Влияние солнечной активности на КПД атмосферной тепловой машины

Влияние солнечной активности на КПД атмосферной тепловой машины

© Ерашов В.М.

В основу данной работы легла работа доктора наук Пудовкина М.И. «Влияние солнечной активности на состояние нижней атмосферы и погоду». Вот цитата из данной работы:

1. ВВЕДЕНИЕ

В предлагаемом обзоре обсуждается одна из самых актуальных и в то же время вызывающая самые ожесточенные споры проблема современной геофизики - воздействие солнечной активности на состояние нижней атмосферы и погоду.

Вопрос о реальности и физическом механизме солнечно-земных связей имеет достаточно длительную историю. Так, еще в конце прошлого века Г. Вильд [1] исследовал связь между солнечной активностью и температурой воздуха в России. Позднее В. Робертс [2] показал существование 22-летней повторяемости засух в западных областях США; Шуурманс и Оорт [3] обнаружили регулярные изменения высоты уровней постоянного давления в тропосфере, связанные с интенсивными солнечными вспышками; Б. Тинслей и др. [4] выявили отчетливые вариации высотного профиля температуры в тропосфере во время понижений интенсивности потока галактических космических лучей.

Список экспериментальных данных, свидетельствующих о наличии статистически достоверных связей между различными погодными явлениями и солнечной (и магнитной) активностью можно было бы увеличить в десятки или даже сотни раз. И тем не менее сама идея о влиянии солнечной активности на состояние нижней атмосферы многими геофизиками решительно отвергается как совершенно неприемлемая [5]. И прежде всего дело в том, что мощность атмосферных процессов на несколько порядков превышает поток энергии, вносимой в околоземное космическое пространство (магнитосферу Земли) солнечным ветром; в связи с этим представляется крайне маловероятным, чтобы солнечная активность могла существенно воздействовать на состояние нижней атмосферы.

Однако исследования, выполненные за последние годы, позволили найти ключ к преодолению этого противоречия и тем самым к решению проблемы солнечно-земных связей.

Конец цитаты.

Такое введение полностью годится и нам, так как все что рассмотрено и доказано в этой работе ни в малейшей степени не противоречит нашим взглядам. Мы не меняем взгляды, мы меняем область приложения этих взглядов.

Кратко о взглядах:

Вариации солнечной радиации не являются энергетическим источником рассматриваемых атмосферных возмущений. В связи с этим чрезвычайно интересными представляются полученные К.Я. Кондратьевым и Г.А. Никольским [11] результаты, свидетельствующие о заметном (до 6%) изменении в ходе одиннадцатилетнего солнечного цикла прозрачности атмосферы. Далее цитата:

4 ВАРИАЦИИ ПРОЗРАЧНОСТИ АТМОСФЕРЫ

Относительно плотная атмосфера надежно защищает земную поверхность от смертоносной коротковолновой радиации с l < 3000 Б. Длинноволновая радиация с l > 104 Б также эффективно поглощается атмосферой. Вместе с тем достаточно широкое окно в атмосферном экране наблюдается на длинах волн l = 3000 - 10 000 Б, то есть в области максимума интенсивности в спектре солнечного излучения, что обеспечивает проникновение большей части солнечной энергии в нижнюю атмосферу и к поверхности Земли.

Не менее важно существование и второго окна на длинах волн порядка l = (0,7 - 1,5) " 105 Б. Эта длина волны соответствует максимуму излучения абсолютно черного тела, нагретого до температуры Т © 300 K, что близко к средней температуре поверхности Земли. Таким образом, инфракрасное окно играет существенную роль в регулировании температуры воздуха в нижней атмосфере.

Итак, параметры входного и выходного окон в атмосферном экране таковы, что обеспечивают на поверхности Земли и в нижней атмосфере именно ту температуру, которая необходима для существования органической жизни. Заметим, что такое сочетание условий является, по крайней мере для планет Солнечной системы, уникальным, что делает Землю единственным в своем роде космическим объектом.

Однако оптические характеристики атмосферы не являются раз и навсегда заданными величинами. Дело в том, что поглощение солнечного излучения в атмосфере зависит от содержания в ней озона, водяных паров, окиси углерода и других "малых составляющих", концентрация которых может существенно меняться. В результате этого термодинамическое равновесие в атмосфере является весьма хрупким и легко может быть нарушено. В частности, всевозрастающий приток в атмосферу углекислого газа, образующегося в результате технической деятельности человека, уже в настоящее время приводит к уменьшению скорости вывода тепла из атмосферы (так называемый парниковый эффект) и соответственно к повышению температуры Земли (см. раздел 2 и рис. 1).

Заметное изменение химического состава и содержания малых составляющих, а также прозрачности атмосферы вызывается, в частности, вариациями потока ионизирующего излучения в атмосфере, наблюдаемыми во время магнитосферных возмущений.

Основными типами таких вариаций являются: 1) кратковременные понижения интенсивности галактических космических лучей (ГКЛ), наблюдаемые во время геомагнитных возмущений (так называемые форбуш-понижения), обусловленные рассеянием энергичных заряженных частиц магнитными полями, выносимыми из атмосферы Солнца высокоскоростными потоками солнечного ветра, и 2) всплески потоков солнечных космических лучей (СКЛ), обусловленные солнечными вспышками.

На рис. 4а по данным субавроральной обсерватории Оленек [12] представлены вариации относительной интенсивности S солнечной радиации на поверхности Земли в ходе геомагнитного возмущения и связанного с ним форбуш-понижения интенсивности потока галактических космических лучей; нулевой день t = 0 соответствует началу форбуш-понижения (за единицу принята средняя величина S в минус второй-третий дни. Как видно из рисунка, через день после начала возмущения величина dS в авроральной зоне достигает максимума около 8% от нормального значения S в рассматриваемом широтном поясе. Поскольку вне атмосферы вариации интенсивности солнечной радиации, как мы видели, не превышают 0,25%, ее изменения, наблюдаемые на поверхности Земли, могут быть обусловлены изменениями прозрачности атмосферы.

Но если уменьшение потока энергичных космических частиц вызывает увеличение прозрачности атмосферы, то увеличение потока таких частиц должно вызвать уменьшение прозрачности атмосферы. В связи с этим на рис. 4б представлены вариации относительной интенсивности S прямой солнечной радиации на той же обсерватории Оленек во время интенсивных вспышек солнечных космических лучей (СКЛ); нулевой день t = 0 соответствует началу всплеска СКЛ. Легко видеть, что в период от минус первого до плюс третьего дня интенсивность солнечного излучения действительно оказывается на 5 - 10% меньше спокойного уровня. Элементарные расчеты показывают, что суммарный поток солнечной энергии в поясе широт 55? - 80? увеличивается или уменьшается при этом на ~ 3 " 1026 эрг/сутки, что вполне соизмеримо с мощностью рассматриваемых атмосферных процессов (см. раздел 2).

Конец цитаты.

Вот еще одна цитата:

ИЗМЕНЕНИЯ ВЫСОТНОГО ПРОФИЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ВАРИАЦИЯМИ ИНТЕНСИВНОСТИ ПОТОКА КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

Детальное исследование возможных изменений химического состава атмосферы, ее оптических характеристик и высотного профиля температуры воздуха в нижней атмосфере выполнено в работе [13].

Согласно обсуждаемой в этой работе модели, вторжение энергичных частиц в атмосферу вызывает ионизацию и диссоциацию молекул N2 и O2 . Образующиеся при это ионы и другие участвуют затем в целом комплексе фотохимических реакций, одним из продуктов которого является окись азота NO. Последняя активно взаимодействует с молекулами озона:

NO + O3 NO2 + O2

Озон разрушается также при взаимодействии с атомарным кислородом:

O3 + O 2O2

Таким образом, вторжение энергичных частиц в атмосферу вызывает разрушение озона O3 и образование двуокиси азота NO2 . Это, в свою очередь, вызывает существенные изменения в радиационном балансе в атмосфере. В частности, в нижней атмосфере и на поверхности Земли возрастает поток солнечного ультрафиолетового излучения с l < 3250 Б в результате уменьшения его поглощения озоном. В то же время поток радиации в сине-зеленой области уменьшается вследствие увеличившегося поглощения последней двуокисью азота, сечение поглощения которой достигает максимума s = 6 " 10-19 см2 на длине волны около 4000 Б [13].

Выполненные авторами работы [13] расчеты показывают, что вторжение протонов с энергетическим спектром, соответствующим спектру, наблюдавшемуся во время протонного события 4 августа 1972 года, вызывает более чем десятикратное уменьшение концентрации озона и увеличение концентрации NO2 почти на два порядка на высоте 30 - 35 км. При этом в результате повышенного поглощения солнечной радиации двуокисью азота температура воздуха в стратосфере увеличивается, достигая в максимуме на высоте 30 км величины 300 К, что на 80 К выше нормы. В тропосфере, наоборот, дефицит солнечной радиации вызывает остывание воздуха на 10 К.

Таким образом, согласно модели [13], интенсивные потоки космических лучей могут вызвать заметное похолодание на поверхности Земли, подобное (хотя и в значительно меньшей степени) явлению "ядерной зимы". Рассмотрим, в какой степени эта модель согласуется с экспериментом.

На рис. 5 (кривая 1) по данным [14] представлен осредненный вертикальный профиль отклонений температуры от спокойного уровня на обсерватории Соданкюля (j = 67?) во время интенсивных протонных событий. Наблюдаемые изменения температуры в целом согласуются с предсказаниями модели: температура воздуха в стратосфере в ходе возмущения увеличивается, в то время как в тропосфере уменьшается. Однако область повышенной температуры в стратосфере оказывается значительно менее протяженной, чем в модели, и величина dT составляет всего лишь 2?С вместо 80?С.

Таким образом, количество поглощенной в стратосфере солнечной энергии оказывается существенно меньше, чем предполагается моделью, и вряд ли может объяснить наблюдаемое на поверхности Земли ослабление солнечной радиации. Это обстоятельство позволяет предположить, что ослабление солнечной радиации в атмосфере объясняется не столько ее поглощением, сколько рассеянием и отражением. При этом отражающий слой должен располагаться приблизительно на тех высотах, где dT © 0, то есть около 8 км. На том же рисунке кривая 2 показывает высотное распределение dT, наблюдаемое во время форбуш-понижений галактических космических лучей. График dT (h) в этом случае близок к зеркальному отображению кривой в случае солнечных космических лучей и соответствует исчезновению отражающего слоя примерно на тех же высотах (h = 9 км). Полученный результат представляется несколько неожиданным, поскольку протоны с типичной для СКЛ энергией 100 - 300 МэВ проникают в атмосферу Земли до высот 25 - 30 км. Для проникновения на высоту 10 км протоны должны обладать энергией порядка 103 МэВ. Конечно, частицы таких энергий имеются в "хвосте" энергетического спектра солнечных протонов, однако поток их мал. Тем не менее предположение об относительно малой высоте отражающего слоя подтверждается результатами работы [15], в которой показано, что вариации интенсивности потока космических лучей сопровождаются изменениями частоты появления перистых облаков (h = 7 - 10 км).

Физический механизм, определяющий воздействие потоков энергичных частиц на состояние облачности в верхней тропосфере, пока неясен. В связи с этим значительный интерес представляет модель, предложенная Б. Тинслеем и Р. Хилисом [16]. Эта модель основана на наблюдениях, согласно которым скорость собирания частиц аэрозолей заряженными капельками воды оказывается на один-два порядка выше, чем незаряженными. В свою очередь, скорость, с которой заряжаются капельки воды, зависит от плотности вертикальных электрических токов в атмосфере и, следовательно, от плотности потока ионизирующего излучения и интенсивности электрического поля в атмосфере.

Какова относительная роль механизмов, предложенных в работах [13] и [16], неизвестно, и выяснение этого вопроса потребует дополнительных исследований.

Конец цитаты.

А теперь картинка к этой цитате:

Из картинки видно, что солнечные лучи и космические лучи действуют на температуру нижней области атмосферы в противофазе. Если снижается интенсивность солнечных лучей, то растет температура атмосферы от 9км и до 15 км и снижается ниже 9 км. Если снижается интенсивность космического излучения, все происходит наоборот. Автор цитируемой работы не рассмотрел вопрос, как подобное распределение температуры может влиять на КПД атмосферной тепловой машины в районе экватора. Это сделаем мы. Можно однозначно заявить, что кривая 2 рис.5. способствует поднятию на высоту до 9 км влажного и теплого воздуха при работе атмосферной тепловой машины, так как этот воздух медленнее охлаждается и дольше сохраняет положительную разность температур с окружающим. Кривая же 1рис.5. наоборот заставляет , поднимающийся теплый и влажный воздух охлаждаться интенсивней. В первом случае КПД атмосферной тепловой машины резко повышается, она больше и выше поднимает влажного воздуха, тогда как во втором случае КПД тепловой машины падает. В итоге мы получаем дополнительный и довольно ощутимый коэффициент усиления влияния солнечной активности на воздушный перенос на экваторе, а значит и на погоду. Почему нас интересует в первую очередь экватор? Да, потому что именно на экваторе атмосферная тепловая машина создает значительную часть, можно сказать даже львиную долю всего воздушного переноса, создаваемого тепловой солнечной энергией. Далее ускорение Кориолиса закручивает создаваемый поток по часовой стрелке в Северном полушарии и против в Южном, превращая восточный перенос в западный. Подробно работа атмосферной тепловой машины рассмотрена в работе [2].

Выводы

1. Усиление (ослабление) потока вторгающихся частиц в результате еще не вполне выясненных физико-химических процессов вызывает уменьшение (или увеличение) прозрачности атмосферы и тем самым модулирует поступление солнечной энергии в нижнюю атмосферу.

2. Изменение потока поступающей солнечной энергии вызывает изменение температуры воздуха и высоты изобарических поверхностей в тропосфере, обусловливая тем самым заметные изменения скорости крупномасштабной циркуляции атмосферы.

3. На экваторе изменения в нижней атмосфере под действием солнечной активности за счет работы атмосферной тепловой машины создают непомерно большие изменения воздушного переноса, чем в других частях атмосферы, что и приводит к значимым вариациям погоды.

Первоисточники

1. Пудовкин М.И. «Влияние солнечной активности на состояние нижней атмосферы и погоды». Санкт-Петербургский государственный университет.

2. Ерашов В.М. «Атмосферная тепловая машина» http://www.randewy.ru/gml/erashov49.html

3. Ерашов В.М. «Погода по расписанию» http://www.randewy.ru/gml/erashov74.html

2.02. 2016г.

© Copyright: Владимир Ерашов, 2016

Свидетельство о публикации №216020201222