Геомагнетизм и аэрономия, 2019, T. 59, № 6, стр. 742-749

1. ВВЕДЕНИЕ

Зимние грозы на п-ове Камчатка – очень редкое метеорологическое явление, которое наблюдается, по одним данным, один-два раза в течение пяти лет, а по другим – в течение двух лет. Синоптики связывают это явление с особенностями местного климата, который отличается сильной неустойчивостью, определяемой влиянием окружающих морей, постоянным движением воздушных масс из-за перепадов атмосферного давления и влиянием циклонов, приходящих с Тихого океана. Тропические циклоны приносят на полуостров теплый и влажный воздух, вызывая летом продолжительные обильные ливни, а зимой снежные бури. Несмотря на высокую циклоническую активность, среднее число грозовых дней в год на полуострове, согласно данным (https://yandex.ru/pogoda/paratunka/month), составляет величину 10.8. Следовательно, для образования грозовых облаков, кроме циклонов, возможно действие и других источников дополнительной тепловой энергии, поступающей в приземную атмосферу. Действительно, в работах [Смирнов и др., 2013, 2014] было обнаружено появление грозовых процессов после мощных солнечных вспышек, сопровождаемых усилением солнечного излучения в видимом и инфракрасном диапазонах спектра. Кроме этого, в работе [Смирнов и др., 2017] были обнаружены грозовые явления за 6–7 сут до сильных землетрясений с магнитудой M > 8.

Настоящая работа посвящена детальному анализу условий появления зимних гроз на Камчатке по одновременным записям напряженности квазистатического электрического поля и метеорологических величин, а также по данным солнечной, циклонической и сейсмической активностей, используемым для оценки их вклада в развитие грозовых процессов в приземной атмосфере.

2. ИСХОДНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ

В качестве индикатора грозовой активности рассмотрены суточные вариации напряженности квазистатического электрического поля (Ez-компоненты) одновременно с вариациями метеорологических величин в приземной атмосфере в обс. Паратунка ДВО РАН (φ = 52.97° N; λ = = 158.25° E). Напряженность электрического поля измерена прибором “Поле-2” с дискретностью по времени 1 мин, а метеорологические величины (температура T ° C; давление P, гПа; относительная влажность Hm, %; осадки, мм и скорость ветра V, м/с) – цифровыми станциями WS-2000 и WS-2300 с дискретностью по времени 10 мин. Для оценки уровня солнечной активности использованы записи потоков рентгеновского излучения (Х-лучей, Вт/м²) (http://www.staff.oma.be/default.jsp), сейсмической активности – (http:// www.isc.ac.uk/ iscbulletin/search/catalogue/interactive/), циклонической активности в акватории Тихого океана (http://agora.ex.nii.ac.jp/digital-typhoon/search.date.html.en). Зимние грозы непродолжительны по времени, поэтому они не всегда отмечаются в метеорологических данных, которые традиционно на местных станциях измеряются через каждые три часа в течение суток, либо как среднесуточные их значения (https://yandex.ru/pogoga/paranunka/month). В отличие от этих методов, в обс. Паратунка их записи ведутся практически непрерывно (через 10 мин). Поэтому детальная регистрация временны́ х вариаций напряженности электрического поля и метеорологических величин позволяет наиболее надежно и достоверно оценивать состояние грозовой активности в приземной атмосфере. На временны́х записях напряженности электрического поля грозовые процессы проявляются как знакопеременные колебания большой величины, порядка кВ/м [Михайлова и др., 2010], в отличие от регулярных колебаний в условиях “хорошей погоды” (~100 В/м) и бухтообразных понижений напряженности перед землетрясениями [Smirnov, 2008]. Ниже рассмотрены особенности вариаций этих величин для событий аномально сильных землетрясений с магнитудой M > 8 (ноябрь 2006 г. и январь 2007 г.) и мощных солнечных вспышек (октябрь 2003 г. и ноябрь 2004 г.).

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

События в ноябре 2004 г. Особенность этих событий состоит в том, что они развивались на фоне мощных солнечных вспышек, сопровождаемых двумя магнитными бурями [Смирнов и др., 2013]. Это привело к возбуждению аномально сильных грозовых процессов в приземной атмосфере на Камчатке. На рисунке 1а приведены суточные вариации Ez-компоненты электрического поля, а также метеорологических величин (температура T° C, атмосферное давление P, гПа, относительная влажность Hm, % и скорость ветра V, м/с) и Х-лучей (Вт/м²) в период с 4 по 14 ноября 2004 г. Как видно, в период с 4 по 9 ноября наблюдалась высокая солнечная активность с аномальными потоками Х-лучей (~10^–4 Вт/м²), сопровождаемыми, как известно, усилением потоков излучения в видимом и инфракрасном диапазонах. Как видно на графиках температуры и относительной влажности, это привело к нарушению их регулярного суточного хода 3 и 4 ноября. В результате действия солнечных вспышек температура ночью возросла от минус 15°C до нулевых и положительных величин, а относительная влажность – до 80 и более процентов. Это привело к формированию грозовой активности 7 и 10 ноября (характерные знакопеременные колебания Ez-компоненты электрического поля). В этот период циклоническая активность в Тихом океане была спокойной, тайфун MUIFA (рис. 1б) зародился только 14 ноября в очень отдаленном месте от Камчатки. Не исключено, что его мощность и продолжительность (более 10 дней) обусловлена усилением солнечной активности в предшествующие дни. Сейсмическая активность в этот период (см. табл. 1) также была относительно спокойной. Моменты ЗТ отмечены стрелками по оси абсцисс графика Ez-компоненты, на котором отсутствуют явления, вызванные землетрясениями.

Рис. 1.

Суточные вариации Ez-компоненты квазистатического электрического поля в приземной атмосфере Камчатки, метеорологических величин и потоков солнечной радиации X-ray (в диапазоне 0.1–0.8 нм) в ноябре 2004 г. (а); трек тайфуна MUIFA (б).

Завершая анализ графиков рисунка и состояния циклонической и сейсмической активностей, можно с уверенностью сделать вывод о том, что грозовая активность в ноябре была вызвана усилением солнечной активности в этот период.

События в октябре 2003 г. Рассмотренные ниже эффекты в приземной атмосфере развивались в период аномального усиления солнечной активности 21–31 октября (см. рис. 2а), когда потоки рентгеновского излучения при вспышках достигали аномальных величин ~10^–3 Вт/м². При этом возрастали потоки излучения и в видимой части спектра [Веселовский и др., 2004]. Поступление дополнительной тепловой энергии привело к заметному нарушению регулярного суточного хода температуры 21 и 22 октября, увеличив отрицательные ночные значения (–3°С) до положительных значений (+4–5°С). В течение периодов 23–27 и 29–31 октября сохранялась очень высокая влажность воздуха (~90%). Это привело к формированию интенсивной и продолжительной грозовой активности 24 и 30 октября (колебания напряженности Ez-компоненты, сильные ветры, обильные осадки). Именно в эти дни отмечена максимальная интенсивность тайфуна PARMA (рис. 2б), когда минимальное давление в “глазу” его составило 930 гПа, а максимальная скорость – 95 узлов/ч. Этот мощный тайфун зародился 21 октября на φ ~ 20°–35° N и в течение 10 дней смещался вдоль широты от 140° до 180° E. Одновременно в тот же период 19–26 октября в акватории Тихого океана действовал менее мощный (V = 90 узлов/ч; P = 940 гПа) тайфун KETSANA (рис. 2в) [http:// agora.ex.nii.ac.jp/digital-typhoon/search.date.html.en]. Хронологическая последовательность их передвижения показана на графике давления рис. 2а. Одновременное развитие этих тайфунов, вызванных появлением аномальных солнечных вспышек, позволяет сделать вывод о том, что только сверхмощные тайфуны способны вызвать грозовые процессы в зимнее время в приземной атмосфере Камчатки. Сейсмическая активность в этот период была относительно спокойной (M ~ 5). Характеристики землетрясений приведены в табл. 2, а моменты времени отмечены стрелками на графике Ez-компоненты. Им предшествовали бухтообразные понижения напряженности электрического поля значительно меньшей интенсивности по сравнению с колебаниями в период грозовой активности.

Рис. 2.

То же, что и на рис. 1, но в октябре 2003 г. (а); треки тайфунов PARMA (б) и KETSANA (в).

События в ноябре 2006 г. и январе 2007 г. Эти события связаны с сильными Курильскими землетрясениями, магнитуда которых превышала величину M ~ 8 (см. табл. 3 , а хронологическая последовательность их отмечена стрелками на графике Ez-компоненты на рис. 3а и 4) [Смирнов и др., 2017]. Как видно на графиках температуры T°C, начиная с 8 ноября и 5 января, в приземной атмосфере изменились условия “хорошей погоды” с регулярным суточным ходом температуры и относительной влажности Hm, %. При наличии высокой влажности (~90%) температура последовательно возрастала в течение нескольких дней, вплоть до момента сильного землетрясения. В отдельные дни повышение температуры сопровождалось усилением ветра (V ~ 18–25 м/с) и развитием мощной грозовой активности (8 и 13 ноября и 7–8 января). Более того, 13 ноября в вариациях электрического поля одновременно наблюдались эффекты грозовой активности, совпадающие с бухтообразным понижением напряженности поля, обусловленным сильным землетрясением 15 ноября. Солнечная активность в эти периоды сохранялась относительно спокойной, величины потоков X-лучей были порядка 10^–6 Вт/м². Циклоническая активность тоже была очень низкой: тайфун CHEBI зародился на широте ниже 20° N и смещался в течение четырех суток (9–13 ноября) в интервале долгот 115–135° E с максимальной скоростью ветра ~100 узлов/ч (рис. 3б) (http:// agora.ex.nii.ac.jp/digital-typhoon/search.date.html.en), т.е. был далеко от Камчатки. В январский период не были зарегистрированы ни тайфуны, ни штормы в рассматриваемой нами части Тихого океана. Таким образом, обнаруженный аномальный рост температуры, вопреки отрицательному регулярному тренду в это время года [Смирнов и др., 2017], вызван, на наш взгляд, появлением дополнительного источника тепла. Состояние солнечной, сейсмической и циклонической активностей позволяет сделать вывод, что этот источник сейсмической природы.

Рис. 3.

То же, что и на рис. 1, но в ноябре 2006 г. (а); трек тайфуна CHEBI (б).

4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И ВЫВОДЫ

Как следует из архивов метеослужбы (www.pogodaiklimat.ru), зимние грозы на Камчатке случаются крайне редко. Для возникновения грозовой активности в это время года недостаточно тепловой энергии, поступающей от Солнца. А для образования кучево-дождевых и кучево-грозовых облаков необходимы следующие условия. Это конвекция теплого воздуха, высокое влагосодержание воздуха и неустойчивость в тропосфере в результате большого градиента температуры по высоте [Матвеев, 2000]. На первой стадии этого процесса сначала образуются кучевые облака с сильными осадками и ветрами, которые далее развиваются в более мощные кучевые и кучево-грозовые с появлением молниевых разрядов. Эти стадии отчетливо просматриваются во временны́х вариациях метеорологических величин (рис. 1–4). Очевидно, что пусковым механизмом этого процесса является момент увеличения температуры воздуха с последующим движением его вверх, т.е. для развития грозовой активности необходим дополнительный источник теплового излучения в приземной атмосфере. Синоптики полагают, что таким источником являются циклоны, которые приносят на полуостров потоки теплого и влажного воздуха в зимнее время года, вызывая температурную неустойчивость в тропосфере. При этом, как следует из архивов погоды, тропические циклоны происходят достаточно часто, особенно в осенние и зимние сезоны, когда поверхность океана прогревается до высоких температур и усиливается испарение влаги. Вместе с тем зимние грозы случаются крайне редко. Следовательно, тепловой энергии, приносимой циклонами, не всегда достаточно для зарождения грозовой активности и необходимо наличие дополнительного источника теплового излучения в приземной атмосфере, способного вызвать грозовую активность. Сравнительный анализ данных электрических и метеорологических величин, а также данных солнечной, сейсмической и циклонической активностей позволил выделить эти дополнительные источники. Оказалось, что при сильных солнечных вспышках, подобных случившимся в 2003 и 2004 гг., происходящих не часто, возникает поток тепла в видимом и инфракрасном диапазонах [Веселовский и др., 2004, Ермолаев и др., 2005], достаточный для создания условий образования грозовой активности. Кроме того, дополнительным источником тепла в инфракрасном диапазоне могут быть, как известно [Горный и др., 1988], сейсмические процессы в земной коре перед мощными землетрясениями с магнитудой M > 8, которые случаются также крайне редко. В нашем случае оба эти источника действовали либо при слабой, либо при мощной циклонической активности, роль которой, по-видимому, свелась к возникновению температурной неустойчивости в тропосфере. Вопрос о возможности зимних гроз на Камчатке при сильных тропических циклонах, но при слабых солнечной и сейсмической активностях нуждается в дальнейшем детальном изучении.

Рис. 4.

То же, что и на рис. 1, но в январе 2007 г.