КТО УПРАВЛЯЕТ ПОГОДОЙ?

Наша Земля купается в океане солнечного света. Световой поток - солнечная постоянная, 0,136 Дж/см^{2 .}с, и наклон земной оси к плоскости орбиты делают земную погоду жаркой на экваторе, умеренной в средних широтах, холодной в приполярных областях. Ею управляет, порой очень решительно, активность звезды, проявления которой - темные пятна на ее видимом лике (фотосфере), хромосферные вспышки, гигантские выбросы из солнечной короны и другие сопутствующие явления. Намеки на опосредованное и не всегда заметное влияние солнечной активности появились давно. В 1930-х годах воздействие Солнца на земную погоду отмечал в своей книге "Земное эхо солнечных бурь" замечательный провидец, советский физик А. Л. Чижевский. И только совсем недавно, благодаря наблюдениям со спутников и орбитальных станций, механизм солнечно-земных связей, управляющий погодой, был раскрыт. Влияние солнечной активности на климат планеты стало вполне очевидным.

ПОГОДНЫЕ АНОМАЛИИ НАЧАЛА ВЕКА

Неладно что-то в "погодном королевстве". Мягкие, щадящие зимы последних лет неожиданно сменились сильными холодами и обильными снегопадами по всему Северному полушарию. Одними из самых популярных стали передачи о погоде и ее аномалиях. Метеорологи не могли найти причину погодных срывов в своих изощренных программах на сверхмощных ЭВМ и беспомощно разводили руками на экранах телевизоров. Кто виноват в погодных аномалиях, что делать и долго ли эта вакханалия будет продолжаться? Не будучи экстрасенсами (не хватило, видимо, их природного апломба), синоптики лишь успокаивали общественность, обещая скорое потепление и советуя теплее одеваться.

В самом деле, что можно было посоветовать замерзавшим жителям сибирских и дальневосточных поселков, где температура зашкаливала за -40^о? Или беспечным европейцам, вязнувшим в снегах на скоростных магистралях? Или деловым американцам, пешком пробиравшимся в офисы через метровые сугробы? А что сказать терпеливым жителям африканских пустынь, изведавшим прелесть наших северных метелей?

Последняя зима, кажется, напрочь перевернула все рассуждения о всемирном потеплении, парниковом эффекте и техногенном воздействии на климат. Киотский протокол об ограничении выбросов "парниковых газов" (кстати, так и не подписанный американцами), наверное, можно забыть. Долгосрочные прогнозы трещат по швам и заставляют искать другие объяснения погодным срывам. А тут еще череда жестоких атлантических ураганов последних лет (Charlie, Jeanne, Katrina, Rita, Vilma и др.), для которых уже не хватает милых женских имен, ураганов, ставших проклятием для южных штатов США и стран Карибского бассейна. И столь же свирепые тайфуны Тихого океана, превзошедшие все ранее виденное. Откуда этот разгул погодной вольницы?

СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ СОЛНЦА

В 1920-х годах английский астрофизик Артур Эддингтон предпринял попытку "заглянуть" внутрь звезды, чтобы узнать ее общее устройство, состав, параметры недр. Появилось целое направление в астрофизике - звездное моделирование. Отталкиваясь от наблюдательных характеристик - массы, светимости, радиуса, температуры поверхности, можно составить и решить систему уравнений, определяющих стабильность звезды: уравнения состояния вещества и переноса энергии, гидростатической и тепловой устойчивости каждого элемента объема. Предполагалось, что звезда - медленно вращающееся сферически симметричное тело, без сильного магнитного поля, выделяющее энергию в центральной, самой горячей части. Теперь мы знаем, что энергетика звезд основана на термоядерных реакциях синтеза, очень сильно зависящих от температуры, и потому центр звезды и есть ее энергетический реактор. Не ведая об этом, Эддингтон интуитивно поместил источник энергии в центральную зону, и не ошибся. Модели развивались по мере накопления астрофизических знаний и, что не менее важно, улучшения техники расчетов, резкий прогресс которой обеспечили компьютеры. В настоящее время созданы хорошие модели звезд всех классов - от молодых, как Солнце, живущих за счет "горения" водорода, до старых, перешедших на гелиевое, углеродное и более тяжелое ядерное горючее (красные гиганты), и даже до таких, которые исчерпали все топливные ресурсы (белые карлики, нейтронные звезды).

Согласно стандартной модели, Солнце состоит из трех зон, отличающихся температурой, плотностью и процессом передачи энергии. Центральная зона (ядро в пределах 0,2 радиуса) - наиболее плотная и нагретая часть звезды (ρ_центр = 150 г/см³, Т_центр- = = 1,5.10⁷ К). Передача тепла к границе зоны происходит за счет слабой конвекции. Это солнечный термоядерный реактор, где в реакциях соединения четырех ядер водорода в ядро гелия выделяется энергия в миллионы раз большая (на единицу массы), чем в химических реакциях горения нефти и газа. Выделяющееся тепло затем проходит через всю звезду и излучается в виде светового потока. Температура постепенно убывает по радиусу, в результате чего уже в следующей, статической радиационной зоне температура опускается до 10⁶ К, что недостаточно для ядерного "горения". Тепло передается путем многократного поглощения и излучения атомами рентгеновских квантов. Происходит медленная диффузия теплового потока, пока он, остывая, за миллионы лет не дойдет до границы радиационной зоны на глубине примерно 0,75 солнечного радиуса. Здесь механизм передачи меняется на более эффективный конвективный перенос. Внешняя конвективная зона наполнена бурлящей горячей плазмой, вырывающейся в фотосферу (ρ 10^-8 г/cм³, Т = 6 ^.10³ К).

Стандартная модель, несмотря на принятые упрощения, отражает внутреннее строение Солнца с высокой точностью. С ее помощью получены радиальные профили плотности, температуры и состава вещества, позволяющие в целом понять внешние проявления светила. Проявления эти кроме общей энергетики, задаваемой термоядерным ядром, определяются конвективной зоной с ее сложной магнитной гидродинамикой высокотемпературной плазмы. Из-за сильной турбулентности плазменных потоков и генерации магнитных полей процессы, протекающие в зоне конвекции, наиболее запутаны и менее понятны. Мы изучаем их проявления на фотосфере, в атмосфере и короне Солнца, самом верхнем, разреженном слое атмосферы (ρ 10^-14 г/см³, Т 10⁶ К), но свойственные им закономерности, скрытые под фотосферой, еще во многом "вещь в себе".

В общих чертах понятно появление темных пятен, температура которых ниже горячей яркой фотосферы. Темные пятна образуются на всплывающих магнитных трубках, так как магнитное поле препятствует теплообмену с окружающей средой. Солнечная корона, предстающая во всем величии при полных солнечных затмениях, представляет собой начальный этап солнечного ветра - потока водородно-гелиевой плазмы, которая прорывается сквозь поры фотосферной грануляции и ускоряется по мере ухода от звезды. Почему температура солнечной короны в сотни раз выше температуры фотосферы, долго было мучительной загадкой, которую сумели разгадать только в последнее время благодаря наблюдениям с орбитальных обсерваторий. Солнечные хромосферные вспышки с выделением энергии, эквивалентной взрыву миллиона атомных бомб, объясняются лишь качественно. О детальной модели, которая позволила бы предугадать момент и энергию каждой вспышки, можно только мечтать. И уж совсем загадочно выглядят корональные дыры, наблюдаемые в рентгеновском излучении короны, и корональные выбросы - гигантские облака плазмы, вылетающие в космическое пространство. Все перечисленные особенности нашей звезды - ее незлобный, но достаточно строгий характер - получили название солнечной активности (СА).

ЦИКЛЫ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ

Хорошо налаженный мониторинг Солнца за последние полтораста лет и восстановленные данные прошлых эпох определенно показывают цикличность солнечной активности. Наиболее известным и принятым в научных кругах ее индексом служат числа Вольфа (W), указывающие количество темных пятен и их групп (активных областей) на солнечном диске. Временная зависимость W(t) показывает, что средняя продолжительность цикла составляет примерно 11 лет, но наблюдается заметный разброс (от 7 до 15 лет) для отдельных циклов. Также заметно изменяется, порой в несколько раз, амплитуда циклов (максимальное значение W_max). Гармонический анализ показал, что кроме 11-летнего периода есть еще вековой (порядка 100 лет), ответственный за изменение амплитуд циклов. На стыке столетий амплитуды циклов падали: не очень сильно в начале XX века, более заметно - в начале XIX и катастрофически - в конце XVII - начале XVIII века. Последний период (1640-1720) известен как Маундеровский минимум. В эти 80 лет практически была "отменена" цикличность солнечной активности, на Солнце вместо десятков и сотен в "нормальное" время порой появлялись только два-три пятна - и все! В этот же период почти не наблюдались полярные сияния и, что важно для нашей темы, по всей Европе стояли очень холодные зимы. Замерзали каналы, реки, даже Северное море, прогреваемое Гольфстримом и поэтому обычно круглый год открытое для судоходства. Много лет подряд замерзала в Лондоне Темза, и на ее льду устраивались праздничные гуляния. Что-то необычное происходило с Солнцем (точнее - в его внешней конвективной зоне), что определенно влияло на земную погоду.

СМЕНА МЕХАНИЗМА ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛА

Темные пятна на Солнце - результат бурной конвекции горячей плазмы, выносящей на фотосферу новые, возникшие в глубине магнитные потоки, образованные, как показал американский физик Е. Н. Паркер, под действием динамо-механизма. Совместное действие плазменной конвекции и дифференциального вращения Солнца (неодинакового на разных широтах, наиболее быстрого - период 24 дня - на экваторе) приводит к генерации магнитного поля, закручиванию и запутыванию его силовых линий и, в конечном итоге, к переориентации общего поля Солнца примерно за 11 лет. А в результате проникновения частиц солнечного ветра в верхние слои атмосферы, ионизации и возбуждения атомов воздуха возникают красочные полярные сияния. Они появляются в районе магнитных полюсов, но иногда, во время магнитных бурь, опускаются до средних широт.

Легко предположить, что погодные аномалии прошедшей зимы обусловлены вековым периодом солнечных циклов, который в наше время сулит повторение того, что наблюдалось в начале предыдущих веков. Видна тенденция падения амплитуд трех последних циклов (1976-2006): 21-й цикл - W_max = 164, 22-й цикл - W_max = 158, 23-й цикл, сейчас завершающийся, - W_max = 120. Амплитуды еще не достигли тех значений, которые они имели на стыке веков (W_max = 50 - 80), но можно считать это только началом, и спад солнечной активности, скорее всего, продолжится. Если это действительно так, холодная зима 2006 года - не случайный эпизод, а предвестник довольно длительного периода, который может охватить десятки лет (несколько 11-летних циклов). Не исключается даже повторение Маундеровского феномена, изменение процесса передачи тепла в конвективной зоне. О возможности такого повтора указывалось ранее (газета "Первое сентября", приложение "Физика", 1997, № 17). Похоже, прогноз начинает сбываться.

Прошедшая зима показалась столь аномально неуютной еще и потому, что почти весь XX век (точнее, с 1930-х годов) циклы солнечной активности имели высокие амплитуды (W_max = 150 - 200), и мы просто забыли, какие суровые зимы бывали раньше.

ПЕРЕНОСЧИКИ СОЛНЕЧНОГО ВЛИЯНИЯ

Темные пятна сами по себе не отвечают за солнечно-земные связи, они лишь показатели переменности солнечной активности. "Переносчиками влияния" могут быть материальные потоки, испускаемые звездой, характер и интенсивность которых как-то связаны с параметром W. Это и солнечный ветер (поток водородно-гелиевой плазмы; ее плотность и скорость зависят от фаз солнечной активности), и выбросы вещества во время солнечных вспышек, и корональные массовые выбросы (Coronal Mass Ejections, CME) - гигантские облака плазмы, вылетающие из солнечной короны (см. "Наука и жизнь" № 3, 2006 г.). Важнейший погодный фактор - от образования корональных массовых выбросов до высыпания в атмосферу потоков частиц захваченной радиации, - отражающий влияние солнечной активности, пока не учитывается в расчетных моделях. Сейчас, когда стало ясно, что его надо ввести в модели, трудно оценить, насколько он изменит качество прогнозов погоды. Пока известна только общая схема механизма солнечно-земной связи, и нужны детальные исследования всех его звеньев. Но уже тот факт, что увеличение числа корональных массовых выбросов в последнее время (23-й цикл) совпало с аномалиями земной погоды, свидетельствует, что она управляется солнечной активностью. Экскурсы в прошлое - Маундеровский минимум, начало XIX и XX веков - дают дополнительную уверенность в правоте сделанных предположений, несмотря на неполноту наблюдательных данных. За Солнцем стали внимательно следить только с появлением спутников (с 1970-х годов); связь его активности с земной погодой долгое время не получала подтверждения и просто отвергалась. Сейчас появилась возможность эту связь учитывать.

Анализ активности Солнца за пять веков показал его несомненное влияние на земную погоду. Наш климат всецело определяется солнечной радиацией и наклоном земной оси к плоскости орбиты. А текущая погода (в первую очередь ее аномальные проявления) зависит от "настроения" светила - его активности, приводящей к выбросам гигантских облаков плазмы. В настоящее время, как и всегда в начале века, Солнце, управляющее земной погодой, находится не "в духе", и не исключено, что такое состояние затянется на десятки лет и будет сопровождаться непривычно холодными зимами, бурями, ураганами и другими проявлениями дурного "настроения".

Литература

Лучков Б. Мир, в котором мы живем. Популярный курс астрофизики и космологии. Лекция 1 // Физика, 2005, № 17.

Лучков Б. Солнечное влияние на земную погоду // Сб. науч. трудов, т. 7, с. 79. - Научная сессия МИФИ-2006.

Петрукович А., Зеленый Л. Прогноз погоды XXI века: ожидаются магнитные облака и электронные осадки // Наука и жизнь, 2002, № 5.