Рис. 4.15. Вариации солнечной постоянной и чисел Вольфа по спутниковым данным

Внеатмосферные измерения последних двух десятилетий по- казали, что вариации солнечной активности за 11-летний цикл из- меняют среднее значение «солнечной постоянной» не более чем на 0,2 %, причем это изменение происходит в фазе с числом пятен на Солнце (рис. 4.15).

Исследование высокоточных измерений солнечной постоянной показывает, что ее колебания с амплитудой в 1,3 Вт м–2 или 0,1 % в течение 11-летнего цикла Солнца аналогичны соответствующе- му колебанию уровня активности как по фазе, так и по амплитуде [17, 33]. Наряду с такими 11-летними вариациями непосредственно обнаружено наличие также и вековой составляющей в вариациях солнечной постоянной, скоррелированных с вековыми вариация- ми уровня его активности [14]. Синхронность колебаний солнеч- ной постоянной и чисел Вольфа свидетельствует об одинаковой природе процессов изменения температуры ядра Солнца. Имеет место зависимость между солнечной постоянной S0 и параметрами

Солнца [1]:

S	R 2T 4 /A2 ,	(4.4)
0	0

121

где А – астрономическая единица, обусловленная изменения- ми радиуса Солнца R0 и эффективной температуры Т фотосферы.

Установлено, что долговременная циклическая вариация сол- нечной постоянной S0 фактически целиком является результатом

соответствующего изменения площади излучающей поверхности фотосферы Солнца при сохранении ее эффективной температуры практически неизменной:

S0 S0 2 R0 R0 4 T T .

(4.5)

Из (4.5) следует, что больший радиус Солнца связан с высоким уровнем активности, меньший – с низким, поэтому считать, что Солнце – это пульсирующая звезда с периодами 11, 80 и 200 лет и

со связанными между собой вариациями активности, радиуса и
S0 c f j a si F v ,	(4.6)

потока радиации. Еще одной формулой для оценки изменения сол-

нечнойгде f – относительнаяпостоянной вплощадьзависимостипроекцииот вспышечнойотдельных факелов;деятельностиc – х Сколнцантрстность;являетсяsформула– проекцияЕ.П.наБордисксенкСолнцава[4]:индивидуальных пя- тен; a – их контрастность, F(v) – уменьшение яркости диска к его краю.

Последовательность событий в системе «Солнце – Земля» мож- но проследить, наблюдая цепочку явлений, сопровождающих мощ- ную вспышку на Солнце – высшее проявление солнечной активно- сти [7, 11]. Последствия вспышки (рис. 4.16) начинают

сказывать-	ся в околоземном пространстве почти одновременно с
событиями	на Солнце, так как время распространения

электромагнитных волн от Солнца до Земли чуть больше 8 мин. В частности, ультрафио- летовое и рентгеновское излучения вызывают дополнительную ио- низацию верхней атмосферы, что

приводит к ухудшению или даже	полному	прекращению
радиосвязи (эффект Деллинджера) на	осве- щенной стороне
Земли. Обычно мощная вспышка сопровождается		испусканием

большого количества ускоренных частиц – солнечных космических лучей (СКЛ). Самые мощные из них с энергией бо- лее 108–109 эВ начинают приходить к Земле спустя 10 мин после максимума вспышки. Повышенный поток СКЛ с энергией менее 108 эВ у Земли может наблюдаться через несколько десятков часов.

Вторжение СКЛ в ионосферу полярных широт вызывает допол- нительную ионизацию и, соответственно, ухудшение радиосвязи на коротких волнах. Усиленные потоки СКЛ представляют собой

Рис. 4.16. Схематическое изображение эффектов, наблюдаемых на Земле после мощной вспышки: 1 – видимое излучение вспышки; 2 – радиоизлучение высокой частоты; 3 – радиоизлучение низкой частоты; 4 – солнечные космические лучи; 5 – вариации галактических космических лучей (эффект Форбуша);

6 – поглощение космических радиошумов в полярных областях Земли; 7 – вариации геомагнитного поля (магнитная буря). По вертикальной оси отложена условная амплитуда эффектов, по горизонтальной – время в часах после начала солнечной вспышки

также один из главных источников радиационной опасности для экипажей и оборудования космических кораблей.

Вспышка генерирует мощную ударную волну и выбрасывает в межпланетное пространство облако плазмы. Двигаясь со скоро- стью свыше 100 км/с, ударная волна и облако плазмы за 1,5–2 суток достигают Земли и вызывают магнитную бурю, понижение интен- сивности галактических космических лучей (ГКЛ), усиление поляр- ных сияний, возмущения ионосферы и т.д. Имеются

статистические	данные	о	том, что через 2–4 суток после
магнитной бури происхо-		дит заметная перестройка барического
поля тропосферы. Это при-			водит к увеличению нестабильности

атмосферы, нарушению харак- тера циркуляции воздуха. Мировые магнитные бури представляют собой крайнюю степень возмущенности магнитосферы в целом. Более слабые, но более частые возмущения, называемые суббурями, развиваются в магнитосфере полярных областей. Еще более слабые возмущения возникают вблизи границы магнитосферы с солнечным

ветром. Причиной возмущений последних двух типов являются флуктуации мощности солнечного ветра. При этом в магнитосфере генерируется широкий спектр электромагнитных волн с частотами 0,001–10,0 Гц, которые свободно доходят до поверхности Земли. Во время магнитных бурь интенсивность этого низкочастотного излучения возрастает в 10–100 раз. Большую роль в геомагнитных возмущениях играет межпланетное магнитное поле (ММП), особен- но его южный компонент, перпендикулярный плоскости эклиптики. Со сменой знака радиального компонента ММП связаны асимме- трии потоков СКЛ, вторгающихся в полярные области, измене- ния направления конвекции магнитосферной плазмы и ряд других явлений.

Хотя не все звенья цепочки солнечно-земных связей (см. рис. 4.14) одинаково изучены, в общих чертах картина влияния представляется качественно ясной. Количественное исследование этой сложной проблемы с плохо известными начальными и гранич- ными условиями затруднено из-за незнания конкретных физических механизмов, обеспечивающих передачу энергии между отдельными звеньями.

Главная критика значимого воздействия солнечной активно- сти на динамику атмосферы и климата состоит в том, что энерге- тический вклад вспышечной активности небольшой по сравнению с общей приходящей радиацией, как показано в табл. 4.1 [12, 13]. Поэтому обычно рассматривается не прямое воздействие солнеч- ной активности на рост глобальной температуры, а опосредованное, связанное с изменением электрических и

химических показателей	атмосферы и последующим включением
триггерного механизма,	приводящего к скачкообразному

изменению климатических харак- теристик [6].

В настоящее время рассматриваются следующие основные ме- ханизмы воздействия гелиогеофизических факторов на нижнюю атмосферу:

–прямое влияние изменения солнечной постоянной и инфра- красного излучения во время магнитных бурь;

– озоновый механизм;

–воздействие солнечной активности на параметры атмосфер- ного электричества;

– конденсационный механизм;

–гидродинамическое взаимодействие верхних и нижних слоев атмосферы.

					Таблица 4.1
	Источники радиации, их энергетический вклад, вариации
	и уровень поглощения в атмосфере
	Источник	Общая	Изменения		Уровень
			в солнечном цикле		поглощения
		энергия, Вт/м2
			Вт/м2	%	в атмосфере,
					км
		Солнечная радиация
	Общая радиация	1366	1,3	0,1	Поверхность и
					вся
					атмосфера
	Видимая и инфракрасная	1090	1,1	0,1	Поверхность и
	(300–1200 нм)				вся
					атмосфера
	УФ (200–300 нм)	15,4	0,16	1,0	10–50
	Рентген и УФ (0–200 нм)	0,1	0,02	–20	50–500

		Энергетические частицы
1) Прямое влияние изменения солнечной постоянной.
Солнечные протоны		0,002	30–90
Наибо-	лее	простым для понимания	является механизм,

основанный на из- менении солнечной постоянной, который
ГКЛ	0,000007	,		0–90	(4.7)
основан на соотношении: T0 S S0
	0		S0
где Т0 – изменение глобальной температуры;				– изменение сол-
Солнечный ветер	0,0003			???

нечной постоянной; βSo – коэффициент чувствительности климати-

ческой системы.

Как было показано в Лекции 1, коэффициент βSo пока не может

быть точно	определен, он зависит от типа и полноты
няется практически на порядок: β					= 0,03–0,3 К/(Вт·м2). Поэтому
климатической	модели, степени учетаSo					обратных связей и других
если		нижнего предела β		So	= 0,03, то для изменения гло-
факторовисходитьизме-
бальной температуры на 1°, то есть					Т = 1 К, требуется изменение
солнечной постоянной			S0= 33,3 Вт/м2,0 или 2,4 %, что бывает очень
редко. Однако при верхнем пределе βSo = 0,3 для изменения тем-
пературы на градус требуется всего					S 0= 3,3 Вт/м2, или 0,2 %, что
наблюдается довольно часто. При этом по палеоданным получено,
что β = 0,7 К/Вт м–2, и изменение				Т = 1 К имеет место уже при
So					0
S = 1,4 Вт/м ,2	или 0,1 %, что из рис. 4.15, и является естественной
0
вариацией солнечной постоянной.

2) Механизмы, связанные с радиационно-химическими про- цессами. Концентрация озона в стратосфере зависит от интенсив- ности вариаций ультрафиолетового излучения в различных длинах

125

волн. Если ультрафиолетовое излучение при λ < 230 мк приводит к росту концентрации озона, то при больших длинах волн (поло- сы Хартли и Хюггенса) озон разрушается и температура растет.

Поэтому СА может изменять содержание озона в стратосфере (25 км) и его вертикальное распределение, что влияет на темпе- ратуру и циркуляцию атмосферы путем триггерного механизма. Вспышки приводят к увеличению рентгеновского излучения и раз- рушению озона, а 10-процентное уменьшение озона приводит к по- холоданию поверхности и тропосферы на 0,1 К. С другой стороны, 10-процентное увеличение озона приводит к потеплению поверх- ности и тропосферы на 0,1 К. Возможные механизмы влияния сол- нечной активности на нижнюю атмосферу, связанные с изменени- ем радиационных и химических процессов, систематизированы В. Раманатаном и представлены на схемах рис. 4.17.

3) Механизм, связанный с воздействием на атмосферное электричество. К объяснению короткопериодической изменчиво- сти температуры в нижней атмосфере может быть привлечен меха- низм, связанный с изменением электрических параметров нижней атмосферы, в обоснование которого приводятся следующие поло- жения:

–реакция электрических характеристик на СА является прак- тически мгновенной;

–нет необходимости в притоке больших количеств энергии в нижнюю атмосферу, так как ее источником является тепло кон- денсации, выделяемое в тропосфере, где погодные процессы прямо зависят от электрического поля;

–вариации электрического поля проявляются во всей толще атмосферы;

–ионизация является единственным процессом, напрямую контролируемым СА.

Поскольку ионосфера и поверхность Земли являются значи- тельно лучшими проводниками, чем нижняя атмосфера, то их мож- но рассматривать как области однородного электрического потен- циала. Эти области образуют обкладки сферического конденсатора, внутри которого расположена атмосфера, имеющая плохую прово- димость. При этом обычную грозу можно рассматривать в качестве генератора, поддерживающего зарядку конденсатора «атмосфера – Земля». Экспериментальные данные показывают, что после сол- нечных вспышек плотность тока «атмосфера – Земля» увеличива- ется на 12–50 %, а напряженность электрического тока на высоте 3–6 км – на 30–60 %.

а)

б)

Рис. 4.17. Схемы озонового механизма передачи воздействия СА

внижнюю атмосферу

4)Конденсационный механизм. Этот механизм является есте- ственным продолжением механизма воздействия СА на атмосфер- ное электричество, и поэтому часто их рассматривают совместно.

127

Механизм связан с дополнительной конденсацией на кластерных ионах, которые являются устойчивыми. В результате СА формиру- ет дополнительную облачность заряженными частицами, которая определяет потепление климата, так как облачность в зависимости от сезона и района Земного шара обеспечивает либо отражение сол- нечной радиации (альбедный эффект облаков), либо интенсифика- цию парникового эффекта в результате возрастания противоизлуче- ния атмосферы (в холодное время года в высоких широтах).

5)Гидродинамические механизмы взаимодействия верхней

инижней атмосферы. В связи с тем, что верхняя и нижняя ат- мосфера динамически связаны, эта связь может осуществляться, в частности, через планетарные волны Россби, которые генериру- ются рельефом и долготными термическими особенностями зем- ной поверхности. Вертикальная структура волн определяется ради- ационными потоками и стоками тепла в основном через изменение скорости зонального ветра. Планетарные волны могут распростра- няться вертикально через стратосферу и мезосферу только в случае зональной западной циркуляции в стратосфере, что имеет место в основном зимой. Летом средняя зональная компонента является восточной, планетарные волны быстро затухают с высотой, и взаи- модействие верхних и нижних слоев атмосферы осуществляется слабо.

Хайнс установил, что изменение термодинамического режима в мезосфере и стратосфере, связанное с СА, будет приводить к из- менению отражения и поглощения планетарных волн и изменению условий в тропосфере. На моделях Шмицем и Грейгером показано, что индекс отражения планетарных волн чувствителен к среднему зональному ветру в верхней атмосфере.

Многолетние ряды чисел Вольфа привлекают внимание ис- следователей по двум причинам: они очень продолжительны (с ХVIII в.) и имеют хорошо выраженную 11-летнюю цикличность. На рис. 4.18 приведен многолетний ряд чисел Вольфа с середины XVIII в., причем с 1650 г. по начало 1700-х гг. пятна на Солнце совсем отсутствовали (W = 0), и этот период получил название минимума Маундера. Все циклы СА пронумерованы, а послед- ний полный 23-й цикл закончился в январе 2009 г. и продолжался 12,2 года.

Несмотря на то что периоды циклов достаточно стабиль- ные

исоставляют в среднем 11,1 года (при вариации от 9,0 – для 2-го цикла до 13,7 лет – для 4-го цикла), их спектр не является про-

стым, как видно по рис. 4.19, и включает также достаточно много

Рис. 4.18. Многолетний ряд среднегодовых чисел Вольфа

других гармоник. Некоторым из этих гармоник на рис. 4.19 постав- лены номера, соответствующие периодам обращения планет Сол- нечной системы.

Из рис. 4.18 также следует, что амплитуды циклов непостоянны и изменяются в несколько раз: от 50 до 190. Причем, как следует из рис. 4.20, если периоды циклов стремятся к стабильности при вариации всего в 1 год (от 10 до 12 лет), то амплитуды циклов ва- рьируют существенно в виде двухвершинных циклов, причем цик- лы с наибольшими амплитудами имели место в середине и конце ХХ в., и в ХХI в.

Рис. 4.19. Периодограмма чисел Вольфа за 1750–2005 гг. (около пиков совпадающие с ними периоды и номера планет: 5 – Юпитер; 6 – Сатурн; 7 – Уран; 8 – Нептун)

129

а)

б)

Рис. 4.20. Временные графики периодов (а) и амплитуд (б) циклов СА

В связи с тем, что СА имеет достаточно хорошие закономерно- сти во времени, ее пытаются прогнозировать, и примеры таких экс- траполяций приведены на рис. 4.21. Практически все

предлагаемые экстраполяции СА дают спад до середины ХХI в. Помимо экстраполяции на будущее, осуществляется также и

восстановление циклов СА в прошлом и попытки ее связи с изме- нением глобальной температуры или температуры Северного полу- шария, как показано на рис. 4.22. Вместе с тем надежность таких прямых зависимостей между СА и глобальной температурой очень низкая.

Попытки установления прямых взаимосвязей СА с климатом и другими процессами на Земле предпринимались многократно. Устанавливались корреляции с землетрясениями, колебаниями

130