Евгений Борисенков - Климат и деятельность человека
Мы упомянули о влиянии солнечной активности на атмосферу не непосредственно, а через озон. Поясним кратко этот механизм. Озон — бесцветный газ с характерным запахом, который образуется в стратосфере при воздействии на молекулярный кислород ультрафиолетовой радиации Солнца. Двухатомная молекула O2 расщепляется на атомарный кислород, который затем вступает в реакцию с другими молекулами O2. В результате образуется трехатомное соединение кислорода O3 — озон.
Суммарное содержание озона невелико, не более 0,5% массы атмосферы. Максимум концентрации озона по объему находится на высоте порядка 34 км, максимальная плотность — на высоте 25 км. Еще в конце XIX в. высказывалось предположение, что наблюдаемый для волн короче 0,3 мкм «обрыв» солнечного излучения, приходящего к Земле, обусловлен поглощением ультрафиолетовой радиации озоном. В начале XX в. гипотеза была надежно обоснована.
По этой причине спектральные изменения солнечной активности в полосах поглощения озона даже при практической неизменности солнечной постоянной могут влиять на его фотохимию. Уже отмечалось, что в интервале 0,17—0,21 мкм зарегистрированы случаи изменения интенсивности солнечного излучения, связанные с солнечной активностью. Даже если допустить, что интенсивность солнечного излучения в этом узком интервале изменится на 100%, то интегральная солнечная постоянная — всего лишь на 0,01%. Однако изменения излучения в этом интервале вызовут колебания концентрации озона, что заметно изменит тепловой режим стратосферы (порядка Градусов и десятков градусов) и незначительно — температуру вблизи поверхности (десятые доли градусов и градус).
Колебания концентрации озона влияют на биологическую систему человека, особенно кожу, которая весьма чувствительна к радиации с длинами волн порядка 0,3 мкм. Избыток радиации вызывает старение кожи, ожоги. Расчеты показывают, что среднее сокращение озона на 5% приводит к увеличению ультрафиолетовой радиации в области 0,3 мкм на 5—10%. На климат это влияет мало, но биологический эффект велик и еще не совсем оценен.
Для климата важны и другие малые примеси, образование которых связано с солнечной активностью. Наша атмосфера в основном состоит из N и O2, при обычных условиях не соединяющихся. Но под действием ионизации вследствие солнечной активности N с O2 соединяется. В результате происходят следующие фотохимические реакции:
NO + O3 → NO2 + O2,
NO2 + O → NO + O2,
NO2 + hv (< 0,4 мкм) → NO + О.
Таким образом, непрерывно разрушаются как сам озон, так и атомарный кислород.
Однако окислы N сами в состоянии поглощать ультрафиолетовую солнечную радиацию. Потому и уменьшается метеорологическая солнечная постоянная. Предполагается, что увеличение повторяемости космических лучей солнечного и галактического происхождения, связанное с солнечной активностью, может влиять на климат более кардинально, чем только через озонный слой.
Остановимся еще на одном механизме влияния солнечной активности на погоду и климат. В последнее время было установлено, что высокоэнергичные солнечные корпускулярные потоки могут проникать до уровня 300 мб и производить ионизацию. Образующиеся в результате ионы становятся ядрами кристаллизации.
За счет разности упругости насыщения водяного пара надо льдом и водой на этих ядрах сублимируется водяной пар из окружающего воздуха и появляются облака типа перистых. Подобный механизм был промоделирован А. А. Дмитриевым в специальных камерах. Обработав большое количество данных, он показал, что в период солнечной активности действительно чаще наблюдаются перистые облака. Всплеск рентгеновского излучения на Солнце вызывает увеличение облачности в обоих полушариях на 0,25—0,5 балла. Это может привести к уменьшению радиационного баланса в среднем на 1—2%. В отдельных районах, в частности в полярных, после сильных вспышек рентгеновских лучей облачность возрастает на 2—3 балла, меняя радиационный баланс на 10—20% (примерно на 12 Вт/м2). Температура при этом снижается от 1,1° в умеренных широтах до 3°С в Полярном бассейне.
Выполненные автором данной работы и его коллегами численные эксперименты с простейшими климатическими моделями и более полными моделями общей циркуляции атмосферы показали, что климатический эффект от влияния перистой облачности весьма заметен.
Примеры показывают, что процессы на Солнце могут влиять на погоду и климат как непосредственно, так и косвенно. И здесь астрономические факты тесно переплетаются с возбуждением солнечной активностью внутриатмосферных процессов.
В 1979 г. в США были опубликованы данные о детальном изучении процессов на Солнце и солнечной активности американскими космонавтами с 14 мая 1973 г. по 8 февраля 1974 г. на космическом корабле Скайлеб. Эти исследования проводились с помощью различных телескопов в интервале длин волн от 2 до 7000 А в период минимума солнечной активности. Специальное оборудование позволило изучать процессы в солнечной короне, хромосфере, фотосфере и в переходном слое между хромосферой и короной.
Согласно современным представлениям, температура поверхности фотосферы достигает порядка 6050 К, повышаясь к центру Солнца до 15 млн. К. Температура в хромосфере, толщина которой порядка 2 тыс. км, сначала несколько падает в нижнем слое до 4300 К, а затем растет. В переходном слое толщиной несколько сот километров температура резко растет, достигая в короне нескольких миллионов градусов. Во время вспышек солнечной активности высота хромосферы может подниматься на 15—16 тыс. км в сторону короны.
Проведенные наблюдения показали, что даже в период минимума солнечных пятен в 11-летнем цикле было зарегистрировано очень много проявлений солнечной активности, особенно в конце мая-июне, в августе-сентябре, ноябре-декабре 1973 г. и январе 1974 г. В атмосфере Солнца (в хромосфере и короне) были зарегистрированы активные зоны, размеры которых сопоставимы с площадью поверхности Земли. Температура в этих зонах на несколько миллионов градусов выше, чем в окружающих районах.
Очень сильно менялось магнитное поле. Достаточно, например, сравнить: магнитное поле Земли у полюса составляет 0,7 Гс, а вблизи экватора 0,3 Гс, в среднем для Солнца от 1 Гс в зоне полюсов до 20—25 и даже 200 Гс в хромосфере. Магнитное поле солнечных пятен, по размерам соизмеримых с Землей, — 3 тыс. Гс. Со Скайлеба были зарегистрированы исключительно интенсивные процессы на Солнце во всех участках исследуемого спектра.
Геофизические факторы изменения климатаЗдесь речь пойдет о факторах, связанных со свойствами самой планеты, т. е. размерах, массе, строении, процессах в ее недрах, свойствах поверхности, скорости вращения вокруг оси, гравитационном и магнитном полях, внутренних источниках тепла, составе атмосферы в процессе ее эволюции.
Масса — главная характеристика планеты. Массой и размерами прежде всего определяется гравитационное поле. Именно оно характеризует способность планеты удерживать газовую оболочку и в некоторой мере влиять на газовый состав атмосферы. Чем больше масса планеты, тем легче ей удерживать газовую оболочку. Чем меньше масса планеты, тем труднее удержать атмосферу, особенно легкие газы. Так, например, Земля и Луна находятся примерно на одном расстоянии от Солнца, но на Луне нет атмосферы, а на Земле есть.
На гравитационное поле также воздействует угловая скорость вращения Земли, которая создает центробежные силы и несколько уменьшает гравитационное поле. Эта поправка зависит от широты. На полюсе она равна нулю, у экватора достигает максимума порядка 0,35%. В связи с этим ускорение силы тяжести равно 9,83 см/с2 у полюсов и 9,78 см/с2 у экватора.
Если бы Земля имела большую массу, то ее атмосфера (при той же массе) была бы более тонкая и более плотная, что существенно отразилось бы на характере протекающих процессов и климате.
Угловая скорость вращения Земли оказывает решающее влияние на циркуляцию атмосферы и океана. Благодаря неравномерному нагреву экваториальных и полярных районов происходит расширение и поднятие атмосферы в низких широтах. За счет этого создается перепад давления и возникает меридиональная циркуляция, направленная к полюсам. Как только начинается движение, отклоняющая сила вращения Земли отклоняет поток вправо в северном и влево в южном полушариях. В результате устанавливается преобладающая зональная циркуляция атмосферы, направленная с запада на восток. Этим в основном и определяется зональность климата, скорость распределения длинных и ультрадлинных волн, формирование струйных течений с инерционно-сдвиговыми (разрывными) волнами, пассатная циркуляция, циркуляция Мирового океана и др.
Расчеты показывают, что в далеком прошлом скорость вращения Земли была больше, а зональность климата ярче выражена, чем сейчас. Зафиксированы и более короткопериодные изменения скорости вращения Земли с периодами в несколько месяцев. Одни ученые объясняют это влиянием циркуляции атмосферы, другие относят за счет внешних сил.
