Освоение шельфа Арктики сопряжено с решением целого комплекса различных проблем. Одной из таких проблем являются вопросы гидрометеорологии и экологии. В этом плане полярные регионы наряду с экстремальными климатическими условиями характеризуются также подверженностью влияния космических факторов. Это обусловлено спецификой распределения геомагнитного поля. Тема космической погоды в настоящее время приобретает актуальность не только в связи с безопасностью космических полетов, но и в связи с вопросами освоения Арктики с е е слабой геомагнитной защищенностью. В настоящей работе рассматривается один из частных вопросов – выявление зависимости свойств водной среды от космических факторов. Исследование проводилось во время повышенной солнечной активности последнего 24-го цикла Швабе. В лабораторных условиях проводился мониторинг тока в электрохимической ячейке. Наблюдаемые вариации тока в течение нескольких суток сопоставлялись с возмущениями геомагнитного поля. Были выявлены определенные циркадные закономерности. Кроме того, наблюдался резкий спад тока, совпадающий с моментом магнитной бури. Это явление можно объяснить известным эффектом Форбуш-спада космических лучей при повышенной солнечной активности. Данное исследование показало явную зависимость свойств водной среды от факторов космической погоды. Описанная методика может быть использована для организации мониторинга в арктических регионах в предстоящий 25-й цикл Швабе. Это необходимо для решения фундаментальных задач, а также может иметь прикладное значение.
Проблемы гидрометеорологии и окружающей среды в Арктике всегда имели большое значение. Это обусловлено целым рядом факторов, таких как экстремальные климатическими условиями, труднодоступные неосвоенные территории, сложности ледовой морской обстановки. Но, кроме этих очевидных моментов, в настоящее время становятся актуальными и новые аспекты этой проблемы, связанные с факторами космической среды.
В целом совокупность основных параметров, характеризующих состояние космической среды, принято обобщать таким понятием, как космическая погода. Это понятие приобрело значимость в связи с освоением околоземного космического пространства, с предстоящими полетами на Луну и на Марс. В России была создана специальная служба космической погоды – «Центр прогнозов космической погоды ИЗМИРАН». Центр проводит мониторинг по многим параметрам космической среды, данные доступны на сайте в Интернете. Основными определяющими факторами являются солнечный ветер и космические лучи, а также возмущения геомагнитного поля. Эти факторы определяют не только состояние космической среды, но оказывают влияние на окружающую среду и на Земле [1, 2].
Так, например, вспышки на Солнце и порывы солнечного ветра приводят к возмущениям геомагнитного поля, что сказывается и на работе электронных систем, и на состоянии здоровья метеочувствительных людей. Другой фактор, космические лучи, также оказывает влияние на состояние окружающей среды на Земле [3]. Космические лучи, обладая большой энергией, создают в нижних слоях атмосферы многочисленные каскадные потоки в виде широких атмосферных ливней вторичных частиц [4]. Благодаря ионизирующим свойствам, эти частицы приводят к процессам радиолиза, инициализируют конденсацию паров в атмосфере, что приводит к интенсивному образованию облачности [5, 6]. Более того, именно космические лучи высоких энергий, создавая специфический эффект пробоя на убегающих электронах, являются первопричиной возникновения грозовых электрических разрядов в атмосфере [7]. В целом факторы космической погоды оказывают глобальное влияние на изменения климата на Земле [8].
Для Арктики факторы космической погоды имеет принципиальное значение, так как полярные регионы лишены защитных свойств такого важного для Земли барьера, как геомагнитное поле. В результате Арктика оказалась в максимальной степени подвержена воздействию различных явлений космической среды [9]. Наглядным примером незащищенности Арктики являются полярные сияния, характерные именно для полярных регионов. Этот эффект возникает под действием плазменных потоков солнечного ветра, достигающих верхних слоев атмосферы в приполярных областях, близких к особым незащищенным зонам полярных касп в структуре геомагнитного поля [10].
Приведенное рассмотрение подтверждает то, что космические факторы, несмотря на кажущуюся защищенность Земли, оказывают принципиальное влияние на состояние ее среды. Это особенно актуально для арктических регионов и требует всестороннего изучения.
Один из частных вопросов указанной проблемы связан с влиянием космических факторов на свойства водной среды. Изучению этого вопроса был посвящен ряд исследований, в которых был обнаружен эффект закономерных циклических вариаций величины тока между электродами лабораторной электрохимической ячейки [11]. В этих работах было установлено то, что наблюдаемые вариации хорошо согласуются с такими геокосмическими событиями, как солнечно-лунные приливы, солнечные затмения и др. Ряд исследований был проведен специально в арктическом регионе на Кольском полуострове [12]. Но, тем не менее, этот вопрос еще недостаточно изучен. В настоящей работе ставится задача подтвердить указанные эффекты в электрохимической системе, дать им обоснование, исходя из конкретных событий космической погоды.
Постановка эксперимента и результаты
В наших исследованиях в качестве объекта изучения использовалась электрохимическая ячейка, заполненная деионизированной водой. В ячейку помещались два электрода из инертного материала, в данном случае из нержавеющей стали. К электродам прикладывалось незначительное постоянное напряжение, недостаточное для протекания электролиза, но обеспечивающее протекание регистрируемого электрического тока. Методика измерений соответствовала описанию в работе [11].
Для наиболее четкого проявления факторов космической погоды, исследования проводились в фазе повышенной солнечной активности текущего 11-летнего цикла. Этот период соответствовал 24-му циклу Швабе. Мониторинг тока в электрохимической ячейке проводился в лаборатории ИФХЭ РАН, г. Москва. Влияние вариаций таких локальных факторов, как температура, освещенность, содержание углекислого газа и кислорода в атмосфере в данном случае было исключено, так как мониторинг проводился в стабильных лабораторных условиях с соблюдением режима «нормальных условий».
Для подробного рассмотрения был выбран интервал в несколько суток, охватывающий момент заметного геомагнитного возмущения. Данные геомагнитной обстановки были взяты с сайта ИЗМИРАН (http://spaceweather.izmiran.ru). График вариаций измеряемого тока в ячейке и график геомагнитных возмущений представлены на рис.1 в единой временной шкале для возможности их сопоставления.
Анализ результатов
При рассмотрении графика вариаций тока на представленном интервале можно отметить наличие характерных незначительных циркадных изменений, в общих чертах соответствующих ритмам, обнаруженным в работе [11]. В то же время на этом графике обращает внимание резкий спад хода кривой. Момент указанного спада, как видно из графиков, совпадает с моментом заметного геомагнитного возмущения.
Отмеченное возмущение оценивается достаточно большим индексом К = 5. Но, тем не менее, эти вариации магнитного поля слишком малы и не превосходят величины ~10-7 Тл. Такие незначительные вариации, даже в случае 9-бальной бури, не могут вызывать какие-либо заметные магниторезистивные или магнитогидродинамические эффекты в электрохимической системе [13]. Для проявления таких эффектов напряженность магнитного поля должна быть на несколько порядков выше. Следовательно, магнитная буря в любом случае сама по себе не может быть непосредственной причиной наблюдаемого резкого спада тока.
Отмеченная связь спада тока и магнитного возмущения может быть косвенной и являться проявлением более сложных взаимосвязей различных факторов космической погоды.
Следует учесть, что возмущения геомагнитного поля в основном обусловлены порывами плазменного солнечного ветра. Более того, этот ветер способен «выдувать» из области гелиосферы потоки галактических космических лучей, модулировать их интенсивность. Соответствующий эффект спада космических лучей, известный как форбуш-спад, будет происходить в моменты повышенной солнечной активности, в моменты геомагнтных возмущений [6]. В таком случае именно форбуш-спад космических лучей, обладающих способностью к каскадному образованию широких атмосферных ливней ионизирующих вторичных частиц, может быть достаточно весомой непосредственной причиной наблюдаемого спада тока в ячейке во время геомагнитной бури. При этом магнитная буря служит только косвенным указателем на возможный эффект форбуш-спада.
Приведенный анализ резкого спада кривой тока позволяет предположить, что основной причиной регистрируемого тока в электрохимической системе с деионизированной водой являются космические лучи, выполняющие некую активирующую роль. Такое предположение согласуется и с наблюдаемым эффектом циркадных вариаций тока. Известно, что космические лучи характеризуются выраженным анизотропным пространственным распределением [3]. Соответственно, суточное вращение Земли в таком анизотропным поле может быть причиной наблюдаемых циркадных вариаций тока в ячейке.
Выяснение внутреннего механизма вариаций тока в ячейке требует специального рассмотрения. Этому вопросу была посвящена работа [14], где был обнаружен эффект спонтанного образования в воде наночастиц металла электродов, сопровождающийся вариациями тока. Данный эффект каким-то опосредованным образом может быть обусловлен воздействием космических лучей и требует проведения дополнительных исследований.
Выводы
Данное исследование показало явную связь свойств водной среды с факторами космической погоды. Описанная методика может быть использована для организации мониторинга в арктических регионах в предстоящий 25-й цикл Швабе.
Работа выполнена при бюджетном финансировании Минобрнауки РФ в соответствии с текущим государственным заданием ИФХЭ РАН.
Литература
1. Белов А.В., Ерошенко Е.А., Гущина Р.Т., Дорман Л.И., Оленева В.А., Янке В.Г. Вариации космических лучей как инструмент для изучения солнечно-земных связей. С. 258–284 // Статья в сборнике «Электромагнитные и плазменные процессы от недр Солнца до недр Земли». Изд.: ИЗМИРАН. М., 2015.
2. Райченко Л.В., Мельник Г.В. Космические источники ионизации земной атмосферы (обзор) // Геофизический журнал, № 3, Т. 39, 2017, с. 40–63, DOI:10.24028/gzh.0203-3100.v39i3.2017.104031.
3. Бережко Е.Г., Крымский Г.Ф. С.Н. Вернов и исследования космических лучей в Якутии. // УФН. 2011, № 2, с. 223–229. DOI: 10.3367/UFNr.0181.201102m.0223.
4. Добротин И.А., Зацепин Г.Т., Розенталь И.Л., Сарычева Л.И., Христиансен Г.Б., Эйдус Л.X. Широкие атмосферные ливни космических лучей. // Успехи физических наук. 1953. Т. XLIX, вып. 2, с.185–242.
5. Махмутов В.С., Стожков Ю.И., Международный эксперимент CLOUD: частицы и облака. // Природа. Изд. Наука, М., 2012, № 12, с. 27–33.
6. Ролдугин В.К., Белоглазов М.И. Амплитуда Шумановского резонанса во время Форбуш-эффекта // Геомагнетизм и аэрономия, 2008, Т. 48, № 6, с. 803–809.
7. Гуревич А.В., Зыбин К.П. Пробой на убегающих электронах и электрические разряды во время грозы. // Успехи физических наук. 2001. № 11. С. 1177–1199. DOI:10.3367/UFNr.0171.200111b.1177.
8. Жеребцов Г.А., Коваленко В.А., Молодых С.И. Основные физические процессы в атмосфере Земли, криосфере и океане, определяющие особенности климатических изменений в ХХ в. и их связь с солнечной активностью // Солнечно-земная физика. 2011. Вып. 18. С. 40–50.
9. Дорман Л.И., Смирнов В.С., Тясто М.И. Космические лучи в магнитном поле Земли. – М.: Наука, 1971. – 400 с.
10. Кирпичев И.П. Характеристики распределения частиц в области каспа, внешней области кольцевого тока и ближнем плазменном слое магнитосферы Земли. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.ф-м.н. М., 2007, 14 с.
11. Цетлин В.В., Файнштейн Г.С. Исследования реакции воды на воздействие космофизических и геофизических факторов окружающего пространства. // Сложные системы, 2013, № 2 (7), с. 65–81.
12. Муравьев С.В., Цетлин В.В., Белишева Н.К., Сенсорные свойства воды как индикатор вариаций космо-геофизических агентов. // Труды Кольского научного центра РАН, 2015, № 6, с. 54–58.
13. Бограчев Д.А., Давыдов. А.Д. Оптимизация процесса электролиза во вращающейся в магнитном поле цилиндрической электрохимической ячейке. // Электрохимия, 2010, том 46, № 3, с. 346–351.
14. Касаткин В.Э., Тытик Д.Л., Ревина А.А., Бусев С.А., Абатуров М.А., Высоцкий В.В., Ролдугин В.И., Казанский Л.П., Кузьмин В.И., Гадзаов А.Ф., Цетлин В.В. Электрохимический синтез наночастиц железа и платины в деионизованной воде // Физикохимия поверхности и защита материалов, 2015, том 51, № 6, с. 618–624 DOI: 10.7868/S0044185615060121.
