Эффекты форбуш-понижений космических лучей в эволюции

Эффекты форбуш-понижений
космических лучей
в эволюции внетропических
барических систем
И. В. Артамонова
ГГО им. А.И. Воейкова
2014
1
Космические лучи как агент
солнечной активности
• Энергии КЛ варьируются в диапазоне от ∼103 эВ до ∼1019 эВ.
• Низкоэнергичная компонента КЛ, с энергиями от 105 эВ до 109
эВ достаточно сильно модулируются солнечной активностью и
может высыпаться в высокоширотных областях Земли.
• Максимум ионизации атмосферы вследствие влияния
ГКЛ наблюдается на высотах h ∼10-25 км,
для СКЛ на высотах h ∼20-80 км [Bazilevskaya, 2005].
• КЛ испытывают вариации на временных шкалах от нескольких
минут до тысячелетий (в 11-летнем солнечном цикле - до 60%,
в ходе ФПКЛ – до 30% [Bazilevskaya, 2000]).
• Т.о., КЛ можно рассматривать как один из наиболее вероятных
агентов, обеспечивающим перенос возмущений от Солнца в
атмосферу Земли.
2
Солнечные протонные события и
форбуш-понижения ГКЛ
3
Эффекты короткопериодных
вариаций космических лучей
Солнечные протонные
события (СПС)
Усиление циклонической
завихренности в Северной
Атлантике (рост VAI индекса),
рост индекса Блиновой,
уменьшение зонального
давления в поясе 50-75°с.ш.
Форбуш-понижения
ГКЛ (ФПКЛ)
Ослабление циклонической
завихренности в Северной
Атлантике (уменьшение VAI
индекса), уменьшение индекса
Блиновой, рост зонального
давления в поясе 50-75°с.ш.
[Tinsley, Deen, 1991; Veretenenko, Thjell, 2004; Пудовкин и Бабушкина 1992;
Веретененко и Пудовкин,1993]
Интенсификация
североатлантических циклонов
у юго-восточного побережья
Гренландии
[Veretenenko and Thjell, JASTP 2004; Adv.Space
Res. 2005; Geom.Aeron. 2008]
4
Цели работы:
• Исследование пространственного распределения
вариаций приземного давления в северном и
южном полушариях в ходе форбуш-понижений ГКЛ
• Синоптическая интерпретация наблюдаемых
эффектов форбуш-понижений ГКЛ
• Сравнительный анализ барического отклика нижней
атмосферы североатлантического региона на
форбуш-понижения ГКЛ и всплески СКЛ
5
Данные, использованные в работе
 Исследование проводилось методом наложения эпох:
- даты начала ФПКЛ являлись нулевыми днями для МНЭ.
 Критерии отбора Форбуш-понижений:
- использовались данные нейтронного монитора ст. Апатиты
(67°N, 33°E, геомагнитная широта 63°N);
- период 1980-2006 г (октябрь-март);
- отобрано 48 форбуш-понижений с амплитудой δN/N >2,5%,
- отсутствие всплесков солнечных протонов с интенсивностью
I >100 протон•см-2•с-1•ср-1 для частиц с энергиями Eр >10 MэВ
в промежутке ±3 дня относительно начала ФПКЛ.
 Вариации давления:
- ежедневные данные реанализа NCEP/NCAR [Kalnay et al., 1996];
- в узлах сетки 2.5х2.5 град;
- вариации высоты (в гп.м.) изобарического уровня 1000 гПа.
 Критерии отбора событий:
- использовались данные за октябрь-март, поскольку в данный период
в северном полушарии на полярном и арктическом фронтах наблюдаются
высокие градиенты температуры (до ~1.5-1.7ºС/100 км) и, как следствие,
усиление процессов циклогенеза. В южном полушарии полярном и
антарктическом фронтах в октябре-марте также наблюдаются достаточно
высокие градиенты температуры (до ~1-1.2ºС/100 км), что способствует
интенсивному циклогенезу.
6
Отклонения приземного давления P1000
от среднего уровня в ходе развития ФПКЛ
Pressure deviation on the level GPH1000. Superposed epoch analysis. Day 1.
Pressure deviation on the level GPH1000. Superposed epoch analysis. Day -1.
120 W
60 W
0
60 E
120 E
120 W
Day -1

60 W
0
60 E
120 E
Day 1

60 N
60 N


30 N
30 N
0
0
30 S
30 S
60 S
60 S
gp.m.
-40
-30
-40
-30
-20
-10
-20
0
-10
10
0
20
10
30
20
40
30
gp.m.
50
40
Pressure, gp.m.
-40
-30
50
-40
-20
-10
-30
-20
60 W
0
60 E
10
-10
20
0
30
10
40
20
120 E
120 W
Day 0

60 W
0
60 E
Day 2
120 E



30 N
30 N
0
0
30 S
30 S
60 S
60 S
gp.m.
-40
40
60 N
60 N
-40
50
30
Pressure, gp.m.
Pressure deviation on the level GPH1000. Superposed epoch analysis. Day 2.
Pressure deviation on the level GPH1000. Superposed epoch analysis. Day 0.
120 W
0
-30
-30
-20
-20
-10
0
-10
10
0
20
10
30
20
40
30
Artamonova and Veretenenko, JASR 2014
gp.m.
50
40
Pressure, gp.m.
-40
50
-30
-40
-20
-10
-30
-20
0
10
-10
20
0
30
10
40
20
7
30
50
Pressure, gp.m.
40
Отклонения приземного давления P1000
от среднего уровня в ходе развития ФПКЛ
Pressure deviation on the level GPH1000. Superposed epoch analysis. Day 5.
Pressure deviation on the level GPH1000. Superposed epoch analysis. Day 3.

120 W

60 W
0



60 E
120 E
120 W
Day 3
60 W
0
60 E
Day 5
120 E

60 N

60 N

30 N

30 N
0
0
30 S
30 S
60 S
60 S
gp.m.
gp.m.
Pressure deviation on the level GPH1000. Superposed epoch analysis. Day 4.
120 W
-40
-30
-20
60 W
-10
0
0
60 E
Pressure deviation on the level GPH1000. Superposed epoch analysis. Day 6.
120 E
10
20
30
Day 4
40
-40
50
-30
-20
120 W
-10
60 W
0
0
60 E
10
120 E
20
Day 6
30
40

60 N

60 N


30 N
30 N
0
0
30 S
30 S
60 S
60 S
gp.m.
gp.m.
-40
-40
50
Pressure, gp.m.
Pressure, gp.m.
-30
-30
-20
-20
-10
0
-10
10
0
20
10
30
20
40
30
-40
50
Pressure, gp.m.
Artamonova and Veretenenko, JASR 2014
40
50
-30
-40
-20
-30
-10
-20
0
-10
10
20
0
30
10
40
20
50
Pressure, gp.m.
30
8
40
Отклонения осредненных по долготе высот
геопотенциальной поверхности 1000 гПа
на 4й день после начала ФПКЛ
15
10
 GPH,gp.m.
5
0
-5
-10
-15
Southern hemisphere
Northern hemisphere
-20
0
10
20
30
40
Latitude, deg.
50
60
70
80
Северное полушарие: максимум P ~ 10 гп.м на широте ~ 60º N.
Южное полушарие: максимум P ~ 7 гп.м на широте ~ 55º S.
Artamonova and Veretenenko, JASR 2014
9
Пространственное распределение отклонений
давления на 4й день после ФПКЛ и положение
основных климатических фронтов
-160

160
0

40
40

40
- 40

30
-120

120
30
0.95

20
10
20
0.99


80
- 80
10
0.99
0
0.95
0.95
80
- 80
0
-10
-10
0.99
0.95
-20
-120

0.95
0.95
120
-30
0.95

-20
-30


40
- 40
-40
0

-160

160
-40
Области максимальных вариаций давления связаны с положением
полярных (синие линии) и арктических/антарктических (красные линии)
атмосферных фронтов. Основные атмосферные фронты являются
областями высоких температурных контрастов, необходимых для
развития внетропических барических образований.
Artamonova and Veretenenko, JASR 2014
10
Жесткость геомагнитного обрезания
Согласно теории Штермера,
движение заряженной частицы
в магнитном поле Земли
определяется ее жесткостью R,
т.е. способностью двигаться
перпендикулярно силовым
линиям магнитного поля:
R
pc
ze
где p – импульс,
с – скорость света,
z – заряд частицы,
е – заряд электрона
[напр., Дорман, 1975].
Кинетическая энергия частицы связана
с еѐ жесткостью формулой:
Е
кин

E e R  E
2
0
2
2
0
где Е0 – энергия покоя частицы
E0 = mc2, m0 – масса частицы,
с – скорость света, е – заряд частицы,
R – геомагнитная жесткость.
11
Пространственное распределение
отклонений давления на 4й день ФПКЛ
и жесткости геомагнитного обрезания
-160
11
0
160
40
40
11

- 40
30
-120
7
5
5
2
120
3
7
7
2
5
10
5
3

1
30
7
0.95
20
0.99
1
2
0.5
11
11
0.5
40

20
1

- 80
80

10
0.99
3
0
0.95
0
11
0.95
-10
-10
0.99
0.
11
5
0.5
80
3

- 80
-120

0.95
0.95
7
2
1
3
5 7
5
5
2

7
-30
120

-20
-30

40
11
3
1
2
0.95
- 40
-20
1
0.5
7
5
0.95
11
-40
-160
0

160
-40
R ~ 0,7 - 3,5 ГВ; Emin ~ 0,2 - 2,7 ГэВ
R ~ 0,5 - 3 ГВ; Emin ~ 0,1 - 2,2 ГэВ
Наибольшие вариации давления в ходе ФПКЛ в северном и южном
полушариях наблюдаются в высокоширотных областях с низкими пороговыми
значениями жесткости геомагнитного обрезания. Высыпающаяся в указанных
областях низкоэнергичная компонента ГКЛ в высокой степени модулируется
солнечной активностью. В тихоокеанском секторе эффекты ФПКЛ не были
обнаружены, т.к. жесткости геомагнитного обрезания в районе тихоокеанской
ветви полярного фронта составляют R ~ 2-9 ГВ, что соответствует пороговым
энергиям космических лучей Еmin ~ 1.3-6.1 ГэВ.
12
Artamonova and Veretenenko, JASR 2014
Различия тропосферного отклика на:
Солнечные протонные
события
-160
0
20
-160
160
Day +1
40
30
60
0.95
160
40

40
0.95
-120
Форбуш-понижения
ГКЛ
0.95
0.95
-120
20
120

120

20
10
0
80
0.99
- 80
0.95
80
0.95
-20
0
0.95
0.95
80
- 80
-10
0.95
0.99
0.95
- 40
40
-40
-60
-30
0.95

- 40
40
-40
0
gp. m
- рост скорости ионизации атмосферы;
- max понижение давления ~100 гп. м на
изобарическом уровне 300 гПа (9 км)
в 1й день после начала SPE;
- фаза восстановления давления 2-3 дня;
- причина - регенерация циклонов в
Северной Атлантике.
[Veretenenko, Thejll, 2013]
-20
0

- уменьшение скорости ионизации;
- max рост давления ~ 50 гп. м на
изобарическом уровне 1000 гПа (0 км)
на 3й-4й день после начала события;
- фаза восстановления давления 5-6 д.;
-причина – интенсификация блокирующих антициклонов.
[Artamonova, Veretenenko, 2014]
Основные результаты работы
•
•
•
•
•
Обнаружено повышение атмосферного давления в умеренных
широтах северного и южного полушарий в связи с ФПКЛ.
Согласно результатам синоптического анализа, наблюдаемый
рост давления обусловлен ослаблением циклонической и
усилением
антициклонической
активности
на
арктических/антарктических и полярных фронтах умеренных и
высоких широт.
Проведена оценка минимальных энергий частиц космических
лучей, которые высыпаются в областях основных атмосферных
фронтов и могут принимать участие в процессах, влияющих на
эволюцию барических систем умеренных и высоких широт.
Проведен сравнительный анализ барического отклика атмосферы
на короткопериодные вариации солнечных и галактических
космических лучей. Показано, что в ходе ФПКЛ скорость реакции
атмосферы и амплитуда вариации давления меньше, чем при
всплесках СКЛ.
Показано, что форбуш-понижения ГКЛ и солнечные протонные
события, дающие противоположные по знаку изменения скорости
ионизации, приводят к интенсификации внетропических
барических систем противоположных типов (циклонов и
антициклонов).
14
Спасибо за внимание!
15