Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 502, № 1, стр. 26-31

Как показано в докладе Межправительственной группы экспертов ООН по изменению климата (IPCC), на Земле в последнее десятилетие наблюдается заметное и постоянно нарастающее количество опасных и катастрофических явлений [1], которые вызывают не только гибель людей, крупномасштабные разрушения, но также приводят к значительному увеличению расходов на борьбу с их последствиями.

Сильные атмосферные явления и процессы в виде ураганов, шквалов, усиления тепловых волн, экстремальных осадков, вызывающих наводнения, усугубления засухи и т.д., являются, как правило, следствием мощной циклонической деятельности. Отмечаемые в последнее время нарушения сезонного хода повторяемости мощных циклонов и их распределения по регионам приводят к сложным и весьма изменчивым погодным условиям на планете. Все это связано с увеличением контрастности термобарических зон и перестройкой основных направлений воздушных потоков. В результате мы наблюдаем не только изменения основных синоптических периодов, но, что более важно, увеличение количества сильных локальных явлений с опасными для человека и инфраструктуры последствиями.

Имеющиеся подходы к прогнозу опасных явлений погоды, которые большей частью опираются на анализ метеорологической обстановки, характеризуются известной неопределенностью в оценках конкретного района, времени, а главное интенсивности события. В этой связи представляют интерес исследования, связанные с установлением геофизических эффектов природных явлений повышенного риска с целью разработки их прогностических признаков и мероприятий, направленных на предупреждение негативных последствий [2, 3].

Экстремальные атмосферные явления возникают в подавляющем большинстве случаев во фронтальной зоне циклонов. В связи с этим представляет интерес рассмотрение вариаций геофизических полей в периоды прохождения атмосферных фронтов.

В настоящей работе на основе анализа данных инструментальных наблюдений определены возмущения магнитного поля и электрических характеристик приземной атмосферы, вызванные прохождением холодных атмосферных фронтов.

В качестве исходных нами использованы данные, полученные при синхронной регистрации в Геофизической обсерватории “Михнево” (MHV) ИДГ РАН (54.94° с.ш.; 37.73° в.д.) и в Центре геофизического мониторинга г. Москвы (ЦГМ) ИДГ РАН (55.71° с.ш.; 37.57° в.д.) [4, 5] магнитного и электрического поля, а также вертикального атмосферного тока в периоды 34 наиболее мощных холодных атмосферных фронтов, зарегистрированных в 2015–2021 гг. (табл. 1).

Метеорологические параметры атмосферы: атмосферное давление Р₀, температура Т, скорость ветра и влажность воздуха W в приземной атмосфере регистрировались с помощью цифровой автоматической метеостанции Davis Vantage Pro2. Вариации индукции магнитного поля в MHV регистрировались феррозондовым цифровым магнитометром LEMI-018, обеспечивающим регистрацию в диапазоне ±68 000 нТл с разрешением 10 пТл (частота выборки 1 с^–1). При оценках спектральных характеристик геомагнитных возмущений привлекались данные, полученные с использованием широкополосных датчиков MFS-06 и MFS-07 фирмы “Metronix”. Вертикальная компонента напряженности электрического поля Е регистрировалась с помощью электростатического флюксметра ИНЭП, обеспечивающего измерения Е в частотном диапазоне 0–20 Гц в интервале от 1 В/м до 6–10 кВ/м в зависимости от конкретного экземпляра прибора. При грозовой активности молниевые разряды регистрировались в ЦГМ грозопеленгатором LD-250 фирмы “BOLTEK”. Измерения вертикального атмосферного тока I осуществлялись с помощью компенсационного регистратора тока с частотой выборки 1 Гц [6]. Вследствие высокой временной вариабельности атмосферного тока в настоящей работе использовались ряды его абсолютных значений I, усредненные по одноминутным интервалам. Результаты регистрации выложены на сайте ИДГ РАН в графическом и цифровом виде (http://idg-comp.chph.ras.ru/~mikhnevo/ и http:// idg-comp.chph.ras.ru/~idg/).

Обработка и анализ результатов инструментальных наблюдений показали, что возмущения атмосферы, вызванные прохождением мощных холодных атмосферных фронтов, характеризуются не только резкими изменениями метеорологических параметров (температура и влажность воздуха, атмосферное давление и т.д.), но также вариациями электрических характеристик атмосферы и геомагнитного поля у земной поверхности. Это связано с формированием в окрестности линии атмосферного фронта и вдоль его фронтальной поверхности конвективных потоков теплых воздушных масс, более мощных в условиях фронтов 2-го рода¹¹ и в меньшей степени выраженных в условиях фронтов 1-го рода²² [7]. Развитие турбулентности в восходящих теплых и нисходящих холодных воздушных потоках вызывает взаимодействие нейтральных и электрически заряженных частиц, что приводит к формированию объемных электрических зарядов разного знака и, соответственно, локальных токовых систем. Возникшая электрически активная область с токами приводит к возникновению локальных электрических и магнитных эффектов, которые накладываются на основное электрическое поле атмосферы и основное локальное геомагнитное поле, возмущения которых регистрируются инструментально.

В качестве примера рассмотрим геофизические эффекты, вызванные холодным атмосферным фронтом 18.08.2021 г. На рис. 1 приведены основные метеорологические характеристики атмосферы в период прохождения указанного фронта через MHV и ЦГМ. Фронт, распространяющийся в северо-западном направлении, подошел к MHV и ЦГМ соответственно в ~13:10 UTC и 13:42 UTC (скорость перемещения фронта ~110 км/ч) и вызвал резкое понижение температуры воздуха у земной поверхности соответственно на ~10.5 и ~11°С. Средняя скорость изменения температуры g составила для условий MHV и ЦГМ соответственно 0.14 и 0.17°С/мин при максимальных значениях соответственно 0.23 и 0.47°С/мин. Как это видно из рис. 1, замещение теплых воздушных масс холодными привело также к достаточно резкому увеличению атмосферного давления. Приход фронта обозначился также резким повышением влажности воздуха W, что связано с подходом к пунктам измерений кучево-дождевых облаков, вызвавших осадки в виде ливня спустя ~10 мин после прохождения фронта.

Рис. 1.

Характеристики холодного атмосферного фронта 18.08.2021 г. по данным MHV и ЦГМ.

Результаты регистрации свидетельствуют о сильной реакции электрического поля атмосферы на прохождение холодного атмосферного фронта, что хорошо видно из рис. 2, на котором в качестве примера представлены вариации Е по данным ЦГМ. Следует отметить, что рассматриваемый холодный фронт сопровождался грозовой ячейкой. Характер реакции атмосферного электрического поля на прохождение грозовой ячейки хорошо виден из врезки на рис. 2. Примерно за 10 мин до подхода фронта (в частности, в 13:30 UTC в ЦГМ) датчик 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 происхождения (см. врезку на рис. 2). В период с ~13:51 до ~14:10 UTC наблюдались сильные осадки, которые привели к существенному уменьшению Е до отрицательных значений. Однако и в этом случае на записях электрического поля отчетливо регистрировались молниевые разряды. Общая длительность возмущения электрического поля составила около 1 ч при максимальной амплитуде вариаций ΔE более 3000 В/м (количественные характеристики всех рассмотренных атмосферных фронтов приведены в табл. 1).

Рис. 2.

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

Вызванные прохождением атмосферных фронтов вариации атмосферного тока имеют в подавляющем большинстве случаев знакопеременный характер с периодом в пределах 15–40 мин и характеризуются максимальной амплитудой ΔI в интервале 15–80 пА/м² (табл. 1).

Холодный атмосферный фронт сопровождается также временным увеличением индукции магнитного поля. В качестве примера на рис. 3 представлены вариации горизонтальной (наиболее чувствительной к внешним возмущениям) компоненты индукции магнитного поля В_Н в период прохождения холодного фронта 18.08.2021 г. через MHV. Из рис. 3 следует, что в этом случае атмосферный фронт вызвал увеличение В_Н на фоне естественных вариаций в течение примерно 50–55 мин. При этом максимальная амплитуда вызванной вариации ΔB_H составила около 10 нТл.

Рис. 3.

Вариации горизонтальной компоненты индукции геомагнитного поля по данным MHV в период прохождения холодного атмосферного фронта 18.08.2021 г. (пунктир – суточный ход В_Н).

Представляет интерес отметить, что наряду с вариациями амплитуды атмосферный фронт оказывает влияние на спектральные характеристики магнитного поля. Как пример, на рис. 4 приведен динамический спектр геомагнитных пульсаций по данным MHV за 18.08.2021 г. Из рис. 4 в частности следует, что период с ~13:20 UTC до ~14:40 UTC характеризуется повышенными вариациями геомагнитного поля в диапазоне частот 0.2–5 Гц, которые в данном случае представлены вертикальной светлой полосой (приведены данные датчика Metronix).

Рис. 4.

Динамический спектр геомагнитных пульсаций по данным MHV за 18.08.2021 г.

Анализ и обобщение полученных результатов позволяют отметить следующее. Холодные атмосферные фронты, сопровождающиеся резкими изменениями в суточном ходе температуры и влажности воздуха, а также вариациями атмосферного давления, вызывают значительные вариации атмосферного тока и напряженности электрического поля. Одновременно с этим в периоды прохождения холодных атмосферных фронтов отмечаются вариации индукции геомагнитного поля в виде положительных бухт.

Полученные данные свидетельствуют о значительном интервале изменения амплитуд вариаций анализируемых полей при прохождении холодных атмосферных фронтов. В качестве иллюстрации в табл. 2 приведены интервалы вызванных вариаций Е, B_H и I в сопоставлении с величиной изменения температуры воздуха ΔТ и атмосферного давления ΔР. В качестве возможных причин разного по амплитуде отклика полей на атмосферный фронт следует рассматривать дополнительные факторы, например, разный тип и разное время формирования облаков, что существенно может сказываться на процессах турбулизации воздушных потоков, разделения электрических зарядов и формирования токовых систем, начальные метеоусловия, значения и вертикальные градиенты метеорологических характеристик атмосферы в местах выполнения инструментальных наблюдений и т.д.

Установление природы и возможных механизмов возбуждения вариаций электрических характеристик приземной атмосферы и геомагнитного поля требует проведения дополнительных исследований. Тем не менее авторы полагают, что полученные в настоящей работе данные будут полезны для разработки теоретических и расчетных моделей сильных атмосферных явлений, а также их верификации.