Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 504, № 1, стр. 69-74

Изменение климата и, как следствие, беспрецедентное увеличение в последние годы количества опасных атмосферных явлений, таких как ураганы, шквалы, ливни и сильные грозы с негативными, а в ряде случаев катастрофическими, последствиями вызывает необходимость разработки новых подходов к формулировке их прогностических признаков [1, 2]. Представляется перспективным в качестве одного из таких подходов рассматривать наряду с метеорологическими геофизические эффекты опасных природных событий [3–7].

Опасные атмосферные явления возникают в подавляющем большинстве случаев в холодной фронтальной зоне циклонов. В связи с этим с целью формулировки их прогностических признаков представляет интерес рассмотрение вариаций геофизических полей в периоды, предшествующие приходу в точку наблюдения в первую очередь холодных атмосферных фронтов 2-го рода.

В настоящей работе на основе анализа результатов инструментальных наблюдений установлены характерные микробарические вариации, а также возмущения магнитного поля и электрических характеристик приземной атмосферы, регистрируемые за 1–6 ч до наступления опасных по последствиям проявлений сильных атмосферных событий. Представляется, что указанные эффекты в совокупности могут рассматриваться в качестве комплексного прогностического признака приближающегося опасного явления.

Экспериментальной основой для выполнения настоящих исследований послужили результаты инструментальных наблюдений, выполненных синхронно 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.) [6, 8–10]. Рассматривались геофизические эффекты в периоды 34 наиболее мощных холодных атмосферных фронтов, зарегистрированных в 2015–2021 гг. [6]. При выборе событий учитывалось отсутствие локальных техногенных, а также глобальных природных возмущений электрического и геомагнитного полей (станционный К-индекс магнитной активности не превышал 2).

Мощные конвективные потоки над фронтальной поверхностью холодного фронта вызывают формирование атмосферной ячейки, характеризующейся концентрированными вертикальными и спиралеобразными движениями воздушных масс. Формирование фронтовой ячейки происходит в несколько этапов: зарождение, развитие, достижение максимальных размеров и распад [11]. При достижении определенного размера такая ячейка генерирует акустико-гравитационные (АГВ) и внутренние гравитационные волны (ВГВ) [12, 13]. Воздействие АГВ на ионосферу вызывает модификацию ее электронной плотности и электрические токи и, как следствие, вариации электрического и магнитного полей¹¹.

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 [15]. При этом скорость распространения ВГВ характеризуется величиной в районе 50 м/с [5, 16], что в целом заметно превышает скорость движения холодного фронта 2-го рода, которая, как правило, находится в диапазоне 14–18 м/с и в редких случаях достигает 28 м/с [11]. Вследствие этого вызванные атмосферным фронтом микробарические вариации регистрируются до прихода фронта в точку наблюдения.

Анализ данных настоящей работы свидетельствует о том, что наряду с сильными возмущениями геофизических полей непосредственно в период прохождения холодного фронта [6, 17] регистрируются также более слабые геомагнитные вариации и вариации электрических характеристик атмосферы (напряженность электрического поля и атмосферный ток) до прихода фронта. При этом указанные вариации полей в большинстве случаев наблюдаются в момент прихода внутренних акустико-гравитационных волн, распространяющихся по атмосферному волноводу, а также непосредственно перед атмосферным фронтом в результате возмущений, вызванных распространением возмущающих сигналов в пограничном слое атмосферы в условиях устойчивой стратификации.

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. 1). Фронт, распространяющийся с юго-восточного направления, двигался со скоростью ~30 км/ч, подошел к MHV в ~12:50 UTC и вызвал резкое понижение температуры воздуха Т₀ у земной поверхности на ~8°С. Как это видно из рис. 1, замещение теплых воздушных масс холодными привело также к резкому увеличению атмосферного давления Р₀ и столь же резкому уменьшению солнечного излучения S, что свидетельствует о формировании мощной кучевой облачности (Cb), составившей основу активной фронтовой атмосферной ячейки.

Рис. 1.

Характеристики холодного атмосферного фронта 16.07.2019 г. по данным MHV; здесь и на следующих рисунках серыми планками отмечен диапазон неопределенности данных.

Следует отметить, что период прохождения атмосферного фронта характеризуется повышенными микробарическими вариациями Р с амплитудой ~60 Па (рис. 1). Одновременно с этим электродинамические процессы в активной ячейке и в области ионосферы над пунктом регистрации в результате воздействия на нее акустико-гравитационных волн вызвали также 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. 2 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 Гц²² в период прохождения атмосферного фронта³³ (вызванные вариации отмечены в данном случае стрелкой А).

Рис. 2.

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. 3) и в ~6:24 UTC в ЦГМ наблюдаются аномальные микробарические вариации, которые с учетом разницы времен прихода допустимо рассматривать в качестве вызванных фронтом внутренних гравитационных волн (скорость распространения ~50 м/с). Характерно, что в этот же период времени также наблюдаются вариации электрических характеристик атмосферы (рис. 3), вариации В_Н (рис. 4) и характерные геомагнитные пульсации⁴⁴ (рис. 2). В целом рассматриваемые вариации Р, Е, I и В_Н регистрируются примерно за 4–6 ч до прихода мощных атмосферных фронтов и могут служить в качестве их прогностических признаков.

Рис. 3.

Микробарические пульсации за вычетом тренда, вариации вертикальной компоненты напряженности электрического поля Е и вертикального атмосферного тока I в период прихода акустического сигнала, распространяющегося по атмосферному волноводу, по данным MHV за 16.07.2019 г.

Рис. 4.

Вариации геомагнитного поля, вызванные акустическим сигналом, распространяющимся по атмосферному волноводу (данные за 16.07.2019 г.).

При подходе мощных фронтов к пункту регистрации на расстояния 100–200 км в ряде случаев наблюдаются вариации геофизических полей, вызванные распространением возмущающих сигналов в пограничном слое атмосферы. В качестве примера рассмотрим известное по своим негативным последствиям в Москве событие 29.05.2017 г. [18]. Мощный холодный атмосферный фронт распространялся с юго-восточного направления и вызвал в MHV в 10:40 UTC резкое падение температуры воздуха на ~5.5°С. Через некоторое время фронт подошел к Москве и вызвал в ЦГМ резкое падение температуры воздуха на ~10.5°С в 12: 35 UTC. При этом фронт сопровождался сильными волновыми движениями в атмосфере (порывы ветра достигали 31 м/с), что привело к человеческим жертвам и нанесло значительный урон экологии Москвы в виде вывала большого количества деревьев и локальных разрушений строительных и других конструкций. По всем проявлениям в этот момент развитие фронтовой атмосферной ячейки достигло максимума. В период прохождения фронта в MHV и ЦГМ, помимо повышенных микробарических вариаций, были зарегистрированы сильные возмущения электрического поля амплитудой ~4000 В/м, в MHV – вариации I амплитудой ~80 пА/м² и вариации В_Н амплитудой до 20 нТл.

Одновременно с этим за ~2–4 ч до прихода фронта в пунктах регистрации наблюдались повышенные вариации геофизических полей с периодом 20–30 мин (рис. 5), которые вызваны возмущениями, связанными с воздействием на атмосферу акустических сигналов, распространяющихся в пограничном слое атмосферы.

Рис. 5.

Вариации электрического поля в MHV и ЦГМ и магнитного поля в MHV в период прихода в точки наблюдения акустического сигнала, распространяющегося по пограничному слою атмосферы (данные за 29.05.2017 г.).

Полученные в настоящей работе данные свидетельствуют о том, что сильные атмосферные возмущения фронтального типа сопровождаются геофизическими эффектами не только в период прохождения активной атмосферной ячейки через точку наблюдений, но также за достаточно продолжительный промежуток времени до прихода фронта. Обобщая результаты наблюдений⁵⁵, можно констатировать, что за 4–6 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. За 2–3 ч до прихода активной ячейки наблюдаются повышенные вариации геофизических полей, связанные с распространением возмущающего акустического сигнала по пограничному атмосферному слою.

По мнению авторов, отмеченные эффекты при накоплении соответствующей статистики могут рассматриваться в качестве прогностического признака⁶⁶ сильных возмущений атмосферы с негативными для человека и инфраструктуры последствиями.

Результаты работы могут быть использованы также при разработке теоретических и расчетных моделей опасных атмосферных явлений в виде ураганов, шквалов и сильных гроз.