ГЕЛИОГЕОФИЗИЧЕСКИЕ СВЯЗИ влияние Солнца на основные оболочки Земли (магнитосферу, атмосферу, гидросферу и литосферу) существенны для биосферы, техносферы и практической деятельности людей. Солнце и его излучение, в основном, определяет энергетику всех процессов, происходящих в околосолнечном пространстве. Выяснение природы гелиогеофизических связей имеет практическое значение и необходимо для обеспечения безопасности космических полетов, защиты космонавтов и надежности работы аппаратуры как в космосе, так и на Земле. Для земной биосферы, которая, в принципе, надежно защищена от космических излучений, существенно влияние солнечной активности на динамику земных атмосферы и гидросферы, определяющих погодные и климатические явления в различных регионах Земли. (См. АТМОСФЕРА ЗЕМЛИ; ЗЕМЛИ СТРОЕНИЕ)

Наиболее энергичным проявлением солнечной активности (являются спорадически возникающие на Солнце взрывные процессы – вспышки, с которыми связана целая система сопровождающих их геофизических явлений. Во время вспышек на Солнце резко изменяются потоки ионизующего излучения (жесткий ультрафиолет, рентгеновские и гамма лучи), а также проникающее излучение (энергичные элементарные частицы солнечных космических лучей), которые оказывают сильное воздействие на всю атмосферу Земли. Они существенно увеличивают ионизацию ионосферы, вызывают глобальные магнитные возмущения, обуславливают многие геофизические, биологические и прочие явления на Земле.

Вспышка сопровождается мощным излучением электромагнитных волн, выбросом заряженных частиц с энергиями до 1010 эВ (солнечные космические лучи) и выбросом корональной массы. Электромагнитное излучение достигает Земли за 8,5 мин., лучи – менее чем через 1 час, а плазменный выброс достигает Земли спустя 1–2 суток. Электромагнитное излучение вызывает практически одновременные явления, а корпускулярное излучение – запаздывающие явления.

Прохождение излучений через атмосферу Земли. На графике представлен весь электромагнитный спектр Солнца, от ультрафиолетовых длин волн (102 нм) до метровых радиоволн с указанием областей сильного атмосферного поглощения. Радиоспектр обрезается со стороны коротких длин волн из-за поглощения их в земной атмосфере молекулами и атомами кислорода, азота и водяных паров. На метровых волнах излучает корона с Т = 106 К. Ионосфера отражает и не пропускает волны длиннее 30 м.

Ионосферные возмущения. В магнитосфере ближе всего к Земле располагается ионосфера, на высотах примерно от 50 до 1000 км. Внезапное и резкое увеличение энергии ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца в начале вспышки, распространяясь со световой скоростью, через 8 мин 20 с доходит до Земли и вызывает дополнительную ионизацию ионосферных слоев на высотах около 75 км (слой D) и 110 км (слой E). Это приводит к тому, что на всей освещенной Солнцем части земного шара усиливается поглощение радиоволн, особенно в коротковолновом диапазоне и наступает внезапное ухудшение (замирание) и даже прекращение коротковолновой радиосвязи (фейдаут). Одновременно на более длинных волнах слышимость может улучшаться за счет отражения длинных волн от этих слоев (эффект Деллинджера), больше всего эти эффекты проявляются в области полярных широт. Дополнительная ионизация дневной ионосферы приводит к возникновению в ней электрических токов, магнитное действие которых изменяет геомагнитное поле на величину до 50 нТл, при этом в зависимости от направления тока возникает незначительное плавное уменьшение или увеличение общего магнитного поля Земли (магнитное крошé).

Ультранизкочастотная (УНЧ) и низкочастотная (НЧ) части естественного электромагнитного излучения (диапазон длин волн от 750 м до 20 км и частоты от 0,4 до 15 кГц) взаимодействуют с потоком заряженных частиц от Солнца, проникающих во внешнюю часть атмосферы. Этот диапазон лежит в пределах слышимости человеческого уха (16 Гц-20 кГц). УНЧ-излучение генерируется на больших высотах (800–1000 км) и тесно связано с магнитными возмущениями (магнитными бурями и магнитными пульсациями). НЧ-излучение может проходить через ионосферу, достигая межпланетного пространства, его можно использовать для исследования верхних слоев атмосферы. НЧ сигналы распространяются по определенным траекториям, связанным с магнитным полем Земли. Особенностью распространения НЧ-излучения является его канализация, т.е. излучение оказывается запертым в области, расположенной между магнитно- сопряженными пунктами на поверхности Земли. Картина напоминает захват корпускулярного излучения земным магнитным полем (внешний и внутренний радиационные пояса Земли). Подобное распространение НЧ волн связано со свойствами ионизированного газа (плазмы).

Атмосферики – внезапное резкое улучшение слышимости на длинных волнах (ДВ). Часть низкочастотного излучения, вызванная атмосферными электрическими разрядами, воспринимается в форме свистящего звука (свистящие атмосферики). Атмосфериками называют и электрические сигналы, создаваемые радиоволнами, излучаемыми разрядами молний. Вблизи земной поверхности происходит около 100 разрядов молний в 1с, поэтому в любой точке земного шара можно практически непрерывно регистрировать атмосферики. При радиоприеме на слух атмосферики воспринимаются как шорохи или характерные свисты, создающие атмосферные помехи радиоприему. Разряд молнии имеет 2 стадии: предразряд и основной разряд, различающиеся силой тока и спектром излучаемых радиоволн. Основной разряд излучает сверхдлинные волны, а предразряд – длинные, средние и даже короткие волны. Максимум энергии атмосфериков лежит в области частот 4–8 кГц. Если атмосферики создаются местными грозами, то их спектр определяется только спектром излучения грозового разряда. Если же источник – удаленная гроза, то спектр определяется условиями распространения радиоволн от очага грозы до радиоприемного устройства.

Атмосферики свистящие – часть естественного излучения, обусловленная атмосферными электрическими разрядами. Некоторые атмосферики воспринимаются на слух как сигналы, частота которых непрерывно уменьшается, – свистящие атмосферики. Их особенность связана с механизмом распространения сверхдлинных волн. При распространении таких волн в волноводе, образованном нижней границей ионосферы и поверхностью Земли, они частично «просачиваются» через ионосферу и, распространяясь вдоль силовых линий магнитного поля Земли, удаляются от поверхности Земли на десятки тысяч километров и затем снова возвращаются к Земле. Скорость их распространения зависит от частоты, высокочастотные составляющие сигнала распространяются с большей скоростью и приходят раньше. Это и приводит к возникновению характерного свиста на выходе приемного устройства, высота тона свиста непрерывно меняется. Исследования атмосфериков дают сведения о механизме распространения сверхдлинных волн, а также о свойствах самых нижних и очень высоких областей ионосферы, в которых распространяются атмосферики. Для расчетов линий радиосвязи построены специальные карты и номограммы, по которым можно определить уровень атмосфериков в каждой точке Земли.

Коротковолновая (на частотах 1–10 мГц) радиосвязь на большие расстояния обеспечивается многократным отражением сигнала от ионосферного слоя F2 на высоте ~ 300 км, однако временами она ослабляется (замирает) из-за поглощения в ионосферном слое D на высоте ~ 70 км, вызванном увеличением его ионизации после вспышки на Солнце.

Солнце и земной магнетизм. Хотя главное магнитное поле Земли – внутреннего (земного) происхождения, происхождение его незначительной части – внешнее (внеземное), эта часть магнитного поля возникает от электрических токов, текущих в проводящих слоях ионосферы и поверхности Земли. Внешнее поле составляет менее 1% от всего магнитного поля Земли и подвержено ежедневным и ежечасным колебаниям. Именно эти короткопериодические или случайные вариации представляют наибольший интерес для изучения солнечно-земных связей. Непрерывная регистрация H, D и V проводится на всех магнитных обсерваториях при помощи специальных инструментов – магнитографов.

Суточные геомагнитные вариации. Приливные возмущения Солнца и Луны приводят к перемещению заряженных частиц ионосферы относительно силовых линий геомагнитного поля. При этом, согласно законам электромагнитной индукции, возникают электрические токи в ионосфере, магнитные поля которых изменяют напряженность геомагнитного поля. Это изменение поля в магнитно-спокойные дни, когда нет солнечной активности, называется суточной вариацией (Sq). Суточная вариация магнитного поля в возмущенные дни после исключения Sq называется возмущенной суточной вариацией Sd. Анализ Sq вариаций позволяет определить систему электрических токов, текущих над земной поверхностью в ионосфере. (См. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ)

Электрические токи в ионосфере Земли. Система ионосферных токов на высотах около 100 км связана с суточной вариацией магнитного поля Земли (Sq вариация), вызванной солнечными приливами в дневной ионосфере в эпоху минимума солнечных пятен. Земля как бы вращается под этой системой токов. Меридианы проведены с интервалом в один час. Токи выражены в единицах 1000 А на интервал между изолиниями и текут в направлении стрелок.

Магнитное крошé – внезапный импульс в Н-составляющей магнитного поля, появляющийся на магнитограммах станций, находящихся на освещенной Солнцем стороне Земли. Крошé возникает вследствие роста ионосферного тока из-за увеличения проводимости ионосферы, которая вызывается приходом всплеска коротковолнового излучения от солнечной вспышки. Ультрафиолетовое и рентгеновское излучение вспышек достигает земной атмосферы примерно через 8 минут и дополнительно ионизует ее, создавая электрические токи на обращенной к Солнцу стороне ионосферы. Магнитное поле этих токов вызывает магнитное крошé – изменение геомагнитного поля Земли примерно на 50 нТл (нанотеслы). Этот эффект длится около получаса. Внезапные возмущения малой амплитуды обнаруживаются на непрерывных записях всех трех составляющих геомагнитного поля (H, D и V), это подтверждает, что крошé генерируются внезапным увеличением Sq – токов. То, что крошé наблюдается только на освещенном полушарии и одновременно с достаточно интенсивными вспышками, доказывает, что эффект обусловлен их ультрафиолетовым излучением.

Солнечные космические лучи. . Во время наиболее мощных солнечных вспышек возникают потоки энергичных протонов с энергиями от 1 МэВ до 104 МэВ и электронов с энергиями от 2 кэВ до 1 МэВ. В отличие от более энергичных (вплоть до 1015 МэВ) галактических космических лучей, эти потоки называют солнечными космическими лучами. Наиболее энергичные протоны с энергией более 102–103 МэВ, двигаясь со скоростями, близкими к световым, проходят околоземное космическое пространство, где энергия частиц не превышает сотен эВ, и через 10–20 минут после начала видимой вспышки достигают Земли, где могут регистрироваться в течение десятков часов. Попадая в атмосферу Земли, СКЛ на высоких широтах вызывают дополнительную ионизацию ионосферы и нарушение радиосвязи на коротких волнах. Интенсивные потоки СКЛ в межпланетном пространстве – главная опасность для экипажей и оборудования космических лабораторий. Вспышки солнечных космических лучей (протоны с энергиями более 500 МэВ) дают максимальный эффект на уровне Земли через 8–16 ч после начала вспышки, эффект заметно уменьшается через 30–32 ч. (См. СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ)

Эффект Форбуша. Согласно наблюдениям, поток галактических космических лучей в области возмущений солнечного ветра в межпланетном пространстве, вызванных вспышками, значительно уменьшается (до 50%). В атмосфере Земли на высотах 10–20 км уменьшение достигает 25–30%. Это кратковременное явление называют Форбуш-понижением или Форбуш-эффектом. Понижение происходит примерно на сутки и обычно связано с геомагнитной бурей. Эффект вызывается рассеянием ГКЛ на магнитных полях, переносимых солнечными корпускулярными потоками (т.е. солнечным ветром, усиленным вспышками на Солнце). Плотность энергии солнечных облаков достаточно велика, чтобы исказить межпланетное магнитное поле, которое, в свою очередь, сдавливает поток плазмы и образует фронт ударной волны. Такая сжатая область становится отражателем для ГКЛ, но позволяет солнечным протонам легче достичь Земли. Падение уровня ГКЛ ослабляет скорость образования аэрозоля (конгломерат молекулярных соединений, пыль, твердые частицы), определяющего оптическую прозрачность нижней атмосферы, которая из-за этого становится прозрачнее. В результате на широтах выше 60° происходит увеличение притока энергии излучения в видимой области спектра примерно на 76%.

Геомагнитные бури. Сильные понижения (от 100 до нескольких сот нанотесла) Н – компонент магнитного поля, происходящие иногда в средних и низких широтах Земли, вызываются магнитными бурями.

Геомагнитные микропульсации. В геомагнитном поле Земли есть флуктуации с периодами от долей секунды до десятков минут и с амплитудами от десятков долей нанотесла до нескольких сот нанотесла в высоких широтах. Характеристики этих вариаций быстро меняются, а продолжительность их составляет от нескольких минут до часа и более. Микропульсации появляются как при спокойном, так и при возмущенном магнитном поле, однако короткопериодичные пульсации (от 1 с до 150 с) появляются чаще в условиях возмущения и являются предвестниками и началом суббурь. Суббуря представляет собой геомагнитное возмущение длительностью 1–2 часа, проявляющееся в «бухтообразном» падении горизонтальной составляющей геомагнитного поля.

Свечение ночного неба и полярные сияния. Ночное небо слабо светится, в основном, в спектральных линиях кислорода и азота, однако временами возникает яркое и красочное свечение с быстроменяющейся структурой, возникающее на высотах порядка 100–400 км и на геомагнитных широтах 60°–70°. В редких случаях полярные сияния наблюдаются даже на низких широтах. Полярные сияния различаются по форме, цвету и интенсивности, причем все эти характеристики иногда очень быстро меняются во времени.

Видимое излучение, в основном, принадлежит эмиссиям атомарного кислорода (зеленая линия 557,7 нм и красный дублет 630 и 636,4 нм) и полосам ионизованного молекулярного азота 391,4; 427,8 и 522,8 нм (ближняя ультрафиолетовая, фиолетовая и зеленая части спектра). Свечение возникает в результате проникновения ускоренных частиц высоких энергий из хвоста магнитосферы в области овалов полярных сияний.

Полярные сияния – разноцветная световая гамма переменной интенсивности и структуры, наблюдаемая, как правило, в высокоширотных районах Земли. Визуальное полярное сияние содержит зеленую (557,7 нм) и красную (630,0 и 636,4 нм) эмиссионные линии атомарного кислорода и молекулярные полосы N2, которые возбуждаются энергичными частицами солнечного и магнитосферного происхождения. Эти эмиссии обычно высвечиваются на высоте около 100 км и выше. Термин «оптическое полярное сияние» используется для визуальных полярных сияний и их эмиссионного спектра от инфракрасной до ультрафиолетовой области. Энергия излучения в инфракрасной части спектра существенно превосходит энергию видимой области. Частота появления полярных сияний коррелирует с 11-летним солнечным циклом, 27-дневным циклом, временами года и магнитной активностью. Частотой появления называется индекс визуальных полярных сияний. Этот индекс характеризует процент часов или ночей, в течение которых обнаруживаются полярные сияния на ограниченной части небосвода или по всему небу. Более информативным индексом является область охвата. Этот индекс характеризует число полярных сияний, наблюдаемых на небосводе в области зенита в определенном временном интервале. Зона полярных сияний, (зона Фрица, авроральная зона) – область широт максимальной повторяемости полярных сияний по данным наблюдателей в фиксированной точке на поверхности Земли. Зоны располагаются на 67° северной и южной широты, а их ширина составляет около 6°. Максимум появлений полярных сияний, соответствующий данному моменту местного геомагнитного времени, происходит в поясах овалов полярных сияний, которые располагаются асимметрично вокруг северного и южного геомагнитных полюсов. Овал полярных сияний фиксирован в координатах широта – время, а зона полярных сияний является геометрическим местом точек полуночной области овала в координатах широта – долгота. Овальный пояс располагается приблизительно на 23° от геомагнитного полюса в ночном секторе и на 15° в дневном секторе. Расположение овала полярных сияний зависит от геомагнитной активности, при высокой геомагнитной активности он становится шире. Геомагнитные силовые линии на границе дневного сектора овала полярных сияний совпадают с магнитопаузой. Наблюдается изменение положения овала полярных сияний в зависимости от угла между геомагнитной осью и направлением Земля – Солнце. Овал полярных сияний определяется также на основе данных о высыпаниях частиц (электронов и протонов) определенных энергий. Его положение может быть независимо определено по данным о каспах на дневной стороне и в хвосте магнитосферы. Суточная вариация частоты появления полярных сияний имеет максимум в геомагнитную полночь и минимум в геомагнитный полдень. На обращенной к экватору стороне овала частота появления полярных сияний резко уменьшается, но форма суточных вариаций сохраняется. На стороне овала, близкой к полюсам, частота появления полярных сияний уменьшается постепенно и характеризуется сложными суточными изменениями. Переливающееся всеми цветами радуги и причудливо меняющее свою форму полярное сияние – одно из красивейших солнечно-земных явлений, вызванное пульсациями геомагнитного поля и рентгеновского излучения, сопровождающими высыпание частиц солнечного и магнитосферного происхождения.

Солнечные пятна и полярные сияния. Полярные сияния особенно часто наблюдаются через сутки после прохождения больших солнечных пятен через центральный меридиан Солнца. Развитие отдельных полярных сияний и магнитных бурь совпадают.

Проводились эксперименты в ионосфере и магнитосфере по генерации искусственного полярного сияния. Использовались мощные электронные и ионные пучки, существенно меняющие состояние среды (плазмы) и искусственно генерирующие ударные волны. Эксперименты показали, что ускорения частиц, обусловливающие авроральные явления (явления, связанные с полярными сияниями), развиваются на расстояниях более 150 км от Земли.

Энергетический баланс Земли. Энергетический баланс Земли обусловлен притоком энергии, приходящей от Солнца. Его суточные и годичные вариации, связанные соответственно с вращением Земли вокруг своей оси и с обращением Земли вокруг Солнца, приводят к регулярным изменениям погодных явлений. Вместе с тем структура атмосферы и, прежде всего, тропосферы, этой «кухни погоды», при аналогичной поддержке гидросферы постоянно нарушают плавность погодообразующих факторов и вносят иногда приятные, а порой и досадные изменения в течение погодных явлений. На рисунке приводятся среднегодовые значения потоков энергии в системе Солнце – Земля, выраженные в Вт/м2. Левая часть схемы относится к коротковолновому излучению с длинами волн от 0,1 до 4 мкм, справа – для длинноволнового 3–45 мкм. Вертикальные стрелки указывают на уровни, до которых доходят соответствующие потоки, Э – поглощаемые (темные стрелки), а также излучаемые (светлые стрелки). Горизонтальные стрелки означают переход в тепло. Вверху слева – приходящий от Солнца поток 342 Вт/м2. Эллипсы указывают области высот, на которых происходит основное поглощение соответствующих потоков (в стратосфере 12 и 24 Вт/м2, в тропосфере 64 Вт/м2 и 179 Вт/м2). Поток 186 Вт/м2 доходит до поверхности Земли и теряет на отражение 24 Вт/м2. Оставшаяся (наибольшая из всех) часть потока 162 Вт/м2 поглощается подложкой. Поток, отраженный поверхностью Земли (24 Вт/м2), мало вкладывает в суммарное отражение Земли и атмосферы, поскольку в атмосфере преобладает релеевское рассеяние и отражение от облаков. Энергетическое равновесие стратосферы в основном обеспечивается поглощением солнечного ультрафиолета и длинноволновым излучением как вверх (18 Вт/м2), так и вниз (18 Вт/м2). Энергетическое равновесие тропосферы, в первую очередь, зависит от поглощения длинноволнового излучения в атмосфере (эллипсы справа) и также потоков излучения вверх (244 Вт/м2) и вниз (352 Вт/м2). Кроме того, играют роль вклады нерадитивных источников: скрытая теплота испарения (84 Вт/м2) и внутренняя энергия (25 Вт/м2).

Солнце и климат Земли. Климат на Земле определяется, в основном, притоком солнечной энергии, которая определенным образом распределяется по всему земному шару в результате суточного и годичного движений Земли, с учетом наклона ее оси вращения и образования тепловых поясов (холодный, умеренный и жаркий). Если бы на Земле не было ни гор, ни глубоких морей и в любом месте все условия были бы совершенно одинаковы, то единственным фактором изменения было бы изменение инсоляции (освещенность солнечными лучами). Климат на каждой широте был бы одинаков, а погода в каждой точке менялась бы плавно и регулярно.

Устойчивость солнечного воздействия. Для возникновения и поддержания жизни на Земле необходимо, чтобы важнейшие факторы внешних воздействий обладали устойчивостью и менялись достаточно медленно. Гравитационное воздействие Солнца обладает таким постоянством. Общий поток основных видов излучения изменяется незначительно в пределах 3% благодаря малому эксцентриситету земной орбиты, что в итоге обеспечивает стабильность теплового баланса планеты.

Климатические особенности, а следовательно, и погодные аномалии, зависят от местных условий (рельеф, почва, наличие вод, ветровых систем и т.д.), они играют важную роль, поглощая, запасая и перераспределяя солнечную энергию. В зависимости от пределов возможных положений Солнца над горизонтом в течение года, условно принято разделять Земной шар на тепловые пояса: жаркий (между широтами тропиков от –23,5° до +23,5°) и два холодных, в которых северная и южная широты превышают 66,5°. Остальная часть Земли между жаркими и холодными, названа умеренными поясами. Сейчас, пользуясь данными о температуре и количестве поступающей солнечной энергии (радиации), выделяют 13 климатических поясов, которые обычно называют географическими: арктический, антарктический, субарктический, субантарктический, умеренные северный и южный, субтропические северный и южный, тропические северный и южный, субэкваториальные северный и южный, экваториальный. Климатические пояса, зависящие, в основном, от географической широты, хорошо прослеживаются как на суше, так и в океане.

Типы климата. Климат ледниковых покровов господствует в Гренландии и Антарктиде, где средние месячные температуры ниже 0° C. В темное зимнее время года эти регионы совершенно не получают солнечной радиации, хотя там бывают сумерки и полярные сияния. Даже летом солнечные лучи здесь падают на земную поверхность под небольшим углом, что снижает эффективность прогрева.

Субполярный климат проявляется в тундровых районах на северных окраинах Северной Америки и Евразии. В восточной Канаде и Сибири южная граница этого климатического пояса проходит значительно южнее Северного Полярного круга из-за сильно выраженного влияния обширных массивов суши. Это приводит к затяжным и крайне холодным зимам.

Субарктический климат известен как «климат тайги» (по преобладающему типу растительности – хвойным лесам), он охватывает умеренные широты Северного полушария – северные области Северной Америки и Евразии, расположенные непосредственно к югу от субполярного климатического пояса.

Влажный континентальный климат с коротким летом характерен для обширной полосы умеренных широт Северного полушария. В Северной Америке она простирается от прерий на юге центральной Канады до побережья Атлантического океана, а в Евразии охватывает большую часть Восточной Европы и некоторые районы Средней Сибири. Такой же тип климата наблюдается на японском о. Хоккайдо и на юге Дальнего Востока.

Влажный континентальный климат с длинным летом. Температуры воздуха и продолжительность летнего сезона увеличиваются к югу в районах влажного континентального климата. Такой тип климата проявляется в умеренном широтном поясе Северной Америки от восточной части Великих Равнин до атлантического побережья, а в юго-восточной Европе – в низовьях Дуная. Сходные климатические условия выражены также в северо-восточном Китае и центральной Японии.

Морской климат умеренных широт присущ западным побережьям материков, прежде всего, северо-западной Европы, центральной части тихоокеанского побережья Северной Америки, югу Чили, юго-востоку Австралии и Новой Зеландии. На ход температуры воздуха смягчающее влияние оказывают преобладающие западные ветры, дующие с океанов.

Влажный субтропический климат характерен для восточных побережий материков к северу и югу от тропиков. Основные области распространения – юго-восток США, некоторые юго-восточные районы Европы, север Индии и Мьянмы, восточный Китай и южная Япония, северо-восточная Аргентина, Уругвай и юг Бразилии, побережье провинции Квазулу-Натал в ЮАР и восточное побережье Австралии.

Субтропический климат с сухим летом типичен для западных побережий материков к северу и югу от тропиков. В Южной Европе и Северной Африке такие климатические условия характерны для побережий Средиземного моря, что послужило поводом называть этот климат также средиземноморским. Такой же климат в южной Калифорнии, центральных районах Чили, на крайнем юге Африки и в ряде районов на юге Австралии. Во всех этих районах жаркое лето и мягкая зима. Как и во влажных субтропиках, зимой изредка бывают морозы.

Семиаридный (полусухой, или степной) климат умеренных широт характерен преимущественно для внутриматериковых районов, удаленных от океанов (источников влаги) и обычно расположенных в дождевой тени высоких гор. Основные районы с семиаридным климатом – межгорные котловины и Великие Равнины Северной Америки и степи центральной Евразии. Жаркое лето и холодная зима обусловлены внутриматериковым положением в умеренных широтах. Поскольку для развития степной растительности в условиях более высоких температур необходимо большее количество осадков, климатические изменения здесь определяются расположением данного места по географической широте и высоте над уровнем моря.

Аридный (от лат. aridus – сухой) климат умеренных широт присущ главным образом центрально-азиатским пустыням, а на западе США – лишь небольшим участкам в межгорных котловинах. Температуры такие же, как в районах с семиаридным климатом, однако осадков здесь недостаточно для существования сомкнутого естественного растительного покрова и среднегодовое количество осадков обычно не превышает 250 мм. Как и в семиаридных (полусухих) климатических условиях, количество осадков, определяющее аридность, зависит от термического режима. Аридный климат – сухой климат с высокими температурами воздуха, с большими суточными колебаниями и малым количеством атмосферных осадков (100–150 мм/год) или полным их отсутствием, свойственен пустыням и полупустыням.

Семиаридный климат низких широт в основном типичен для окраин тропических пустынь (например, Сахары и пустынь центральной Австралии), где нисходящие потоки воздуха в субтропических зонах высокого давления исключают выпадение осадков. От семиаридного климата умеренных широт этот климат отличается очень жарким летом и теплой зимой. Средние месячные температуры выше 0° С, хотя зимой иногда случаются заморозки, особенно в районах, наиболее удаленных от экватора и расположенных на больших высотах.

Аридный климат низких широт – жаркий сухой климат тропических пустынь, простирающихся вдоль Северного и Южного тропиков и находящихся большую часть года под влиянием субтропических антициклонов. Спасение от изнуряющей летней жары можно найти лишь на побережьях, омываемых холодными океаническими течениями, или в горах. Самые засушливые районы расположены вдоль западных берегов Южной Америки и Африки, где холодные океанические течения препятствуют формированию облаков и выпадению осадков, там часто бывают туманы за счет конденсации влаги в воздухе над более холодной поверхностью океана.

Районы с переменно-влажным тропическим климатом расположены в тропических субширотных поясах, на несколько градусов севернее и южнее экватора. Этот климат называется также муссонным тропическим, так как преобладает в тех частях Южной Азии, которые находятся под влиянием муссонов. Другие районы с таким климатом – тропики Центральной и Южной Америки, Африки и Северной Австралии. Средние летние температуры обычно около +27° С, а зимние – около +21° С. Самый жаркий месяц, как правило, предшествует летнему сезону дождей. В Южной Азии влажный сезон совпадает с летним муссоном, который приносит влагу с Индийского океана, а зимой сюда распространяются континентальные азиатские сухие воздушные массы.

Влажный тропический климат (климат влажных тропических лесов) распространен в экваториальных широтах в бассейнах Амазонки в Южной Америке и Конго в Африке, на полуострове Малакка и на островах Юго-Восточной Азии. Во влажных тропиках средняя температура любого месяца не менее +17° С, обычно средняя месячная температура около +26° С. Как в переменно-влажных тропиках, из-за высокого полуденного стояния Солнца над горизонтом и одинаковой продолжительности дня в течение всего года сезонные колебания температуры невелики. Влажный воздух, облачность и густой растительный покров препятствуют ночному охлаждению и поддерживают максимальные дневные температуры ниже +37° С, более низкие, чем в более высоких широтах. Ежедневно тысячи гроз прокатываются над влажными тропиками, в промежутках между ними светит Солнце.

Механизм воздействия солнечной активности на метеопроцессы. Основная проблема поиска этого механизма – несоизмеримость потока энергии, приходящего к Земле (1024–1025 Вт), с энергетикой тропосферных процессов, мощность которых 1026–1027Вт. Несмотря на это, особенно при учете сезонных изменений, есть значимая корреляция между индексами СА и параметрами тропосферы (температура, давление, активность циклонов и морских течений и т.п. явлений). В качестве возможного механизма воздействия российские астрономы М.И.Пудовкин и О.М.Распопов предлагают считать, что солнечный ветер не является энергетическим источником атмосферных возмущений, но каким-то образом модулирует (регулирует) поступление энергии от какого-либо иного, более мощного источника, а именно – самого Солнца. Тогда модуляция энергии, поступающей в нижнюю атмосферу, должна быть обусловлена изменением ее оптических свойств.

Воздействие Солнца на тропосферные процессы. Тропосфера и гидросфера оказываются важнейшими конечными звеньями процессов переноса энергии в единой системе Солнце – Земля. Для тропосферы вариации энергии солнечных факторов, обусловленные уровнем солнечной активности, незначительны по сравнению с энергетикой собственных тропосферных процессов (различие на 3–4 порядка). Энергия, запасаемая вблизи поверхности Земли, весьма велика. Она складывается из тепловой энергии суши, вод, воздуха, кинетической энергии ветровых, конвективных и турбулентных движений воздушных масс и множества других факторов. В обычных условиях имеет место энергетический и тепловой балансы Земли, который, благодаря парниковому эффекту, создает устойчивые локальные (местные) и климатические аномалии (особенно выделяющиеся в береговых зонах внутренних морей). (См. ЗЕМЛИ СТРОЕНИЕ)

Основным источником динамических и физико-химических процессов, происходящих в земной атмосфере, является излучение Солнца. Вариации внутренних тепловых источников энергии Земли очень малы, а роль техногенных источников энергии также мала. Плотность потока солнечного излучения на границе земной атмосферы (солнечная постоянная), осредненная за многие годы, составляет Sо = 1366,4 Вт/м2. С учетом вращения Земли в среднем за сутки поток на единицу площади поверхности составляет Sср = 342 Вт/м2. Это в 4 раза меньше солнечной постоянной, поскольку так относится площадь поверхности всего земного шара 4pR2 к площади его диаметрального сечения pR2. Все дальнейшие числовые значения приводятся в виде таких же среднесуточных значений.

Тепловой баланс Земли. Поскольку эффективная температура Солнца 5770 К, а эффективная температура Земли 248 К, то, в соответствии с законом Вина, максимум энергии, получаемой Землей от Солнца, приходится на область спектра около 0,43 мкм, в то время как энергия, теряемая Землей на излучение в космическое пространство, сосредоточена в основном в области 10 мкм. Такое различие областей спектра приходящего и уходящего излучения играет существенную роль и облегчает расчет теплового баланса Земли. Для расчета теплового баланса Земли обычно рассматривают две области электромагнитного спектра: коротковолновую (КВ, 0,1–4 мкм) и длинноволновую (ДВ, 3–45 мкм). Эти диапазоны соответствуют основным областям коротковолнового излучения Солнца (КВ) в сине-зеленой области видимого спектра (около 0,4–0,5 мкм) и основному излучению Земли в инфракрасной области около 10 мкм. Тепловой баланс Земли определяется равенством суммарного среднегодового потока энергии коротковолнового излучения Солнца, поглощенного атмосферой и поверхностью Земли (238 Вт/м2), и потока длинноволнового излучения Земли, покидающего планету (238 Вт/м2).

При повышении уровня солнечной активности увеличивается поток электромагнитного излучения в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазоне и количество энергичных частиц (электронов и протонов) с высокой энергией. В результате на Землю поступает дополнительная энергия, выделенная в активных областях солнечной атмосферы (энергетический аспект солнечно-земных связей). Далее происходит перераспределение ранее накопленной энергии в магнитосфере и атмосфере Земли (информационный аспект). Соответствующее перераспределение энергии между различными областями может сопровождаться либо плавным и ритмичным изменением индексов магнитной активности либо скачкообразно, благодаря триггерному (пусковому) механизму, обеспечивающему внезапную реализацию энергии, ранее накопленной в той или иной форме. Кроме того, возможны и другие механизмы неустойчивости, например, клапанный механизм, включающийся при изменении некоторых параметров среды.

Индексы солнечной и геомагнитной активности. Германский любитель астрономии Генрих Швабе, регулярно наблюдавший солнечные пятна с 1826, заметил, что за 30 лет их количество трижды сильно увеличивалось и трижды уменьшалось почти до нуля. Еще раньше изменение числа пятен со временем заметил датский астроном Питер Горребов, наблюдавший пятна на Солнце в 1761–1769 и связавший их появление с наблюдавшимися в то время мощными полярными сияниями. Дальнейшие наблюдения показали, что длительность солнечных циклов заметно меняется и в среднем составляет около 11 лет. Это явление называют 11-летним циклом солнечной активности. В середине 19 в. Иоганн фон Ламонт обнаружил, что с таким же периодом происходит увеличение числа магнитных бурь. Эти открытия положили начало изучению солнечно-земных связей – разделу науки на стыке геофизики и физики Солнца. В настоящее время надежно установлена тесная связь между активными процессами на Солнце и рядом самых различных явлений на Земле, начиная от атмосферных и вплоть до биосферных. Однако для более глубокого их изучения и выявления механизмов воздействия Солнца на Землю необходима количественная, желательно энергетическая, оценка меры солнечных воздействий и земных откликов на них. В качестве такой оценки обычно вводятся специальные индексы – числовые параметры, которые в едином стандарте можно оперативно определить из наблюдений. Затем достаточно длительные ряды значений этих индексов сравниваются друг с другом, и путем математической обработки получаются статистически значимые оценки существования физически обоснованных связей между соответствующими явлениями на Солнце и на Земле.

Среди индексов солнечной активности наиболее популярны числа Вольфа, пропорциональные сумме числа всех наблюдаемых с данным инструментом и в данный день солнечных пятен и удесятеренного числа образованных ими групп пятен. Для приведения к стандартной международной системе чисел Вольфа для каждого наблюдателя нужно определить коэффициент пропорциональности, сравнивая с данными наблюдений на стандартном инструменте.

Значения чисел Вольфа хорошо согласуются с более надежным индексом суммарной площадью, занимаемой всеми пятнами. Для его определения необходимо учитывать перспективное сокращение площадей по мере приближения к краю диска Солнца.

Хорошим индексом также является суммарные площади флоккулов или факелов на Солнце. Более объективной мерой уровня солнечной активности является поток солнечного радиоизлучения на определенной длине волны, например, на длине волны 10 см (соответствующие данные, регулярно публикуются и также характеризуют активность всего диска Солнца).

Для количественной оценки Земного эха солнечных бурь (название книги А.Л.Чижевского, посвященной рассматриваемой проблеме) разработано много различных индексов геомагнитной активности. Наиболее употребительные из них – Кр и Ар вычисляются для средних широт специальной международной службой каждые три часа или в среднем за сутки. Они являются мерой изменчивости геомагнитного поля (а не его напряженности). Индекс «р» означает «планетарный», т.е. индекс, определенный на каждой обсерватории, усредняется по всей планете. Для индекса К разработана особая логарифмическая шкала. Индекс А измеряет диапазон изменчивости индукции геомагнитного поля в единицах нанотесла. Значение Ар порядка нескольких единиц соответствует спокойным условиям, а нуль – исключительно спокойным. Во время очень сильных магнитных бурь Ар-индекс может достигать значений порядка двух-трех сотен. Индекс Кр изменяется от нуля до 9.

Ар и Кр-индексы отражают флуктуации электрического тока в токовых системах средних широт. Для изучения магнитной активности в других регионах вычисляют особые индексы. Таков, например, АЕ-индекс, который определяется каждые пять минут по данным сети высокоширотных (полярных) магнитометрических станций. АЕ-индекс тоже представляет собой меру вариаций геомагнитного поля, но для токовой системы полярной шапки.

Особым индексом является знак полярности межпланетного магнитного поля, определяемый каждые сутки. При невозмущенных условиях он может быть либо отрицательным (силовые линии вне магнитосферы направлены к Солнцу), либо положительным (силовые линии направлены от Солнца). В некоторые дни знак межпланетного магнитного поля может беспорядочно изменяться несколько раз (смешанная полярность, иногда считают, что полярность в такой день нулевая). Устойчивая смена знака, когда на протяжении нескольких суток знак остается неизменным, затем изменяется и таким остается следующие 4–7 суток, соответствует прохождению Земли через границу сектора межпланетного магнитного поля. Надежные данные о полярности межпланетного магнитного поля известны за последние полвека, а индексы магнитной активности за последние полтора столетия.

Различные индексы космической погоды связаны между собой, хотя и по-разному на различных интервалах времени. Сразу после прохождения границы сектора межпланетного магнитного поля индексы Ар и Кр выше, чем перед сменой знака. Магнитные бури с постепенным началом характерны для эпохи спада 11-летнего цикла активности. Магнитные бури с внезапным началом (т.е. резкое возрастание индексов Ар и Кр) следуют только после хромосферных вспышек достаточно большой мощности, характеризуемой баллом вспышки. Балл измеряется площадью и яркостью свечения в красной линии водорода. Если площадь свечения не превышает 250 миллионных долей солнечной полусферы при среднем значении яркости, то вспышке приписывается балл In. Очень яркое свечение на площади 1200 миллионных долей полусферы соответствует баллу 3В. Кроме того, масштабы вспышки измеряются одновременно мощностью всплеска рентгеновского излучения в полосе 0,1–0,8 нм.

Индекс С соответствует слабому рентгеновскому всплеску с потоком энергии >10–6 Вт/м2, индекс М – потоку 10–5 Вт/м2, самым мощным эффектам соответствует индекс X. Но даже вспышке Х5 3В (рентгеновское излучение 5–10–4 Вт/м2, оптический балл 3В) магнитная буря может не сопутствовать: соответствующее облако плазмы может не попасть на Землю из-за того, что мощная вспышка была расположена близко к краю солнечного диска и облако в этом случае пролетит мимо Земли, не задев ее магнитосферу.

Это позволяет различать индексы солнечной активности, которые строятся на основании наблюдений всего солнечного диска, и чисто геофизические индексы магнитной активности и знака межпланетного магнитного поля: первые являются показателями состояния всего солнечного полушария, обращенного к Земле (радиоизлучение на длине волны 10 см – это суммарное излучение всех активных областей); вторые отражают вариации состояния солнечного ветра и межпланетного магнитного поля в относительно узкой зональной области, соответствующей небольшой области на Солнце. Поэтому умеренная солнечная активность в данный интервал времени может сопровождаться повышенной магнитной активностью и наоборот. Главная причина этих различий в изменении углов между плоскостями орбиты Земли (эклиптика) и солнечного экватора. Ежегодно в марте Земля оказывается ниже солнечного экватора на 7°, через полгода (в сентябре) земную магнитосферу обтекает солнечный ветер северного полушария, (Земля проецируется на гелиошироту +7°). В итоге индексы солнечной активности отражают глобальный уровень активности на всем наблюдаемом солнечном полушарии, когда солнечный сигнал быстро переносится в среду обитания коротковолновым излучением Солнца. С другой стороны, индексы магнитной активности измеряются на Земле, на которую воздействие переносится солнечным ветром с запаздыванием на 4–5 суток.

Реже используется суточный планетарный характеристический индекс Cp, вычисляемый на основе суточного Ар-индекса. Его величина меняется от 0 до 0,2. Реже используются его разновидности – индексы С и Ci: С суточная характеристика, получаемая при простом просмотре магнитограмм и может принимать значения 0, 1 или 2. Международный индекс Ci получается усреднением индексов С по данным нескольких обсерваторий.

В 1972 Р.Н.Майо предложил новые индексы, в которых исключены эффекты суточных и годичных вариаций. Он ввел индекс аа (а – от «антиподальный») как среднее трехчасовых К-индексов, преобразованных в амплитуду поля, для двух обсерваторий – антиподов (например, обсерватории Гринвич и Мельбурн). Они располагают данными, начиная с 1867. Индекс аа подобен ар-индексу. Суточный индекс Аа получается из восьми индексов аа. Трехчасовые индексы am и суточные Аm получаются также по данным четырех или пяти групп северных и южных обсерваторий. Майо ввел также индекс Кm, представляющий собой откалиброванный и усовершенствованный индекс Кр, определяемый по данным выгодно расположенных обсерваторий. Однако для изучения длиннопериодичных вариаций индекс аа является наилучшим.

Влияния солнечной активности на метеопроцессы, солнечная активность и температура Земли.

На рисунке сплошной линией нанесены температурные аномалии (отклонения от среднего) для северного полушария Земли. Пунктиром отмечена длительность соответствующих циклов солнечной активности. График показывает, что для северного полушария аномалия температуры обратно пропорциональна длительности цикла СА, т.е. более короткие циклы соответствуют повышению средней температуры на Земле. Хорошо просматривается «вековой цикл» с 1890 по 1975. Однако, как установил Эдуард Брюкнер (немецкий географ и климатолог, известный исследованиями периодических изменений климата), возможно, есть некий метеорологический цикл со средней длительностью 35 лет, что соответствует трем 11-летним циклам. Цикл Брюкнера выражает многолетние колебания климата от холодных и влажных лет к теплым и сухим на протяжении от 20 до 50 лет. В отдельных случаях продолжительность цикла Брюкнера может меняться. Еще в 17 в. этот цикл был замечен в изменениях температуры северо-западной Европы. В конце 19 в. Брюкнер обнаружил, что цикл имеет более широкий планетарный характер и, в частности, установил его в колебаниях уровня Каспийского моря, в ходе осадков, в изменениях ледников ряда горных систем.

Работа Брюкнера выявила возможность существования 33 летнего метеорологического цикла, проявляющегося в смене влажных и холодных режимов. На рисунке показаны триады для всех 22-летних циклов солнечной активности СА. Триады отмечены чертой сверху. Триады чисел Вольфа для циклов 1–22 выделены по характеру монотонности амплитуд максимумов. Они примерно совпадают с метеоциклами Брюкнера, которые лучше всего исследованы. По оси Х – годы, по оси Y – числа Вольфа.

Зависимости барического давления от солнечной активности. На рисунке изображена синоптическая карта распределения изменений приземного атмосферного давления в период превращения зональной формы циркуляции из западной в восточную (по Гирсу). Разности давлений, нанесенные на карту, получены вычитанием изобар для магнито-спокойных дней из изобар для магнито-возмущенных дней. Использованы осредненные данные для 37 магнито-возмущенных периодов и 29 невозмущенных (заведомо спокойных). Карта показывает, что для выбранного преобразования циркуляционных форм изменение давления при наличии солнечных возмущений в определенных районах существенно изменяется.

Возможны три типа влияний солнечной активности на тропосферные процессы

1. Внешний фактор воздействует благодаря своей мощности, превышающей энергию тропосферных процессов. Это грозит катастрофой для всей Земли. Однако реально действующее «Земное эхо солнечных бурь» энергетически несостоятельно даже во время мощных событий СА.

2. Внешний фактор слаб, но он может включить внутренний атмосферный механизм, способный оказать существенное влияние на метеопроцессы (клапанный и триггерный механизмы).

3. Внешний фактор регулирует сток энергии из тропосферы, что влечет за собою погодные аномалии.

Роль солнечной активности СА в нижней атмосфере. Постоянно существующий поток галактических космических лучей (ГКЛ) стимулирует физико-химические реакции, определяя содержание NO в атмосфере. При увеличении СА падает поток ГКЛ (эффект Форбуша), что приводит к уменьшению интенсивности процессов ионизации в атмосфере (на высотах 10–20 км) и способствует конденсации паров воды (выпадению осадков), в конечном счете увеличению прозрачности. Поэтому при росте СА (внешний фактор) возрастает приток энергии от Солнца в нижнюю атмосферу. Одновременно уменьшение содержания NO приведет к возрастанию концентрации O3 и уменьшению прозрачности атмосферы в УФ-диапазоне. При снижении СА поток ГКЛ увеличивается, т.к. эффект экранировки их солнечным ветром уменьшается эффект Форбуша. Интенсивность воздействия ГКЛ на физико-химические реакции атмосферы возрастает. Избыточная концентрация NO2 в стратосфере приводит к дополнительному поглощению солнечной радиации и соответственно к уменьшению потоков радиации в нижнюю атмосферу (вплоть до 6% от величины солнечной постоянной). Может наблюдаться и изменение плотности облачного покрова и содержания водяного пара в атмосфере, что также приводит к изменению прозрачности атмосферы.

Возможен процесс, регулирующий не приток, а сток заметной доли энергии из тропосферы. Тепловой режим приземной атмосферы определяется соотношением скоростей притока и стока энергии, поступающей от Солнца. Основным каналом этого процесса является тепловое инфракрасное излучение (ИК) Земли, которое, в свою очередь, регулируется содержанием паров воды, двуокиси углерода, метана и др.

Роль солнечной активности СА в тропосфере и средней атмосфере. Образование ветровых систем, конвективный режим в тропосфере и обмен тепловой энергией между сушей, воздухом и водной оболочкой – основные факторы СА в динамике тропосферы. Они различны в каждом месте Земли. Изучение их – основная задача метеорологии. При росте СА увеличивается поглощение солнечного УФ излучения на высотах средней атмосферы (50–70 км), что, согласно наблюдениям, может увеличить в ней скорость ветрового режима до 2 раз. Это способствует проникновению широкого спектра атмосферных волн из нижней атмосферы в верхнюю. Волны переносят энергию до высот около 100 км и нагревают слои средней атмосферы. Затем эта энергия сбрасывается из атмосферы в виде ИК излучения молекул СО2, О3, СН4 и др. (в основном, в интервале широт ±50°). Таким образом, часть кинетической энергии нижних слоев атмосферы превращается в излучение.

Влияние галактических космических лучей (ГКЛ) на облачность. Вариации солнечного ветра модулируют потоки ГКЛ, проникающих в среднюю и нижнюю атмосферу Земли и стимулирующих физико-химические реакции, определяя концентрацию NO в атмосфере. Уменьшение содержания NO и NO2 ведет к возрастанию прозрачности атмосферы. ГКЛ оказывают эффективное воздействие на структуру и интенсивность облачного покрова, который образует своеобразный «серый фильтр», препятствующий прохождению солнечных лучей к Земле. Свойства атмосферы резко меняются по вертикали. Прилегающий к Земле слой – тропосфера (в среднем до 15 км) – характеризуется уменьшением температуры с высотой (около 6 К/км). Выше лежит стратосфера, где температура возрастает приблизительно от 200 К в тропопаузе до 280 К в стратопаузе (на высоте 50 км). В мезосфере температура достигает 170–180 К на высоте ~ 85 км (мезопауза). Начиная с 85 км температура атмосферы вновь возрастает вследствие поглощения УФ излучения Солнца. Средний градиент температуры равен 20 К/км до высоты 150 км. Далее рост замедляется и заканчивается на высоте 300 км. Эта область атмосферы называется термосферой и заканчивается термопаузой, которая находится днем на высоте 350–450 км, а ночью опускается до высоты 200–250 км. На высоте около 750 км преобладает атомарный кислород, а на высоте 1500 км – гелий. Разделение газов заканчивается на высоте нескольких тысяч км переходом к водородному составу атмосферы. Чтобы выделить область, в которой столкновения между молекулами не мешают их убеганию за пределы земной атмосферы, вводят термин «экзосфера». Экзосфера начинается выше 700 км. (См. АТМОСФЕРА ЗЕМЛИ).

Согласно различным оценкам, вклад солнечного фактора в общую дисперсию изменчивости метеопроцессов может составлять от 5 до 25%. Для получения таких оценок нужно возмущения соответствующего геофизического параметра (например, термобарического поля) разделить на части, обусловленные внутренними и внешними факторами.