Український антарктичний журнал

№ 1 (2020): Український антарктичний журнал
Articles

Інтерпретація просторово-часових варіацій температури в Антарктиці у зв’язку зі змінами геомагнітного поля та нижньостратосферного озону

PDF (English)
  • В. Бахмутов,
  • Н. Кіліфарска,
  • Г. Мельник,
  • О. Шендеровська
В. Бахмутов
Інститут геофізики ім. С. І. Субботіна НАН України, м. Київ, 03142 Україна; Державна установа Національний антарктичний науковий центр Міністерства освіти і науки України, м. Київ, 01601 Україна
Н. Кіліфарска
Національний інститут геофізики, геодезії та географії Болгарської академії наук, м. Софія, 1113, Болгарія
Г. Мельник
Інститут геофізики ім. С. І. Субботіна НАН України, м. Київ, 03142 Україна
О. Шендеровська
Інститут геофізики ім. С. І. Субботіна НАН України, м. Київ, 03142 Україна
DOI: https://doi.org/10.33275/1727-7485.1.2020.372
Опубліковано July 7, 2020
Ключові слова
  • геомагнітне поле,
  • клімат,
  • Антарктика,
  • верхня тропосфера–нижня стратосфера,
  • озон,
  • космічні промені
    • ...Більше
    Менше
Як цитувати
Бахмутов, В., Кіліфарска, Н., Мельник, Г., & Шендеровська, О. (2020). Інтерпретація просторово-часових варіацій температури в Антарктиці у зв’язку зі змінами геомагнітного поля та нижньостратосферного озону. Український антарктичний журнал, (1), 3-14. https://doi.org/10.33275/1727-7485.1.2020.372
Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Анотація

В роботі розглянуто просторово-часові зміни температури в Антарктиці та можливі фактори впливу на них різних геофізичних чинників, обумовлених змінами головного геомагнітного поля. Проаналізовано дані прямих наземних спостережень температури та геомагнітного поля, а також дані ERA-20CM та ERA Interim про варіації температури повітря, концентрації озону та питомої вологості на рівні верхньої тропосфери–нижньої стратосфери. Значення повного вектора напруженості геомагнітного поля розраховані за моделлю IGRF. Часові ряди галактичних космічних променів — річні значення (з 1700 р.) — надані Всесвітнім центром даних палеокліматології. Потоки сонячних протонів з енергіями ≥10 МеВ взяті з кількох джерел: (1) історичні реконструкції потужних сонячних протонних подій до 1950 року, (2) опубліковані дані про потоки сонячних протонів та (3) супутникові дані про сонячні протонні події. Для аналізу часових рядів були залучені програми Statistica та Excel. Найшвидше зменшення напруженості геомагнітного поля відбувається на заході Антарктики, де спостерігається найбільше зростання приземної температури у цій області протягом XX століття. Крім того, в центрі та на сході Антарктики спостерігаються тенденції до зниження температури повітря та до посилення геомагнітного поля. Цей збіг може вказувати на зв’язок між геомагнітним полем та регіональними кліматичними змінами. Його ми пояснюємо наступним механізмом: (i) геомагнітне поле контролює потік заряджених частинок, що проникають в атмосферу Землі; (ii) заряджені частинки впливають на концентрацію озону поблизу тропопаузи, що, в свою чергу, впливає на температуру та вологість у верхній тропосфері–нижній стратосфері, (iii) викликані зміни вологості поблизу тропопаузи впливають на приземну температуру повітря через посилення або послаблення парникового ефекту. Зміни напруженості геомагнітного поля можуть бути одним із факторів, що впливають на часову та регіональну мінливість приземної температури. Низька інтенсивність геомагнітного поля та найвища швидкість його змін у західній частині Антарктики відповідають систематично низькій концентрації озону та підвищеній вологості повітря поблизу тропопаузи. Ці фактори спричиняють утримання довгохвильового випромінювання Землі у тропосфері завдяки парниковому ефекту, що забезпечує регіональне потепління у цьому регіоні.

PDF (English)

Посилання

  1. Bakhmutov, V.G., Martazinova, V.F., Kilifarska, N.A., Melnyk, G.V., Ivanova, E.K.: Geomagnetic field and climate variability. Part I: Spatial-temporal distribution of geomagnetic field and climatic parameters during XX century, Geophysical Journal, 36 (1), 81-104, 2014. https://doi.org/10.24028/gzh.0203-3100.v36i1.2014.116153
  2. Bochniček, J., Davidkovová, H., Hejda, P., Huth, R.: Circulation changes in the winter lower atmosphere and longlasting solar/geomagnetic activity, Annales Geophysicae, 30 (12), 1719-1726, 2012. https://doi.org/10.5194/angeo-30-1719-2012
  3. Campuzano, S.A., De Santis, A., Pavón-Carrasco, F. J., Osete, M.L., Qamili, E.: New perspectives in the study of the Earth's magnetic field and climate connection: The use of transfer entropy, PLoS ONE, 13 (11), e0207270, doi:10.1371/journal.pone.0207270, 2018.
  4. Ding, Q., Steig, E. J., Battisti, D. S., Küttel, M.: Winter warming in West Antarctica caused by central tropical Pacific warming, Nature Geoscience, 4, 398-403, 2011. https://doi.org/10.1038/ngeo1129
  5. Evtushevsky, O.M., Grytsai, A.V., Klekociuk, A.R., Milinevsky, G.P.: Total ozone and tropopause zonal asymmetry during the Antarctic spring, Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 113 (D7), 2008. https://doi.org/10.1029/2008JD009881
  6. Hersbach, H., Peubey, C., Simmons, A., Berrisford, P., Poli, P., Dee, D.: ERA-20CM: a twentieth-century atmospheric model ensemble, Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 141 (691), 2350-2375, 2015. https://doi.org/10.1002/qj.2528
  7. Keeley, S.P.E., Gillett, N.P., Thompson, D.W.J., Solomon, S., Forster, P. M.: Is Antarctic climate most sensitive to ozone depletion in the middle or lower stratosphere? Geophysical Research Letters, 34 (22), doi:10.1029/2007GL031238, 2007.
  8. Kenny, D.A.: Correlation and causality, Wiley, New York, 277 pp., 1979.
  9. Kilifarska, N.: Climate sensitivity to the lower stratospheric ozone variations, Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 90-91, 9-14, 2012. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2012.03.002
  10. Kilifarska, N.A.: An autocatalytic cycle for ozone production in the lower stratosphere initiated by Galactic Cosmic rays, Comptes Rendus de l'Académie Bulgare des Sciences, 66 (2), 243-252, 2013.
  11. Kilifarska, N.A.: Hemispherical asymmetry of the lower stratospheric O3 response to galactic cosmic rays forcing. ACS Earth and Space Chemistry, 1, 80-88, 2017. https://doi.org/10.1021/acsearthspacechem.6b00009
  12. Kilifarska, N.A., Bakhmutov, V.G., Melnyk, G.V.: Energetic particles influence on the Southern Hemisphere ozone variability, Comptes Rendus de l'Académie Bulgare des Sciences, 66 (11), 1613-1622, 2013.
  13. Kilifarska, N.A., Bakhmutov, V.G., Melnyk, G.V.: Geomagnetic field and climate variability. 2. Probable mechanism, Geophysical Journal, 5, 66-92, 2015. https://doi.org/10.24028/gzh.0203-3100.v37i5.2015.111146
  14. Kilifarska, N.A., Bakhmutov, V.G., Melnyk, G.V.: Relationships of climate changes with geomagnetic field. P.3. Northern and Southern hemispheres, Geophysical Journal, 38 (3), 52-71, doi:10.24028/gzh.0203-100.v38i3.2016.107779, 2016.
  15. Kilifarska, N.A., Bakhmutov, V.G., Melnyk, G.V.: Geomagnetic field's imprint on the 20-th century climate variability, Geological Society, London, Special Publication, 497, 2020. https://doi.org/10.1144/SP497-2019-38
  16. Kitaba, I., Hyodo, M., Katoh, S., Dettman, D.L., Sato, H.: Midlatitude cooling caused by geomagnetic field minimum during polarity reversal, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 110 (4), 1215-1220, 2013. https://doi.org/10.1073/pnas.1213389110
  17. Kitaba, I., Hyodo, M., Nakagawa, T., Katoh. Sh., Dettman, D.L., Sato, H.: Geological support for the Umbrella Effect as a link between geomagnetic field and climate, Scientific Reports, 7, 40682, 2017. https://doi.org/10.1038/srep40682
  18. McCracken, K.G., Dreschhoff, G.A.M., Zeller, E.J., Smart, D.F., Shea, M.A.: Solar cosmic ray events for the period 1561-1994: 1. Identification in polar ice, 1561-1950, Journal of Geophysical Research: Space Physics, 106 (A10), 21585-21598, 2001. https://doi.org/10.1029/2000JA000237
  19. Melnyk, G., Bakhmutov, V., Shenderovs'ka, O.: Antarctic geomagnetic field changes in the last century, Ukrainian Antarctic Journal, 13, 75-80, 2014. https://doi.org/10.33275/1727-7485.13.2014.214
  20. Mufti, S., Shah, G.N.: Solar-geomagnetic activity influence on Earth's climate, Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 73 (13), 1607-1615, 2011. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2010.12.012
  21. Oliva, M., Navarro, F., Hrbáček, F., Hernández, A., Nývlt, D., Pereira, P., Ruiz-Fernández, J., Trigo, R.: Recent regional climate cooling on the Antarctic Peninsula and associated impacts on the cryosphere, Science of the Total Environment, 580, 210-223, 2017. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.12.030
  22. Rossi, C., Mertz-Kraus, R., Osete, M.-L.: Paleoclimate variability during the Blake geomagnetic excursion (MIS 5d) deduced from a speleothem record, Quaternary Science Reviews, 102, 166-180, 2014. https://doi.org/10.1016/j.quascirev.2014.08.007
  23. Schneider, D.P., Deser, C., Okumura, Y.: An assessment and interpretation of the observed warming of West Antarctica in the austral spring, Climate Dynamics, 38, 323-347, 2012. https://doi.org/10.1007/s00382-010-0985-x
  24. Seppälä, A., Lu, H., Clilverd, M.A., Rodger, C.J.: Geomagnetic activity signatures in wintertime stratosphere wind, temperature, and wave response, Journal of Geophysical Research:Atmospheres, 118 (5), 2169-2183, doi:10.1002/jgrd.50236, 2013.
  25. Shawe-Taylor, J., Sun, Sh.: Chapter 16 - Kernel methods and support vector machines, in Academic Press Library in Signal Processing, 1, 857-881, 2014. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-396502-8.00016-4
  26. Shea, M.A., Smart, D.F.: A summary of major solar proton events, Solar Physics, 127, 297-320, 1990. https://doi.org/10.1007/BF00152170
  27. Steig, E.J., Schneider, D.P., Rutherford, S.D., Mann, M.E., Comiso, J.C., Shindell, D.T.: Warming of the Antarctic ice-sheet surface since the 1957 International Geophysical Year, Nature, 457,459-462, 2009. https://doi.org/10.1038/nature07669
  28. Thébault, E., Finlay, C.C., Beggan, C.D., Alken, P., Aubert, J., Barrois, O., Bertrand,F., Bondar, T., Boness, A., Brocco, L., Zvereva, T.: International Geomagnetic Reference Field: the 12-th generation, Earth, Planets and Space, 67, 79, 2015. https://doi.org/10.1186/s40623-015-0228-9
  29. Thompson, D.W.J., Solomon, S.: Interpretation of recent Southern Hemisphere climate change, Science, 296, 895-https://doi.org/10.1126/science.1069270899, 2002.
  30. Turner, J.: The El Niño-Southern Oscillation and Antarctica, International Journal of Climatology, 24 (1), 1-31, https://doi.org/10.1002/joc.96510.1002/joc.965, 2004.
  31. Turner, J., Colwell, S.R., Marshall, G., Lachlan-Cope, T.A., Carleton, A.M., Jones, P.D., Lagun, V., Reid, P.A., Iagovkina, S.: Antarctic climate change during the last 50 years, International Journal of Climatology, 25, 279-294, https://doi.org/10.1002/joc.1130joc.1130, 2005.
  32. Turner, J., Lu, H., White, I., King, J.C., Phillips, T., Hosking, J.S., Bracegirdle, T.J., Marshall, G.J., Mulvaney, R., Deb, P.: Absence of 21st century warming on Antarctic Peninsula consistent with natural variability, Nature, 535, 411-415, 2016. https://doi.org/10.1038/nature18645
  33. Valet, J.-P., Bassinot, F., Bouilloux, A., Bourlès, D., Nomade, S., Guillou, V., Lopes, F., Thouveny, N., Dewilde, F.: Geomagnetic, cosmogenic and climatic changes across the last geomagnetic reversal from Equatorial Indian Ocean sediments, Earth and Planetary Science Letters, 397, 67-79, 2014. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2014.03.053
  34. Vares, D.A.E., Persinger, M.A.: Earth's Diminishing Magnetic Dipole Moment Is Driving Global Carbon Dioxide levels and Global Warming, International Journal of Geosciences, 6 (8), 846-852, 2015. https://doi.org/10.4236/ijg.2015.68068
  35. Vasiliev, S.S., Dergachev, V.A., Raspopov, O.M., Jungner, H.: Long-term variations in the flux of cosmogenic isotope 10Be over the last 10000 years: Variations in the geomagnetic field and climate, Geomagnetism and Aeronomy, 52, 121-128, 2012. https://doi.org/10.1134/S001679321201015X
  36. Veretenenko, S., Ogurtsov, M.: Regional and temporal variability of solar activity and galactic cosmic ray effects on the lower atmosphere circulation, Advances in Space Research, 49 (4), 770-783, https://doi.org/10.1016/j.asr.2011.11.020, 2012.