Исторические реконструкции солнечной активности и климат Земли

Проблема изменений климата Земли – одна из острейших, стоящих перед человечеством. Межправительственная группа экспертов по изменению климата IPCC констатирует: «Потепление климатической системы является неоспоримым фактом, и начиная с 1950-х годов многие наблюдаемые изменения являются беспрецедентными в масштабах от десятилетий до тысячелетий. Произошло потепление атмосферы и океана, запасы снега и льда сократились, уровень моря повысился, концентрации парниковых газов возросли» [1]. С 1910 года средняя глобальная температура возросла приблизительно на 1 градус Цельсия. Основным фактором глобального потепления IPCC видит техногенный: увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере вследствие промышленной деятельности цивилизации. Произведенное IPCC моделирование дает увеличение глобальной температуры к концу текущего столетия на целых 4 градуса. Это уже приближается к разности температур между оледенениями и межледниковьями.

Заметим, что в моделях, произведенных IPCC, не учитываются изменения, связанные с Солнцем: поток солнечного излучения – и, естественно, солнечная активность – задаются постоянными.

 

1. Обоснование исследования

Мы не можем отрицать следующее.

• Одним из основных космических факторов, воздействующих на Землю, является Солнце и с ним — солнечная активность (СА).
• Известно, что солнечная активность оказывает влияние на целый ряд земных процессов (направление — космическая погода).
• Солнечно-земные связи надежно зафиксированы для короткой временной шкалы (изменения в гелиосфере, магнитосфере Земли, вызванные солнечной активностью).

Таким образом, задача, которую мы ставим, формулируется так: может ли солнечная активность воздействовать на длительные земные процессы, а именно, – климат, т.е. быть одним из климатообразующих факторов?

Для ответа на этот вопрос мы будем использовать фактические данные об изменениях солнечной активности и климата Земли.

 

2. Проблема «космический климат»

Вначале дадим несколько определений.

Солнечная активность – изменения магнитного поля Солнца на различных пространственных и временных масштабах.

Космическая погода – весь комплекс внешних по отношению к Земле космических факторов, способных влиять на земные процессы на короткой временной шкале.

Обобщая понятие «космическая погода» на длительные времена, вводится понятие «космический климат», которому можно дать несколько рабочих определений. Это:

• долговременные тенденции Космической Погоды;
• совокупность солнечно-земных связей, действующих на длительных временах;
• совокупность внешних космических факторов, могущих влиять на земной климат.

Согласно [2] и др. основные цели наших исследований в рамках проблемы космического климата следующие.

• Получение физически информативных комплексных данных о динамике солнечного магнитного поля, геомагнитного поля и межпланетного магнитного поля на больших временных масштабах.
• Качественный и количественный анализ эволюции солнечной активности на основе реконструкций поведения различных компонент магнитного поля Солнца на длительных временах.
• Исследование прогностических сценариев вариаций активности Солнца на интервале десятков — сотен лет
• Исследование связи солнечной активности и климата Земли.

Следующие два раздела будут посвящены достижению соответственно первой и последней из этих целей. Естественно, что если мы хотим изучать солнечно-климатические связи, мы должны обладать данными и о климате, и о солнечной активности. В работе мы используем имеющиеся данные разных авторов о климатических изменениях и собственные – о СА.

 

3. Исторические реконструкции солнечной активности

Необходимость рассмотрения поведения параметров солнечной активности в длительном аспекте вытекает из мультициклического характера процесса СА: кроме 11-летнего (цикла Швабе-Вольфа), по самым разным данным выявляются 80-90-летний и 200-летний циклы. Эти циклы, называемые циклами Гляйссберга и Зюсса соответственно, образуют яркую картину грандиозных максимумов и минимумов солнечной активности.

Основу нашего подхода составляет рассмотрение СА и солнечно-земных связей на основе «временных шкал», выделяемых в соответствии с возможностями использования для реконструкций тех или иных данных. В применении к СА могут быть выделены следующие (последовательно вложенные друг в друга) шкалы:

а) шкала 100-150 лет – прямые регулярные наблюдения СА (геомагнитной активности и климатических параметров);

б) шкала 400 лет – нерегулярные прямые наблюдения СА;

в) шкала 1000-2000 лет – набор косвенных данных о солнечной активности (хроники полярных сияний; пятен, замеченных невооруженным глазом; радионуклиды в природных архивах; археомагнитные данные);

г) шкала 10000 лет – данные о концентрации радиоуглерода ¹⁴С и бериллия-10 в датированных образцах (кольцах деревьев и полярных льдах соответственно) – следствия т.н. эффекта Де Врие.

 

В задачах реконструкции, а также в других задачах, имеющих отношение к связям между параметрами различных природных процессов, необходимо учитывать возможность дифференциального характера этих связей на разных типичных временных масштабах развития данных процессов (т.е. в случаях, когда примитивная глобальная линейная регрессия становится неприменимой). Для этого предложены два метода [4].

Первый – метод кратномасштабных регрессий (Multi-Scale Regression method – MSR). Этот метод, как и следующий, позволяет выявлять и учитывать возможные соотношения между рядами, имеющими различную – но значимую – связь для разных временных шкал. Он основан на построении многомерных линейных моделей в пространстве вейвлет-коэффициентов рядов с последующим обратным вейвлет-преобразованием.

Второй – метод разложения по псевдофазовому пространству (method of Decomposition in terms of pseudo-Phase Space – DPS). Он вытекает из подхода Такенса [5], установившего, в частности, связь динамических систем (здесь мы полагаем, что рассматриваемые нами процессы могут быть описаны системами дифференциальных уравнений) с авторегрессионными моделями (Малинецкий, Потапов, [6]).

В работах [2-4, 7-10] и других были получены реконструкции солнечной активности и связанных с ней параметров для различных временных шкал. Некоторые из них приведены на рисунках 2-3.

Эти и другие реконструкции были нами применены для исследования вклада солнечной активности в изменения климата Земли.

 

4. Солнечная активность и климат Земли

 

которая, несмотря на достаточную простоту, описывает широкий класс взаимодействий: различную зависимость от типичных времен (частот) квазипериодического воздействия, возможность запаздывания ответа на сигнал (из-за временной производной в правой части). Ограниченность модели определяется главным образом невозможностью учесть в ней обратные связи влияния поступившей в резервуар тепловой энергии на коэффициенты обмена, поэтому в ней мы имеем дело со средними по выборкам коэффициентами. Однако применение модели в любом случае – прогресс по сравнению с примитивными, глобальными по частоте, моделями. Заметим, что линейный тип связи в модели (1) подразумевает, что искомая оценка будет нижней оценкой вклада.

 

В нашей работе мы расширили диапазон времен до нескольких тысячелетий, привлекая различные реконструкции солнечной активности и климата Земли. Полученный результат иллюстрирует рисунок 4. Мы видим, что картина по сравнению с [11, 12] для длинных циклов стала более нетривиальной.

4. Результаты и выводы

В качестве некоторого комментария к полученным результатам можно заметить следующее.

Процесс обмена поступившей от Солнца энергией между земными климатообразующими «резервуарами» напоминает с той или иной степенью загрубленности процесс дрейфа радиоуглерода в углеродной обменной системе. Поэтому, как и для радиоуглерода, высокочастотные вариации солнечной активности (с периодами до 25 лет) обменной системой в климате подавлены. В то же время возрастание вклада СА до десятков процентов для более продолжительных времен и локальное повышение вклада для времен, соответствующих солнечным циклам Гляйссберга, Зюсса, Линка и Хольстатта, ясно свидетельствует о том, что солнечная активность действительно является климатообразующим фактором.

Для шкалы 25-100 лет по [13] климатическая система Земли состоит из атмосферы, деятельного (поверхностного) слоя Океана, сезонного снежного покрова, морского льда; внешние воздействия создаются потоком солн. энергии, парниковыми газами, фоновым состоянием глубокого Океана и др.

Для длительных шкал (сотни-тысячи лет) по [13] в климатическую систему входит весь Океан – основной резервуар CO2 на Земле – с последствиями для глобальной карбонатной системы, определяющими, в частности, содержание CO2 в атмосфере и парниковый эффект. Первоначальный прогрев Океана приводит к выносу CO2 в атмосферу, охлаждение – к поглощению.

Таким образом, особенности влияния солнечной активности на земной климат (для вариаций менее 100 лет – слабое и более 100 лет – сильное) можно связать с действием Океана, усиливающего или ослабляющего воздействие солнечной активности – в ее длительных циклах – на Землю.

С физической точки зрения механизм воздействия солнечной активности на климат до сих пор не ясен. Однако мы надеемся, что наша работа прояснит фактическую сторону проблемы.

 

Литература

1. Изменение климата, 2013 г. Физическая научная основа. Резюме для политиков // МГЭИК, М: 2013.
2. Nagovitsyn, Yu. A. Global solar activity on long time scales, Astrophysical Bulletin, 2008, Volume 63, Issue 1, pp.43-55.
3. Nagovitsyn Yu. A.; Miletsky E. V.; Ivanov V. G.; Guseva S. A. Reconstruction of space weather physical parameters on 400-year scale, Cosmic Research, 2008, Volume 46, Issue 4, pp.283-293.
4. Nagovitsyn Yu.A., Ivanov V.G., Miletsky E.V., Volobuev D.M, ESAI data base and some properties of solar activity in the past, Solar Phys., 2004, v. 224, No 1-2, pp. 103-112.
5. Takens F., Detecting Strange Attractors in Turbulence, Notes Math., 1981, v. 898, pp. 336-381.
6. Малинецкий Г.Г., Потапов А.Б., Современные проблемы нелинейной динамики, М.: Эдиториал УРСС, 2000.
7. Наговицын Ю.А., Нелинейная математическая модель процесса солнечной цикличности и возможности для реконструкции активности в прошлом, Письма в Астрон. журн., 1997, т. 23, № 11-12, сс. 851-858.
8. Volobuev D. M., Nagovitsyn Yu.A., Jungner H., Ogurtsov M.G., Ivanov V.G., Miletsky E.V., Нolocene ¹⁴С production rate and solar activity, Proceedings of IAU Symposium No Multi—Wavelength Investigations of Solar Activity. St. Petersburg. 2004, pp. 565-566.
9. Наговицын Ю.А., К описанию долговременных вариаций магнитного потока Солнца: индекс площадей пятен, Письма в Астрон. журн., 2005, т.31, № 8, сс. 622-627.
10. Наговицын Ю.А., Циклы солнечной активности во время маундеровского минимума, Письма в Астрон. журн., 2007, т. 33, № 5, сс. 385-391.
11. Наговицын Ю.А. Влияние солнечной активности на изменения климата Земли: оценка нижнего предела, Активность звезд и Солнца на разных стадиях их эволюции. Астрономическое общество, М:, 2010, с. 219-222.
12. Nagovitsyn Yu.A. Specific features in the effect of solar activity on the Earth’s climate changes, Geomagnetism and Aeronomy, 2014, Volume 54, Issue 8, pp.1010-1013.
13. Кислов А.В. Климат в прошлом, настоящем и будущем, М.: Интерпериодика, 2001.