Климат и деятельность человека

Борисенков Евгений Пантелеймонович

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.

Рис. 12. Характеристика циклов солнечной активности, выраженная в числах Вольфа

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-летний цикл солнечных пятен. Их наличие выявляется и более строгими методами статистического анализа.

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 1908 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.

Рис. 13. Характеристика солнечной активности по числам Вольфа (W), восстановленным по данным радиоуглеродного анализа за последнюю 1 тыс. лет.

1 — наиболее теплые и холодные периоды; 2 — числа Вольфа

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 [2] . 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.

2

Более подробный анализ показывает, что в 1612 г. солнечных пятен было около 50, затем был пропуск в наблюдениях до 1642 г. с эпизодическими наблюдениями около 1625 г.

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 К_р и А_р) 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.