ПРОЯВЛЕНИЯ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ НА ЗЕМЛЕ. Динамика земной атмосферы. Определяющее значение в системе Солнце – Земля играют неустойчивости, возникающие в условиях сильного отклонения от равновесия. Так как земная атмосфера стратифицирована по высоте, в поле тяготения она находится в неустойчивом равновесии. Изменение потока солнечной плазмы может вызывать достаточно сильное отклонение от равновесия, что приведет к дополнительному возникновению неустойчивости в целом ряде процессов в атмосфере Земли. Солнечная активность выступает как своего рода «спусковой крючок», дающий толчок развитию различных неустойчивостей.

Специфическими особенностями турбулентности в атмосфере является широкий спектр масштабов турбулентных неоднородностей (от мм до тыс. км) и существенное влияние вертикального распределения плотности на развитие мелкомасштабной турбулентности. Важную роль при формировании структуры турбулентности играют различного рода неустойчивости, присущие движущимся воздушным массам. В условиях сильно развитой турбулентности в атмосфере глобальная циркуляция воздуха также становится нестабильной. Возникают вихри, охватывающие пространство в тысячи километров и распадающиеся, в конце-концов, на более мелкие (от см до мм). При мелких размерах вихрей вязкость подавляет турбулентные флуктуации. Все течения в атмосфере, так или иначе связанные с конвекцией, оказываются не только сложными, но и неустойчивыми даже относительно слабых внешних возмущений.

Общая циркуляция атмосферы. Основными факторами, влияющими на формирование климата Земли, является солнечная радиация, циркуляция атмосферы и характер подстилающей поверхности. Под их совместным влиянием происходит формирование климатических зон земного шара. Количество поступающего солнечного тепла зависит от ряда факторов. Определяющим является угол падения солнечных лучей. Поэтому на низких географических широтах поступает значительно больше солнечной энергии, чем на средних и тем более высоких широтах. Общей циркуляцией атмосферы называют замкнутые течения воздушных масс, происходящие в масштабах полушария или всего земного шара и приводящие к широтному и меридиональному переносу вещества и энергии в атмосфере. Главная причина возникновения воздушных течений в атмосфере – неравномерное распределение тепла на поверхности Земли, что приводит к неодинаковому нагреванию почвы и воздуха в различных поясах земного шара, поэтому солнечная энергия является первопричиной всех движений в воздушной оболочке Земли. Кроме притока солнечной энергии, к важнейшим факторам, вызывающим возникновение ветра, относятся вращение Земли вокруг своей оси, неоднородность подстилающей поверхности и трение воздуха о почву. В земной атмосфере наблюдаются воздушные движения самых различных масштабов – от десятков и сотен метров (местные ветры) до сотен и тысяч километров (циклоны, антициклоны, муссоны, пассаты, планетарные фронтальные зоны). В одной старинной книге так описывается циркуляция в атмосфере: «Экватор, словно горячий паровой котел. Белые шапки полюсов там – холодильники. А топка – это Солнце. Лучистое солнечное тепло нагревает котел – воздух экватора. Нагретый воздух поднимается и течет к холодильникам, там остывает и, опускаясь, течет понизу к экватору. Так над Землей вращается огромное воздушное колесо, которое приводит в ход Солнце». Это первое кольцо планетарной циркуляции. Однако вращение Земли отклоняет эти движущиеся массы вправо в северном полушарии, и влево – в южном. В итоге воздух течет не на север, а на северо-восток и где-то на уровне 30 градусов от экватора идет уже не по меридиану, а по широте с запада на восток. Накопление воздуха в районе 30 градуса широты в обоих полушариях приводит к образованию пояса повышенного давления над поверхностью Земли. От этого пояса воздух растекается в обе стороны, отклоняясь под действием сил Кориолиса. Часть воздушных масс, охлаждаясь, поворачивает назад – к экватору и движется в северо-восточном направлении. Такие воздушные потоки называются пассатами, они замыкают второе кольцо циркуляции атмосферы, кольцо пассатов. Другие массы идут дальше на север, но сила Кориолиса отклоняет их вправо. Здесь образуется система юго-западных и западных ветров, преобладающих в умеренных широтах. У северного полюса воздух, охлаждаясь, опускается вниз и растекается к югу, у южного – к северу,. при этом ветер приобретает направление с востока на запад. При встрече с воздухом умеренных широт происходит подъем этих воздушных масс. Так замыкается третье кольцо движения воздушных масс. Это очень упрощенная, устаревшая картина планетарной циркуляции, содержащая только три замкнутых кольца. В природе, однако, эти кольца связаны в единый механизм. Реальные ветры часто меняют свои маршруты. Экваториальный воздух иногда прорывается через пассатное кольцо и добирается до полюса. На средиземноморском побережье из-за затока арктического воздуха весной бывает так холодно, что замерзают сады. Кроме того, подстилающая поверхность Земли отличается большим разнообразием – материки, океаны и т.п. Каждый материк летом очень быстро нагревается, а зимой выхолаживается. Значит в «кухне планеты» есть и другие «котлы» и «холодильники», которые работают по-разному в каждом сезоне. Зимой материк – холодильник, а океан – котел, летом наоборот. Так в сложный круговорот воздуха вливается еще и колесо муссонов, которое летом вращается в одну сторону, а зимой – в другую.

Современные принципы классификации форм атмосферной циркуляции северного полушария Вангенгейма – Гирса. Воздушные массы постоянно перемещаются вокруг земного шара. На скорость их движения оказывает влияние неравномерность поступления солнечной радиации и поглощение ее различными участками подстилающей поверхности и атмосферы, вращение Земли, термическое и динамическое взаимодействие атмосферы с подстилающей поверхностью, в том числе взаимодействие с океаном. Основной причиной атмосферных движений является неоднородность нагревания различных участков поверхности Земли и атмосферы. Подъем теплого и опускание холодного воздуха на вращающейся Земле сопровождается формированием циркуляционных систем различного масштаба. Совокупность крупномасштабных атмосферных движений получила название общей циркуляции атмосферы. Атмосфера получает тепло, поглощая солнечную радиацию за счет конденсации водяного пара и благодаря теплообмену с подстилающей поверхностью. Поступление скрытой теплоты в атмосферу зависит от подъема влажного воздуха. Так, тропическая зона Тихого океана является мощным источником тепла и влаги для атмосферы. Значительная теплопередача от поверхности океана происходит зимой там, где холодные воздушные массы приходят в районы теплых морских течений. Одним из наиболее крупномасштабных звеньев общей циркуляции атмосферы является циркумполярный вихрь. Его формирование обусловлено наличием в полярной области очагов холода, а в тропической зоне – очагов тепла. Циркумполярное движение и его проявление – западный перенос – представляют устойчивую и характерную особенность общей атмосферной циркуляции. В 1930-е были начаты исследования общей циркуляции атмосферы. Все синоптические процессы (СП) были разделены на элементарные (ЭСП), затем были сведены к трем формам циркуляции: западной (W), восточной (Е) и меридиональной (С). Процессы западной формы (W) характеризуются развитием зональных составляющих циркуляции и быстрым смещением барических образований с запада на восток. При развитии меридиональных форм циркуляции, когда формируются стационарные волны большой амплитуды, наблюдаются процессы форм Е и С. Распределение воздушных течений на земном шаре тесно связано с распределением давления, температуры и характером циклонической деятельности, поэтому в распределении ветра на Земле должна быть определенная зональность. Однако фактические направления ветров зимой и летом отличаются от ветров, предполагаемых зональной схемой. Наиболее четкую зональность имеют ветры в приэкваториальной зоне. В северном полушарии зимой и летом преобладают ветры северо-восточного направления, а в южном – ветры юго-восточного направления, пассаты. Наиболее отчетливо пассаты проявляются над Тихим океаном. Над материками и вблизи них пассаты нарушаются другой системой течений – муссонами, которые возникают из-за циклонической деятельности, связанной с большим перепадом температуры между морем и сушей. Зимой муссон направлен с континента на океан, а летом – с океана на континент. Ярко муссонный перенос воздушных масс наблюдается в прибрежных районах Восточной Азии и, в частности, в Приморьи, Воздушные массы перемещаются как у поверхности Земли, так и на больших высотах от Земли и не только в горизонтальном направлении, но и в вертикальном. Несмотря на то, что вертикальные скорости движения воздуха малы, они играют важную роль в воздухообмене по вертикали, образовании облаков и осадков и других погодных явлений. Есть и другие особенности в распределении вертикальных движений. Анализ синоптических карт показал, что температурные контрасты между полюсом и экватором неравномерно распределены по широте. Наблюдается сравнительно узкая зона, где сконцентрирована значительная часть энергии атмосферной циркуляции. Здесь отмечаются максимальные значения барических градиентов, а, следовательно, и скоростей ветра. Для таких областей было введено понятие высотной фронтальной зоны (ВФЗ), а связанные с ней сильные западные ветры стали называть струйными течениями или струями. Обычно скорость ветра вдоль оси струи превышает 30 м/с, вертикальный градиент скорости ветра превышает 5 м/с на 1 км, а горизонтальный градиент скорости достигает 10 м/с и более, сохраняясь на протяжении около 100 км. ВФЗ занимает большие географические пространства: ее ширина 800–1000 км, а высота 12–15 км при длине 5–10 тыс. км. ВФЗ включает в себя обычно один или несколько атмосферных фронтов и является местом возникновения подвижных фронтальных циклонов и антициклонов, перемещающихся по направлению основного (ведущего) потока. В периоды сильного развития меридиональных процессов ВФЗ как бы «извивается», огибая высотные гребни с севера и ложбины с юга. Общая циркуляция атмосферы представляет собой систему крупномасштабных воздушных течений над земным шаром. Эта система доступна изучению с помощью ежедневных синоптических карт, а также находит отображение на средних многолетних картах для земной поверхности и тропосферы. Область преобладания высокого или низкого давления на средних картах указывает на район, где находится центр действия атмосферы (ЦДА). ЦДА могут быть постоянными (азорский антициклон) и сезонными (сибирский антициклон, алеутская депрессия). Изучение особенностей общей циркуляции атмосферы позволило создать методы для прогнозирования погоды на сроки различной длительности.

Проблема прогноза. Вопрос о влиянии солнечной активности на погоду имеет практическое значение. Если это влияние существенно, его нужно учитывать в метеорологических прогнозах, значение которых важно для планирования и организации самых различных мероприятий. Прогнозирование текущей погоды на сроки до полусуток основываются на интенсивном подходе с использованием непрерывных наблюдений. При этом анализируются и экстраполируются данные наблюдений метеорологических полей, особенно мезо-масштабных полей облаков и осадков, полученных по данным со спутников и радиолокаторов. Численный (гидродинамический) метод прогноза погоды основан на математическом решении системы полных уравнений гидродинамики и получении прогностических полей давления и температуры на определенных промежутках времени. Вычислительные центры в Москве, Вашингтоне, Токио, Рейдинге (Европейский прогностический центр) используют различные численные схемы развития крупномасштабных атмосферных процессов. Точность численных прогнозов зависит от скорости счета вычислительных систем, количества и качества информации, поступающей от метеостанций. Чем больше данных, тем точнее расчет. Синоптический метод составления прогнозов погоды основан на анализе карт погоды. Сущность этого метода состоит в одновременном обзоре состояния атмосферы на обширной территории, позволяющем определить характер развития атмосферных процессов и дальнейшее наиболее вероятное изменение погодных условий в рассматриваемом районе. Такой обзор осуществляется с помощью карт погоды, на которые наносятся данные метеорологических наблюдений на различных высотах, а также у поверхности Земли, производимых одновременно по единой программе в различных точках земного шара. На основе подробного анализа этих карт синоптик определяет дальнейшие условия развития атмосферных процессов в определенный период времени и рассчитывает характеристики метеопараметров – температуру, ветер, облачность, осадки и т.д. Статистические методы прогноза позволяют по прошлому и настоящему состоянию атмосферы спрогнозировать погоду на определенный будущий период времени, т.е. предсказать изменения различных метеоэлементов в будущем. Часто выбирается комплексный подход – использование сразу нескольких частных методов прогноза одной и той же характеристики состояния атмосферы с целью выбора окончательного варианта прогноза. Поскольку земная атмосфера очень чувствительна к внешним воздействиям, предсказать погоду на длительный срок путем непосредственного расчета движения воздушных масс становится невозможным. Проведенные расчеты показали, что вначале близкие (в рамках гидродинамической модели атмосферы) различные решения затем быстро расходятся и приводят к качественно различным результатам. В процессе гидродинамических вычислений начальные ошибки возрастают вдвое в течение трех – пяти дней. А через две – три недели дальнейшие расчеты могут дать неопределенные результаты.

Основоположником гелиометеорологии считается метеоролог А.В.Дьяков (1900–1989), который в 1960–1980 руководил метеостанцией в поселке Темиртау (Горная Шория, предгория Алтая), считается основоположником гелиометеорологии, поскольку он прогнозировал погоду в районах Казахстана, Западной Сибири, Алтая и Урала на основании своих наблюдений солнечных пятен и даже был награжден за это орденом. Дьяков на несколько месяцев вперед давал долгосрочные прогнозы погоды с учетом активности Солнца. В своих прогнозах он опирался на идеи К.Фламмариона, А.В.Клоссовского (1846–1917) и А.И.Воейкова (1842–1916) о существовании двух атмосферных потоков: холодного (полярного) и теплого (экваториального). Помимо этого он большое внимание уделял работам Элеоноры Лир, разработавшей типы сезонной циркуляции. В результате Дьяков пришел к выводу, что земную атмосферу следует рассматривать как открытую автоколебательную систему, на которую влияет неравномерное солнечное излучение.

Игорь Цыганков приводит календарь Дьякова, в котором отмечены осадки и урожайность зерновых, начиная с 1892. Этим календарем пользуются уже многие годы. В нем приведены наблюдения за выпадением осадков более чем за 100 лет. Календарь применим для Восточной Сибири и Казахстана. Все пятые годы по этому календарю – засушливые. Дьяковскими прогнозами пользовалось и советское правительство. И.Цыганков ведет и свой календарь, начиная с 1955, который вполне совпадает с дьяковским: Например, в 1965 – урожай элитных зерновых на ухоженных полях составил всего 7 центнера с гектара. 1975 – урожайность еще ниже, всего 4 центнера.

Биологические проявления солнечной активности. Солнечная активность и биологические ритмы. Хорошо известны воздействия ионизующей и проникающей радиации на живые организмы, они успешно применяются в медицине для лечения и профилактики множества заболеваний. Космические воздействия обнаруживаются на многих уровнях биологических структур, начиная от простейших клеток вплоть до нейрофизиологических процессов в мозге человека. А.Л.Чижевский пришел к выводу, что солнечно-биосферные связи являются обще-биологической закономерностью. Он ввел термин «гелиобиология», создал научное направление космической биологии, установил зависимость между цикличностью СА и явлениями в биосфере, показал возможность прогнозирования поведения людей и земных событий в зависимости от ритмов внешней среды. Сейчас эти взгляды развиваются профессором С.Э.Шнолем в институте теоретической и экспериментальной биофизики РАН. Здесь изучаются внешние ритмические вариации факторов среды обитания, которые могут вызывать синхронизацию биоритмов в организмах. Если организм не успевает компенсировать внешние воздействия, то наступает десинхронизация, которая может привести к функциональным нарушениям в организме.

Макроскопические флуктуации и их связь с солнечной активностью СА. Под руководством Шноля были открыты макрофлуктуации (МФ) – неравномерность протекания химических реакций в физико-химических средах. Это открытие в наши дни привело к новому этапу в развитии биологии – гелиобиологии. После того, как была обнаружена связь с действием космических агентов (СА) на МФ, расширились возможности поиска ритмики в физико-химических явлениях.

Суть МФ можно пояснить так: пусть в определенном объеме водного раствора измеряется скорость протекания некоторой химической реакции. Если последовательно со скоростью раз в несколько минут измерять скорость течения этой реакции, то значения скорости могут существенно отличаться друг от друга, во много раз превышая приборную ошибку. Число прореагировавших частиц, изменяясь во времени, дает ряд дискретных величин. Переход от одной величины к другой происходит самопроизвольно и быстро (за время меньше 0,01 с) и, что самое поразительное, в макрообъеме синхронно даже в двух отдельных, рядом расположенных сосудах. Со временем признаки МФ были обнаружены в самых различных процессах, что привело к выводу, что распространение МФ в среде физико-химических процессов носит всеобщий характер.

Техногенные проявления солнечной активности СА. Впервые сообщение о вспышке на Солнце было опубликовано в 1859. Одновременно и независимо друг от друга Р.Кэррингтон и Р.Ходжсон визуально наблюдали в белом свете на фоне яркой фотосферы блестящую точку, подобную звезде. В течение нескольких часов спонтанно происходили короткие замыкания в телеграфных проводах, наблюдавшиеся как в США, так и в Европе, вызвавшие ряд пожаров. В обоих полушариях Земли были видны полярные сияния на необычайно низких широтах, вплоть до Рима, Гаваны и Гавайев. Воздействие солнечных вспышек на состояние нижних слоев атмосферы отмечал также Г.Вильд в 1882

Важнейшие техногенные влияния СА:

1. Вызывают ионосферные возмущения.

2. Нарушают радиосвязь.

3. Являются источником радиационной опасности для космонавтов и оборудования космических кораблей.

4. Магнитосферные и ионосферные вариации усиливают электромагнитное излучение на частотах 0,001–10 Гц и влияют на навигацию (компасы и радио), кабельную связь (телекс, телефон), работу линий электропередачи, нефтепроводов и газопроводов.

Обнаружение солнечно-земных связей и воздействие на Землю солнечного излучения. Еще в летописях древних наблюдателей, фиксировавших происходящие события, встречаются упоминания о возможной зависимости между солнечными и земными явлениями. Земные явления проявлялись в виде грандиозных геофизических катастроф (засухи, наводнения, землетрясения, извержения вулканов, полярные сияния, видимые во всей Европе и даже в тропических странах), смертоносных эпидемических заболеваний и массового голода (неурожаи пшеницы или рост цен на нее на биржах). На основании наблюдений солнечных пятен, полярных сияний и колебаний магнитного поля Земли датский астроном Горребов (середина 18 в.) был одним из первых, кто заподозрил зависимость явлений, наблюдаемых на Земле, от количества пятен на Солнце, т.е. от его активности. Предположение о корпускулярном излучении Солнца в конце 19 в. высказал норвежец К.О.Биркеланд. Многие, исходя из наблюдаемой или подозреваемой периодичности разных явлений в земной атмосфере, старались точно восстановить длину периодов и амплитуду колебаний, а потом уже их причину. Из подобных явлений лучше всего исследована предполагаемая приблизительно 35-летняя периодичность попеременно теплых и сухих и холодных и влажных периодов, на которые впервые указал профессор Э.Брюкнер.

Еще в 1912 М.А.Боголепов в книге Колебания климата и историческая жизнь (голод и война) писал: «электромагнитное состояние Земли имеет прямое действие на растительную и живую жизнь организмов». Он проанализировал русские летописи, в которых нашли отражение наиболее заметные события, и пришел к выводу, что внезапные изменения климата являются проявлением периодических возмущений всей жизни на земном шаре со всем его физическим и органическим миром, что все это передается в том или ином виде жизни человека и выражается экономическими и политическими бедствиями. В наше время нет той безумной формы голода, какая описывается в летописях далекого прошлого, нет набегов азиатских кочевников, но зато появились банкротства, кризисы производства, экономические катастрофы, которые, в свою очередь, также сильно влияют на политическую жизнь народов всей Земли. Безрезультатно искать периодичность в каком-нибудь одном явлении жизни. Только совокупность всех признаков возмущений на земном шаре может обнаружить закономерность явлений: эпоха наибольших возмущений повторяется трижды в столетие, именно: большая часть 3-го десятилетия и первая половина 4-го, с начала 7-го десятка до половины 8-го, все 90-е годы и начало нового столетия.

Андрю Эллиот Дуглас (A.E.Douglass), американский астроном, основатель науки дендрохронология, изучал влияние солнечных пятен на климат Земли, разработал метод датировки по кольцам деревьев. В 1894 он опубликовал труд о связи климата с кольцами на спилах деревьев: широкое кольцо соответствует влажному климата, узкое – сухому. Разработал метод построения климатологических карт и археологического датирования по данным о годичных кольцах древесины.

Дуглас исследовал годичные кольца на пнях дерева Sequoia gigantea. Поскольку один экземпляр из этих тысячелетних гигантов обладал возрастом около 3200 лет, то оказалось возможным проследить величину прироста годичных колец на огромном промежутке времени. Из этих данных Дуглас сделал вывод о существовании колебаний климата, периоды которых являются числами, кратными 11-летнему циклу солнечной активности. Им был также выделен период в 101 год, возможно, соответствующий вековому циклу СА.

Рост деревьев и число солнечных пятен, по исследованиям живых деревьев Англии, Норвегии, Швеции, Германии и Австрии. Кривая роста деревьев имеет большие максимумы вблизи максимумов солнечных пятен, а также более слабые вторичные максимумы, приблизительно посредине между ними. Оба максимума в пределах одного 11-летнего цикла соответствуют ходу кривых общего выпадения осадков, отличающихся той же периодичностью (Дуглас).

Применение статистики для анализа солнечно-земных связей. Спектральный анализ временных рядов – важнейший метод изучения свойств различных физических, биологических, метеорологических и прочих процессов в природе, для которых есть количественные характеристики в определенные моменты времени. Его цель – разделение временных рядов на различные частотные составляющие. Для этого наблюдаемый ряд данных разлагается в ряд Фурье. Получаемая зависимость амплитуд фурье-гармоник от частоты называется спектром ряда (процесса), а зависимость квадрата амплитуд называют спектром мощности. Анализ этой зависимости позволяет выявить важнейшие периодические закономерности изучаемого явления, провести сравнение с другими процессами и оценить соответствующие корреляции.

Анализ вариаций земных процессов и проявлений солнечной активности, а также сравнение их между собой показывают, что солнечная активность и обусловленные ею возмущения межпланетной среды проявляются во всех оболочках Земли, включая магнитосферу, все слои атмосферы, литосферу, биосферу и даже техносферу.

См. также СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ.

Эдвард Кононович

ЛИТЕРАТУРА

Шноль С.Э., Коломбет В.А., Пожарский Э.В. и др. О реализации дискретных состояний в ходе флуктуаций макроскопических процессов, т. 168. УФН., 1998, № 10
Кононович Э.В., Мороз В.И. Общий курс астрономии. УРСС, М., 2004
Владимирский Б.М., Темурьянц Н.А., Мартынюк В.С. Космическая погода и наша жизнь. Век 2, 2004