ХТО керувати погодою?

Юрій Візбор

Сонячна корона з корональних викидом (орбітальна обсерваторія SMM, NASA).

Будова Сонця згідно зі Стандартною моделлю.

Період з 1640 по 1720 рік, відомий як Маундеровский мінімум, відзначений дуже холодними зимами. На картині невідомого художника XVII століття - святкові гуляння на льоду замерзлої Темзи.

Число активних областей (АТ) і корональних масових викидів (корональних дір - КД) в перші 53 місяці трьох останніх циклів (В. Н. Ішков, ІЗМІРАН).

<

>

Наша Земля купається в океані сонячного світла. Світловий потік - сонячна постійна, 0,136 Дж / см2. с, і нахил земної осі до площини орбіти роблять земну погоду спекотної на екваторі, помірної в середніх широтах, холодної в приполярних областях. Нею керує, часом дуже рішуче, активність зірки, прояви якої - темні плями на її видимому лику (фотосфері), хромосферні спалаху, гігантські викиди з сонячної корони і інші супутні явища. Натяки на опосередковане і не завжди помітний вплив сонячної активності з'явилися давно. У 1930-х роках вплив Сонця на земну погоду відзначав у своїй книзі "Земне відлуння сонячних бур" чудовий провидець, радянський фізик А. Л. Чижевський. І тільки зовсім недавно, завдяки спостереженням із супутників і орбітальних станцій, механізм сонячно-земних зв'язків, керуючий погодою, був розкритий. Вплив сонячної активності на клімат планети стало цілком очевидним.

ПОГОДНІ АНОМАЛІЇ ПОЧАТКУ СТОЛІТТЯ

Не все гаразд в "погодний королівстві". М'які, щадні зими останніх років несподівано змінилися сильними холодами і рясними снігопадами по всій Північній півкулі. Одними з найпопулярніших стали передачі про погоду і її аномаліях. Метеорологи не могли знайти причину погодних зривів в своїх витончених програмах на надпотужних ЕОМ і безпорадно розводили руками на екранах телевізорів. Хто винен в погодні аномалії, що робити і чи довго ця вакханалія триватиме? Не будучи екстрасенсами (не вистачило, мабуть, їх природного апломбу), синоптики лише заспокоювали громадськість, обіцяючи швидке потепління і радячи тепліше одягатися.

Справді, що можна було порадити замерзає жителям сибірських і далекосхідних селищ, де температура зашкалювала за -40о? Або безтурботним європейцям, вязнувшім в снігах на швидкісних магістралях? Або діловим американцям, пішки пробиралися в офіси через метрові кучугури? А що сказати терплячим жителям африканських пустель, зазнати принадність наших північних хуртовин?

Остання зима, здається, геть перевернула все міркування про всесвітній потепління, парниковий ефект і техногенному впливі на клімат. Кіотський протокол про обмеження викидів "парникових газів" (до речі, так і не підписаний американцями), напевно, можна забути. Довгострокові прогнози тріщать по швах і змушують шукати інші пояснення погодних зривів. А тут ще низка жорстоких атлантичних ураганів останніх років (Charlie, Jeanne, Katrina, Rita, Vilma та ін.), Для яких вже не вистачає милих жіночих імен, ураганів, що стали прокляттям для південних штатів США і країн Карибського басейну. І настільки ж люті тайфуни Тихого океану, що перевершили всі раніше бачене. Звідки цей розгул погодної вольниці?

СТАНДАРТНА МОДЕЛЬ СОНЦЯ

У 1920-х роках англійський астрофізик Артур Еддінгтон зробив спробу "зазирнути" всередину зірки, щоб дізнатися її загальна будова, склад, параметри надр. З'явився цілий напрям в астрофізиці - зоряне моделювання. Відштовхуючись від спостережних характеристик - маси, світності, радіуса, температури поверхні, можна скласти і вирішити систему рівнянь, що визначають стабільність зірки: рівняння стану речовини і перенесення енергії, гидростатической і теплової стійкості кожного елемента обсягу. Передбачалося, що зірка - повільно обертається сферично симетричне тіло, без сильного магнітного поля, що виділяє енергію в центральній, найгарячішою частини. Тепер ми знаємо, що енергетика зірок заснована на термоядерних реакціях синтезу, дуже сильно залежать від температури, і тому центр зірки і є її енергетичний реактор. Не відаючи про це, Еддінгтон інтуїтивно помістив джерело енергії в центральну зону, і не помилився. Моделі розвивалися в міру накопичення астрофізичних знань і, що не менш важливо, поліпшення техніки розрахунків, різкий прогрес якої забезпечили комп'ютери. В даний час створені хороші моделі зірок всіх класів - від молодих, як Сонце, що живуть за рахунок "горіння" водню, до старих, які перейшли на гелиевое, вуглецеве і більш важке ядерне пальне (червоні гіганти), і навіть до таких, які вичерпали всі паливні ресурси (білі карлики, нейтронні зірки).

Відповідно до стандартної моделі, Сонце складається з трьох зон, що відрізняються температурою, щільністю і процесом передачі енергії. Центральна зона (ядро в межах 0,2 радіуса) - найбільш щільна і нагріта частина зірки (ρ центр = 150 г / см3, Т центр-= = 1,5.107 К). Передача тепла до кордону зони відбувається за рахунок слабкої конвекції. Це сонячний термоядерний реактор, де в реакціях з'єднання чотирьох ядер водню в ядро ​​гелію виділяється енергія в мільйони разів більша (на одиницю маси), ніж в хімічних реакціях горіння нафти і газу. Вирізняється тепло потім проходить через всю зірку і випромінюється у вигляді світлового потоку. Температура поступово зменшується по радіусу, в результаті чого вже в наступній, статичної радіаційній зоні температура опускається до 106 К, що недостатньо для ядерного "горіння". Тепло передається шляхом багаторазового поглинання і випромінювання атомами рентгенівських квантів. Відбувається повільна дифузія теплового потоку, поки він не охолоджувався за мільйони років не дійде до кордону радіаційної зони на глибині приблизно 0,75 сонячного радіуса. Тут механізм передачі змінюється на більш ефективний конвективний перенос. Зовнішня конвективная зона наповнена вируючої гарячою плазмою, що виривається в фотосфери (ρ 10-8 г / см3, Т = 6. 103 К).

Стандартна модель, незважаючи на прийняті спрощення, відображає внутрішню будову Сонця з високою точністю. З її допомогою отримані радіальні профілі щільності, температури і складу речовини, що дозволяють в цілому зрозуміти зовнішні прояви світила. Прояви ці окрім загальної енергетики, що задається термоядерним ядром, визначаються конвективного зоною з її складною магнітною гидродинамикой високотемпературної плазми. Через сильну турбулентність плазмових потоків і генерації магнітних полів процеси, що протікають в зоні конвекції, найбільш заплутані і менш зрозумілі. Ми вивчаємо їх прояви на фотосфері, в атмосфері і короні Сонця, самому верхньому, розрідженому шарі атмосфери (ρ 10-14 г / см3, Т 106 К), але властиві їм закономірності, приховані під фотосферою, ще багато в чому "річ в собі".

У загальних рисах зрозуміло поява темних плям, температура яких нижче гарячої яскравою фотосфери. Темні плями утворюються на спливаючих магнітних трубках, так як магнітне поле перешкоджає теплообміну з навколишнім середовищем. Сонячна корона, що з'являється у всій величі при повних сонячних затемнення, являє собою початковий етап сонячного вітру - потоку воднево-гелієвої плазми, яка проривається крізь пори фотосферної грануляції і прискорюється у міру відходу від зірки. Чому температура сонячної корони в сотні разів вища за температуру фотосфери, довго було болісним загадкою, яку зуміли розгадати тільки останнім часом завдяки спостереженням з орбітальних обсерваторій. Сонячні хромосферні спалаху з виділенням енергії, еквівалентної вибуху мільйона атомних бомб, пояснюються лише якісно. Про детальну моделі, яка дозволила б передбачити момент і енергію кожної спалаху, можна тільки мріяти. І вже зовсім загадково виглядають корональні діри, які спостерігаються в рентгенівському випромінюванні корони, і корональні викиди - гігантські хмари плазми, що вилітають в космічний простір. Всі перераховані особливості нашої зірки - її незлобний, але досить строгий характер - отримали назву сонячної активності (СА).

ЦИКЛИ СОНЯЧНОЇ АКТИВНОСТІ

Добре налагоджений моніторинг Сонця за останні півтораста років і відновлені дані минулих епох ясно показують циклічність сонячної активності. Найбільш відомим і прийнятим в наукових колах її індексом служать числа Вольфа (W), що вказують кількість темних плям і їх груп (активних областей) на сонячному диску. Тимчасова залежність W (t) показує, що середня тривалість циклу становить приблизно 11 років, але спостерігається помітний розкид (від 7 до 15 років) для окремих циклів. Також помітно змінюється, часом у кілька разів, амплітуда циклів (максимальне значення Wmax). Гармонійний аналіз показав, що крім 11-річного періоду є ще віковий (близько 100 років), відповідальний за зміну амплітуд циклів. На стику століть амплітуди циклів падали: чи не дуже сильно на початку XX століття, більш помітно - на початку XIX і катастрофічно - в кінці XVII - початку XVIII століття. Останній період (1640-1720) відомий як Маундеровский мінімум. У ці 80 років практично була "скасована" циклічність сонячної активності, на Сонці замість десятків і сотень в "нормальне" час часом з'являлися тільки два-три плями - і все! В цей же період майже не спостерігалися полярні сяйва і, що важливо для нашої теми, по всій Європі стояли дуже холодні зими. Замерзали канали, річки, навіть Північне море, прогрівається Гольфстрімом і тому зазвичай круглий рік відкрите для судноплавства. Багато років поспіль замерзала в Лондоні Темза, і на її льоду влаштовувалися святкові гуляння. Щось незвичайне відбувалося з Сонцем (точніше - в його зовнішньої конвективного зоні), що безумовно впливало на земну погоду.

ЗМІНА МЕХАНІЗМУ ПЕРЕДАЧІ ТЕПЛА

Темні плями на Сонці - результат бурхливої ​​конвекції гарячої плазми, виносить на фотосфери нові, що виникли в глибині магнітні потоки, утворені, як показав американський фізик Е. Н. Паркер, під дією динамо-механізму. Спільна дія плазмової конвекції і диференціального обертання Сонця (неоднакового на різних широтах, найбільш швидкого - період 24 дня - на екваторі) призводить до генерації магнітного поля, закручування і заплутування його силових ліній і, в кінцевому підсумку, до переорієнтації загального поля Сонця приблизно за 11 років. А в результаті проникнення частинок сонячного вітру в верхні шари атмосфери, іонізації і збудження атомів повітря виникають барвисті полярні сяйва. Вони з'являються в районі магнітних полюсів, але іноді, під час магнітних бур, опускаються до середніх широт.

Легко припустити, що погодні аномалії минулої зими обумовлені віковим періодом сонячних циклів, який в наш час обіцяє повторення того, що спостерігалося на початку попередніх століть. Помітна тенденція падіння амплітуд трьох останніх циклів (1976-2006): 21-й цикл - Wmax = 164, 22-й цикл - Wmax = 158, 23-й цикл, зараз завершується, - Wmax = 120. Амплітуди ще не досягли тих значень , які вони мали на стику століть (Wmax = 50 - 80), але можна вважати це тільки початком, і спад сонячної активності, швидше за все, продовжиться. Якщо це дійсно так, холодна зима 2006 року - не випадковий епізод, а провісник досить тривалого періоду, який може охопити десятки років (кілька 11-річних циклів). Не виключається навіть повторення Маундеровский феномена, зміна процесу передачі тепла в конвективної зоні. Про можливість такого повтору вказувалося раніше (газета "Первое сентября", додаток "Фізика", 1997, № 17). Схоже, прогноз починає збуватися.

Минула зима видалася настільки аномально незатишній ще й тому, що майже весь XX століття (точніше, з 1930-х років) цикли сонячної активності мали високі амплітуди (Wmax = 150 - 200), і ми просто забули, які суворі зими бували раніше.

ПЕРЕНОСНИКИ СОЛНЕЧНОГО ВПЛИВУ

Темні плями самі по собі не несуть відповідальності за сонячно-земні зв'язки, вони лише показники змінності сонячної активності. "Переносниками впливу" можуть бути матеріальні потоки, генеровані зіркою, характер і інтенсивність яких якось пов'язані з параметром W. Це і сонячний вітер (потік воднево-гелієвої плазми; її щільність і швидкість залежать від фаз сонячної активності), і викиди речовини у час сонячних спалахів, і корональні масові викиди (Coronal Mass Ejections, CME) - гігантські хмари плазми, що вилітають з сонячної корони (див. "Наука і життя" № 3, 2006 р ). Найважливіший погодний фактор - від освіти корональних масових викидів до висипання в атмосферу потоків частинок захопленої радіації, - що відображає вплив сонячної активності, поки не враховується в розрахункових моделях. Зараз, коли стало ясно, що його треба ввести в моделі, важко оцінити, наскільки він змінить якість прогнозів погоди. Поки відома тільки загальна схема механізму сонячно-земної зв'язку, і потрібні детальні дослідження всіх його ланок. Але вже той факт, що збільшення числа корональних масових викидів останнім часом (23-й цикл) збіглося з аномаліями земної погоди, свідчить, що вона керується сонячною активністю. Екскурси в минуле - Маундеровский мінімум, початок XIX і XX століть - дають додаткову впевненість у правоті зроблених припущень, незважаючи на неповноту спостережних даних. За Сонцем стали уважно стежити тільки з появою супутників (з 1970-х років); зв'язок його активності з земної погодою довгий час не отримувала підтвердження і просто відкидалася. Зараз з'явилася можливість цей зв'язок враховувати.

Аналіз активності Сонця за п'ять століть показав його безсумнівний вплив на земну погоду. Наш клімат цілком визначається сонячною радіацією і нахилом земної осі до площини орбіти. А поточна погода (в першу чергу її аномальні прояви) залежить від "настрою" світила - його активності, що приводить до викидів гігантських хмар плазми. В даний час, як і завжди на початку століття, Сонце, що управляє земної погодою, знаходиться не "в дусі", і не виключено, що такий стан затягнеться на десятки років і буде супроводжуватися незвично холодними зимами, бурями, ураганами та іншими проявами поганого " настрою ".

література

Лучків Б. Світ, в якому ми живемо. Популярний курс астрофізики і космології. Лекція 1 // Фізика, 2005, № 17.

Лучків Б. Сонячне вплив на земну погоду // Зб. науч. праць, т. 7, с. 79. - Наукова сесія МІФІ-2006.

Петрукович А., Зелений Л. Прогноз погоди XXI століття: очікуються магнітні хмари і електронні опади // Наука і життя, 2002 № 5.