Климат, погода и солнечно-земные связи

Оглавление

Введение………………………………………………………………………3                          

1. Солнечная активность, ее проявления и влияние 

    на космическую погоду……………………………………………………4

2. Влияние солнечной активности  на погоду Земли……………………….8

3. Циклы солнечных пятен  и колебания климата………………………….11

Заключение…………………………………………………………………...15

Список использованной литературы………………………………………..16

Приложение…………………………………………………………………..17

Введение

В последние десятилетия интерес людей к колебаниям климата 
чрезвычайно возрос. Неоспоримый факт происходящего у нас на глазах изменения привычных климатических условий: теплые и нередко почти бесснежные зимы, засухи, наводнения, увеличение повторяемости аномальных погодных явлений в различных частях земного шара и т. п. Подобные проявления изменения климата приковывают к себе всеобщее пристальное внимание, поскольку именно они оказывают непосредственное влияние на многие стороны жизни каждого из нас и одновременно порождают серьезные опасения. И появляется вопрос — что это, преходящие, свойственные современному климату местные явления или же проявления ухудшения глобального климата? Поэтому проблема исследования и предсказания изменений климата нашей планеты приобретает особую актуальность.

В последние годы все чаще говорится о солнечной активности, магнитных бурях и их влиянии на погоду и климат. И поскольку солнечная активность нарастает, то вопрос о влиянии этого явления становится тоже в достаточной степени важен.

Известно, что существуют очень тесные солнечно-земные связи, т.е.  система прямых или опосредованных физических связей между процессами на Солнце и Земле. Влияние Солнца на Землю многогранно и неоднозначно, обратное же влияние Земли на Солнце ничтожно мало. Земля все время находится во власти магнитных полей и излучений, исходящих от Солнца.

Целью работы ставится рассмотрение влияния солнечно-земных связей на погоду и климат. Для этого предстоит решить ряд задач: 1) выяснить, что представляет солнечная активность, и как она влияет на космическую погоду; 2) проанализировать влияние солнечной активности на погоду Земли; 3) определить, как солнечные циклы влияют на земной климат.

1. Солнечная активность, ее проявления и влияние на  космическую погоду

Все, что сейчас известно о строении Солнца, его химическом составе, процессах, протекающих в его недрах, суммировано в так называемой «стандартной солнечной модели» (Приложение, рис.1). Согласно этой модели Солнце представляет собой газовый шар, состоящий из водорода с небольшой примесью гелия (и совсем малой примесью более тяжелых элементов). Температура возрастает от поверхности (6000° С) вглубь, достигая близ центра 14 млн. градусов, соответственно возрастает и плотность, электроны оторваны от ядер водорода, так что вещество находится в плазменном состоянии. При температуре и плотности, которые достигаются близ центра, ядра водорода достаточно часто сближаются на расстояния, при которых оказываются возможными ядерные реакции. При этом из четырех ядер водовода образуется ядро гелия и выделяется энергия, обеспечивающая светимость Солнца.

Зона ядерных реакций, где выделяется энергия, занимает небольшую часть объема Солнца. Это сфера всего 0,1 его радиуса. Остальные зоны Солнца проводят (переносят) эту энергии наружу. В основной массе Солнца этот перенос осуществляется фотонами. Но за 0,3 радиуса от поверхности включается еще один механизм переноса - конвекция: нагретый газ поднимается к поверхности, охлаждается и опускается вниз за новой порцией 
тепла. Соответственно в строении Солнца выделяют зону лучистого равновесия и конвективную зону. Из-за того, что конвекция реализуется на вращающемся шаре, общая картина циркуляции вещества в конвективной зоне очень сложная. Чрезвычайно важным является то, что циркулирующим 
веществом при этом является плазма, состоящая из заряженных частиц, поэтому ее движение - это не что иное, как электрический ток. А протекание тока неизбежно сопровождается появлением магнитного поля.

Структура внешних оболочек Солнца, откуда поступает энергия к Земле, весьма сложна. Поверхностные слои Солнца и более глубокие его части даже вращаются, по-видимому, с неодинаковой скоростью. Фотосфера, являющаяся основным источником излучаемой энергии, совершает оборот примерно за 27 суток. Она практически непрозрачна.                  

Выше располагается более прозрачная плазма - хромосфера, в спектре которой наблюдаются линии эмиссии ряда металлов и сильно разреженная, но нагретая до чрезвычайно высоких температур солнечная корона. Граница солнечной короны с космическим пространством несколько условна. Разрежаясь, она распространяется на огромные расстояния, а потоки плазмы, исходящие из короны, достигают Земли, вызывая явления так называемого солнечного ветра и образуя в околоземном пространстве магнитные поля солнечного происхождения.

Процессы на поверхности Солнца – это и есть солнечная активность. Эти процессы определяют так называемую «космическую погоду».

В фотосфере происходит вихревой, в том числе конвективный 
обмен с нижерасположенными слоями Солнца. Это создает неравномерность распределения температур в прилегающих к солнечному экватору областях до широт 30° и замкнутые области пониженных температур - более темные солнечные пятна. Другими словами, пятна –  это  трубки  силовых линий магнитного  поля,  а  мы  наблюдаем  их  сечение,  когда  они «всплывают»  на  поверхность  из конвективной зоны. Температура внутри такого жгута силовых линий ниже, чем окружающего газа,  поэтому  по  контрасту  они  кажутся  черными.  Пятна  обычно  наблюдаются  группами,  они,  как  правило,  окружены  областями повышенной яркости причудливой формы – факелами.

Иногда в активных областях Солнца возникают особенно яркие 
объекты с выбросами материи. Они захватывают не только фотосферу, 
но и более высокие части солнечной атмосферы - это так называемые 
солнечные   вспышки,   сопровождающиеся   образованием мощных потоков альфа-частиц и ионизированных протонов (корпускулярные излучения). Энергия этих выбросов делает их подобными космическим лучам галактического происхождения.

Из хромосферных и корональных наблюдений уже давно был сделан вывод, что во всех процессах солнечной активности фундаментальную роль играют магнитные поля. Относительно большую напряженность солнечные магнитные поля имеют в пятнах: в большом пятне магнитное поле в тысячи раз больше, чем магнитное поле в нашей среде обитания (геомагнитное поле). Современная наблюдательная технология позволяет получить карты солнечных магнитных полей по всему диску.

Пятна, факелы, магнитные поля и другие детали, наблюдаемые на фотосфере или в хромосфере, перемещаются по солнечному диску с востока на запад из-за солнечного вращения. Картина этого вращения подробно изучена. Оказывается только солнечное ядро (зона ядерных реакций) и область лучистого переноса энергии вращается как твердое тело. На поверхности наблюдается одновременно и вращение и сложный рисунок течений конвективной зоны. В итоге для земного наблюдателя получается так, что экваториальная зона вращается с периодом около 25 суток, полярные зоны - с периодом около 29 суток.

Помимо процессов, происходящих на поверхности Солнца, на космическую погоду оказывают влияние и другие составляющие – солнечный ветер, космические лучи, волны.

Самые внешние горячие слои солнечной короны находятся в состоянии непрерывного расширения. Постепенно, по мере удаления от Солнца, скорость расширения увеличивается, достигая своего «обычного» среднего значения 400 км/сек. на расстоянии около нескольких десятков солнечных радиусов. Это грандиозное явление получило название солнечного ветра. Солнечный ветер «дует» постоянно, во все стороны. Им заполнена вся межпланетная среда, и им «обдуваются» все планеты солнечной системы. Химически солнечный ветер состоит из водорода с примесью гелия. Атомы обеих элементов ионизированы, так что этот сильно нагретый газ находится в плазменном состоянии. Физически - это движущаяся сплошная среда, в которой могут распространяться звуковые волны, возможны газодинамические разрывы (в том числе ударные волны). Важная составляющая межпланетной плазмы - магнитное поле, «вытягиваемое» ветром из короны.

Хромосферная вспышка обычно  сопровождается генерацией  солнечных  космических лучей. Как и обычно  существующий фон  галактических космических  лучей,  этот  вид  излучения  представляет  собой  протоны (ионизованные  ядра атомов  водорода),  обладающие  скоростями, близкими к скорости света. Такие частицы обладают  кинетическими  энергиями,  на  много  порядков  большими,  чем  тепловые  энергии протонов  солнечного  ветра.  Появление  солнечных  космических  лучей  означает,  что  при развитии  вспышек  в  активной  области  короткое  время  работает  естественный  аналог ускорителя  элементарных  частиц.  Для  частиц  космических  лучей  межпланетная среда, заполненная «замагниченным»  солнечным  ветром,  является  средой «мутной» (т.  е.  рассеивающей).  Поэтому  солнечные  космические  лучи  приходят  на  орбиту  Землю  с  запаздыванием через часы, а не через 8 минут  как волновое  электромагнитное излучение.

Волновое солнечное излучение  - еще одна составляющая космической погоды. Солнце посылает в отрытый космос огромный диапазон длин волн. Около одной трети доходящего до нас солнечного излучения приходится на инфракрасное излучение (тепловые лучи). Человек не может видеть ультро-инфра-микроволновое и, тем более, рентгеновское излучение. Видимый свет - это не более одного процента от общего излучения солнца. А когда на Солнце  развивается  большая  хромосферная вспышка, то коротковолновое излучение усиливается дополнительно во многие десятки раз, в  это  время Солнце  становится  источником  и  гамма  излучения.

Все эти процессы оказывают большое влияние и на земную погоду.

2. Влияние солнечной  активности на погоду Земли

В атмосфере происходят многообразные физические процессы, непрерывно изменяющие ее состояние. Физическое состояние атмосферы у земной поверхности и в нижних 30—40 км в данный момент времени называется погодой1. Погода характеризуется метеорологическими величинами (температура, давление, влажность воздуха, ветер, облачность, атмосферные осадки) и атмосферными явлениями (гроза, туман, пыльная буря, метель и др.). 

Таким образом, говоря о погоде, мы понимаем погоду сегодняшнего дня или какой-то его части, погоду месяца или сезона года, погоду прошлого или будущего года.

Изменения космической погоды чувствуются на поверхности Земли потому, что солнечная активность тем или иным способом влияет на некоторые экологически важные показатели.

Важно выделить основные экологические факторы, 
контролируемые изменениями «космической погоды». Из рассмотрения здесь исключается такой фактор, как изменение режима освещенности в суточном ритме - здесь все хорошо и давно известно. Такой список возглавляют метеорологические переменные, прежде всего температура. Суточный ход температуры, понятно, не отличается строгой регулярностью, в некоторых ландшафтных зонах, в почве, под снеговым покровом амплитуда вариаций становиться очень малой. Поэтому изменения температуры важны для многодневной ритмики, сезонных вариаций и климатических циклов.

Вариации температуры в разных географических районах характеризуются одним и тем же набором периодов, но фаза колебаний при этом может быть разной. Вариации возникают как следствие особых колебаний в атмосфере.

Исследования показывают, что грозовая деятельность на Земле тесно связана с межпланетным магнитным полем (ММП). При вхождении Земли в отрицательный сектор частота гроз усиливается и достигает максимума, когда Земля углубится в сектор на четверть его ширины. При прохождении Землей через положительный  сектор усиления грозовой деятельности не происходит.

Прохождение Землей границ секторов ММП сопровождается колебаниями барометрического давления. Эти колебания особенно четко выражены в полярных областях планеты. Амплитуда колебаний наиболее значительна в стратосфере (высоты около 25 км) и убывает по направлению к земной поверхности. Атмосферное давление в пределах суток варьирует нерегулярно. Многодневные ритмы, сезонные изменения и климатические циклы атмосферного давления аналогичны температурным.  

Усиление инфразвуковых колебаний сопряжено с целым рядом чисто атмосферных явлений и сопровождает полярные сияния и магнитные бури.

Во время извержений на Солнце (вспышки) с его поверхности  выбрасываются плазменные облака, где плотность солнечного ветра  возрастает в сотни раз, а скорость увеличивается до 1500 км/с. Когда такое облако достигает орбиты Земли, на планете происходит комплекс явлений, 
которые «магнитной бурей». Такое название закрепилось 
за подобным возмущением по той причине, что в наземных измерениях оно было впервые обнаружено по вариациям напряженности геомагнитного поля. Магнитная буря  иногда продолжается 3-5 суток.

Большие бури сопровождаются изменениями в некоторых других экологических параметрах: в некоторых местностях увеличивается выход 
из грунта радиоактивного газа радона; при этом несколько возрастает радиоактивность атмосферы, но  интенсивность галактических космических    лучей уменьшается; увеличиваются колебания атмосферного давления с периодами в десятки минут и часы; изменяется напряженность электрического поля атмосферы. Магнитные бури по многим 
своим показателям отличаются друг от друга. Но в этом их многообразии легко выделить два типа. Вспышечные магнитные бури (следуют спустя примерно двое суток после вспышки или внезапного исчезновения волокна) характеризуются «внезапным началом» - скачкообразным возрастанием напряженности поля на горизонтальной составляющей магнитограммы. У бурь с постоянным началом эта деталь на записях отсутствует. Этот тип бурь соответствует попаданию планеты в высокоскоростную струю солнечного ветра. Такие струи могут существовать относительно долго, несколько солнечных оборотов. Поэтому бури с постепенным началом образуют нередко последовательности с характерным периодом повторяемости в 27 суток. Месторасположение начала струи на солнечном диске может быть найдено из оптических наблюдений короны: на этом месте располагается область пониженной температуры - «коронарная дыра».

Таким образом Солнце влияет на метеорологические величины и атмосферные явления, которые и являются составляющими погоды. Серии погод за несколько десятилетий складываются в климат, следовательно, все эти процессы оказывают влияние и на особенности климата.

3. Циклы солнечных  пятен и колебания климата

Климат, в отличие от погоды — понятие более общее. Этот термин был введен в научную литературу древнегреческим астрономом Гиппархом из Никеи во II веке до н.э. Дословно этот термин означает «наклон», «наклонение». И, следовательно, двадцать два столетия назад античные ученые хорошо себе представляли, что от наклона солнечных лучей зависели физико-географические условия на земной поверхности.

Климат данной местности можно определить как характерный для 
нее многолетний режим погоды, обусловленный солнечной радиацией, 
ее преобразованиями в деятельном слое земной поверхности и связанной с ними циркуляцией атмосферы и океанов.2 Другими словами, климат - это долговременный режим погоды на конкретном участке земной поверхности.

Формирование климата зависит от многих факторов и прежде всего от географической широты местности. Широта местности определяет угол падения солнечных лучей и, следовательно, количества тепла, поступающего от Солнца. Количество тепла зависит также от характера подстилающей поверхности и от распределения суши и воды. Особенности климата обусловлены целым рядом факторов, которые называются климатообразующими. К ним относятся солнечная радиация, циркуляция атмосферы и характер земной поверхности. Важнейшей из перечисленных является солнечная радиация.

Догадки о возможном влиянии солнечных пятен на погоду появились давно. Уже во времена Галилея делались предположения об охлаждающем влиянии солнечных пятен на земную атмосферу. Первой специальной работой в этой области можно считать исследование В. Гершеля (1801 г.) о связи с числом солнечных пятен цен на некоторые сельскохозяйственные продукты, урожай которых зависит от условий погоды.

Из закономерных процессов солнечной активности наиболее известен 
четко проявляющийся так называемый 11-летний цикл солнечных пятен. Он проявляется в периодическом появлении большого количества крупных пятен на Солнце и усилении солнечной радиации. Каждый новый цикл отсчитывается с момента минимальной солнечной активности.

Однако тогда же было обнаружено, что если солнечные пятна и влияют на погоду и климат, то неодинаково на различных географических широтах. В одних районах при увеличении числа солнечных пятен становится теплее, в других — холоднее.

Так, например, двое его сотрудников датского метеорологического института, А. Кристенсен и К. Лассен нашли статистическую взаимосвязь между пятнами на Солнце и температурой атмосферы нашей планеты. Они установили, что продолжительность солнечного цикла сказывается на земном климате. А именно, чем короче цикл — тем выше температура атмосферы Земли.

Диаграмма (Приложение, рис.2) показывает, что в конце прошлого века, когда период солнечных пятен стал сокращаться, одновременно приросла температура в Северном полушарии примерно на 0,55 градуса. Так продолжалось до 1940 года. Затем солнечные циклы растянулись и температура на Земле упала приблизительно на 0,18 градуса. В последние годы циклы снова сократились, и температура заметно подскочила — на 0,3 градуса.3 Однако тогда же было обнаружено, что если солнечные пятна и влияют на погоду и климат, то неодинаково на различных географических широтах. В одних районах при увеличении числа солнечных пятен становится теплее, в других — холоднее.

Климатолог, профессор X. Грасль обратил внимание на то, что 
если принять версию датчан, земной климат очень быстро реагирует на изменения на Солнце. Следовательно, «парниковый эффект» может оказаться многозначительнее, нежели говорят старые методы расчетов. Профессор X. Грасль категорически не согласен с теми, кто считает, что бороться за чистоту атмосферы бесполезно, поскольку влияние Солнца во много раз сильнее, чем двуокиси углерода и метана.

Помимо 11-летнего цикла солнечной активности существуют и другие циклы: 27-дневный, 2-летний, 22-летний, который, кстати, бывает более сильно выражен, чем 11-летний, 60-летний и др.

По мнению В.Ф. Чистякова «27-дневный период вращения Солнца прослеживается в следующих явлениях: космические лучи, солнечная постоянная, колебания блеска планет Урана и Нептуна, геомагнитные бури, ионосферные возмущения, полярные сияния, радиопомехи, атмосферная циркуляция, температура воздуха, заморозки, атмосферное давление, осадки, содержание озона, биологические процессы и др.».4

22-летний цикл соответствует  полному циклу изменения магнитного  поля Солнца, когда в течение  одного 11-летнего периода северный магнитный полюс совпадает с северным гелиографическим, а на протяжении следующего 11-летнего цикла на северном гелиографическом полюсе 
господствует южный магнитный полюс. Имеются косвенные данные, свидетельствующие о существовании таких колебаний многие десятки миллионов лет назад. Вполне вероятно, что они   возникали   в  эпоху  формирования  самой  солнечной  системы.  

Проблема влияния солнечной активности на климат имеет важное значение для прогноза климатической динамики на ближайшее столетие. В последние годы прогноз глобального повышения температуры на нашей планете - монотонный ее рост на +3,6° ± 2,2° к концу текущего столетия - приобрел статус утверждения несомненного и бесспорного. 
В значительной мере этому содействовало широкое общественное внимание к этой проблеме, высокий авторитет международных организаций, взявших на себя ответственность за прогноз. Отчеты Международного Комитета по климатическим изменениям при ООН (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC), регулярно суммирующие состояние дел в этой области, едва ли, казалось бы, подлежат критике, так как: они составляются при участии многих сотен экспертов (главным образом из США и Западной Европы) и примерно таким же числом правительственных экспертов рецензируются. Не менее сильное впечатление составляют и политические последствия 
этого уже почти массового движения. Киотский Протокол (1997 г.) подписан представителями 150 стран и вокруг него не прекращаются научные дискуссии и политические маневры.

Одно время казалось, что озоносфера разрушается из-за неконтролируемого в глобальном масштабе химического производства. Но теперь мало кто сомневается, что уменьшение толщины стратосферного озона обусловлено почти целиком естественно протекающими атмосферно-циклическими процессами.

Наконец, солнечная активность, влияние которой на приземный 
климат все еще остается дискуссионным. Хотя многие ученые являются энтузиастами влияния этого фактора и приписывают ему происхождение почти всех колебаний современного климата и колебаний 
климата геологического прошлого. Влияние же этого фактора на 
процессы самых верхних слоев атмосферы и на колебания магнитного 
поля Земли сомнений не вызывает.5

Итак, солнечная активность, несомненно, влияет на погоду и климат одновременно по двум каналам: через изменение коротковолнового излучения (космических лучей, ультрафиолетового, рентгеновского) и через вариации параметров солнечного ветра (скорость, напряженность межпланетного магнитного поля). При этом постепенно выявляются весьма сложные пространственно-временные закономерности, в которых еще предстоит разобраться.

Заключение

Итак, мы выяснили, что главной причиной почти всех природных процессов как на поверхности Земли, так и в атмосфере является лучистая энергия Солнца.

Появление солнечных пятен не считается самым точным показателем солнечной активности, и их отсутствие еще не означает, что Солнце спокойно. Очень важно, что солнечные пятна легко наблюдать и сведения о них уже накоплены за длительное время. Это дает возможность проследить влияние солнечной активности не только на погоду, но и на климат в течение многих лет. Если цикл солнечной активности продолжается 11 лет, то естественно предположить, что и метеорологические элементы — давление, температура, влажность воздуха, атмосферные осадки и другие — тоже должны изменяться каждые 11 лет. Действительно, такая периодичность обнаруживается, но далеко не всегда, не по всем климатическим элементам, не во всех географических районах, не для всех месяцев. Возможно, проследить влияние солнечных циклов мешает сложность развития самих атмосферных процессов.

К особенностям климата, зависящим от солнечной активности, относятся такие исключительно важные явления, как суровые зимы или жестокие засухи. Кроме 11-летних циклов солнечной активности и климатических элементов обнаружены и другие циклы. Особенно важны 22-летний и 80—90-летний. Это также подтверждает связь климата с процессами на Солнце.

Дальнейшее развитие исследований космоса и атмосферы Земли даст ответ на не решенный еще вопрос: как именно солнечная активность, ее отдельные вспышки и длительные изменения воздействуют на климат и погоду? Такой ответ необходим для обоснования прогноза многолетних изменений климата.

Список использованной литературы

1. Климатология: Учебник / О.А. Дроздов и др.- Л.: Гидрометеоиздат, 1989.- 568 с.

2. Николаев Г. Капризы климата и что за ними стоит? // Наука и жизнь.- 1993.-№1.- С.85-89.

3. Хромов С.П. Метеорология и климатология: Учебник / СП. Хромов, М.А. Петросянц. - М.: Изд-во Моск. ун-та: Наука, 2006. - 582 с.

4. Чистяков В.Ф. Солнечные циклы и колебания климата.- Владивосток: Дальнаука, 1997.- 156 с.

Приложение

Рис. 1. Строение Солнца согласно стандартной солнечной модели

Рис.2. Диаграммы, показывают взаимозависимость солнечной активности, точнее говоря, продолжительности цикла пятен на Солнце и средней температурой на Земле — в северном полушарии. Зависимость такая: чем короче на Солнце цикл, тем выше на Земле поднимается средняя температура. И наоборот, как, например, в шестидесятые годы нашего столетия — циклы были длиннее и температура падала.

Сплошная линия — длительность цикла; пунктирная линия — средняя годовая t°.

1 Хромов С.П. Метеорология и климатология: Учебник / СП. Хромов, М.А. Петросянц. - М.: Изд-во Моск. ун-та : Наука, 2006. – С.13.

2 Климатология: Учебник / О.А. Дроздов и др.- Л.: Гидрометеоиздат, 1989.- С.6.

3 Николаев Г. Капризы климата и что за ними стоит? // Наука и жизнь.- 1993.-№1.- С.86.

4 Чистяков В.Ф. Солнечные циклы и колебания климата.- Владивосток: Дальнаука, 1997.- С.25-26.

5 Климатология: Учебник / О.А. Дроздов и др.- Л.: Гидрометеоиздат, 1989.- С.507.