Парадоксы климата. Ледниковый период или обжигающий зной? - Игорь Кароль

Несложно сообразить, что в среднем за год количество энергии, полученной и отданной системой «Земля – атмосфера», примерно одинаково: ведь в противном случае среднегодовая среднеглобальная температура воздуха у подстилающей поверхности имела бы сохраняющуюся тысячелетиями тенденцию либо к регулярному увеличению, либо к регулярному уменьшению. Но с началом ХХ в. приборы стали фиксировать устойчивое возрастание средней температуры от десятилетия к десятилетию…

Какие же причины способны вызвать нарушение сложившегося веками баланса? Первое подозрение, очевидно, падает на нашего героя – Солнце или, говоря строго, на изменение потока солнечного излучения.

Солнце – гигантский (даром, что по астрономической градации – карлик), раскаленный, плазменный шар с эффективной температурой поверхности, равной 5770 К (напомним, что градус Кельвина – К равен более привычному нам градусу Цельсия, но шкала Кельвина сдвинута на 273,15 К, т. е. 273,15 К соответствуют 0 °C). Лишь ничтожная доля (около 5·10-8 %) излучаемой им энергии достается Земле. Вещество Солнца находится в постоянном движении, на его теле регулярно возникают неоднородности – пятна, факелы, протуберанцы, случаются вспышки и т. д. Именно с неоднородностями, в первую очередь с пятнами, связана солнечная активность – изменение потока его излучения.

Наличие на Солнце пятен было замечено людьми очень давно: авторы, освещающие эту проблему, обожают приводить выдержку из древнерусских хроник о том, как «сквозь дым лесных пожаров люди видели “темные пятна, аки гвозди”», считавшиеся дурным предзнаменованием. В начале XVII в. Г. Галилей впервые направил на Солнце свое изобретение – телескоп, положив начало наблюдениям за Солнцем, а с середины XIX в. такие наблюдения ведутся на ежедневной основе. Еще раньше (с 1749 г.) приступили к регулярным наблюдениям солнечных пятен в Цюрихской обсерватории, благодаря чему сегодня имеется ряд измерений солнечных пятен длиной в 260 лет.

С целью охарактеризовать текущее состояние светила, швейцарский астроном Р. Вольф (1816–1896) предложил использовать относительное число солнечных пятен, получившее впоследствии его имя. Число Вольфа определяется как сумма удесятеренного числа групп пятен и общего количества пятен во всех группах на одном полушарии Солнца (второе остается невидимым). Число Вольфа – не единственный, но, пожалуй, наиболее популярный индекс солнечной активности у специалистов. И это при том, что едва ли кто-то из них в состоянии объяснить физический смысл этого индекса.

Тем не менее связь между числом Вольфа и интенсивностью ультрафиолетовой солнечной радиации считается установленным научным фактом. Замечено, что с увеличением числа Вольфа (т. е. количества пятен на Солнце), – а происходит это периодически, – возрастает интенсивность излучения в ультрафиолетовой области спектра.

Периодичность эта – особая: согласно данным Цюрихской обсерватории, интервалы колебались от 7 до 17 лет между годами максимумов чисел Вольфа и от 9 до 14 лет – между их минимумами. В среднем же такой солнечный цикл длится около 11 лет, вследствие чего он и получил свое широко распространенное название – 11-летний (рис. 7).

Как видно на рис. 8, 11-летние циклы различаются еще и по количеству пятен, т. е. по интенсивности. Рекорд здесь принадлежит максимуму 1957 г., когда среднегодовое число Вольфа достигало 190. Наименьшие значения в максимумах приходятся на первую четверть XIX в. – в этот период они едва «переваливали» через отметку 40. Однако в анналах цюрихских наблюдений присутствует еще один временной интервал – с 1645 по 1715 г., характеризуемый малым числом солнечных пятен и ослаблением солнечной активности, получивший название «маундеровского минимума» (по имени давшего его описание английского исследователя Е. Маундера). Нумерация 11-летних циклов берет отсчет с 1775 г., таким образом, сейчас идет 24-й цикл.

Рис. 7. Кривая среднегодичных цюрихских относительных чисел солнечных пятен (W, чисел Вольфа) за 1755–1980 гг. В кружке – максимальное значение за весь период наблюдений

В несколько «облагороженном» виде схема 11-летнего цикла представлена на рис. 8.

Рис. 8. Схема кривой 11-летнего цикла солнечной активности

Процессы на Солнце также подвержены изменениям в пределах 22-летнего и 80–90-летнего циклов. Первый из них вовсе не «сумма» двух последовательных 11-летних циклов, хотя его природа тоже связана с солнечными пятнами. Гелиофизики говорят, что под действием мощного магнитного поля в среднем каждые 22 года меняется полярность пятен. И если с наличием 22-летнего цикла сегодня согласны большинство специалистов, то к существованию 80–90-летнего цикла многие относятся скептически. Понятно, что делать далеко идущие выводы, имея под рукой один-единственный ряд наблюдений длиной всего в три таких цикла, весьма опрометчиво. Не будучи специалистами в области гелиофизики, воздержимся от комментариев по данному вопросу, ограничась только нижеприведенной иллюстрацией (рис. 9).

Рис. 9. Усредненная кривая изменения максимальных среднегодовых чисел Вольфа Wm за весь период измерений. По оси абсцисс – номера 11-летних циклов согласно цюрихским данным

Важно отметить, что основной «удар» солнечной активности принимают на себя верхние слои атмосферы, но его «отголоски» чувствуются и в ее нижних слоях, и у земной поверхности. Наиболее существенным последствием пертурбаций в верхней атмосфере является изменение циркуляции воздушных масс в ее нижних слоях. Есть основания полагать, что во время максимумов 11-летнего цикла имеет место усиление циклонов и антициклонов.

Данные ряда исследований свидетельствуют о наличии зависимости засух от фаз 11– и 22-летних циклов солнечной активности, причем среднеазиатские засухи коррелируют (т. е. имеют большой коэффициент корреляции) с 11-летним циклом, в то время как североамериканские – с 22-летним. Горячих защитников 80–90-летний цикл солнечной активности нашел в лице дендрологов, утверждающих, что он отчетливо прослеживается при изучении годовых колец деревьев-долгожителей.

Здесь необходимо маленькое отступление. Когда нужно подтвердить или опровергнуть связь между какими-либо явлениями, нередко прибегают к поиску коэффициента корреляции. Коэффициент этот, широко используемый в математической статистике, может изменяться по абсолютной величине от нуля до единицы. Он характеризует степень зависимости между явлениями: чем ближе его значение к единице, тем теснее эта связь. Такой вот универсальный критерий. Но в его определении есть важный нюанс: коэффициент корреляции выполняет возложенную на него миссию лишь в том случае, если достоверно известно, что такая зависимость существует. Иными словами, если вам вздумалось оценить с помощью коэффициента корреляции связь, к примеру, между ежемесячным ростом успеваемости группы школьников после прихода в их класс талантливого учителя и увеличением в тот же период поголовья бегемотов в Африке (вследствие создавшейся особо благоприятной для этого обстановки), то вышеозначенный коэффициент, вероятно, окажется очень высоким, но… Как часто исследователь, умилившись полученным большим значением коэффициента корреляции, не удосуживается привести хоть какие-нибудь резоны в обоснование наличия исследуемой связи. Сказанное, отнюдь, не отрицает применимость коэффициента корреляции, а только служит напоминанием об осторожности в выводах, которая нужна при его использовании.

Выше говорилось о том, что в ходе 11-летнего цикла изменения затрагивают в основном ультрафиолетовую часть спектра. Сколь значительны эти изменения, показано на рис. 10. Ультрафиолетовый участок спектра приблизительно соответствует длинам волн 170 < λ < 320 нм[11]. Однако только для длин волн λ < 205 нм интенсивность излучения в максимуме солнечной активности превосходит на 5–17 % ее в минимуме 11-летнего цикла, на бо́льших же длинах волн они почти равны. Следить за такими незначительными изменениями на верхней границе атмосферы очень трудно, это стало возможным только в последние 20–30 лет с появлением искусственных спутников Земли.

Рис. 10. Соотношение интенсивности солнечного излучения на верхней границе атмосферы в максимальной (Imax) и минимальной (Imin) фазах 11-летнего цикла на разных длинах волн по данным измерений

Изменения такого масштаба практически никак не сказываются на солнечной постоянной: спутниковая аппаратура зафиксировала лишь незначительные ее колебания – с амплитудой 0,1 % – в ходе 11-летнего цикла солнечной активности. Косвенные данные указывают на значительно бо́льшие ее изменения (десятые доли процента) в XVII в. Многие исследователи тем не менее полагают, что небольшой рост солнечной постоянной имел место с середины XVIII в. по настоящее время. Однако его трудно выделить и оценить, так как спутниковых измерений тогда не было, а точность наземных измерений, которым мешали и облачность, и недостаточная прозрачность атмосферы, не позволяет достаточно определенно судить о ее росте за последние 250 лет. Но даже изменения на десятую долю процента очень существенно отражаются на эффективности химических превращений в атмосфере, порождая эволюцию содержания газов в составе атмосферного воздуха, в том числе – парниковых газов, подробный разговор о которых еще впереди.