Солнечная активность онлайн. Проявления солнечной активности на земле. Применение статистики для анализа солнечно-земных связей
Наблюдайте за солнечной активностью в реальном времени : фото фотосферы, магнитного поля, переходного слоя, короны Солнца и солнечного ветра, влияние на Землю.
Данные SOHO
Данные SDO/HMI
Данные коронографа LASCO
Данные SOHO
EIT обеспечит широкомасштабные снимки короны и переходного участка на солнечном диске до 1.5 солнечного радиуса. Оптическая система концентрируется на спектральных эмиссионных линиях из Fe IX (171 Å), Fe XII (195 Å), Fe XV (284 Å) и He II (304 Å), чтобы обеспечить чувствительный температурный анализ. Диапазон: от 6 × 10 4 K до 3 × 10 6 K
Изображение SOHO EIT 171
Изображение SOHO EIT 195
Изображение SOHO EIT 284
Изображение SOHO EIT 304
Поле зрения телескопа: 45 х 45 угловых минут и 2.6 угловых секунд, что гарантирует 5-кратное пространственное разрешение. EIT собирается глобально зондировать корональную плазму, а также расположенный ниже прохладный турбулентный атмосферный слой. Данные станут основой для наземных обзоров.
Данные SDO/HMI
Исследование солнечных осцилляций (SOI) применяет Измеритель Доплеровского Смещения (MDI), чтобы изучить внутреннюю часть Солнца через фиксирование фотосферных событий звездного колебания. Анализ режимов отображает статические и динамические характеристики участка конвекции и ядра. Если мы разберемся в свойствах, то лучше поймем солнечное магнитное поле и активность поверхности.
Изображение SDO/HMI Continuum
Инструмент отображает звезды на 10242 CCD-камере сквозь цепочку узких спектральных фильтров. Финальные элементы (пара интерферометров) помогают MDI создавать фильтрограммы с шириной полосы FWHM 94 мА. Каждую минуту регистрируют 20 кадров на 5 длинах волн в спектральной линии Ni I 6768. Аппарат определяет интенсивность и скорость континуума с разрешением 4’’ по всему диску.
Изображение SDO/HMI Magnetogram
Чтобы гарантировать постоянный обзор за наиболее длительными режимами (отображают внутреннюю солнечную структуру), тщательно вычисляют набор пространственных средних. Половину своего времени MDI обрабатывает все скорости и интенсивности снимка по нисходящей линии. Высокоскоростная телеметрия (HRT) доступна каждый год по 8 часов в сутки. В период 8-часовых интервалов HRT будет программироваться на другие наблюдения, вроде вычисления поля с более высоким разрешением. Несколько раз в день вставляются поляризаторы для изменения линии видимости магнитного поля. Операции MDI будут планироваться заранее и активироваться в периоды ежесуточных 8-часовых промежутков. Поступающие данные будут обрабатываться немедленно. Сведения поступят в Центр поддержки SOI (Стэнфорд), где каждый год рассматривается 3 терабайта откалиброванных данных. Затем информацию выложат для совместного изучения.
Данные коронографа LASCO
LASCO (широкоугольный спектрометрический коронограф) использовался офисом SWPC для анализа солнечного нагрева и переходных событий, среди которых вспышки, корона и звездный ветер. Полученные изображение обладают огромным значением для модели WSA-Enlil, начавшей функционировать в 2011 году. Это основной инструмент для предсказания высвобождения корональной массы и воздействия солнечного ветра на нашу планету.
Изображение LASCO C2
Изображение LASCO C3
LASCO выступает одним из 11 приборов космического аппарата НАСА SOHO (солнечная и гелиосферная обсерватория). Его запустили в 1995 году из Космического центра Кеннеди. Инструмент представлен тремя коронографами, отображающих 1.1-32 солнечных радиусов. Один радиус охватывает 700000 км. Коронограф – телескоп, препятствующий свету от солнечного диска, что позволяет рассмотреть слабое излучение короны. Коронографы LASCO выступают частью инструментального набора аппарата SOHO, запущенного в 1995 году. SWPC использовали снимки коронографа для прогнозирования погоды. Сейчас действует модель WSA-Enlil.
Солнечный диск ощутимо влияет на планетные процессы. Ведь это главный источник жизни. Поэтому солнечная активность приковывает к себе внимание, так как приводит к трансформации метеорологического состояния Земли (перепады давления, уровень воды и температурные скачки) и психического здоровья человека. Да и наблюдение в реальном времени за магнитными бурями онлайн – это незабываемое представление.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
Проблема «Солнце – Земля» является на сегодняшний день актуальной по многим причинам. Во-первых, это проблема альтернативных источников энергии на Земле. Солнечная энергия – неисчерпаемый источник энергии, притом безопасный. Во-вторых, это влияние солнечной активности на земную атмосферу и магнитное поле Земли: магнитные бури, полярные сияния, влияния солнечной активности на качество радиосвязи, засухи, ледниковые периоды и др. Изменение уровня солнечной активности приводит к изменению величин основных метеорологических элементов: температуры, давления, числа гроз, осадков и связанных с ними гидрологических и дендрологических характеристик: уровня озер и рек, грунтовых вод, солености и оледенения океана, числа колец в деревьях, иловых отложений и т.п. Правда в отдельные периоды времени эти проявления происходят только частично или вовсе не наблюдаются. В-третьих, это проблема «Солнце – биосфера земли». С изменением солнечной активности учеными было замечено изменение численности насекомых и многих животных. В результате изучения свойств крови: числа лейкоцитов, скорости свертывания крови и др., были доказаны связи сердечно-сосудистых заболеваний человека с солнечной активностью.
В данной работе мы ограничимся рассмотрением влияния солнечной активности на геофизические параметры, особое внимание уделив воздействию активности на погоду и климат.
1. Солнечная активность и ее причины
У Солнца есть собственная «жизнь», называемая солнечной активностью: раскаленная масса Солнца находится в непрерывном движении, которое порождает пятна и факелы, меняет силу и направление солнечного ветра. На эту солнечную жизнь сразу реагирует магнитное поле Земли и ее атмосфера, порождая различные явления, воздействуя на животный и растительный мир, провоцируя вспышки рождаемости разных видов животных и насекомых, а также наши с вами заболевания.
Помимо обычного излучения, исходящего от Солнца, обнаружено и интенсивное радиоизлучение. Советская экспедиция в Бразилии, наблюдавшая затмение 20 мая 1947 года, обнаружила падение интенсивности радиоизлучения Солнца в 2 раза во время полной фазы солнечного затмения, в то время, как интенсивность общего излучения Солнца уменьшилась в миллион раз. Это говорит о том, что радиоизлучение Солнца происходит главным образом от его короны.
Причины циклической деятельности Солнца остаются пока неведомыми. Одни ученые склоняются к мнению, что ее основой являются внутренние механизмы, другие утверждают, что это гравитационные влияния обращающихся вокруг Солнца планет. Вторая точка зрения выглядит логичнее. Нужно учитывать и тот факт, что обращение планет происходит не столько вокруг Солнца, сколько вокруг общего центра тяжести всей Солнечной системы, по отношению к которому само Солнце описывает сложную кривую. Если учесть к тому же, что Солнце – не твердое тело, то такая динамика вращения непременно воздействует и на динамику движения всей солнечной плазмы, задавая ритмы солнечной активности.
2. Параметры Солнечной активности и ее влияние на погоду и климат
Наиболее близкий к нам источник частиц высоких энергий это, разумеется, наша звезда – Солнце. Поэтому для того, чтобы понять и оценить уровень энергии (или мощность) рассматриваемых воздействий, допустимо ограничиться анализом энергии поступающей от Солнца, а точнее анализом вариаций энергии поступающих от него потоков.
На Солнце происходит множество процессов, большая часть из которых остается неизученной. Тем не менее, составить достаточное представление о вариациях поступающей от него энергии можно, рассмотрев один из главных факторов – близкое к периодической изменение солнечной активности. 22-летний солнечный цикл определяется периодическим изменением полярности гигантского магнита, который представляет собой Солнце.
Поверхность Солнца очень неоднородна и находится в постоянном движении. Это подтверждают многочисленные снимки, которые в постоянном режиме делают станции наблюдения и обсерватории, в том числе международные, в различных диапазонах спектра. Приливы и отливы раскаленного и почти полностью ионизованного вещества, бушующие на Солнце, иногда приводят к эффекту, называемому корональным выбросом массы (впрочем, имеется, не существенный для понимания дальнейшего нюанс, связанный с различием между понятиями солнечной вспышки и коронального выброса массы). В этом случае от поверхности нашей звезды отрываются огромные потоки плазмы, которые уходят в межзвездное пространство и вполне могут достичь Земли.
Пятна на Солнце, которые в непрерывном режиме регистрируются уже более ста лет, как раз и являются основой для наиболее простого способа регистрации солнечной активности.
Впрочем, пятна на Солнце могут быть разного размера, причем появление группы пятен далеко не тождественно появлению одного пятна той же площади. Чтобы учесть это обстоятельство, в солнечно-земной физике давно используются так называемые числа Вольфа, которые позволяют довольно точно судить об активности светила по числу пятен, наблюдаемых с Земли. Число Вольфа или относительное цюрихское число солнечных пятен, определяется по формуле
где f – общее число пятен на видимой полусфере Солнца, g – число групп пятен. Коэффициент k обеспечивает учет условий наблюдений (например, тип телескопа). С его помощью наблюдения в любой точке планеты пересчитываются к стандартным цюрихским числам.Число параметров, с помощью которых можно охарактеризовать активность Солнца очень велико и такой показатель как числа Вольфа, далеко не является исчерпывающим. Наглядно показать это можно, отталкиваясь только от одного факта – Солнце, как и всякое сильно разогретое тело, излучает электромагнитные волны в очень широком спектральном диапазоне. Помимо видимого света, оно испускает и радиоволны, и жесткие рентгеновские лучи. Учитывая, что спектр разогретых тел является практически сплошным, а вариации интенсивности в его отдельных участках могут и не быть коррелированны друг с другом, легко представить себе трудности, с которыми сталкивается солнечно-земная физика при попытках отыскать некий интегральный (или универсальный) показатель.
Единого универсального показателя для активности Солнца не существует, но в солнечно-земной физике установлено, что можно указать величины, которые позволяют в какой-то степени приблизиться к решению этой задачи. Одной из этих величин является интенсивность радиоизлучения Солнца на волне 10,7 см, которая также обладает примерно той же периодичностью, что и числа Вольфа. Многочисленные исследования показали, что вариации и этого, и многих других показателей с приемлемой точностью кореллируют с числами Вольфа. Поэтому во многих исследованиях по солнечно-земным связям проводится сопоставление наблюдаемых в различных оболочках Земли явлений с поведением солнечной активности. Впрочем, для более точных количественных оценок используется и интенсивность радиоизлучения на волне 10,7 см.
Известны многочисленные работы, показывающие, что изменение солнечной активности в течение 11-летнего цикла, влияет на многие показатели, относящиеся как к верхней, так и к нижней атмосфере. Одним из ярких примеров является цикл работ, выполненный в Научно-исследовательском институте физики Санкт-Петербургского университета. В этих работах было изучено влияние солнечной активности на многолетний ход температуры вблизи земной поверхности, т.е. в тропосфере. Работ аналогичного профиля существует очень много, например, предпринимались и определенные шаги по популяризации данных исследований, и тем более интересным является обзор, в котором рассматривались существенные трудности, которые возникают при попытках интерпретировать воздействие солнечной активности на события в тропосфере.
Первая трудность состоит в том, что поток энергии, поступающий от Солнца в околоземное космическое пространство с высокой точностью постоянен. По оценкам, подтверждаемых расчетами, проведенными на основании данных полученных со спутника "Нимбус-7", как это отмечалось в, в околоземное космическое пространство приходит энергия, характеризуемой величиной порядка 10 12 МВт. При этом ее изменчивая часть составляет всего около 10 6 – 10 4 МВт, т.е. менее одной десятитысячной процента от фонового значения. Другими словами, вариативная часть энергии, поступающей на Землю от Солнца сопоставима с той, что вырабатывается человеком в одном, сравнительно небольшом, регионе.
Поток лучистой энергии, поступающей от Солнца, можно также охарактеризовать с помощью солнечной постоянной
(величина потока энергии, отнесенная к единице площади). Спутниковые измерения, проведенные в максимуме и минимуме солнечной активности, показали, что величина с высокой точностью действительно остается постоянной. Разница составляет около 2 Вт/м 2 при средней величине около 1380 Вт/м 2 .Сопоставление энергии, приходящейся на изменчивую часть потока от Солнца с энергией характерных для атмосферы явлений, скажем, одного-единственного циклона также показывает, что это – сравнимые величины. Иначе говоря, непосредственно воздействия на события в тропосфере изменения солнечной активности оказывать не должны, если отталкиваться только от энергетических соображений.
Однако это еще не все. Еще одна трудность, возникающая при рассмотрении воздействия вариаций солнечной активности на тропосферу, т.е. самый нижний слой атмосферы, состоит в том, что частицы и излучение, несущие вариативную часть энергии не доходят до поверхности земли. Коротковолновое излучение, а также такие частицы как электроны радиационных поясов и солнечные протоны поглощаются в более высоких слоях атмосферы (в стратосфере и мезосфере).
На этой странице Вы можете очень хорошо следить за нашей космической погодой, которая в первую очередь задаётся Солнцем. Данные обновляются очень часто - практически через каждые 5-10 минут , поэтому Вы можете всегда, заходя на данную страницу, знать точное положение дел в области активности нашего Солнца и космической погоды.
- Благодаря данной странице и её он-лайн данным Вы можете довольно точно понимать состояние космической погоды и её влияние на Землю в текущем моменте времени. Размещены графики и карты (в он-лайновом режиме со специализированных он-лайн серверов, собирающих и обрабатывающих данные со спутников), описывающие космическую погоду (что удобно для отслеживаниия аномалий).
Теперь Вы можете видеть Солнце он-лайн в режиме анимации , чтобы визуально лучше наблюдать за всеми изменениями на Солнце, такие, как например: вспышки, пролетающие рядом объекты и т.д.:
Состояние космической погоды в нашей системе зависит прежде всего от текущего состояния Солнца. Жесткое излучение и вспышки, потоки ионизированной плазмы, солнечный ветер, зарождающиеся на Солнце, это главные параметры. Жесткое излучение и вспышки зависят от так называемых солнечных пятен. Карты пятен и распределения излучения в рентгене видны ниже (это снимок солнца сделанный сегодня: 18 марта, понедельник).
Выбросы корональных транзиентов и зарождающиеся потоки солнечного ветра отмечены на рисунке, который представлен чуть ниже (это снимок короны Солнца сделанный сегодня: 18 марта, понедельник).
График вспышек на Солнце . При помощи этого графика Вы можете узнавать силу вспышек на каждый день, которые происходят на Солнце. Условно вспышки разделяются на три класса: C, M, X, это видно на шкале графика внизу, пиковое значение волны красной линии определяет силу вспышки. Самая сильная вспышка - класса Х.
Мировая Температурная Карта
Мировая погода высоких температур может прослеживаться на частообновляемой карте внизу. В последнее время отчётливо видно смещение климатических зон.
Солнце сейчас (18 марта, понедельник) в ультрафиолетовом спектре (в одном из наиболее удобном для просмотра состояния Солнца и его поверхности).
Стерео изображение Солнца . Как Вы знаете недавно специально были отправлены в космос два спутника, которые вышли на специльную орбиту, чтобы "видеть" Солнце сразу с двух сторон (раньше Солнце мы видели только с одной стороны) и передавать эти изображения на Землю. Внизу Вы можете видеть это изображение, которое ежедневно обновляется.
[фото с первого спутника] |
[фото со второго спутника] |
На диске Солнца нередко видны необычные обра-зования: участки пониженной яркости — солнечные пятна и повышенной яркости — факелы. На краю диска заметны вы-ступы хромосферы — протуберанцы, иногда появляются короткоживующие очень яркие пятна-вспышки. Все они полу-чили общее название — активные образования .
Обычно активные образования возникают в так называе-мых активных областях Солнца. Эти области могут занимать значительную долю солнечного диска. Главная характеристи-ка активных областей — выход на поверхность сильных ло-кальных (т. е. местных) магнитных полей, намного более силь-ных, чем регулярное магнитное поле Солнца. Типичная для активной области схема магнит-ного поля представлена на ри-сунке 62.
Солнце, как и другие небесные тела, вращается вокруг своей оси. Это даёт возможность определить на нем полюсы и экватор и построить систему гелиографических координат (Гелиос — Солнце), полностью аналогичных географическим.
Часто по обе стороны экватора в полосе гелиографических широт 10—30° появляются солнечные пятна и факелы — светлые пятнышки, хорошо видные у пятен и у края диска. В телескоп хорошо различают-ся тёмный овал пятна и окружающая его полутень. Обычно пятна появляются группами. Характерный размер тёмного пятна около 20 000 км. Пятно на фоне фото-сферы кажется совершенно черным, однако, поскольку в пят-не температура равна 4500 K, его излучение слабее излучения фотосферы всего в 3 раза.
В пятне наблюдаются сильные магнитные поля (до 4,5 Тл). Именно наличие магнитного поля и определяет понижение температуры, поскольку оно препятствует конвекции и умень-шает тем самым поток энергии из глубинных слоёв Солнца. Пятно появляется в виде чуть расширенного промежутка меж-ду гранулами — в виде поры. Примерно через сутки пора раз-вивается в круглое пятно, а через 3—4 дня появляется полутень.
Со временем площадь пятна или группы пятен растёт и через 10—12 дней достигает максимума. После этого пятна группы начинают исчезать, и через полтора-два месяца группа исчезает вообще. Часто группа не успевает пройти все стадии и исчезает в гораздо более короткие сроки.
Образование солнечных пятен
При увеличении магнитного поля в фото-сфере конвекция сначала даже усиливается. Не очень сильное магнитное поле тормозит турбуленцию и тем самым облегча-ет конвекцию. Но более сильное поле уже затрудняет конвек-цию, и в месте выхода поля наружу температура падает — образуется солнечное пятно.
Пятна обычно окру-жены сетью ярких цепочек — фотосферным факелом. Шири-на цепочки определяется диаметром её ярких элементов (ти-па гранул) и составляет около 500 км, а длина доходит до 5000 км. Площадь факела намного (обычно в 4 раза) превы-шает площадь пятна. Факелы встречаются и вне групп или одиночных пятен. В этом случае они гораз-до слабее и заметны обычно на краю диска. Это говорит о том, что факел представляет собой облако более горячего газа в са-мых верхних слоях фотосферы. Факелы относительно устой-чивые образования. Они могут существовать в течение несколь-ких месяцев.
Над пятнами и факелами расположена флоккула — зона, в которой яркость хромосферы увеличена. Несмотря на уве-личение яркости, флоккула, как и хромосфера, остаётся не-видимой на фоне ослепительно яркого диска Солнца. Наблюдать её можно только с помощью специальных приборов — спектрогелиографов, в которых получается изображение Солн-ца в излучении в длине волны спектральной линии. В этом случае изображение флоккулы выглядит темной полоской.
Образование флоккул
Когда в углублении, образованном линиями напряжённости (рис. 62), скапливается плазма, из-за повыше-ния плотности усиливается излучение, падает температура и давление, что, в свою очередь, приводит к повышению плот-ности и усилению излучения. Постепенно «ловушка» перепол-няется, и плазма по линиям напряжённости стекает в фото-сферу. Устанавливается равновесие: горячий газ короны попа-дает в «ловушку», отдаёт свою энергию и стекает в фотосфе-ру. Так образуется флоккула.
Когда вращение Солнца выно-сит флоккулу на край Солнца, мы видим висящий спокойный протуберанец . Преобразование магнитных полей может привести к то-му, что линии напряжённости выпрямляются и плазма флок-кулы выстреливается вверх. Это эруптивный протуберанец .
Если в плазме встречаются два магнитных по-ля противоположной полярности, то происходит аннигиляция полей. Аннигиляция (уничтожение) магнитного поля по зако-ну Фарадея вследствие электромагнитной индукции вызывает появление сильного переменного электрического поля. По-скольку электрическое сопротивление плазмы мало, это вызы-вает мощный электрический ток, в магнитном поле которого запасается огромная энергия. Затем в взрывном процессе эта энергия выделяется в виде светового и рентгеновского излу-чений (рис. 61). Земной наблюдатель видит вспышку как яркую точку, неожиданно появляющуюся на диске Солнца, обычно вблизи группы пятен. Вспышку можно наблюдать в телескоп и в исключительных случаях невооружённым глазом. Материал с сайта
Однако основная часть энергии выделяется в виде кинети-ческой энергии движущихся в солнечной короне и межпла-нетном пространстве со скоростями до 1000 км/с выбросов ве-щества и потоков ускоренных до гигантских энергий (до де-сятков гигаэлектрон-вольт) электронов и протонов.
Проникающее в корону магнитное поле захватывается по-током солнечного ветра . При определённой конфигурации маг-нитного поля оно сжимает плазму, ускоряя её до очень боль-ших скоростей. Одновременно поток плазмы вытягивает ли-нии магнитной индукции. Таким образом формируется корональный луч.
Влияние вспышек
Вспышки на Солнце оказывают силь-ное воздействие на ионосферу Земли, существенно влияют на состояние околоземного космического пространства. Име-ются свидетельства влияния вспышек на
Определяющее значение в системе Солнце – Земля играют неустойчивости, возникающие в условиях сильного отклонения от равновесия. Так как земная атмосфера стратифицирована по высоте, в поле тяготения она находится в неустойчивом равновесии. Изменение потока солнечной плазмы может вызывать достаточно сильное отклонение от равновесия, что приведет к дополнительному возникновению неустойчивости в целом ряде процессов в атмосфере Земли. Солнечная активность выступает как своего рода «спусковой крючок», дающий толчок развитию различных неустойчивостей.
Специфическими особенностями турбулентности в атмосфере является широкий спектр масштабов турбулентных неоднородностей (от мм до тыс. км) и существенное влияние вертикального распределения плотности на развитие мелкомасштабной турбулентности. Важную роль при формировании структуры турбулентности играют различного рода неустойчивости, присущие движущимся воздушным массам. В условиях сильно развитой турбулентности в атмосфере глобальная циркуляция воздуха также становится нестабильной. Возникают вихри, охватывающие пространство в тысячи километров и распадающиеся, в конце-концов, на более мелкие (от см до мм). При мелких размерах вихрей вязкость подавляет турбулентные флуктуации. Все течения в атмосфере, так или иначе связанные с конвекцией, оказываются не только сложными, но и неустойчивыми даже относительно слабых внешних возмущений.
Общая циркуляция атмосферы.
Основными факторами, влияющими на формирование климата Земли, является солнечная радиация, циркуляция атмосферы и характер подстилающей поверхности. Под их совместным влиянием происходит формирование климатических зон земного шара. Количество поступающего солнечного тепла зависит от ряда факторов. Определяющим является угол падения солнечных лучей. Поэтому на низких географических широтах поступает значительно больше солнечной энергии, чем на средних и тем более высоких широтах. Общей циркуляцией атмосферы называют замкнутые течения воздушных масс, происходящие в масштабах полушария или всего земного шара и приводящие к широтному и меридиональному переносу вещества и энергии в атмосфере. Главная причина возникновения воздушных течений в атмосфере – неравномерное распределение тепла на поверхности Земли, что приводит к неодинаковому нагреванию почвы и воздуха в различных поясах земного шара, поэтому солнечная энергия является первопричиной всех движений в воздушной оболочке Земли. Кроме притока солнечной энергии, к важнейшим факторам, вызывающим возникновение ветра, относятся вращение Земли вокруг своей оси, неоднородность подстилающей поверхности и трение воздуха о почву. В земной атмосфере наблюдаются воздушные движения самых различных масштабов – от десятков и сотен метров (местные ветры) до сотен и тысяч километров (циклоны, антициклоны, муссоны, пассаты, планетарные фронтальные зоны). В одной старинной книге так описывается циркуляция в атмосфере: «Экватор, словно горячий паровой котел. Белые шапки полюсов там – холодильники. А топка – это Солнце. Лучистое солнечное тепло нагревает котел – воздух экватора. Нагретый воздух поднимается и течет к холодильникам, там остывает и, опускаясь, течет понизу к экватору. Так над Землей вращается огромное воздушное колесо, которое приводит в ход Солнце». Это первое кольцо планетарной циркуляции. Однако вращение Земли отклоняет эти движущиеся массы вправо в северном полушарии, и влево – в южном. В итоге воздух течет не на север, а на северо-восток и где-то на уровне 30 градусов от экватора идет уже не по меридиану, а по широте с запада на восток. Накопление воздуха в районе 30 градуса широты в обоих полушариях приводит к образованию пояса повышенного давления над поверхностью Земли. От этого пояса воздух растекается в обе стороны, отклоняясь под действием сил Кориолиса. Часть воздушных масс, охлаждаясь, поворачивает назад – к экватору и движется в северо-восточном направлении. Такие воздушные потоки называются пассатами, они замыкают второе кольцо циркуляции атмосферы, кольцо пассатов. Другие массы идут дальше на север, но сила Кориолиса отклоняет их вправо. Здесь образуется система юго-западных и западных ветров, преобладающих в умеренных широтах. У северного полюса воздух, охлаждаясь, опускается вниз и растекается к югу, у южного – к северу,. при этом ветер приобретает направление с востока на запад. При встрече с воздухом умеренных широт происходит подъем этих воздушных масс. Так замыкается третье кольцо движения воздушных масс. Это очень упрощенная, устаревшая картина планетарной циркуляции, содержащая только три замкнутых кольца. В природе, однако, эти кольца связаны в единый механизм. Реальные ветры часто меняют свои маршруты. Экваториальный воздух иногда прорывается через пассатное кольцо и добирается до полюса. На средиземноморском побережье из-за затока арктического воздуха весной бывает так холодно, что замерзают сады. Кроме того, подстилающая поверхность Земли отличается большим разнообразием – материки, океаны и т.п. Каждый материк летом очень быстро нагревается, а зимой выхолаживается. Значит в «кухне планеты» есть и другие «котлы» и «холодильники», которые работают по-разному в каждом сезоне. Зимой материк – холодильник, а океан – котел, летом наоборот. Так в сложный круговорот воздуха вливается еще и колесо муссонов, которое летом вращается в одну сторону, а зимой – в другую.
Современные принципы классификации форм атмосферной циркуляции северного полушария Вангенгейма – Гирса.
Воздушные массы постоянно перемещаются вокруг земного шара. На скорость их движения оказывает влияние неравномерность поступления солнечной радиации и поглощение ее различными участками подстилающей поверхности и атмосферы, вращение Земли, термическое и динамическое взаимодействие атмосферы с подстилающей поверхностью, в том числе взаимодействие с океаном. Основной причиной атмосферных движений является неоднородность нагревания различных участков поверхности Земли и атмосферы. Подъем теплого и опускание холодного воздуха на вращающейся Земле сопровождается формированием циркуляционных систем различного масштаба. Совокупность крупномасштабных атмосферных движений получила название общей циркуляции атмосферы. Атмосфера получает тепло, поглощая солнечную радиацию за счет конденсации водяного пара и благодаря теплообмену с подстилающей поверхностью. Поступление скрытой теплоты в атмосферу зависит от подъема влажного воздуха. Так, тропическая зона Тихого океана является мощным источником тепла и влаги для атмосферы. Значительная теплопередача от поверхности океана происходит зимой там, где холодные воздушные массы приходят в районы теплых морских течений. Одним из наиболее крупномасштабных звеньев общей циркуляции атмосферы является циркумполярный вихрь. Его формирование обусловлено наличием в полярной области очагов холода, а в тропической зоне – очагов тепла. Циркумполярное движение и его проявление – западный перенос – представляют устойчивую и характерную особенность общей атмосферной циркуляции. В 1930-е были начаты исследования общей циркуляции атмосферы. Все синоптические процессы (СП) были разделены на элементарные (ЭСП), затем были сведены к трем формам циркуляции: западной (W), восточной (Е) и меридиональной (С). Процессы западной формы (W) характеризуются развитием зональных составляющих циркуляции и быстрым смещением барических образований с запада на восток. При развитии меридиональных форм циркуляции, когда формируются стационарные волны большой амплитуды, наблюдаются процессы форм Е и С. Распределение воздушных течений на земном шаре тесно связано с распределением давления, температуры и характером циклонической деятельности, поэтому в распределении ветра на Земле должна быть определенная зональность. Однако фактические направления ветров зимой и летом отличаются от ветров, предполагаемых зональной схемой. Наиболее четкую зональность имеют ветры в приэкваториальной зоне. В северном полушарии зимой и летом преобладают ветры северо-восточного направления, а в южном – ветры юго-восточного направления, пассаты. Наиболее отчетливо пассаты проявляются над Тихим океаном. Над материками и вблизи них пассаты нарушаются другой системой течений – муссонами, которые возникают из-за циклонической деятельности, связанной с большим перепадом температуры между морем и сушей. Зимой муссон направлен с континента на океан, а летом – с океана на континент. Ярко муссонный перенос воздушных масс наблюдается в прибрежных районах Восточной Азии и, в частности, в Приморьи, Воздушные массы перемещаются как у поверхности Земли, так и на больших высотах от Земли и не только в горизонтальном направлении, но и в вертикальном. Несмотря на то, что вертикальные скорости движения воздуха малы, они играют важную роль в воздухообмене по вертикали, образовании облаков и осадков и других погодных явлений. Есть и другие особенности в распределении вертикальных движений. Анализ синоптических карт показал, что температурные контрасты между полюсом и экватором неравномерно распределены по широте. Наблюдается сравнительно узкая зона, где сконцентрирована значительная часть энергии атмосферной циркуляции. Здесь отмечаются максимальные значения барических градиентов, а, следовательно, и скоростей ветра. Для таких областей было введено понятие высотной фронтальной зоны (ВФЗ), а связанные с ней сильные западные ветры стали называть струйными течениями или струями. Обычно скорость ветра вдоль оси струи превышает 30 м/с, вертикальный градиент скорости ветра превышает 5 м/с на 1 км, а горизонтальный градиент скорости достигает 10 м/с и более, сохраняясь на протяжении около 100 км. ВФЗ занимает большие географические пространства: ее ширина 800–1000 км, а высота 12–15 км при длине 5–10 тыс. км. ВФЗ включает в себя обычно один или несколько атмосферных фронтов и является местом возникновения подвижных фронтальных циклонов и антициклонов, перемещающихся по направлению основного (ведущего) потока. В периоды сильного развития меридиональных процессов ВФЗ как бы «извивается», огибая высотные гребни с севера и ложбины с юга. Общая циркуляция атмосферы представляет собой систему крупномасштабных воздушных течений над земным шаром. Эта система доступна изучению с помощью ежедневных синоптических карт, а также находит отображение на средних многолетних картах для земной поверхности и тропосферы. Область преобладания высокого или низкого давления на средних картах указывает на район, где находится центр действия атмосферы (ЦДА). ЦДА могут быть постоянными (азорский антициклон) и сезонными (сибирский антициклон, алеутская депрессия). Изучение особенностей общей циркуляции атмосферы позволило создать методы для прогнозирования погоды на сроки различной длительности.
Проблема прогноза..
Вопрос о влиянии солнечной активности на погоду имеет практическое значение. Если это влияние существенно, его нужно учитывать в метеорологических прогнозах, значение которых важно для планирования и организации самых различных мероприятий. Прогнозирование текущей погоды на сроки до полусуток основываются на интенсивном подходе с использованием непрерывных наблюдений. При этом анализируются и экстраполируются данные наблюдений метеорологических полей, особенно мезо-масштабных полей облаков и осадков, полученных по данным со спутников и радиолокаторов. Численный (гидродинамический) метод прогноза погоды основан на математическом решении системы полных уравнений гидродинамики и получении прогностических полей давления и температуры на определенных промежутках времени. Вычислительные центры в Москве, Вашингтоне, Токио, Рейдинге (Европейский прогностический центр) используют различные численные схемы развития крупномасштабных атмосферных процессов. Точность численных прогнозов зависит от скорости счета вычислительных систем, количества и качества информации, поступающей от метеостанций. Чем больше данных, тем точнее расчет. Синоптический метод составления прогнозов погоды основан на анализе карт погоды. Сущность этого метода состоит в одновременном обзоре состояния атмосферы на обширной территории, позволяющем определить характер развития атмосферных процессов и дальнейшее наиболее вероятное изменение погодных условий в рассматриваемом районе. Такой обзор осуществляется с помощью карт погоды, на которые наносятся данные метеорологических наблюдений на различных высотах, а также у поверхности Земли, производимых одновременно по единой программе в различных точках земного шара. На основе подробного анализа этих карт синоптик определяет дальнейшие условия развития атмосферных процессов в определенный период времени и рассчитывает характеристики метеопараметров – температуру, ветер, облачность, осадки и т.д. Статистические методы прогноза позволяют по прошлому и настоящему состоянию атмосферы спрогнозировать погоду на определенный будущий период времени, т.е. предсказать изменения различных метеоэлементов в будущем. Часто выбирается комплексный подход – использование сразу нескольких частных методов прогноза одной и той же характеристики состояния атмосферы с целью выбора окончательного варианта прогноза. Поскольку земная атмосфера очень чувствительна к внешним воздействиям, предсказать погоду на длительный срок путем непосредственного расчета движения воздушных масс становится невозможным. Проведенные расчеты показали, что вначале близкие (в рамках гидродинамической модели атмосферы) различные решения затем быстро расходятся и приводят к качественно различным результатам. В процессе гидродинамических вычислений начальные ошибки возрастают вдвое в течение трех – пяти дней. А через две – три недели дальнейшие расчеты могут дать неопределенные результаты.
Основоположником гелиометеорологии считается метеоролог А.В.Дьяков (1900–1989), который в 1960–1980 руководил метеостанцией в поселке Темиртау (Горная Шория, предгория Алтая), считается основоположником гелиометеорологии, поскольку он прогнозировал погоду в районах Казахстана, Западной Сибири, Алтая и Урала на основании своих наблюдений солнечных пятен и даже был награжден за это орденом. Дьяков на несколько месяцев вперед давал долгосрочные прогнозы погоды с учетом активности Солнца. В своих прогнозах он опирался на идеи К.Фламмариона, А.В.Клоссовского (1846–1917) и А.И.Воейкова (1842–1916) о существовании двух атмосферных потоков: холодного (полярного) и теплого (экваториального). Помимо этого он большое внимание уделял работам Элеоноры Лир, разработавшей типы сезонной циркуляции. В результате Дьяков пришел к выводу, что земную атмосферу следует рассматривать как открытую автоколебательную систему, на которую влияет неравномерное солнечное излучение.
Игорь Цыганков приводит календарь Дьякова, в котором отмечены осадки и урожайность зерновых, начиная с 1892. Этим календарем пользуются уже многие годы. В нем приведены наблюдения за выпадением осадков более чем за 100 лет. Календарь применим для Восточной Сибири и Казахстана. Все пятые годы по этому календарю – засушливые. Дьяковскими прогнозами пользовалось и советское правительство. И.Цыганков ведет и свой календарь, начиная с 1955, который вполне совпадает с дьяковским: Например, в 1965 – урожай элитных зерновых на ухоженных полях составил всего 7 центнера с гектара. 1975 – урожайность еще ниже, всего 4 центнера.
Биологические проявления солнечной активности. Солнечная активность и биологические ритмы.
Хорошо известны воздействия ионизующей и проникающей радиации на живые организмы, они успешно применяются в медицине для лечения и профилактики множества заболеваний. Космические воздействия обнаруживаются на многих уровнях биологических структур, начиная от простейших клеток вплоть до нейрофизиологических процессов в мозге человека. А.Л.Чижевский пришел к выводу, что солнечно-биосферные связи являются обще-биологической закономерностью. Он ввел термин «гелиобиология», создал научное направление космической биологии, установил зависимость между цикличностью СА и явлениями в биосфере, показал возможность прогнозирования поведения людей и земных событий в зависимости от ритмов внешней среды. Сейчас эти взгляды развиваются профессором С.Э.Шнолем в институте теоретической и экспериментальной биофизики РАН. Здесь изучаются внешние ритмические вариации факторов среды обитания, которые могут вызывать синхронизацию биоритмов в организмах. Если организм не успевает компенсировать внешние воздействия, то наступает десинхронизация, которая может привести к функциональным нарушениям в организме.
Макроскопические флуктуации и их связь с солнечной активностью СА.
Под руководством Шноля были открыты макрофлуктуации (МФ) – неравномерность протекания химических реакций в физико-химических средах. Это открытие в наши дни привело к новому этапу в развитии биологии – гелиобиологии. После того, как была обнаружена связь с действием космических агентов (СА) на МФ, расширились возможности поиска ритмики в физико-химических явлениях.
Суть МФ можно пояснить так: пусть в определенном объеме водного раствора измеряется скорость протекания некоторой химической реакции. Если последовательно со скоростью раз в несколько минут измерять скорость течения этой реакции, то значения скорости могут существенно отличаться друг от друга, во много раз превышая приборную ошибку. Число прореагировавших частиц, изменяясь во времени, дает ряд дискретных величин. Переход от одной величины к другой происходит самопроизвольно и быстро (за время меньше 0,01 с) и, что самое поразительное, в макрообъеме синхронно даже в двух отдельных, рядом расположенных сосудах. Со временем признаки МФ были обнаружены в самых различных процессах, что привело к выводу, что распространение МФ в среде физико-химических процессов носит всеобщий характер.
Техногенные проявления солнечной активности СА.
Впервые сообщение о вспышке на Солнце было опубликовано в 1859. Одновременно и независимо друг от друга Р.Кэррингтон и Р.Ходжсон визуально наблюдали в белом свете на фоне яркой фотосферы блестящую точку, подобную звезде. В течение нескольких часов спонтанно происходили короткие замыкания в телеграфных проводах, наблюдавшиеся как в США, так и в Европе, вызвавшие ряд пожаров. В обоих полушариях Земли были видны полярные сияния на необычайно низких широтах, вплоть до Рима, Гаваны и Гавайев. Воздействие солнечных вспышек на состояние нижних слоев атмосферы отмечал также Г.Вильд в 1882
Важнейшие техногенные влияния СА:
1. Вызывают ионосферные возмущения.
2. Нарушают радиосвязь.
3. Являются источником радиационной опасности для космонавтов и оборудования космических кораблей.
4. Магнитосферные и ионосферные вариации усиливают электромагнитное излучение на частотах 0,001–10 Гц и влияют на навигацию (компасы и радио), кабельную связь (телекс, телефон), работу линий электропередачи, нефтепроводов и газопроводов.
Обнаружение солнечно-земных связей и воздействие на Землю солнечного излучения.
Еще в летописях древних наблюдателей, фиксировавших происходящие события, встречаются упоминания о возможной зависимости между солнечными и земными явлениями. Земные явления проявлялись в виде грандиозных геофизических катастроф (засухи, наводнения, землетрясения, извержения вулканов, полярные сияния, видимые во всей Европе и даже в тропических странах), смертоносных эпидемических заболеваний и массового голода (неурожаи пшеницы или рост цен на нее на биржах). На основании наблюдений солнечных пятен, полярных сияний и колебаний магнитного поля Земли датский астроном Горребов (середина 18 в.) был одним из первых, кто заподозрил зависимость явлений, наблюдаемых на Земле, от количества пятен на Солнце, т.е. от его активности. Предположение о корпускулярном излучении Солнца в конце 19 в. высказал норвежец К.О.Биркеланд. Многие, исходя из наблюдаемой или подозреваемой периодичности разных явлений в земной атмосфере, старались точно восстановить длину периодов и амплитуду колебаний, а потом уже их причину. Из подобных явлений лучше всего исследована предполагаемая приблизительно 35-летняя периодичность попеременно теплых и сухих и холодных и влажных периодов, на которые впервые указал профессор Э.Брюкнер.
Еще в 1912 М.А.Боголепов в книге Колебания климата и историческая жизнь (голод и война ) писал: «электромагнитное состояние Земли имеет прямое действие на растительную и живую жизнь организмов». Он проанализировал русские летописи, в которых нашли отражение наиболее заметные события, и пришел к выводу, что внезапные изменения климата являются проявлением периодических возмущений всей жизни на земном шаре со всем его физическим и органическим миром, что все это передается в том или ином виде жизни человека и выражается экономическими и политическими бедствиями. В наше время нет той безумной формы голода, какая описывается в летописях далекого прошлого, нет набегов азиатских кочевников, но зато появились банкротства, кризисы производства, экономические катастрофы, которые, в свою очередь, также сильно влияют на политическую жизнь народов всей Земли. Безрезультатно искать периодичность в каком-нибудь одном явлении жизни. Только совокупность всех признаков возмущений на земном шаре может обнаружить закономерность явлений: эпоха наибольших возмущений повторяется трижды в столетие, именно: большая часть 3-го десятилетия и первая половина 4-го, с начала 7-го десятка до половины 8-го, все 90-е годы и начало нового столетия.
Дуглас исследовал годичные кольца на пнях дерева Sequoia gigantea. Поскольку один экземпляр из этих тысячелетних гигантов обладал возрастом около 3200 лет, то оказалось возможным проследить величину прироста годичных колец на огромном промежутке времени. Из этих данных Дуглас сделал вывод о существовании колебаний климата, периоды которых являются числами, кратными 11-летнему циклу солнечной активности. Им был также выделен период в 101 год, возможно, соответствующий вековому циклу СА.
Рост деревьев и число солнечных пятен, по исследованиям живых деревьев Англии, Норвегии, Швеции, Германии и Австрии. Кривая роста деревьев имеет большие максимумы вблизи максимумов солнечных пятен, а также более слабые вторичные максимумы, приблизительно посредине между ними. Оба максимума в пределах одного 11-летнего цикла соответствуют ходу кривых общего выпадения осадков, отличающихся той же периодичностью (Дуглас).
Применение статистики для анализа солнечно-земных связей.
Спектральный анализ временных рядов – важнейший метод изучения свойств различных физических, биологических, метеорологических и прочих процессов в природе, для которых есть количественные характеристики в определенные моменты времени. Его цель – разделение временных рядов на различные частотные составляющие. Для этого наблюдаемый ряд данных разлагается в ряд Фурье. Получаемая зависимость амплитуд фурье-гармоник от частоты называется спектром ряда (процесса), а зависимость квадрата амплитуд называют спектром мощности. Анализ этой зависимости позволяет выявить важнейшие периодические закономерности изучаемого явления, провести сравнение с другими процессами и оценить соответствующие корреляции.
Анализ вариаций земных процессов и проявлений солнечной активности, а также сравнение их между собой показывают, что солнечная активность и обусловленные ею возмущения межпланетной среды проявляются во всех оболочках Земли, включая магнитосферу, все слои атмосферы, литосферу, биосферу и даже техносферу.
Эдвард Кононович
