|
ВВЕДЕНИЕ
За последние годы резко возрос интерес к проблемам солнечно-атмосферных связей. Это обусловлено как развитием ракетной и космической техники,позволяющей проводить исследования в
среде стратосферного и мезосферного резервуара атмосферы
Земли, так и накоплением экспериментальных фактов влияния
корпускулярной активности Солнца на погоду.
Выяснилось, что определенные типы перестройки барических
полей, циклоническая и грозовая активности, изменение содер-
жания озона и многих других атмосферных параметров связаны с
активностью Солнца, причем последняя оказывает влияние почти
на все параметры верхней, средней и нижней атмосферы.
В цепи солнечно-атмосферных связей должны быть звенья,
через которые передается влияние активности Солнца, в частности на формирование физических условий в стратосфере.
К сожалению, нам эти звенья либо не известны, либо изучены еще
слабо. Например, неизвестно приведет ли уменьшение (увеличение) аэрозольной компоненты в стратосфере и мезосфере к
общему похолоданию (потеплению) планеты.
В верхней атмосфере высыпающиеся из магнитосферы потоки
заряженных частиц стимулируют радиолизные реакции, в которых
генерируются аэрозоли таких веществ, как нитрит и нитрат аммония, кластеры гидроксония и др. Кластеры гидроксония могут включать каталитические реакции, перерабатывающие малые
составляющие вещества воздуха в микроскопические частички -
аэрозоли и кластеры. Образующиеся в этих процессах частицы
очень гигроскопичны, они могут эффективно стимулировать процессы освобождения скрытой энергии атмосферы на больших площадях планеты и этим самым, возможно, влиять на изменение
погоды.
Поэтому поиск и изучение управляющих и усилительных механизмов освобождения скрытой энергии в связи с корпускулярной активностью Солнца могут иметь большое практическое значение .
СВЯЗЬ КОРПУСКУЛЯРНОЙ АКТИВНОСТИ СОЛНЦА
С ИЗМЕНЕНИЕМ НЕКОТОРЫХ АТМОСФЕРНЫХ ПАРАМЕТРОВ
В настоящее время экспериментально установлено существование корпускулярно-атмосферных связей и влияние их на изменение метеорологических параметров.
Так. в работах [1,2] на большом экспериментальном материале был обнаружен эффект запаздывания
≈(3 + I)дней изменений барических полей относительно геомагнитной активности,
обусловленной корпускулярной активностью Солнца. Многим исследователям известен и такой эффект,как
эффект помутнения верхней
атмосферы после интенсивных полярных сияний. Так, в работе
[3] отмечается, что помутнение верхней атмосферы обусловлено
генерацией высыпающимися частицами сложных химических веществ, например нитрита аммония NH4 NO2 .
В работе [4]указывается, что существует много реакций и процессов, в которых
генерируются аэрозоли в верхней атмосфере. Многие из этих реакций заканчиваются генерацией водяных
кластеров (комплексов
водяных молекул, присоединенных к иону или заряженной частице), ведущих себя как заряженные аэрозоли.
Такие частицы после проникновения в тропосферу могут образовывать ядра
конденсации водяного пара, более эффективные, чем обычная
континентальная пыль и аэрозоли частичек дыма [5,6]. Как указывалось в работе [3] , они являются ядрами
конденсации для образования перистых облаков, которые неизменно следовали с
опозданием на 2 дня за сильными полярными сияниями.
Все это говорит о возможном влиянии корпускулярной активности Солнца на погода через генерацию аэрозолей
гигроскопичных веществ.
В работах[I,2] было установлено, что после выраженной
геомагнитной активности происходит весьма характерная перестройка барических полей зимой (рис. I),
причем характер
перестройки имеет определенную долготную зависимость.
Через 3 дня после геомагнитных возмущений в районе долгот, проходящих через регион Северо-Востока Сибири
(Норильск -
Чукотка ≈90њ), происходит понижение давления на ≈2 мбар,
а в районе долгот, проходящих через регион Европа - Запад-
ная Сибирь (≈90њ), - повышение давления на ≈2 мбар (рис.1),
Такое же перераспределение барических полей, по-видимому,
происходит и в западном полушарии.
Рис.I.Карта распределения изменений приземного давления
в связи с корпускулярной активностью Солнца
Чем обусловлено это распределение изменений давления в
связи с геомагнитной активностью?
Мы считаем, что при высыпании заряженных частиц, характеристики которых имеют выраженную долготную зависимость,
в авроральных широтах на высотах > 85 км в результате
радиолизных реакций образуются очень гигроскопичные вещества - аэрозоли кластеров гидроксония, нитрита и нитрата
аммония. Сильные ветры в верхней атмосфере (более 100 км/ч),
имеющие большие флюктуации примерно за сутки, разносят
эти вещества на большой площади с линейными размерами ≈ 2-3
тыс.км.
В более нижних слоях, на высотах 85-20 км , флюктуации
ветров с учетом сил Кориолиса одновременно усиливают перенос
этих веществ в нижние слои в процессе вертикальной турбулентной диффузии крупными несднородностями (вихрями).
В результате этих процессов в нижнюю стратосферу (и в
верхнюю тропосферу) через ≈ 2-3 дня попадут гигроскопичные
аэрозоли, которые могут участвовать в освобождении скрытой
энергии атмосферы. Все это и приводит к перераспределению
барических полей (рис.1).
Далее, учитывая западные зональные ветры в нижней стратосфере (50 км/ч), мы должны повернуть в западном
направлении заштрихованные зоны на ≈ 3 тыс.км. Это необходимо сделать для того, чтобы восстановить начальные
условия воздействия корпускулярных потоков на верхнюю атмосферу. В данном
случае, середина заштрихованной зоны попадет в регион долгот, одновременно проходящих через районы географического
и геомагнитного полюсов Земли (на рис.1 отмечены крестиками). Известно, что геомагнитный полюс отклонен от
географического на 11,5њ в западное полушарие, что приводит к различию энергетических характеристик высыпающихся
частиц на
различных долготах.
ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
ТИКСИНСКО-НОРИЛЬСКОГО АВРОРАЛЬНОГО
РЕГИОНА
Геофизические особенности аврорального и субаврорального региона на долготах около меридиана, проходящего через
географический и геомагнитный полюса, описаны в работе [?].
Как дополнение к ним, мы приводим еще одну особенность, которая должна объяснить крупномасштабные долготные эффекты
в некоторых характеристиках высыпаний заряженных частиц.
Рассмотрим геометрию магнитосферы в 12 и 24 ч местного времени по меридиану, проходящему через
географический и геомагнитный полюса, для северного полушария (долготы
Тикси и Норильск).
На рис. 2 заштрихованы области, из которых частицы могут вторгаться в верхнюю атмосферу.(Мантия и плазменный
слой - I и область П - около нейтрального слоя).
В 12 ч1-Т (меридианы региона Тикси - Норильск (ТН) ось магнитного диполя будет наклонена очень сильно в сторону хвоста
(пунктир). Это приведет к тому, что магнитные силовые линии А
и В приблизятся к линии Солнце-Земля 00'. При этом область I
над регионом .ТН увеличивается. В 24 ч!_Т (те же меридианы,ночь)
ось магнитного диполя отклонится от оси 00' . Магнитные силовые линии будут значительно отдалены от 00' . Как видно из
рис.2, теперь увеличится область П над регионом ТН.
Рис.2.
Меридиональный разрез
магнитосферы через геомагнитный и географический полюса в 12 ч LT
и 24 4LT:
ГП - географический полюс,
МП - геомагнитный полюс
Таким образом, зимой авроральный регион ТН всегда (и
днем и ночью) находится под зонами высыпаний, которым в магнитосфере соответствуют значительно большие объемы, чем над
авроральными регионами других долгот (например, европейские
и американские).
Для примера рассмотрим разрез магнитосферы по западноевропейским меридианам (ЗЕ).
По этим меридианам ось магнитного диполя занимает одно и то же положение относительно оси
00 (рис.3). Поэтому области I и П не меняются. И, как видно
на рисунке, их объем значительно меньше,чем над регионом
ТН. По-видимому, эта геофизическая особенность и обусловливает долготное перераспределение барических полей в связи с
солнечной активностью.
Обращает на себя внимание еще очень важный, на наш
взгляд, граничный эффект. Из рис.1 видно, что существует
резкая и очень протяженная граница перепадов давления вдоль
геомагнитного меридиана, проходящего через Норильск. Эта
граница, по-видимому, существует и в западном полушарии, в
районах, богатых скрытой энергией. Только неоднородность
подстилающей поверхности скрывает четкие границы эффекта
(большие водные пространства с различной температурой). На
таких границах могут возникнуть перемещения воздушных масс
поперек фронта. Зональные ветры, перемещая эти границы, могут образовать петли, которые впоследствии под действием
сил Кориолиса, в свою очередь, могут образовывать в стратосфере огромные вихри (циклоный антициклоны). 1Ь-видимому
,такие границы являются генераторами глобальной перестройки
атмосферных процессов.
Причем перестройка должна начинаться
в стратосфере по норильскому меридиану как в западном, так
и в восточном полушариях, но в нижних слоях она станет заметной только через несколько суток и будет смещена
в восточном направлении на ' 45њ (действие зональных ветров).
Рис.3.
Разрез магнитосферы по
западно-европейским
меридианам в 12 ч LT и 24 4LT
ГЕНЕРАЦИЯ ТЯЖЕЛЫХ ИОННЫХ КЛАСТЕРОВ
ПРИ ВЫСЫПАНИЯХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ
Для изменения погоды необходимо не только перемещение
воздушных масс, но и стимулирование развития различных физико-химических процессов, способствующих освобождению
скрытой энергии атмосферы. Активные эксперименты в тропосфере
[8,9] показывают, что атмосфера всегда испытывает некоторый
недостаток в веществах, способствующих процессам конденсации
и сублимации пара.
Такие вещества могут образоваться в процессе радиолиза
воздуха при высыпании заряженных частиц. И действительно,
в интервале высот 85-65 км экспериментально наблюдается
большое содержание очень гигроскопичных веществ, таких как
кластеры гидроксония H3O+ (H2O)n.
Концентрация кластеров гидроксония на этих высотах ≈ I03.
В то же время оценки по химическим реакциям, в которых может
генерироваться это вещество, дают в 10*1000 раз меньшее количество [IO]
Такое большое различие может быть объяснено тем, что
при расчетах учитывались только химические реакции. Но в природе могут существовать и другие механизмы
генерации таких
веществ.
Ниже мы предлагаем возможный механизм генерации кластеров и аэрозолей, управляемый корпускулярной активностью
Солнца.
Рис.4.Высотный разрез изменений концентрации кластеров гидроксония:
-----расчетные значения;
--- - наблюдаемая концентрация
Под действием потоков высыпающихся частиц в верхней атмосфере на высотах > 85 км образуются ионы 02 и N0 .
В работах [ll,12j приводятся эти реакции.
Ионизация нейтральных составляющих происходит в реакциях:
Частички NО+ генерируются в ионно-молекулярных реакциях,
которые приводятся в работах [II, 13].
Как видно, баланс ионов 02 и N0+ определяется всей совокупностью реакций (1)-(22).
Частицы 02 и N0+ в свою очередь
запускают следующие реакции с образованием тяжелых ионов
[14,15]:
Большое время жизни ионов гидроксония позволяет им участвовать в крупномасштабных процессах перемешивания
воздушных масс в верхней атмосфере. Остальные тяжелые ионы из-за
малого времени жизни не могут, по-видимому, участвовать в
процессах переноса.
Для запуска реакций (23)-(33) необходимо, чтобы корпускулярные высыпания достигали более низких высот (ниже 100 км),
так как только на них имеется заметное количество молекул
воды, достаточное для включения этих реакций [1б] (рис.5).
Рис.5.Высотный разрез содержания молекул воды
Не всякие полярные сияния могут запустить такие реакции, а
только те, которые достигают более низких высот.
УСИЛИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ ГЕНЕРАЦИИ
МИКРОСКОПИЧЕСКИХ АЭРОЗОЛЕЙ И КЛАСТЕРОВ В СТРАТОСФЕРЕ
Кластер гидроксония очень гигроскопичен. Согласно [I7],
он имеет низкий энергетический порог для присоединения в реакции полимеризации молекул воды. Поэтому после попадания
в интервал высот 85-20 км, где молекул воды больше в 10 раз, чем
на высотах > 85 км, кластеры гидроксония будут укрупняться по
реакции [17]:
Тяжелый кластер гидроксония H3O+ (H2O)n обладает
каталитическими свойствами для запуска быстропереключающихся реакций [l8], для которых необходимы частички
NH3 и HNO5, в заметном количестве имеющиеся в интервалах высот 85-20 км [19,20]
Быстропереключающиеся реакции [18] будут эффективно перерабатывать некоторые малые составляющие вещества воздуха
в очень гигроскопичные вещества - аэрозоли нитрата аммония
и кластеры гидроксония:
В стратосфере имеется заметное количество некоторых соединений Сl , таких как NаСl ,НСl (продукты
испарения морской
пыли). С учетом этого реакция (36) может проходить и с участием НСl:
В реакциях образуются частички
и новые порции кластеров гидроксония H3O+ (H2O)n.
Кластеры гидроксония после восстановления своей прежней величины в реакции (34) запускают снова реакции (35)-(37).
Получается как бы цепная реакция, которая быстро увеличивает
концентрацию ядер конденсации водяного пара, а именно частичек
.
Как видно из реакций (35)-(37), имеет место усилительный
эффект увеличения концентрации кластеров нитрата аммония и
гидроксония. Коэффициент усиления равен числу повторений реакций (35)-(37), которое определяется количеством молекул
NH3, HNO3, и НСl.
Согласно [I9,20j , число молекул NH3 , HNO3 и НСl в стратосфере составляет
10-8 - 10-7 долю от числа всех молекул
воздуха. Следует заметить, что при такой малой доли их количество огромно - 2,5.108 молекул/см3,
потому что на высотах 85-20 км количество молекул воздуха в среднем равно
2,5-1016 молекул/см3.
Следовательно, если нет быстрых стоков частиц NH4+(H2O)n
и H3O+ (H2O)n , то коэффициент усиления эффекта увеличения
концентрации ядер конденсации от H3O+ (H2O)n ожидается очень
большим (250 млн раз).
А какая концентрация ядер конденсации водяного пара должна заметно повлиять на освобождение скрытой энергии? Это
оценим из следующих соображений.
Концентрация частичек тумана в верхней кромке облаков
порядка 10 частичек/см3 [8]. Если предположить, что каждая
частичка тумана образовалась на одной частичке конденсирующегося вещества, то необходимое количество ядер
конденсации
будет равно 10 частичкам/см3.
Эти цифры весьма впечатляющи. Необходимо всего 10 частичек/см3, а космические факторы потенциально могут
продуцировать 250 млн на один кубический сантиметр.
МЕХАНИЗМЫ УВЕЛИЧЕНИЯ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ
МИКРОСКОШЧЕСКИХ АЭРОЗОЛЕЙ И КЛАСТЕРОВ В СТРАТОСФЕРЕ
Весь усилительный эффект обусловлен частичками H3O+ (H2O)n.
Согласно [17], ионы кластеров гидроксония рекомбинируются в
реакции
Как видно из реакции (38), время жизни частичек H3O+ (H2O)n
определяется, в основном концентрацией свободных
электронов. Реакция (38) уменьшает время жизни частичек
H3O+ (H2O)n на высотах > 85 км до порядка 10 мин [16,17|.
Но этого времени вполне достаточно для того, чтобы заметная доля частичек H3O+ (H2O)n,
участвуя в процессе турбулентной диффузии крупными вихрями, проникла с высот > 85 км в
интервал 85-20 км, где концентрация электронов на несколько порядков меньше, а следовательно, на несколько порядков
будет увеличено и время жизни H3O+ (H2O)n.
На высотах > 85 км имеется заметное количество ионов
атомарного кислорода О+, который в реакции [21] ионизирует
атомы водорода, в том числе и освободившиеся по реакции (38).
Ионы атома водорода, присоединяя молекулы воды, снова образуют кластеры гидроксония.
Все это приводит к значительному
увеличению времени жизни кластеров гидроксония. Участие частичек H3O+ (H2O)n
в реакциях (35)-(37) также приводит к увеличению жизни этих частичек. Реакции (35)-(37) могут
инициироваться и частичкамиNH4+(H2O)n. При этом образуются
кластеры гидроксония и новые порции частичек NH4+(H2O)n, которые
будут снова запускать эти реакции с образованием частичек
H3O+ (H2O)n и т.д.
В нижней стратосфере ионные кластеры можно рассматривать
как микроскопические заряженные аэрозоли воды. Заряженные
аэрозоли воды имеют большее время жизни, чем незаряженные.
Если такие частички способны стимулировать на своей поверхности какие-либо реакции, то каждая частичка может
участвовать в реакции много раз. Это означает, что даже при малой
концентрации таких аэрозолей, эффект от их присутствия может
оказаться большим.
И действительно, на поверхности аэрозолей воды в воздухе,
согласно работе [21], могут проходить следующие реакции
В этих реакциях образуются ионы водорода и свободные радикалы ОН, которые могут находиться как на поверхности,
так и в
воздухе вблизи аэрозолей. Ион Н+ может образовывать кластер
гидроксония. Далее, в стратосфере есть заметные концентрации
веществ Н02 и Н202 [1б]. Согласно работе [ 21], эти вещества, вступая в цепные
реакции
образуют ионы гидроксония, которые, присоединяя молекулы воды, превращаются в тяжелые кластеры гидроксония.
Кластеры гидроксония образуют микроскопические аэрозоли
воды, и процесс повторяется, т.е. микроскопические аэрозоли
воды генерируют такие же аэрозоли, причем в этом же процессе генерируются и новые порции кластеров гидроксония,
усиливающие этот процесс.
Все это также приводит к увеличению жизни частичек
H3O+ (H2O)n. Таким образом, весь процесс (1)-(44),
запускаемый корпускулярной активностью Солнца, заканчивается в нижней стратосфере генерацией микроскопических
аэрозолей воды,
которые могут быть ядрами конденсации водяного пара.
Исходя из работы [21], на поверхности аэрозолей воды могут генерироваться молекулы озона.
Реакция (45) - суммарная. Цепи ее развиваются достаточно слож-
но, с выделением тепла 35 ккал/моль. Теплота выделяется и в
других реакциях.
Следовательно можно ожидать, что протеканию реакций
(1)-(45) должны сопутствовать эффект увеличения содержания
озона и стратосферные потепления через (2-3) дня после сильных высыпаний заряженных частиц. Наблюдения в стратосфере
подтверждают существование этого эффекта, но по измерениям,
например, над Якутском с 21 марта по 5 апреля 1974 г.,
были замечены изменения содержания озона в связи с появлением тормозного рентгеновского излучения (ТРИ) от
высыпающихся высокоэнергичных электронов [5].
Из рис.6 видно, что через 2-3 дня после высыпания энергичных электронов увеличивается содержание озона в атмосфере.
Наиболее сильно эффект проявился от высыпания электронов
22 марта 1974 г. (через I сутки) и слабее от высыпания 28-
29 марта (через 3 суток). Под силой эффекта здесь понимается скорость наступления изменений содержания озона. Так
24, 29 марта скорость изменения содержания озона была в
2-3 раза меньше, чем 22 марта.
Рис.6. Среднесуточные значения содержания озона. внизу отмечены моменты
регистрации высыпаний высокоэнергичных электронов (по ТРИ)
Высыпания электронов, связанные с характерными изменениями содержания озона, наблюдались одновременно в Тикси,
Жиганске, Якутске.
Из данных рис.6 можно оценить скорость распространения
процесса, обусловленного реакциями (1)-(45).
Взаимодействие с веществом воздуха высыпающихся высоко-
энергичных электронов заканчивается, в основном, на высотах
>85 км. Основная масса озона содержится на высотах II-
35 км. Это соответствует средней высоте 23 км. Значит из
соотношений времени между моментами высыпания электронов и
максимумом повышения содержания озона следует, что средняя
скорость распространения процесса, обусловленного реакциями
(1)-(45) по вертикали 22 марта равна 1,7 км/ч, 24 марта -
0,9 км/ч и 29-30 марта - 0,7 км/ч.
Из рис.6 можно оценить продолжительность времени жизни
кластеров гидроксония, обусловленную всей совокупностью
реакций (1-}-(45). Она будет равна продолжительности характерных изменений содержания озона - 1-3 суток.
ПЕРЕНОС МИКРОСКОПИЧЕСКИХ АЭРОЗОЛЕЙ
И КЛАСТЕРОВ В НИЖНКЮ АТМОСФЕРУ
Как уже отмечалось, частички
могут служить эффективными ядрами
конденсации водяного пара атмосферы.
Каким образом они проникают с высоты 85 км в нижние
слои атмосферы, хотя бы до высот 20 км? И причем весьма за
короткое время.
Экспериментально обнаружено, что эффект запаздывания
изменения метеорологических параметров от.высыпаний составляет (3+I)d [1,2].
Учитывая это время и интервал высот 85-20 км, и предполагая применимость процесса турбулентной диффузии, мы
можем оценить коэффициент диффузии. Он оказался
ным k=14,5 км^/ч. Такое значение необходимо для почти
полного перемешивания вещества воздуха в слое 85-20 км за
3 дня. Но с учетом усилительного эффекта (усиление 250 млн
раз) этот коэффициент может быть во много раз меньше.
Физические характеристики воздушного резервуара высот
85-20 км могут вполне обеспечивать и такой коэффициент диффузии (по порядку величины). Почему?
В слое 85-20 км дуют сильные ветры, средняя скорость которых ' 60 км/ч. Причем из-за турбулентности эта скорость
претерпевает сильные флюктуации. Энергия турбулентного движения на высотах 85-20 км, по оценкам наблюдений за метеорными
следами, составляет 25% от кинетической энергии среднего потока [22, 23].
Откуда можно оценить среднюю амплитуду флюктуации скорости dU . Она будет равна
dU = + 0,5U (46)
Эти флюктуации обусловлены вихревыми неоднородностями, среднее время жизни которых 1ч.
Из-за флюктуации горизонтальной скорости возникают вертикальные ускорения под действием сил Кориолиса. Ускорение
Кориолиса равно
Откуда, подставляя в (49), (50) числовые значения, получим Д = 7,5 км2/ч, т.е. указанный выше коэффициент
диффузии
может быть по порядку величины обусловлен даже только силами
Кориолиса. Но в природе существуют и другие механизмы мощных
процессов перемешивания воздушных масс.
Таким образом в нижней ат |
