"В защиту науки (Бюллетень 7)" - читать интересную книгу автора (Комиссия по борьбе с лженаукой и...)

7. Солнечная активность как климатообразующий фактор

На протяжении многих лет – с глубокой древности – в поисках причин изменения климата люди обращались к Солнцу. После открытия периодичности солнечной активности это стало значительно более обоснованным. Тем не менее, специалисты (многие метеорологи и географы) относятся к этой связи скептически. Правда, в 1972 году, после очень высокого всплеска солнечной активности и совпавшей с этим в России сильнейшей жарой с неурожаем, многочисленными лесными пожарами и т.п. некоторые скептики чуть-чуть поколебались, и это даже привело к некоторым административным изменениям в системе Госкомгидромета. Однако затем снова возобладало отрицание роли солнечной активности как климатообразующего фактора.. Утверждению этого отрицательного отношения способствовало также обнаружение того, что солнечная активность практически не меняет интегральный поток солнечного излучения (так называемый solar irradiance – SI). В самом деле, хотя отчетливая связь SI c солнечной активностью и установлена, с точки зрения климатологии Земли она чрезвычайно слаба. Эта вариация от максимума к минимуму составляет не более, чем 0.1%.

Но такой взгляд является крайне упрощенным и ошибочным. К сожалению, первичным и привычным во многих рассуждениях является стандартный энергетический подсчет, согласно которому причина должна быть энергетически выше, чем следствие. Увы, именно такой подход, когда-то привел великого Томсона (лорда Кельвина) к полному отрицанию того, что магнитные бури на Земле вызываются солнечной активностью. Он сопоставил энергию магнитного поля на Солнце в солнечных пятнах (величину которого он не знал, а оценил из ненадежных источников), затем (не зная ни о существовании солнечного ветра, ни о корональных выбросах массы, ни о существовнии магнитосферы) просто помножил эту величину на куб отношения размеров пятна к растоянию до Земли и получил настолько малую величину, что вопрос о возможности воздействия солненой активности на Землю показался решенным. Сегодня этот куръез вызывает просто улыбку – как пример добросовестного заблуждения великого ученого.

Наиболее распространенный сегодня механизм воздействия солнечной активности на погоду связывает воедино солнечную активность, вариации галактических космических лучей (ГКЛ) и облачный покров Земли. На первый (опять же энергетический) взгляд тут нет ничего общего. Ведь поток солнечного излучения не зависит от солнечной активности, естественно не зависит от нее и поток галактических космических лучей. Как же здесь возникает связь?

Этот красивый механизм для начала можно пояснить аналогией. Пусть где-то далеко в океане находится корабль. Оператор, находящийся в тысячах километров от корабля посылает сигнал «Открыть кингстоны». Корабль тонет. Обратите внимание, сигнал энергетически очень слаб, и посылается оператором путем энергетически слабого действия. Океан естественно тоже не изменился ни до, ни после этого события. А эффект для корабля огромный. Подобный же эффект возникает при любом включении рубильника или водопроводного крана. По-существу, это своего рода триггерный механизм.

В нашем случае схема этого механизма состоит в следующем. При увеличении солнечной активности повышается напряженность магнитного поля в гелиосфере, плотность солнечного ветра, количество корональных выбросов массы. Все эти факторы, воздействуя на магнитосферу Земли, препятствуют доступу галактических космических лучей (ГКЛ) к Земле. Это приводит к уверенно обнаруженной отрицательной корреляции между потоком ГКЛ и солнечной активностью (см. Рис. 4) Это первое звено цепочки.

Рис. 4. Вариации интенсивности КЛ и среднемесячной активности солнечных пятен с 1958 г.

Галактические космические лучи обычно ответственны за возникновение ядер коденсации в земной атмосфере, рост их потока приводит к увеличению облачности и влияет на глобальную электрическую цепь в атмосфере. Здесь связь положительная. Это второе звено цепочки.

Увеличение облачности уменьшает температуру Земли и наоборот. Здесь работают два эффекта (сокращение доступа солнечного излучени к Земле и парниковый эффект). Они могут действовать в противоположном направлении, но в целом отрицателная корреляция не вызывает сомнения (см. Рис.5). Это третье звено цепочки.

Рис. 5. Тропическое облачное покрытие (15°N-15°S) и глобальная среднемесячная поверхностная температура.

Таким образом, в результате последовательного действия всех трех звеньев этой цепи возникает положительная корреляция характеристик солнечной активности и температуры Земли (см. Рис. 6).

Рис. 6. Ход глобальной температуры приземного воздуха, осредненной по 3 точкам и годовые значения чисел Вольфа

Отдельный (опять-таки энергетический) вопрос состоит в том, хватает ли вариации облачного покрова для существенного изменения инсоляции. Башкирцев и Машнич (ИСЗФ СО РАН) провели следующий простенький, но довольно убедительный, расчет:

• Солнечная светимость I=1367 Вт/м²

• Среднее альбедо облаков А=0,5

• По наблюдениям со спутников (ISCCP) длительная вариация глобальной облачности составляет ± 3% Это значит, что от минимума солнечной активности в 1986 году к максимуму в 2000 году глобальная облачность изменилась на 6%

• С учетом шарообразности Земли поток солнечного излучения, поступающий на 1 м² земной поверхности, равен 1367/4=342 Вт/м²

• Таким образом, поток солнечного излучения, достигающий поверхности Земли, изменился с 1987 г. до 2000 г. на

• #916;I = 342 * 0,5 * 0,06 =10 Вт/м².

Заметим теперь, что МГЭИК, рассматривая вариации солнечной постоянной без учета изменений облачности, получает величину 0,12 Вт/м² и заявляет, что нет оснований рассматривать влияния солнечной активности и связанные с нею изменения потока солнечной радиации как причину изменения климата. При этом по оценкам МГЭИК радиационный эффект воздействия всех парниковых газов на климатическую систему Земли оценивается в 2,6 Вт/м². Таким образом расчет Башкирцева и Машнич в 4 раза превышает предполагаемый эффект парниковых газов и вполне может обеспечить наблюдаемые изменения климата.

В этой красивой цепочке одно звено ( а именно второе) пока остается слабым. Из наблюдений следует, что облачное покрытие может быть подвержено влиянию космических лучей. Для понимания природы этого физического механизма необходимо экспериментально изучить фундаментальные микрофизические взаимодействия между КЛ и облаками. Для этих целей в ЦЕРНе создана экспериментальная установка CLOUD (Cosmics Leaving Outdoor Droplets) при контролируемых условиях в лаборатории. Этот эксперимент подготовлен для измерения фундаментальных физических и химических процессов, имеющих место при взаимодействии КЛ на облачность и для оценки климатической важности этого механизма. Установка включает 4м аэрозольную камеру и 0.5м облачную камеру, которые подвергается воздействию пучка частиц ЦЕРН ускорителя. Камеры могут наполняться различными газами и работать при любой выбранной температуре и давлении, дублируя атмосферные условия. Сейчас проводится пилотный проект на 3м аэрозольной камере при комнатной температуре и давлении в одну атмосферу. Старт полноценного эксперимента в 2011 году.

Конечно, ситуация не так проста и изложена намеренно упрощенно. В частности, вариация солнечной активности приводит к увеличению потоков коротковолнового излучения Солнца и солнечных космичческих лучей. И здесь уже поток может измениться не на 0.1%, а на порядки. Этот механизм тоже рассматривается и он может привести к кратковременным варациям погоды на Земле с характерными временами порядка дней. Здесь ситуация еще менее ясная. Тем не менее определенно установлено, что солнечная активность может влиять на погоду и климат и, по-видимому, действительно влияет.

Еще одна трудность состоит в том, что влияние солнечной активности сильно зависит от локальных свойств местности, где проводится исследование, от геомагнитного поля в данной точке, от поверхности, близости или удаленности от океана, характерной для данного места атмосферной циркуляции умеренных и высоких широт. При этом может даже изменяться знак корреляции как от точки к точке, так и во времени. С.В. Веретененко (ФТИ им. Иоффе) исследовала эффекты потоков ГКЛ в вариациях атмосферного давления (геопотенциальной высоты изобарического уровня 700 гПа) с использованием архивов реанализа за 1948-2006 гг. Оказлось, что распределение коэффициентов корреляции между потоками ГКЛ и атмосферным давлением определяется положением основных климатологических фронтов в тропосфере. Обнаружены долгопериодные изменения знака корреляции зонального давления в умеренных и высоких широтах и интенсивности потока ГКЛ. Она предположила, что наблюдаемые изменения знака эффектов ГКЛ связаны с долгопериодными изменениями электрических характеристик атмосферы в области формирования стратосферных циркумполярных вихрей северного и южного полушарий.