Η απόκριση των πολικών νεφών στο ατμοσφαιρικό ηλεκτρικό πεδίο και εισροές ιονόσφαιρας και εξωγήινης προέλευσης

Φόντο

Η αναζήτηση δεσμών μεταξύ των διακυμάνσεων των εξωγήινων εισροών ενέργειας στην ατμόσφαιρα της Γης και των μετεωρολογικών διεργασιών έχει μακρά, και μερικές φορές αμφιλεγόμενη, ιστορία [1]. Αν και η συνολική ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που εκπέμπεται από τον ήλιο ποικίλλει σε ένα εύρος χρονικών διαστημάτων, με εμφανή τον κύκλο των 11 ετών, οι αλλαγές στην ηλιακή εκπομπή σε μήκη κύματος που φτάνουν στη χαμηλότερη ατμόσφαιρα της Γης φαίνεται να είναι πολύ μικρές, τουλάχιστον κατά την περίοδο του δορυφόρου παρατηρήσεις. Η μεταβλητή υπεριώδης ηλιακή εκπομπή απορροφάται από τη στρατόσφαιρα και πάνω και οδηγεί σε μικρές αλλαγές στις θερμοκρασίες της στρατόσφαιρας.

Εκτός από την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία του ήλιου, ο ηλιακός άνεμος περιέχει ενεργειακές ροές σωματιδίων και μαγνητικά πεδία ηλιακής προέλευσης και παράγει ενεργειακά πρωτόνια και ηλεκτρόνια στη μαγνητόσφαιρα. Αλλά αυτά τα σωματίδια κατακρημνίζονται σποραδικά και επίσης εναποθέτουν την ενέργειά τους σε υψόμετρα μεγαλύτερα από εκείνα όπου εμφανίζονται καιρικά φαινόμενα. Η απόκριση της ανώτερης ατμόσφαιρας της Γης σε αυτές τις μεταβαλλόμενες εισροές ενέργειας στην κορυφή της ατμόσφαιρας περιλαμβάνει το οπτικό σέλας και το μεταβλητό ηλεκτρικό ρεύμα των ηλεκτρικών πίδακες σέλας στις πολικές ιονόσφαιρες [2]. Ωστόσο, δεν υπάρχει ευρέως αποδεκτός μηχανισμός για τη σύζευξη γνωστών αλλαγών στον ήλιο και των σχετικών αλλαγών στην ανώτερη ατμόσφαιρα που περιγράφονται παραπάνω με την περιοχή των καιρικών διεργασιών εντός 10 km από το έδαφος.

Μια λιγότερο προφανής είσοδος στην ατμόσφαιρα της Γης είναι η ροή των κοσμικών ακτίνων, οι οποίες είναι κυρίως πρωτόνια τόσο υψηλής ενέργειας ανά σωματίδιο που διεισδύουν μέσω της ατμόσφαιρας στην επιφάνεια, ιονίζοντας μόρια αζώτου και οξυγόνου καθ' οδόν. Η ροή διαμορφώνεται κατά 5-10% από τα μαγνητικά πεδία του ηλιακού ανέμου, ανάλογα με την ενέργεια πρωτονίων και το γεωγραφικό πλάτος, κατά τη διάρκεια του 11ετούς κύκλου της ηλιακής κηλίδας και κατά τη διάρκεια μαγνητικών καταιγίδων. Ο ιονισμός από τις κοσμικές ακτίνες καθιστά την ατμόσφαιρα ασθενώς αγώγιμη και επιτρέπει να σχηματιστεί το παγκόσμιο ατμοσφαιρικό ηλεκτρικό κύκλωμα. Οι καταιγίδες και τα ηλεκτρισμένα σύννεφα βροχής, που βρίσκονται κυρίως σε χαμηλά γεωγραφικά πλάτη, δημιουργούν ρεύματα προς τα πάνω και διατηρούν την υψηλής αγωγιμότητας ιονόσφαιρα σε αυξημένο ηλεκτρικό δυναμικό, συνήθως κοντά στα 240 kV, σε σχέση με την επιφάνεια της Γης. Αυτή η πιθανή κλίση οδηγεί σε μια πτωτική πυκνότητα ρεύματος σε ολόκληρη την υδρόγειο. Η οριζόντια ροή ρεύματος μέσω της στερεάς Γης και των ωκεανών προς τα χαμηλά γεωγραφικά πλάτη ολοκληρώνει το κύκλωμα.

Λειτουργώντας ως καταλύτης στις διεργασίες σύννεφων, το ηλεκτρικό κύκλωμα της ατμόσφαιρας θα μπορούσε να παρέχει τουλάχιστον έναν κρίκο που λείπει μεταξύ των διακυμάνσεων της ηλιακής δραστηριότητας και των μετεωρολογικών αποκρίσεων στην τροπόσφαιρα [3], ανεξάρτητα από τα ατμοσφαιρικά φαινόμενα στην περιοχή μεταξύ περίπου 10 km και της ιονόσφαιρας. Η φθίνουσα πυκνότητα ρεύματος φαίνεται ικανή να συνδέει τις μεταβαλλόμενες συνθήκες σε ιονόσφαιρα υψόμετρα με μετεωρολογικές διεργασίες κοντά στο έδαφος, τουλάχιστον στις πολικές περιοχές. Συγκεκριμένα, η ηλεκτρική αγωγιμότητα των νεφών διαφέρει από αυτή του περιβάλλοντος καθαρού αέρα, έτσι ώστε όταν το καθοδικό ρεύμα συναντά ένα σύννεφο, δημιουργείται περίσσεια φορτίων (σε ιόντα αέρα, σωματίδια αερολύματος και σταγονίδια) ενός σημείου (διαστημικό φορτίο). ανώτερες και κάτω οριακές περιοχές νέφους. Στη συνέχεια, οι μικροφυσικές διεργασίες μέσα στο σύννεφο μπορούν να επηρεαστούν από τη διακύμανση περίπου 20% στην τρέχουσα πυκνότητα και το φορτίο χώρου, τουλάχιστον σε πολικές περιοχές όπου τα παρατηρούμενα χαρακτηριστικά του νέφους φαίνεται να τις καθιστούν επιρρεπείς στην παρουσία τέτοιων υπερβολικών φορτίων. Αυτά τα σύννεφα αποτελούνται από ένα ή περισσότερα στρώματα νεφών στιβάδας, που σχηματίζονται στον ηλεκτρικά καθαρό πολικό αέρα με τις αρκετά χαμηλές συγκεντρώσεις αερολυμάτων και τους πυρήνες συμπύκνωσης νεφών (CCN). Για αυτά τα σύννεφα, το οπτικό πάχος των νεφών και ως εκ τούτου η σύζευξη της ακτινοβολίας με το έδαφος έχει βρεθεί ότι ποικίλλει ανάλογα με τη συγκέντρωση CCN [4].

Οι διαδικασίες παραγωγής και απώλειας του CCN μπορούν να επηρεαστούν από τα ηλεκτρικά φορτία σε ιόντα, CCN και σταγονίδια. Αυτό οδηγεί σε ελαφρώς αλλοιωμένες συγκεντρώσεις σταγονιδίων και πάγου [5], οι οποίες στη συνέχεια μπορεί να εμφανιστούν ως αλλαγή στο οπτικό πάχος των νεφών, το οποίο με τη σειρά του μεταβάλλει τη θερμική ακτινοβολία μακρών κυμάτων που εκπέμπεται προς το έδαφος. Μέσω αυτής της αλληλουχίας γεγονότων, οι αλλαγές στην πυκνότητα του ηλεκτρικού ρεύματος μεταξύ ιονόσφαιρας και εδάφους θα μπορούσαν να ακολουθηθούν, μετά από μια χρονική υστέρηση που χαρακτηρίζει τις διεργασίες που λειτουργούν, από μια αλλαγή στην ακτινοβολία μακρών κυμάτων καθόδου που παρατηρείται στο έδαφος. Διακυμάνσεις στην πυκνότητα του ρεύματος μπορεί να προκύψουν (1) από τις καταιγίδες και τα ηλεκτρισμένα σύννεφα που είναι κατά κύριο λόγο υπεύθυνα για τη δημιουργία της διαφοράς δυναμικού ιονόσφαιρας προς το έδαφος, (2) από αλλαγές στους ηλεκτροπίδακες σέλας (οριζόντια ηλεκτρικά ρεύματα που ρέουν σε ιονόσφαιρα υψόμετρα που προκαλούνται από μεταβαλλόμενο ηλιακό φως εισροές ενέργειας) που κατά καιρούς περνούν πάνω από τον Νότιο Πόλο και για τις οποίες έχουν παρατηρηθεί επιδράσεις στην πυκνότητα ρεύματος στα βόρεια γεωγραφικά πλάτη του σέλας [6], ή (3) από αλλαγές στο ιονόσφαιρο δυναμικό που προκαλούνται από ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο ηλιακού ανέμου που κινείται πέρα ​​από η αγώγιμη ανώτερη ατμόσφαιρα. Η τελευταία από αυτές τις επιρροές περιορίζεται σε μια περιορισμένη περιοχή, σε απόσταση περίπου 1000 km από τους γεωμαγνητικούς πόλους, λόγω των σχεδόν κάθετων γραμμών γεωμαγνητικού πεδίου που συνδέονται αποτελεσματικά, εντός των ζωνών του σέλας, με το μαγνητικό πεδίο του ηλιακού ανέμου.

Η αλληλουχία αιτίας και αποτελέσματος που περιγράφεται παραπάνω περιέχει βήματα που είναι δύσκολο να ποσοτικοποιηθούν. Δεδομένης αυτής της πολυπλοκότητας, μια χρήσιμη προσέγγιση είναι η διεξαγωγή στατιστικών μελετών χρησιμοποιώντας ατμοσφαιρικές παρατηρήσεις σε συνδυασμό με υποδοχείς για την πυκνότητα ρεύματος ιονόσφαιρας προς έδαφος. Εάν εμφανιστούν στατιστικά σημαντικοί σύνδεσμοι, αυτό αυξάνει την εμπιστοσύνη ότι οι υποτιθέμενοι φυσικοί μηχανισμοί παράγουν αποτελέσματα στην κατώτερη ατμόσφαιρα που είναι αρκετά μεγάλα για ανίχνευση. Η καθοδική ακτινοβολία μακρών κυμάτων που παρατηρείται στο έδαφος είναι μια ιδανική επιλογή για την ατμοσφαιρική παράμετρο, καθώς σχετίζεται άμεσα με το προφίλ θερμοκρασίας και το οπτικό πάχος των εναέριων νεφών που, με τη θερμική τους ακτινοβολία, θερμαίνουν την υποκείμενη ατμόσφαιρα και την επιφάνεια.

Δεδομένα και ανάλυση

Υπάρχει ένα μακροπρόθεσμο σύνολο δεδομένων ακτινοβολίας μακρών κυμάτων που διαδίδεται προς τα κάτω για τον Νότιο Πόλο και είναι διαθέσιμο ηλεκτρονικά μέσω του Εργαστηρίου Έρευνας Συστήματος Γης της NOAA. Αυτό το έργο χρησιμοποιεί 24ωρες μέσες ακτινοβολίες για την περίοδο από τα τέλη του 1993 έως τα μέσα του 2017. Ο στόχος είναι να αναζητηθεί μια στατιστική σύνδεση μεταξύ ενός μέτρου της ημερήσιας ακτινοβολίας μεγάλου κύματος από το οποίο έχει αφαιρεθεί ο ετήσιος κύκλος, που συμβολίζεται με y(d), και μιας μεταβλητής μεσολάβησης για την κατακόρυφη πυκνότητα ρεύματος, J(d-l ). Εδώ το d επισημαίνει μια ημέρα του συνόλου δεδομένων, d=1, 2, … και l είναι μια χρονική υστέρηση σε ημέρες. Οι μεγάλες τιμές του y(d) αντιστοιχούν στην παρουσία πυκνών νεφών των οποίων η εκπομπή μεγάλου μήκους προέρχεται από σχετικά χαμηλά, θερμά υψόμετρα. Ο καθαρός ουρανός, όπου σχετικά υψηλά, δροσερά υψόμετρα συμβάλλουν κατά προτίμηση στη θερμική εκπομπή, οδηγούν σε μικρότερες παρατηρούμενες ακτινοβολίες μεγάλων κυμάτων.

Ένα κατάλληλο μοντέλο παλινδρόμησης είναι:

y(d) =a₀ (l ) + a₁ (l )T(d) + a₂ (l )T(d) + a₃ (l )J(d-l ) + ε(δ)

όπου το T(d) είναι μια γραμμική τάση στο χρόνο και η επιθεώρηση του συνόλου δεδομένων οδήγησε τον τετραγωνικό όρο T(d). Το υπολειπόμενο ε(δ) έχει μέσο όρο 0,0 και περιλαμβάνει αυτοσυσχέτιση με καθυστέρηση μίας ημέρας. Φυσικά η αυτοσυσχέτιση προκύπτει από την επιμονή της θολότητας. Τιμές για τους συντελεστές παλινδρόμησης a_i (l ), i=0,…,3, υπολογίζονται με μεθόδους ελαχίστου τετραγώνου. Ο συντελεστής ενδιαφέροντος εδώ είναι a₃ (l ) χρονικά υστερεί μεταξύ 0 και πολλών ημερών, όπου η τιμή του l είναι χαρακτηριστικό των φυσικών διεργασιών στην εργασία. Η διακύμανση στο y που δεν εξηγείται από το μοντέλο παλινδρόμησης καθορίζει ένα εύρος εμπιστοσύνης 95% στην εκτίμηση του a₃ (l ).

Διάφορες επιλογές για την ανεξάρτητη μεταβλητή J(d-l ) επιτρέπουν την εξέταση των τριών διαφορετικών μηχανισμών που μπορούν να επηρεάσουν την κατακόρυφη πυκνότητα ρεύματος. Ο πρώτος υπολογισμός θέτει το J(d-l ) ίσο με τις καθημερινές μετρήσεις του κατακόρυφου ηλεκτρικού πεδίου στο επίπεδο του εδάφους, προσαρμοσμένο ώστε να διορθώνει την τοπική μετεωρολογική μόλυνση. Τα δεδομένα προέρχονται από τους σταθμούς Vostok και Concordia στην ήπειρο της Ανταρκτικής [7]. Αυτή η περίπτωση εξετάζει το θεμελιώδες ερώτημα εάν οι ιδιότητες του πολικού νέφους συνδέονται με την πυκνότητα του ηλεκτρικού ρεύματος προς τα κάτω, η οποία, όπως συζητήθηκε προηγουμένως, δημιουργείται κυρίως εσωτερικά από το ιονόσφαιρο δυναμικό λόγω καταιγίδων χαμηλού γεωγραφικού πλάτους.

Η εφαρμογή του μοντέλου παλινδρόμησης σε αυτά τα σύνολα δεδομένων παρήγαγε μια στατιστικά σημαντική τιμή a₃ (l ) στη χρονική καθυστέρηση l =1 ημέρα κατά τη διάρκεια του σκοτεινού τμήματος του πολικού έτους. Τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι δύο ημέρες των οποίων τα ηλεκτρικά πεδία διαφέρουν κατά +22,4 Vm (μία τυπική απόκλιση του μέσου πεδίου) ακολουθούνται από ημέρες των οποίων οι ακτινοβολίες μακρών κυμάτων διαφέρουν κατά +2,8±1,9% όπου η γραμμή σφάλματος ορίζει το εύρος εμπιστοσύνης 95%. Εδώ η διαφορά στην ακτινοβολία μακρών κυμάτων έχει το ίδιο πρόσημο με αυτό στο ηλεκτρικό πεδίο. Μια ημέρα με μεγάλο ηλεκτρικό πεδίο ακολουθείται την επόμενη μέρα από μια τιμή ακτινοβολίας μακρών κυμάτων ελαφρώς μεγαλύτερη από αυτή που θα υπήρχε διαφορετικά. Αν κάποιος ερμηνεύσει αυτό το αποτέλεσμα με βάση τον υποτιθέμενο φυσικό μηχανισμό, συμπεραίνει ότι μια μεγαλύτερη κατακόρυφη πυκνότητα ρεύματος, που προκύπτει από το μεγαλύτερο ηλεκτρικό πεδίο, τείνει να αυξάνει την αδιαφάνεια των πολικών νεφών σε χρονική κλίμακα μιας ημέρας.

Η επόμενη περίπτωση θέτει το J ίσο με το ημερήσιο μαγνητικό A_p δείκτης που είναι ένα μέτρο της μεταβλητότητας στο γεωμαγνητικό πεδίο σε επίπεδο εδάφους. Αυτές οι διακυμάνσεις ξεκινούν από την αλλαγή των ιονόσφαιρων ρευμάτων, όπως στον ηλεκτρικό πίδακα σέλας, ο οποίος προκαλεί επίσης αλλαγές στο τοπικό ιονόσφαιρο δυναμικό και στην τοπική πυκνότητα ρεύματος προς τα κάτω. Σε αυτή την ανάλυση, το μοντέλο παλινδρόμησης δείχνει μια στατιστικά σημαντική αρνητική σχέση μεταξύ της ακτινοβολίας μακρών κυμάτων και του A_p ευρετήριο από το l =2 μέρες πριν. Για το φως της ημέρας και τις σκοτεινές περιόδους μαζί, μια αύξηση +10 μονάδων στο A_p ακολουθείται από ακτινοβολία μακρών κυμάτων -0,6±0,5% μικρότερη από ό,τι θα εμφανιζόταν διαφορετικά. Αυτό είναι σύμφωνο με μια μικρή μείωση της αδιαφάνειας του νέφους μετά από μια περίοδο αυξημένης μαγνητικής δραστηριότητας. Σημειώστε ότι A_p είναι ένα μέτρο των χρονικών διακυμάνσεων στα οριζόντια ηλεκτρικά ρεύματα σε ιονόσφαιρα υψόμετρα. Αυτά, με τη σειρά τους, οδηγούν σε μεταβλητότητα στο δυναμικό της ιονόσφαιρας και στην πυκνότητα ρεύματος ιονόσφαιρας προς έδαφος που επιβάλλεται στο φόντο λόγω των άλλων δύο επιρροών που προσδιορίστηκαν παραπάνω. Η αλλαγή στην πυκνότητα του ρεύματος και στην ακτινοβολία μακρών κυμάτων μετά από μια αύξηση στο A_p δεν χρειάζεται να έχει το ίδιο πρόσημο με την απάντηση σε καμία από τις άλλες δύο περιπτώσεις.

Η τρίτη και τελευταία περίπτωση θέτει το J ίσο με την ημερήσια συνιστώσα ανατολής-δύσης του διαπλανητικού μαγνητικού πεδίου που λαμβάνεται από το ηλεκτρονικό αρχείο OMNIWeb του Κέντρου Διαστημικών Πτήσεων της NASA/Goddard. Αυτή η παλινδρόμηση απέτυχε να προσδιορίσει μια σχέση μεταξύ της ακτινοβολίας μακρών κυμάτων και του μαγνητικού πεδίου που πληρούσε το πρότυπο σημαντικότητας 95%. Εάν πράγματι υπάρχει σύζευξη ακτινοβολίας μακρών κυμάτων με το διαπλανητικό μαγνητικό πεδίο, είναι πολύ αδύναμη για να επιβεβαιωθεί στο γεωμαγνητικό πλάτος του Νότιου Πόλου. Σημειώστε ότι ο γεωμαγνητικός πόλος μετατοπίζεται κατά περίπου 10 γεωγραφικού πλάτους από τον γεωγραφικό Νότιο Πόλο. Απαιτούνται νέες αναλύσεις που χρησιμοποιούν ακτινοβολία μακρών κυμάτων που αποκτάται πιο κοντά στον γεωμαγνητικό πόλο, είτε Βόρειο είτε Νότιο, για να προσδιοριστεί καλύτερα οποιαδήποτε σύνδεση με το διαπλανητικό μαγνητικό πεδίο. Σημειώστε επίσης ότι οι συσχετίσεις που περιγράφονται παραπάνω αφορούν διακυμάνσεις στην τρέχουσα πυκνότητα μόνο 20% περίπου, και μόνο στην καθημερινή κλίμακα. Η επίδραση των αλλαγών στη μέση πυκνότητα ρεύματος, η οποία ποικίλλει στους δεκαετικούς και μακροπρόθεσμους ηλιακούς κύκλους με αλλαγές στη ροή της κοσμικής ακτίνας, δεν έχουν αξιολογηθεί.

Συμπέρασμα

Τα αποτελέσματα αυτής της έρευνας συνάδουν με την υπόθεση ότι το καθοδικό ατμοσφαιρικό ηλεκτρικό ρεύμα επηρεάζει τις ιδιότητες του νέφους στις πολικές περιοχές και, κατά συνέπεια, την ακτινοβολία μακρών κυμάτων που λαμβάνεται στο έδαφος. Εφόσον η διαφορά δυναμικού που οδηγεί αυτό το ρεύμα ανταποκρίνεται σε διεργασίες που συμβαίνουν σε ιονόσφαιρα και υψηλότερα, το ηλεκτρικό κύκλωμα της ατμόσφαιρας μπορεί να είναι υπεύθυνο για τη σύζευξη της ιονόσφαιρας και του περιβάλλοντος κοντά στο διάστημα με μετεωρολογικές διεργασίες κοντά στο έδαφος.

Αναφορές:

1. McCormac, B.M. και T.A. Seliga, 1979:Solar-Terrestrial Influences on Weather and Climate, D. Reidel Publishing Co., Dordrecht, Holland, 346 pp.
2. Ratcliffe, J.A., 1972:An Introduction to the Ionosphere and Magnetosphere, Cambridge University Press, Cambridge, Ηνωμένο Βασίλειο, 256 σελ.
3. Tinsley, B.A., 2008:Το παγκόσμιο ατμοσφαιρικό ηλεκτρικό κύκλωμα και τα αποτελέσματά του στη μικροφυσική των νεφών. Rep. Prog. Phys. 71, 066801. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/71/6/066801/meta.
4. Mauritsen, T., Sedlar, J. και 10 άλλοι, 2011:An Arctic CCN-limited cloud-aerosol καθεστώς. Atmos. Chem. Phys., 11, 165-173. https://www.atmos-chem-phys.net/11/165/2011/.
5. Tinsley, B. A. 2010:Electric charge modulation of aerosol scavenging in clouds:Rate coefficients with Monte Carlo simulation of diffusion, J. Geophys. Res., 115, D23211, doi:10.1029/2010JD014580.
6. Frank-Kamenetsky, A. V., Kotikov, A. L., Kruglov, A. A., Burns, G. B., Kleimenova, N. G., Kozyreva, O. V., … &Odzimek, A., 2012:Παραλλαγές στο ηλεκτρικό πεδίο υψηλού ατμοσφαιρικού γεωγραφικού πλάτους κοντά στην επιφάνεια και ιονόσφαιρο δυναμικό κατά τη διάρκεια γεωμαγνητικών διαταραχών. Geomagn. Aeron. 52(5), 629-638. .
7. Burns, G.B., A.V. Frank-Kamenetsky, B.A. Tinsley, W.J.R. French, P. Grigioni, G. Camporeale και Ε.Α. Bering, 2017:Παραλλαγές ατμοσφαιρικού παγκόσμιου κυκλώματος από μετρήσεις ηλεκτρικού πεδίου Vostok και Concordia. J. Atmos. Sci. 74, 783–800, http://dx.doi.org/10.1175/JAS_D_16–0159.1.