Вплив сонячної активності на екологічні процеси

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 551.46.581.19

Кошовий В.В. - кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, завідувач Шацької міжвідомчої науково-дослідної екологічної лабораторії, завідувач відділу фізичних методів розпізнавання слабоконтрастних об'єктів в неоднорідних середовищах Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів.

Івантишин О.Л. - кандидат технічних наук, науковий співробітник відділу фізичних методів розпізнавання слабоконтрастних об'єктів в неоднорідних середовищах Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів.

Горбань І.М. - кандидат біологічних наук, старший науковий співробітник Шацької екологічної лабораторії Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів.

Альохіна О.В - молодший науковий співробітник Шацької екологічної лабораторії Фізико-механічного інституту імені Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів.

Мезенцев В.П. - науковий співробітник відділу акустичних інформаційних систем Львівського центру Інституту космічних досліджень НАН України та НКА України, м. Львів.

Петрів Х.О. - інж. ІІ кат. Шацької екологічної лабораторії Фізико-механічного інституту імені Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів;

Роботу виконано у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України та Львівському центрі Інституту космічних досліджень НАН України та НКА України

Наведені результати експериментальних досліджень та аналізу деяких проявів сонячної активності та геоефективної реакції на них ряду біотичних та абіотичних компонентів біогеосистеми природно-заповідних територій Західного Полісся, виконаних з використанням сучасних інструментальних засобів (декаметровий радіотелескоп УРАН-3, транскордонна мережа моніторингу ґрунтів, цифрова метеостанція тощо) та наземних спостережень змін стану цих компонентів. Розглянуто вплив на екологічні процеси довготривалих циклічних геліопроцесів і вплив спорадичних короткотривалих компонентів сонячної активності, які обумовлюють геомагнітні збурення та збурення природного атмосферного інфразвуку в біогеосистемі.

Ключові слова: сонячна активність, біогеосистема, природно-заповідна територія, геліопроцеси, геомагнітні збурення, природний атмосферний інфразвук, екологічні процеси, біоіндикатор, реляційна база даних, сонячно-земні зв'язки, кореляційно-регресійний аналіз.

Кошевой В.В., Ивантышын О.Л., Горбань И.М., Алехина О.В., Мезенцев В.П., Петрив Х.О. «Влияние солнечной активности на экологические процессы природо-заповедных территорий Западного Полесья: проблема или гипотеза?». Приведены результаты экспериментальных исследований и анализа некоторых проявлений солнечной активности и геоэффективной реакции на них ряда биотических и абиотических компонентов биогеосистемы природно-заповедных территорий Западного Полесья, выполненных с использованием современных инструментальных средств (декаметровый радиотелескоп УРАН- 3, трансграничная сеть мониторинга почв, цифровая метеостанция и т.п.) и наземных наблюдений изменений состояния этих компонентов. Рассмотрено влияние на экологические процессы долговременных циклических гелиопроцессов и влияние спорадических кратковременных компонентов солнечной активности, которые обусловливают геомагнитные возмущения и возмущения природного атмосферного инфразвука в биогеосистеме.

Ключевые слова: солнечная активность, биогеосистема, природно-заповедная территория, гелиопроцессы, геомагнитные возмущения, природный атмосферный инфразвук, экологические процессы, биоиндикатор, реляционная база данных, солнечно-земные связи, корреляционно-регрессионный анализ.

Кoshovyy V.V., Ivantyshyn O.L., Gorban I.M., Alokhina О.V., Mezentsev V.P., Petriv Kh.О. «Influence of solar activity on the ecological processes of the naturally-protected territories of Westrn Polesie: problem or hypothesis?» Results of experimental researches and analysis of some solar eruptive events and geo-efficient reaction on them of row of biotic and abiotic components of the West Polesie naturally-protected territories biogeosystem executed with the use of modern tools (decameter radio-telescope URAN-3, transboundary network of soils monitoring, digital weather-station and others like that) and ground-based supervisions of changes of these components state, have been presented. Influence on the ecological processes of the long-term cyclic helio-processes and influence of the short-term sporadic solar eruptive events, which cause the geomagnetic and infrasound activity in the biogeosystem, are considered

Keywords: Sun activity, biogeosystem, naturally-protected territory, helio-processes, ecological processes, geomagnetic activity, infrasound activity, bio-indicator, relational database, solar-terrestrial interactions, cross-correlation-regressive analysis.

Постава наукової проблеми та її значення

Робота презентує результати досліджень авторів з проблеми сонячно-земних зв'язків, які стосуються геоефективних проявів сонячної активності (СА) на природно-заповідних територіях (ПЗТ). Такі дослідження необхідні, в першу чергу, для того, щоб, з метою зниження екологічних ризиків, відповісти на питання чи існують реакції компонентів біогеоситеми Західного Полісся, стан яких характеризує екологічну стабільність на цих ПЗТ, на динаміку та інтенсивність сонячних процесів.

Екологічна безпека передбачає науково обґрунтоване вирішення завдань збереження і відновлення природних екосистем і є важливою складовою концепції сталого розвитку територій. Екологічні процеси обумовлені як природними чинниками (найбільш вагомим є сонячна радіація, її інтенсивність, мінливість та особливості взаємодії з середовищем навколоземного простору), так і техногенними

Вплив активних процесів у сонячній атмосфері є глобальною проблемою, але конкретні геоефективні прояви цього впливу мають і регіональні особливості на поверхні Землі [1]. ПЗТ є природними експериментальними полігонами для проведення таких досліджень, оскільки знаходяться в регіонах мінімального техногенного впливу і є найбільш чутливими до геоефективних проявів СА. Саме тому у даній роботі, що виконується в рамках Цільової комплексної програми НАН України з наукових космічних досліджень на 2012 - 2016 р.р., для досліджень вибрані ПЗТ Західного Полісся (ПЗТ-ЗП), які є одним із центральних ядер Панєвропейської екологічної мережі, що відіграє важливу кліматоутворюючу і біорегулюючу роль для значної частини європейського континенту.

Про вплив сонячних процесів на різноманітні земні процеси відомо давно, наукова спільнота приділяє цьому багато уваги. Космічні фактори (“космічна погода”) помітно впливають як на роботу і надійність технологічних систем [2], так і на здоров'я людей [3]. Однак такий вплив, зазвичай, досліджується через широкомасштабні глобальні процеси, а вплив СА на біотичні та абіотичні природні компоненти біогеосистем на регіональному рівні поки що досліджується менше. Стосовно ПЗТ-ЗП такі дослідження практично не проводилися. Авторам відома лише одна робота [4], в рамках якої проведено комплексне дослідження кліматичних змін на Поліссі. Однак автори лише констатують деякі наслідки і не досліджують причини, які їх обумовлюють, зокрема яка частка впливу СА є у їх формуванні.

Дана робота є однією із перших спроб вивчити проблему впливу СА на компоненти конкретної біогеосистеми ПЗТ-ЗП на основі співставлення та аналізу зібраних та систематизованих даних про фізичні характеристики СА та її земні прояви за тривалий період. Шацький національний природний парк (НПП) є ключовою природоохоронною територією Транскордонного біосферного резервату (ТБР) ЮНЕСКО “Західне Полісся” [5]. Його територія входить до переліку Всеєвропейської екологічної мережі у рамках міжнародної програми ЄС - НАТУРА 2000 та Рамсарської конвенції. ЮНЕСКО визнало Шацькі озера найбільш цінними прісноводними екосистемами Східної Європи.

Виклад основного матеріалу й обґрунтування отриманих результатів.

Методи і засоби досліджень. Екосистеми ПЗТ-ЗП є динамічними природними системами, на екологічні процеси в яких впливають природні і антропогенні фактори. Однак вплив останніх за досліджуваний період не був значним. Суттєвим винятком може стати будівництво надглибокого (до 55 м) піщано-крейдяного Хотиславського кар'єру на кордоні Білорусі з Україною, наслідки якого можуть значно загострити екологічні проблеми ПЗТ-ЗП.

Найбільший вплив на зміни “космічної погоди” чинять сонячні спалахи, корональні викиди мас (КВМ), які є найбільш ймовірними джерелами геомагнітних збурень (ГМЗ) [6], та області стиснення, обумовлені взаємодією потоків швидкого і повільного сонячних вітрів [7]. В результаті взаємодії високошвидкісного потоку заряджених часток сонячного вітру з іоносферною плазмою ці процеси можуть спричиняти екологічно небезпечні ефекти в геосистемі, зокрема виникнення ГМЗ [8] на поверхні Землі і підвищену генерацію природного атмосферного інфразвуку (АІ)) в її атмосфері [9]. Ці два фізичні фактори (ГМЗ та АІ) можуть бути одними із основних чинників, що обумовлюють екологічно небезпечний вплив СА на біотичні компоненти біогеосистем. Причому, якщо ГМЗ вже давно визнані в літературі як фактор цього впливу, який інтенсивно вивчається [6], то вплив природного АІ і, особливо, його зв'язок з активними процесами на Сонці поки що маловивчений [9].

Для вияснення цих питань у роботі досліджується наявність зв'язку (кореляції) між процесами, що характеризують прояви СА у різних фізичних полях і діапазонах випромінювання (оптичному, ультрафіолетовому, санти- і декаметровому (ДКМ) радіодіапазонах, м'якому рентгенівському), та обумовлені нею ГМЗ та збурення АІ, з одного боку, та зміни стану біотичних та абіотичних компонентів біогеосистеми ПЗТ-ЗП, з другого. Комплекс досліджень на цьому етапі включав:

1) збір та аналіз даних про активні геліопроцеси та їх прояви у різних фізичних полях та діапазонах випромінювання і про геоефективні прояви цих процесів;

2) побудову реляційної бази даних (РБД) характеристик визначених процесів;

3) статистичний і кореляційно-регресійний аналіз зібраних даних;

4) оцінку та інтерпретацію отриманих результатів.

Джерела даних. Збір даних здійснювався шляхом проведення комплексних синхронізованих досліджень різних проявів СА (радіоастрономічних (РА) на радіотелескопі (РТ) УРАН-3, з використанням сучасних інструментальних засобів і баз даних спостережень різних космічних обсерваторій (SOHO/LASCO та ін.) з мережі Інтернет) і наземних спостережень та інструментальних вимірювань змін стану компонентів біогеосистеми ПЗТ-ЗП:

- спостереження ПЗТ-ЗП засобами дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) та геоінформаційних систем (ГІС) [10]);

- наземні спостереження і вимірювання параметрів біотичних та абіотичних компонентів [11]; дослідження АІ (вимірювач інтенсивності АІ) [9]; дослідження водно-температурних режимів ґрунтів (інструментальна мережа моніторингу ґрунтів [12]); дослідження мікроклімату (температура, кількість опадів, вологість).

В РБД внесені основні показники геліо- та геофізичних проявів СА: відносні числа Вольфа W; площі сонячних плям S; потік радіовипромінювання на частоті 2800 МГц (?=10.7 см) F10.7; глобальний сонячний UV-індекс ультрафіолетового випромінювання; індекс інтенсивності ГМЗ Dst; X(1-8A) - значення потоку м'якого рентгенівського випромінювання (1-8 A, 12.5-1 кеВ). Дані про параметри спорадичного ДКМ радіовипромінювання Сонця практично відсутні, оскільки на постійній основі подібні спостереження в цьому діапазоні поки що не проводяться [7]. Тому такі спостереження з реєстрацією радіосплесків ІІ, ІІІ та ІV типів започатковані на РТ УРАН-3 з використанням широкосмугових динамічних спектрів. На даний час проведена одна сесія неперервних спостережень (з 15.06.2011 р. по 15.09.2011р., 350 годин записів), а з 25.03.2012 р. проводиться друга сесія. У РБД внесені дані про тип, початок, тривалість і швидкість дрейфу радіосплесків.

Синхронно з РА спостереженнями вперше проведені синхронні неперервні спостереження АІ і оцінка огинаючої його коливань (рис. 1) [13] і спектру. Ці параметри введені у РБД. Слід розрізняти природний АІ в спокійному (рис. 1а) і збуреному (рис. 1б) стані, в якому різко зростає розмах коливань, особливо вищих частот. Зміни стану природного АІ зв'язані насамперед з сонячним добовим ходом, змінами СА, сейсмічними збуреннями та іншими геофізичними процесами.

абіотичний сонячний фізичний вимірювання

а) б)

Рис. 1. Природний АІ (огинаюча коливань) в спокійному (а) і у збуреному (б) станах

До РБД внесені також дані, що характеризують екологічні процеси на ПЗТ-ЗП за період 1986-2011 рр.: - кліматичні показники за період сонячного циклу 1998-2010 рр.; - морфометричні та деякі фізичні і біологічні параметри екосистем (видовий склад лісів, водність і заростання макрофітною рослинністю озер (з ГІС-аналізу космічних знімків), параметри водно-температурних режимів ґрунтів).

- характеристики біологічних популяцій та рослинних угрупувань, які відіграють роль біоіндикаторів екологічного стану локальних екосистем на цій території; для оцінки стану екосистем ПЗТ-ЗП виділено 12 основних біоіндикаторів в орнітофауні.

Структура РБД (рис. 2). та засоби обробки та аналізу даних розроблені в СУБД MS Access для структурування даних про процеси різної фізичної природи, перетворення великого масиву неструктурованих текстових даних у РБД і її наповнення, що забезпечує можливість комплексної математичної обробки даних.

Приклади виявлених сонячно-земних зв'язків (попередні результати).

1. Ланцюжок сонячно-земних подій: сонячний спалах - КВМ - ДКМ радіосплеск ІІ типу - ГМЗ - природний АІ (рис. 2). Виявлені сплески ДКМ радіовипромінювання Сонця, обумовлені активними процесами в сонячній короні, зокрема КВМ. Наприклад, 03.08.2011 р. активна область 1261 (N15 W21) на Сонці.

Рис. 2. Структура бази даних для вивчення сонячно-земних зв'язків

стала джерелом спалаху класу М6.0, який супроводжувався КВМ (рис. 3а, б зліва) і рентгенівським спалахом (супутника GOES-15) (рис. 3а, б справа))

РТ УРАН-3 в цей час зареєстрував ДКМ радіосплески ІІ, ІІІ та ІV типів (рис. 3в, тривалість запису - 37 хв.). Початок радіосплеску ІІ типу співпадає з початком рентгенівського спалаху. Через два дні зафіксовано початок ГМЗ на Землі (рис. 3г, верхній запис - Dst) (Світовий центр даних по геомагнетизму). Через два дні після зафіксованого початку ГМЗ, спричиненого КВМ, зафіксований максимум АІ (рис. 3г, нижній запис). Рис. 4 - приклад зміни спектральної густини коливань природного АІ під дією сонячного спалаху 03.08.2011 р. (рис. 4а - спектральна густина АІ до спалаху, рис. 4б - після). Огинаюча коливань природного АІ має стійку добову ритміку, а збуреність атмосфери різними факторами космічного та геофізичного походження її руйнують.

2. Вплив СА на водно-температурні режими поліських ґрунтів (рис. 5).

Встановлено кореляційний зв'язок між функціональними параметрами ґрунту (температура, вологість, електропровідність), виміряними автоматизованою мережею моніторингу ґрунтових екосистем на базі приладу TDR, та числами Вольфа W.

а) б)

Рис. 3. Активні процеси в сонячній короні 03.08.2011р. (спалах класу М6.0 супроводжувався КВМ (14:00))

Процес КВМ в оптичному ((а) і (б) зліва) і в ренгтгенівському ((а) і (б) справа) діапазонах. ДКМ радіосплески ІІ, ІІІ та ІV типів 03.08.2011р. в околі 14:00 (в). ГМЗ - початок 05.08.2011р. (г, верхній запис)).

Атмосферний інфразвук (максимум - 07.08.2011р .(г, нижній запис))

 а) б)

Рис. 4. Оцінки спектральної густини випадкових коливань природного інфразвуку (03.08.2011р., до сонячного спалаху (а), у збуреному стані після спалаху (б)

На рис. 5 наведені лінійні регресійні залежності від W температури ґрунту торфовища низинного типу на глибині 10 см (а) (R=0.6) та температури повітря (б) (R=0.8) за період 2009?2010 рр.

а)б)

Рис. 5. Кореляційно-регресійні оцінки залежностей температури ґрунту на 10 см (а) та температури повітря (б) від W для торфовища низинного типу (2009-2010 рр.)

3. Вплив СА на рослинність демонструє рис. 6, на якому порівняні зміни (1986?2009 рр.) чисел Вольфа W і коефіцієнтів заростання ?' (?'- відношення площі макрофітної рослинності до площі водного дзеркала Sв.дз.) озер Шацького НПП, які отримані на основі ДЗЗ і характеризують еволюцію біокомпонентів водного середовища (коефіцієнт кореляції між W та ?' для більшості озер R?0,68).

4. Вплив СА на чисельність популяцій біоіндикаторів (рис. 7). На рис. 7 наведені залежності між флуктуаціями чисельності деяких біоіндикаторів і зміною числа Вольфа W (sunspot) за період 1982-2010 роки: а) - дятел білоспиний (Woodpecker), б) - тетерук (Blackcock). Видно,що ці біоіндикатори чітко реагують на 11-річні сонячні цикли, але з різною фазовою затримкою.

5. Кореляційно-регресійний аналіз даних. Запити до РБД в MS Access використовуються для перегляду й аналізу даних і створюються з використанням синтаксису мови SQL і формуванням 2D-таблиці даних (таблиця 1). За період 1998?2010 рр. найбільш чутливими до змін індикаторів СА є три біоіндикатори

Рис. 6. Зміни чисел Вольфа( W) та коефіцієнтів заростання ( ?') озер Шацького НПП (1986-2009 рр.)

а) б)

Рис. 7. Флуктуації чисельності біо індикаторів: а) дятел білоспинний, б) тетерук журавель сірий, пісочник малий, підорлик малий

Лінії регресії, які визначають характер кореляційного зв'язку (R>0,75) між середніми значеннями параметрів СА і чисельністю популяцій біоіндикаторів, наведені на рис. 8.

Таблиця 1. Вибіркові результати парного кореляційно аналізу (1998?2010 рр.)

Рис. 8. Кореляційні зв'язки між параметрами СА ( W (а) і Dst (б)) та чисельністю популяцій деяких біоіндикаторів

Попередні висновки і перспективи подальших досліджень

1. Розроблена структура і наповнена реляційна база даних, яка містить інформацію про показники СА і про стан компонентів біогеоситеми ПЗТ Західного Полісся. Частина наукових даних є оригінальними і отримані вперше авторами.

2. Встановлені нові кореляційні зв'язки, які характеризують вплив СА на біотичні і абіотичні компоненти біогеосистеми ПЗТ Західного Полісся і мають значення для адаптації існуючих технологій управління цією територією до кліматичних змін.

Література

1. О.М. Распопов, В.А. Дергачева, О.В. Козірева и др. Интерпретация физических причин глобального и регионального климатических откликов на долговременные вариации солнечной активности//Солнечно-земная физика. 2008. Вып. 12.Т.2, С.276-278.

2. Зеленый Л.М., Ермолаев Ю.И. Ветер, ветер, ты могуч…// Природа. 2005. Т.5, №9. С.4-14.

3. И. Стоилова, С. Димитрова, Т. Бреус, Т. Зенченко, Т. Янев. Солнечно-земные связи и здоровье человека // Солнечно-земная физика. 2008. Вып. 12.Т.2, С.336-339

4. Створення Транскордонного біосферного резервавту та регіональної екологічної мережі в Поліссі /Зб. наук. статей.- Під.ред. Я.П. Дідуха та П.М. Черінька.- Kиїв: Нац. комітет України з програми ЮНЕСКО «Людина і біосфера», 2008, 252с.

5. И. А. Биленко. Геоэффективность солнечных эруптивных событий // Солнечно-земная физика. 2008. Вып. 12.Т.1, С.60-61.

6. И.С. Фалькович, Н.Н. Калиниченко и др. Система декаметровых радиотелескопов УРАН как инструмент для исследования космической погоды//Радиофизика и радиоастрономия. 2011. Т.16, №2. С. 144-153.

7. И.С. Веселовский, Ю.С. Шугай, О.С. Яковчук. Связь между Dst и Bz для геомагнитных бурь в 23 солнечном цикле//Солнечно-земная физика. 2008. Вып. 12.Т.1, С.172-173.

8. С.О. Сорока, В.П. Мезенцев, Л.М. Каратаєва, О.С. Сорока. Інфразвук космічного походження та його вплив на земні процеси//Космічна наука і технологія. 2008. Випуск 14, №6. С. 73-88.

9. Муравський Л.І., Кошовий В.В., Альохіна О.В. та інш. Особливості створення географічної інформаційної системи для екологічного моніторингу//Вчені записки Таврійського нац. університету ім. В.І. Вернадського. Серія: Географія. - 2010. - т. 23 (62). - №2 - С. 190-200.

10. М. Ковальчук, М. Стоділка, В. Кошовий та інш. Довгохвильові сонячні радіосплески як індикатори активних процесів на Сонці //Вісник Львівського ун-ту. 2011. Випуск 46. С. 105-112.

11. Альохіна О.В., Зінчук М.І., Кошовий В.В. Шевчук М.Й. Особливості фонового агроекомоніторингу ґрунтів у агроландшафтах Шацького національного природного парку//Наук. вісник Волинського нац. ун-ту ім. Л. Українки.Екологія.2009.№1.Луцьк. С.135-142.

12. Драган Я.П., Рожков В.А., Яворский И.Н. Методы вероятностного анализа ритмики океанологических процессов. - Ленинград, Гидрометеоиздат, 1987. - 319 с.

Размещено на Allbest.ur