Solnechno-Zemnaya Fizika Solnechno-Zemnaya Fizika Солнечно-земная физика 2712-9640 83196 10.12737/szf-104202407 Результаты исследований Results of current research Результаты исследований Response of the mid-latitude atmosphere to sporadic cosmic ray variations in the western Siberian region Реакция среднеширотной атмосферы на спорадические вариации космических лучей в регионе Западной Сибири Янчуковский Валерий Леонидович Yanchukovsky Valery Leonidovich vjanch@gs.nsc.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН Новосибирск Россия Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS Novosibirsk Russian Federation 18 12 2024 18 12 2024 10 4 65 71 15 05 2024 08 08 2024 https://zh-szf.ru/en/nauka/article/83196/view

Представлены результаты многолетних наблюдений вариаций космических лучей и атмосферных параметров на средних широтах (район Новосибирска). Выполнен анализ отклика атмосферы на форбуш-понижения галактических космических лучей (КЛ) и солнечные протонные события. Для анализа привлечено 181 форбуш-понижение и 18 наземных возрастаний солнечных космических лучей (Ground Level Enhancement, GLE) за 1967–2019 гг. Это позволило рассматривать эффект в зависимости от сезона года. Эффект увеличения давления во время форбуш-понижения более выражен в осенне-зимний период, однако имеет место и в теплое время года. Для средних широт отмечается также тенденция к росту давления после GLE. На фронте форбуш-понижения при спаде интенсивности КЛ с ростом атмосферного давления наблюдается возрастание среднемассовой и приземной температуры. На фазе восстановления интенсивности после форбуш-понижения происходит уменьшение среднемассовой и приземной температуры. Предполагается, что наблюдаемые вариации атмосферных параметров обусловлены влиянием космических лучей на скорость ионизации, в свою очередь обусловливающую вариации прозрачности атмосферы и облачности.

The article presents the results of long-term observations of cosmic ray variations and changes in atmospheric parameters at midlatitudes in the Novosibirsk Region. The atmospheric response to Forbush decreases in galactic cosmic rays (CR) and solar proton events is analyzed. The analysis involves 181 Forbush decreases and 18 GLEs (Ground Level Enhancement) for the period 1967–2019. This makes it possible to examine the effect depending on season. The effect of increasing pressure during the Forbush decrease in cosmic rays is more pronounced in the autumn-winter period. Nonetheless, it also occurs in the warm season. For midlatitudes, there is also a tendency for pressure to increase after GLE. At the Forbush decrease front, with a decrease in CR intensity and an increase in atmospheric pressure, an increase in the average mass and surface temperature is observed. In the intensity recovery phase after the Forbush decrease, a decrease in the average mass and surface temperature occurs. The observed variations in atmospheric parameters are assumed to be due to changes in the ionization rate under the influence of cosmic rays in variations in atmospheric transparency and cloudiness.

 космические лучи солнечные протонные события атмосфера давление температура cosmic rays solar proton events atmosphere pressure temperature Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (проект FWZZ-2022-0019) The work was financially supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (Project FWZZ-2022-0019)

Веретененко С.В. Особенности пространственно-временной структуры эффектов солнечной активности и вариаций космических лучей в циркуляции нижней атмосферы: дис. ... д-ра физ.-мат. наук. Санкт-Петербург, 2017. 327 с. Artamonova I., Veretenenko S. Galactic cosmic ray variation influence on baric system dynamics at middle latitudes. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2011, vol. 73, iss. 2/3, pp. 366−370. DOI: 10.1016/j.jastp.2010.05.004. Веретененко С.В., Пудовкин М.И. Эффекты вариаций космических лучей в циркуляции нижней атмосферы. Геомагнетизм и аэрономия. 1993. Т. 33, № 6. С. 35−40. Artamonova I., Veretenenko S. Atmospheric pressure variations at extratropical latitudes associated with Forbush decreases of galactic cosmic rays. Adv. Space Res. 2014, vol. 54, iss. 12, pp. 2491−2498. DOI: 10.1016/j.asr.2013.11.057. Веретененко C.В., Тайл П. Солнечные протонные события и эволюция циклонов в Северной Атлантике. Геомагнетизм и аэрономия. 2008. Т. 48, № 4. С. 542–552. Dorman L. Cosmic Rays in the Earth’s Atmosphere and Underground. Dordrecht, Kluwer Academic Publ., 2004, 862 p. Веретененко С.В., Огурцов М.Г. Исследование пространственно-временной структуры долгопериодных эффектов солнечной активности и вариаций космических лучей в циркуляции нижней атмосферы. Геомагнетизм и аэрономия. 2012. Т. 52, № 5. С. 626–638. Ermakov V.I., Stozhkov Y.I. Thunderstorm Cloud Physics. Preprint N 2. Moscow, Lebedev Physical Institute, 2004, 36 p. Кудрявцев И.В., Юнгер X. Вариации прозрачности атмосферы под действием галактических космических лучей как возможная причина их влияния на формирование облачности. Геомагнетизм и аэрономия. 2011. Т. 51, № 5. С. 668–676. Harrison R.G., Tammet H. Ions in the terrestrial atmosphere and other solar system atmospheres. Space Sci. Rev. 2008, vol. 137, pp. 107–118. DOI: 10.1007/s11214-008-9356-x. Лушников А.А., Загайнов В.А., Любовцева Ю.С., Гвишиани А.Д. Образование наноаэрозолей в тропосфере под действием космического излучения. Извести РАН. Физика атмосферы и океана. 2014. Т. 50, № 2. С. 175–184. DOI: 10.7868/S0002351514020072. Kniveton D.R. Precipitation, cloud cover and Forbush decreases in galactic cosmic rays. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2004, vol. 66, iss. 13-14, pp. 1135–1142. DOI: 10.1016/j.jastp.2004.05.010. Мустель Э.Р. Современное состояние вопроса о реальности корпускулярно-атмосферных связей. Солнечно-атмосферные связи в теории климата и прогнозах погоды. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. C. 7−18. Kudryavtsev I.V., Jungner H. Variations in atmospheric transparency under the action of galactic cosmic rays as a possible cause of their effect on the formation of cloudiness. Geomagnetism and Aeronomy. 2011, vol. 51, rr. 656–663. DOI: 10.1134/S0016793211050100. Пудовкин М.И., Распопов О.М. Физический механизм воздействия солнечной активности и других геофизических факторов на состояние нижней атмосферы и климат. Успехи физических наук. Конференции и симпозиумы. 1993. Т. 163, № 7. С. 113–116. Lee S.H., Reeves J.M., Wilson J.C., Hunton D.E., Viggiano A.A., Miller T.M., Ballenthin J.O., Lait L.R. Particle formation by ion nucleation in the upper troposphere and lower stratosphere. Science. 2003, vol. 301, pp. 1886–1889. DOI: 10.1126/science.1087236. Artamonova I., Veretenenko S. Galactic cosmic ray variation influence on baric system dynamics at middle latitudes. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2011. Vol. 73, iss. 2/3. P. 366−370. DOI: 10.1016/j.jastp.2010.05.004. Lushnikov A.A., Lyubovtseva Yu.S., Gvishiani A.D., Zagaynov V.A. Nanoaerosol formation in the troposphere under the action of cosmic radiation. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2014, vol. 50, no. 2, pp. 152–159. DOI: 10.1134/S00014 33814020078. Artamonova I., Veretenenko S. Atmospheric pressure variations at extratropical latitudes associated with Forbush decreases of galactic cosmic rays. Adv. Space Res. 2014. Vol. 54, iss. 12. P. 2491−2498. DOI: 10.1016/j.asr.2013.11.057. Marsh N.D., Svensmark H. Low clouds properties influenced by cosmic rays. Phys. Rev. Lett. 2000, vol. 85, pp. 5004–5007. DOI: 10.1103/PhysRevLett.85.5004. Dorman L. Cosmic Rays in the Earth’s Atmosphere and Underground. Dordrecht: Kluwer Academic Publ., 2004. 862 p. Mustel E.R. Current state of the question about the reality of corpuscular-atmospheric connections. Solnechno-atmosfernye svyazi v teorii klimata i prognozakh pogody [Solar-atmospheric connections in climate theory and weather forecasts]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1974, pp. 7–18. (In Russian). Ermakov V.I., Stozhkov Y.I. Thunderstorm Cloud Physics. Preprint N 2. Moscow: Lebedev Physical Institute, 2004. 36 p. Ney E.P. Cosmic radiation and the weather. Nature. 1959, vol. 183, pp. 451–452. DOI: 10.1038/183451a0. Harrison R.G., Tammet H. Ions in the terrestrial atmosphere and other solar system atmospheres. Space Sci. Rev. 2008. Vol. 137. P. 107–118. DOI: 10.1007/s11214-008-9356-x. Pallé E., Butler C.J., O’Brien K. The possible connection between ionization in the atmosphere by cosmic rays and low level clouds. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2004, vol. 66, pp. 1779–1790. DOI: 10.1016/j.jastp.2004.07.041. Kniveton D.R. Precipitation, cloud cover and Forbush decreases in galactic cosmic rays. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2004. Vol. 66, iss. 13-14. P. 1135–1142. DOI: 10.1016/j.jastp.2004.05.010. Pudovkin M.I., Raspopov O.M. Physical mechanism of the influence of solar activity and other geophysical factors on the state of the lower atmosphere and climate. Uspekhi fizicheskikh nauk. Konferentsii i simpoziumy [Advances in Physical Sciences. Conferences and symposiums.]. 1993, vol. 163, no. 7, pp. 113–116. (In Russian). Lee S.H., Reeves J.M., Wilson J.C., et al. Particle formation by ion nucleation in the upper troposphere and lower stratosphere. Science. 2003. Vol. 301. P. 1886–1889. DOI: 10.1126/science.1087236. Pudovkin M.I., Veretenenko S.V. Cloudiness decreases associated with Forbush-decreases of galactic cosmic rays. J. Atmos. Terr. Phys. 1995, vol. 57, no. 11, pp. 1349–1355. DOI: 10.1016/0021-9169(94)00109-2. Marsh N.D., Svensmark H. Low clouds properties influenced by cosmic rays. Phys. Rev. Lett. 2000. Vol. 85. P. 5004–5007. DOI: 10.1103/PhysRevLett.85.5004. Pudovkin M.I., Veretenenko S.V., Pellinen R., Kyrö E. Meteorological characteristic changes in the high-latitudinal atmosphere associated with Forbush decreases of the galactic cosmic rays. Adv. Space Res. 1997. vol. 20, no. 6, pp. 1169−1172. DOI: 10.1016/S0273-1177(97)00767-9. Ney E.P. Cosmic radiation and the weather. Nature. 1959. Vol. 183. P. 451–452. DOI: 10.1038/183451a0. Roldugin V.C., Tinsley B.A. Atmospheric transparency changes associated with solar wind-induced atmospheric electricity variations. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2004, vol. 66, iss. 13-14, pp. 1143–1149. DOI: 10.1016/j.jastp.2004.05.006. Pallé E., Butler C.J., O’Brien K. The possible connection between ionization in the atmosphere by cosmic rays and low level clouds. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2004. Vol. 66. P. 1779–1790. DOI: 10.1016/j.jastp.2004.07.041. Shumilov O.I., Kasatkina E.A., Henriksen K., Vashenuk E. Enhancement of stratospheric aerosol after solar proton event. Ann. Geophys. 1996, vol. 4, no. 11, pp. 1119–1123. DOI: 10.1007/s00585-996-1119-y. Pudovkin M.I., Veretenenko S.V. Cloudiness decreases associated with Forbush-decreases of galactic cosmic rays. J. Atmos. Terr. Phys. 1995. Vol. 57, no. 11. P. 1349–1355. DOI: 10.1016/0021-9169(94)00109-2. Svensmark H. Influence of cosmic rays on Earth’s climate. Phys. Rev. Lett. 1998, vol. 81, no. 22, pp. 5027–5030. DOI: 10.1103/PhysRevLett.81.5027. Pudovkin M.I., Veretenenko S.V., Pellinen R., Kyrö E. Meteorological characteristic changes in the high-latitudinal atmosphere associated with Forbush decreases of the galactic cosmic rays. Adv. Space Res. 1997. Vol. 20, no. 6. P. 1169−1172. DOI: 10.1016/S0273-1177(97)00767-9. Tinsley B.A. A working hypothesis for connections between electrically-induced changes in cloud microphysics and storm vorticity, with possible effects on circulation. Adv. Space Res. 2012, vol. 50, iss. 6, pp. 791–805. DOI: 10.1016/j.asr.2012.04.008. Roldugin V.C., Tinsley B.A. Atmospheric transparency changes associated with solar wind-induced atmospheric electricity variations. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2004. Vol. 66, iss. 13-14. P. 1143–1149. DOI: 10.1016/j.jastp.2004.05.006. Tinsley B.A., Deen G.W. Apparent tropospheric response to MeV-GeV particle flux variations: A connection via electrofreezing of supercooled water in high-level clouds? J. Geophys. Res. 1991, vol. 96, pp. 22283−22296. DOI: 10.1029/91JD02473. Shumilov O.I., Kasatkina E.A., Henriksen K., Vashenuk E. Enhancement of stratospheric aerosol after solar proton event. Ann. Geophys. 1996. Vol. 4, no. 11. P. 1119–1123. DOI: 10.1007/s00585-996-1119-y. Tinsley B.A., Zhou L. Initial results of a global circuit model with stratospheric and tropospheric aerosols. J. Geo-phys. Res. 2006, vol. 111, D16205. DOI: 10.1029/2005JD006988. Svensmark H. Influence of cosmic rays on Earth’s climate. Phys. Rev. Lett. 1998. Vol. 81, no. 22. P. 5027–5030. DOI: 10.1103/PhysRevLett.81.5027. Tinsley B.A., Brown G.M., Scherrer P.H. Solar variability influences on weather and climate: Possible connections through cosmic ray fluxes and storm intensification. J. Geophys. Res. 1989, vol. 94, no. D12, pp. 14783–14792. DOI: 10.1029/JD094iD12p14783 Tinsley B.A. A working hypothesis for connections between electrically-induced changes in cloud microphysics and storm vorticity, with possible effects on circulation. Adv. Space Res. 2012. Vol. 50, iss. 6. P. 791–805. DOI: 10.1016/j.asr.2012.04.008. Usoskin I.G., Kovaltsov G.A. Cosmic ray induced ionization in the atmosphere: Full modeling and practical applications. J. Geophys. Res. 2006, vol. 111, D21206. DOI: 10.1029/2006JD007150. Tinsley B.A., Deen G.W. Apparent tropospheric response to MeV-GeV particle flux variations: A connection via electrofreezing of supercooled water in high-level clouds? J. Geophys. Res. 1991. Vol. 96. P. 22283−22296. DOI: 10.1029/91JD02473. Veretenenko S.V. Osobennosti prostranstvenno-vremennoi struktury effektov solnechnoi aktivnosti i variatsii kosmicheskikh luchei v tsirkulyatsii nizhnei atmosfery: dokt. diss. [Features of the spatio-temporal structure of the effects of solar activity and cosmic ray variations in the circulation of the lower atmosphere. Doctor of Sciences Thesis]. St Petersburg, 2017, 327 p. (In Russian). Tinsley B.A., Zhou L. Initial results of a global circuit model with stratospheric and tropospheric aerosols. J. Geophys. Res. 2006. Vol. 111. D16205. DOI: 10.1029/2005JD006988. Veretenenko S.V., Ogurtsov M.G. Study of spatial and temporal structure of long-term effects of solar activity and cosmic ray variations on the lower atmosphere circulation. Geomagnetism and Aeronomy. 2012, vol. 52, no. 5, pp. 591–602. DOI: 10.1134/S0016793212050143. Tinsley B.A., Brown G.M., Scherrer P.H. Solar variability influences on weather and climate: Possible connections through cosmic ray fluxes and storm intensification. J. Geophys. Res. 1989. Vol. 94, no. D12. P. 14783–14792. DOI: 10.1029/JD094iD12p14783. Veretenenko S.V., Pudovkin M.I. Effects of cosmic ray variations in the lower atmosphere circulation. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1993, vol. 33, no. 6, pp. 35–40. (In Russian). Usoskin I.G., Kovaltsov G.A. Cosmic ray induced ionization in the atmosphere: Full modeling and practical applications. J. Geophys. Res. 2006. Vol. 111. D21206. DOI: 10.1029/2006JD007150. Veretenenko S., Thejll P. Effects of energetic solar proton events on the cyclone development in the North Atlantic. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2004, vol. 66, pp. 393–405. DOI: 10.1016/j.jastp.2003.11.005. Veretenenko S., Thejll P. Effects of energetic solar proton events on the cyclone development in the North Atlantic. J. Atmos. Solar Terr. Phys. 2004. Vol. 66. P. 393–405. DOI: 10.1016/j.jastp.2003.11.005. Veretenenko S.V., Tejll P. Solar proton events and evolution of cyclones in the North Atlantic. Geomagnetism and Aeronomy. 2008, vol. 48. no. 4, pp. 518–528. DOI: 10.1134/S0016793208040130. Veretenenko S., Thejll P. Influence of energetic solar proton events on the development of cyclonic processes at extratropical latitudes. J. Phys.: Conf. Ser. 2013. Vol. 409, 012237. DOI: 10.1088/1742-6596/409/1/012237. Veretenenko S., Thejll P. Influence of energetic solar proton events on the development of cyclonic processes at extratropical latitudes. J. Phys.: Conf. Ser. 2013, vol. 409, 012237. DOI: 10.1088/1742-6596/409/1/012237. URL: http://crsa.izmiran.ru/phpmyadmin (дата обращения 29 апреля 2024 г.). URL: http://crsa.izmiran.ru/phpmyadmin (accessed April 29, 2024). URL: https://www.nco.ncep.noaa.gov/pmb/products/gfs (дата обращения 29 апреля 2024 г.). URL: https://www.nco.ncep.noaa.gov/pmb/products/gfs (accessed April 29, 2024). URL: http://193.232.24.200/nvbk/main.htm (дата обращения 29 апреля 2024 г.). URL: http://193.232.24.200/nvbk/main.htm (accessed April 29, 2024). URL: https://gle.oulu.fi/ (дата обращения 29 апреля 2024 г.). URL: https://gle.oulu.fi/ (accessed April 29, 2024). URL: http://www.ckp-rf.ru/usu/433536 (дата обращения 29 апреля 2024 г.). URL: http://www.ckp-rf.ru/usu/433536 (accessed April 29, 2024).