Солнечная активность и её влияние на состояние климатической системы

Главным источником энергии на нашей планете является солнечное излучение, которое мы представляем как постоянное и неизменное. На самом деле, даже используя самые современные и совершенные инструменты, учёным не удалось обнаружить никаких существенных изменений в солнечной постоянной.

Солнечная постоянная – это количество лучистой энергии Солнца, которое поступает к верхней границе атмосферы Земли. Оно выражается калориями за минуту на площадь 1 см² и приблизительно равно 2 кал/мин*см² [1].

Уже несколько тысяч лет назад люди могли наблюдать изменения на Солнце невооружённым глазом, например, как формировались тёмные пятна на его поверхности. Такая информация содержится в русской летописи от 1371 года, когда люди сквозь дым лесных пожаров увидели «на Солнце места чёрные акы гвозди». Ещё в Средневековье Галилей, после первых наблюдений за Солнцем с использованием телескопа, высказал идею о том, что солнечные пятна выступают в роли охладителей, и поэтому с увеличением количества пятен на Солнце температура на Земле будет снижаться [1].

Примерно в этот же период времени обнаружили, что если пятна на Солнце и оказывают влияние на погодные условия и климат, то это происходит по-разному в зависимости от рассматриваемой географической широты. В некоторых районах с увеличением количества пятен на Солнце становится теплее, а в некоторых холоднее [1].

Количество атмосферных осадков тоже изменяется по-разному. Даже в одной и той же местности солнечная активность в разные годы может оказывать на климат разное влияние. Такие расхождения и, можно сказать, противоречия вызывали ряд сомнений: оказывают ли вообще изменения, происходящие на Солнце какое-либо воздействие на климат и погоду? [1]

Уже в наше время благодаря современным исследованиям физики Солнца, изучив межпланетную среду и высокие слои атмосферы Земли, а также после многочисленных специальных исследований климата и погоды, вопрос о влиянии изменений Солнца на климат немного прояснился.

Наука, занимающаяся изучением влияния солнечной активности на земную атмосферу, погоду и климат, называется гелиогеофизика, а солнечная активность – это совокупность доступных для наблюдений человеком изменений на поверхности Солнца, за исключением самых мелких, которые не сказываются на обычном состоянии светила [1].

Особое внимание учёные уделяют двум видам солнечной активности: волновому или электромагнитному излучению Солнца и распространению в окружающем пространстве корпускул – частиц солнечного газа, который находится в состоянии плазмы [1].

Суммарную величину электромагнитного излучения характеризует солнечная постоянная – одна из важнейших величин в метеорологии. Учёные подсчитали, что изменение солнечной постоянной всего на 1% повлечет за собой существенные изменения в распределении температуры и воздушных течений на планете Земля. Современные приборы способны улавливать колебания солнечной постоянной до 2%. При этом отсутствует полная уверенность в достоверности рассматриваемых величин, так как все измерения производят в условиях атмосферы Земли на максимальном расстоянии 50-60 км над уровнем моря, не принимая в расчет очень редкие на сегодняшний день наблюдения с космических кораблей. Величины излучения Солнца за пределами атмосферы, получены учёными благодаря вычислениям [1].

Такие расчёты должны быть проверены наблюдениями вне атмосферы. Хороший плацдарм для них – Луна, у которой отсутствует атмосфера. Но и на Луне нельзя исключать определенные помехи: пыль, которая поднимается с поверхности спутника и может затемнять Солнце, толчки от падения метеоритов, которые способны вызывать отдельные скачки в показаниях измерительных приборов и т.д. [1].

Наиболее надежный путь – устраивать обсерватории на долговременных орбитальных станциях, важные шаги к созданию которых уже предпринимаются в нашей стране. Кроме суммарной величины солнечного излучения, занимаются изучением качественных и количественных характеристик отдельных областей его спектра: рентгеновской, ультрафиолетовой, видимой, инфракрасной и радиоизлучения. Особенный интерес у гелиогеофизиков вызывает ультрафиолетовая область спектра [1].

Ультрафиолетовые лучи практически полностью поглощаются в высоких слоях атмосферы. Одним из наиболее важных свойств является фотохимический эффект. Именно он и вызывает образование озона на высоте 30-40 км. Ультрафиолетовые лучи представляют непостоянную часть солнечного излучения, но при этом не отражаются на солнечной постоянной. Резко увеличивается ультрафиолетовое излучение при хромосферных вспышках на Солнце, представляющих одно из наиболее ярких проявлений солнечной активности. Усиленным притоком ультрафиолетовых лучей вызывается интенсивное образование озона. Озон, который хорошо поглощает солнечные лучи, нагревается. Это отражается на воздушных течениях в более низких слоях атмосферы, а значит и на погоде. Безусловно, это одна из форм воздействия изменений волнового излучения Солнца на земную атмосферу [1].

Ионосфера представляет верхнюю часть атмосферы, преимущественно ионизированную солнечным облучением [2]. Ионосферой вносятся большие искажения в результаты геодезических измерений, а также структура ионосферы более сложная и её трудно учесть. Её характеризует электронная плотность (количество электронов в одном кубическом метре), которая может изменяться в больших пределах даже на протяжении суток, так как зависит от солнечного излучения и солнечной активности, то есть количества пятен на Солнце, космического излучения и некоторых других факторов. За состоянием ионосферы постоянно ведутся наблюдения, а её обобщенные характеристики передаются в навигационном сообщении со спутников [3].

Солнечная активность, оказывая влияние на высокие слои атмосферы, значительным образом воздействует на общую циркуляцию воздушных масс. Это означает, что такое воздействие отражается на погоде и климате всей планеты. Очевидно, воздействие возмущений, которые сформировались в верхних слоях воздушного океана, передаются его нижним слоям – тропосфере. Благодаря полетам искусственных спутников Земли и метеорологических ракет обнаружили расширения и уплотнения высоких слоёв атмосферы: воздушные приливы и отливы, схожие с океаническими ритмами. При этом механизм взаимосвязи индекса высоких и низких слоёв атмосферы ещё не раскрыт полностью. Безусловно, в периоды максимальной солнечной активности циклы циркуляции атмосферы усиливаются, чаще отмечается столкновение теплых и холодных течений воздушных масс.

На Земле известны области жаркой погоды – экватор и часть тропиков, а также гигантские холодильники – Арктика и особенно Антарктика. Между этими областями планеты всегда существовала разница в температуре и атмосферном давлении, что вызывает движение огромных воздушных масс. Протекает постоянная борьба теплых и холодных течений, которые стремятся выровнять разницу, которая возникает в связи с изменениями в температуре и давлении. Иногда тёплый воздух «побеждает» и может проникнуть далеко к северу до Гренландии и даже к полюсу. В остальных случаях массы арктического воздуха могут прорываться на юг, достигая Черного и Средиземного морей, доходят до Средней Азии и Египта. Граница борющихся воздушных масс представлена самыми неспокойными областями атмосферы Земли [3].

Воздействие вспышек Солнца и уровня солнечной активности на состояние растительного и животного мира косвенное: посредством циклов общей циркуляции атмосферы. Например, ширина слоев спиленного дерева, по которым можно определить возраст растения, зависит преимущественно от ежегодного количества осадков. В засушливые годы такие слои будут очень тонкими. Количество годовых осадков периодически изменяется, что можно заметить по годичным кольцам на старых деревьях.

Срезы, которые сделали по стволам мореных дубов, расположенных по руслам рек, помогли узнать историю климата за несколько тысячелетий до сегодняшнего дня. Существование определенных периодов или циклов солнечной активности подтвердило исследование материалов, выносимых реками с суши и отложенных на дне озер, морей и океанов. Анализ состояния проб донных отложений позволил проследить изменения солнечной активности за последние несколько сотен тысяч лет. Взаимосвязь солнечной активности и процессов, протекающих в природе Земли, очень сложна.

Учеными было установлено, что колебания солнечной активности обычно совершаются в пределах диапазона 9-14 лет.

Солнечная активность оказывает воздействие на уровень Каспийского моря, на соленость вод в Балтийском море и ледовитость северных морей. Циклы повышенной солнечной активности характеризуются низким стоянием уровня Каспия: повышением температуры воздуха вызывает ускорение испарения воды и уменьшение стока Волги, которая питает артерии Каспийского моря. По этой же причине повышается соленость Балтийского моря и уменьшается ледовитость северных морей [3].

В настоящее время часто стали говорить о том, что Северный Ледовитый океан скоро потеряет весь свой лёд и станет пригодным для судоходства. Такие домыслы не имеют под собой оснований, так как после частичного освобождения ото льдов, после снижения активности Солнца, океан снова замёрзнет. Зависимость ледяного покрова северных морей от циклов и периодов повышенной активности Солнца была установлена еще 50 лет назад и её подтвердили многолетние наблюдения. В связи с этим можно утверждать, что лёд нарастал и также таял, в соответствии со сменой циклов солнечной активности.