1. Введение

Одна из самых актуальных и в то же время вызывающая ожесточенные споры проблема современной геофизики – воздействие солнечной активности на состояние нижней атмосферы и погоду Земли.

Вопрос о реальности и физическом механизме солнечно-земных связей имеет длительную историю. Так, еще в конце прошлого века русский ученый Г. Вильд исследовал связь между солнечной активностью и температурой воздуха в России. Позднее американец В. Робертс доказал существование 22-летней повторяемости засух в западных областях США; У. Шуурманс и А. Оорт обнаружили регулярные изменения высоты уровней постоянного давления в тропосфере, связанные с интенсивными солнечными вспышками; Б. Тинслей с коллегами выявили вариации высотного профиля температуры в тропосфере во время форбуш-понижений интенсивности потока галактических космических лучей (подробнее см. статью Ю.И. Стожкова "Космические лучи" в этом томе).

Перечень экспериментальных данных, свидетельствующих о наличии статистически достоверных связей между различными погодными явлениями и солнечной (и магнитной) активностью, можно было бы увеличить в десятки или даже сотни раз. И тем не менее сама идея о влиянии солнечной активности на состояние нижней атмосферы многими геофизиками решительно отвергается. Дело в том, что мощность атмосферных процессов на несколько порядков превышает поток энергии, вносимой в магнитосферу Земли солнечным ветром; в связи с этим представляется маловероятным, чтобы солнечная активность могла существенно воздействовать на состояние нижней атмосферы.

Однако исследования, выполненные за последние годы, позволили найти ключ к преодолению этого противоречия и тем самым к решению проблемы солнечно-земных связей.

2. Эффекты солнечной и магнитной активности в вариациях скорости циркуляции нижней атмосферы Земли

На рис. 1 по данным Главной геофизической обсерватории (Пулково, Санкт-Петербург) представлены вариации среднегодовых температур воздуха в Петербурге за период с 1775 по 1982 год.

Обращают на себя внимание следующие особенности в ходе температур за этот период.

1. Общее постепенное увеличение среднегодовой температуры за рассматриваемые двести лет от 3°C в 1775-1815 годах до 4,5°С в настоящее время, объясняемое, скорее всего, парниковым эффектом.

2. Интенсивные (с амплитудой 1-2°С) "высокочастотные" колебания с периодом 2-3 года.

3. Относительно долгопериодические колебания с периодом до нескольких десятков лет. Характерный период этих колебаний близок к периоду вариаций солнечной активности. В частотных спектрах вариаций как солнечной активности, так и температуры воздуха наблюдаются пики на периодах 11-13, 21-23, 35-43, 52-57 и 100 лет. Коэффициент корреляции между ними равен 0,45 и статистически достоверен, что свидетельствует о реальности связи между вариациями температуры и солнечной активности.

Рис. 1. Вариации среднегодовой температуры в Петербурге

Чрезвычайная изменчивость погоды в Петербурге обусловлена, как известно, прохождением атлантических циклонов, траектории которых, в свою очередь, определяются топографией изобарических поверхностей и, следовательно, характером общей циркуляции атмосферы, на которую влияют изменения солнечной и магнитной активности.

Рис. 2. Вариации индекса Блиновой δA на различных изобарических уровнях. N – количество рассмотренных событий. Вертикальными отрезками показана величина стандартного отклонения

На рис. 2 показана полученная осреднением данных нескольких возмущений вариация индекса Блиновой, характеризующего интенсивность зональной циркуляции атмосферы, на различных изобарических уровнях в ходе магнитосферного возмущения; за нулевой (t=0) принят день начала интенсивного геомагнитного возмущения. (Индекс Блиновой определяется как A=10³ α/ω, где α – средняя (в поясе широт φ=45°-65° ) угловая скорость зонального движения атмосферы относительно поверхности Земли и Ω=2π/86 400 – угловая скорость вращения Земли; на широте Петербурга ( φ=60°) величина A=1 соответствует линейной скорости ветра V=23 см/с.) Развитие геомагнитного возмущения (рис. 2) сопровождается отчетливой вариацией скорости циркуляции атмосферы: в интервале от минус первого до плюс второго дня индекс Блиновой оказывается на одну-две единицы выше, а в интервале от третьего до седьмого дня – на одну-три единицы ниже среднего уровня.

Таким образом, скорость атмосферной циркуляции оказывается на 20-40 см/с выше нормы на начальной фазе и на 20-60 см/с ниже на поздней фазе возмущения.

Под действием инерционных сил Кориолиса скорость ветра направлена перпендикулярно градиенту давления, то есть вдоль изобар. Соответственно азимутальная (то есть направленная вдоль географической параллели на восток) компонента скорости ветра

Таким образом, индекс Блиновой для пояса широт ( φ₁, φ₂) на некоторой высоте h_i связан с разностью давления на границах пояса на этой же высоте соотношением

Приведенные в таблице данные показывают, что величина δΦ составляет в среднем около 17 м в первый день возмущения и около -23 м на четвертый-пятый день. При этом совершается работа порядка ±5-7·10²⁶ эрг. В то же время из солнечного ветра в магнитосферу Земли поступает энергия ≈10²³ эрг/сут, что на 3-4 порядка меньше энергии рассматриваемого атмосферного возмущения. Таким образом, непосредственно солнечный ветер не может быть энергетическим источником атмосферных возмущений, что и является одним из основных доводов против возможности воздействия солнечной активности на погодные явления. Каковы возможные источники энергии атмосферных возмущений?

Рис. 3. Вариации среднесуточных (слева) и осредненных по 81-дневным интервалам (справа) величин: а – полная солнечная радиация S; б – блокировка солнечной радиации пятнами Sq Ps; в – остаточная солнечная радиация Sc= S-Sq(1+Ps); г – интенсивность солнечной радиации в линии Lα

3. Вариации интенсивности солнечного излучения

Спектр излучения Солнца близок к спектру абсолютно черного тела, нагретого до температуры 5770 К при существенном дефиците излучаемой энергии в диапазоне ближнего ультрафиолета (УФ). Интенсивность солнечной радиации в далеком УФ и в рентгеновском диапазоне на несколько порядков больше соответствующего излучения абсолютно черного тела. Различие в спектрах Солнца и абсолютно черного тела объясняется тем, что коротковолновое излучение в различных диапазонах длин волн генерируется в различных областях атмосферы Солнца.

В частности, излучение с длиной волны λ<1500 Å генерируется в хромосфере и короне Солнца, то есть в областях, температура которых много выше температуры фотосферы. В то же время известно, что параметры хромосферы и короны весьма изменчивы и существенно зависят от уровня солнечной активности, так что неудивительно, что интенсивность коротковолнового излучения Солнца также существенно изменяется изо дня в день и с уровнем солнечной активности. Относительная величина циклической вариации интенсивности солнечного излучения достигает 10 при λ=300-500Å и резко уменьшается при λ>2000Å. В результате солнечная постоянная не испытывает вариаций более 0,1 %.

В последнее время появилось много публикаций, свидетельствующих о том, что интенсивность солнечной радиации, очевидно, зависит от распределения на поверхности Солнца активных образований, таких, как солнечные пятна, факелы и флоккулы.

Появление на диске Солнца относительно темных пятен может вызвать ослабление интенсивности солнечного излучения на несколько десятых долей процента. К тому же факелы вызывают увеличение солнечной радиации. И хотя увеличение яркости Солнца в области факелов составляет лишь несколько процентов, область, занятая ими, обычно на порядок больше суммарной площади пятен, так что обусловленные этими образованиями вариации интенсивности солнечной радиации оказываются одного порядка.

На рис. 3,а (левый столбец) представлены вариации общей интенсивности свечения Солнца в течение 1982 года; на рис. 3,б – величина ослабления этого свечения, обусловленного прохождением по диску Солнца пятен: δS=S_q P_s, где S_q – интенсивность свечения "спокойного" Солнца и P_s – "функция блокировки" этого свечения пятнами. Некоторые из минимумов излучения (например, имевшие место в феврале, марте, июне и июле) действительно обусловлены эффектом солнечных пятен. В то же время остаточная солнечная радиация (то есть величина, равная S_c=S-S_q(1+ P_s)), характеризующая избыточную радиацию и представленная на рис. 3,в, коррелирует с интенсивностью эмиссии в линии L_α, генерируемой в области ярких магнитных образований вне активной области (рис. 3,г).

Таким образом, прохождение активных образований по диску Солнца действительно модулирует суммарную интенсивность солнечного излучения. Вместе с тем амплитуда этих вариаций, как видно из рис. 3,а, не превышает 0,25 %.

В правом столбце на рис. 3 представлены сглаженные по 81-дневным интервалам вариации тех же величин S, S_q P_s, S_c и L_α в ходе одиннадцатилетнего солнечного цикла. Интенсивность солнечного излучения испытывает также и отчетливую циклическую вариацию: величина S максимальна в 1981-1982 и 1989 годах, то есть в эпоху максимума солнечной активности, и минимальна в 1985-1987 годах, то есть в эпоху минимума солнечной активности. Однако амплитуда циклической вариации интенсивности солнечного излучения оказывается даже меньше амплитуды кратковременных вариаций и составляет около 0,1 %.

Таким образом, вариации солнечной радиации не являются энергетическим источником рассматриваемых атмосферных возмущений. В связи с этим чрезвычайно интересными представляются полученные русскими учеными К.Я. Кондратьевым и Г.А. Никольским результаты, свидетельствующие о заметном (до 6 %) изменении в ходе одиннадцатилетнего солнечного цикла прозрачности атмосферы.

4. Вариации прозрачности атмосферы

Относительно плотная атмосфера надежно защищает земную поверхность от смертоносной коротковолновой радиации с λ<3000Å. Широкое окно в атмосферном экране наблюдается на длинах волн λ=3000-10000Å, то есть в области максимума интенсивности в спектре солнечного излучения, что обеспечивает проникновение большей части солнечной энергии в нижнюю атмосферу и к поверхности Земли. Не менее важно существование и второго окна на длинах волн порядка λ=7000-15000Å. Эта длина волны соответствует максимуму излучения абсолютно черного тела, нагретого до температуры T≈300 K, что близко к средней температуре поверхности Земли. Таким образом, инфракрасное окно играет существенную роль в регулировании температуры воздуха в нижней атмосфере.

Итак, параметры входного и выходного окон в атмосферном экране таковы, что обеспечивают на поверхности Земли и в нижней атмосфере именно ту температуру, которая необходима для существования органической жизни. Заметим, что такое сочетание условий является, по крайней мере для планет Солнечной системы, уникальным, что делает Землю единственным в своем роде космическим объектом.

Однако оптические характеристики атмосферы не являются раз и навсегда заданными величинами. Поглощение солнечного излучения в атмосфере зависит от содержания в ней озона, водяных паров, окиси углерода и других "малых составляющих", концентрация которых может существенно меняться. В результате этого термодинамическое равновесие в атмосфере является весьма хрупким и легко может быть нарушено. Постоянно возрастающий приток в атмосферу углекислого газа, образующегося в результате технической деятельности человека, приводит к уменьшению скорости вывода тепла из атмосферы (парниковый эффект) и соответственно к повышению температуры Земли (рис. 1).

Заметное изменение химического состава и содержания малых составляющих, а также прозрачности атмосферы вызывается, в частности, вариациями потока ионизирующего излучения в атмосфере, наблюдаемыми во время магнитосферных возмущений.

Основные типы таких вариаций: 1) кратковременные понижения интенсивности галактических космических лучей (ГКЛ), наблюдаемые во время геомагнитных возмущений (называемых форбуш-понижениями), и обусловленные рассеянием энергичных заряженных частиц магнитными полями, выносимыми из атмосферы Солнца высокоскоростными потоками солнечного ветра, и 2) всплески потоков солнечных космических лучей (СКЛ), обусловленные солнечными вспышками.

На рис. 4,а по данным субавроральной обсерватории Оленек представлены вариации относительной интенсивности S солнечной радиации на поверхности Земли в ходе геомагнитного возмущения и связанного с ним форбуш-понижения интенсивности потока галактических космических лучей; нулевой день t=0 соответствует началу форбуш-понижения (за единицу принята средняя величина S за 2-3 суток до начала форбуш-понижения). Через день после начала возмущения величина δS в авроральной зоне достигает максимума около 8 % от нормального значения S в рассматриваемом широтном поясе. Поскольку вне атмосферы вариации интенсивности солнечной радиации, как мы видели, не превышают 0,25 %, ее изменения, наблюдаемые на поверхности Земли, могут быть обусловлены изменениями прозрачности атмосферы.

Рис. 4. Полученные методом наложенных эпох вариации прямой солнечной радиации, измеренные в полуденные часы на обсерватории Оленек в ходе форбуш-понижений интенсивности ГКЛ (а) и в ходе всплесков СКЛ (б). Нулевой день (t=0) соответствует началу форбуш-понижений для кривой (а) и началу всплеска СКЛ для кривой (б). Вертикальными отрезками показана величина стандартного отклонения

Но если уменьшение потока энергичных космических частиц вызывает увеличение прозрачности атмосферы, то увеличение потока таких частиц должно вызвать уменьшение прозрачности атмосферы. В связи с этим на рис. 4,б представлены вариации относительной интенсивности S прямой солнечной радиации на той же обсерватории Оленек во время интенсивных вспышек солнечных космических лучей; нулевой день t=0 соответствует началу всплеска СКЛ. Легко видеть, что в период за 1-3 дня до начала всплеска интенсивность солнечного излучения действительно оказывается на 5-10 % меньше спокойного уровня. Элементарные расчеты показывают, что суммарный поток солнечной энергии в поясе широт 55°-80° увеличивается или уменьшается при этом на ~3·10²⁶ эрг/сут, что вполне соизмеримо с мощностью рассматриваемых атмосферных процессов.

Изменение потока солнечной энергии, поступающей в нижнюю атмосферу, нарушает в ней термодинамический баланс и приводит к изменению высотного распределения температуры.

5. Изменения высотного профиля температуры, обусловленные вариациями интенсивности потока космических лучей

Детальное исследование возможных изменений химического состава атмосферы, ее оптических характеристик и высотного профиля температуры воздуха в нижней атмосфере выполнено Д. Хьюглустайном и Дж. Джеральдом в 1990 году. Согласно предложенной ими модели, вторжение энергичных частиц в атмосферу вызывает ионизацию и диссоциацию молекул N₂ и O₂. Образующиеся при этом ионы участвуют затем в комплексе фотохимических реакций, одним из продуктов которых является окись азота NO, которая активно взаимодействует с молекулами озона:

Расчеты показывают, что вторжение протонов с энергетическим спектром, соответствующим спектру, наблюдавшемуся во время протонного события 4 августа 1972 года, вызывает более чем десятикратное уменьшение концентрации озона и увеличение концентрации NO₂ почти на два порядка на высоте 30-35 км. При этом в результате повышенного поглощения солнечной радиации двуокисью азота температура воздуха в стратосфере увеличивается, достигая в максимуме на высоте 30 км величины 300 К, что на 80 К выше нормы. В тропосфере, наоборот, дефицит солнечной радиации вызывает остывание воздуха на 10 К.

Таким образом, интенсивные потоки космических лучей могут вызвать заметное похолодание на поверхности Земли, подобное (хотя и в значительно меньшей степени) явлению "ядерной зимы". В какой степени эта модель согласуется с экспериментом?

На рис. 5 (кривая 1) представлен осредненный вертикальный профиль отклонений температуры от спокойного уровня на обсерватории Соданкюля ( φ=67°) во время интенсивных протонных событий. Наблюдаемые изменения температуры в целом согласуются с предсказаниями модели: температура воздуха в стратосфере в ходе возмущения увеличивается, в то время как в тропосфере уменьшается. Однако область повышенной температуры в стратосфере оказывается значительно менее протяженной, чем в модели, и величина ΔT составляет всего лишь 2°С вместо 80°С .

Рис. 5. Высотный профиль отклонений температуры воздуха ΔT от "спокойного" уровня во время всплесков СКЛ (кривая 1) и во время форбуш-понижений (кривая 2)

Таким образом, количество поглощенной в стратосфере солнечной энергии оказывается существенно меньше, чем предполагается моделью, и вряд ли может объяснить наблюдаемое на поверхности Земли ослабление солнечной радиации. Это обстоятельство позволяет предположить, что ослабление солнечной радиации в атмосфере объясняется не столько ее поглощением, сколько рассеянием и отражением. При этом отражающий слой должен располагаться приблизительно на тех высотах, где ΔT≈0, то есть около 8 км. Кривая 2 на рис. 5 – высотное распределение ΔT, наблюдаемое во время форбуш-понижений галактических космических лучей – близка к зеркальному отображению кривой в случае солнечных космических лучей и соответствует исчезновению отражающего слоя примерно на тех же высотах (h=9 км). Результат несколько неожиданный, поскольку протоны с типичной для СКЛ энергией 100-300 МэВ проникают в атмосферу Земли до высот 25-30 км. Для проникновения на высоту 10 км протоны должны обладать энергией порядка 103 МэВ. Конечно, частицы таких энергий имеются в хвосте энергетического спектра солнечных протонов, однако поток их мал. Тем не менее предположение об относительно малой высоте отражающего слоя подтверждается тем, что вариации интенсивности потока космических лучей сопровождаются изменениями частоты появления перистых облаков (h=7-10 км).

Физический механизм, определяющий воздействие потоков энергичных частиц на состояние облачности в верхней тропосфере, пока неясен. Значительный интерес представляет модель, предложенная Б. Тинслеем и Р. Хилисом. Эта модель основана на наблюдениях, согласно которым скорость собирания частиц аэрозолей заряженными капельками воды оказывается на один-два порядка выше, чем незаряженными. В свою очередь, скорость, с которой заряжаются капельки воды, зависит от плотности вертикальных электрических токов в атмосфере и, следовательно, от плотности потока ионизирующего излучения и интенсивности электрического поля в атмосфере.

Какова относительная роль обсужденных выше механизмов, неизвестно, и выяснение этого вопроса потребует дополнительных исследований.

6. Заключение

Основные физические процессы, определяющие воздействие солнечной активности на состояние нижней атмосферы и погоду таковы.

1. В результате активных процессов на Солнце в области интенсивных вспышек генерируются потоки энергичных (E=100-300 МэВ) протонов, через несколько часов достигающих орбиты Земли. В то же время относительно интенсивные магнитные поля, выносимые из активных областей на Солнце связанными со вспышками потоками, экранируют магнитосферу Земли от попадания в нее потоков галактических космических лучей. В результате наложения этих двух процессов солнечные вспышки вызывают довольно сложную вариацию интенсивности потоков энергичных частиц, вторгающихся в атмосферу Земли. И только разделив (путем отбора соответствующих событий) названные явления, удается обнаружить и достоверным образом описать эффекты, создаваемые ими в атмосфере.

2. Усиление (ослабление) потока вторгающихся частиц в результате еще не вполне выясненных физико-химических процессов вызывает уменьшение (или увеличение) прозрачности атмосферы и тем самым модулирует поступление солнечной энергии в нижнюю атмосферу.

3. Изменение потока поступающей солнечной энергии вызывает изменение температуры воздуха и высоты изобарических поверхностей в тропосфере, обусловливая тем самым заметные изменения скорости крупномасштабной циркуляции атмосферы.

Таким образом, основное возражение против возможности эффективного воздействия солнечной активности на состояние нижней атмосферы и погоду, основанное на недостаточной мощности солнечного ветра, оказывается вполне преодолимым. Как показывают расчеты, энергия, необходимая для создания атмосферного оптического экрана, на несколько порядков меньше амплитуды вызываемых этим экраном вариаций потока солнечной энергии, поступающей в нижнюю атмосферу.

Литература

1. Солнечно-земные связи, погода и климат / Под ред. Б. Мак-Нормана, Т. Селиги / Пер. с англ. М.: Мир, 1982.
2. Монин А.С. Прогноз погоды как задача физики. М.: Наука, 1969.
3. Пудовкин М.И., Любчич А.А. Геомагнетизм и аэрономия. 1989. Т. 29. 3. С. 359.
4. Пудовкин М.И., Бабушкина С.В. Геомагнетизм и аэрономия. 1991. Т. 31. 3. С. 493.