Солнечно-земная Физика


Проект "СиЗиФ"

переход на первую страницу сайта

Влияние галактических и солнечных космических лучей, а также высыпаний частиц магнитосферного происхождения на погодообразующие процессы в земной атмосфере широко обсуждаются в последние годы в сотнях статей и докладов. Сейчас это признанное направление исследований. Однако когда эти идеи воздействия корпускулярных излучений на физико-химические процессы в атмосфере Земли были впервые высказаны Н.Г. Скрябиным в семидесятых годах прошлого века, они не встретили серьезного отношения, были проигнорированы, сочтены необоснованной фантазией.
К сожалению, не только в зарубежных, но и отечественных современных публикациях ссылки на труды Н.Г. Скрябина отсутствуют.
Предлагаемая читателю работа Николая Георгиевича Скрябина, до наших дней успешно работающего в Институте Космической физики и аэрономии в Якутске, надеюсь, будет содействовать исправлению этой исторической несправедливости.
ЛЛ


Н. Г. Скрябин


Возможный физико-химический усилительный механизм солнечно-земных связей

Доклад на Втором рабочем семинаре по моделированию полярной ионосферы, 11—15 февраля 1980 г., г.Мурманск
Препринт ИКФИА ЯФ СОАН
Ответственный редактор В.П.Самсонов
ЯКУТСК 1980

УДК 550.388.8
В физических процессах, происходящих в атмосфере, должны существовать микроструктуры различных спусковых и усилительных механизмов, перестраивающих характер традиционной циркуляции атмосферы. Воздействие корпускулярной активности Солнца на такие микроструктуры возможно влияет на изменение погоды.
В верхних слоях атмосферы под действием корпускулярных излучений в физико-химических процессах могут генерироваться долгоживущие тяжелые ионы и микроскопические аэрозоли: клас- теры гидроксония, нитрата и нитрита аммония, хлористого ам- мония и т.д. Все эти вещества обладают гигроскопичными свойствами. В процессах переноса и турбулентной диффузии такие веще- ства, попадая (через некоторое время) в нижнюю атмосферу, где участвуют в стимулировании процессов по освобождению скрытой энергии атмосферы: т.е. увеличивают облачный покров планеты, частоту образования гроз, тайфунов и т.д. В работе показано, что многие из таких веществ (например, кластеры гидрокеония) являются сильными катализаторами, которые перерабатывают некоторые- малые составляющие вещества воздуха в гигроскопичные микроскопические аэрозоли. Причем, эффект усиления от каталитических реакций может достигать большой величины, порядка 10 раз.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ..................... 3
Связь корпускулярной активности Солнца с изменением некоторых атмосферных параметров .......5
Геофизические особенности Тиксинско-Норильского аврорального региона . .............. 7
Генерация тяжелых ионных кластеров при высыпаниях заряженных частиц ................10
Усилительный механизм генерации микроскопических аэрозолей и кластеров в стратосфере ....... 12
Механизмы увеличения времени жизни микроскопических аэрозолей и кластеров в стратосфере ..... 14
Перенос микроскопических аэрозолей и кластеров в нижнюю атмосферу..................17
Некоторые физические свойства аэрозолей воды в атмосфере..................... . 19
О влиянии космических факторов на погоду ..... 22
Заключение....................25
Литература..................... 25

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.
fig1 (17K) Через 3 дня после геомагнитных возмущений в районе долгот, проходящих через регион Северо-Востока Сибири (Норильск - Чукотка ≈90°), происходит понижение давления на ≈2 мбар, а в районе долгот, проходящих через регион Европа - Запад- ная Сибирь (≈90°), - 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 11,5° 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).

fig2 (18K) 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. fig3 (18K) 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 » 45° (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]

fig4 (4K)
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:

fo1a (9K)

Частички NО+ генерируются в ионно-молекулярных реакциях, которые приводятся в работах [II, 13].

fo2 (18K) 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]:

fo3 (18K)

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. fig5 (3K)

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]: fo4 (18K)

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:

fo5 (18K)

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:

fo6 (18K)

В реакциях образуются частички
fo7a (18K)
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

fo7 (18K)
.
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 МИКРОСКОШЧЁСКИХ АЭРОЗОЛЕЙ И КЛАСТЕРОВ В СТРАТОСФЕРЕ

Весь усилительный эффект обусловлен частичками H3O+ (H2O)n. Согласно [17], ионы кластеров гидроксония рекомбинируются в реакции

fo8 (2K)

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

fo9 (1K)

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

fo10 (3K)

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

fo11 (4K)

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.

fo12 (2K)

Реакция (45) - суммарная. Цепи её 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].

fig6 (3K) 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

fo13 (6K)

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

fo14 (16K)

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 атмосфере под действием высыпаний электронов вполне может увеличиваться содержание ядер конденсации водяного пара, доставленных с высот 85 км до 20 км за 1-3 дня.

НЕКОТОРЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЭРОЗОЛЕЙ ВОДЫ В АТМОСФЕРЕ

Аэрозоли воды играют важную роль в механизмах освобождения скрытой энергии атмосферы [24]. В данной работе рассматриваются физические процессы, которые влияют на способность микроскопических аэрозолей и ионов к конденсации, коагуляции и росту микроскопических аэрозолей воды. Поэтому мы кратко остановимся на описании некоторых физических свойств аэрозолей воды.
Молекулы вещества, находящегося в газообразной среде, под действием молекулярных сил притягиваются друг к другу и группируются до тех пор, пока не образуют частицу в определенном агрегатном состоянии. Здесь вступают в силу законы, характеризующие границу раздела двух сред. Из физической химии известно, что на поверхности раздела аэрозоля воды в газообразной среде давление паров воды и адсорбированного газа во много раз больше, чем в окружающей среде. Поэтому дальнейший рост аэрозоля будет замедлен и в принципе может осуществиться обратный процесс, т.е. микроскопическая аэрозоль чистой воды может "высохнуть" даже во влажном воздухе и, следовательно, не будет служить центром конденсации пара и эффективно участвовать в процессе коагуляции.
Этот эффект описывается известной формулой Дж.Томсона, которая приводится во многих работах по метеорологии С8].
Для незаряженной капельки формула имеет вид

fo15 (2K)

для заряженной

fo16 (3K)

где Ра и Рn, - давление паров на поверхности капельки радиуса r и на плоской поверхности жидкости в газообразной среде;
z- заряд капельки; ρ,δ - плотность и коэффициент поверхностного натяжения жидкости;
Rn - газовая постоянная паров воды.
В таблице приведены результаты расчетов по формулам (51), (52) для аэрозолей воды различных размеров.

tab1 (16K)

Как видно из таблицы, способность к коагуляции значительно выше из-за уменьшения давления паров оболочки (до 10 тыс. раз) у заряженной капельки, чем у незаряженной.

Существует еще несколько факторов, препятствующих слиянию мелких незаряженных капелек, описанных в общей механике аэрозолей, разработанной Фуксом [25]. В качестве иллюстраций может служить регистрация заряженных частиц с помощью камеры Вильсона. Попадая в камеру Вильсона, заряженная частица обозначает свой путь, образуя ионы в газовой среде, пересыщенной парами жидкости. На ионах конденсируются мелкие капельки которые "проявляют" траекторию частицы. Известно, что ионы простых газов (кислород, азот, аргон), обычно применяемых в качестве рабочих, имеют свойство быстро рекомбинировать. Поэтому мелкие капельки жидкости, обозначающие траекторию частицы, очень быстро становятся нейтральными. Для нейтральных капелек Рa/Рn>>1, и они по причинам, описанным выше, должны высохнуть. Так в действительности и происходит: траек- тории исчезают достаточно быстро даже в присутствии насыщенных паров. Отсюда ясно, что незаряженные микроскопические аэрозоли чистой воды не могут служить ядрами конденсации и эффективно стимулировать такой процесс, как коагуляция. Не могут служить эффективными ядрами конденсации -и такие аэрозоли, как континентальная пыль (пыль пустынь) и частички дыма [2б]. Только в воздухе, существенно пересыщенном парами воды, на таких частицах могут образоваться капельки. Но в верхней тропосфере благоприятные условия пересыщения весьма редки и имеют локальное значение.
Для заряженных же частиц, возникающих на ионах и появляющихся в процессе ионизации аэрозоля под действием излучений или в реакциях переключения ионных кластеров, действует формула (52). Расчеты по этой формуле при Z = I показывают, что способность к росту заряженных аэрозолей с размерами порядка 10-8 - 10-7 см возрастает примерно в I тыс.раз. Положительное влияние на рост аэрозолей оказывает постояннее электрическое поле, которое организует ансамбль поляризованных частиц, ориентированных друг к другу разноименными полюсами.
Согласно экспериментам с аэрозолями, в электрическом поле, даже при небольшой напряженности (порядка 10 В/см) эффект в их росте составляет более 100%.Для частичек воды с размерами 100-600 мк включение поля в 15 В/см увеличивает долю частиц, способных преодолеть энергетический барьер к коагуляции, с 30 до 90% [27], т.е. эффект разителен(в 3 раза).
Как показывают измерения над авроральными зонами, электрическое поле нижней атмосферы в связи с высыпаниями заряженных частиц может достигать таких значений и даже превышать их (например ,~1000 В/м [28]). Этой величины вполне достаточно, чтобы существенно усилить процессы роста и коагуляции микроскопических аэрозолей.

Высыпания заряженных частиц при увеличении ионизации атмосферы и эффектов в электрическом поле могут стимулировать процессы роста и коагуляции аэрозолей, образование кластеров. Подтверждением этому служит известный факт помутнения верхней атмосферы после интенсивных высыпаний заряженных частиц [3]. Кроме этого, имеются экспериментальные данные, свидетельствующие о наличии стабильного аэрозольного слоя на высоте 70 - 75 км, близкой к высоте максимума ионизации за счет высыпающихся электронов [29].

Таким образом, исследование заряженных тяжелых кластеров, которые могут образовать заряженные микроскопические аэрозоли воды, представляет определенный научный интерес в поиске управляющих звеньев в цепи солнечно-атмосферных связей.

О ВЛИЯНИИ КОСМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ПОГОДУ

В атмосфере на высотах 0-20 км имеются огромные запасы скрытой энергии в виде влажного воздуха, определенным образом распределенного по высоте. Причем большая часть этой энергии атмосферы > 60% не реализуется, свободно пролетает над континентами и не участвует в перестройке циркуляции атмосферы. За сезон она изменяется от 6-107 Дж/м до 108 Дж/м2 [30,3l]. 6.107 Дж/м2 не освобождается в атмосферных процессах. Это эквивалентно энергии от сжигания 12 т бензина на гектар, которые непозволительно пролетают мимо.
Причем оставшееся изменение скрытой энергии в основном обусловлено сезонным переходом зима-лето. А на изменения циркуляции атмосферы, связанные с перестройкой традиционного течения погоды, затрачивается незначительная во много раз меньшая часть скрытой энергии (порядка 1%). Чтобы её освободить, необходимо создать вертикальное перемещение воздушных масс вверх в месте, где имеются в данный момент большие запасы скрытой энергии [б,9].

Как это происходит? При подъеме вверх влажный воздух охлаждается, и влага конденсируется в мелкие капельки (или кристаллики льда). В этом процессе выделяется тепло ≈ 1000 кал/г, которого в отдельных случаях бывает достаточно, чтобы в дальнейшем такой процесс сам себя поддерживал. (Теплый воздух будет перемещаться вверх, вовлекая нижние, более влажные слои, богатые скрытой энергией и т.д.).
Скрытая энергия освобождается в различных спусковых механизмах. А для включения спускового механизма необходимо затратить ничтожные количества энергии. В работах [30,3l] указывается, что вызвать перестройку циркуляции атмосферы могут порции энергии всего порядка 10-4 Вт/м, т.е. равной энергии лампочки от карманного фонаря, распределенной на гектар. По данной оценке атмосфера должна обладать большой степенью неустойчивости, и освобождение скрытой энергии должно происходить достаточно эффективно в естественных процессах.
Но, как известно, такого не происходит. Для освобождения скрытой энергии необходимы еще условия, повышающие эффективность конденсации водяного пара атмосферы. И атмосфера постоянно испытывает недостаток в таких условиях, потому что в верхних слоях тропосферы влага воздуха не всегда конденсируется и собирается в облаках. Да и не всегда в облаках происходит укрупнение капелек до размеров, достаточных для выпадения осадков. Для реализации процесса необходима еще определенная концентрация ядер конденсации (или сублимации) водяного пара. Ядрами обычно служат аэрозоли, ионы различ- ных веществ,' почти всегда в определенном количестве имеющиеся в воздухе.

Кроме того, атмосфера имеет слоисто-ячеистую структуру [32,33]. Чтобы ее преодолеть, ядра конденсации (или сублимации) должны быть почти одновременно распределены на большой площади размерами в тысячи километров и в достаточно большом интервале высот. В противном случае выделившееся при конденсации тепло не выведет атмосферу из состояния традиционного равновесия для освобождения скрытой энергии в перемещениях воздушных масс. И это далеко не все.
Огромные воздушные массы имеют большую инерцию. Поэтому для изменения традиционной циркуляции атмосферы необходимо исследовать медленные процессы освобождения скрытой энергии на большой площади и в больших объемах в размере континента или всей планеты, не меньше.

Активные эксперименты в атмосфере пбказали, что существуют вещества (например, йодистое серебро), которое можно вносить в атмосферу в виде аэрозолей для усиления процессов сублимации и.конденсации водяного пара. Из экспериментального исследования видно, что, во-первых, подтверждено существование спускового механизма освобождения скрытой энергии через аэрозоли, а во-вторых, главное, что атмосфера испытывает голод по концентрации веществ, способствующих конденсации пара. Причем недостаток таких аэрозолей, которые служат эффективными ядрами конденсации, атмосфера испытывает в любом месте от полюса до экватора, в любое время суток, зимой и летом.

Перечисленные выше примеры стимулируют процессы быстрого освобождения скрытой энергии, но которые имеют местное значение и не изменяют общего характера традиционной циркуляции атмосферы. Чтобы рассеять за короткое время в масштабе континента такие аэрозоли, не хватит йодистого серебра (потребуются многие миллионы тонн), да и всего количества авиации, даже в обозримом будущем. Диффузия в тропосфере мала, например, след от реактивного самолета за многие часы никогда не распространяется на весь небосклон.

На больших же высотах >100 км диффузия велика. Через несколько часов на этих высотах рассеянные вещества могут распространиться на большой площади. Следует заметить, что радиолиз вещества воздуха может происходить и в процессе вторжения в верхнюю атмосферу высокоэнергичных нейтральных частиц Н, Не, 0 и др. В процессе перезарядки эти частицы некоторое время бывают заряженными. И, как все энергичные заряженные частицы, они образуют ионы (в те моменты времени, когда они существуют в виде заряженных частиц).
Но в отличие от электронов они в моменты времени существования в виде нейтральных частиц в верхней заряженной атмосфере могут проходить большие расстояния, пересекая силовые линии магнитного поля Земли. Благодаря этому диффузия таких частиц будет огромной,по-видимому,на всех широтах долготного сектора,соответствующего высыпанию частиц из магнитосферы. Кроме того,и сами частицы после потери энергии могут участвовать в ионно-молекулярных реакциях.

Значительные потоки таких частиц наблюдаются в большом интервале широт. Например, большие потоки измерены на средних широтах в работах [34,35]. Возможно усилительные и управляющие механизмы генерации будут обусловлены именно этими частицами.
Поэтому очень важно исследовать геофизические законы, определенным образом связанных с усилением процесса конденсации водяного пара в атмосфере и физическими особенностями околоземного космического пространства.
Заметим, что грозовое облако с дождем в стратосфере никогда не возникнет (не хватит влаги в стратосфере). Но остатки воды на этих высотах могут быть использованы природой для генерации микроскопических аэрозолей - очень гигроскопичных веществ или использованы в процессах, перерабатывающих вещество воздуха в аэрозоли.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Круг вопросов, относящихся к проблеме поиска управляющего механизма солнечно-атмосферных связей, чрезвычайно широк. В связи с этим данная работа поисковая и подчинена только одной задаче: попытаться осветить возможность разработки физико- химического механизма воздействия корпускулярной активности Солнца на атмосферу.
Для этой цели автор использовал уже известные и обсуждаемые в научной литературе (по тому или иному поводу) реакции и процессы.
Предлагаемая схема не является законченной, она может быть дополнена количественными расчетами или вообще изменена, но, тем не менее, вся совокупность обсуждаемых реакций и процессов, по мнению автора, указывает на реальную возможность существования физико-химического механизма воздействия корпускулярной активности Солнца на атмосферные процессы.
За последнее десятилетие в исследовании проблемы солнечно-атмосферных связей имеется определенный прогресс. В частности, по наблюдаемому экспериментальному материалу атмосферных параметров подтверждена реальность воздействия корпускулярной активности Солнца на атмосферу. Но в этой проблеме очень много вопросов и один из них: существуют ли управляющие механизмы солнечно-атмосферных связей?

Дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования помогут лучше изучить хотя бы отдельные стороны этой большой проблемы. При этом особый интерес представляет поиск управляющих звеньев в цепи солнечно-атмосферных связей.
Очень заманчивой является потенциальная возможность через управляющие звенья использовать энергию Солнца в практических целях.

ЛИТЕРАТУРА

I. Мустель Э.Р. О реальности воздействия солнечных корпускулярных потбков на нижние слои земной атмосферы, - В кн.: Научные информации. И., 1972, вып.24, с.5-55.
2. М у с т е л ь Э.Р. О взаимодействии солнечных корпускулярных потоков с нижними слоями земной атмосферы - Труды симпозиума по солнечно-корпускулярным эффектам в тропосфере и стратосфере. -Л., Гидрометеоиздат, 1973, с.4-12.
3. Dauviller A. Activite Auroral Albedo Planitarie. Comptes rendus hebdomadaires des seances debL1academie des sciences. 1959, Vol.248, № 12, p.174O-1743.
4. Castleman A.W. Aerosol Chemistry. Physics and Chemistry of Upper Atmosphere. Dordrecht-Holland. 1973, p.133-157.
5. Скрябин Н.Г., Соколов В.Д.,. Моисеев В.Г. Изменение содержания озона и аэрозолей на больших высотах в связи с электронными высыпаниями. - В кн.: Связь физических процессов в ионосфере и магнитосфере Земли с параметрами солнечного ветра. Якутск, изд. ЯФ СО АН СССР, 1977, с. 63-67.
6. Скрябин Н.Г. Перспективы исследований эффектов взаимодействия корпускулярных излучений с веществом верхних слоев атмосферы. - БНТИ ЯФ СО АН СССР. Якутск, 1977, октябрь, с.8-10.
7. Шафер Ю.Г. Некоторые результаты фундаментальных геокосмофиэических исследований в ИКФИА и их прикладное значение. - В кн.: Физика верхней атмосферы высоких широт. Якутск, изд. ЯФ СО АН СССР, 1975, с.5-21.
8. Матвеев Л.Г. Основы общей метеорологии, физика атмосферы. -Л., Гидрометеоиздат, 1965. 876 с.
9. Качурин Л.Г. Физические основы воздействия на атмосферные процессы. Л.; Гидрометеоиздат, 1973. 366 с.
10. Ferguson JS.E. and Fehsenfeld P.O. Water Vapor Ion Cluster Concentrations in the D-Eegion. J.Geophys.He's., 1970, Vol.74, ie 24, 1969, p.5743-5751.
11. С о ч н е в В.Г. .Туликов В.Ф. .Яковлев С.Г. Некоторые аспекты воздействия корпускулярного излучения на атмосферу Земли в спокойные и возмущенных условиях. - В кн.: Эффекты солнечной активности в нижней атмосфере. Л., Гидрометеоиздат, 1977, с.47-54. 12. Janes R.A., Hees M.H. Time Dependent Studies of the Aurora-I. Ion Density and Composition,- Planet.Space Sci., 1973i Vol.21, т 4, p.537-557.
13. Д а н и л о в А.Д. .Власов М.Н. Фотохимия ионизированных и возбужденных частиц в нижней ионосфере. Л., Гидрометеоиздат, 1973. 38 с.
14. Ferguson TS.E. Review of Laboratory Measurements of Aeronomic Ion-Neutral Reactions. Ann.Geophys., 19?2, Vol.28, p.389-395.
15. Ferguson E.E. and Fehsenfeld F.C. Water Vapor Ion Cluster Concentrations In the D-Region. J.Geophys.Res., 1969, Vol.74, №. 24, p.57*3-5751.
16. Мак-Ивен М. .Филлипс Л. Химия атмосферы. М., Мир, 1978. 376 с.
17. Biondi М.А. Canad. J. Chemistry, 1969. 47,17р. (Русский перевод М.А.Биоиди). - В кн.: Лабораторные исследования агрономических реакций. Л., Гидрометеоиздат, 1970.
18. Castleman A.U. Aerosol Chemistry. Physics and Chemistry of Upper Atmosphere. Dordrecht-Holland, 1973, p.143-157.
19. К a p о л ь И.Л. Высотные самолеты и стратосфера. Л., Гидрометеоиздат, 1974. 48 с.
20. Hedy T.V., McKay H.A.C., Pilbeam A., Searg'ill D. Ammonia and Ammonium Sulphate in the Troposphere over the United Kingdom. J.Geophys.Res., 1970, Vpl.75, p.2317-2322.
21. P е ш е т о в В.Д, Гипотеза аэрозольного происхождения атмосферного озона. - В кн.: Атмосферный озон (Результаты работ Международного геофизического года в СССР). Конференция 28-31 октября 1959 г. М., Мзд-во МГУ, 1961, с.10З-119.
22. Ж.В а н М и г е м. Энергетика атмосферы. Л., Гидрометеоиздат, 1977. 328 с.
23. Р о у п е р Р. Определение ветров по радиолокации метеорных следов в южном полушарии. - В кн.: Термосферная циркуляция. М., Мир, 1975, с.178-196.
24. Ч а л м е р с Дж.А. Атмосферное электричество.* Л., Гидрометеоиздат, 1974. 66 с.
25. Фукс Н.А. Механика аэрозолей. М., Изд-во АН СССР, 1955. 458 с.
26. A i t k e n J. On Dust, Fog and* Clouds. Trans.S.Soc., Edinb., 1880, Vol.30, p.337-368.
27. G о у в г G., McDonald I., BaerF., Braham E. Effects of Electric Fields on Water Droplets Coalesence. J.Meteor., 1960, Vol.17, p.472.
28. Жулин И.А., Землянкин Г.А., Канониди Х.Д. и др. Авроральные эффекты в медленных вариациях и короткопериодических колебаниях градиента потенциала атмосферного электричества магнитосферного происхождения. - Геомагнетизм и аэрономия, 1977, т.ХУЛ, № 5, с. 879-884.
29. Ш а м а х о в Б.Ф., Б р а г и н Ю.А., К о ч e e в А.А. Прямые исследования состава ионов в мезосфере и верхней стратосфере. - Космические исследования, 1975, т.ХШ, вып. 6, с. 940-942.
30. Сазонов Б.И. Энергетика атмосферных процессов и космические лучи. - В кн.: Солнечно-атмосферные связи в теории климата и прогнозах погоды. Труды I Всесоюзного совещания 30 октября - I ноября 1972 г. Л,,Гидрометеоиздат, 1974, с.248-258.
31. Д р у ж и н И.И., Сазонов Б.И., Ягодинс к и и В.Н. Космос-Земля, прогнозы. М.; 1974. 28Х с.
32. StommelH. Entralnment of Air into a Cumulus Cloud. J.Meteorol., 1947, Vol.4, p.91-94.
33. Starr V.P., A n a t i D.A. and Saistain D.A. Effectiveness of Controlled Convection in Producing Precipitation. J.Geophys.Res., 1974, Vol.79f № 27, p.4047-4052.
34. Martynkevi ch G.M., В у u г e E.D. Ar/N2 and 0/N2 Ratios as Results and Criteria of Disturbance in the Lower Thermosphere.of Middle and High Latitudes. Hydrometeorological Service of the USSR. IAGA/IAMAP General Scientific Assembly, Seattle, Washington, USA, 25-27, August 1977, p.20.
35. Мартынкевич Г.М. Энергетика, химия и динамика верхней атмосферы. - Б кн.: Третье Всесоюзное совещание по исследованию динамических процессов в верхней атмосфере (Обнинск,, ноябрь 1979 г.). Тезисы докладов. Обнинск,1979, с.4-5.

Переход на другие страницы проекта "СиЗиФ"


 
Обзорные статьи, СиЗиФ   Оглавление справочника   Начальная страница учебника  по солнечно-земной физике   Оглавление сайта по авторам материала   Оглавление раздела по истории исследований


НИИЯФ МГУ 2006. Для связи:  lll@srd.sinp.msu.ru (lll=LLL)
Обновления - 11.08.06