Влияние солнечной активности и вариаций космических лучей

ГЕО 07
Влияние солнечной активности
и вариаций космических лучей
на положение арктического фронта в
Северной Атлантике
С.В.Веретененко, В.А.Дергачев, П.Б.Дмитриев
Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе РАН
Роль основных атмосферных фронтов в
образовании внетропических циклонов

Известно, что образование и эволюция внетропических циклонов тесно
связано с основными атмосферными фронтами  узкими
переходными областями между воздушными массами с
различными тепловыми свойствами.

Подавляющее число циклонов умеренных широт возникает на
арктических фронтах, разделяющих арктический воздух и воздух
умеренных широт, и полярных фронтах, разделяющих воздух
умеренных широт и тропический. Это обусловлено высокими
контрастами температур во фронтальной зоне, которые создают
условия для адвекции холодного воздуха. Адвекция холода
увеличивает неоднородность поля температуры в циклоне и тем
самым способствует его углублению. [Матвеев, 1991].

В настоящей работе исследуется связь между климатическим
положением арктических фронтов в Северной Атлантике и
долгопериодными изменениями солнечной активности и потока
галактических космических лучей (ГКЛ).
Latitude, deg.
Арктический фронт на среднемесячной карте
приземного давления
80
1025
70
1020
60
1015
50
1010
40
1005
30
Year 1982
1000
Month 11
20
995
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
Область пониженного давления от берегов
Северной Америки до Северного
Ледовитого океана создается циклонами,
возникающими на арктических фронтах.
Поскольку фронт всегда находится в
барической ложбине, на ее оси (линии
минимальных значений давления),
минимум давления на среднемесячной
карте (белая линия) определяет область
наиболее вероятного образования и
прохождения арктических фронтов.
Longitude, deg.
Видно, что среднее положение
80
1030
арктических фронтов непостоянно и может
заметно смещаться по широте.
70
Latitude, deg.
1025
60
1020
50
40
1015
30
Year 1960
1010
Month 2
20
-80
-60
-40
-20
0
20
Longitude, deg.
40
60
80
В настоящей работе для определения
положения арктического фронта на
среднемесячных картах находились широты
минимума давления для разных долгот в
диапазоне 0-60W. Полученные значения
широты минимума давления на каждой
долготе осреднялись по холодному
полугодию (октябрь-март) – периоду
наиболее интенсивного циклогенеза.
Долгопериодные изменения положения
арктического фронта
64
16
62
8
43.25
4
58
Ø èðî òà, ãðàä.
62
Ø èðî òà, ãðàä.
0
1900
1940
1980
2020
40
Äî ëãî òà 50W
100
80
60
40
20
0
Äî ëãî òà 50W
81.75
30
60
20
58
10
1940
1980
2020
Äî ëãî òà 40W
58
56
1900
1940
1980
2020
Äî ëãî òà 30W
62
60
58
56
1860
64
21.25
44
1900
1940
1980
2020
100
80
60
40
20
0
Äî ëãî òà 40W
30
78
20
41.75
10
21.75
0
16
100
80
60
40
20
0
Äî ëãî òà 30W
12
21
83.75
44
8
17.25
В
0
8
100
80
60
40
20
0
Äî ëãî òà 20W
6
62
46.75
4
60
16.75
21.25
2
восточной части Северной Атлантики
(=1030W), где чаще происходит заполнение
(разрушение) циклонов, преобладают колебания
фронта с периодами 44 и 22 лет, а амплитуда 80летней гармоники заметно уменьшается.
0
1900
1940
1980
2020
Äî ëãî òà 10W
20
100
80
60
12
62
20
0
Временной ход (11-летние скользящие средние, синие
линии) и спектральные плотности (красные линии) широты
арктического фронта на разных долготах.
31.25
8
60
40
Äî ëãî òà 10W
44.5
20.75
16
64
58
1860
с 80-летней периодичностью в
спектре колебаний широты арктического
фронта обнаруживается периодичность 44
лет, наблюдаемая в ряде характеристик
пятнообразовательной деятельности Солнца
[Витинский, 1986] и в изменениях длины цикла
солнечных пятен [Jelbring, 1995], а также 22
лет, совпадающая с периодом солнечного
магнитного цикла (цикл Хейла).
Наряду
4
Äî ëãî òà 20W
58
1860
66
показало, что положение
арктического фронта испытывает вековые
колебания с периодом 80 лет, наиболее четко
выраженные в районе южной и юго-восточной
части Гренландии (долгота =4050W), где в
холодный период преобладает возникновение
циклонов.
0
1900
60
1860
64
Ø èðî òà, ãðàä.
Исследование
21.25
60
56
1860
62
Ø èðî òà, ãðàä.
76
12
56
1860
Ø èðî òà, ãðàä.
Äî ëãî òà 60W
Äî ëãî òà 60W
Í î ðì èðî âàí í àÿ ñï åêòðàëüí àÿ ï ëî òí î ñòü
Ø èðî òà, ãðàä.
66
77
4
0
1900
1940
Ãî äû
1980
2020
100
80
60
40
20
Ï åðèî ä, ãî äû
0
Влияние положения арктического фронта на
интенсивность циклогенеза в Северной Атлантике
1010
1009
1008
61
2
59
1
57
1007
1006
1860
Ø èðî òà, ãðàä.
Äàâëåí èå, ãÏ à
3
Коэффициенты корреляции между 11-летними скользящими
средними давления (P) в Северной Атлантике и широты ()
арктического фронта на разных долготах
Положение арктического фронта на долготе
55
1900
1940
1980
2020
Ãî äû
R(P, )
60W
50W
40W
30W
20W
10W
0.65
0.75
 0.81
 0.5
 0.28
 0.28
Долгопериодные колебания давления в умеренных широтах
Северной Атлантики (красная линия,1) и широты арктического
фронта в районе южного и юго-восточного побережья
Гренландии (синие линии):
2 – долгота 50W; 3 – долгота 40W.
Приведенные выше данные показывают, что между долгопериодными колебаниями давления в умеренных широтах
Северной Атлантики и положением арктического фронта имеется четко выраженная отрицательная корреляция, т.е.
чем южнее смещается фронт по широте, тем выше давление над Северной Атлантикой (циклонические
процессы во всей внетропической зоне ослабевают). Возможной причиной ослабления циклогенеза является
уменьшение градиентов температуры во фронтальной зоне при смещении фронта к югу (холодная воздушная масса за
фронтом прогревается над теплой поверхностью океана).
Наибольшее влияние на интенсивность циклогенеза в Северной Атлантике (коэффициенты корреляции 0.75..  0.81)
оказывает положение арктического фронта в районе южной и юго-восточной Гренландии (долготы 4050W), т.е. в той
области, где в холодную часть года преобладает возникновение циклонов. В восточной части Северной Атлантики
(долготы 10-30W) чаще происходит заполнение циклонов и положение арктического фронта в меньшей степени влияет
на интенсивность циклогенеза.
Вековые колебания широты арктического фронта
в районе преобладающего циклогенеза (юго-восточное побережье
Гренландии) и солнечно-геофизические индексы
1009.0
а  Долгопериодные колебания давления в умеренных (45-65N) широтах Северной
Атлантики (1) и положения арктического фронта у юго-восточного побережья
Гренландии на долготе 50W (2) и 40W (3) (показаны 20-летние скользящие средние);
б – среднегодовые числа солнечных пятен;
в – среднегодовые значения вариаций геомагнитного аа-индекса (отклонения от
линейного тренда за период 1868-2005 гг.), толстая линия показывает 20-летние
скользящие средние.
Давление, гПа
2
60
1008.0
3
1007.5
58
1
1007.0
Число солнечных пятен
1006.5
1800
200
56
1840
1880
1920
1960
2000
1960
2000
1960
2000
б
150
R
100
50
0
1800
12
8
aa, нТл
Таким образом, приведенные данные позволяют
предположить влияние вековых колебаний
солнечной активности на положение арктического
фронта и интенсивность циклогенеза в Северной
Атлантике.
1008.5
1840
1880
1920
в
аа
4
0
-4
-8
-12
1800
62
1840
1880
1920
Годы
Широта, град.
Приведенные на графике данные показывают, что в конце
XIX-го – начале XX-го века имело место смещение
арктического фронта к северу и усиление циклогенеза
(понижение давления) в Северной Атлантике, совпадающее с
минимумом интенсивности 11-летних циклов (минимумом
цикла Глайссберга) и понижением геомагнитной активности.
В XX-м веке на фазе роста векового цикла солнечной и
геомагнитной активности арктический фронт смещался к югу
и интенсивность циклонических процессов ослабевала
(давление росло).
Начиная с 60-х гг. XX-го века арктический фронт снова
смещается к северу и интенсивность циклогенеза возрастает,
что, по-видимому, совпадает с начавшимся периодом
понижения амплитуд 11-летних циклов.
Северная
Атлантика
а
22-х летний цикл в колебаниях широты арктического фронта и
в вариациях геомагнитного аа-индекса
40
30
Арктический фронт,
= 50W
82.75
Нормированная спектральная плотность
20
10
Арктический фронт
= 50W
Достоверность 22-х летних гармоник в
колебаниях широты арктического фронта
было подтверждена дополнительным
анализом высокочастотной составляющей
исследуемых временных рядов (данный метод
5
10
21
44.5
0
100
40
0
80
60
40
20
0
Арктический фронт
= 40W
30
81.5
15
50
40
30
20
10
0
Арктический фронт
= 40 W
10
позволяет проверить стабильность положения
гармоник на периодограмме а также устранить
влияние низкочастотных составляющих).
20
0
100
25
5
21.25
43
10
0
80
60
40
aa-индекс
20
11
20
15
10
40
30
20
30
20
10
0
aa-индекс
30
20
89
30
23.25
10
5
0
100
50
0
0
80
60
а
40
20
0
Период, годы
50
40
ВЧК, Tcut-off = 7,11,17,23,37,43года
б
10
0
Период, годы
Выборочные оценки нормированной спектральной плотности
широты арктического фронта у юго-восточного побережья
Гренландии и вариаций аа-индекса:
а - для исходных рядов,
б - для исходных рядов и их высокочастотных компонент,
полученных в результате линейной фильтрации исходных данных
с заданной частотой (периодом) “среза” линейного
высокочастотного фильтра.
Исследование спектральных характеристик
вариаций аа-индекса (отклонений от
линейного тренда за период 1868-2005 гг.,
возможно связанного с уменьшением
магнитного момента Земли [Стожков,2002])
также показывает четко выраженные
периодичности 80 и 22-лет.
Поскольку аа-индекс характеризует
геомагнитную возмущенность, которая
зависит от напряженности межпланетного
магнитного поля, модулирующего потоки
ГКЛ, можно предположить, что указанные
периодичности в колебаниях положения
арктического фронта могут быть
связаны с соответствующими
вариациями потока ГКЛ.
Спектральная плотность
22-х летний цикл в вариациях космических лучей
10Be
16
300
Потоки ГКЛ в стратосфере (1957-1997)
1 - Мурманск
2 - Москва
12
200
8
2
100
4
1
0
0
50
40
30
ВЧК, Тcut-off=7,11,17,23,37,43 года
а
20
10
0
Период, годы
35
30
25
20
15
б
10
5
0
Период, годы
Выборочные оценки нормированной спектральной плотности концентрации 10Be для
исходного ряда и высокочастотных компонент (а) и потоков ГКЛ в максимуме Пфотцера (б).
Действительно, 22-летняя гармоника отчетливо видна в вариациях концентрации космогенного
изотопа 10Be в образцах гренландского льда (a). Результаты спектрального анализа потоков ГКЛ в
стратосфере также позволяют предположить наличие 22-летних колебаний, несмотря на то, что
длина имеющегося в настоящее время ряда пока не обеспечивает надежного разрешения данной
гармоники (б).
Таким образом, наблюдается совпадение основных гармоник в колебаниях положения
арктического фронта с гармониками, наблюдаемыми в характеристиках солнечной/геомагнитной
активности и в вариациях КЛ, что позволяет сделать вывод об их связи.
О возможных механизмах влияния солнечной активности и вариаций
КЛ на климатическое положение арктического фронта

Поскольку образование фронтов тесно связано со неоднородностью
поля температуры атмосферы, то и механизм влияния солнечной
активности и вариаций потока ГКЛ на положение арктического фронта
включает, по-видимому, изменения структуры термобарического поля.

Изменения структуры термобарического поля могут быть обусловлены
изменениями радиационно-теплового режима в связи с
1. вековыми колебаниями светимости Солнца. Возможными
причинами вековых изменений светимости Солнца являются вариации
солнечного радиуса, в которых обнаружено присутствие 80-летнего
цикла [Gilliland, 1981], либо изменения магнитного поля Солнца,
которые сопровождаются изменениями числа солнечных пятен и
фотосферных факелов, дающих вклад в вариации светимости
[Lookwood and Stamper, 1999]
2. эффектами ГКЛ в вариациях состояния облачности. Увеличение
облачности под действием потока ГКЛ может приводить к различным
температурным эффектам в зависимости от широты, характера
подстилающей поверхности и сезона и тем самым способствовать
усилению неоднородности поля температуры, включая изменения
положения и температурных контрастов фронтальных зон.


О возможном модулирующем влиянии вековых колебаний
арктического фронта на амплитуду 11-летней гармоники в
вариациях давления
Оценка периода модулирующего воздействия по
частотному сдвигу линий 9 и 12 лет относительно
11-летней гармоники дает величину 70-80 лет, что
согласуется со средним периодом вековых колебаний
положения арктического фронта в западной части
Северной Атлантики (области преимущественного
циклогенеза).
ÒÅÏ ËÎ Å Ï Î ËÓÃÎ ÄÈÅ
Ñï åêòðàëüí àÿ ï ëî òí î ñòü
ÕÎ ËÎ ÄÍ Î Å Ï Î ËÓÃÎ ÄÈÅ
12
10
16
Ñåâåðí àÿ Àòëàí òèêà
45-65N
12
Ñåâåðí àÿ Àòëàí òèêà
45-65N
8
6
8
4
4
2
0
0
23 21 19 17 15 13 11
Ñï åêòðàëüí àÿ ï ëî òí î ñòü
Поскольку положение арктического фронта оказывает
значительное влияние на интенсивность
циклонической деятельности, можно предположить,
что его вековые колебания, обусловленные, повидимому, солнечной активностью и вариациями КЛ,
влияют и на амплитуду 11-летней гармоники в
вариациях циклогенеза.
Ранее было обнаружено [Веретененко и др., 2005], что
в спектре приземного давления в умеренных широтах
Северной Атлантики в холодное полугодие 11-летняя
гармоника выражена незначительно, но при этом
наблюдаются довольно сильные линии 9 и 12 лет.
Поскольку эти линии примерно одинаково отстоят по
частоте от 11-летней гармоники, их появление может
быть обусловлено амплитудной модуляцией данной
гармоники.
9
7
5
3
20
16
23 21 19 17 15 13 11
9
7
5
3
9
7
5
3
16
Ñåâåðí àÿ Àòëàí òèêà
20-40N
12
Ñåâåðí àÿ Àòëàí òèêà
20-40N
12
8
8
4
4
0
0
23 21 19 17 15 13 11
9
Ï åðèî ä, ãî äû
7
5
3
23 21 19 17 15 13 11
Ï åðèî ä, ãî äû
Выборочные оценки нормированной спектральной плотности
приземного давления в Северной Атлантике и их
высокочастотных составляющих с периодами “среза” 7, 11,
17, 23, 29 и 37 лет.
Результаты численного моделирования
подтверждения предположения
о модулирующем воздействии
арктического фронта было
проведено численное
моделирование этого явления с
последующим спектральным
анализом тестовых рядов.
В
первом тесте амплитуда
гармонического сигнала с периодом
10.5 лет была промодулирована
гармоникой с периодом 72 года.
Поскольку
положение арктического
фронта определяет также
долгопериодные колебания
давления, во втором тесте к данным
предыдущего тестового ряда была
добавлена (аддитивно) сама
гармоника 72 года.
Спектральная плотность
Для
20
50
Северная Атлантика
45-65N
72.5
Тестовый сигнал
72
40
15
30
9.25
9.25
10
12.25
20
12.75
15.5
5
10
40
0
100
80
60
а
40
20
0
Период, годы
0
100
80
60
б
40
20
0
Период, годы
Выборочные оценки нормированной спектральной плотности
приземного давления в Северной Атлантике (а) и второго тестового
сигнала (б).
Результаты численных расчетов показали, что
модулирующее воздействие гармоники с периодом
72 года на гармонику 10.5 лет действительно
приводит к появлению линий 9 и 12 лет. При этом
добавление к первоначальному сигналу самой 72летней гармоники дает спектр, близкий к реально
наблюдаемому спектру приземного давления в
Северной Атлантике.
Выводы

Результаты проведенного исследования показали, что климатическое
положение арктического фронта в Северной Атлантике испытывает колебания
с основными периодами 80 лет, 44 и 22 года, наблюдаемыми в
характеристиках солнечной/геомагнитной активности и вариациях КЛ.

Арктический фронт в районе юго-восточного побережья Гренландии смещается
к северу, вызывая усиление циклогенеза и понижение давления в Северной
Атлантике, в минимуме или на спаде цикла Глайссберга. На фазе роста
векового цикла солнечной активности наблюдается смещение арктического
фронта к югу, сопровождающееся ослаблением циклогенеза и ростом давления.

Обнаруженные колебания широты арктического фронта связаны, по-видимому,
с изменениями структуры термобарического поля тропосферы, которые в свою
очередь могут обусловлены вековыми вариациями светимости Солнца, а также
эффектами ГКЛ в вариациях состояния облачности.

Вековые колебания арктического фронта в районе Гренландии, обусловленные
солнечной активностью и вариациями КЛ, могут быть причиной амплитудной
модуляции 11-летней гармоники в спектре приземного давления (интенсивности
циклогенеза) и появления линий 9 и 12 лет.