Б Лучков - Ураганы — вечная проблема?
Рис. 2. Временной ход солнечной активности (W — число Вольфа, среднегодовое число солнечных пятен).
Лобовая атака на ураганы американских ВВС, названная программой «Storm Fury» («Ярость бури»), продолжалась двадцать лет — с 1963 по 1983 год и окончилась полной неудачей. Было осознано только, что перспективный путь борьбы с ураганами — изучение их свойств и более тщательное прогнозирование с помощью космических средств. В дело пошли специализированные метеоспутники, ведущие наблюдения с геостационарных и низких орбит.
Связь с солнечной активностью
Частота ураганов непостоянна, их активность то затухает, то повышается. Как и другие погодные явления, ураганы могут инициироваться Солнцем. Мы живем под боком спокойной, но все же живой, активной звезды, дыхание которой ощущаем по многим проявлениям, называемым солнечной активностью. Известен ее 11-летний цикл, характеризуемый числом темных пятен на диске Солнца (числа Вольфа W, публикуемые Европейским центром солнечных данных, Цюрих, Брюссель). Временная зависимость среднегодовых чисел Вольфа показывает переменность солнечной активности, воспроизведенной по архивным данным (1611–1850), отдельным наблюдениям (1750–1850) и непрерывному мониторингу Солнца (1850–2000). Параметр W отражает процесс генерации магнитных полей во внешней турбулентной зоне Солнца. Восходящие потоки горячей плазмы, накладываемые на дифференциальное вращение Солнца (на разных широтах оно вращается с разной скоростью), ответственны за все внешние проявления светила: грануляцию фотосферы с ее особенностями (факелы, флокулы, протуберанцы), хромосферные вспышки, излучение короны, солнечный ветер, потоки ускоренных частиц.
Советские геофизики А. Л. Чижевский (1940-е годы) и Э. Р. Мустель (1980-е годы) связывали влияние солнечной активности с земной погодой. К сожалению, их доказательства были не прямыми (космические эксперименты еще не начались), а выводились путем сопоставлений (корреляций) погодных параметров с числами W и другими параметрами солнечной активности. Не все полученные корреляции оказались достоверными, многие исследователи сомневались в полученных результатах. Главный недостаток работ заключался в том, что оставался неизвестным материальный переносчик солнечного влияния на процессы в тропосфере, где формируется земная погода. Все кажущиеся факторы влияния (солнечный ультрафиолет, рентген, корпускулярные потоки) поглощаются в стратосфере (выше 25 км), не доходя до «уровня погоды» (ниже 12 км). Сейчас эти факторы и механизм передачи установлены, о чем будет сказано ниже.
На первый взгляд числа Вольфа не подтверждают солнечного влияния на ураганы, активность которых совершенно не следует 11 — летнему циклу. Анализ показал, что число ураганов одинаково во всех фазах цикла — на подъеме и спаде, в максимуме и минимуме. Самые разрушительные ураганы, упомянутые выше, тоже пришлись на все фазы. И все же зависимость ураганов от солнечной активности есть, что можно увидеть, сравнивая временные последовательности ураганов (рис. 1, 3) и чисел Вольфа (рис. 2) для интервалов 20–30 лет. Там, где амплитуда циклов W была больше, возрастал и темп ураганов. Среднегодовые числа главных ураганов прошлого века (рис. 1) составляли: п = 1,4 ± 0,3 (1900–1925); п = 2,7 ± 0,3 (1930–1965); п = 1,6 ± 0,3 (1970–1990). Максимальные амплитуды чисел Вольфа для тех же временных дат были Wmax = 105, 201 и 164 — корреляция видна, хотя из-за статистических ошибок не очень значима.
Рис. 3. Число наиболее сильных ураганов Северной Атлантики за 150 лет. Их средняя магнитуда указана на графике.
Гораздо лучше солнечное влияние подтверждают данные об ураганах XIX и XX веков (рис. 3), где отчетливо виден «провал» числа ураганов в начале XX века, последовавший за снижением амплитуд чисел Вольфа (что связано с наличием кроме 11 — летнего еще и векового периода). Статистическая достоверность «провала» ураганов по сравнению с уровнем 1930–1990 годов превышает 5а (стандартных отклонений, в пределы которых при нормальном — гауссовском — распределении попадает 68 % событий). Лучшая корреляция солнечной активности и числа ураганов наблюдается при сдвиге последовательности ураганов примерно на 20 лет. «Холодные» земные процессы как бы запаздывают относительно «горячих» солнечных.
Более убедительное доказательство влияния солнечной активности на ураганы можно было бы получить для падения амплитуд солнечных циклов в начале XIX века и в период 1640–1720 годов (так называемый Маундеровский минимум), когда пятна на Солнце практически отсутствовали. Однако в те времена систематическое наблюдение за ураганами не велось, но есть данные о числе «смертоносных ураганов» (рис. 4). Несмотря на меньшее статистическое обеспечение, обе особенности проявили себя в падении темпа возникновения ураганов. Достоверность «провала» в начале XIX века составила Зσ, в Маундеровском минимуме — 6σ. Лучшая корреляция временных последовательностей получается при той же задержке в 20 лет, что делает ее характерной величиной связи солнечной активности с земными тропическими ураганами.
Переносчики влияния
Солнечные пятна сами по себе не отвечают за солнечно-земные связи. Переносчиками влияния могут быть выбросы вещества во время солнечных вспышек или корональные массовые выбросы (Coronal Mass Ejections, СМЕ), известные, как выяснилось, уже давно, но «назначение» которых осознано только в последнее время.
Как уже говорилось, анализ солнечных вспышек показал их полную непричастность к возникновению ураганов. Число вспышек возрастает в десятки раз от минимума до максимума 11 — летнего цикла, тогда как темп ураганов остается постоянным. Должен быть другой «носитель», который менее «связан» с солнечными пятнами, 11-летним циклом чисел Вольфа и в то же время обладает достаточной силой, чтобы «перенести» солнечную активность на земные процессы.
Сейчас установлено, что такими переносчиками энергии от Солнца к Земле выступают корональные выбросы, возникающие как пузыри в солнечной короне, напрямую не связанные с фотосферой и темными пятнами, что может объяснить отсутствие 11 — летней цикличности ураганов. Это сбросы старых магнитных петель конвективной зоны Солнца под напором нового нарождающегося магнитного поля — процесс, идущий все время и по всем солнечным широтам, от экватора до полюсов. Этот процесс лучше по сравнению с числом солнечных пятен, более глубоко и всесторонне отражает солнечную активность. То, что корональные выбросы ответственны за изменение темпа ураганов, отчетливо видно по одновременному возрастанию темпа ураганов и их числа в последнее десятилетие (1996–2005) по сравнению с предыдущими циклами. Корональные выбросы стали наблюдать сравнительно недавно, их статистика представлена с 1970-х годов, поэтому нет возможности провести их корреляцию со всеми данными об ураганах.
Рис. 4. Число «смертоносных ураганов» Северной Атлантики по десятилетиям с 1490 по 1999 год; темные столбики — число жертв точно известно (более 25).
Корональные массовые выбросы представляют собой гигантские облака намагниченной плазмы (массой до 10 млрд тонн), летящие быстрее 1000 км/с и несущие энергию порядка 1025 джоулей. Они вылетают из Солнца по всем направлениям, большинство из них не представляет опасности для Земли. Но те, которые образуются в центральной части видимого солнечного диска, направлены к нам и через 2–3 суток появляются у Земли. От их прямого воздействия нас оберегает земное магнитное поле, не пускающее заряженные частицы внутрь магнитосферы, заставляющее их обтекать границу (магнитопаузу) и скользить по длинному (сотни земных радиусов) «хвосту» магнитосферы (рис. 6). Контакт магнитного облака с земной магнитосферой не проходит бесследно — возникает магнитная буря. Она наблюдается по колебаниям магнитного поля и фиксируется планетарным индексом (К =6–9). Магнитная встряска Земли — как раз то промежуточное звено солнечно-земных связей, которое долго не могли найти и которое, как сейчас считают, оказывается одним из главных в причинно-следственной цепочке солнечного влияния на земную погоду.
Роль радиационного пояса земли
Потоки электронов, позитронов, протонов, ядер относительно невысоких энергий, захваченные в ловушку магнитного поля Земли, получили название «радиационный пояс». Его открыли в 1958 году при полетах первых космических ракет Д. Ван Аллен (США) и А. Е. Чудаков (СССР). Радиационный пояс находится на высоте от нескольких сотен до тысяч километров, имеет сложную тороидальную структуру, состоящую из L-оболочек (L — расстояние по экватору, выраженное в радиусах Земли). Захваченные частицы движутся по спиралям вокруг магнитных силовых линий, отражаются в зеркальных точках, где они сгущаются, и совершают долготный дрейф: положительные — на запад отрицательные — на восток. Интенсивность захваченной радиации велика, проход через нее космических кораблей опасен для космонавтов, вызывает сбои электроники, нарушает радиосвязь (см. «Наука и жизнь» № 9, 1993 г.).
