Впервые в истории науки обратил внимание на синхронность солнечной активности и происходящих на Земле процессов А.Л.Чижевский. «Как же волнения и бури на Солнце влияют на планету? - писал
он - Продолжает ли наш космический корабль «Земля» спокойно и безмятежно плыть своим курсом или его все же «покачивает» на волнах солнечных циклов так, что время от времени слышен звон стаканов в кают-компании?».
Ранее было установлено, что климатические процессы - ледники, потепления, повторяемость тайфунов и землетрясений, выпадение осадков - связаны с Солнцем. С 11-летними, 22-30-летними и вековыми циклами связана степень ледовитости Арктики и Антарктики, колебания уровня океанов, пульсации Гольфстрима, термический режим морей. Максимальные значения энергии землетрясений приходятся на годы максимумов солнечной активности. 11-летняя цикличность наблюдается в движении полюсов Земли, в повышении и снижении скорости вращения Земли. В такт Солнцу меняется напряженность земного магнетизма, частота полярных сияний, радиоактивность воздуха, количество озона в озоновом слое, цикличность засух и наводнений, уровень воды в озерах, пульсация земной коры.
В последнее время было доказано, что в периоды вспышек на Солнце резко меняется состав крови: в эти моменты кровь напоминает ту, которая бывает у людей, перенесших радиоактивное облучение. Влияние на кровь оказывают не только долгопериодные циклы (как и на все в природе), но и годовые, сезонные, суточные и даже секундные. Кровь меняется постоянно - в нас как вино, бродит Солнце.
Самый «популярный» солнечный цикл - 11-летний. Но есть и огромное количество других циклов: 22-летний, 7-летний, квазидвухлетний, полуторагодовой, 36-летний, 80-90-летний, 169-180-летний, 27-дневный. Существуют и сверхдлинные 600-летние и 1800-летние циклы. Расстрелянный в 1938 году в суздальской тюрьме советский экономист Н.Д. Кондратьев открыл 58-64-летние колебания экономической активности, которые теперь названы его именем. К. Енсеном выделен 17-летний фрахтовый цикл: голландские корабелы подгоняли под него срок годности своих судов. Но как конкретно все эти солнечные колебания могут трансформироваться в наблюдаемые нами изменения на Земле? Где механизм этих воздействий?
Солнечная активность и уровни замкнутых водных систем
1. Для выявления запаздываний, уточнения их величин и изучения общих цикличностей в данных водности замкнутых экосистем (озер) и солнечной активности мы использовали как традиционные методы спектрального анализа (развитые в предположении о квазистационарности изучаемых процессов), так и методы авторегрессионного спектрального анализа (пригодные для процессов нестационарных).
Анализ проводился по среднемесячным значениям измерений солнечной активности (числа Вольфа, площади солнечных пятен, интенсивность корональной линии с длиной волны 5303 Å, HL-индекс, радиоизлучение Солнца на частоте 10,7 см), космических лучей и уровней изолированных озер в Мексике (Патскуаро), Эстонии-России (Чудское), России (Каспийское море и Байкал) и Туркмении (Аральское море) за 1811-2011 гг.
В результате расчетов спектральных характеристик уровня Чудского озера и солнечной активности (СА) обнаружено наличие статистически значимых вариаций водности с периодами порядка 2,6-2,8, 9,5-11,2, 22 и 80-90 лет, при этом запаздывание водности относительно солнечной активности колеблется от 1,5 до 3-4 лет и зависит от цикла солнечной активности. Для нечетных циклов максимум водности запаздывает относительно минимума солнечной активности на два года, для четных - около трех. При этом структура гистограмм водности для четных и нечетных циклов различна, что свидетельствует в пользу тезиса о преобладании в гидрологических процессах 22-летней цикличности. Аналогичные расчеты были проведены и для Каспийского и Аральского морей, озера Байкал и озера Патскуаро (Мексика).
Сопоставление спектральных характеристик гидрологических параметров с аналогичными спектрами галактических и солнечных космических лучей показывает хорошее согласие не только в частотной области, но и по фазе (в 1957-2007 гг. в космических лучах наблюдались очень хорошо скорелированные с СА и температурой вариации периодичностью 3-5 месяцев, 1 год, 2-4 года и 11 лет, совпадающие с вариациями солнечной активности и температуры за тот же период). Кроме того, как и для остальных метеогидрологических параметров, на фоне относительно стабильных 11-летних и 22-летних изменений водности хорошо виден нестабильный характер изменений с меньшими периодами: колебания с периодами от нескольких месяцев до 2-4 лет наблюдаются не во всех циклах солнечной активности, хотя хорошо повторяют солнечную ритмику.
Тенденция изменений площади льда Балтийского моря при изменении климата
По 292-летнему ряду наблюдений, характеризующих максимальные площади льда Балтийского моря с 1720 по 2012 гг., проведен спектральный и авторегрессионный анализ, при этом анализ проводился отдельно для четных и нечетных циклов солнечной активности. Результаты авторегрессионного анализа показали наличие значимых колебаний площади льда Балтийского моря с периодами 80-90 лет, 20-22 года, 9-13 лет и 4-7 лет. При этом следует отметить, что проведение взаимного авторегрессионного анализа для всего массива данных и отдельно для четных и нечетных циклов солнечной активности обнаруживают интересную картину: в нечетных циклах наблюдаются ярко выраженные 4-7-летние, 10-12-летние и 80-90-летние вариации площадей льда (на фоне более слабо выраженных 300-летних вариаций), в четных циклах преобладают 20-30-летние, 80-90-летние и 300-летние вариации.
Естественно предположить, что существование 11-летней вариации площади льда в нечетных циклах и ее отсутствие в четных циклах, лишь усиливает 22-летнюю вариацию. Существенно также и то, что полученные результаты хорошо коррелируют с любыми индексами солнечной активности. Считаем возможным привести еще один вывод, сделанный авторами из проведенных расчетов: при фильтрации исходного ряда скользящим средним с периодами 50, 75, 100 и 150 лет и дальнейшим совместным АРМА-анализом с аналогичными данными солнечной активности, в рядах площадей льда обнаружен долговременный тренд с периодом, значительно превышающим выделенные вариации ( > 800-1000 лет). При этом, поведение этого тренда свидетельствует о суммарном (и достаточно сильном) общем потеплении климата в северном полушарии, в особенности в последние 100-200 лет.
Изменения солнечной активности и их влияние на приземную температуру
Анализ проводился по среднемесячным значениям приземной температуры в Мексике (Такубайя), Эстонии (Тарту), Швеции (Стокгольм), Литве (Каунас) и России (Москва, Архангельск, Ленинград) за период 1712-2012 гг. Результаты расчетов спектров для солнечной активности (СА) и аналогичные результаты взаимных спектров СА и температуры демонстрируют практически точное совпадение выделенных частот (соответствующих периодичностям порядка 2-4 и 9-11 лет) и хорошее совпадение запаздываний между процессами 2-3 года. При этом, совпадает и динамика поведения колебаний: если 9-11-летние колебания присутствуют постоянно, то колебания с периодами 2-4 года носят более случайный характер, что впрочем, также хорошо согласуется с поведением аналогичных колебаний солнечной активности.
Сопоставление спектральных характеристик атмосферных параметров с аналогичными спектрами галактических и солнечных космических показывает хорошее согласие не только в частотной области, но и по фазе. Наиболее впечатляющий результат был получен при сопоставлении данных расчетов амплитудных и фазовых спектров температуры за 1937-2011 годы в России, Эстонии и Швеции, космических лучей за тот же период и солнечной активности. При этом не только выявлены общие для всех массивов данных колебания с периодами 10,5, 2-3,7 и 1,3-1,7 года, но и обнаружено практически одновременное изменение фазы всех выявленных колебаний около 1958 и 2002 годов.
Воздействие солнечной активности на циклические изменения осадков
В результате проведения исследований температуры и гидрологических параметров была построена прогностическая модель, которая дает погрешность предсказания уровней Чудского озера и озера Байкал на 1 год вперед порядка 30 %. Из анализа возможных механизмов колебаний уровня озер возникла необходимость привлечения для прогностической модели различных метеорологических параметров, в частности данных измерений величины осадков в районе Чудского озера, и, следовательно, возник вопрос о характере этих изменений.
Для анализа использовались данные наблюдений осадков в Эстонии, Литве и России за 1910-2012 годы и солнечной активности (площадь пятен S). Корреляционные и взаимные корреляционные функции демонстрируют хорошее совпадение поведения процессов, при этом, периодичности порядка 1 года и 3 месяцев во всех данных связаны с солнечной активностью, что подтверждается результатами спектрального анализа между солнечной активностью и колебаниями величины осадков как за весь анализируемый интервал, так и за 1987-2011 годы. Расчеты амплитудных спектров и спектров когерентности показали наличие в анализируемых данных как 11-летней составляющей, так и квазидвухлетней волны.
Полученные результаты хорошо согласуются с данными аналогичных расчетов для температуры и уровней озер. Кроме того, полученные результаты хорошо согласуются с результатами анализа средней скорости ветра в энергоактивных зонах и, следовательно, хорошо укладывается в общую картину связи атмосферных процессов с солнечной активностью.
Модуляция солнечной радиации на Земле и ее связь с солнечной активностью
В рамках экологических программ, связанных с загрязнением атмосферы, был проведен долговременный эксперимент по измерениям солнечной радиации в различных точках земной поверхности, вызывающих серьезное беспокойство: Мехико, Москва, Санкт-Петербург и Вильнюс. При этом, наряду с оценками вклада производственной деятельности человека (выбросы пыли, продуктов сгорания и выхлопных газов в атмосферу, аэрозоли и т.д.) была предпринята попытка оценить возможную модуляцию солнечной радиации, наблюдаемой на Земле, солнечной активностью.
Авторами был проведен совместный двумерный авторегрессионный спектральный анализ суммарной площади солнечных пятен, солнечной радиации и космических лучей по данным среднемесячных наблюдений за 1952-2012 гг. в Мексике, России и Литве. Обнаружено, что в широком диапазоне частот в данных наблюдений солнечной радиации на Земле наблюдаются колебания с периодами 3-4 месяца, 1,3-2, 4 и 11 лет, тесно связанные с солнечной активностью. Сопоставление полученных результатов с аналогичными исследованиями влияния солнечной активности на приземную температуру, уровень озер, величину осадков и штормистости показывает не только хорошее качественное, но и количественное
(с точностью до запаздывания) соответствие.
Возможные механизмы воздействия космических факторов на климат
Как показано в целом ряде работ [1, 2], имеется несколько вероятных механизмов воздействия гелиофизических и космофизических факторов на нижние слои атмосферы и Землю:
1. Механизмы, основанные на изменении солнечной постоянной (астрономической и метеорологической),
2. Изменение прозрачности атмосферы под действием различных внеземных процессов и, в частности, под действием галактических космических лучей,
3. Дополнительное инфракрасное излучение во время магнитных бурь,
4. Воздействие солнечного ветра на параметры атмосферного электричества,
5. Конденсационный механизм,
6. Озонный механизм,
7. Гидродинамическое взаимодействие верхних и нижних слоев атмосферы.
При этом существенным фактором любого из механизмов является поток тепла от внешних источников: солнечные вспышки, взаимодействие солнечной плазмы с магнитосферой земли, геомагнитные бури, магнитосферная конвекция, вторжение частиц в полярные области, генерация солнечными и галактическими космическими лучами дополнительного количества двуокиси азота и озона в нижней стратосфере, влияние солнечной активности на электрическое поле атмосферы и т.д. В любом случае, источник находится вне Земли.
Выводы
Таким образом, использование всего существующего сегодня спектрального аппарата и сопоставление результатов различных спектральных вычислений, показывают что источником механизма воздействия на изменения циркуляции атмосферы, водности замкнутых озер является циклическая деятельность Солнца и ее влияние на атмосферу Земли.
В результате исследований доказана вероятная взаимосвязь процессов на Солнце и в атмосфере Земли, при этом анализ поведения запаздывания между атмосферными процессами и солнечной активностью показывает существование стабильных сдвигов от 12 до 36 месяцев между процессами, что хорошо согласуется с результатами расчетов по другим методикам.
Кроме того, выявлено, что при совместном анализе температуры в различных точках Земли и солнечной активности выбор индексов солнечной активности не играет решающей роли: так площадь пятен в приэкваториальной зоне Солнца представляется авторам наиболее приемлемым индексом для расчетов.
Поэтому, при попытках создания прогностических моделей климатологических процессов необходимо учитывать изменения солнечной активности, процессы в межпланетной среде и наблюдаемые на Земле вариации космического излучения.
Список литературы
- Либин И.Я. Гелиоклиматология / И.Я. Либин, Х. Перес Пераса. - М.: МАОК, 2009. - 254 с.
- Perez Peraza J., Dorman L., Libin I. Space Sources of the Earth´s Climate. - Padova: Euromedia, 2011. - 368 p.
References
- Libin I.Ya. Gelioclimatology / I.Ya. Libin, J. Perez Peraza. M.: MAOK, 2009. 254 p.
- Perez Peraza J., Dorman L., Libin I. Space Sources of the Earth´s Climate. Padova: Euromedia, 2011, 368 p.