7 років тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

Хорошо известно, что астрономическими факторами объясняется суточный ход погоды и внутригодовые изме­нения погоды и климата. Но существуют идолгопериод­ные климатические изменения, зависящие от астрономи­ческих факторов.

Астрономические факторы формирования климата определяются в основном параметрами земной орбиты, в зависимости от которых меняется расстояние от Земли до Солнца, углом наклона падающих солнечных лучей и процессами на самом Солнце. Эта группа факторов меня­ет величину S0, т. е. приходящую к Земле радиацию (ин­соляцию), являющуюся функцией широты, времени года, времени суток, положения Земли, или же приводит в дей­ствие некоторые внутриатмосферные механизмы, влияю­щие на климат.

Мы уже отмечали, что палеоклиматологические дан­ные подтвердили в колебаниях климата прошлого нали­чие периодичностей порядка 100 тыс., 41 тыс., 21 тыс. лет, связанных с соответствующими периодами колебаний па­раметров земной орбиты и наклонением оси Земли. К та­ким факторам относятся периодические изменения экс­центриситета земной орбиты (е), угла наклона плоскости земного экватора к плоскости орбиты (е) или угла накло­на земной оси и прецессии орбиты, определяемой вели­чиной е-sin п, где п — долгота перигелия, т. е. самой близ­кой к Солнцу точки орбиты, отсчитываемая от точки весеннего равноденствия.

Идея влияния параметров земной орбиты и наклона оси на S0 и приходящую инсоляцию была высказана еще в 1842 г. французским математиком Адамаром и затем развита в 1930—1938 гг. в работах югославского геофизи­ка Миланковича.

Как известно, величина S0 обратно пропорциональна квадрату расстояния от Земли до Солнца. Вследствие эллиптичности земной орбиты это расстояние меняется, в связи с чем меняется и количество приходящей радиа­ции к различным широтным зонам. После Миланковича расчеты эксцентриситета были повторены рядом амери­канских и советских авторов за 30 млн. лет в прошлом и 1 млн. лет в будущем. Он колеблется в пределах 0,0007— 0,0658 (в настоящее время равен 0,017) с периодами 90 тыс. —100 тыс., 425 тыс. и 1200 тыс. лет.

Угол наклона е составляет 22,068°—24,568° с периода­ми 41 тыс. и 200 тыс. лет (по Миланковичу этот период 40 400 лет, по некоторым американским данным угол е колеблется за последние 500 тыс. лет от 21,8° до 24,4°), в настоящее время он равен 23,5°. Прецессия орбиты (пара­метр e-sin п) колеблется в пределах от 0,03 до 0,07 относи­тельно его значения в 1950 г. со средним периодом около 21 тыс. лет. Все эти периоды неплохо согласуются с име­ющимися представлениями о колебании климата в плей­стоцене. Источником изменения параметров земной орби­ты является меняющееся гравитационное поле в системе планет Солнечной системы.

Расчеты движения Земли с учетом возмущений, соз­даваемых действием сил притяжения других планет, про­изводились еще в XVIII столетии Ж. Л. Лагранжем, а затем уточнялись другими учеными. Они подтвердили наличие подобных колебаний. Расчеты показали, что в среднем отмеченные колебания параметров земной орби­ты существенно не меняют приходящей к Земле суммар­ной радиации, но она перераспределяется между полу­шариями, широтными зонами, различными сезонами.

Если предположить, что эллиптичность орбиты, харак­теризуемая эксцентриситетом,— единственный климатообразующий фактор, то полушарие, находящееся в периге­лии зимой (как сейчас северное полушарие), должно иметь более длинные и прохладные летние сезоны. В противопо­ложном полушарии — в апогее зимой — более короткие теплые летние сезоны и более продолжительные холодные зимы. Сезонные контрасты должны быть увеличены в пе­риод максимальной эллиптичности орбиты, как примерно 20 тыс. лет назад, когда наблюдался один из наибольших максимумов этого параметра. Период таких изменений составляет порядка 90—100 тыс. лет. В настоящее время мы медленно приближаемся к периоду наименьшей эл­липтичности, когда сезонные контрасты должны умень­шиться.

Временной ход эксцентриситета за последние 500 тыс. лет приведен на рис. 10, а. Этот фактор указывает на при­ближение к новой ледниковой эпохе. Временной ход угла наклона земной оси е за тот же период приведен на рис. 10, б. Хорошо видно, что последний максимум угла наклона наблюдался почти 8—10 тыс. лет назад, что соот­ветствует времени существования климатического опти­мума. Следующий минимум ожидается примерно через 20 тыс. лет. При минимальном угле наклона е контрасты между сезонами будут наименьшими. При максимальном угле наклона различия в тепловой энергии, достигающей Земли, между летними и зимними сезонами будут наи­большими. Этот эффект происходит синхронно в северном и южном полушариях и зависит от широты. Он мал у эк­ватора и имеет максимум у полюсов. Так, средняя инсо­ляция летом на широте 45° изменяется на 1,2% на каж­дый градус изменения угла 8, а амплитуда инсоляции (при амплитуде этого угла за последние 500 тыс. лет в 2,6°) составляет примерно 3%. Однако для широты 65° одному градусу изменения угла наклона оси соответствует изменение инсоляции на 2,5%. Амплитуда же инсоляции для этой широты составит уже 6,5%. Таким образом, в пе­риод максимальных углов наклона земной оси ледники должны отступить, а интенсивность циркуляции атмосфе­ры увеличиться; при уменьшении угла е наоборот. В ближайшем будущем (рис. 10, б) следует ожидать уменьше­ния угла наклона оси, что приведет к наступлению лед­ников и уменьшению контрастов между сезонами.

Изменение параметров земной орбиты и наклонов оси вращения

Изменение параметров земной орбиты и наклонов оси вращения

Третий параметр, который влияет на величину So и климат,— прецессия орбиты. Эффект влияния данного фактора с периодом порядка 21 тыс. лет проявляется в одной фазе в северном и южном полушариях и не зависит от широты. В настоящее время Земля и Солнце ближе всего находятся друг от друга в январе (лето в южном полушарии). Но 10 тыс. лет назад это происходило в июле. Следовательно, еще через 10—11 тыс. лет картина станет обратной: летом южного полушария Земля будет дальше от Солнца, а летом северного ближе. В результате лето южного полушария и зима северного полушария ста­нут еще холоднее, а зима южного полушария и лето се­верного — несколько теплее. Временной ход индекса, характеризующего прецессию орбиты, приведен на рис. 10, в.

На рис. 11 приведен временной ход суммарной инсо­ляции, вычисленной Бреккером и Ван Донком в 1970 г. для трех широтных кругов (45°, 55° и 65° с. ш.) за послед­ние 500 тыс. лет. Данные позволяют сделать вывод, что чередование ледниковых-межледниковых эпох удивитель­но хорошо согласуется с периодами колебания параметров земной орбиты и наклона оси Земли. При учете всех трех факторов амплитуды изменения инсоляции составили около 5% относительно средних летних значений, что весьма много. Это равноценно изменению инсоляции вследствие уменьшения солнечной постоянной примерно на те же 5%.

Временной ход летней инсоляции

Временной ход летней инсоляции

Изменения инсоляции такой величины вполне могут объяснить колебания климата в течение последних 500 тыс.— 1 млн. лет. Устойчивого уменьшения инсоляции на несколько процентов достаточно, чтобы объяснить по­явление крупных оледенений и их ослабление. Во всяком случае, на рис. 11 отчетливо видно совпадение увеличения инсоляции с климатическим оптимумом 8—10 тыс. лет назад, а уменьшение — с последним ледниковым периодом. Согласуются и другие эпохи потепления и похолодания климата в прошлом. Детальные расчеты советских специа­листов показали, что очередной минимум инсоляции, ко­торый почти на 5% ниже современной величины инсоля­ции, будет наблюдаться через 11 тыс. лет.

Анализируя эпохи оледенения Земли, следует иметь в виду, что изменение орбитальных параметров Земли и наклона ее оси вращения должно было отразиться на ши­ротных контрастах температуры, что в свою очередь долж­но повлиять на характер циркуляционных процессов в ат­мосфере. Поэтому строгого соответствия периодов мини­мальной инсоляции и максимального оледенения может и не быть. К тому же на этот механизм накладывается влия­ние и других факторов.

Однако из всех естественных причин, вызывающих изменения климата, колебания параметров земной орбиты и как следствие инсоляция — наиболее реальные и более или менее ясно понимаемые климатообразующие факто­ры. На основании экстраполяции рассмотренных пара­метров можно сделать вывод о том, что ход естественных процессов приближает нас к новому ледниковому перио­ду, который может наступить через несколько тысяч лет. Сейчас Земля находится в фаземежледниковья и при­ближается к эпохе оледенения со средней скоростью уменьшения инсоляции порядка 0,2—0,4% за тысячу лет.

Вторая группа факторов, относящаяся к астрономическим и влияющая либо на So, либо на внутриатмосферные механизмы,— процессы на самом Солнце. Данная группа факторов относится к проблеме, получившей в последние воды название «солнечно-земные связи в погоде и клима­те». И хотя эта проблема одна из старейших, она до сих пор принадлежит к числу остродискуссионных и имеет как горячих приверженцев, так и непримиримых противников. Однако противников признания влияния солнечно-атмо­сферных связей на погоду и климат становится все мень­ше, а их аргументация слабеет на фоне появления новых экспериментальных и теоретических работ, подтверждаю­щих наличие таких связей.

На Солнце существует много процессов, характеризую­щих его активность. Но наибольшее внимание всегда уде­лялось солнечным пятнам как признаку солнечной актив­ности, т. е. они имеют самый длительный ряд наблюдений. Средний диаметр солнечных пятен около 37 тыс. км, а наи­больший — до 245 тыс. км. Средняя температура в них почти на 2000 К ниже, чем эффективная температура фотосферы. Магнитное поле солнечных пятен много выше, чем в целом для диска Солнца, а полярность лидирующе­го пятна в биполярной группе противоположна полярно­сти следующего за ним пятна.

В последние годы появились научные работы, в кото­рых делается попытка на основе магнитно-гидродинами­ческой теории объяснить существование циклов солнеч­ных пятен. Такая работа, в частности, выполнена А. С. Мо­ниным. Имеются, однако, и другие идеи, связывающие цикличность в появлении солнечных пятен с аномалиями в поле гравитации, создаваемыми планетами Солнечной системы.

Ниже мы воспользуемся данными о солнечных пятнах для характеристики истории климата. Но при этом все же следует помнить, что при объяснении физических ме­ханизмов влияния солнечной активности на погоду и климат необходимо обращаться и к другим признакам ак­тивности Солнца, наблюдения за которыми организованы сравнительно недавно или даже в самые последние годы.

Впервые солнечная активность по солнечным пятнам была проанализирована в 1843 г. астрономом Г. Швабе, По данным наблюдений за 1826—1843 гг. он установил 10-летний цикл в поведении солнечных пятен. Но их су­ществование было замечено раньше. Так, в Китае было засвидетельствовано наличие больших солнечных пятен на Солнце по крайней мере в XV столетии. В то же время Г. Галилей отметил период отсутствия солнечных пятен около 1610 г. Р. Вольф ввел некоторый комбинированный индекс солнечных пятен, получивший название чисел Вольфа. Он построил временной ход чисел с 1700 по 1847 г. С 1848 г. по настоящее время этот ряд непрерыв­но пополняется.

Кроме того, по историческим записям и радиоуглерод­ному анализу срезов деревьев числа Вольфа были восста­новлены примерно за последнюю тысячу лет. Оказалось, что они варьируют от 0 до 10 в годы минимума и от 50 до 100 и более в годы максимума солнечной активности (ежедневные вариации колеблются между 0 и 355 или даже больше). В среднем длина цикла пятен оказалась равной 11 годам, хотя она варьирует от 8,5 до 14 лет меж­ду соседними минимумами и от 7,3 до 17 лет между сосед­ними максимумами. В 1784—1797 и 1843—1856 гг. длина цикла была 13 лет. Солнечным циклам дана нумерация. Так, с минимума 1755 до минимума 1766 г. был первый цикл, 20-й цикл — с 1964 по 1976 г. Сейчас наблюдается 21-й цикл солнечных пятен, который, по-видимому, явля­ется одним из наиболее активных. На рис. 12 приведены солнечные циклы с 1755 по 1978 г. Неоднородность циклов видна даже на глаз, а в деталях это обнаруживается стро­гими методами анализа. Кроме 11-летней цикличности, можно заметить и более длительные периоды. Так, группа 1, 2, 3 и 4-го циклов сходна с группой 17, 18, 19, 20-го циклов, что дает 180-летнюю периодичность. Группы 5, 6, 7-го и 12, 13, 14-го циклов также сходны, что дает 80-лет-ний цикл солнечных пятен. Их наличие выявляется и бо­лее строгими методами статистического анализа.

Характеристика циклов солнечной активности

Характеристика циклов солнечной активности

Если принять во внимание магнитные характеристики солнечных пятен, то на основе этого признака объединяют циклы попарно, т. е. считается, что каждый нечетный цикл имеет положительную полярность, а каждый чет­ный—отрицательную. В сумме нечетная и четная пара циклов дает 22-летний цикл солнечной активности.

Впервые 22-летний цикл, по-видимому, был введен в 1008 г. Хейгом. В последнее время эта идея была суще­ственно развита в работах А. И. Оля и других ученых. Она стала одной из наиболее признанных методик прог­ноза солнечной активности, разработанной А. И. Олем. На рис. 13 показаны осредненные характеристики чисел Вольфа с 1050 г., восстановленные по радиоуглероду 14С, а также кривая солнечных циклов за период наблюдений с 1700 г. Хорошо видно, что периоду климатического оп­тимума в X—XIII вв. (1100—1250 гг.) соответствовал мак­симум чисел Вольфа, малому ледниковому периоду, который был ярко выражен в 1450—1700 гг.,— минимум.Более детально в числах Вольфа выделяются минимумы Спорера и Маундера в 1460—1550 и 1645—1715 гг. Им от­вечали наиболее холодные интервалы времени малого лед­никового периода. Похолодание в 1812—1921 гг. также совпадает с минимумом солнечных пятен.

Характеристика солнечной активности по числам Вольфа

Характеристика солнечной активности по числам Вольфа

013_a

Однако есть и некоторые отклонения. Так, в 1600 г. отмечается небольшой максимум солнечных пятен. Выше говорилось, что в ряде мест Европы в то время был холод­ный климат, который соответствовал одному из макси­мумов наступления альпийских ледников. По-видимому, эта часть рисунка нуждается в уточнении, поскольку и по наблюдениям Г. Галилея около 1610 г. солнечные пят­на отсутствуют *. Следует заметить, что наступление и от­ступление альпийских ледников несколько сдвинуты от­носительно фаз минимума и максимума солнечных пятен. Так, максимум наступления альпийских ледников падает на 1760—1790 гг., а в горах Кебнекайсе в Северной Шве­ции на 1780 г. Норвежские и исландские ледники достиг­ли максимального развития в 1740—1750 гг. Максимум в 1850—1860 гг. был отмечен в Исландии, Норвегии, Север­ной и Южной Америке.

Это лишний раз свидетельствует о сложности и мно­гообразии действующих факторов, которые накладывают свой отпечаток на климат. Объяснять все климатические изменения одной солнечной активностью нельзя, точно так же, как нельзя и отвергать ее. Однако в укрупненных показателях связь колебаний солнечных пятен в послед­нем тысячелетии с колебаниями климата прослеживается, и это не позволяет легко отвергнуть связь изменений солнечной активности с изменениями климата.

Для более короткопериодических колебаний следует обратиться к многочисленным поискам связей изменения осадков, температуры, давления, ветра, повторяемости за­сух и других явлений с более короткими циклами солнеч­ной активности— 11, 22, 80-летним и др. Таких исследо­ваний было выполнено много. Иногда эти связи достаточ­но хорошо характеризовали 11-летний цикл, иногда на передний план выступал 22-летний цикл. В одних райо­нах они были положительными, в других — отрицатель­ными. Отмечались случаи, когда после периода хорошей корреляции индексов солнечной активности (чисел Воль­фа или индексов Кр и АР) с теми или иными характери­стиками климата наступали периоды резкого нарушения связей.

Все это породило закономерную неуверенность в та­ких связях и даже полное отрицание их. Для скептицизма были основания, по крайней мере в силу двух причин. Первая заключается в том, что в ряде случаев вслепую искались коэффициенты корреляции между числами Воль­фа и любыми характеристиками не только погоды и климата, но и совершенно случайных явлений. Вторая причина объясняет до некоторой степени первую и свя­зана с отсутствием в прошлом серьезных исследований по изучению физических механизмов влияния солнечной активности на погоду и климат. Без знания таких меха­низмов или хотя бы научно аргументированных гипотез их существования поиски статистических связей вслепую не могут дать существенного сдвига в понимании проблемы. В настоящее время в этом направлении сделано мно­го. Но прежде чем перейти к этому вопросу, рассмотрим вкратце связи между солнечной активностью и климатом.

На основе анализа индексов, характеризующих возму­щающий потенциал гравитационного взаимодействия та­ких планет, как Земля, Меркурий, Венера, Марс, Луна, Сатурн, Юпитер, Нептун, установлены периодичности, ко­торые близки к периодам солнечной активности. Так, пе­риоды 5,5; 10,4; 11,1; 11,8; 89,5; 179,2 лет соответствуют названным выше циклам солнечной активности. Следова­тельно, в основе физической природы солнечной актив­ности (хотя солнечные пятна и числа Вольфа далеко не полностью характеризуют солнечную активность), как и в основе колебаний параметров земной орбиты, лежит возмущающее влияние поля гравитации вследствие взаим­ного расположения планет Солнечной системы. Правда, эта точка зрения иногда и оспаривается в пользу магнит­но-гидродинамических процессов внутри Солнца.

Для глобальной приземной температуры воздуха ее корреляция с 11-летним циклом солнечных пятен меня­ется от отрицательной к положительной от 1958—1963 к 1974—1975 гг. Наблюдалась положительная корреляция полезной потенциальной энергии северного полушария с 11-летним циклом солнечной активности за 1880—1972 гг. Она несколько ухудшалась в 30—40-е годы и в начале 70-х годов.

В Центральной Англии в июле температура у поверх­ности была в фазе с 22-летним солнечным циклом с 1750 по 1830 г. и с 1860 по 1880 г. После 1880 г. связь оказа­лась лучше с 11-летним циклом. Периоды нарушений были между 1830-1860 и после 1880 г.

Температуры в тропиках имели отрицательную корре­ляцию с 11-летним циклом до 1920 г. и положительную до 1950 г. Связь нарушилась между 1920—1925 гг.

В Аделаиде (Австралия) наблюдалась отрицательная корреляция с 22-летним циклом до 1922 г., затем нару­шилась. Уровень воды в озере Виктория, являющийся хо­рошим индикатором осадков, имел положительную кор­реляцию с 11-летним циклом с 1880 по 1930 г. Затем связь нарушилась, а после 1950 г. вновь восстановилась, но уже как отрицательная. За 1888-1973 гг. (кроме 1923-1943 гг.) была установлена хорошая корреляция между западно-восточным смещением центра Исландского минимума и 22-летним циклом солнечной активности.

Таких примеров немало. Они могут быть дополнены связью солнечной активности с косвенными характери­стиками климата и климатическими аномалиями. Так, для ряда пунктов была установлена хорошая корреляция чи­сел Вольфа с числом гроз. В 1888—1924 гг. для Сибири коэффициент корреляции был 0,88. Для других районов мира он в основном не превышал 0,3—0,4.

В последние годы установлена достаточно надежная корреляция содержания озона с солнечной активностью. Она имеет серьезное физическое обоснование. В настоя­щее время трудно установить надежность такой связи за длительный период из-за ограниченного времени наблюдений за озоном. Однако установлено, что в период солнеч­ных вспышек резко меняется концентрация озона.

В Советском Союзе Т. В. Покровской, В. А. Дьяковым и другими исследователями установлена связь вероятно­сти появления засух с фазами солнечной активности. Для европейской территории СССР, например, и Западной Си­бири эти связи находятся в противофазе.

Имеющиеся фактические данные по проблеме солнеч­ной активности могут свидетельствовать, по крайней мере, о следующем. Связь между климатическими явлениями и 11 и 22-летним циклами солнечной активности сущест­вует. Однако она не однозначна в силу большого количе­ства факторов, влияющих на климат и действующих од­новременно.

Установленные связи могут иметь различный знак в различных регионах и в различные периоды времени. В значительной мере это зависит от того, на фоне каких естественных процессов происходит воздействие солнечной активности.

Природа неоднозначности связей, их изменений во вре­мени и пространстве не может быть понята и использова­на для объяснения изменений климата в прошлом, а тем более для прогноза будущего климата, пока не будут вскрыты физические механизмы связи солнечной актив­ности с погодой и климатом.

Проблема выяснения физических механизмов, объяс­няющих связь между процессами на Солнце и изменения­ми погоды и климата, была поставлена в ряд физических проблем совсем недавно, менее 10 лет назад. Рассмотрим основные идеи, обосновывающие те или иные физические механизмы, и их аргументацию.

Солнечная активность, помимо солнечных пятен, про­является в широком спектре колебаний электромагнитного излучения, начиная от жесткого ультрафиолетового, ви­димого, инфракрасного, радиоизлучения и кончая корпус­кулярным излучением, магнитными бурями и др. Некото­рые из этих характеристик солнечной активности связаны с солнечными пятнами.

Перечислим главные физические механизмы солнечно-атмосферных связей. Прежде всего — это изменения ин­тегральной солнечной постоянной и излучения Солнца в узких спектральных интервалах ультрафиолетового и ви­димого излучения Солнца, на которые приходится мак­симум излучаемой солнечной энергии.

В различные периоды определения солнечная постоян­ная колебалась от 1,75 до 2,03 км/см2 мин. В последние годы Национальной администрацией США по аэронавтике и космическим исследованиям (НАСА) была предприня­та серия попыток измерить солнечную постоянную с высотных самолетов (потолок ~12 км), баллонов (~27— 35 км), ракет (~82 км), космических кораблей Мари-нер-6 и Маринер-7 за пределами земной атмосферы. В ре­зультате величина солнечной постоянной для всех инже­нерных и в первую очередь космических расчетов при­нята равной 1,940+0,03 кал/см2мин (1356±20 Вт/м2). Величина неопределенности, таким образом, составляет около 1,5%, значит, мы не можем утверждать, что изме­нений интегральной солнечной постоянной не происходит.

В самые последние годы измерения солнечной постоян­ной проводились на спутниках серии Маринер и Нимбус. В 1969 г. во время полета к Марсу спутника Маринер-6 измерялась интегральная солнечная постоянная. Ее коле­бания были порядка 0,1% и находились на пределе точ­ности измерений. В 1975 г. на спутнике Нимбус-6, в 1978 г. на Нимбус-:7 эти измерения были выполнены с большей точностью. Они показали наличие колебаний солнечной постоянной с амплитудой порядка 0,15% (ап­рель 1980 г.). Периодичность их — от нескольких дней до нескольких недель и более. Была установлена связь ко­лебаний солнечной постоянной (0,1—0,2%) с числом сол­нечных пятен по ежедневным данным. Хотя эти величи­ны малы, но для длительных климатических изменений их следует принимать в расчет.

Более ранние измерения К. Я. Кондратьева и Г. А. Ни­кольского позволили установить зависимость (она оказалась нелинейной) между изменениями солнечной постоян­ной и числами Вольфа в 11-летнем цикле солнечной актив­ности. Интегральная солнечная постоянная может и не меняться на большом удалении от Земли и тем более вбли­зи Солнца. Однако вследствие других физических меха­низмов солнечная активность может влиять на ионизацию верхних слоев атмосферы и образование окислов азота, которые, с одной стороны, воздействуют на фотохимию озона, а с другой — непосредственно меняют характер по­глощения ультрафиолетовой радиации. В результате ме­няется не астрономическая, а метеорологическая солнеч­ная постоянная. Но причина этих изменений все же — солнечная активность.

К настоящему времени в США проведены эксперимен­ты по определению со спутников спектральных характе­ристик солнечной постоянной практически во всех интер­валах солнечного излучения за пределами атмосферы. В спектральных интервалах с центром 0,12; 0,18 и 0,26 мкм с помощью спутников обнаружены вариации в интенсивности солнечного излучения. Амплитуды их со­ставили соответственно 7; 37,6; 0,9%.

Таким образом, есть основания говорить о возможных изменениях интегральной и спектральной характеристик солнечной постоянной. Влияние изменения интегральной солнечной постоянной может проявить себя непосредст­венно. Подобно тому как изменение альбедо нашей пла­неты на 1—2% или аналогичное изменение параметров земной орбиты непосредственно меняют инсоляцию, а сле­довательно, и климат, изменение солнечного излучения может вызвать подобный же эффект.

Один из признаков солнечной активности — солнечные вспышки, которые обычно происходят внутри района, ок­руженного большой биполярной группой солнечных пя­тен, и продолжаются от нескольких минут до нескольких часов. Их повторяемость имеет положительную корреля­цию с 11-летним циклом солнечной активности. Максимум повторяемости вспышек совпадает с максимумом солнеч­ных пятен, вторичный максимум вспышек отмечается че­рез несколько лет после главного максимума солнечных пятен. Космические лучи и ультрафиолетовое излучение от вспышек достигают Земли примерно за 8 мин. и произ­водят интенсивную ионизацию верхней атмосферы, начи­ная со слоя D и ниже. Этот эффект приводит к образова­нию окислов N, меняющих спектральное поглощение солнечной радиации атмосферы и метеорологическую солнеч­ную постоянную. Проявляется этот эффект регионально.

Кроме того, протонные вспышки на Солнце порожда­ют корпускулярные потоки, которые проникают в верх­нюю атмосферу в зоне геомагнитных полюсов. Эти части­цы, помимо ионизации верхних слоев, проникают вплоть до уровня 10 мб и ниже и поглощаются атмосферой. В свя­зи с этим происходит дополнительное нагревание верхней атмосферы в зоне полярных шапок, ее «выпучивание» и отток массы, что, по мнению некоторых ученых, приводит к углублению Исландского минимума и усилению интен­сивности западно-восточного переноса. В частности, та­кой точки зрения придерживается известный чехословац­кий геофизик В. Буха. Подобный же эффект производят космические лучи галактического происхождения. Их ин­тенсивность также зависит от 11-летнего цикла и более длительных солнечных циклов, от высоты, магнитной ши­роты и изменений магнитной структуры Солнца, т. е. от секторной структуры магнитного поля Солнца.

Вариации изменения интенсивности космических лучей исследованы достаточно хорошо в 18, 19 и 20-м 11-летних циклах примерно с 1952 по 1972 г. Так, их интенсивность в период минимума солнечных пятен в 1954 г. была на 20% ниже, чем в период максимума в 1958 г. Максимум ионизации атмосферы в результате действия космических лучей приходится на высоты 12—20 км.

Поскольку активность Солнца проявляется и в изме­нениях магнитного поля, в последнее время введено не­сколько индексов, характеризующих магнитную актив­ность Солнца, среди них наиболее распространенные — Kр, Aр, С, Ср и др.

Мы упомянули о влиянии солнечной активности на атмосферу не непосредственно, а через озон. Поясним кратко этот механизм. Озон — бесцветный газ с характер­ным запахом, который образуется в стратосфере при воз­действии на молекулярный кислород ультрафиолетовой радиации Солнца. Двухатомная молекула О2расщепляет­ся на атомарный кислород, который затем вступает в реакцию с другими молекулами О2. В результате образу­ется трехатомное соединение кислорода О3 — озон.

Суммарное содержание озона невелико, не более 0,5% массы атмосферы. Максимум концентрации озона по объ­ему находится на высоте порядка 34 км, максимальная плотность — на высоте 25 км. Еще в конце XIX в. высказывалось предположение, что наблюдаемый для волн ко­роче 0,3 мкм «обрыв» солнечного излучения, приходящего к Земле, обусловлен поглощением ультрафиолетовой ра­диации озоном. В начале XX в. гипотеза была надежно обоснована.

По этой причине спектральные изменения солнечной активности в полосах поглощения озона даже при прак­тической неизменности солнечной постоянной могут влиять на его фотохимию. Уже отмечалось, что в интервале 0,17— 0,21 мкм зарегистрированы случаи изменения интенсив­ности солнечного излучения, связанные с солнечной ак­тивностью. Даже если допустить, что интенсивность сол­нечного излучения в этом узком интервале изменится на 100%, то интегральная солнечная постоянная — всего лишь на 0,01%. Однако изменения излучения в этом ин­тервале вызовут колебания концентрации озона, что за­метно изменит тепловой режим стратосферы (порядка Градусов и десятков градусов) и незначительно — темпе­ратуру вблизи поверхности (десятые доли градусов и градус).

Колебания концентрации озона влияют на биологиче­скую систему человека, особенно кожу, которая весьма чувствительна к радиации с длинами волн порядка 0,3 мкм. Избыток радиации вызывает старение кожи, ожо­ги. Расчеты показывают, что среднее сокращение озона на 5% приводит к увеличению ультрафиолетовой радиа­ции в области 0,3 мкм на 5—10%. На климат это влияет мало, но биологический эффект велик и еще не совсем оценен.

Для климата важны и другие малые примеси, образо­вание которых связано с солнечной активностью. Наша атмосфера в основном состоит из N и О2, при обычных условиях не соединяющихся. Но под действием иониза­ции вследствие солнечной активности N с О2 соединяется. В результате происходят следующие фотохимические реакции:

F_002

Таким образом, непрерывно разрушаются как сам озон, так и атомарный кислород.

Однако окислы N сами в состоянии поглощать ультра­фиолетовую солнечную радиацию. Потому и уменьшается метеорологическая солнечная постоянная. Предполагает­ся, что увеличение повторяемости космических лучей сол­нечного и галактического происхождения, связанное с сол­нечной активностью, может влиять на климат более кар­динально, чем только через озонный слой.

Остановимся еще на одном механизме влияния солнеч­ной активности на погоду и климат. В последнее время было установлено, что высокоэнергичные солнечные кор­пускулярные потоки могут проникать до уровня 300 мб и производить ионизацию. Образующиеся в результате ионы становятся ядрами кристаллизации.

За счет разности упругости насыщения водяного пара надо льдом и водой на этих ядрах сублимируется водя­ной пар из окружающего воздуха и появляются облака типа перистых. Подобный механизм был промоделирован А. А. Дмитриевым в специальных камерах. Обработав большое количество данных, он показал, что в период солнечной активности действительно чаще наблюдаются перистые облака. Всплеск рентгеновского излучения на Солнце вызывает увеличение облачности в обоих полуша­риях на 0,25—0,5 балла. Это может привести к уменьше­нию радиационного баланса в среднем на 1—2%. В от­дельных районах, в частности в полярных, после сильных вспышек рентгеновских лучей облачность возрастает на 2—3 балла, меняя радиационный баланс на 10—20% (при­мерно на 12 Вт/м2). Температура при этом снижается от 1,1° в умеренных широтах до 3°С в Полярном бассейне.

Выполненные автором данной работы и его коллегами численные эксперименты с простейшими климатическими моделями и более полными моделями общей циркуляции атмосферы показали, что климатический эффект от влия­ния перистой облачности весьма заметен.

Примеры показывают, что процессы на Солнце могут влиять на погоду и климат как непосредственно, так и косвенно. И здесь астрономические факты тесно перепле­таются с возбуждением солнечной активностью внутри-атмосферных процессов.

В 1979 г. в США были опубликованы данные о деталь­ном изучении процессов на Солнце и солнечной актив­ности американскими космонавтами с 14 мая 1973 г. по 8 февраля 1974 г. на космическом корабле Скайлеб. Эти исследования проводились с помощью различных теле­скопов в интервале длин волн от 2 до 7000 А в периодми­нимума солнечной активности. Специальное оборудование позволило изучать процессы в солнечной короне, хромо­сфере, фотосфере и в переходном слое между хромосфе­рой и короной.

Согласно современным представлениям, температура поверхности фотосферы достигает порядка 6050 К, повы­шаясь к центру Солнца до 15 млн. К. Температура в хро­мосфере, толщина которой порядка 2 тыс. км, сначала несколько падает в нижнем слое до 4300 К, а затем растет. В переходном слое толщиной несколько сот километров температура резко растет, достигая в короне нескольких миллионов градусов. Во время вспышек солнечной актив­ности высота хромосферы может подниматься на 15— 16 тыс. км в сторону короны.

Проведенные наблюдения показали, что даже в период минимума солнечных пятен в 11-летнем цикле было за­регистрировано очень много проявлений солнечной актив­ности, особенно в конце мая-июне, в августе-сентябре, ноябре-декабре 1973 г. и январе 1974 г. В атмосфере Солнца (в хромосфере и короне) были зарегистрированы активные зоны, размеры которых сопоставимы с площадью поверхности Земли. Температура в этих зонах на несколь­ко миллионов градусов выше, чем в окружающих районах.

Очень сильно менялось магнитное поле. Достаточно, например, сравнить: магнитное поле Земли у полюса со­ставляет 0,7 Гс, а вблизи экватора 0,3 Гс, в среднем для Солнца от 1 Гс в зоне полюсов до 20—25 и даже 200 Гс в хромосфере. Магнитное поле солнечных пятен, по раз­мерам соизмеримых с Землей,—3 тыс. Гс. Со Скайлебабыли зарегистрированы исключительно интенсивные про­цессы на Солнце во всех участках исследуемого спектра.