Солнечная активность влияет на климат
Ученые Пулковской астрономической обсерватории считают доказанным воздействие солнечной активности на целый ряд событий, включая глобальные изменения погоды и климата.
Об этом корреспонденту «Науки и жизни» сказал Александр Степанов, директор Главной (Пулковской) астрономической обсерватории (Санкт-Петербург).
Он рассказал, что термин «космическая погода, который употребляется в последние десятилетия, характеризует весь комплекс внешних по отношению к Земле геоэффективных факторов, основные из которых – изменения солнечного магнитного поля и грандиозные явления, вызванные этими изменениями. Потоки высокоэнергичных частиц, образующихся в периоды солнечных вспышек и корональных выбросов массы, могут в краткосрочном аспекте нарушать радиосвязь, затруднять радионавигацию, приводить к сбоям энергоснабжения и повреждать оборудование космических аппаратов. Кроме этого, эти потоки представляют опасность для космонавтов и даже для пассажиров авиарейсов, сказал директор обсерватории.
По словам ученого, солнечная активность модулирует поток галактических космических лучей, которые влияют на образование облачности Земли и ее отражательную способность к поступающего от Солнца потока энергии, и может вызывать длительные тренды земного климата, иногда приводящие к крупным погодным аномалиям.
Как сказал Степанов, своевременное отслеживание и прогнозирование изменения активности Солнца и вызванных ею земных явлений позволяют снижать экономические риски и вырабатывать оптимальную стратегию для предотвращения природных катастроф. Поэтому проект «Постоянного космического солнечного патруля» (ПКСП), разработанный в Роскосмосе,– чрезвычайно важен и будет реализован на базе орбитальных спутников в рамках Федеральной космической программы до 2015 года, сказал Александр Степанов. Он пояснил, что постоянный космический солнечный патруль призван обеспечить мониторинг изменений ионизирующего излучения Солнца в мягкой рентгеновской и крайней ультрафиолетовой области спектра.
Источник
Механизм влияния солнечной активности на погоду и климат Земли
Механизм влияния солнечной активности на погоду и климат Земли
The mechanism of influence of solar activity on the Earth’s weather and climate
Тысинюк Николай Максимович
В воздухе, насыщенном ионами, молекулы азота и кислорода приобретают свойства излучать и поглощать электромагнитные волны в инфракрасном диапазоне. Ионы в тропосфере образуются вследствие облучения молекул воздуха заряженными частицами солнечного, космического и техногенного происхождения.
In air saturated with by ions of nitrogen and oxygen molecules acquire properties absorb and emit electromagnetic waves in the infrared range. Ions are formed in the troposphere due to the impact of air molecules of the charged particles of the solar, cosmic and the of a technogenic origin.
1. Введение
О том, что активность Солнца влияет на климат Земли известно давно и доказано многочисленными исследованиями. Однако надежного объяснения этого влияния в настоящее время нет. Поэтому среди ученых немало скептиков, не доверяющих результатам исследований, тем более, что влияние солнечной активности на погоду Земли неоднозначно.
Так, Датский климатолог Хенрик Свенсмарк опубликовал статью [1], в которой доказывал, что на погоду и климат Земли оказывают влияние не сколько выбросы углекислого газа в атмосферу, столько высокоэнергичные космические лучи из открытого космоса, проникающие глубоко в атмосферу и вызывающие ионизацию газов воздуха. Ионы стимулируют конденсацию и сублимацию водяных паров в атмосфере и, в конечном итоге, облакообразование. В зависимости от покрытия Земли облаками, изменяется поступление солнечной тепловой энергии на земную поверхность в связи с тем, что значительная ее часть отражается от облаков в Космос.
Интенсивность облучения земной атмосферы космическим излучением, зависит от активности Солнца. Поэтому погода и климат Земли, как доказывает Хенрик Свенсмарк, зависит от активности нашего Светила. В периоды высокой активности Солнца Земля меньше облучается космическими лучами и, соответственно, меньше формируется облаков и температура повышается. В периоды низкой активности Солнца на Землю попадает больше космических лучей, увеличивающих облачность и Земля охлаждается.
Исследования этого вопроса дали противоречивые результаты. Причиной этого могли быть неоднозначность влияния космического излучения на погоду и климат в различных регионах Земли или отсутствие указанного эффекта.
Жаркое лето 1986 года и исключительно холодная, снежная и продолжительная зима и весна 1986 — 1987 годов в Украине после аварии на Чернобыльской АС [7], натолкнули на мысль о возможности влияния продуктов радиоактивного распада на погодообразующие элементы. В нижнюю, среднюю и верхнюю тропосферу с загрязненной радиоактивными продуктами подстилающей поверхности и приземного слоя воздуха поступали нейтроны, распадающиеся на разных высотах на протоны, электроны и электронные антинейтрино. Несмотря на то, что энергия отдельных элементарных частиц значительна, общая вносимая в тропосферу энергия была ничтожной по сравнению с энергией происходящих в ней процессов. Поэтому ионизирующее излучение прямого влияния на процессы, происходящие в тропосфере оказывать не может. Очевидно существует какой-то механизм, в результате которого внесение в атмосферу столь ничтожной энергии вызывает заметные изменения погоды и климата.
В результате облучения атмосферы ионизирующим излучением любого происхождения происходит образование легких ионов, состоящих из нескольких десятков нейтральных молекул. Рассмотрим на молекулярном уровне излучение газов воздуха, свободных от легких ионов и, отдельно, насыщенных последними.
2. Трансформационные изменения сухого и чистого от аэрозолей и ионов воздуха
Сухой и чистый от аэрозолей и легких ионов воздух излучает и поглощает электромагнитные волны в инфракрасной части спектра очень слабо, в основном, за счет молекул водяного пара и углекислого газа. Молекулы основных газов воздуха – азот и кислород в процессе хаотического движения сталкиваются как квазиупругие шары без потери энергии. Это обусловлено тем, что молекулы указанных газов не имеют дипольных моментов как у молекул воды. Центры масс и центры зарядов у таких молекул совпадают, поэтому они не имеют колебательных и вращательных спектров излучения и поглощения.
В связи с этим изменение температуры сухого воздуха в свободной атмосфере за счет излучения и поглощения происходит крайне медленно. Трансформационные изменения температуры сухого воздуха происходят, в основном, в приземном слое в результате радиационного выхолаживания или прогрева подстилающей поверхности. При отсутствии конвективных явлений в средних широтах эти изменения температуры воздуха в нижней тропосфере редко превышают высоты 1.5 – 2.5 км. В средней и верхней тропосфере изменения температуры воздуха могут происходить также за счет динамических факторов при циклогенезе и антициклогенезе и адвективных явлений. При отсутствии указанных факторов изменения температуры сухого воздуха с небольшой концентрацией аэрозолей и легких ионов в тропосфере незначительны.
3. Влияние ионов на физические свойства газов воздуха
В сухом чистом воздухе, насыщенном легкими ионами, свойства молекул азота и кислорода в части поглощения и излучения электромагнитной энергии, как мы считаем, изменяются. В электростатическом поле ионов происходит смещение центров зарядов у молекул азота и кислорода относительно их центров масс, в связи с чем у этих молекул возникает дипольный момент. Молекулы азота и кислорода, подобно молекулам воды и углекислого газа, на наш взгляд, приобретают свойства поглощать и излучать энергию в диапазоне инфракрасных электромагнитных волн. Поэтому сухой воздух с повышенным содержанием легких ионов трансформируется не только в приземном слое, но и во всей толще тропосферы.
Возможны несколько механизмов поглощения и излучения электромагнитной энергии молекулами азота и кислорода, находящимися в электростатическом поле легких ионов.
Под воздействием ионизирующего излучения и механическим путем в тропосфере образуются молекулярные ионы обоих знаков, к которым прилипают нейтральные молекулы азота и кислорода, образуя легкие ионы, содержащие по несколько десятков молекул.
Значительная часть энергии электростатического поля иона расходуется на поляризацию прилипающих молекул. Поэтому, каждая последующая прилипшая молекула уменьшает энергию электростатического поля иона. При этом заряд иона не меняется. Молекулы, имеющие скорости поступательного движения меньше среднеквадратической, прилипают к иону, а молекулы со скоростями, превышающими среднеквадратическую выбивают прилипшие молекулы.
Большинство молекул газов воздуха имеют скорости, близкие к среднеквадратической скорости поступательного движения. Эти молекулы при неупругих столкновениях с ионами, не прилипая, почти полностью теряют кинетическую энергию на излучение. Излучаемая энергия в этом случае равна средней кинетической энергии молекул:
,
— средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы идеального газа (с достаточной степенью точности формула применима для воздуха);
— постоянная Больцмана;
— температура воздуха;
Молекула, потерявшая кинетическую энергию при неупругом столкновении с ионом, понижает общую энергию поступательного движения молекул, а, следовательно, понижается и температура воздуха. Изменение температуры воздуха в результате потери энергии на излучение при столкновении с ионами составляет:
и 
— температура воздуха, соответственно, в начальный и конечный моменты времени.
Из кинетической теории газов:
и 
,
— средняя кинетическая энергия молекулы при температуре ;
— изменение средней кинетической энергии молекулы.
Если предположить, что потеря энергии при столкновении молекул с ионами за время 
равномерно распределяется между всеми молекулами единичного объема, тогда:
и 
— число ионов и нейтральных молекул в единичном объеме соответственно;
— время;
— коэффициент поглощения инфракрасного излучения кристаллами льда или каплями воды 
;
— число соударений нейтральных молекул в ион в единицу времени, которое равно:
,
— сечение взаимодействия молекулы с ионом;
— газовая постоянная;
— молекулярный вес газа.
Таким образом, изменение температуры воздуха составляет:
или после преобразования:
(1)
Подставив значения постоянных членов и полагая, что для воздуха = 29, а сечение столкновения молекулы с ионом имеет порядок 10-16 см2, получим:
(2)
Молекулы, пролетающие в электростатическом поле иона без столкновения с ним, поляризуясь, в результате неупругих взаимодействий также теряют энергию на излучение. Сечение взаимодействия без столкновения имеет порядок 10-14 см2. На удалении 10-7 см энергия электростатического поля иона равна 
, поэтому, подставив значения величин в (1), получим:
(3)
Для простоты расчета здесь принято, что все молекулы в электростатическом поле иона в радиусе 10-7см теряют энергию . Фактически же потеря энергии молекулами колеблется в пределах от до .
Легкие ионы газов воздуха подобно другим аэрозолям поглощают и излучают энергию в инфракрасной части спектра за счет изменения энергии колебательного и вращательного движения молекул внутри иона. Указанные два вида движений атомов в молекулах и поступательное движение молекул взаимосвязаны, поэтому изменение энергии первых двух видов движений влечет за собой изменение энергии поступательного движения, определяющего температурный режим газов. Концентрация ионов в воздухе сравнительно небольшая, поэтому и суммарное излучение за счет этого механизма незначительно.
Процесс излучения и поглощения электромагнитной энергии в воздухе, насыщенном легкими ионами, происходит постоянно. В результате поглощения солнечной радиации легкими ионами и поляризованными молекулами азота и кислорода кинетическая энергия поступательного движения молекул газов повышается. Одновременно с этим действует механизм излучения энергии, вследствие чего энергия поступательного движения молекул газов уменьшается.
Изменение температуры воздуха за счет потерь энергии при взаимодействии молекул с ионами без столкновения на порядок больше, чем при столкновении, поэтому изменением температуры за счет последнего фактора можно пренебречь и для расчетов использовать формулу (3).
Расчеты показывают, что при концентрации ионов 105 см3 в сухом чистом воздухе на высоте изобарической поверхности АТ500 гПа за счет излучения температура понижается на 0,14 0С в час или 3,4 0С за сутки.
Температура воздуха при отсутствии солнечной радиации за счет выше указанного фактора понижается до достижения конденсации или сублимации водяных паров, когда С=1. В дальнейшем происходит поглощение излучаемой энергии водяными каплями и кристаллами льда. Ионы интенсивно растворяются в каплях и оседают на кристаллах, их концентрация резко снижается.
4. Влияние высокой концентрации ионов на погодообразующие элементы
В условиях высокой интенсивности солнечной радиации в сухом чистом воздухе, насыщенном ионами, поглощение энергии преобладает над излучением и температура воздуха повышается. Если же излучение компенсируется поглощением, то за счет описанных факторов температура воздуха не изменяется. При отсутствии солнечной радиации (темное время суток или полярная ночь) излучение преобладает над поглощением и температура воздуха понижается.
Присутствие в воздухе водяного пара и углекислого газа, имеющих свойства излучать и поглощать энергию в инфракрасной части спектра, значительно усложняют процесс влияния высоких концентраций ионов на температурный режим воздуха. Кроме того, ионы газов интенсивно растворяются в каплях воды и оседают на кристаллах льда. Поэтому в условиях облачности количество свободных ионов невелико. Режим излучения и поглощения энергии в этом случае определяется исключительно количественным составом жидких капель и кристаллов льда в единице объема воздуха.
Как уже отмечалось, наибольшее влияние на температурный режим высокие концентрации ионов оказывают в сухом чистом воздухе. Это особенно показательно при формировании континентального арктического воздуха вблизи полярного круга, где заряженные частицы солнечного происхождения наиболее интенсивны и проникают на большую глубину атмосферы. В условиях полярной ночи в результате интенсивного излучения температура воздуха понижается во всей толще тропосферы. Степень этого понижения находится в прямой зависимости от концентрации ионов.
Понижение температуры воздуха в тропосфере за счет указанного фактора накладывается на понижение температуры приземного слоя воздуха в результате интенсивного выхолаживания подстилающей поверхности. Поэтому, сухой арктический воздух, облучаемый мощными потоками ионизирующего излучения солнечного происхождения, быстро трансформируется. В этом случае усиливается меридиональная составляющая циркуляции во всей тропосфере в обоих полушариях, часто изменяющая направление и скорость океанических течений, влияющих на погоду и климат континентов.
Во влажной воздушной массе трансформация за счет указанного фактора отсутствует. Поэтому на границе сухой и влажной воздушных масс проиcходит увеличение температурных градиентов и, как следствие, обострение фронтальной зоны, усиление меридиональной циркуляции, резкое понижение температуры воздуха и недостаток увлажнения в одних районах и сильное повышение температуры воздуха с обильным выпадением осадков и возникновением стихийных явлений в других районах.
Так, на севере американского континента повышенный уровень корпускулярного излучения сочетается с низким содержанием влаги и условиями солнечного сияния, что способствует значительному понижению температуры воздуха во всей тропосфере. В результате этого усиливается меридиональная составляющая циркуляции и проникновение холодного воздуха на юг вглубь континента. Холодный арктический воздух контактирует с теплым влажным тропическим воздухом. В зоне активного фронта возникают смерчи, торнадо и сильные осадки.
Стихийные явления на юге Северной Америки могут возникать только спустя 4 – 6 суток после начала на севере американского континента геомагнитной бури. Это связано с тем, что для понижения температуры в арктическом воздухе под воздействием заряженных частиц необходимо 3 – 4 суток и еще 1 – 2 суток для смещения арктического фронта к югу континента.
Таким образом, прогноз геомагнитных бурь можно использовать для прогноза стихийных явлений на Североамериканском континенте с достаточной заблаговременностью.
Очевидно, в формировании полюса холода над северо-востоком Сибири не последнюю роль играют ионы, образованные в результате облучения газов приземного слоя воздуха продуктами радиоактивного распада радона, выходящего на поверхность из горных пород.
В условиях интенсивного солнечного сияния и больших концентраций ионов поглощение энергии газами воздуха преобладает. Воздух интенсивно прогревается во всей тропосфере. Воздушная масса, формирующаяся над континентом в этих условиях, характеризуется исключительно высокими температурами и низким содержанием влаги. В зоне действия такой воздушной массы возникают продолжительные засухи.
Проникающее на различную глубину в тропосферу ионизирующее излучение, посредством ионов влияют на степень устойчивости в ней и перенос влаги с нижних в верхние слои атмосферы. При формировании воздушной массы над океаном указанный фактор имеет решающее значение в увлажнении тропосферы. Основная масса влаги на континенты переносится с морскими воздушными массами, поэтому от содержания влаги в них зависит количество выпадающих осадков.
При недостаточно высокой энергии космических частиц ионизация происходит, в основном, в верхней тропосфере, что вызывает увеличение рассеяния солнечной радиации поляризованными молекулами азота и кислорода подобно твердым аэрозолям. Земная поверхность прогревается меньше, увеличивается устойчивость в атмосфере.
При ослаблении солнечной активности усиливается облучение тропосферы Земли на всех широтах высокоэнергетическими космическими излучениями. В этом случае действует эффект, описанный Хенриком Свенсмарком.
Это лишь небольшая часть возможных вариантов влияния ионизирующего излучения, в зависимости от его мощности, условий солнечного сияния, содержания влаги в атмосфере и состояния подстилающей поверхности, на погодные и климатические условия Земли.
Неоднозначность влияния легких ионов на температурный режим тропосферы вызывает различную степень корреляции (от положительной до отрицательной) погодообразующих элементов с фактором, порождающим потоки ионизирующего излучения – активностью Солнца.
5. Заключение
Влияние активности Солнца на процессы, протекающие в тропосфере, осуществляется посредством высокоэнергичных заряженных частиц солнечного ветра, под воздействием которых образуются ионы, изменяющие физические свойства основных компонентов газов воздуха — азота и кислорода.
Изменения погоды и климата Земли, как правило, имеют цикличность, совпадающую с активностью Солнца. В годы высокой активности Солнца в тропосфере преобладает меридиональная циркуляция, в годы снижения активности – зональная. Тип циркуляции атмосферы влияет на изменение океанических течений и на погодообразующие факторы.
Литература
1. Хенрик Svensmark (1998). «Влияние космических лучей на климат Земли». Physical Review Letters 81 (22): 5027-5030. Bibcode : 1998PhRvL..81.5027S. DOI : 10,1103 / PhysRevLett.81.5027 .
2. , Москаленко излучение планет. Л. Гидрометеоиздат, 1977, с.40-98.
3. Пласс. Влияние молекул газов, поглощающих инфракрасное излучение, на климат. Солнечная активность и изменения климата. Доклады конференции. Перевод с английского под редакцией , 1966, с.10-21.
4. Логинов солнечно-атмосферных связей. Л. Гидрометеоиздат, 1973, с.5-10.
5. , Логинов -тропосферные связи. Л. Гидрометеоиздат, 1969, с.29-58.
6. Щука давления у поверхности земли в периоды вторжения высокоэнергичных частиц. Труды Арктического и Антарктического НИИ, т.289, Л. Гидрометеоиздат, 1969, с.74-83.
7. Герман Дж. Р., Гольдберг , погода и климат. Перевод с английского под редакцией , , 1981, с.81-85, с.93-168.
8. , , Вакуловский загрязнение природных сред в зоне аварии Чернобыльской атомной электростанции. Метеорология и гидрология, N2, М.
Гидрометеоиздат 1987, с.5-18.
9. Чижевский эхо Солнечных бурь. М. Издательство «Мысль», 1973, с.100-115.
10. Солнечная активность и изменения климата. Доклады конферен-
ции, организованной и проведенной Нью-Йорской академией наук и Аме-
риканским метеорологическим обществом 24-28 января 1961 г. Под ре-
дакцией РОДСА У. ФЕЙРБРИДЖА. Перевод с английского под редакцией
Источник