Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Международный научно-исследовательский журнал публикации ВАК
Научные направления
Поделиться:
Статья опубликована в №31 (март) 2016
Разделы: Физика
Размещена 19.03.2016. Последняя правка: 18.03.2016.

Влияние нейтронных потоков вторичных космических лучей на формирование облачного покрова

Cалагаева Анжелика Валериевна

кандидат технических наук

КНЦ СО РАН

научный сотрудник, МНИЦЭСО

Аннотация:
В настоящее время вопрос о влиянии космических лучей на климат вызывает острые дискуссии в научном сообществе. Началом обсуждения послужили работы норвежского ученого Свенсмарка (Svensmark) [1‒5] и израильского ученого Н. Шавива (Shaviv) [6‒8] о влиянии космических лучей на климат Земли. В своих исследованиях Свенсмарк и Шавив попытались найти связь между потоком галактических космических лучей (ГКЛ) и ледниковыми периодами. В своих работах они предложили следующую схему возникновения ледниковых периодов. ГКЛ способствуют формированию облачного покрова, который увеличивает альбедо и охлаждает Землю. Следовательно, периоды, когда интенсивность ГКЛ возрастает, должны являться самыми холодными в истории планеты.


Abstract:
At present, the impact of cosmic rays on climate is causing heated debate in the scientific community. The beginning of the discussion was the work of the Norwegian scientist Svensmark (Svensmark) [1-5] and the Israeli scholar N. Shaviv (Shaviv) [6-8] on the effect of cosmic rays on the Earth's climate. In his studies, Svensmark and Shaviv tried to find a connection between the flow of galactic cosmic rays (GCRs) and glacial periods. In his works, they offered the following scheme of occurrence of ice ages. GCR contribute to the formation of cloud cover that increases albedo and cools the Earth. Therefore, during periods when the GCR intensity increases, should be the coldest in the history of the planet.


Ключевые слова:
галактические космические лучи (ГКЛ); вторичные нейтроны; аэрозоли; конденсация.

Keywords:
galactic cosmic rays (GCR); secondary neutrons; aerosols; condensation.



УДК.53.043


                                                              Введение

Введение Проблема влияния космического излучения на климат Земли достаточно новая и не имеющая в настоящее время однозначного решения. Несмотря на то, что эффект влияния космических лучей на образования облаков подтвержден [9], теория Свенсмарка и Шавива имеет ряд слабых мест, которые будут обсуждаться далее. Одни научные коллективы полностью отвергают воздействие космических лучей на формирование облачного покрова, и соответственно, климата планеты [10‒16]. Другие считают, что эффект имеется, но достаточно небольшой – 3–10%, максимум 20% [17‒25]. Подобный разброс в результатах исследований связан с различиями в  методиках изучения взаимосвязи космических лучей и облаков [26]. То, что облака играют весьма значительную роль в динамике климатических изменений, известно уже давно [27], хотя каким именно образом облачный покров Земли влияет на климат, до сих пор точно не установлено.Одним из первых, как это было упомянуто выше, предложил гипотезу о влиянии ГКЛ на формирования облаков норвежский ученый Свенсмарк. В своих исследованиях Свенсмарк связал малые ледниковые периоды в истории Земли с минимумом Маундера, когда Солнце неактивно, и на нем практически отсутствуют пятна.  Два последних «глобальные потепления» пришлись на периоды Средних веков 1000–1300 гг. и прошлое столетие, которые, по мнению Свенсмарка [1-2], были обусловлены  высокой солнечной активностью, «очистившую» Солнечную систему от высокоэнергетичных космических лучей. Нир Шавив из Еврейского университета в Иерусалиме (Израиль) и Ян Файцер из Рурского университета в Бохуме (Северный Рейн-Вестфалия, ФРГ) пришли к аналогичному  выводу, что космические лучи способны влиять на климат нашей планеты [29].

Как выяснилось, Земля очень чувствительна к интенсивному излучению, исходящему от газо-пылевых облаков, которые богаты сверхновыми звездами. Оно повышает количество заряженных частиц в атмосфере Земли, и способствует формированию плотных, низких облаков. Эти облака, с одной стороны, препятствуют нагреву Солнцем поверхности планеты, с другой – сохраняют тепло, накопленное поверхностью Земли. Шавив и Файцер создали математическую модель воздействия космических лучей на климат нашей планеты. При этом они, в частности, использовали приблизительно подсчитанные данные о температуре воздуха Земли за последние 500 миллионов лет. Расчеты исследователей позволяют предположить, что за указанный период космические лучи привнесли в изменения земного климата свой примерно 75-процентный вклад [30].
Группа ученых под руководством Бера, анализируя керны гренландского льда, обнаружил повышенное содержание изотопа Be10, которое четко совпало с «дрейфующими льдами», датированной группой Бонда в докладе 2001 г.: – «Выявленные нами соотношения доказывают, что за последние 12000 тысяч лет  увеличение числа плавучих льдов было связано с отчетливыми периодами меняющийся и, в общем уменьшающейся, солнечной активности.» [31].
После исследований Бонда никто не мог больше подвергать сомнению связь солнечной активности и климатическими изменениями Земли. Но, тем не менее, физические механизмы этого процесса до сих пор не выяснены.
Тем более, в 2009 г. ЦЕРН поставил знаменитый эксперимент CLOUD, который подтвердил возможность образования мелких капелек и кристаллов под действием заряженных частиц [32‒35].
В данной статье предлагается модель влияния космических лучей на климат, отличная от теории Свесмарка. В данной модели, доминирующую роль играют не галактические космические лучи (ГКЛ), а порожденные ими вторичные космические лучи, преимущественно нуклонный компонент (нейтроны).  Основой модели является взаимодействие вторичных нейтронов и аэрозолей.  Заряженные аэрозольные частицы являются эффективными ядрами конденсации водяного пара, находящегося в атмосфере (на заряженных частицах конденсация пара происходит при меньших пересыщениях, чем на незаряженных).  Вторичные нейтроны генерируются ГКЛ при взаимодействиях с ядрами атомов воздуха.  Атмосферные нейтроны взаимодействуют с аэрозолями посредством  многократных соударений, после чего, когда их энергия уменьшится до тепловой энергии, они поглощаются аэрозолями, побочно выбивая электроны, тем самым осуществляя косвенную ионизацию. Выбитые электроны присоединяются к другим аэрозолям и вновь рекомбинируют  с первичными аэрозолями. В результате масса первичной частицы возрастает.  В результате в атмосфере ускоряется процесс конденсации водяного пара и образования капель, что приводит к увеличению площади облачного покрова всего земного шара [28]. Рассеивая коротковолновое солнечное излучение, частицы уменьшают приток солнечной радиации к Земле. Поэтому альбедо  эффект облачного покрова считается определяющим.


Парадоксы модели Свенсмарка

Первоначально Свенсмарк утверждал [1], что облачный покров формируют первичные ГКЛ, но как выяснили его последующие исследования, положительно заряженные частицы, а это 92% ГКЛ, не взаимодействуют с аэрозолями, и, следовательно, не могут участвовать в образовании облаков. В работах [36‒38] приведен анализ среднемесячных спутниковых данных по площади нижней облачности за период 1983 г. по 1994 г. Показано, что за время 11 – летнего солнечного цикла площадь, занятая облаками, увеличилась на ~ 2 %. Известно, что интенсивность ГКЛ находится в антикорреляции с солнечным циклом, следовательно, из всех компонент космических лучей, влияние на формирования облачного покрова могут оказывать только вторичные космические лучи.
В 2006 г., с целью доказать связь между космическими лучами  и образованием облаков Свенсмарк вместе сыном Якобом воспользовались программой «Корсика» для расчета интенсивности потоков космических лучей в нижних слоях тропосферы, - не выше 2 км, где и образуются низкие плотные облака. В расчет принимался в основном мягкий компонент – мюоны и электроны. Это послужило ошибочным выводом, о том, что мягкий компонент  –  мюоны и электроны ответственны за формирование облачного покрова.  Мюоны очень слабо взаимодействуют с веществом и слабо модулируются солнечной активностью – не более 1–3%. Электроны активно ионизируют атомы, но их солнечная модуляция не превышает 10%. Таким образом, мягкий компонент практически не зависит от солнечной модуляции, и остается постоянным на протяжении длительного временного периода [39]. Следовательно, вариации мягкого компонента космических лучей не в состоянии объяснить возникновения ледниковых периодов и потеплений климата в истории планеты.
Единственный компонент вторичных космических лучей, который подвергается значительной солнечной модуляции [39] – атмосферные нейтроны. Модуляция вторичных нейтронов в некоторых случаях достигает 10000%. Атмосферные нейтроны, в отличие от электронов и мюонов, резко реагируют на изменения геомагнитного поля Земли, что проявляется в эффекте Форбуша – при уменьшении горизонтальной составляющей геомагнитного поля интенсивность нейтронов уменьшается на 30%. Вариации интенсивности мюонов при этом не превышают 3%.
Если резко ослабить магнитное поле, как это случилось во время событий Лашамп, то число изотопов Be10 и Cl36 возрастет на 50%. Также во время экскурса в Лашамп наблюдалось резкое возрастания изотопа С14, который является продуктом атмосферных нейтронов, как и изотопы Be10 и Cl36. Интенсивное образование радиоактивного углерода С14 продолжалось до 40,5 тысяч лет назад. Потом последовала пауза, и 37 тысяч лет назад количество изотопа С14 резко понизилось. Минимумы образования Be10, Cl36 и С14 совпали с максимально высокими температурами  [31].  Следовательно, можно предположить, что недостаток атмосферных нейтронов привел к резкому потеплению климата, так как количество низких облаков резко уменьшилось.
Таким образом, атмосферные нейтроны – единственные кандидаты на роль ведущих частиц в формировании облаков, способные объяснить колебания периодов потеплений и похолоданий.
Рассмотрим корреляцию между вариациями потоков атмосферных нейтронов и частицами аэрозолей. На Рис 4–6 построены графики вариаций потоков атомсферных нейтронов (в %) и облачных фракций (в %). Графики построены на верхнего, среднего и нижнего яруса облаков. Коэффициент корреляции для вернего яруса равен 0,66. Для среднего и нижнего яруса: 0,88 и 0,83  соответственно. Именно среднему и нижнему ярусу свойственны высокие коэффициенты корреляции, где и формируются плотные облака, способные оказывать заметное воздействие на климат.

 





Рис.1.  Вариации площади облачного покрова верхнего яруса [1] и нейтронных потоков на высотке 2 км
за период с 1980 г по 1995 г.

" />

Рис. 2. Вариации площади облачного покрова среднего яруса [1] и нейтронных потоков на высоте 2 км
за период с 1980 г по 1995 г.



Рис. 3. Вариации площади облачного покрова нижнего яруса [1] и нейтронных потоков на высоте 2 км
за период с 1980 г по 1995 г.



Атмосферные нейтроны как инициаторы образования облаков


Найдем приращение размеров частиц аэрозолей. Пусть интенсивность атмосферных нейтронов равна J(h) . Введем функцию F(h) , которая характеризует вероятность столкновение нейтрона с частицей аэрозоля и вероятность дойти до необходимого уровня с высотой h  без захвата и распада:


                                                               `F(h)=(P_(0)exp(-h/H))/(l)exp(-(P_(0)exp(-h/H))/(l)),`                                    (1)

                                                                                                                                                              ` `
                                                                                                                                                                                           

где P0 – давление на уровне моря; H –   высота однородной атмосферы; l – свободный пробег нейтрона до столкновения.
Приращения размеров частиц равно:

                                     `dR=4piint_r^Rr^(2)F(h)zJdrintdt,`                           (2)

где r, R  – первоначальный и конечный радиусы частицы; z=v/l – число столкновений нуклона с аэрозольной частицей; v – скорость нейтрона с энергией E.
Из   Рис. 5. видно, что за сутки размер частиц средних аэрозолей на высоте 2 км увеличивается на 1 мкм  при минимальной солнечной активности и энергии нейтрона  2 МэВ; и на  50 мкм, если энергия нейтронов составляет 7 МэВ и 26 МэВ . При максимальной солнечной активности (вспышка Х1) размер частицы достигает 100 мкм при энергии нейтронов равной 2 МэВ ; и 5 мм, при энергии нейтронов 7 МэВ и 26 МэВ. 
Рис. 5–6 показывают, что особенно интенсивное образование облачного покрова происходит при максимальной солнечной активности, когда число вторичных нуклонов резко возрастает.



а)


б)

Рис. 5. Изменение размеров частиц аэрозолей среднего размера (1 мкм) на высоте 2 км: а) при минимальной солнечной активности, б) при максимальной солнечной активности

Вторичные нуклоны, как было упомянуто выше, антикоррелируют с потоком первичных ГКЛ, что еще раз свидетельствует против теории Свенсмарка о доминирующей роли ГКЛ в образовании облачного покрова планеты.
Предложенная модель указывает на возможную ведущую роль нейтронов в формировании облачного покрова планеты, а значит и формирования климата и биосферы.

Модифицированный эксперимент Свенсмарка

 

В качестве подтверждения представляемой упрощенной феноменологической модели  предлагается провести несложный эксперимент, аналогичный эксперименту SKY (Рис.6) Свенсмарка [41].




 

Рис. 6. Реакционная камера [40]

1.    Камера; 2. Источник ультрафиолета; 3.Сотовый коллиматор; 4. Подача воздуха; 5. Подача озона; 6. Подача сернистого ангидрида; 7. Выход газов и аэрозольных частиц; 8. Электроды.

Краткое описание эксперимента SKY. Реакционная камера представляет пластиковый короб, содержащий 7 м3 с примесью SO3 и озона. Свет ультрафиолетовых ламп способствовал образованию молекул серной кислоты, которая при соединении с молекулами воды порождала молекулярные кластеры. Если на электроды подавалось высокое напряжение, то электромагнитное поле «выбрасывало» электроны космических лучей, и число кластеров резко уменьшалось.
Предлагается следующая модификация эксперимента. Для того, чтобы экспериментально показать ведущую роль нейтронов в формировании облачного покрова, необходимо либо инжектировать в камеру высокоэнергетичные протоны, которые в процессе столкновения с ядрами атомов воздуха будут генерировать нейтроны, либо ввести в камеру непосредственно нейтронные источники.  В этом случае при увеличении напряжения на электродах число молекулярных кластеров не должно уменьшиться, так как нейтроны не чувствительны к электрической составляющей электромагнитного поля.

Выводы

Рассмотренная модель образования облачного покрова в результате воздействия ГКЛ имеет ряд существенных недостатков, и противоречит некоторым экспериментальным данным [36‒38]. В данной статье предложена новая модель, где доминирующую роль в формировании облачного покрова планеты играют вторичные космические лучи, преимущественно вторичные нейтроны. Модель основана на вероятностном взаимодействии аэрозольных частиц и вторичных космических частиц. Предполагается, что столкновение нуклона с аэрозольной частицей – вероятностный процесс и может произойти на любой высоте. Теряя энергию в результате многократных столкновений, нейтрон «прилипает» к аэрозольной частицы, побочно выбивая электроны, некоторые из которых впоследствии могут снова  рекомбинировать с ней. В результате происходит процесс образования водных капель, что приводит к образованию облачного покрова.

Библиографический список:

1. Nigel D. Marsh and Henrik Svensmark. Low Cloud Properties Influenced by Cosmic Rays. Physical Review Letters., Vol. 85 (23), 5003‒5007 (2000).
2. Henrik Svensmark. The Antarctic climate anomaly and galactic cosmic rays. arXiv: physics/0612145 [physics.ao-ph]. 1‒4 (2006).
3. Henrik Svensmark. Evidence of nearby supernovae affecting life on Earth. Mon. Not. R. Astron. Soc., № 423, 1234-1253 (2012).
4. Naftali Smith 1 , Nir J. Shaviv, Henrik Svensmark. Approximate analytical solutions to the condensation-coagulation equation of aerosols. arXiv: physics/1502.06399 [physics.ao-ph]. 1‒16 (2015).
5. Henrik Svensmark. Cosmic Rays and the Evolution of Earths Climate Durin the Last 4.6 Billion Years. Submitted to Physical Review Letters. 16 p. (2003).
6. Nir J. Shaviv. Cosmic Ray Diffusion from the Galactic Spiral Arms, Iron Meteorites, and a possible climatic connection? Phys.Rev.Lett, 89:051102. 1‒4, (2002).
7. Nir J. Shaviv. The Spiral Structure of the Milky Way, Cosmic Rays, and Ice Age Epochs on Earth. New Astronomy, № 8. 33‒77 (2003).
8. Nir J. Shaviv. On climate response to changes in the cosmic ray flux and radiative budget. J. Geophys. Res.–Space Phys., 110 (A8): A08105. 1‒12, (2005).
9. Jasper Kirkby. Cosmic Rays and climate. Surveys in Geophysics, 28. 333‒375, (2008).
10. Benjamin A. Laken, Enric Palle, Jasa Calogovic, and Eimear M. Dunne. A cosmic ray-climate link and cloud observations. J. Space Weather Space Clim., 2 A18, 1‒13, (2012)
11. T. Sloan, A.W.Wolfendale. Cosmic Rays and Global Warming. 30 Th International Cosmic Ray Conference. 4p, (2007).
12. T. Sloan, A.W.Wolfendale. Testing the proposed causal link between cosmic rays and cloud cover. Environmental Research Letters, Vol. 3 (2).1‒13 (2008).
13. A.D. Erlykin, G. Gyalai, K. Kudela, T. Sloan, A.W. Wolfendale. On The correlation between cosmic ray intencity and cloud cover. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, Vol. 71. 1794‒1806, (2009).
14. A.D. Erlykin, T. Sloan and A.W. Wolfendale. Solar Activity and the Mean Global Temperature. Environmental Research Letters, Vol. 4 (1). 1‒12, (2009).
15. T. Sloan, A.W.Wolfendale. The contribution of cosmic rays to global warming. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, Vol. 73. 2352–2355, (2011).
16. Benjamin A. Laken. Reply to Influence of cosmic ray variability on the rainfall and temperature: a false‒positive in the field of solar‒terrestrial research. arXiv:1502.00505 [physics.ao-ph]. 1‒16, (2015).
17. Dimitra Atri 1, Brian C. Thomas 2, and Adrian L. Melot. Can periodicity in low altitude cloud cover be induced by cosmic ray variability in the extragalactic shock model? arXiv: physics/1006.3797 [astro-ph.EP]. 1‒10, (2010).
18. David Marsden, Richard E. Lingenfelter. Solar Activity and Cloud Opacity Variations: A Modulate Cosmic-Ray Ionization Mode. arXiv: physics/020103v3 [physics.ao-ph]. 1‒26, (2002).
19. I.G. Usoskin, N. Marsh, G.A. Kovaltsov, K. Mursula, O.G. Gladysheva. Latitudinal dependence of low cloud amount on cosmic rinduced ionization. Geophysical Research Letters, Vol. 31. 1‒4, (2003).
20. Nathan Magee, Michael Kavic. Probing the Climatological Impact of a Cosmic Ray-Cloud Connection through Low-Frequency Radio Observations. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, Vol. 74. 224‒231, (2011).
21. Nicola Scafetta. A shared frequency set between the historical mid-latitude aurora records and the global surface temperature. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, Vol. 74. 145-163, (2012).
22. K L Aplin 1 and M Lockwood. Cosmic ray modulation of infra-red radiation in the atmosphere. Environmental Research Letters, Vol. 8 (1). 11p, (2013).
23. Badruddin, O.P.M. Aslam and M. Singh. Influence of solar and cosmic-ray variablity on climate. In Proceedings of the 31st ICRC, Lodz. 1‒4, (2013).
24. Mathes Dayananda, Xiaohang Zhang, Carola Butler and Xiaochun He. Understanding the Effect of Atmospheric Density on the Cosmic Ray Flux Variations at the Earth Surface. APS Division Nuclear Physics Hawaii Meeting. 1‒4, (2013).
25. Badruddin and Aslam, O.P.M. Influence of cosmic-ray variability on the monsoon rainfall and temperature. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, Vol. 122. 86‒96, (2015).
26. B.A. Laken and J. Сalogovic. Composite analysis with Monte Carlo methods: an examplewith cosmic rays and clouds. J. Space Weather Space Clim., 3. 1‒13, (2013). ´
27. Hartmann, D.L., M.E. Ockert-Bell, and M.L. Michelsen. The Effect of Cloud Type on Earth's Energy Balance: Global Analysis. J. Climate 5. 1281–1304, (1992).
28. G. Bond et al. Science, Vol. 294. 2130‒2136, (2001).
29. Nir J. Shaviv, Jan Veizer. Detailed Response to “Cosmic Rays, Carbon Dioxide and Climate by Rahmstorf et al. Eos, Vol. 85, (48). 1‒9, (2004).
30. Электрон. Данные Режим Доступа: http// science.compulenta.ru/40633/.
31. J. Beer. EAWAG News, № 58. 1‒18, (2005)
32. B.Fastrup, E.Pedersen at el. A Study of the Link between cosmic rays and clouds with a CLOUD Chamber at the CERN PS. CERN-SPSC-2000-021. 1‒107, (2001).
33. B.Fastrup, E.Pedersen at el. Addendum to the CLOUD proposal. CERN/SPSC 2000-030. 1‒23, (2001).
34. B.Fastrup, E.Pedersen at el. CLOUD: an atmospheric research facility at CERN. CERN/SPSC 2000-041. 1‒16, (2001).
35. Jasper Kirkby. Beam Measurements of a CLOUD (Cosmics Leaving OUtdoor Droplet Chamber). CERN-OPEN-2001-028. 1‒25, (2001).
36. Zuev V.V., Marichev V.N., Smirnov S.V., Khryapov P.A. Optical monitoring of unperturbed ozonosphere at Siberian Lidar Station. Atmospheric and oceanic optics, Vol . 12 (10). 864‒872, (1999).
37. J. A. Coakley, G. Grams. Relative influence of visible and infrared optical properties of a stratospheric aerosol laer on the global climate. J. Appl. Meteorol., Vol. 15. 679‒691, (1976).
38. A. Lacis, J. Hansen, M. Sato. Climate forcing by stratospheric aerosol. J. Geophis. Res. Lett., Vol. 19. 1607‒1610, (1992)
39. Dorman L. I. Experimental and Theoretical Foundations of Cosmic-Ray Astrophysics. ‒ M.: Nauka, ‒ 1975.
40. Henrik Svensmark, Nigel Calder. The Chilling Stars: A New Theory of Climate Change. ‒ 2007, ‒ 115 p.




Рецензии:

22.03.2016, 11:27 Мирмович-Тихомиров Эдуард Григорьевич
Рецензия: Весьма серьёзная статья, очень уважаемый автор, замечательная у неё диссертация, уважительные ссылки на Л. Дормана (которого рецензент знал лично), отсутствует полный повтор предыдущих статей 2010 и ранее годов про эффекты вторичных нейтронов в тропосфере. Рецензент сторонник приоритетности всех видов нейтронизации в большинстве природных процессов в макро- и микромире. Детали контента и оформления не хочется обсуждать у этого сибирского автора (маркиза нейтронных ангелов). Если появится интерес к общению - добро пожаловать. Безусловно рекомендуется к опубликованию. Этой публикацией поднята планка настоящего электронного издания.



Комментарии пользователей:

7.04.2016, 13:26 Мирмович-Тихомиров Эдуард Григорьевич
Отзыв: Добавлю, хотелось бы увидеть здесь упоминание о ШАЛ (широких атмосферных ливнях), также ФИО Ю.Г. Шафера, Г.Ф. Крымского. Но это дело автора.


Оставить комментарий


 
 

Вверх