背景
地球の大気への地球外エネルギー入力の変動と気象プロセスとの間のリンクの検索には、長い歴史があり、時には物議を醸す歴史があります [1]。太陽から放出される電磁放射の総量は、11 年周期が顕著であるが、時間スケールの範囲で変動するが、地球の下層大気に到達する波長での太陽放射の変化は、少なくとも衛星の期間にわたって、非常に小さいように見える。観察。変動する紫外線太陽放射は成層圏以上で吸収され、成層圏の温度に小さな変化をもたらします。
太陽の電磁放射に加えて、太陽風は太陽起源のエネルギー粒子束と磁場を含み、磁気圏でエネルギー陽子と電子を生成します。しかし、これらの粒子は散発的に沈殿し、気象現象が発生する高度よりも高い高度でエネルギーを蓄積します。大気の上部でのこれらの変化するエネルギー入力に対する地球の上層大気の応答には、光のオーロラと、極電離圏におけるオーロラ エレクトロジェットの可変電流が含まれます [2]。しかし、太陽の既知の変化と、それに伴う上記の上層大気の変化を、地上から 10 km 以内の気象プロセスの領域に結びつける、広く受け入れられているメカニズムはありませんでした。
地球の大気へのあまり明白でない入力は、宇宙線のフラックスです。宇宙線は、主に粒子あたりの高エネルギーの陽子であり、大気を透過して地表に到達し、途中で窒素分子と酸素分子をイオン化します。フラックスは、陽子エネルギーと緯度に応じて、11 年間の黒点サイクルと磁気嵐の間に、太陽風磁場によって 5 ～ 10% 変調されます。宇宙線による電離は、大気の伝導性を弱め、地球規模の大気電気回路の形成を可能にします。主に低緯度に位置する雷雨と帯電したシャワー雲は、上向きの電流を生成し、高導電性の電離層を地球の表面に対して通常 240 kV 近くの高い電位に維持します。この潜在的な勾配は、地球全体に下向きの電流密度をもたらします。固体の地球と海洋を通って低緯度に戻る水平電流の流れが回路を完成させます。
雲プロセスの触媒として作用する大気の電気回路は、約 10 km と電離層の間の領域の大気現象とは無関係に、太陽活動の変動と対流圏の気象応答との間に少なくとも 1 つのミッシング リンクを提供する可能性があります [3]。下向きの電流密度は、少なくとも極域では、電離圏高度での変化する条件を地上近くの気象プロセスに結び付けることができるようです。具体的には、雲の電気伝導度は周囲の澄んだ空気の電気伝導度とは異なるため、下向きの電流が雲に遭遇すると、1 つの記号 (空間電荷) の過剰な電荷 (空気イオン、エアロゾル粒子、および液滴) が発生します。上部と下部の雲の境界領域。次に、雲内の微物理プロセスは、電流密度と空間電荷の 20% ほどの変動の影響を受ける可能性があります。少なくとも極域では、観測された雲の特徴がそのような過剰な電荷の存在の影響を受けやすくなっているようです。これらの雲は、エアロゾルと雲凝縮核 (CCN) の濃度が非常に低い、電気的にきれいな極の空気の中で形成された 1 つまたは複数の層状雲で構成されています。これらの雲の場合、雲の光学的厚さ、したがって地面への放射結合は、CCN 濃度によって変化することがわかっています [4]。
CCN の生成および損失プロセスは、イオン、CCN、および液滴の電荷の影響を受ける可能性があります。これにより、液滴と氷の濃度がわずかに変化し [5]、雲の光学的厚さの変化として現れる可能性があり、それが地面に向かって放出される熱長波放射を変化させます。この一連の出来事を通じて、電離圏から地上への電流密度の変化は、作用中のプロセスに特徴的なタイムラグの後、地上で観測された下降する長波放射照度の変化によって追跡できた。電流密度の変動は、(1) 電離層と地上の電位差を生み出す主な原因である雷雨と帯電した雲から、(2) オーロラ エレクトロジェット (さまざまな太陽エネルギーによって引き起こされる電離圏高度で流れる水平電流) の変化から生じる可能性があります。時々南極を通過し、北極オーロラ緯度で電流密度への影響が観察されている [6]、または (3) 通過する太陽風磁場の変化によって引き起こされる電離層ポテンシャルの変化から伝導上層大気。これらの影響の最後のものは、地磁気極から約 1000 km 離れた制限された領域に限定されます。これは、ほぼ垂直な地磁力線がオーロラ ゾーン内で太陽風磁場に効果的に接続されているためです。
上記の一連の原因と結果には、定量化が難しい段階が含まれています。この複雑さを考えると、有用なアプローチは、電離層から地上への電流密度のプロキシと組み合わせた大気観測を使用して統計的研究を実施することです。統計的に有意なリンクが表示された場合、これにより、仮定された物理的メカニズムが検出するのに十分な大きさの影響を下層大気で生成するという信頼性が高まります。地上で観測された下向きの長波放射照度は、大気パラメータの理想的な選択です。これは、熱放射によって下層の大気と表面を温める頭上雲の温度プロファイルと光学的厚さに直接関係しているためです。
データと分析
下向きに伝搬する長波放射照度の長期データセットが南極に存在し、NOAA の地球システム研究所を通じて電子的に入手できます。この作業では、1993 年後半から 2017 年半ばまでの期間の 24 時間平均放射照度を使用しています。タスクは、y(d) で表される、年間サイクルが削除された日の長波放射照度の測定値と、垂直電流密度の代理変数 J(d-l ）。ここで、d はデータセットの 1 日を示します。d=1、2、…、l はタイム ラグ (日数) です。 y(d) の大きな値は、その長波放射が比較的低く暖かい高度から発生する厚い雲の存在に対応します。比較的高くて涼しい高度が優先的に熱放出に寄与する晴天では、観測される長波放射照度が小さくなります。
適切な回帰モデルは次のとおりです:
y(d) =a0 (l ) + a1 (l )T(d) + a2 (l )T(d) + a3 (l )J(d-l ) + ε(d)
ここで、T(d) は時間の線形傾向であり、データセットの検査により、二次項 T(d) が動機付けられました。残差 ε(d) の平均は 0.0 で、1 日遅れの自己相関が含まれます。物理的には、自己相関は曇りの持続性から生じます。回帰係数 ai の値 (l )、i=0,…,3 は、最小二乗法によって推定されます。ここでの関心係数は 3 です (l ) l の値が 0 から数日の間のタイム ラグで 作業中の物理的プロセスの特徴です。回帰モデルによって説明されない y の分散により、a3 の推定値の 95% 信頼範囲が決定されます (l ).
独立変数 J(d-l のさまざまな選択肢 ) 垂直方向の電流密度に影響を与える可能性のある 3 つの異なるメカニズムを調べることができます。最初の計算セット J(d-l ) 地上レベルの垂直電界の毎日の測定値に等しく、局所的な気象汚染を補正するために調整されています。データは、南極大陸のボストークとコンコルディアのステーションから来ています[7]。このケースは、極雲の特性が下向きの電流密度と結びついているかどうかという基本的な問題に対処しています。これは、前述のように、低緯度の雷雨による電離圏ポテンシャルによって主に内部的に生成されます。
これらのデータセットに回帰モデルを適用すると、統計的に有意な a3 という値が得られました (l ) タイムラグ l =極年の暗い部分の 1 日。結果は、電界が +22.4 Vm (平均電界の 1 標準偏差) 異なる 2 日間の後に、長波放射照度が +2.8±1.9% 異なる日が続くことを意味します。ここで、エラーバーは 95% の信頼範囲を定義します。ここで、長波放射照度の差は、電界の差と同じ符号を持ちます。大きな電場のある日の翌日には、そうでない場合よりもわずかに大きい長波放射照度の値が続きます。仮定された物理的メカニズムに基づいてこの結果を解釈すると、より大きな電場から推測されるより大きな垂直電流密度は、1 日の時間スケールで極雲の不透明度を増加させる傾向があると結論付けられます。
次のケースでは、J を毎日の磁気 Ap に等しく設定します。 地上レベルの地球磁場の変動の尺度である指数。これらの変動は、オーロラ エレクトロジェットなどの電離圏電流の変化によって開始され、局所的な電離層ポテンシャルと局所的な下向き電流密度の変化も引き起こします。この分析では、回帰モデルは、長波放射照度と Ap の間の統計的に有意な負のリンクを示しています。 l からのインデックス =2 日前。昼間と暗い期間を合わせて、Ap が +10 単位増加します その後、長波放射照度は、そうでない場合よりも -0.6±0.5% 小さくなります。これは、磁気活動が増加した期間に続く雲の不透明度のわずかな減少と一致しています。 Ap に注意してください は、電離圏高度での水平電流の時間変動の尺度です。次に、これらは、電離圏ポテンシャルの変動性と、上記で特定された他の2つの影響により、バックグラウンドに課せられる電離圏から地上への電流密度の変動性につながります。 Ap の増加に伴う電流密度と長波放射照度の変化 他の 2 つのケースのいずれかに対する応答と同じ符号である必要はありません。
最後の 3 番目のケースでは、NASA/ゴダード宇宙飛行センターの OMNIWeb 電子アーカイブから取得した惑星間磁場の毎日の東西成分に J を等しく設定します。この回帰では、長波放射照度と 95% の有意基準を満たす磁場との関係を特定できませんでした。長波放射照度と惑星間磁場との結合が実際に存在する場合、南極の地磁気緯度では弱すぎて確認できません。地磁気の極は、地理的な南極から緯度の約 10 倍ずれていることに注意してください。惑星間磁場との関係をより正確に定義するには、地磁気極 (北極または南極) の近くで取得された長波放射を使用した新しい分析が必要です。また、上記の相関関係は、電流密度の変動がわずか 20% 程度であり、日々のタイムスケールでのみ発生することに注意してください。宇宙線フラックスの変化を伴う十年および長期の太陽周期で変化する平均電流密度の変化の影響は評価されていません.
結論
この研究の結果は、下向きの大気電流が極域の雲の特性に影響を与え、その結果、地上で受信される長波放射照度に影響を与えるという仮説と一致しています。この電流を駆動する電位差は、電離層高度以上で発生するプロセスに対応するため、大気の電気回路は、電離層と近宇宙環境を地上近くの気象プロセスに結び付ける役割を果たします。
参考文献:
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