Геомагнетизм и аэрономия, 2020, T. 60, № 5, стр. 655-671

1. ВВЕДЕНИЕ

В одной из научных задач космического проекта “Вулкан-Компас-2” планировались исследования электромагнитных (ЭМ) излучений на борту спутника при пролете его над сейсмоактивным регионом с целью изучения литосферно-ионосферного взаимодействия в диапазоне частот 1 Гц–20 кГц [Кузнецов и др., 2011]. Источником этого излучения являются преимущественно молниевые разряды. Для его регистрации в наземно-космическом эксперименте была выбрана обс. Паратунка (φ = 52.97° N; λ = 158.25° E) ИКИР ДВО РАН, оснащенная специализированным аппаратно-программным комплексом для сбора и обработки различной геофизической информации [Бузевич и др., 1998] и пеленгатором, определяющим направление на источник этого излучения. Интенсивность грозовых источников качественно оценивалась по потоку атмосфериков (количество сигналов в час) [Дружин и др., 2001]. Для тонкого спектрального анализа атмосфериков эпизодически использовалось также широкополосное приемное устройство, идентичное бортовому [Михайлов и др., 2006а].

Многолетние узкополосные записи уровня ЭМ-излучения в полосе частот 0.6–10 кГц (так называемых атмосферных радиошумов) показали, что источники этих излучений в зимний период расположены в ЮЗ, Ю, и ЮВ-направлениях относительно п-ова Камчатка [Михайлов и др., 2005; Дружин и др., 2008]. В летний период к ним добавляются источники с СЗ-направления. При этом перемещение источников атмосфериков происходит синхронно с направлением движения циклона. Наиболее интенсивный поток сигналов порождается тропическими циклонами в Тихом океане. Их влиянию на грозовую активность посвящено несколько исследований. В частности, детально изучена динамика грозовой активности в период зарождения циклонов и в процессе развития до максимальной интенсивности [Михайлов и др., 2006б; Дружин и др., 2008]. Более того, в спектрах суточных колебаний атмосферных радиошумов выделены максимумы на периодах Т = = 2–3 ч, интенсивность которых заметно изменяется в процессе развития тропического циклона [Михайлов и др., 2005].

Кроме удаленных источников ОНЧ-излучения, регистрируемого на Камчатке, следовало бы ожидать и локальные грозовые источники. Но, как показывает местная метеорологическая служба, грозы на Камчатке – довольно редкое явление, даже в летнее время. В некоторых случаях, крайне редко, случаются зимние грозы с частотой один раз в 2–5 лет. Природа этого уникального явления до сих пор остается неясной. Метеорологи полагают, что источником их являются мощные тропические циклоны в Тихом океане (тайфуны), приносящие на юг полуострова огромные массы теплого и влажного воздуха, как необходимый компонент для формирования грозовой активности в приземной атмосфере. Вместе с тем, в работе [Смирнов и др., 2019] показано, что источником дополнительного притока тепла для формирования грозовых процессов могут быть мощные вспышки на Солнце, сопровождаемые усилением излучения в видимом и инфракрасном спектрах, а также инфракрасное излучение Земли, поступающее в атмосферу перед мощными землетрясениями (ЗТ) с магнитудой М > 8.

Настоящая работа является продолжением исследования природы зимних гроз на Камчатке и рассматривается возможность формирования грозовых процессов мощными тропическими циклонами при спокойных солнечной и сейсмической активностях.

2. ИСХОДНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ

В работе исследованы зимние грозы, наблюдаемые на Камчатке в период с 2008 по 2018 гг.: 26–31 декабря 2008 г.; 18–19 ноября 2012 г.; 2 декабря 2012 г.; 12 декабря 2014 г.; 21 декабря 2014 г.; 11 марта 2015 г.; 19 ноября 2017 г.; 26–28 декабря 2017 г.; 3 января 2018 г.; 20–28 января 2018 г.; 18–22 ноября 2018 г. В качестве индикатора грозовой активности рассмотрены суточные вариации напряженности квазистатического электрического поля (E_z-компоненты), наблюдаемые одновременно с вариациями метеорологических величин в приземной атмосфере в обс. Паратунка ДВО РАН (φ = 52.97° N; λ = 158.25° E). Напряженность электрического поля измерена прибором “Поле-2” с дискретностью по времени 1 мин, а метеорологические величины (температура T ° C; давление P, гПа; относительная влажность Hm, %; осадки, мм и скорость ветра V, м/с) – цифровыми станциями WS-2000 и WS-2300 с дискретностью по времени 10 мин. Для оценки уровня солнечной активности использованы записи потоков рентгеновского излучения Х-ray, (Вт/м²) (http:// www.staff.oma.be/default.jsp), сейсмической активности – (https://www.emsc-csem.org/Earthquake/ ?filter=yes), циклонической активности в акватории Тихого океана (http://agora.ex.nii.ac.jp/digital-typhoon/search.date.html.en). Зимние грозы непродолжительны по времени, поэтому они не всегда отмечаются в метеорологических данных, которые традиционно на местных станциях измеряются через каждые три часа в течение суток, либо как среднесуточные их значения (https://yandex.ru/pogoga/paranunka/month). В отличие от этих методов, в обс. Паратунка их записи ведутся через 10 мин, т.е. практически непрерывно. Поэтому детальная регистрация временны́х вариаций напряженности электрического поля и метеорологических величин позволяет наиболее надежно и достоверно оценивать состояние грозовой активности в приземной атмосфере. На временны́х записях напряженности электрического поля грозовые процессы проявляются как знакопеременные колебания большой величины, порядка кВ/м, вызванные зарядами обильных осадков [Бенндорф, 1934; Юман, 1972], в отличие от регулярных колебаний в условиях “хорошей погоды” (~100 В/м) и бухтообразных понижений напряженности перед землетрясениями [Smirnov, 2008].

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Событие 26–31 декабря 2008 г. Как видно на рис. 1, при низком уровне солнечной активности (~10^–8 Вт/м²), начиная с 26 декабря на фоне бухтообразного понижения напряженности Ez-компоненты поля отмечается всплеск колебаний до 300 В/м грозовой природы. Этот момент совпадает по времени с резким изменением метеорологических величин: повышением температуры и относительной влажности воздуха соответственно от –10 до 0° C и от 60 до 80% и усилением ветра от единиц до 25 м/с. В Тихом океане за десять дней до рассматриваемого события (с 12 по 18 декабря) действовал тропический циклон DOLPHIN (V_max = = 33 м/с) (табл. 1) и его влияние на метеоусловия мало вероятно. Вместе с тем, как следует из табл. 2, в период с 28 по 31 декабря вблизи южного побережья Камчатки произошла серия землетрясений с магнитудой M ~ 5.0–5.5 (на рисунке отмечены стрелками). Их действие проявилось в бухтообразном понижении напряженности электрического поля. Не исключено, что дополнительный приток тепла, необходимый для зарождения грозовой активности, поступил в приземную атмосферу от источника сейсмической природы [Смирнов и др., 2019].

Рис. 1.

Суточные вариации Ez-компоненты квазистатического электрического поля в приземной атмосфере Камчатки, метеорологических величин и потоков солнечной радиации X-ray для событий 26–31 декабря 2008 г. (а) и трек тайфуна DOLPHIN с 12 по 18 декабря (б). Стрелками на графике Ez-компоненты обозначены моменты землетрясений, в кружках на треке – даты.

Событие 18–19 ноября 2012 г. 15 ноября при низкой относительной влажности воздуха (~70%) температура возросла от низких отрицательных значений до нулевых и положительных значений (см. рис. 2). А с 18 ноября относительная влажность увеличилась до максимальных значений (~90%). Таким образом, в приземной атмосфере возникли условия для развития грозовой активности. Это состояние сохранилось вплоть до 23 ноября и четко проявилось в вариациях Ez-компоненты, а также в усилении ветра. 19 декабря так же, как и в предыдущем случае, грозовой процесс совпал с сейсмическим процессом. Солнечная активность в этот период была относительно спокойной (~10^–5 Вт/м²). Спокойной была и циклоническая активность в тропических широтах: циклоны не наблюдались. Но, как следует из табл. 2, вблизи полуострова в этот период произошла серия ЗТ с магнитудой M ~ 5.0–6.5. По-видимому, эти сейсмические события и обеспечили дополнительный приток тепла, необходимый для зарождения грозовой активности.

Рис. 2.

То же, что и на рис. 1а, но для события 18–19 ноября 2012 г.

Событие 2 декабря 2012 г. Как следует из графика T°C(t) (см. рис. 3), в период с 27 ноября по 7 декабря на Камчатке наблюдалась аномально теплая для этого периода погода. Кроме отдельных дней, 29 и 30 ноября, температура воздуха превышала нулевую отметку. А в отдельные периоды при высокой температуре и относительной влажности воздуха (~90–95%) в приземной атмосфере формировались условия грозовой активности. На графике Ez(t) они выделены сильными всплесками: 29 ноября, 2 и 7 декабря. Отрицательный всплеск 27 ноября – это предвестник ЗТ. В период с 26 ноября по 9 декабря в Тихом океане действовал мощный тропический циклон BOPHA с максимальной скоростью V_max ~ 51 м/с, который подпитывался повышенной солнечной радиацией (~10^–6–10^–5 Вт/м²). И хотя он развивался далеко от полуострова (φ = (5–20)° N; λ = (160–120)° E), его, по-видимому, следует рассматривать как источник дополнительного притока тепла в приземной атмосфере для обеспечения аномально высокой температуры и связанной с этим грозовой активностью. При этом не исключено влияние на температурный режим и сейсмических источников, т.е. ЗТ, которые имели место вблизи полуострова.

Рис. 3.

То же, что и на рис. 1а, но для события 2 декабря 2012 г. (а) и трек тайфуна BOPHA с 27 ноября по 8 декабря (б).

Событие 12 декабря 2014 г. Как видно на рис. 4, мощный циклон HAGUPIT с максимальной скоростью V_max = 59 м/с действовал продолжительное время (~10 сут), поддерживая температуру воздуха с регулярными суточными колебаниями ниже нулевого уровня. В это время сохранялась высокая относительная влажность воздуха, т.е. имели место обильные осадки. Накопившаяся тепловая энергия на стадии затухания циклона, по-видимому, вызвала рост температуры 12 декабря выше нулевого уровня и при высокой влажности привела к возникновению грозового процесса, сопровождаемого ураганным ветром (V ~ 15 м/с). Солнечная активность была при этом относительно спокойной (~10^–6 Вт/м²). Эпицентр землетрясения средней интенсивности (M ~ 5.5) находился вблизи Курильских о-вов (см. табл. 2).

Рис. 4.

То же, что и на рис.1а, но для события 12 декабря 2014 г. (а) и трек тайфуна HAGUPIT с 4 по 11 декабря (б).

Событие 21 декабря 2014 г. В период с 17 по 20 декабря вариации напряженности электрического поля были в пределах условий “хорошей погоды” (см. рис. 5), без предвестника ЗТ 19 декабря. Суточные вариации температуры и относительной влажности воздуха, характерные для этих условий, были в противофазе. Но 21 декабря возросла температура одновременно с влажностью воздуха, и в приземной атмосфере возникли метеорологические условия для грозовой активности, сопровождаемые усилением ветра. В этот период с 17 по 27 декабря в Тихом океане циклоны не наблюдались, землетрясение с M ~ 5.0 вблизи полуострова произошло только 19–20 декабря (табл. 2). Но 26 декабря на фоне относительно слабой солнечной активности произошли солнечные вспышки с потоком X-лучей ~10^–4 Вт/м². По-видимому, они и стали причиной возрастания температуры воздуха.

Рис. 5.

То же, что и на рис. 1а, но для события 21 декабря 2014 г.

Событие 11 марта 2015 г. В период с 6 по 10 марта (см. рис. 6) в отсутствие циклона и умеренных солнечной (<10^–5 Вт/м²) и сейсмической (M ~ 5.0) активностей наблюдались регулярные суточные вариации температуры и относительной влажности воздуха. В день вступления циклона BAVI (V_max = 23 м/с) регулярный ход этих величин был нарушен: температура превысила нулевой уровень, а влажность увеличилась до значений ~90%. Это привело к формированию грозовой активности с усилением ветра до 15 м/с. В последующие дни в процессе развития циклона восстановился регулярный суточный ход температуры, но при более высоких значениях (днем ~+5°C) с последующим уменьшением относительной влажности. В рассматриваемый период произошло землетрясение с магнитудой M ~ 5.0 (табл. 2) при умеренной солнечной активности (~10^–5 Вт/м²).

Рис. 6.

То же, что и на рис. 1а, но для события 11 марта 2015 г. (а) и трек тайфуна BAVI с 11 по 17 марта (б).

Событие 19 ноября 2017 г. На протяжении десяти дней (см. рис. 7) наблюдались хаотические колебания температуры вблизи нулевого уровня и столь же хаотические колебания относительной влажности воздуха в очень широких пределах (60–90%) с порывистыми ветрами до 10 м/с, т.е. очень неустойчивые метеорологические условия. Лишь 19 ноября при увеличении температуры выше нулевого уровня при максимальной относительной влажности (~90%) наблюдался всплеск грозовой активности. При этом в течение наблюдаемого периода была очень низкая солнечная активность (~10^–7 Вт/м²), слабый циклон KIROGI (V_max = 18 м/с) был кратковременным (всего один день 18 ноября) и сильно удален от полуострова (φ = 10° N и λ = (115–125)° E). В период 20–23 ноября произошло два очень слабых землетрясения (M ~ 4.5–4.7) на близких расстояниях (R ~ 110 км). Факт совпадения периода грозовой активности с действием циклона позволяет с осторожностью принять циклон как источник дополнительного притока тепла в приземной атмосфере.

Рис. 7.

То же, что и на рис. 1а, но для события 19 ноября 2017 г. (а) и трек тайфуна KIROGI 18 ноября (б).

События 26–28 декабря 2017 г. В период с 18 по 28 декабря действовали два циклона KAI-TAK (14–21 декабря, V_max = 21 м/с) и TEMBIN (12–25 декабря, V_max = 36 м/с) в удаленной области (φ ~ 10° N и λ = 100°–140° E) (см. рис. 8). При высокой относительной влажности (~ 80%) суточная температура воздуха изменялась регулярно в пределах от –8 до –20°C. Но, начиная с 25 декабря, температура резко возросла практически до нулевых значений, а влажность увеличилась до 90%. Эти условия сохранились вплоть до 28 декабря, в течение которых наблюдались мощные грозовые процессы 25 и 28 декабря, сопровождаемые обильными осадками и усилением ветра до 15 м/с. При слабой солнечной (~10^–8 Вт/м²) и слабой сейсмической (M ~ 4.6–4.9; R ~ 100 км) активностях можно предположить, что источником дополнительного притока тепла явился сильный циклон TEMBIN.

Рис. 8.

То же, что и на рис. 1а, но для события 26–28 декабря 2017 г. (а) и треки тайфунов KAI-TAK с 14 по 21 декабря и TEMBIN с 20 по 25 декабря (б).

Событие 3 января 2018 г. Рисунок 9. Согласно данным (https://yandex.ru/pogoga/paratunka/month), в рассматриваемый период наблюдалась ясная погода с низкими значениями температуры при относительно высокой относительной влажности воздуха. Исключение составили сутки 3 января, когда выпал обильный снег без явных признаков грозовой активности. В этот день действовал довольно слабый (V_max = 18 м/с) и удаленный циклон BOLAVEN (φ ~ 10° N и λ = (110–140)° E). Кроме того, этот день предшествовал близкому к восточному побережью Камчатки землетрясению с магнитудой M ~ 5.3. На фоне слабой солнечной активности (~10^–8 Вт/м²) тепловой энергии циклона оказалось недостаточно для возбуждения грозовых процессов в приземной атмосфере Камчатки.

Рис. 9.

То же, что и на рис. 1а, но для события 3 января 2018 г. (а) и трек тайфуна BOLAVEN 3 января (б).

События 20–28 января 2018 г. Эти события интересны тем, что в течение продолжительного времени в приземной атмосфере сохранялись условия грозовой активности (см. рис. 10). При слабой солнечной активности (~(10^–7–10^–6) Вт/м²) и отсутствии циклонов в Тихом океане температура и относительная влажность воздуха изменялись в очень широких пределах: от ~–20 до 0°С и (50–90)%, соответственно. В этот период вблизи полуострова произошло 15 землетрясений средней интенсивности с магнитудой M от 4.0 до 6.1, которые по совокупности и могли стать источником дополнительного притока тепла в приземную атмосферу.

Рис. 10.

То же, что и на рис. 1а, но для события 20–28 января 2018 г. (а) и карта расположения центров землетрясений (б). Цифры – их номера в табл. 2.

Событие 18–22 ноября 2018 г. В период с 14 по 24 ноября (см. рис. 11) существенно был нарушен суточный ход и температуры и относительной влажности воздуха. А в вариациях Ez-компоненты электрического поля выделены грозовые явления 18, 21 и 22 ноября. В эти периоды при высокой относительной влажности температура ночью возросла от отрицательных до положительных значений, сравнимых с дневными значениями. При низкой солнечной активности (~10^–8 Вт/м²) этот факт указывает, что дополнительный приток тепла поступал от земной поверхности. 14 и 17 ноября вблизи восточного побережья Камчатки произошли три ЗТ с магнитудой M ~ 5.0–6.1. Можно предположить, что они являются источниками дополнительно притока тепла. Циклоны MAN-YI (V_max = 41 м/с) и USAGI (V_max = 33 м/с) действовали позже с 20 ноября и не могли оказать влияния на событие 18 ноября.

Рис. 11.

То же, что и на рис. 1а, но для события 18–22 ноября 2018 г. (а) и треки тайфунов MAN-YI с 20 по 26 ноября USAGI с 22 по 26 ноября (б).

4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Тропические циклоны, как известно [Матвеев, 1984], зарождаются с появлением атмосферного возмущения в довольно узкой по широте полосе (~(5–20)°) и развиваются продолжительное время (от суток и более), перемещаясь с востока на запад. Их появление связано с ростом температуры воды на глубине ~50 м до величины ~27°C на огромной площади поверхности океана. По мере развития это возмущение переходит в состояние депрессии со скоростью ветра менее 17 м/с, далее – в шторм (V_max ≤ 32 м/с) и в ураган (V_max ~ 33–62 м/с, минимальное давление P_min) с образованием “глаза”. По введенной терминологии это состояние тропического цикла и называется в Тихом океане тайфуном. Его интенсивность определяется этими двумя величинами: V_max и P_min. Заканчивается тропический циклон стадией разрушения. В процессе его развития происходит интенсивное испарение водяного пара. В результате потоков вверх теплого и влажного воздуха в нижней атмосфере возникают благоприятные условия для образования мощной кучево-дождевой облачности с сильными грозами, обильными осадками и ураганными ветрами. При конденсации водяного пара выделяется скрытая теплота, к которой добавляется теплота, поступающая от поверхности океана при остывании, а также от разрядов молний. Таким образом, не вдаваясь в детали этого сложного метеорологического явления, тропические циклоны можно рассматривать как мощные источники электромагнитного излучения молниевыми разрядами в диапазоне частот от единиц Гц до десятков кГц. Это излучение уверенно регистрируется на больших расстояниях при распространении в приземном волноводе, в частности, на Камчатке [Михайлов и др., 2005; Дружин и др., 2008], а также во внешней ионосфере на высотах ~2500 км [Mikhailova et al., 2002].

Будучи источником электромагнитного излучения, тропические циклоны в Тихом океане являются также мощным источником тепла. Огромная масса теплого и влажного воздуха перемещается вдоль восточного азиатского побережья и, сталкиваясь с холодным воздухом, образует обычный среднеширотный циклон с характерными для него особенностями: локально при конвекции теплого влажного воздуха также образуются кучево-дождевые облака, выпадают обильные осадки в виде мокрого снега и дождя, усиливаются ветры. В некоторых редких случаях при сильных циклонах возникают зимние грозы. Таким образом, интенсивность среднеширотных циклонов на юге Камчатки непосредственно связана с интенсивностью тропических циклонов. Метеорологи связывают появление зимних гроз только с прохождением теплых среднеширотных циклонов. Так ли это?

Результаты анализа одиннадцати случаев зимних гроз на Камчатке в период с 2008 по 2018 гг. с использованием записей напряженности квазистатического электрического поля в качестве индикатора грозовой активности, метеорологических величин, а также данных потоков рентгеновского излучения для оценки солнечной активности, сейсмической и циклонической активностей показали следующее.

1. В случае 21 декабря 2014 г. в отсутствие тропических циклонов 19 и 20 декабря на фоне относительно слабой солнечной активности произошли солнечные вспышки с потоком X-лучей ~10^–4 Вт/м², которые можно рассматривать, по-видимому, в качестве источника дополнительного потока тепла в приземной атмосфере.

2. В случаях 26–31 декабря 2008 г., 18–19 ноября 2012 г., 20–28 января 2018 г., 18–22 ноября 2018 г. при условиях слабой солнечной активности и отсутствии тропических циклонов в качестве источников дополнительного потока тепла в приземной атмосфере, по-видимому, следует рассмотреть рой умеренных землетрясений (до 15) вблизи восточной границы полуострова. Аналогичная ситуация при близких землетрясениях наблюдалась ранее в работе [Михайлов и др., 2006б], а также в работе [Кузнецов и др., 2007]. Последняя работа интересна тем, что ее результаты позволяют проследить зарождение среднеширотных циклонов при затухании тропического циклона TAPAH на расстояниях до ~3000 км до Камчатки и движении их на север. Дополнительным аргументом в пользу вывода о сейсмическом источнике дополнительного притока тепла в приземной атмосфере могли бы быть результаты регистрации уходящего инфракрасного излучения на метеорологических спутниках.

3. В остальных рассмотренных в работе случаях причиной зимних гроз, кроме случая 3 января 2018 г., действительно являлись тропические циклоны с интенсивностью от 18 до 59 м/с.

Таким образом, тропические циклоны в Тихом океане, являются возможным, но не единственным источником дополнительного потока тепла для возникновения локальных зимних гроз на Камчатке.