Особливості взаємозв’язків інтенсивності сонячної діяльності та статистичної структури полів загального вмісту озону

Бургаз О.А.

Keywords: total ozone content, Wolf numbers, main components.

Постановка проблеми. У другій половині 1980-х років спочатку в наукових журналах і на конференціях, а потім і в газетах, науково-популярних і суспільно-політичних журналах з'явилися повідомлення про виникнення озонової «діри» в Антарктиці, що супроводжувалися інтенсивною дискусією як науковою, так і «не науковою». Ці повідомлення, доповнені багатьма чутками, привернули увагу широких мас до проблем атмосферного озону, що давно вже турбував учених і фахівців. Проблеми озону, що відносяться до сучасних глобальних проблем, настільки актуальні, що останніми роками прийнятий ряд міжнародних угод, направлених на їх рішення, перших в історії людства загальносвітових угод по охороні атмосфери.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Численні дослідження у галузі сонячно-земних зв'язків свідчать про те, що існують статистично значущі кореляційні зв'язки між сонячною активністю та характеристиками погоди і клімату [1-4].

Коли розглядаються сонячно-земні зв'язки, то найбільш привабливою гіпотезою виявляється гіпотеза про те, що чинником впливу процесів на Сонці є змінення сонячної сталої І*_О. Однак, як показали спостереження, сонячна стала змінюється на 0,075% у границях від 1,322 до 1,428 КВт-м². Такі значення її у цих границях порівняні з точністю вимірювань. Тому вважають, що І*_О = const. Глобальна кількість сонячного випромінювання на верхній границі атмосфери складає, якщо прийняти альбедо Землі як планети а = 0,28, I = пг²І*о(1-а) = 8,9 * 10¹⁶ Вт. де r радіус верхньої межі атмосфери. Коливання сонячної сталої у зазначених межах не можуть внести помітного внеску в баланс енергії сонячного випромінювання на верхній границі атмосфери. Тому така гіпотеза не має підстави, оскільки промениста енергія Сонця, яка надходить до поверхні Землі, значно менша енергії УФ і рентгнівського випромінювання, сонячного вітру та сонячних корпускулярних потоків.

Загальний потік енергії який досягає магнітосфери, складає 8,9-10¹⁶ Вт. Як показано [5], повна енергія сонячного вітру й міжпланетного магнітного поля, що надходить на верхню границю атмосфери у одиницю часу з урахуванням того, що під дією екрануючого впливу геомагнітного поля на Землю проникає менше 1% енергії, може бути розраховано за формулою [5]

Р_в = [тет-ш (0,5SK_s² + ^-) V_s] * КГ² 5 * 10¹⁰ Вт

де r_m радіус магнітосфери, V_S швидкість сонячного вітру, 5 густина потоку сонячного вітру, B напруженість міжпланетного магнітного поля.

Видно, що P_e/I « 10^-6. Звичайно така величина потоку енергії P_e недостатня для збурення або перетворення атмосферної циркуляції після її проникнення в мезосферу, стратосферу і тропосферу. Але, як показується в роботах [5-9] з урахуванням додаткових факторів потік корпускулярного випромінювання може бути стимулом, який чинить вплив на атмосферні процеси. Це обумовлює наступна гіпотеза [5-9].

Середня річна кількість променистої енергії, яка надходить на приполюсні області, складає 0,4 від її значення на екваторі. В нічний бік Землі, а також взимку на денний бік у області полярних шапок промениста енергія взагалі не надходить. Але у високих широтах заряджені частки можуть легко проникнути у густі шари атмосфери через хвіст магнітосфери. Оцінки, які наводяться у роботі [5], показують, що з урахуванням того, що корпускулярна та магнітна енергія надходить через вузьку приполюсну широтну зону біля зони полярних сяйв (авроральний овал), то доля цієї енергії досить значна. Дійсно, якщо прийняти ширину цього овалу, центр якого розташовується на 84° широти, у 10^о то його площа на боці Землі, що освітлюється Сонцем, складає 9,35-10⁶ км². На цю площу необхідно помножити сонячну сталу у попередній формулі, а також на cos ф = 0,42, що враховує кут падіння променів на горизонтальну площину. Якщо враховувати, що взимку сніговий покрив й хмарність можуть збільшити альбедо до а = 0,9, то потік променистої енергії для цієї частини земної поверхні у одиницю часу складає 5-10¹⁴ Вт.

З іншого боку, при інтенсивній магнітній бурі енергія, яка накопичується у хвості магнітосфери і складає біля 10¹⁸ Дж, переходить у верхні шари атмосфери за 10⁴ с, тобто біля трьох діб. Отже у вузькому поясі дисипірується енергія близько 10¹⁴ Вт. На нічній стороні Землі енергія сонячного вітру достатня, щоб чинити вплив на атмосферу, особливо у зимовий період. Отже, якщо потік цієї енергії ефективно направлений, то магнітосфера володіє ресурсами, які можуть чинити вплив на циркуляцію атмосфери. Повної ясності відносно механізму передачі цієї енергії ще немає. Але є підстави вважати, що дисипація цієї енергії у мезосфері й стратосфері призведе до підвищення температури в області аврорального овалу, що повинно чинити вплив на циркуляцію повітря у стратосфері. Дослідження останніх років свідчать про те, що між стратосферою й тропосферою, як показали чисельні розрахунки [10], в області добре розвиненого циклону існують канали обміну повітрям. Можливо по цих каналах й відбувається перенос зазначеної енергії в тропосферу.

Важливу роль в утворенні або дисипації молекул озону верхньої атмосфери відіграють фотохімічні процеси. Ці реакції відбуваються за рахунок поглинання квантів сонячної енергії у короткохвильовому діапазоні спектру випромінювання. Інтенсивність смуг поглинання у цьому спектрі залежитьвід процесів, які мають місце в атмосфері Сонця, тобто від сонячної активності. Остання, у свою чергу характеризується процесами утворення систем сонячних плям. Параметром, який характеризує сонячну активність, являються числа Вольфа. Отже виникає питання, у якій мірі сонячна активність чинить вплив на характеристики статистичної структури полів загального вмісту озону (ЗВО). Як відомо, основна частина концентрації ЗВО приходиться на озоносферу, а тому структура його полів залежить саме від стратосферного озону.

Рис. 1. Амплітудний спектр взаємної спектральної щільності чисел Вольфа та першої головної компоненти ЗВО

Матеріали і методи дослідження. У якості параметрів сонячної активності будемо використовувати середньомісячні значення чисел Вольфа [11], а у якості характеристик полів загального вмісту озону головні компоненти середньомісячних полів ЗВО у Західному секторі південної півкулі, а саме для сектора обмеженого координатами 0<Х<120° зах. д., 0<ф<90° півд. ш. [12].

Рис. 2. Амплітудний спектр взаємної спектральної щільності чисел Вольфа та третьої головної компоненти ЗВО.

У якості методу дослідження взаємозв'язків між параметрами сонячної діяльності та циркуляційних процесів, був використаний метод взаємного спектрального аналізу [13].

Характер взаємозв'язку між двома випадковими функціями визначають взаємна коваріаційна K_xy (titj) та взаємна кореляційна R_xy (t_itj) функції.

Для системи випадкових процесів розглядаються взаємні спектральні щільності S(x_ix_j) (ю), які є перетвореннями Фур'є від відповідних взаємних коваріаційних функцій. Взаємна спектральна щільність є функцією комплексною

SxjXj (ю) CxXj (ю) iQxiXj (ю), (1)

де: Cx_ix_j (ю) ко-спектр, Qx_ix_j квадратурний спектр.

Ко-спектр характеризує розкладання по частотах енергії синхронної взаємодії процесів X_i(t) та Xj(t). Квадратурний спектр характеризує розподіл по частотах енергії несинхронної взаємодії процесів X_i(t) та Xj(t).

Модуль взаємної спектральної щільності називають функцію

фХіХХш) = arctg

фазовим спектром.

Фазовий спектр визначає відставання по фазі процесу Xj(t) від процесу X_i(t) за умови, що величину фx_ix_j (ю) вважають додатною від 0^о до 180^о і відставання X_i(t) від Xj(t), якщо фазовий спектр є від'ємним, тобто розташовується в межах від 180^о до 360^о [13].

Щоб перейти до одиниць часу використовують формулу де зсув фаз між двома процесами в градусах; Т_к період коливання в одиницях часу, який відповідає частоті сOk і розраховується як

_т _N±At

де N = 2^m, m = 1, 2,

При частотному зображенні процесів з'являється можливість порівняти взаємну енергію на фіксованій частоті з енергіями кожного з процесів на цій же частоті за допомогою такого співвідношення:

Дана величина має сенс спектрального коефіцієнта взаємної кореляції процесів X_i(t) та Xj(t), який визначає тісноту кореляційного зв'язку між цими процесами на фіксованих частотах. Вона має назву когерентності й може приймати значення від 0 до 1 [13].

Виклад основного матеріалу. Для того щоб дати відповідь у якій мірі сонячна активність чинить вплив на характеристики статистичної структури полів загального вмісту озону, було проведено взаємний спектральний аналіз між статистичними послідовностями середньомісячних значень чисел Вольфа й головними компонентами середньомісячних полів ЗВО у Західному секторі південної півкулі за період з вересня 1957 по серпень 2002 року. Таким чином ряди даних складають по 540 членів.

Амплітудні спектри часових послідовностей чисел Вольфа та перших трьох головних компонент полів ЗВО наводяться на рис. 1-3.

Таблиця 1. Характеристики взаємозв'язків між числами Вольфа і першою головною компонентою ЗВО

Таблиця 2. Характеристики взаємозв'язків між числами Вольфа і другою головною компонентою ЗВО

Сумісний аналіз амплітудного спектру й когерентності показує, що значна кількість великих значень когерентності, які характеризують значний кореляційний зв'язок між коливаннями чисел Вольфа й головних компонент полів ЗВО сполучені з незначними взаємними енергіями цих коливань. Тому при аналізі взаємодії зазначених процесів розглядались лише ті випадки, коли високим значенням когерентності у (ш) відповідають частинні максимуми (сплески) енергії взаємодій, тобто амплітудного спектру А (ш).

Результати характеристик взаємного спектрального аналізу за таких умов, а саме періоди взаємодій, амплітуди, когерентності й зсуви за фазою представлені в табл. 1-3 для чисел Вольфа й трьох головних компонент полів ЗВО у західному секторі південної півкулі, які характеризують основні великомасштабні особливості полів ЗВО.

Як видно з табл. 1, мають місце взаємодії з великими значеннями когерентності й енергії взаємодії з періодами біля 11 років, що співпадає з відомими циклами сонячної активності, а також біля 7 років. Обидві ці взаємодії відбуваються майже у фазі. Крім того, спостерігаються річна, піврічна й сезонні взаємодії з невеликим зсувом за фазою, причому коливання сонячної активності випереджають коливання першої головної компоненти ЗВО, яка відбиває властивості найбільш великомасштабних особливостей статистичної структури полів ЗВО.

Таблиця 3. Характеристики взаємозв'язків між числами Вольфа і третьою головною компонентою ЗВО

1. Монин А. С. Введение в теорию климата / А. С. Монин Л.: Гидрометиздат, 1982 246 с.

2. Монин А. С., Шишков Ю. А. История климата / А. С. Монин, Ю. А. Шишков // Л.: Гидрометиздат, 1979 - 408 с.

3. Караханян А. А. Долговременные изменения атмосферной циркуляции и климата на территории Сибири / А. А. Караханян // Оптика атмосферы и океана 2005. Т. 18, № 12. С. 1104-1106.

4. Караханян А. А., Жеребцов Г. А. и др. Долговременные изменения характеристик влажности воздуха на территории Северного полушария во второй половине XX века / А. А. Караханян, Г. А. Жеребцов и др. // Оптика атмосферы и океана 2007. Т. 20, № 6. С. 559-566.

5. Бахмутов В. Г. Палеовековые геомагнитные вариации / В. Г. Бахмутов Киев: Наукова думка 2006 295 с.

6. Bucha V. Influence of solar activity / V. Bucha // Anal. Geophys. 1988. 6(5). P. 513-524.

7. Bucha V. Influence of corpuscular radiation on changes in the middle atmosphere and troposphere / V. Bucha // Adv.

8. Bucha V. Bucha V. jr. Geomagnetic forcing of changes in climate and in the atmospheric circulation. / V. Bucha V. jr. Bucha // J. Atmosph. and Solar Terrestrial Phys. 1998, 60, № 2 P. 145-149.

9. Roberts W. O., Olson R. H. New evidence for effects of variable solar corpuscular emission on the weather / W. O. Roberts, R. H. Olson // Rev. Geophys. Space Phys. 1973. № 11. 731 p.

10. Мартазинова В. Ф., Бахмутов В. Г., Чулков И. С. Геомагнитная активность и атмосферная циркуляция / В. Ф. Мартазинова, В. Г. Бахмутов, И. С. Чулков // Геофизический журнал. 2004 26. № 1 С. 96-108.

11. Служба даних CPC/NCEP [Електронний ресурс]. Режим доступу до журналу http://www.cpc. ncep.noaa.gov/ products/analysismonitoring

12. Школьный Е. П., Бургаз А. А., Галич Е. А. Статистическая структура полей общего содержания озона в атмосфере западного сектора южного полушария / Е. П. Школьный, А. А. Бургаз, Е. А. Галич // Український гідрометеорологічний журнал Одеса. 2010. № 6. С. 35-53.

13. Школьний Є. П., Лоєва І. Д., Гончаровa Л. Д. Методи обробки та аналізу гідрометеорологічної інформації / Є. П. Школьний, І. Д. Лоєва, Л. Д. Гончаровa // Одеса, 1999. 600 с.