Исследование сотрудников Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН (Томск) и Томского государственного университета продемонстрировало, что форма облаков влияет как на коэффициент пропускания ультрафиолетового излучения, так и на градиент потенциала приземного электрического поля. Причем эти два параметра реагируют на изменение облачности синхронно. В дальнейшем такой эффект можно использовать для совершенствования методов оценки и прогноза доз УФ-излучения, а также в моделях климатических изменений и глобальной электрической сети.
На момент начала исследования было известно, что облака определенных форм могут сильно изменять характеристики приземного электрического поля. Ученые решили подробно изучить, как на него влияют десять основных морфологических типов (форм) облаков: перистые, перисто-кучевые, перисто-слоистые (облака верхнего яруса); высококучевые и высокослоистые облака (средний ярус); слоистые, слоисто-кучевые, слоисто-дождевые (нижний ярус); кучевые и кучево-дождевые облака (облака вертикального развития). Наличие облаков той или иной формы над геофизической обсерваторией ученые определяли по данным круглосуточных непрерывных наблюдений на близлежащей метеорологической станции в Томске.
«Исследуемые события можно разделить на три категории. Первая — это условия хорошей погоды с минимальной возмущенностью электрических характеристик и минимальным ослаблением потока УФ-излучения. Вторая охватывает события с наличием дымовых шлейфов в тропосфере. Третья категория включает облачность, подразделяемую на десять основных морфологических типов. Мы хотели посмотреть, будет ли наблюдаться какое-то принципиальное отличие в изменчивости исследуемых величин при наличии облаков разных форм. Также нам было интересно увидеть, как будут коррелировать между собой эти величины», — говорит ведущий научный сотрудник ИМКЭС СО РАН кандидат физико-математических наук Константин Пустовалов.
Результаты исследования действительно выявили ожидаемые зависимости. Как и предполагалось, наиболее сильное влияние на коэффициент пропускания ультрафиолетового излучения атмосферой и градиент потенциала приземного электрического поля оказывают кучево-дождевые (грозовые) облака. Ощутимо воздействовали на эти параметры и классические осадкообразующие облака — слоистые, слоисто-дождевые и высокослоистые. Слоисто-кучевые и кучевые облака, которые находятся в нижнем ярусе и имеют достаточно большую, по сравнению с другими, вертикальную мощность, тоже вносили значимый вклад в изменчивость исследуемых параметров.
«Однако, к нашему огромному удивлению, относительно безобидные облака верхнего яруса, например перистые, несмотря на их большую высоту над поверхностью Земли и небольшую вертикальную мощность, тоже оказывают статистически значимое влияние как на электрическое поле, так и на поток ультрафиолетового излучения», — рассказывает Константин Пустовалов.
Исследование показало: наличие облаков всех форм и высокой аэрозольной нагрузки за счет дымов обширных лесных пожаров приводит к тому, что напряженность приземного электрического поля понижается по сравнению с фоновыми значениями. Если для Томска летом обычно характерны средние (фоновые) значения напряженности порядка 200—250 В/м, то в случаях с мощной и плотной облачностью, в частности кучево-дождевой, они могут падать до околонулевых значений, а в отдельных случаях даже уходить в отрицательную область значений напряженности. Аналогично и с потоком ультрафиолетового излучения — наличие облаков, а также повышенного содержания аэрозоля тоже, как правило, приводило к его понижению.
Более того, выяснилось, что эти параметры связаны друг с другом: ученые выявили корреляцию между градиентом потенциала приземного электрического поля и коэффициентом пропускания ультрафиолетового излучения. «Это величины совершенно разной физической природы: в первом случае — электростатика, а во втором — оптика атмосферы. Насколько мы полагаем, прямой зависимости между ними быть не может. Однако обе эти величины чувствительны к состоянию атмосферы, их реакция на наличие примесей в воздухе (аэрозольных частиц, капель и кристаллов облаков) оказывается синхронной», — отмечает Константин Пустовалов.
По словам ученого, уменьшение градиента потенциала приземного электрического поля во время облачности не должно влиять на самочувствие человека (за исключением сильных гроз, когда приземное электрическое поле способно существенно выходить за диапазон фоновой изменчивости и достигать экстремальных значений). В то же время обнаруженные взаимосвязи открывают путь для множества практических применений.
Во-первых, зная соотношение изменчивости коэффициента пропускания ультрафиолетового излучения и градиента потенциала приземного электрического поля, можно выполнять диагностику состояния атмосферы. В частности, обнаруживать и характеризовать облака и дымовые шлейфы в режиме реального времени без явного участия человека. Во-вторых, полученные закономерности могут быть использованы в разрабатываемых новых моделях атмосферы, используемых для численного прогноза погоды и оценки климатических изменений, а также в методах оценки и прогноза доз УФ-излучения.
Выявленные закономерности можно встроить и в модели глобальной электрической цепи, описывающие круговорот электрических зарядов в атмосфере. В условиях хорошей погоды ток нисходит от нижнего слоя ионосферы к поверхности Земли. Однако иногда он движется и в обратном направлении: заряды от поверхности Земли могут перемещаться вверх и доходить до ионосферы. В настоящее время нет точного понимания, как происходят процессы протекания тока снизу вверх, однако считается, что «подзарядке» ионосферы могут способствовать облака — не только грозовые, но и других форм.
Статья подготовлена с использованием материалов издания «Наука в Сибири»