронтального типа с развитой атмосферной ячейкой, способной вызвать погодные коллизии, сопровождаются геофизическими эффектами не только в период прохождения атмосферного фронта через точку наблюдений, но также за достаточно продолжительный промежуток времени до прихода фронта. Обобщая результаты наблюдений, можно констатировать, что за 5–8 ч до прихода мощной активной атмосферной ячейки регистрируются повышенные вариации амплитуды акустических колебаний, напряженности электрического поля, вертикального атмосферного тока и горизонтальной компоненты геомагнитного поля, вызванные акустическим сигналом, распространяющимся по атмосферному волноводу. При этом указанные возмущения регистрируются практически синхронно. Последнее приводит к выводу, что в этом случае электрический и магнитный эффект имеет локальный характер и связан с возмущением электродинамических процессов в ионосфере в области, расположенной непосредственно над точкой регистрации. Анализ данных наблюдений показывает, что действительно спектры ВГВ содержат составляющие с частотами, близкими к частоте Брента–Вяйсяля, которая свидетельствует о наличии в атмосфере колебаний типа АГВ, оказывающих возмущающее влияние на ионосферу [Адушкин и др., 2020; Гохберг, Шалимов, 2008; Федоренко, 2017; Шалимов и др., 2019].

Это относится также к вариациям электрических характеристик и магнитного поля, которые наблюдаются непосредственно перед приходом сильного атмосферного фронта. И в этом случае ВГВ, распространяющиеся в пограничном слое атмосферы в условиях устойчивой стратификации, содержат колебания с частотами, близкими к частоте Брента–Вяйсяля.

В качестве характерного примера рассмотрим микробарические вариации, сопутствующие сильному атмосферному фронту 09.06.2009 г. (рис. 14). Атмосферный фронт проявился в MHV в ~18:00 UTC и сопровождался повышенными барическими вариациями амплитудой ~55 Па. Как это видно из рис. 14, в ~11:20 UTC в MHV зарегистрирован сигнал (1), связанный с ВГВ, распространяющимися по атмосферному волноводу. Примерно за 1 час до прихода фронта в MHV зарегистрированы колебания (2), вызванные волнами, распространяющимися в пограничном слое атмосферы в условиях устойчивой стратификации.

Рис. 14.

Микробарические вариации, вызванные прохождением сильного атмосферного фронта 09.06.2009 г. (a); результаты фильтрации исходного цифрового ряда в диапазоне периодов 5–15 мин для участков 1-го (б) и 2-го (в) сигналов.

Спектральный анализ свидетельствует о том, что в колебаниях 1 и 2 содержатся спектральные составляющие в окрестности частоты Брента–Вяйсяля. Это хорошо видно из рис. 14б и рис. 14в, на которых представлены результаты фильтрации исходного цифрового ряда в диапазоне периодов 5–15 мин соответственно для участков 1-го и 2-го сигналов.

Отмеченные волновые движения в атмосфере в периоды, предшествующие приходу мощных атмосферных фронтов, и сопровождающие их геомагнитные вариации и возмущения электрических характеристик атмосферы могут рассматриваться в качестве прогностических признаков приближающихся опасных атмосферных явлений.

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данные наблюдений свидетельствуют о том, что мощные атмосферные фронты вызывают не только изменения метеорологических характеристик, но также значимые вариации геофизических полей у земной поверхности.

Одновременно с этим в периоды, предшествующие приходу потенциально опасных атмосферных фронтов, вызывающих такие явления, как ураганы, шквалы и сильные грозы, наблюдаются регистрируемые инструментально микробарические вариации, вариации электрического поля и атмосферного тока, увеличение амплитуды микросейсмического шума, а также геомагнитные эффекты за 5–8 ч до прихода фронта в точку наблюдений. Аналогичные эффекты регистрируются в период за 1.5–4 ч до прихода фронта.

По мнению авторов, эти эффекты при накоплении соответствующей статистики, могут рассматриваться в качестве прогностических признаков сильных возмущений атмосферы с негативными для человека и инфраструктуры последствиями. Однако при этом следует отметить трудность использования для прогностических целей сейсмических данных вследствие мешающего действия глобальной сейсмичности.

Полученные данные могут оказаться полезными при решении задач, связанных с установлением характеристик природных явлений и процессов, установлением источников аномального поведения полей и условий, определяющих взаимодействие между геосферами. Результаты работы могут быть также использованы при разработке теоретических и расчетных моделей опасных атмосферных явлений в виде ураганов, шквалов и сильных гроз.