Проф. Б.И.ЛУЧКОВ,
МИФИ, г.Москва

Кто управляет погодой?

Погоду делают женщины. (Народная мудрость.)

Наша крошка-Земля купается в океане солнечного света. Но не только световой поток – солнечная постоянная, равная 1,36 • 10⁶ эрг/(см² • с), – и наклон земной оси к плоскости орбиты делают земную погоду – жаркую на экваторе, умеренную в средних широтах, холодную в приполярных областях. Она управляется, порой очень решительно, активностью звезды, проявления которой – тёмные пятна на её видимом лике (фотосфере), хромосферные вспышки, гигантские выбросы из солнечной короны и другие сопутствующие явления.

Намёки на опосредованное и не всегда заметное влияние солнечной активности появились давно. В 1930-х гг. такое 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 зимы 2005–2006 гг. по всему Северному полушарию. Напротив, нынешняя зима заставила себя ждать, побив все прежние рекорды. Самые рейтинговые передачи сейчас – о погоде и её аномалиях. Метеорологи не могут найти причину погодных срывов в своих изощрённых программах на сверхмощных ЭВМ, беспомощно разводя руками на экранах ТВ под градом вопросов. Кто виноват в погодных аномалиях? Что делать и долго ли эта вакханалия будет продолжаться? Не будучи экстрасенсами, они в лучшем случае могут лишь успокоить общественность, обещая, что скоро все «придёт в норму», и советуя одеваться «по погоде».

В самом деле, что можно было посоветовать прошлой зимой замерзавшим жителям сибирских посёлков, если на дворе температура зашкаливала за –40°. Или беспечным европейцам, вязнущим в снегах на скоростных магистралях? Или деловым американцам, пробирающимся в офисы через метровые сугробы? Или жителям африканских пустынь, изведавшим прелесть северных метелей? И этой зимой, когда вся Европа вместо привычных морозов со снежком кисла в дождях, слякоти и наводнениях... Что можно сказать, кроме как «погода сошла с ума»?..

Неубедительно звучат рассуждения о всемирном потеплении, парниковом эффекте и индустриальном воздействии на климат. Киотские протоколы об ограничении выбросов «парниковых газов» (кстати, так и не подписанные американцами), наверное, можно отправить в корзину. Долгосрочные прогнозы трещат по швам и заставляют искать другие объяснения погодным срывам. А что сказать о череде жестоких атлантических ураганов последних лет (всех этих Charlie, Jeanne, Katrina, Rita, Vilma и др.), для которых уже не хватает милых женских имен и которые стали проклятием южных штатов США и стран Карибского бассейна, – это с какой стати? И столь же свирепых тайфунов Тихого океана, превзошедших всё ранее виденное. Торнадо, смерчи, ураганы, обычно гуляющие где-то на юге, докатились до Средиземного и Чёрного морей. 9 декабря ураган, зародившийся в Бискайском заливе (когда такое бывало?), пронёсся над Европой и навел «шорох» на Балтике. Откуда этот разгул погодной вольницы?

Наверное, за ответом надо обратиться к нашей любимой звезде.

Стандартная модель Солнца. В 1920-х гг. английский астрофизик А.Эддингтон предпринял попытку «заглянуть» внутрь звёзд, чтобы узнать их общее устройство, состав, параметры недр. Появилось целое направление в астрофизике – звёздное моделирование. Отталкиваясь от наблюдательных характеристик – массы, светимости, радиуса, температуры поверхности, – можно составить и решить систему уравнений, определяющих стабильность звезды, – уравнения состояния вещества, переноса энергии, гидростатической и тепловой устойчивости. Звезда предполагалась сферически симметричной, без сильного вращения и магнитного поля, выделение энергии происходит в центральной, самой горячей, части. Теперь мы знаем, что энергетика звёзд основана на термоядерных реакциях синтеза, очень сильно зависящих от температуры, и потому центр звезды – это её энергетический реактор. Эддингтон интуитивно поместил источник в центральную зону – и не ошибся. Модели развивались по мере накопления астрофизических знаний и улучшения техники расчётов, резкий прогресс которой обеспечили компьютеры. В настоящее время созданы хорошие модели звёзд всех классов – от молодых, как Солнце, живущих за счёт «горения» водорода, до старых, перешедших на гелиевое, углеродное и более тяжёлое ядерное горючее (красные гиганты), и даже тех, кто исчерпал все топливные ресурсы (белые карлики, нейтронные звёзды).

Согласно Стандартной модели Солнце состоит из трёх зон, отличающихся температурой, плотностью и процессом передачи энергии. Центральная зона (ядро в пределах 0,2R_С, где R_С – радиус Солнца) – наиболее плотная и нагретая часть звезды ( Т_центр  = 1,5 • 10⁷ К).

Строение Солнца согласно Стандартной модели

Передача тепла к границе зоны происходит за счёт слабой конвекции. Здесь, в солнечном реакторе, происходит соединение четырёх ядер водорода в ядро гелия с выделением энергии в миллионы раз больше (на единицу массы), чем в химических реакциях горения нефти и газа. Выделенное тепло 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 синтеза. Тепло передаётся за счёт процесса многократного поглощения и излучения атомами рентгеновских квантов. Происходит медленная (миллионы лет) диффузия теплового потока, пока он, остывая, не дойдёт до границы радиационной зоны на радиусе ~0,75R_С. Здесь механизм передачи меняется на более эффективный конвективный перенос. Внешняя конвективная зона наполнена бурлящей горячей плазмой, вырывающейся на фотосферу ( 10^–7 г/cм³, Т = 6 • 10³ К).

Стандартная модель отражает внутреннее строение Солнца с высокой точностью, несмотря на принятые упрощения. Получены радиальные профили плотности, температуры и состава вещества, что позволяет понять в целом внешние проявления светила. Они, кроме общей энергетики, задаваемой термоядерным ядром, определяются конвективной зоной с её сложной гидродинамикой высокотемпературной плазмы. Из-за сильной турбулентности плазменных потоков и генерации магнитных полей процессы, протекающие в зоне конвекции, наиболее запутанные. Мы изучаем их проявления на фотосфере, в атмосфере и короне Солнца, самом верхнем, разреженном слое атмосферы ( 10^–14 г/см³, Т 10⁶ К), но свойственные им закономерности, скрытые под фотосферой, ещё во многом «вещь в себе».

В общих чертах понятно появление тёмных пятен, температура которых ниже горячей яркой фотосферы. Тёмные пятна образуются на всплывающих магнитных трубках, т.к. магнитное поле препятствует теплообмену с окружающей средой. Солнечная корона, во всём своём величии предстающая при полных солнечных затмениях, представляет собой начальный этап солнечного ветра – потока водородно-гелиевой плазмы, прорывающейся сквозь поры фотосферной грануляции и ускоряющейся по мере ухода от звезды. Почему температура солнечной короны в сотни раз выше температуры фотосферы, долго было загадкой, которую удалось разгадать только в последнее время благодаря наблюдениям с орбитальных обсерваторий. Хромосферные солнечные 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, испускаемые Солнцем. Все перечисленные особенности нашей звезды – её незлобный, однако, достаточно строгий характер – получили название солнечной активности (СА).

Циклы солнечной активности. Хорошо налаженный мониторинг Солнца за последние 150 лет и восстановленные данные прошлых эпох определённо показывают цикличность солнечной активности (СА). Наиболее известным и принятым индексом СА являются числа Вольфа (W), указывающие количество тёмных пятен и их групп на солнечном диске и публикуемые бюллетенями Европейского Центра солнечных данных (раньше Цюрих, сейчас Брюссель). Временная зависимость W(t) показывает, что средняя продолжительность цикла составляет ~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 ещё вековой (~100 лет), ответственный за изменение амплитуд циклов. На стыке столетий амплитуды циклов падали: не очень сильно в начале ХХ в., более заметно – в начале XIX, и катастрофически – в конце XVII–начале XVIII вв. Последний период (1640–1715 гг.) известен как Маундеровский минимум. В эти 75 лет практически была «отменена» цикличность СА, порой на Солнце появлялись два-три пятна – и всё! Вместо десятков и сотен в «нормальное» время. В этот же период практически 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 обычно круглый год открытое для судоходства. Картины голландских мастеров XVII в. – наглядное свидетельство тому. Много лет подряд замерзала в Лондоне Темза, на льду которой вошло в обычай устраивать праздничные гуляния. Что-то необычное происходило с Солнцем (в его внешней конвективной зоне), что определённо влияло на земную погоду.

Смена механизма передачи тепла. Тёмные пятна на Солнце – результат бурной конвекции горячей плазмы, выносящей на фотосферу новые, возникшие в глубине, магнитные потоки, образованные, как показал американский физик Е.Паркер, в результате динамо-механизма. Совместное действие плазменной конвекции и дифференциального вращения Солнца (разного на разных широтах, наиболее быстрого – период 24 дня – на экваторе) приводит к генерации магнитного поля, закрутке и запутыванию его силовых линий и в конечном итоге к переориентации общего поля Солнца примерно за 11 лет. А красочные полярные сияния, появляющиеся на Земле обычно в районе магнитных полюсов, но иногда, во время магнитных бурь, и в средних широтах, – результат проникновения частиц солнечного ветра в верхние слои атмосферы, ионизации и возбуждения атомов воздуха.

Легко предположить, что теперешние погодные аномалии обусловлены вековым периодом солнечных циклов, как было в начале предыдущих веков.

Временная зависимость среднегодовых чисел Вольфа, демонстрирующая цикличность солнечной активности (указаны 1-й, 10-й и 20-й циклы СА)

Видна тенденция падения амплитуд трёх последних циклов (1976–2006 гг.): W_max = 164 в 21-м цикле, 158 – в 22-м, 120 – в 23-м, сейчас завершающемся цикле. Амплитуды ещё не достигли тех значений, которые они имели в начале предыдущих веков (W_max = 50–80), но можно считать это только началом, и спад СА скорее всего продолжится. Если это действительно так, аномалии 2006 г. – не случайный эпизод, а предвестник начала довольно длительного периода, который может охватить десятки лет (несколько циклов). Не исключается даже повторение «Маундеровского феномена», изменение процесса передачи тепла в конвективной зоне. О возможности такого повтора указывалось ранее (см. мою статью «Солнце эпохи абсолютизма», «Физика» № 17/1997). Возможно, прогноз начинает сбываться.

Переносчики солнечного влияния. Тёмные пятна на Солнце сами по себе не отвечают за солнечно-земные связи, они лишь указатели переменности СА. «Переносчиками влияния» могут быть материальные потоки, испускаемые звездой, характер и интенсивность которых как-то связаны с параметром W. Это солнечный ветер (поток водородно-гелиевой плазмы, плотность и скорость которого зависит от фаз СА), выбросы вещества, сопровождающие солнечные вспышки, корональные массовые выбросы (Coronal Mass Ejections, CME) – гигантские облака плазмы, выталкиваемые из солнечной короны. CME известны давно, но только в последние годы выяснилась их настоящая роль как главных участников солнечно-земных связей. СМЕ образуются в результате сброса старых магнитных петель конвективной зоны под напором нового, нарождающегося в глубине магнитного поля. Процесс ещё плохо изучен, но его проявления подтверждаются богатым наблюдательным материалом, собранным европейской орбитальной станцией SOHO (Solar and Heliospherе Observatory). То, что главным образом СМЕ передают солнечное влияние на Землю, следует из увеличения их числа в первые 53 месяца трёх последних циклов СА (по данным Ишкова В.Н., ИЗМИРАН). Возросшее почти в два раза число СМЕ означает усилившееся вмешательство Солнца в земные дела.

СМЕ представляют собой гигантские облака намагниченной плазмы массой (1...10) млрд т, летящие во все стороны. Большинство из них не представляют опасности для Земли, но те, которые образуются в центральной части видимого солнечного диска, направлены к нам и через 2–3 дня 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. Контакт СМЕ с магнитосферой не проходит бесследно – возникает магнитная буря, балл которой определяется планетарным индексом K_р, учитывающим величину колебаний геомагнитного поля. Во время бури он достигает больших значений (K_р = 6...9 по 9-балльной шкале). Магнитная встряска – как раз то промежуточное звено солнечно-земных связей, которое долго не могли найти и которое, как сейчас считают, является главным в причинно-следственной цепочке солнечного влияния на земную погоду.

Радиационный пояс. Следующее звено – радиационный пояс Земли: потоки заряженных частиц (протонов, ядер, электронов, позитронов) сравнительно низких энергий, захваченные и длительно удерживаемые земным магнитным полем.

Магнитосфера Земли до (а) и после (б) прихода солнечного коронального выброса; координаты по осям X и Z выражены в радиусах Земли R_e; начало координат – Земля

Частицы движутся по спиральным траекториям, навиваясь на магнитные силовые линии и отражаясь в месте их сгущения вблизи полюсов («магнитные зеркала»). Во время магнитной бури происходит ускорение захваченных частиц (механизм, ещё недостаточно изученный, но экспериментально подтверждённый наблюдениями со спутников) и их перераспределение внутри радиационного пояса. Ускоренные частицы, уже не удерживаемые магнитным полем на своей оболочке, перемещаются внутрь магнитосферы, ближе к Земле, и в конце концов высыпаются в атмосферу. Высыпающиеся пучки заряженных частиц – это дополнительный энергетический источник в атмосфере, влияющий на распределение воздушных масс, их вертикальную неустойчивость. Он приводит к образованию воздушных вихрей – циклонов, штормов, ураганов, – в сумме своей определяющих земную погоду и влияющих главным образом на её аномальные проявления.

Этот важнейший погодный фактор – от образования СМЕ до высыпания в атмосферу потоков частиц захваченной радиации, отражающий влияние СА, – пока не учитывается в расчётных моделях синоптиков. 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, нужны детальные исследования всех его звеньев. Но уже тот факт, что увеличение числа СМЕ в последнее время (23-й цикл) совпало с аномалиями земной погоды, свидетельствует, что она управляется солнечной активностью. Экскурсы в прошлое – Маундеровский минимум, начала XIX и XX вв., – дают дополнительную уверенность в правоте сделанных предположений, несмотря на неполноту наблюдательных данных. За Солнцем стали внимательно наблюдать только в последнюю, спутниковую, эпоху (с 1970-х гг.), связь его активности с земной погодой долгое время не получала подтверждения и просто отвергалась. Сейчас определённо наступило время устранить этот недостаток.

Наш климат всецело определяется солнечной радиацией и наклоном земной оси к плоскости орбиты. А текущая погода (в первую очередь, её аномальные проявления) зависит от «настроения» светила – его активности, выражаемой выбросами облаков плазмы. В настоящее время, как и всегда в начале века, Солнце, управляющее земной погодой, «не в духе». Такое состояние светила может затянуться на десятки лет, угрожая непривычно холодными зимами, затянувшимся осенним ненастьем, бурями, ураганами и другими проявлениями дурного «настроения». Автор отдаёт себе отчёт в качественном характере проведённого анализа и будет искренне рад, если его предположение окажется неверным и не наступит длинная череда суровых зим и разрушительных ураганов.

Литература

Лучков Б.И. Мир, в котором мы живём. Популярный курс астрофизики и космологии. Лекция 1. – Физика («ПС»), 2005, № 17.

Лучков Б.И. Солнечное влияние на земную погоду: Научная сессия МИФИ-2006. – Сборник научных трудов, МИФИ, т. 7.

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