Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 9, стр. 1336-1339

ВВЕДЕНИЕ

Стратосферный полярный вихрь представляет собой циклоническую циркуляцию, формирующуюся в полярных широтах выше уровня 500 гПа. Состояние вихря оказывает существенное влияние на развитие динамических процессов в тропосфере (например, [1]), что делает его важным связующим звеном между циркуляцией нижней атмосферы и солнечной активностью [2]. В области формирования вихря наблюдаются высокие скорости ионизации за счет космических лучей [3], создающие благоприятные условия для работы ряда физических механизмов солнечно-атмосферных связей, включающих изменения химического состава и температурного режима полярной атмосферы [4], а также электрических характеристик и облачности [5]. Нами исследованы изменения состояния вихря во время мощных солнечных протонных событий января 2005 г.

ВАРИАЦИИ СКОРОСТИ ВЕТРА И СТРАТОСФЕРНОЙ ИОНИЗАЦИИ В ЯНВАРЕ 2005 ГОДА

В январе 2005 г. произошла серия мощных солнечных протонных событий (СПС), обусловленная ростом вспышечной активности на Солнце [6]. В ходе событий 15, 16 и 17 января регистрировались потоки частиц с энергиями 165–500 МэВ [7], достигающих высот стратосферы. Наиболее мощное событие с энергиями частиц выше 500 МэВ произошло 20 января и сопровождалось возрастанием скорости счета нейтронных мониторов (GLE) [6]. Исследуемые события привели к значительному увеличению скорости ионизации в верхней стратосфере высоких широт [8].

Поскольку полярный вихрь характеризуется резким усилением западного ветра в широтном поясе ∼50°–80°, для оценки его интенсивности использовались среднесуточные значения U‑компоненты (направленной с запада на восток) скорости ветра в стратосфере по данным реанализа NCEP/NCAR [9]. На рис. 1а приведены максимальные значения скорости западного ветра U_max, наблюдаемые в области формирования вихря, в зимние месяцы 2004/2005 гг. Видно, что на всех уровнях стратосферы в период 15–23 января наблюдалось значительное усиление западного ветра. Отклонения U_max от трендовых значений составляло ∼20–30 м ⋅ с^–1 в верхней стратосфере (30–10 гПа) и ∼15 м ⋅ с^–1 в нижней (100–50 гПа). В то же время на всех уровнях стратосферы резко увеличивались площади областей, охваченных ветрами с высокими значениями скорости. На рис. 1б приведены площади S_high (в долях от общей площади земной поверхности) областей в верхней стратосфере, где скорость ветра превышала заданное значение. Видно, что в ходе СПС эти площади существенно возрастали. Кроме того, было обнаружено появление областей с экстремально высокими скоростями ветра, не наблюдавшимися до начала события (напр., на уровнях 50 и 100 гПа возникли области S_extr со скоростями U ≥ 60 м ⋅ с^–1 и U ≥ 105 м ⋅ с^–1, соответственно (рис. 1в)). Приведенные данные свидетельствуют о значительном усилении стратосферного полярного вихря во время исследуемых СПС.

Рис. 1.

Максимальные значения скорости западного ветра U_max в декабре–феврале 2004/2005 гг. на разных уровнях стратосферы: 1 – 10, 2 – 20, 3 – 30, 4 – 50, 5 – 70, 6 – 100 гПа (а). Вариации (отклонения от линейного тренда) площади областей с высокими значениями скорости ветра S_high в верхней стратосфере: 1 – 10 гПа (U ≥ 65 м ⋅ с^–1), 2 – 20 гПа (U ≥ 55 м ⋅ с^–1), 3 – 30 гПа (U ≥ 45 м ⋅ с^–1) (б). Вариации площади областей S_extr с экстремально высокими скоростями ветра U ≥ 105 м ⋅ с^–1 на уровне 10 гПа (1) и U ≥ 60 м ⋅ с^–1 на уровне 50 гПа (2) (в).

На рис. 2а показаны вертикальные профили среднесуточных значений скорости ионизации q в области геомагнитных широт 60°–90° для 15, 16, 17 и 20 января 2005 г. по данным международной рабочей группы SOLARIS-HEPPA [10]. Там же приведены вариации (отклонения от среднего уровня 1–14 января) максимальных значений скорости западного ветра, осредненных за период СПС (15–20 января). Видно, что в верхней стратосфере возрастание скорости ионизации, обусловленное всплесками солнечных протонов, составляло от ∼10 до нескольких сотен см^–3 · с^–1. Вариации скорости западного ветра ΔU_max возрастали с высотой, как и скорости ионизации. На рис. 2б приведена зависимость максимальных значений скорости ветра U_max в верхней стратосфере (10 гПа) от скорости ионизации q на тех же высотах в январе 2005 г. по данным SOLARIS-HEPPA [10]. Видно, что при небольших значениях скорости ионизации (q ∼ 0.4 см⁻³ · с^–1) U_max варьируется в широком диапазоне (от ∼80 до ∼110 м ⋅ с^–1), однако при больших значениях q скорость ветра возрастает с увеличением скорости ионизации до ∼120 м ⋅ с⁻¹.

Рис. 2.

Среднесуточные значения скорости ионизации q в области геомагнитных широт 60°–90° [10]: 1 – 15 января, 2 – 16 января, 3 – 17 января и 4 – 20 января 2005 г. Сплошная линия с черными квадратами (5) показывает вариации максимальных значений скорости западного ветра ΔU_max (а). Зависимость U_max на уровне 10 гПа от среднесуточных значений скорости ионизации в верхней стратосфере (35 км) [10] в январе 2005 г. (б). Вариации максимальных значений скорости западного ветра ΔU_max в январе в ходе СПС 2005 г. (1) и при отсутствии СПС: 2 – 2003 г., 3 – 2006 г., 4 – 2007 г. (в).

На рис. 2в вариации скорости ветра ΔU_max в январе 2005 г. сопоставлены с рассчитанными аналогичным образом вариациями скорости ветра (отклонениями средних значений U_max в области формирования вихря за 15–20 января от средних значений за предыдущий период 1–14 января) для трех лет (2003, 2006 и 2007 гг.), когда в январе протонных событий не наблюдалось [6]. Как видно из рисунка, при отсутствии СПС скорость ветра может как возрастать, так и ослабевать по сравнению с предыдущим периодом, при этом отклонения ΔU_max лежат в пределах примерно ±5 м ⋅ с^–1, а также по-разному изменяются с увеличением высоты. Для профиля ΔU_max в январе 2005 г., наоборот, характерен устойчивый рост вариаций скорости ветра с высотой и их амплитуда достаточно высока (от ∼8–13 м ⋅ с^–1 в нижней стратосфере до ∼20 м ⋅ с^–1 в верхней). Таким образом, данные, приведенные на рис. 2, позволяют предположить, что рост интенсивности стратосферного полярного вихря в январе 2005 г. действительно был связан с увеличением скорости ионизации в средней атмосфере в результате вторжения солнечных протонов.

О ВОЗМОЖНОМ ФИЗИЧЕСКОМ МЕХАНИЗМЕ ЭФФЕКТОВ СПС

Увеличение скорости ветра в вихре свидетельствует об увеличении температурных контрастов между полярными и умеренными широтами. Возможной причиной такого увеличения являются изменения радиационно-теплового баланса полярной атмосферы вследствие изменения химического состава. Рост скорости ионизации в средней атмосфере способствует более интенсивному образованию окислов азота и водорода, участвующих в каталитических циклах разрушения озона. В период СПС января 2005 г. наблюдалось уменьшение содержания озона на 20–60% в мезосфере на высотах 60–70 км и на 10% в верхней стратосфере на высотах ∼40 км [8]. Озон в условиях полярной ночи действует как парниковый газ, поскольку имеет ряд колебательно-вращательных полос поглощения в инфракрасной области [11]. Таким образом, уменьшение содержания озона способствует выхолаживанию полярной стратосферы и мезосферы, что может привести к увеличению меридиональных градиентов температуры и, соответственно, увеличению скорости западного ветра.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обнаружено резкое увеличение скорости западного ветра в стратосфере высоких широт, свидетельствующее об интенсификации стратосферного полярного вихря, во время серии протонных событий января 2005 г. Возможным фактором интенсификации вихря является значительный рост скорости ионизации, вызывающий изменения химического состава и температурного режима полярной атмосферы. Полученные результаты свидетельствуют о влиянии мощных солнечных протонных событий на циркуляцию средней атмосферы.

Автор выражает благодарность Базилевской Г.А. (ФИАН) и анонимному рецензенту за полезные рекомендации.