Влияние солнечно-лунных факторов на частоту появлений и яркость серебристых облаков на широте с. Ижевское в 2004-2011гг (стр. 1 )

Влияние солнечно-лунных факторов на частоту появлений и яркость серебристых облаков на широте с. Ижевское в 2004-2011гг

Выполнил: Широков Павел, 11 класс, МБОУ «Ижевская СОШ имени », РФ, Рязанская область, Спасский район, с. Ижевское

Научный руководитель: , Заслуженный учитель РФ, Соросовский учитель, учитель физики МБОУ «Ижевская СОШ имени », РФ, Рязанская область, Спасский район, с. Ижевское

I.  Введение

Серебристые облака - самые высокие облачные образования в земной атмосфере, образующиеся на высотах 70–95 км. Их называют также полярными мезосферными облаками (polar mesospheric clouds, PMC) или ночными светящимися облаками (noctilucent clouds, NLC). Именно последнее название, наиболее точно отвечающее их внешнему виду и условиям их наблюдения, принято как стандартное в международной практике.
Наблюдать серебристые облака можно лишь в летние месяцы: в Северном полушарии в мае-августе, обычно с середины июня до середины июля, и лишь на географических широтах от 45° до 70°. Наилучшие условия для образования и наблюдения этого вида облаков приходятся на северные широты от 55° до 65°. В это время года и на этих широтах Солнце даже в полночь опускается не очень глубоко под горизонт, и его скользящие лучи освещают стратосферу, где на высоте в среднем около 83км появляются серебристые облака. Как правило, они обнаруживаются на сумеречном сегменте между 22 и 4 часами местного времени и видны невысоко над горизонтом (на высоте от 3° до 15° градусов в северной части неба - для наблюдателей Северного полушария).

Основной причиной свечения облаков служит рассеяние ими солнечного света, но не исключено, что некоторую роль играет и эффект люминесценции под действием ультрафиолетовых лучей Солнца. Структура СО подобна структуре перистых облаков, но первые представляют значительно более интенсивные и сложные образования с признаками волновой активности.

II.  Актуальность работы

Несмотря на обилие данных, полученных к настоящему времени о верхней атмосфере, по-прежнему остается проблема в объяснении природы серебристых облаков. Какие глобальные события в земной атмосфере предопределяют их возникновение? Существует ли взаимосвязь с физическими процессами в нижней атмосфере? Какова природа морфологических структур серебристых облаков? Каков механизм физико-химических процессов в моменты их образования и распада? Все эти вопросы требуют в настоящий момент высокого качества наблюдательного материала и его тщательного анализа.

III. Постановка задачи и методы решения

Анализ наблюдательного материала Ижевской базы данных в 2004-2011гг по серебристым облакам позволил подтвердить выводы других наблюдателей о периодичности в частоте появлений и яркости серебристых облаков.

Объяснение вариаций в частоте появления СО и их яркости остается главной задачей для исследователей. Данные вариации носят как долгопериодический, так и короткопериодический характер.

К долгопериодическим атмосферным процессам, влияющим в определенной степени на формирование и динамику СО, относятся:

1)  планетарные атмосферные волны с характерными периодами 2, 5, 10, 16 дней.

2)  солнечная активность с периодом около11 лет составляет заметный вклад в декадные вариации СО. Основным показателем солнечной активности является визуальный индекс солнечной активности, так называемое число Вольфа (W=10g+f, где g - число групп пятен видимых на поверхности Солнца, f – число одиночных пятен).

Однако в настоящее время существует много вопросов о прямом или косвенном влиянии Солнца на серебристые облака и полного понимания данной связи пока что нет. Исследованию влияния атмосферных планетарных волн и солнечной активности на СО были посвящены работы [].

К короткопериодическим процессам, влияющими на СО являются:

1)  атмосферные гравитационные волны с периодами от нескольких минут до нескольких часов. Этот вид волн несет ответственность за короткопериодические вариации в частоте появления и яркости СО. Данной проблеме также уделено достаточно внимания, но и здесь нет четкого понимания как гравитационные волны различных масштабов воздействуют на СО, разрушают ли их или усиливают [].

2)  солнечные атмосферные термические приливы - фактор, влияющий на вариации СО в течение дня. Так, например, показано, что солнечные полусуточные приливы приводят к двум максимумам в яркости СО

около 7 и 19 часов местного времени [].

3)  лунные атмосферные гравитационные приливы также имеют определенное влияние на состояние мезопаузы, области атмосферы, где образуются СО. Так, четко регистрируются вариации горизонтального ветра 1-4 м/с на высотах 80-105 км из-за распространения полусуточных лунных гравитационных приливов [].

В данной работе исследуются долгопериодические процессы, влияющие на частоту появлений и яркость серебристых облаков: визуальный индекс солнечной активности (W), в вариациях которого прослеживается 11-летний цикл и фаза Луны, смена которой происходит с периодом 29,54сут (так называемый синодический период Луны, S).

Новизна работы состоит в том, что:

§  Впервые проводится статистический анализ значимости одновременно солнечного и лунного воздействий не только на частоту появления СО, но и их яркость, используя однородные долговременные ряды наблюдений выполненных в одном пункте наблюдений.

§  Впервые анализируется зависимость частоты появлений СО не только от лунной фазы, но и от двух других важных лунных орбитальных параметров: склонения Луны и расстояния Луны от Земли.

§  Выполнено исследование совместного влияния Солнца и Луны на частоту появлений и яркость серебристых облаков.

§  Для проверки значимости обнаруженных эффектов применялись методы математической статистики и теории вероятности.

§  Результат влияния визуального индекса солнечной активности (числа Вольфа) и лунной фазы на частоту появлений СО сравнивается с ранее найденными зависимостями [].

IY. Степень изученности вопроса

Первое статистическое исследование влияния лунного воздействия на вероятность появления СО было выполнено в работе []. Авторы проанализировали временные ряды наблюдений СО в Советском Союзе и других странах, используя различные каталоги наблюдений (общее число появлений СО составило 1103 случая), в зависимости от лунного времени. Согласно их исследованию, вероятность появления СО возрастает примерно в два раза: от минимума с лунным временем 16±2 часа до максимума с лунным временем 23±1 час. Второй максимум и минимум в вероятности появления СО был обнаружен при лунном времени 5±1 час и 9±1 час, соответственно.

Второй статистический анализ о влиянии Луны на серебристые облака был проведен в работе [] и позднее перепроверен в []. Авторы данной работы проанализировали каталог наблюдений СО из Шотландии за 17 лет с 1964 по 1981 год. Авторы выбрали только 192 "выдающихся" появления (то есть, яркие и большие по площади СО) и сгруппировали эти появления в зависимости от лунной фазы. Авторы обнаружили, что амплитуда суточного лунного прилива имеет значимость около 95%, тогда как амплитуда полусуточного лунного прилива значима на 99% уровне. Было найдено два максимума и два минимума в частоте появления СО: максимумы при возрасте Луны 8-9 дней и 24-25 дней; минимумы при возрасте Луны 2-3 дня и 17-18 дней. Последний статистический анализ влияния Луны на частоту появления СО был выполнен в []. Авторы обнаружили зависимость частоты появлений СО от фазы, склонения и расстояния Луны от Земли.

Y. Данные используемые в работе

В работе использована Ижевская база данных наблюдений СО за период с 2004 по 2011 год. Полное детальное описание базы данных изложено в работе «Синоптические наблюдения серебристых облаков на широте с. Ижевское в 2004-2010гг» на Всероссийском конкурсе «Юниор – 2011». Здесь мы лишь коротко обозначим наиболее существенные моменты.

Общее число появлений СО составило 105, из них 16 сомнительных случаев, которые не были рассмотрены. Ижевская база данных включает информацию о погодных условиях за каждую ночь наблюдений (температура воздуха, атмосферное давление, состояние сектора зари и общая облачность отмечались в начале и конце наблюдений), которая оказывается очень важным фактором, влияющим на статистику появлений СО. Таким образом, мы можем отделить ночи с "плохой" погодой (то есть, полное закрытие сумеречного сегмента тропосферной облачностью) от полуясных и ясных ночей. Иначе говоря, мы можем определить, чем было вызвано отсутствие появления СО: по причине плохой погоды или из-за реального отсутствия СО в данную ночь. Полное число дежурных ночей составило 395, из которых 132 ночи были с плохой погодой.

Орбитальные элементы движения Луны (фаза Луны, склонение Луны относительно экватора и расстояние Луны от Земли) были взяты из Астрономического Ежегодника (2004-2011гг), численные значения визуального индекса солнечной активности (число Вольфа) брали из базы данных национального центра изучения Солнца.

YI. Взаимосвязь между лунными параметрами

Так как наша цель - оценить вклад каждого из лунных параметров в частоту появлений СО, прежде всего, необходимо определить: являются ли лунные параметры взаимозависимыми. Отметим следующие данные интересующих нас лунных параметров. Склонение Луны меняется в пределах –(ε+ι)≤δ≤+ (ε+ι ), где ε - угол наклона плоскости эклиптики к плоскости небесного экватора, ι - угол наклона плоскости орбиты Луны к плоскости эклиптики. Так как ε=23,50 и ι=50, то –28,50≤δ≤+ 28,50. Фаза Луны меняется от Ф=0,0 (новолуние) до Ф=1,0 (полнолуние) с периодом 29,54сут (синодический период Луны, S). Так как орбита Луны представляет собой эллипс, с эксцентриситетом е=0,05, то расстояние от Луны до Земли изменяется в пределах от356 410км (в перигелии) до 406740км (в афелии), или в радиусах Земли от 56Rз до 64Rз.

На Рисунке 1 представлены соотношения между фазой и склонением Луны (верхняя панель), между расстоянием и фазой Луны (центральная панель) и между расстоянием и склонением Луны (нижняя панель). Для построения использовался метод наложения эпох за период с 11апреля по 11 августа каждого года с 1991 по 2011, то есть за период наблюдений СО в с. Ижевское (для увеличения статистического веса в обработку были включены наблюдения СО выполненные астрофизическим объединением «Гелиос» в период с 1991 по 2011гг). Верхняя панель демонстрирует нам сильную зависимость склонения Луны от ее фазы.