В последнее время проблема будущего Земли, а также Солнца и солнечной системы, обсуждается все активнее. Большое число спекуляций на эту тему вплоть до абсурдных фантазий побуждает рассмотреть эту проблему более внимательно.
Итак, прежде всего, чтобы построить теоретическую модель, на основании которой можно делать прогнозы, необходимо выяснить, от чего же зависит изменение условий обитания на Земле, а проще говоря – изменение климата.
В первую очередь, это – солнечное излучение. Во вторую – все остальное излучение, попадающее на Землю.
Земля имеет собственное магнитное поле, которое защищает ее от потоков заряженных космических частиц. Однако это не обеспечивает независимости процессов, происходящих в околоземном пространстве. Самая близкая к нам часть космоса – межпланетная среда. Здесь условия «диктует» главным образом Солнце. Его самые энергичные частицы проникают сквозь магнитное поле Земли. Они называются солнечными космическими лучами. Частицы малых энергий – солнечный ветер – останавливаются магнитным полем, огибают его. Незначительная часть все же попадает внутрь магнитосферы, вызывая полярные сияния.
Таким образом, на биосферу в целом из околоземного пространства оказывают влияние:
- электромагнитные волны, возбуждающиеся внутри магнитосферы в результате сдавливания ее солнечным ветром;
- электромагнитные колебания непосредственно самого солнечного ветра;
- электромагнитное излучение разных длин волн, испускаемое Солнцем помимо заряженных частиц (солнечный свет).
Интересно то, что на формирование погоды влияет корпускулярное излучение Солнца (что раньше категорически отрицалось), а процессы в атмосфере влияют на магнитосферу. Все это носит название солнечно-земных связей.
Начальным звеном этой причинно-следственной цепи являются процессы в недрах Солнца и его атмосфере.
Скажем несколько слов о солнечном ветре. Частицы, движущиеся от Солнца со скоростями порядка 200-400 км/с, представляют собой как бы продолжение солнечной короны. Поэтому и появилось название «солнечный ветер». Он состоит главным образом из электронов и протонов (ядер водорода). Примерно 5% в нем составляют ионы гелия. Но содержание их может достигать 25%.
Кроме локальных магнитных полей в активных областях, Солнце имеет общее магнитное поле диполя, которое составляет около 1 Гс и немногим больше земного. Однако, именно оно формирует вокруг Солнца межпланетное магнитное поле (ММП), которое Земля пересекает регулярно в процессе своего движения по орбите. Силовые линии солнечного магнитного диполя в экваториальной плоскости сильно вытянуты в направлении от Солнца. Здесь образуется экваториальный нейтральный токовый слой, который имеет гофрированную структуру. Когда Земля проходит выше этого слоя, силовые линии направлены от Солнца к Земле (ММП+), а когда ниже – они направлены к Солнцу (ММП−). За счет того, что Солнце вращается вокруг своей оси, силовые магнитные линии закручиваются и принимают форму спиралей Архимеда (см. http://physics.nad.ru/curves1.html).
Поэтому, кроме радиальной составляющей ММП, имеется также и азимутальная составляющая. Естественно, имеется и третья составляющая вектора ММП, направленная вверх или вниз относительно нейтрального токового слоя. Секторная структура ММП сохраняется практически неизменной продолжительное время. Она жестко связана с Солнцем. Может наблюдаться от 3 до 6 секторов.
В определенных случаях необходимо также учитывать влияние галактических космических лучей. Эти заряженные частицы имеют энергии на много порядков больше, чем энергия частиц солнечного ветра. Однако самих частиц в галактических космических лучах в десятки миллионов раз меньше, чем частиц солнечного ветра.
Высокоэнергетичные протоны, выбрасываемые из Солнца во время вспышек (солнечные космические лучи), существуют в течение нескольких часов. Они не оказывают влияния на свойства межпланетной среды, но вызывают определенные изменения в свойствах околоземного пространства, в частности, под их действием нарушается коротковолновая связь в полярных областях и уменьшается плотность озонового слоя в атмосфере Земли.
Молекулы кислорода под действием солнечного ультрафиолетового излучения диссоциируют на атомы, которые затем объединяются с молекулами кислорода, образуя молекулы озона. Эта реакция обратима – озон диссоциирует под действием солнечного излучения и при соударениях с атомами кислорода. Если частица космических лучей ионизует молекулу азота N2, то она тут же окисляется до NО. Последняя является катализатором уничтожения озона: ; и процесс повторяется. Уменьшение толщи озона удерживается в атмосфере довольно долго. Например, после мощной вспышки на Солнце 4 августа 1972 года полное восстановление озона в атмосфере заняло более месяца. Молекулы озона поглощают солнечную энергию во всем спектре. Затем они возвращают ее в атмосферу в виде теплового излучения. Концентрация озона имеет обратную зависимость от температуры. Поэтому он оказывает стабилизирующее действие. Когда температура увеличивается, концентрация озона и скорость нагревания атмосферы падают. Но при этом увеличивается инфракрасное излучение, и поэтому температура вскоре возвращается к первоначальной величине.
Таким образом, хотя и опосредовано, но влияние Солнца на погоду и климат является преобладающим. В связи с этим интересно отметить, что из русских летописей явствует, что климат европейской части России на протяжении 10 – 19 вв. значительно изменялся. В отдельные периоды эти изменения наносили большой ущерб экономике, а иногда приводили к социальным потрясениям. В указанный период Европа пережила три климатические эпохи:
- малый климатический оптимум (тепло), приходящийся на 8 – 12 века;
- малый ледниковый период, продолжавшийся около шести столетий (13 – 18 вв.);
- современное потепление, черты которого начали проявляться в первой половине 19 века и которое продолжается по сей день.
Как же в эти периоды вело себя Солнце?
За последние 8 тысяч лет в жизнедеятельности Солнца были регулярные и длительные минимумы активности, подобные маундеровскому минимуму (1645-1715 годы), который длился 70 лет и попадает на малый ледниковый период (см. выше). До маундеровского в этот же период было еще два минимума – Шперера (1450-1550 гг., длительность 100 лет) и Вольфа (1280-1350 гг., длительность 70 лет). И после также был минимум Дальтона (1790-1820 гг., длительность 30 лет), после чего началось потепление, а Солнце двинулось к максимуму 1950-2004 годов. Следует отметить, что климатические оптимумы – самые теплые интервалы времени в каждой теплой фазе четвертичного периода (антропогена) – определены для всех межледниковий и для голоцена. Интересно узнать количественные характеристики оптимумов. Так, например, внутри оптимума голоцена (9000-5000 лет до н.э.) иногда выделяется Атлантический оптимум (6000-5000 лет до н.э.). Во время Атлантического оптимума температура была выше современной на примерно 1-3оС. Исследования в Сибири указывают на более высокие местные температуры, с превышением над современными до 3-9 оС зимой и 2-6 оС летом. Летние температуры на Аляске также были на 2-3 градуса выше, чем сегодня. Количество льда в Арктике было существенно меньшим. Примерно то же можно сказать и о малом климатическом оптимуме в Европе и Сибири в 8 – 13 веках (средневековый теплый период). Систематизируем приведенные данные в таблице 1. Заметим только, что точность определения временных границ с удалением от нашего времени в прошлое, естественно, ухудшается.
Таблица 1. Периоды солнечной активности.
| Активность Солнца | Годы (века) | Примерная продолжительность |
| Минимум Орта | 1040-1080 (11) | 40 лет |
| Средневековый максимум | 1100-1250 (12-13) | 150 лет |
| Минимум Вольфа | 1280-1350 (13-14) | 70 лет |
| Минимум Шперера | 1450-1550 (15-16) | 100 лет |
| Минимум Маундера | 1645-1715 (17-18) | 70 лет |
| Минимум Дальтона | 1790-1820 (18-19) | 30 лет |
| Современный максимум | 1950-2004 (20-21) | 50 лет |
| Современный минимум | 2004-… | - |
Можно заключить, что периоды типа минимума Маундера являются характерными для эволюции Солнца, приводя к глобальным изменениям на Земле (которые четко фиксируются, например, кольцами деревьев).
Но для построения конкретной теоретической модели настоящего и будущего Солнца требуется знание динамики процессов в солнечном веществе за большой интервал времени, миллионы и даже миллиарды лет. Единственным источником такой информации являются те природные архивы, которые способны фиксировать время поступления солнечного сигнала, его тип и амплитуду, а именно - земная кора является детектором космических частиц и излучений. Она создает возможность установить способ генерации термоядерной энергии в глубоких недрах Солнца за последние десятки миллионов лет. Эта возможность связана с точными измерениями содержания изотопов свинца и технеция в веществе земной коры; годичные кольца деревьев уже стали традиционным источником количественных данных о временных вариациях интенсивности космических лучей на шкале времени от современности до 10 тыс. лет назад. Ширина годичных колец и их изотопный состав содержат информацию о солнечной активности и климатических эффектах на большой шкале времени в прошлом; полярный лед также является важным источником информации о вспышечной активности Солнца, взрывов сверхновых звезд и климатических эффектах. Частота и амплитуда солнечно-вспышечных протонов определяются по концентрации нитратов в датированных слоях полярного льда. Шкала времени получения астрофизической информации с использованием полярного льда в настоящее время охватывает сотни тысяч лет.
Следующим фактором, влияющим из космоса на земные процессы можно рассмотреть резонансные движения больших планет. (В части 2).
