СОЛНЕЧНО-ЗЕМНЫЕ СВЯЗИ И ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА ЗЕМЛИ
реклама
«В тот год осенняя погода Стояла долго на дворе. Зимы ждала, ждала природа. Снег выпал только в январе На третье в ночь.» А.С. Пушкин, Евгений Онегин СОЛНЕЧНО-ЗЕМНЫЕ СВЯЗИ И ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА ЗЕМЛИ Б.В. Сомов Отдел физики Солнца, Государственный Астрономического института им. П.К. Штернберга, Московский государственный университет им. М.В. ломоносова СОЛНЦЕ И МЫ Наше Солнце – спокойная звезда. Температура на ее поверхности, фотосфере, около 6 тысяч градусов. Есть звезды гораздо более горячие и более активные. В хромосфере температура постепенно увеличивается с высотой до ~10 тысяч градусов, а в короне превышает миллион градусов. Поэтому Солнце является источником видимого излучения, а также невидимых ультрафиолетовых (УФ) и рентгеновских лучей. Кроме того, раскаленная корона испускает быстрые потоки ионизованного газа (плазмы) - солнечный ветер. Излучение Солнца - главный источник энергии для земной атмосферы. Фотохимические процессы в ней особенно чувствительны к жесткому УФ излучению, которое оказывает сильное ионизирующее воздействие. Поэтому, когда Земля была молодой, жизнь существовала только в океане. Позднее, примерно 400 миллионов лет назад, появился озоновый слой, поглощающий ионизирующее изучение, и жизнь вышла на сушу. С тех пор 1 озоновый слой надежно защищает нас и другие живые существа на Земле от разрушительного воздействия излучения. Магнитное поле Земли, ее магнитосфера, препятствует прониканию к нам частиц солнечного ветра. Плазма солнечного ветра как бы обтекает магнитосферу. Однако, когда его порывы взаимодействуют с магнитосферой, некоторое количество быстрых частиц все-таки высыпается вблизи магнитных полюсов Земли, порождая красочное и совершенно безвредное свечение атмосферы - полярные сияния. С помощью телескопов или без них, в каких лучах мы ни наблюдали бы Солнце, в видимых или невидимых, мы всегда радуемся ему, любуемся им. Удивительно красива солнечная корона. Она состоит преимущественно из горячей плазмы и становится видимой для невооруженного глаза во время солнечных затмений (рис. 1). Рис. 1. Тень Луны закрывает солнечный диск. Благодаря этому мы видим глобальную структуру солнечной короны. 2 Около 1400 лет тому назад китайские астрономы заметили, что хвосты комет всегда отклоняются в направлении от Солнца. Они сделали вывод, что Солнце обладает «жизненной силой» (чи), которая выдувает хвосты комет прочь. Не менее красивый термин «солнечный ветер» ученые придумали лишь в двадцатом веке, когда с помощью космических аппаратов они смогли изучить его свойства на месте, т.е. непосредственно в межпланетном пространстве.. ГНЕВ ГЕЛИОСА Увы, гармонию наших отношений с Солнцем нарушают солнечные вспышки. Во время большой вспышки жесткое электромагнитное излучение Солнца увеличивается в тысячи раз. Наше Солнце вспыхивает «ярче тысячи солнц». Уже через восемь минут после начала вспышки невидимые ультрафиолетовые (УФ), рентгеновские и гамма-лучи достигают орбиты Земли. Потоки заряженных частиц, ускоренных до гигантских энергий (в частности, протоны с энергиями до 1011 эВ), и огромные выбросы плазмы внезапно обрушиваются на межпланетное пространство. Потоки частиц и излучения опасны для космонавтов. Кроме того, они могут повредить электронные приборы космических аппаратов, нарушить их работу. УФ и рентгеновские лучи внезапно увеличивают ионизацию в верхних слоях атмосферы Земли, в ионосфере. Это может приводить к нарушениям радиосвязи, сбоям в работе радионавигационных приборов кораблей и самолетов, радиолокационных систем, длинных линий электроснабжения. Частицы высоких энергий, проникая в верхнюю атмосферу Земли, разрушают озоновый слой. Содержание озона уменьшается из года в год. Широкую дискуссию в наши дни вызывает вопрос о вероятной связи между активностью Солнца и климатом на Земле. Этому вопросу посвящена заключительная часть статьи. После больших вспышек, ударные волны и выбросы солнечной плазмы вызывают сильные возмущения магнитосферы, магнитосферные бури. Не исключено, что возмущения магнитного поля на поверхности Земли могут влиять на живые организмы, на состояние биосферы Земли, хотя столь прямое воздействие солнечных вспышек кажется пренебрежимо малым по сравнению с многими другими факторами нашей повседневной жизни. Однако древние греки не случайно опасались, что бог Солнца, Гелиос, может сильно разгневаться на них. 3 ЭНЕРГИЯ ВСПЫШКИ Вспышки на Солнце – самое мощное среди всех нестационарных явлений, происходящих в его атмосфере, т.е. в двух тонких «слоях» на поверхности Солнца: фотосфере и хромосфере, и в протяженной горячей короне. Энергия самых больших вспышек достигает 3 x 1032 эрг, что в сотни раз превышает тепловую энергию, которую можно было бы получить при сжигании всех разведанных запасов нефти и угля на Земле. Столь большие вспышки, к счастью, происходят редко: в среднем примерно раз в год, причем преимущественно в годы максимума солнечной активности. Масштаб самых малых вспышек до сих пор не известен. Чем лучше становятся современные телескопы, чем выше их пространственное и временное разрешение, тем более мелкие вспышки на Солнце удается «разглядеть» и изучить. Энергия таких вспышек не превышает ~10-9 от энергии большой вспышки. Поэтому сейчас их условно называют «нановспышками». Предполагается, что мириады мельчайших вспышек (быть может, еще более мелких, чем нано-вспышки) буквально заполняют корону, нагревают ее своей энергией. Удивительно, что распределение вспышек по их энергии описывается единым степенным законом. Энергия вспышек и частота их появления тоже связаны между собой степенным законом. Это свидетельствует о том, что при всем своем огромном многообразии солнечные вспышки подчиняются вполне определенным законам подобия. По-видимому, существует единый физический механизм, отвечающий за природу вспышек и проявляющийся в очень широком диапазоне условий. Каков этот механизм, мы будем знать в конце статьи. О ВСПЫШКАХ ЧУТЬ ПОДРОБНЕЕ Типичное время наиболее яркой фазы в большой вспышке составляет десятки мин. При этом мощность выделения энергии достигает ~1029 эрг/сек. Эта величина, очевидно, не превышает сотых долей процента от мощности излучения всего Солнца в оптическом диапазоне (так называемой солнечной постоянной ~ 4 x 1033 эрг/сек). Поэтому при вспышках не происходит заметного увеличения светимости Солнца. Мы не замечаем их, хотя могли бы заметить самые крупные из них невооруженным глазом. Разумеется, нельзя смотреть на Солнце, не применяя специальные фильтры или хотя бы темные солнце-защитные очки. 4 Вспышка – внезапное увеличение яркости в атмосфере Солнца, распространяющееся через все ее слои и сопровождающееся быстрыми движениями вещества, солнечной плазмы. Увеличение яркости того или иного слоя подразумевает дополнительный его нагрев, т.е. дополнительный вклад энергии в этот слой. Наблюдаемая последовательность свечения различных слоев в атмосфере Солнца свидетельствует о том, что энергия вспышки накапливается до ее начала на некоторой высоте в короне. Во время вспышки она распространяется вверх и вниз. В поверхностных слоях атмосферы Солнца увеличение яркости охватывает значительную площадь, иногда до 10-3 площади видимой полусферы Солнца (рис. 2). Можно было бы попытаться представить себе солнечную вспышку по аналогии с сильным взрывом в атмосфере Земли. Однако вспышки на Солнце гораздо более сложное явление природы. Рис. 2. Большая вспышка 14 июля 2000 г., получившая название «Бастильская вспышка». Вспышка сфотографирована в спектральной линии H (6563 Ангстрем). Задача изучения вспышек облегчается тем, что наша звезда, Солнце, расположена близко от нас. Поэтому вспышки на Солнце, в отличие от вспышек на других звездах, а также от многих других аналогичных явлений во Вселенной (например, вспышек в коронах 5 аккреционных дисков релятивистских объектов), доступны самому всестороннему исследованию. Излучение солнечных вспышек охватывает практически весь электромагнитный спектр от километровых радиоволн до жестких гамма-лучей. Однако до начала космической эры на протяжении многих лет наблюдения вспышек велись преимущественно в видимом диапазоне излучения: в Н-линии водорода, в «белом свете» (непрерывном спектре видимого излучения). Наблюдения в спектральных линиях, профиль которых сильно зависит от напряженности магнитного поля, позволили измерять магнитные поля на Солнце и установить их связь со вспышками. Часто вспышка видна как увеличение яркости хромосферы в двух «лентах», расположенных в областях полей противоположной полярности на поверхности Солнца (рис. 3). Радионаблюдения подтверждали эту закономерность, имеющую принципиальное значение для физики вспышек, но её понимание в те времена оставалось на чисто эмпирическом уровне. Рис. 3. Вспышка 14 июля 2000 г. в виде двух «лент» в хромосфере, расположенных по разные стороны относительно «нейтральной линии» NL. На нейтральной линии происходит смена знака вертикальной составляющей магнитного поля. Было установлено также, что вспышки происходят, как правило, вблизи солнечных пятен, где напряженность поля достигает 2000-3000 Гаусс. Столь сильные магнитные поля подавляют конвекцию внутри пятна, что приводит к локальному уменьшению температуры 6 фотосферы, ее потемнению (рис. 4). Это и является причиной названия «пятно». Вспышки, особенно большие, связаны с сильными магнитными полями на поверхности Солнца. Рис. 4. Типичное солнечное пятно состоит из «тени» (наиболее темная часть) и полутени (стрелками указан характерный масштаб). Полвека тому назад запуск в нашей стране первого искусственного спутника Земли (1957 г.) открыл новую эпоху в исследованиях Солнца. Расположенные вне атмосферы Земли обсерватории позволили увидеть Солнце в лучах, поглощаемых земной атмосферой: в ультрафиолете, рентгене, гамма-излучении. Спутники и космические аппараты регистрируют не только излучение вспышек, но и потоки заряженных частиц высоких энергий (солнечные космические лучи), выбросы солнечного вещества (горячей плазмы) в межпланетное пространство, порождаемые этими выбросами мощные ударные волны. Космические исследования вспышек, особенно в годы координированных международных программ, приобрели всеобъемлющий комплексный характер. Последние десятилетия, как правило, несколько космических обсерваторий пристально вглядываются в "разгневанное'' Солнце с помощью специальных рентгеновских, ультрафиолетовых и оптических (внеатмосферных) телескопов. Сейчас таких космических аппаратов семь: «SOHO» (Solar and Heliospheric Observatory, Европейское космическое агентство), «TRACE» (Transition Region and Coronal Explorer, НАСА), «RHESSI» (Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager, НАСА), «Hinode» (японский спутник «Восход Солнца»), российский спутник «Coronas-Foton» и два американских спутника «Stereo». 7 Как мы уже говорили, наша обеспокоенность вспышками на Солнце совершенно не случайна. Даже на Земле, тем более в космосе, большие солнечные вспышки весьма опасны, и необходимо уметь заблаговременно их прогнозировать. Долгое время, почти независимо и практически безрезультатно, разрабатывались два подхода: синоптический и каузальный (причинный). Первый подход сходен с предсказаниями погоды. Он базируется на изучении морфологических особенностей предвспышечных ситуаций на Солнце. Второй - подразумевает знание физического механизма вспышки и, соответственно, распознавание предвспышечной ситуации путем ее моделирования. Что же такое вспышка на Солнце? Как и почему она возникает? - Изучение физического механизма вспышек на основе теоретических исследований (аналитических и численных) и современных наблюдательных данных, получаемых на космических и наземных обсерваториях - ключевая проблема современной физики солнечно-земных связей, имеющая научное и прикладное значение. ГДЕ РАСПОЛОЖЕН ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ ВСПЫШКИ? Уже первые внеатмосферные наблюдения Солнца показали, что вспышки представляют собой существенно корональное, а не хромосферное явление. Современные многоволновые наблюдения показали, что источник энергии вспышки расположен над аркадой петель в короне, наблюдаемых в УФ излучении (рис. 5). 8 Рис. 5. Вспышка 9 ноября 2000 г. Изображение в канале 171 Ангстрем получено при помощи УФ телескопа на спутнике «TRACE». Аркады опираются на хромосферные вспышечные ленты, которые расположены по разные стороны линии раздела полярности фотосферного магнитного поля. Очевидно, в будущем прогнозирование вспышек будет базироваться на объединении обоих методов, упомянутых выше, с учетом магнитной природы вспышки и ее коронального происхождения. Как показали космические исследования, основная часть энергии большой вспышки выделяется не в оптическом излучении, а в виде огромных выбросов солнечной плазмы (миллиарды тонн) в межпланетное пространство, которые движутся со скоростями до 1000 км/сек, потоков ускоренных частиц и жесткого электромагнитного излучения. Оптическое излучение вспышки возникает как вторичный эффект в хромосфере и фотосфере, вдали от источника энергии вспышки, в основаниях петель. Заметим, что сами петли и аркады петель тоже являются лишь следствием первичного энерговыделения вспышки в солнечной короне. Корональные петли представляют собой трубки магнитного потока, заполняемые во время вспышки горячей плазмой. Откуда и как черпает свою огромную энергию вспышка? Источник энергии вспышки магнитное поле в атмосфере Солнца. Оно определяет морфологию и энергетику той активной области, где произойдет вспышка. Здесь энергия поля много больше, чем энергия плазмы. Во время вспышки происходит превращение энергии поля в энергию частиц, «динамическая диссипация» магнитной энергии. Физический процесс, обеспечивающий такое превращение, называется магнитным пересоединением. ЧТО ТАКОЕ ПЕРЕСОЕДИНЕНИЕ? Рассмотрим простейший пример, который демонстрирует сущность явления. Поместим два прямых проводника на расстоянии 2l друг от друга. Пусть по каждому из них течет электрический ток I. Тогда магнитное поле этих токов образует три различных магнитных потока (рис. 6a). Два из них (показаны синим и желтым цветом) принадлежат соответственно верхнему и нижнему токам; каждый поток охватывает свой проводник. Они расположены внутри сепаратрисной линии поля A1 , которая образует «восьмерку» с точкой пересечения типа буквы X (далее X-точкой). Третий поток расположен вне сепаратрисы; он принадлежит одновременно обоим токам. Зеленым цветом показана одна из линий поля общего магнитного потока двух токов. 9 Рис. 6. Магнитное поле двух параллельных токов: (a) в начальный момент времени,(b) после l друг к другу. Так происходит пересоединение в вакууме. Если мы сместим проводники в направлении друг к другу на расстояние l, то магнитные потоки перераспределятся, как это показано на рис. 6b. Собственные потоки каждого из токов уменьшатся на величину A, а их общий поток увеличится на ту же величину объединенный поток, показанный зеленым цветом. Этот процесс и есть магнитное пересоединение. Он осуществляется следующим образом. Две линии поля подходят к Xточке сверху и снизу, сливаются в ней, образуя сепаратрису, разрываются и затем соединяются так, чтобы образовать новую линию поля, которая охватывает оба тока. Магнитное пересоединение меняет конфигурацию линий поля, точнее говоря, их топологию. Так происходит пересоединение в вакууме. При всей его простоте такое пересоединение реальный физический процесс. Его можно легко воспроизвести в лаборатории. Пересоединение магнитного потока индуцирует электрическое поле E. Можно измерить это поле прибором. Можно оценить его величину теоретически, разделив величину пересоединенного магнитного потока A = A1 – A2 (A2 - сепаратриса конечного состояния поля на рис. 6b) на характерное время t процесса пересоединения, т.е. время движения проводников. В силу закона Фарадея индукционное электрическое поле E направлено перпендикулярно плоскости рисунка. Электрическое поле будет ускорять заряженную частицу, если мы поместим ее вблизи X-точки, точнее говоря, X-линии, совпадающей с осью z декартовой системы координат на рис. 6b. 10 ТОКОВЫЕ СЛОИ И ВСПЫШКИ В отличие от вакуума плазма в солнечной короне очень хорошо проводит электрический ток. Поэтому, как только появляется поле E, оно сразу же порождает ток, направленный тоже вдоль X-линии. Этот ток приобретает форму токового слоя, который мешает процессу пересоединения. Подобно металлическому листу (рис. 7a) он экранирует верхний магнитный поток от нижнего. Это приводит к тому, что перед вспышкой вместо пересоединения происходит накоплению избытка магнитной энергии. Рис. 7. Два состояния токового слоя. (a) Предвспышечный токовый слой экранирует взаимодействующие магнитные потоки противоположной направленности. 2a - толщина слоя, 2b - его ширина. (b) «Сверхгорячий» турбулентный токовый слой обладает аномально низкой проводимостью. Это приводит к быстрому процессу пересоединения во время вспышки: короткими толстыми cтрелками v0 показаны скорости втекания плазмы в слой, длинными cтрелками v1 - скорости вытекания. Стрелки F – мощные потоки тепла, «сверхгорячей» плазмы и ускоренных частиц вдоль линий магнитного поля. 2aout эффективная толщина слоя для потоков энергии и плазмы, вытекающих из него. 11 Во время вспышки токовый слой становится турбулентным. Скорость диссипации магнитной энергии в нем очень велика. Она соответствует мощности выделения энергии во время импульсной фазы вспышки, для которой характерна наибольшая яркость вспышки в жестких рентгеновских лучах. Токовый слой представляет собой магнито-плазменную структуру, как минимум, двумерную и, как правило, двумасштабную. Обычно ширина слоя 2b много больше его толщины 2a. Это важно, поскольку, чем шире слой, тем большую энергию он может накопить перед вспышкой. Между тем, малая толщина слоя отвечает за устойчивость слоя, за возбуждение в нем плазменной турбулентности, т.е. начало вспышки. В результате вспышки токовый слой разрушается. Как появляются токовые слои и происходит магнитное пересоединение на Солнце? «РАДУГА» И «МОЛНИИ» НА СОЛНЦЕ Наше Солнце является прекрасным генератором магнитных полей, которые «всплывают» на его поверхность «порциями» - в виде трубок магнитного потока. Наиболее сильные магнитные поля появляются вместе с солнечными пятнами (рис. 4) и образуют активные области на Солнце. Чаще всего активные области характеризуются двумя полюсами противоположной полярности (северной N и южной S), так называемыми биполярными центрами. Полюса противоположной полярности соединяются в короне системой арок, гораздо менее ярких, чем аркады вспышечных петель. Вершины арок медленно поднимаются. Часто бывает так, что на фоне активной области появляется пара темных точек, которая быстро развивается в пару новых солнечных пятен. Магнитный поток новых пятен взаимодействует с магнитным потоком активной области, что сопровождается бурными процессами в хромосфере и короне, малыми и большими вспышками. Самые большие вспышки, например, «Бастильская вспышка» 14 июля 2000 г. (рис. 2 и 3), происходят, как правило, в многополярных активных областях. Между тем, взаимодействие магнитных потоков в атмосфере Солнца - гораздо более общее явление. Например, вихревые течения плазмы в фотосфере приводят к появлению в короне особых линий магнитного поля, сепараторов. Сепаратор появляется над S-образным изгибом границы раздела магнитных полей разной полярности, фотосферной нейтральной линии (NL на рис. 8) подобно радуге над изгибом реки. Такие изгибы весьма характерны для магнитограмм больших вспышек. 12 Рис. 8. Вихревое течение со скоростью v в фотосфере Ph деформирует нейтральную линию NL так, что она приобретает форму буквы S. Над S-образным изгибом этой линии появляется топологически особая линия магнитного поля, сепаратор X. В правом верхнем углу показана структура поля вблизи его вершины. Резюмируя соответствующие исследования, можно сказать, что вспышка – это быстрое пересоединение, которое подобно гигантской молнии вдоль радуги сепаратора. Оно связано с сильным электрическим полем E (больше 10-30 В/см) в сверхгорячем (температура электронов больше 108 K) турбулентном токовом слое, несущем огромный электрический ток (~1011 Ампер). Таковы реальные условия в источнике энергии солнечной вспышки. Наблюдаемая картина вспышки во всем ее многообразии и красоте – следствие выделения энергии в токовом слое. Высокоскоростные течения плазмы из слоя, мощные потоки тепла и ускоренные частицы определяет многообразие физических процессов, вызываемых вспышкой в атмосфере Солнца. Потоки тепла и ускоренных частиц быстро распространяются вдоль пересоединенных линий магнитного поля и моментально нагревают хромосферу по обе стороны от фотосферной нейтральной линии. Так образуются пары вспышечных лент, наблюдаемые в видимых хромосферных линиях и УФ-линиях переходного слоя между короной и хромосферой. Нагретые до высоких температур верхние слои хромосферы «испаряются» в корону. Эффект быстрого расширения нагретой хромосферной плазмы в корону хорошо виден в рентгеновских лучах. «Хромосферное испарение» (так называют это явление) вместе с плазмой, вытекающей из токового слоя, порождает аркады вспышечных петель. 13 СОЛНЕЧНЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ Ускорение заряженных частиц до высоких энергий всегда считалось наиболее трудной частью проблемы солнечных вспышек. Особенно трудно было объяснить максимальную энергию частиц. В рамках теории сверхгорячих токовых слоев решение релятивистского уравнения движения частиц в пересоединяющем слое демонстрирует возможность устойчивого движения, при котором частица остается в слое достаточно долго, набирая огромную энергию. Главный эффект, ускорение частиц до скоростей близких к скорости света, происходит вдоль электрического поля. Такой режим ускорения весьма эффективен – позволяет объяснить ускорение во вспышке солнечных космических лучей. При ускорении электрическим полем частицы с зарядами разных знаков движутся в противоположных направлениях. Как следствие, положительные и отрицательные частицы покидают токовый слой вдоль различных линий магнитного поля. Этот вывод согласуется с наблюдениями спутника «RHESSI», которые показали, что источники жесткого рентгеновского излучения, вызываемого ускоренными электронами, и источники гаммаизлучения, связанного с ускоренными ионами, во вспышке 28 октября 2003 г. пространственно разделены (рис. 9). 14 Рис. 9. Гигантская вспышка 28 октября 2003 г. недалеко от центра солнечного диска (вид на вспышку сверху). Фоновое изображение демонстрирует аркаду петель, как они видны в канале 195 Ангстрем со спутника "TRACE". Синим и красным цветом показаны источники жесткого рентгеновского (100-200 кэВ) и гамма- (2223 кэВ) излучения, наблюдаемые со спутника "RHESSI". Применительно к этой гигантской вспышке был исследован вопрос о месте ускорения электронов и ионов. Была построена модель магнитного поля в активной области (рис. 10), где произошла вспышка. Рис. 10. Расчет магнитного поля во вспышке 28 октября 2003 г. n1 , s1 и т.д. - модельные источники поля. Стрелки указывают направление поля в плоскости источников (эеленый фон). Желтые сплошные линии – основания сепаратрисных поверхностей. Видно, что эти линии разделяют магнитные потоки, связывающие различные источники магнитного поля. X1 и X2 - нулевые точки поля, являющиеся основаниями сепаратора. Голубым цветом показаны участки вспышечных лент, вызванные пересоединением вблизи вершины сепаратора. 15 Сравнение рисунков 9 и 10 показывает, что во вспышке 28 октября 2003 г. электроны и ионы действительно ускоряются одновременно в токовом слое вблизи вершины сепаратора. Он расположен в области наиболее сильных магнитных полей и представляет собой линию поля в короне, соединяющую нулевые точки X1 и X2 под фотосферой. Ускоренные электроны и ионы вторгаются в хромосферу в существенно различных местах (рис. 9). Представленная здесь модель отражает общие физические свойства широкого класса больших солнечных вспышек, точнее говоря, самых больших вспышек на Солнце. АКТИВНОСТЬ СОЛНЦА И КЛИМАТ НА ЗЕМЛЕ Существует широкий спектр гипотез и соответствующих исследований, претендующих на достоверное объяснение глобальных изменений климата на Земле в результате изменений солнечной активности. Связь между солнечной цикличностью и климатом проявляется на временной шкале порядка века и более в виде корреляции между периодами значительных вариаций уровня солнечной активности и соответствующими изменениями в климате Земли. Последние, как утверждается, совпадают с изменениями потока радиации Солнца как по фазе, так и по амплитуде. В каждом из 18 глубоких минимумов солнечной активности (типа Маундеровского периода приблизительно в 200 лет), установленных в течение последних 7500 лет, наблюдались похолодания климата, а в период высоких максимумов – потепления. Если эта закономерность действительно имеет место, то в конце нынешнего 200-летнего цикла следует ожидать наступление глубокого минимума активности Солнца и, как следствие, глубокого похолодания климата Земли, сравнимого с малым ледниковым периодом во время минимума Маундера. Широко обсуждается вопрос о возможном влиянии вариаций интенсивности космических лучей на климатические изменения. В качестве одного из механизмов рассматривается влияние космических лучей на формирование облачности. Показано, что существует корреляция между аномалиями облачного покрова на высотах до 3,2 км и интенсивностью галактических космических лучей. Предполагается, ионизация атмосферы космическими лучами приводит к образованию аэрозолей, которые служат дополнительными ядрами конденсации. Как следствие, появляется повышенная облачность покрова Земли. С учетом того, что солнечная активность модулирует интенсивность космических лучей, эту цепочку 16 явлений можно было бы рассматривать как реальный механизм, осуществляющий влияние Солнца на климат Земли. ВУЛКАНЫ И КЛИМАТ Помимо солнечной широко обсуждаются и другие возможные причины изменения климата. Например, данные по развитию вулканической активности Земли показывают, что начиная с конца 18-го века идет постепенное волноообразное нарастание деятельности крупнейших вулканов нашей планеты. Последняя сравнительно мощная волна нарастания вулканизма отмечается со второй половины 19-го века. Тогда началось извержение таких известных вулканов, как Везувий, затем Кракатау и ряда других. История вулканизма хорошо зафиксирована ледниками, в толще которых следы вулканических извержений оставлении в виде тонких прослоек, обогащенных вулканическим пеплом. Такие следы и наличие химических соединений, характерных для вулканических извержений, позволяют восстановить даты вулканической активности в очень давние времена. Наиболее мощные извержения вулканов, особенно извержения взрывного характера, могут выбрасывать газ и пепел на высоту более 40 км. Это приводит к существенному загрязнению атмосферы и уменьшению поступления солнечной радиации на земную поверхность. В результате извержений вулканов взрывного типа происходит снижение глобальной температуры приземного слоя. Так было, например, в 1810-1815 годах, когда произошла активизация целого ряда вулканов. В настоящее время на поверхности Земли насчитывается более 800 вулканов. При этом они могут оказывать различные влияния на изменения климата. Могут приводить к охлаждению, если происходит загрязнение атмосферы продуктами вулканической активности в виде пепла и пыли. Однако при длительном развитии извержений с большим выбросом углекислого газа может иметь место противоположный эффект – потепление. ПОДВОДНЫЕ ВУЛКАНЫ Существует еще одно обстоятельство, связанной с вулканической активностью Земли, которое может существенно повлиять на климат. До сих пор оно практически не 17 учитывалось при расчетах теплового баланса поверхности Земли. Это – вулканические выбросы, происходящие на дне океанов и морей. Они могут существенно влиять на температурный режим водного покрова Земли и на ее климат в целом. Площадь Мирового океана почти в 2,5 раза больше площади территорий суши. А дно океана является областью интенсивных магматических проявлений, вносящих в огромный вклад в энергетический баланс нашей планеты. Усиление вулканической активности на обширном пространстве океанического дна неизбежно приводит увеличенному поступлению разогретых продуктов вулканизма непосредственно в океан. Должно возрастать количество перегретых термических вод и газов. Этот процесс возможно является одним из главных факторов, приведших к потеплению Мирового океана за последние 200 лет на целый градус. Потеплевший океан через испарение и оборот воды в природе передает энергию в атмосферу Земли и поверхность суши. Это, вероятно, является основной причиной современного потепления глобального климата. Так или иначе, на Земле действительно наблюдается глобальное потепление. Средства массовой информации сообщают, что северные моря России покрываются льдом с двухнедельным опозданием. При этом толщина льда на 15-17 см меньше нормы. Судоходству мешает только скованный льдом пролив Вилькицкого, разделяющий Таймыр и архипелаг Северная земля и соединяющий Карское море с морем Лаптевых. Здесь корабли могут пройти лишь с помощью ледоколов. Запоздалое образование льда в северных морях специалисты связывают с глобальным потеплением. ГЛОБАЛЬНОЕ ПОТЕПЛЕНИЕ: КТО ВИНОВАТ? И ЧТО ДЕЛАТЬ? В течение последних десятилетий проблема глобального потепления стала областью интересов не только ученых, но также политиков, бизнесменов и религиозных деятелей, которые уже не только говорят о ней, но и принимают определенные меры для ее решения. Более 40 стран подписали знаменитый Киотский протокол об ограничении выбросов в атмосферу «парниковых газов». Постепенно приходит понимание, что бездействие приведет в будущем к громадным экономическим потерям, связанным с необходимостью адаптации промышленности, сельского хозяйства и миллиардных масс населения к новым климатическим условиям. Вместе с тем, новые оценки экономистов показывают, что затраты на стабилизацию климата не представляют серьезной опасности для современной экономики. 18 Ввиду чрезвычайной сложности явлений, формирующих климат, количественные оценки глобального потепления страдают большой погрешностью. Главную неопределенность в расчеты вносит процесс моделирования отклика атмосферы на изменение концентрации парниковых газов, в первую очередь углекислого (СО2). Так, по некоторым оценкам, океанический фитопланктон удаляет из атмосферы около половины углекислого газ. Однако само количество фитопланктоны в свою очередь зависит от температуры воды. Поэтому концентрация углекислого газа в атмосфере, рассчитанная исходя из количества сгоревших ископаемых топлив, может заметно отличаться от реальной. В связи с этим постоянный многолетний мониторинг содержания углекислого газа в атмосфере является одной из важнейших составляющих комплексной программы по стабилизации климата. Изучение долговременных вариации содержания СО2 в атмосфере над Москвой было начато в ГАИШ МГУ в 1969 г. на башенном солнечном телескопе АТБ-1 со спектрографом высокого разрешения. Это позволило аккуратно регистрировать профили отдельных линий в спектре молекулы СО2. Были выбраны две линии в инфракрасной области, не искаженные соседними линиями солнечного спектра, что очень важно для получения надежных значений эквивалентных ширин линий. Последние пропорциональны полному числу молекул на луче зрения, направленном на Солнце, что позволяет пересчитать эквивалентные ширины в значения приземной концентрации молекул СО2. На основе многолетних наблюдений таким методом было показано, что содержание СО 2 в атмосфере Москвы за последние 40 лет выросло в 2.5 раза, что значительно превышает рост СО2, усредненный по всей планете. Мы обнаружили, что за первые 22 года концентрация углекислого газа над Москвой возросла примерно на 48 %. В то же время планетарный рост СО2 по результатам американского мониторинга над сельской местностью (данные лаборатории NOAA, США) составил всего около 8 %. Этот эффект, обнаруженный нами в 1991 г., спустя 7 лет был подтвержден геофизиками в США. Они измеряли концентрацию СО2 в городе Феникс (штат Аризона). Оказалось, что над центром города содержание СО 2 возрастает примерно в 1.5 раза по сравнению с пригородами. Наши дальнейшие наблюдения показали, что с начала 1990-х годов содержание СО2 в воздушном бассейне Москвы стало быстро расти. К концу 1999 г. оно превысило в 2.5 раза уровень 1969 г. (см. рис. ). За этот же период в пунктах, находящихся на значительном удалении от больших городов и промышленных центров, соответствующий прирост количества углекислого газа составил всего около 11 % (измерения Лаборатории 19 мониторинга NOAA). К нашему удивлению в 2003-2005 годах наступило некоторое насыщение углекислым газом атмосферы над Москвой примерно на уровне 1998 г. Рис. 11. Почти синхронный рост содержания углекислого газа (средняя кривая) и числа автомобилей в Москве (верхняя кривая) с 1968 по 1988 г. Скорость нарастания концентрации СО2 в атмосфере над Москвой значительно превышает соответствующие «сельские» показатели (нижняя кривая). Довольно очевидно, что повышенные концентрации СО2 в больших городах обусловлены размещением там многочисленных производств, использующих углеводородное топливо, а также множеством автомобилей. Согласно сведениям Москомприроды, в 1998 г. автотранспорт давал в Москве 85 % всех выбросов СО2 , а в 1999 г., по результатам исследований Центра экологических проблем, это показатель увеличился до 92 %. Заметный рост числа автомобилей в Москве отмечен в 1969 г. Однако сначала он шел довольно умеренными темпами, а вот с 1992 г. – необыкновенно бурно. И именно на этот год приходится резкий излом на кривой, показывающей изменение СО2 в атмосфере над 20 Москвой. Согласованность двух графиков подтверждает, что автомобили в Москве – главный источник выбросов углекислого газа в атмосферу. Рис. 12. Садовое кольцо в обычный день. Следует отметить, что сейчас в Москве практически достигнуто равновесие между поступающими в эксплуатацию новыми (почти новыми) автомобилями и выходящими из строя старыми. Это, а также принимаемые в Москве меры по экологизации автомобильного транспорта, и привело к временному прекращению роста содержания углекислого газа в атмосфере над Москвой. ВМЕСТО ЭПИЛОГА Ключевой вопрос физики солнечно-земных связей – влияние изменяющихся во времени факторов солнечной активности на динамику климата Земли. Помимо потоков солнечного электромагнитного излучения, в систему явлений, формирующих климат, могут вносить вклад солнечные и галактические корпускулярные потоки, хотя степень их влияния кажется малой с точки зрения передачи солнечной энергии к Земле. Физические механизмы, реализующие воздействие Солнца на Землю, требуют дальнейшего изучения и уточнения. В 21 значительной мере это связано со сложностью климатической системы, с тем, что очень трудно предсказать ее отклик на то или иное кажущееся слабым внешнее воздействие. Земля – глобальная космическая экосистема, зависящая в первую очередь от Солнца, но включающая и несолнечные факторы, например, галактические космические лучи. Эта система обладает собственной внутренней активностью, в частности, собственной цикличностью. Например, взаимодействие океан-атмосфера характеризуется собственными периодами, соизмеримыми с периодами солнечных циклов. Характерные времена тепловой циркуляции в океане составляют несколько лет, что существенно сказывается на глобальном отклике системы на периодах порядка солнечного цикла. Более того, вулканическая активность, по-видимому, играет существенную роль в изменениях энергетического баланса планеты в целом. Что касается современного потепления глобального климата, то его рукотворное происхождение становится все более и более очевидным. Многие ученые полагают, что причиной потепления является возрастание содержания в атмосфере Земли парниковых газов: СО2, СН4, N2O. За 18 тысяч лет, предшествующих началу промышленной революции, содержание углекислого газа повысилось примерно на 25 %, а за последние сто лет – примерно ещё на столько же %. Такой высокий темп увеличения содержания СО 2 может привести в 2030 г. к удвоению его концентрации. Повышение содержания СО2 в атмосфере Земли вызывает потепление климата, создающее потенциальную угрозу самому существованию жизни на Земле. ЛИТЕРАТУРА 1. Pap J.M., Fox P. (eds.), Solar Variability and Its Effects on Climate. Geophysical Monograph 141, AGU Press, Washington, DC, 2004. 2. Somov B.V., Physical Processes in Solar Flares, Kluwer Academic Publ., Dordrecht, 1992. 3. Somov B.V., Plasma Astrophysics, Part II, Reconnection and Flares, Springer, New York, 2006. 4. Сомов Б.В., Хлыстов А.И., Астрофизики изучают атмосферу Земли, Земля и Вселенная, 2006, No. 6, 64-70. 22
