«Наша группа под руководством главного научного сотрудника института доктора физико-математических наук Петра Михайловича Нагорского в составе лаборатории физики климатических систем занимается изучением электрических характеристик атмосферы с 2006 года. Измерения метеорологических величин и наблюдения атмосферных явлений, включая атмосферно-электрические и спектрофотометрические измерения, проводятся в геофизической обсерватории ИМКЭС СО РАН. В этом году она отметила свое двадцатилетие. Поскольку мы располагаем довольно длинными рядами данных, у нас возникла идея проанализировать взаимосвязи между основными электрическими и оптическими характеристиками атмосферы, облачностью и атмосферным аэрозолем», — рассказывает ведущий научный сотрудник ИМКЭС СО РАН кандидат физико-математических наук Константин Николаевич Пустовалов.
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.
Также было известно, что приземное электрическое поле чутко реагирует на аэрозоли — твердые и жидкие частицы в воздухе, в частности частицы дыма от лесных пожаров. Информация о наличии дымовых шлейфов, когда они наблюдались над Томском, была взята из данных спутникового зондирования.
Приходящее солнечное УФ-излучение анализировали в узкой спектральной полосе с центром около 380 нанометров. «Этот участок интересен тем, что, с одной стороны, УФ-излучение здесь значительно слабее поглощается озоновым слоем, чем на более коротких длинах волн, а с другой — оно существенно рассеивается (ослабляется) облачными и аэрозольными частицами», — объясняет Константин Пустовалов. Поэтому если принять значения энергетической освещенности в этом спектральном диапазоне для безоблачной и чистой атмосферы за эталон и сопоставить их со значениями освещенности из реальных измерений, то можно косвенно оценить, как разные формы облаков и аэрозоль влияют на поток УФ-излучения. Иными словами, необходимо было определить коэффициент пропускания ультрафиолетового излучения атмосферой в зависимости от типа облачности.
«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 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. Такие методы сейчас разрабатываются в лаборатории физики климатических систем ИМКЭС СО РАН. «В Сибири сеть метеорологических станций достаточно редкая: расстояние между ними, как правило, составляет более ста километров. К тому же данная сеть работает с достаточно грубым временным разрешением — классические метеорологические наблюдения проводятся раз в три часа. В теории, наши методы могли бы позволить непрерывно выполнять диагноз состояния атмосферы в режиме реального времени и без прямого участия человека», — комментирует Константин Пустовалов.
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.
Кроме того, применение оценок, полученных учеными, в перспективе могло бы позволить косвенно восстанавливать информацию об интегральном содержании приподнятого аэрозоля в свободной атмосфере (так называют часть атмосферы, удаленную от подстилающей поверхности Земли и ее непосредственного влияния). В данном случае подход сибирских ученых позволяет существенно расширить возможности традиционных измерений и получить принципиально новые данные, которые раньше оставались недоступными.
Также, зная закономерности изменения градиента потенциала приземного электрического поля и коэффициента пропускания УФ-излучения, можно косвенно восстановить электрические характеристики облаков. Они всё еще изучены достаточно слабо — их регистрация и оценка дорога и технически сложна, особенно если говорить о кучево-дождевых (грозовых) облаках: по правилам, принятым в авиации, подлет летательных средств к ним, даже на расстояние порядка десяти километров, категорически запрещен. Более того, сам пролет самолета вблизи облака неминуемо искажает свойства последнего. «Полученные нами оценки могли бы позволить разработать метод дистанционной косвенной оценки свойств облаков с поверхности Земли в дополнение к уже существующим дистанционным методам. Пока это скорее планы на будущее, но мы надеемся, что нам удастся продвинуться в этом направлении», — отмечает Константин Пустовалов.
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.
«Геофизическая обсерватория ИМКЭС СО РАН — это единственный пункт регулярных наблюдений электрических характеристик атмосферы на территории Западной и Центральной Сибири. У нас имеются наиболее длинные и детальные ряды наблюдений в нашем регионе, что позволяет выполнять подобные исследования не только на примере отдельных событий, но и на протяжении десятилетий», — заключает Константин Пустовалов.
