Геомагнетизм и аэрономия, 2020, T. 60, № 2, стр. 208-215

1. ВВЕДЕНИЕ

Вопрос о влиянии солнечной активности на состояние климатической системы Земли активно обсуждается исследователями в связи с дискуссией о природе современного потепления климата. По данным инструментальных наблюдений особенностью климатических условий последних трех десятилетий является увеличение скорости повышения приповерхностной температуры в высокоширотных регионах [Mokhov, 2017]. Для оценки будущих изменений климата необходимо, наряду с антропогенными факторами, включать в климатические модели новые параметризации, описывающие взаимосвязи естественных факторов (солнечная и вулканическая активность) с процессами в нижней атмосфере. Во время активных процессов на Солнце происходит увеличение интенсивности коротковолновой радиации (рентгеновский и ультрафиолетовый диапазоны длин волн) и корпускулярного излучения (вариации солнечного ветра и межпланетного магнитного поля (ММП), изменение потоков космических лучей). Кроме того, влияние рассматриваемых факторов на атмосферу не одинаково как по величине, так и по характеру изменений атмосферных процессов. По модельным расчетам прямое энергетическое воздействие вариаций потока солнечного излучения на приповерхностную температуру существенно меньше влияния углекислого газа [Mokhov, 2012], поэтому идут поиски параметрических механизмов, в которых небольшие воздействия на параметры, влияющие на радиационный баланс климатической системы, могут приводить к существенным изменениям в системе, величина которых связана с амплитудой воздействия. К таким механизмам можно отнести воздействие на радиационный баланс в тропосфере, обусловленное изменениями в глобальной электрической цепи вследствие вариаций солнечного ветра и ММП [Жеребцов и др., 2005; Tinsley, 2000; Kniveton et al., 2008]. Отметим, что в триггерных механизмах, в отличие от параметрических, предполагается скачкообразный переход климатической системы из одного устойчивого состояния в другое, который происходит при слабом воздействии, превышающем пороговое значение. В ряде работ проводится анализ воздействия галактических космических лучей (ГКЛ) на аэрозольный и малый газовый состав атмосферы [Пудовкин и Распопов, 1992; Svensmark and Friis-Christensen, 1997; Mironova et al., 2015]. Исследования проведенные в рамках международного проекта “CLOUD” показали, что вариации ГКЛ не могут существенно влиять на климат, несмотря на то, что ионы оказывают значительное влияние на процессы образования и роста аэрозолей в атмосфере [Dunne et al., 2016, (http://cloud.web.cern.ch/cloud/)].

Радиационный баланс системы Земля−атмосфера состоит из приходящего потока солнечной радиации и уходящего из нее в околоземное пространство. Благодаря наличию в климатической системе обратных связей многолетние изменения радиационного баланса не отличаются существенно от нуля. Результаты модельных расчетов свидетельствуют о сравнительно малой роли вариаций солнечного излучения в изменениях глобальной среднегодовой приповерхностной температуры по сравнению с влиянием углекислого газа [Мохов и др., 2006]. В связи с этим в механизме воздействия солнечной активности (СА) на климатическую систему [Жеребцов и др., 2005], разрабатываемом в ИСЗФ СО РАН, предполагается, что СА влияет на поглощение длинноволновой части спектра (λ > 4 мкм). Простая линейная параметризация рассматриваемого механизма предложена в работе [Karakhanyan and Molodykh, 2018].

Целью данной работы является анализ изменений уходящего потока длинноволнового излучения, рассчитанного на основе интегральной функции пропускания для длинноволновой радиации в атмосфере, связанных с гелиогеофизическими возмущениями.

2. ДАННЫЕ И МЕТОДИКА АНАЛИЗА

При решении задачи о влиянии отдельного фактора на радиационные характеристики атмосферы удобно использовать простые полуэмпирические радиационные модели. Эти модели, в отличие от спектральных радиационных моделей [Розанов и Фролькис, 1993], содержат минимальное число эмпирически задаваемых параметров атмосферы с явным включением основных факторов, оказывающих влияние на изменения составляющих климатической системы. Кроме того, простые модели однородной (для безоблачной атмосферы) или двух-трехслойной атмосферы (для учета горизонтально-однородной облачности) позволяют проводить многочисленные ансамблевые расчеты с высокой вычислительной эффективностью.

В данной работе использована параметризация длинноволновой уходящей радиации для климатических моделей [Мохов и Петухов, 1978] с учетом механизма воздействия солнечной активности (СА) на климатическую систему Земли, приведенного в работе [Жеребцов и др., 2005]. Согласно данному физическому механизму воздействия СА на тропосферу предполагается, что вариации СА через изменения параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля (ММП) влияют на магнитосферную конвекцию, которая, в свою очередь, влияет на распределение разности электрического потенциала между ионосферой и Землей. Отметим, что вариации параметров солнечного ветра и ММП могут вызывать изменения геомагнитной активности, именно поэтому характеризующие ее индексы, можно использовать в качестве индикатора СА. Далее, изменения разности электрических потенциалов ионосфера–Земля приводят к перестройке вертикального профиля объемного электрического заряда, который влияет на состояние водяного пара (основного парникового газа) и, следовательно, на радиационный баланс, в частности, на уходящий длинноволновой поток. Отметим, что значительная роль ионов в процессе образования кластеров в атмосфере подтверждается результатами экспериментальных исследований проведенных в рамках международного проекта “CLOUD” [Wagner et al., 2017].

В качестве индикатора СА нами выбран PC-индекс геомагнитной активности (http:// www.geophys.aari.ru/pc_about.html). PC-индекс разработан для контроля магнитной активности в полярной шапке (PCN – в северной, а PCS – в южной полярной шапке), обусловленной геоэффективным солнечным ветром, и отражает межпланетное электрическое поле, влияющее на магнитосферу [Troshichev et al., 1988]. Вариации PCN-индекса хорошо согласуются с вариациями AL-индекса. [Troshichev and Janzhura, 2009]. Поскольку РС-индекс характеризует степень магнитной возмущенности в полярной шапке в целом, в формулу введен дополнительный множитель exp(–(φ – φ₀)²/dφ²), учитывающий широтную зависимость. Кроме того, вместо самого РС-индекса мы используем $\lg \left| {PC} \right|$, что обусловлено большим диапазоном его изменений. Таким образом, учитывая вышеизложенное, в качестве характеристики воздействия гелиогеофизических возмущений на состояние водяного пара можно использовать следующее выражение:

Простая модель длинноволновой уходящей радиации основана на использовании интегральной функции пропускания для длинноволновой радиации в атмосфере. Полуэмпирическое выражение [Мохов и Петухов, 1978] для расчета интегральной функции пропускания преобразовано с включением солнечного фактора. Согласно механизму влияния СА на тропосферу, развиваемому в ИСЗФ СО РАН, под воздействием гелиогеофизических возмущений изменяется как фазовое состояние водяного пара (усиливается образование вторичных частиц в атмосфере), так и кластерный состав (увеличивается количество димеров и более крупных кластеров). Сечение поглощения длинноволнового излучения у кластеров воды существенно больше, чем у молекул воды [Дубов и Востриков, 2010]. Поэтому воздействие гелиогеофизических возмущений на интегральную функцию пропускания можно параметризовать с помощью множителя (1 + a lg|PC| exp(–(φ – ‒ φ₀)²/dφ²)) в выражении для эффективной массы водяного пара. В этом случае формула для расчета интегральной функции пропускания будет иметь вид

где: $M_{1}^{*}$ = M₁(1 + a lg|PC|exp(–(φ – φ₀)²/dφ²)) – эффективная масса водяного пара с учетом параметризации СА; a = 0.2; PC – индекс геомагнитной активности; φ – географическая широта; φ₀ – географическая широта максимума воздействия (φ₀ = 60°); dφ – коэффициент, характеризующий полуширину области воздействия (dφ = 20°).

М₁ и М₂ – соответственно эффективные массы водяного пара и СО₂. В данной работе мы не учитываем изменения эффективной массы углекислого газа во время гелиогеофизических возмущений, так как они малы по сравнению с вариациями эффективной массы водяного пара, поэтому в наших расчетах считаем, что М₂ = const для каждого возмущения.

А₀ = 1.716, β₀ = 1.66, β₁ = 0.409 – параметры, полученные на основе экспериментальных данных [Мохов и Петухов, 1978].

Используя интегральную функцию пропускания, рассчитана интегральная функция поглощения длинноволновой уходящей радиации в атмосфере:

На основе рассматриваемой простой модели длинноволновой уходящей радиации рассчитан поток длинноволнового излучения для безоблачной атмосферы:

где: $\sigma = 5.67 \times {{10}^{{ - 8}}}$ Вт/(м² К⁴) – постоянная Стефана−Больцмана; Т – температура; z₀ – 925 гПа; z_h – 300 гПа.

Облачность играет важную роль в процессе переноса энергии в длинноволновой части спектра. При расчетах балла облачности мы следовали эмпирической формуле, приведенной в работе [Мохов и Петухов, 1978], но при этом учитывали влияние СА, в соответствии с механизмом, предложенным в работе [Жеребцов и др., 2005]. Поскольку, согласно данному механизму, гелиогеофизические возмущения влияют не только на кластерный состав, но и на фазовое состояние водяного пара, можно предложить линейную параметризацию влияния гелиогеофизических возмущений на облачность, используя в качестве “proxy” РС-индекс:

где: n_e – эффективный балл облачности. Следуя работе [Мохов и Петухов, 1978], мы предполагаем, что высота эффективного слоя облачности ${{z}_{{cl}}} = {{{{z}_{h}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{z}_{h}}} 2}} \right. \kern-0em} 2};$ $f$ – относительная влажность; $\beta = 0.05$ – свободный параметр модели.

Поток уходящего длинноволнового излучения над облаками рассчитывался согласно формуле

Таким образом, поток уходящего длинноволнового излучения, с учетом облачности, можно представить следующим образом: На основе данных реанализа NCEP/NCAR [Kalnay et al., 1996], которые представлены на сайте (https://www.esrl.noaa.gov/psd), рассчитаны среднесуточные карты интегральной функции поглощения длинноволновой радиации, уходящего длинноволнового потока и карты аномалий температуры слоя тропосферы 925−700 гПа. В качестве нормы для расчета аномалий температуры использовался рекомендованный в климатологии период 1961–1990 гг. Для анализа связи интегральной функции поглощения длинноволновой радиации и уходящего потока длинноволнового излучения с температурой рассчитывались коэффициенты корреляции между радиационными характеристиками и температурой. Далее строились карты распределения полученных коэффициентов корреляции рассматриваемых параметров для периодов с различным уровнем активности.

3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Основные характеристики 23-го цикла солнечной активности (СА) соответствуют характеристикам солнечных циклов средней величины. Развитие 23-го цикла полностью укладывается в схему хода эволюции ему подобных по темпу развития и высоте более ранних солнечных циклов, для которых числа Вольфа изменяются в пределах 80 < W < 130. Фаза его минимума, начавшаяся в мае 2005 г., продлилась 4.5 года, захватив начало развития текущего 24-го цикла СА [Ishkov, 2010]. Поскольку 23-й солнечный цикл развивался по сценарию, типичному для нормальных циклов СА, был проведен анализ радиационных характеристик атмосферы в течение максимума (2000 г.) и минимума (2009 г.) 23-го цикла СА.

Сопоставление карт интегральной функции поглощения и температуры, рассчитанных для гелиогеофизических возмущений как в периоды повышенной СА (2000 г.), так и в периоды пониженной СА (2009 г.) показало, что пространственное распределение интегральной функции поглощения хорошо соответствует пространственной структуре аномалий температуры в обоих полушариях. Для анализа связи интегральной функции поглощения с аномалиями температуры нами построены карты коэффициентов корреляции между рассматриваемыми характеристиками для геомагнитных возмущений 2000 г., во время которых среднесуточные значения РС-индекса > 2.0, отдельно для каждого полушария (рис. 1а, рис. 2а). Результаты анализа рассчитанных карт показали, что вариации температуры хорошо коррелируют с вариациями интегральной функции поглощения, в возмущенные периоды, на средних и в высоких широтах, как в северном, так и в южном полушариях. Пространственное распределение коэффициентов корреляции между интегральной функцией поглощения и аномалиями температуры в спокойных геомагнитных условиях (2009 г., РС-индекс < 0.2) представлено на рис. 1а, рис. 2а. Сравнительный анализ данных, приведенных на рис. 1а и рис. 2а, показал, что в возмущенные периоды вариации температуры более тесно связаны с изменениями интегральной функции поглощения, чем в спокойные периоды, что согласуется с механизмом влияния СА на тропосферу, предложенным в работе [Жеребцов и др., 2005].

Проведенный анализ пространственного распределения коэффициента корреляции между уходящим потоком длинноволнового излучения и аномалиями температуры показал, что во время возмущений поток антикоррелирует с температурой нижнего слоя тропосферы (рис. 1б). Полученная особенность лучше проявляется в южном полушарии, за исключением центральной части Антарктиды (рис. 2б). Данные, приведенные на рис. 1б, рис. 2б, показывают, что в условиях с низким уровнем геомагнитной активности поток длинноволнового излучения коррелирует с температурой над континентами и антикоррелирует над океанами, особенно в северном полушарии (рис. 1б). Следовательно, над континентами вклад температуры является преобладающим, по сравнению с наличием водяного пара в тропосфере, над океанами – наоборот. Следует отметить, что в спокойных геомагнитных условиях для северного полушария из-за того, что площадь, занятая материками, больше, чем поверхность океана, рассчитанный уходящий длинноволновый поток, осредненный по долготе, пропорционален температуре, что согласуется с результатами, представленными в работе [Будыко, 1974].

Для определения вклада СА, с помощью предложенной параметризации механизма влияния СА на тропосферу, были проведены расчеты уходящего длинноволнового потока для периода повышенной СА как с учетом предложенной параметризации, так и без него. Результаты корреляционного анализа связи рассчитанных потоков с температурой приведены на рис. 3. Сравнение карт распределения коэффициентов корреляции между уходящим длинноволновым потоком и температурой рассчитанных с учетом параметризации и без учета, показало, что учет параметризации приводит к увеличению площади областей, в которых уходящий поток длинноволнового излучения антикоррелирует с температурой. В северном полушарии на широтах выше 60° площади областей антикорреляции изменились с 40 до 80%, а в южном полушарии – с 40 до 50%. Величина коэффициента корреляции, для областей максимальной связи, возрастает в северном полушарии с 0.5 ± 0.09 до 0.8 ± 0.05, а в южном − с 0.7 ± 0.06 до 0.8 ± 0.05. При этом уменьшение площади областей, в которых уходящий длинноволновый поток коррелирует с температурой, сопровождается понижением коэффициента корреляции. Отмеченная выше закономерность наблюдается как в северном, так и в южном полушариях. Таким образом, учет предложенной параметризации влияния СА на тропосферу, при расчетах уходящего длинноволнового потока, приводит к усилению антикорреляции между уходящим потоком длинноволнового излучения и температурой слоя тропосферы 925–700 гПа примерно на 10%.

4. ВЫВОДЫ

Результаты проведенного в данной работе исследования позволяют сделать следующие выводы.

1. Представлена параметризация физического механизма влияния СА на радиационный баланс климатической системы, в частности, на уходящий длинноволновой поток. С учетом предложенной параметризации проведены расчеты интегральной функции поглощения и уходящего длинноволнового потока для периодов повышенной и пониженной СА.

2. Анализ корреляционной связи интегральной функции поглощения длинноволновой радиации и уходящего потока длинноволнового излучения с температурой слоя тропосферы 925–700 гПа показал, что в периоды с повышенным уровнем активности корреляция между рассчитанными радиационными характеристиками и температурой существенно выше, чем в периоды с низким уровнем активности.

3. Во время гелиогеофизических возмущений учет параметризации приводит к увеличению корреляционной связи между уходящим длинноволновым потоком и температурой приблизительно на 10%. Следовательно, предложенная параметризация может быть использована для учета влияния СА при расчетах уходящего длинноволнового потока на основе интегральной функции пропускания.