Климат, погода и солнечно – земные связи

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СЕРВИСА И ЭКОНОМИКИ 
 
 
 
 
 
 
 
 

РЕФЕРАТ

по дисциплине

«КОНЦЕПЦИИ  СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ»

по теме: «Климат, погода и солнечно – земные связи» 
 
 

Выполнила:

Студентка 1 курса заочного отделения

Факультет ИТиМЭО

Кафедра 080507.65 «Менеджмент организации»

.

Проверил(а):

Дронов  В.М. 
 
 
 
 

Санкт-Петербург.2010 г.

Содержание

1. Введение……………………………………………………………   3
2. Погодные аномалии начала века……………………………….  3
3. Стандартная модель солнца …………………………………....   4
4. Циклы солнечной активности …………………………………..  4
5. Смена механизма передачи тепла ……………………………… 5
6. Переносчики солнечного влияния………………………………  6
7. Как солнечная активность влияет на климат.............................  6
8. Малый ледниковый период……………………………………..   9
9. Самые холодные зимы в истории……………………………... 11
10. Заключение……………………………………………………… 13
11. Список использованных источников………………………….. 14

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

Наша  Земля купается в океане солнечного света. Световой поток - солнечная постоянная, 0,136 Дж/см2 .с, и наклон земной оси  к плоскости орбиты делают земную погоду жаркой на экваторе, умеренной  в средних широтах, холодной в  приполярных областях. Ею управляет, порой очень решительно, активность звезды, проявления которой - темные пятна  на ее видимом лике (фотосфере), хромосферные вспышки, гигантские выбросы из солнечной  короны и другие сопутствующие явления. Намеки на опосредованное и не всегда заметное влияние солнечной активности появились давно. В 1930-х годах  воздействие Солнца на земную погоду отмечал в своей книге "Земное эхо солнечных бурь" замечательный  провидец, советский физик А. Л. Чижевский. И только совсем недавно, благодаря  наблюдениям со спутников и орбитальных  станций, механизм солнечно-земных связей, управляющий погодой, был раскрыт. Влияние солнечной активности на климат планеты стало вполне очевидным.  

Погодные  аномалии начала века

 Мягкие, щадящие зимы последних лет  неожиданно сменились сильными  холодами и обильными снегопадами  по всему Северному полушарию.  Одними из самых популярных  стали передачи о погоде и  ее аномалиях. Метеорологи не  могли найти причину погодных  срывов в своих изощренных  программах на сверхмощных компьютерах  и беспомощно разводили руками  на экранах телевизоров. Кто  виноват в погодных аномалиях,  что делать и долго ли эта  вакханалия будет продолжаться? Не будучи экстрасенсами, синоптики  лишь успокаивали общественность, обещая скорое потепление и  советуя теплее одеваться. 

В самом  деле, что можно было посоветовать замерзавшим жителям сибирских  и дальневосточных поселков, где  температура зашкаливала за -40°С? Или беспечным европейцам, вязнувшим в снегах на скоростных магистралях? Или деловым американцам, пешком пробиравшимся в офисы через метровые сугробы? А что сказать терпеливым жителям африканских пустынь, изведавшим прелесть наших северных метелей?

Недавние  зимы, кажется, напрочь перевернули  все рассуждения о всемирном  потеплении, парниковом эффекте и  техногенном воздействии на климат. Киотский протокол об ограничении выбросов "парниковых газов" (кстати, так  и не подписанный американцами), наверное, можно забыть. Долгосрочные прогнозы трещат по швам и заставляют искать другие объяснения погодным срывам. А тут еще череда жестоких атлантических  ураганов последних лет (Charlie, Jeanne, Katrina, Rita, Vilma и др.), для которых уже  не хватает милых женских имен, ураганов, ставших проклятием для южных штатов США и стран Карибского бассейна. И столь же свирепые тайфуны Тихого океана, превзошедшие все ранее виденное.  

Стандартная модель солнца

Согласно  стандартной модели, Солнце состоит  из трех зон, отличающихся температурой, плотностью и процессом передачи энергии. Центральная зона - наиболее плотная и нагретая часть звезды (ρцентр = 150 г/см3, Тцентр = 1,5.107 К). Передача тепла к границе зоны происходит за счет слабой конвекции. Это солнечный термоядерный реактор, где в реакциях соединения четырех ядер водорода в ядро гелия выделяется энергия в миллионы раз большая (на единицу массы), чем в химических реакциях горения нефти и газа. Выделяющееся тепло затем проходит через всю звезду и излучается в виде светового потока.

Стандартная модель, отражает внутреннее строение Солнца с высокой точностью. С ее помощью получены радиальные профили плотности, температуры и состава вещества, позволяющие в целом понять внешние проявления светила.

В общих  чертах понятно появление темных пятен, температура которых ниже горячей яркой фотосферы. Темные пятна образуются на всплывающих  магнитных трубках, так как магнитное  поле препятствует теплообмену с  окружающей средой. Солнечная корона, предстающая во всем величии при  полных солнечных затмениях, представляет собой начальный этап солнечного ветра - потока водородно-гелиевой плазмы, которая прорывается сквозь поры фотосферной грануляции и ускоряется по мере ухода от звезды. Почему температура  солнечной короны в сотни раз  выше температуры фотосферы, долго  было мучительной загадкой, которую  сумели разгадать только в последнее  время благодаря наблюдениям  с орбитальных обсерваторий. Солнечные  хромосферные вспышки с выделением энергии, эквивалентной взрыву миллиона атомных бомб, объясняются лишь качественно. О детальной модели, которая позволила  бы предугадать момент и энергию  каждой вспышки, можно только мечтать. И уж совсем загадочно выглядят корональные  дыры, наблюдаемые в рентгеновском  излучении короны, и корональные  выбросы - гигантские облака плазмы, вылетающие в космическое пространство. Все  перечисленные особенности нашей  звезды - ее незлобный, но достаточно строгий  характер - получили название солнечной  активности (СА).  

Циклы солнечной активности

Хорошо  налаженный мониторинг Солнца за последние  полтораста лет и восстановленные  данные прошлых эпох определенно  показывают цикличность солнечной  активности. Наиболее известным и  принятым в научных кругах ее индексом служат числа Вольфа (W), указывающие  количество темных пятен и их групп (активных областей) на солнечном диске. Временная зависимость W(t) показывает, что средняя продолжительность  цикла составляет примерно 11 лет, но наблюдается заметный разброс (от 7 до 15 лет) для отдельных циклов. Также  заметно изменяется, порой в несколько  раз, амплитуда циклов (максимальное значение Wmax). Гармонический анализ показал, что кроме 11-летнего периода  есть еще вековой (порядка 100 лет), ответственный  за изменение амплитуд циклов. На стыке  столетий амплитуды циклов падали: не очень сильно в начале XX века, более заметно - в начале XIX и катастрофически - в конце XVII - начале XVIII века. Последний  период (1640-1720) известен как Маундеровский  минимум. В эти 80 лет практически  была "отменена" цикличность солнечной  активности, на Солнце вместо десятков и сотен в "нормальное" время  порой появлялись только два-три  пятна - и все! В этот же период почти  не наблюдались полярные сияния, а по всей Европе стояли очень холодные зимы. Замерзали каналы, реки, даже Северное море, прогреваемое Гольфстримом и поэтому обычно круглый год открытое для судоходства. Много лет подряд замерзала в Лондоне Темза, и на ее льду устраивались праздничные гуляния. Что-то необычное происходило с Солнцем (точнее - в его внешней конвективной зоне), что определенно влияло на земную погоду.  

Смена механизма передачи тепла 

Темные  пятна на Солнце - результат бурной конвекции горячей плазмы, выносящей  на фотосферу новые, возникшие в  глубине магнитные потоки, образованные, как показал американский физик  Е. Н. Паркер, под действием динамо-механизма. Совместное действие плазменной конвекции  и дифференциального вращения Солнца (неодинакового на разных широтах, наиболее быстрого - период 24 дня - на экваторе) приводит к генерации магнитного поля, закручиванию и запутыванию его силовых  линий и, в конечном итоге, к переориентации общего поля Солнца примерно за 11 лет. А в результате проникновения  частиц солнечного ветра в верхние  слои атмосферы, ионизации и возбуждения  атомов воздуха возникают красочные  полярные сияния. Они появляются в  районе магнитных полюсов, но иногда, во время магнитных бурь, опускаются до средних широт.

Легко предположить, что погодные аномалии последних зим обусловлены вековым  периодом солнечных циклов, который  в наше время сулит повторение того, что наблюдалось в начале предыдущих веков. Видна тенденция  падения амплитуд трех последних  циклов (1976-2006): 21-й цикл - Wmax = 164, 22-й цикл - Wmax = 158, 23-й цикл - Wmax = 120. Амплитуды еще не достигли тех значений, которые они имели на стыке веков (Wmax = 50 - 80), но можно считать это только началом, и спад солнечной активности, скорее всего, продолжится. Если это действительно так, холодные зимы последних лет - не случайный эпизод, а предвестник довольно длительного периода, который может охватить десятки лет (несколько 11-летних циклов). Не исключается даже повторение Маундеровского феномена, изменение процесса передачи тепла в конвективной зоне.

Прошедшая зима показалась столь аномально  неуютной еще и потому, что почти  весь XX век (точнее, с 1930-х годов) циклы  солнечной активности имели высокие  амплитуды (Wmax = 150 - 200), и мы просто забыли, какие суровые зимы бывали раньше.  

Переносчики солнечного влияния 

Темные  пятна сами по себе не отвечают за солнечно-земные связи, они лишь показатели переменности солнечной активности. "Переносчиками  влияния" могут быть материальные потоки, испускаемые звездой, характер и интенсивность которых как-то связаны с параметром W. Это и  солнечный ветер (поток водородно-гелиевой плазмы; ее плотность и скорость зависят от фаз солнечной активности), и выбросы вещества во время солнечных  вспышек, и корональные массовые выбросы (Coronal Mass Ejections, CME) - гигантские облака плазмы, вылетающие из солнечной  короны. Важнейший погодный фактор - от образования корональных массовых выбросов до высыпания в атмосферу  потоков частиц захваченной радиации, - отражающий влияние солнечной активности, пока не учитывается в расчетных  моделях. Сейчас, когда стало ясно, что его надо ввести в модели, трудно оценить, насколько он изменит  качество прогнозов погоды. Пока известна только общая схема механизма  солнечно-земной связи, и нужны детальные  исследования всех его звеньев. Но уже  тот факт, что увеличение числа  корональных массовых выбросов в 23-й  цикле совпало с аномалиями земной погоды, свидетельствует, что она  управляется солнечной активностью. Экскурсы в прошлое - Маундеровский  минимум, начало XIX и XX веков - дают дополнительную уверенность в правоте сделанных  предположений, несмотря на неполноту  наблюдательных данных. За Солнцем  стали внимательно следить только с появлением спутников (с 1970-х годов); связь его активности с земной погодой долгое время не получала подтверждения и просто отвергалась. Сейчас появилась возможность эту  связь учитывать. 

Как солнечная активность влияет на климат

В ходе солнечных циклов, энергия, испускаемая  Солнцем, меняется в относительных  величинах совсем незначительно  – в пределах 0,1%. Однако, обобщив  данные наблюдений за более чем 100 последних  лет, группа ученых под руководством Джеральда Меля (Gerald Meehl) показала, что  на климате нашей планеты это  сказывается довольно радикальным  образом. Ученые обнаружили ясную взаимосвязь  между солнечными циклами, поведением нашей стратосферы и погодой  в тропических широтах Тихого океана, которая, в свою очередь, во многом определяет погоду и в остальных  частях Земли.

В ходе своего исследования ученые рассматривали  связь между, на первый взгляд, совершенно несвязанными вещами: солнечной активностью, химическим составом стратосферы и  температурой поверхности воды в  тропических широтах Тихого океана. Оказалось, что стратосфера и  вода реагируют на рост активности Солнца таким образом, что усиливают  его воздействие на климат Земли.

Для начала ученым удалось подтвердить уже  известную гипотезу о том, что  небольшой рост величины падающей на Землю солнечной энергии, который  наблюдается в периоды максимума  солнечной активности, приводит к  тому, что находящийся в стратосфере  озон поглощает этой энергии больше. Это дополнительно разогревает  верхние слои атмосферы, что стимулирует  синтез новых молекул озона, которые  поглощают еще больше энергии  излучения Солнца. Особенно интенсивно этот процесс идет именно в тропических  широтах, куда солнечные лучи падают под более прямым углом. Земная стратосфера  прогревается неравномерно, что вызывает усиление и изменение направлений  ветров в ней.

В то же время, даже сравнительно слабое усиление солнечного излучения подогревает  поверхностные воды океана. Это также  более сказывается на тропических  широтах, где затеняющие облака появляются реже, чем на высоких широтах. Это, пускай и небольшое, повышение температуры  приводит к росту интенсивности  испарения воды, насыщая атмосферу  влагой и охлаждая сам океан (напомним, что испарение сопровождается снижением  температуры). Она уносится ветрами к дождливым областям тропиков, делая их еще более дождливыми.

«Воздействие  сверху», которое оказывает на климат стратосфера, и «воздействие снизу», со стороны океанских вод, работают одновременно. По оценке ученых, эффект от солнечного максимума сказывается  на земном климате еще год-два  после него. Возможно, он участвует  и в появлении таких глобальных явлений, как Эль-Ниньо и Ла-Нинья. По крайней мере, необычно сильная  температурная аномалия Ла-Нинья 1988-1989 гг. пришлась почти точно на период максимума солнечной активности и сказалась на погоде практически  на всем земном шаре – в частности, на юго-западе США зима была необычно мягкой и сухой.