Зимние потепления в стратосфере и солнечная активность

Более чем сто лет назад начались исследования, посвященные установлению связей между изменениями солнечной активности и атмосферными процессами и погодой. Поиски велись и ведутся в эпохальном, годовом и многодневном аспектах. Немало авторов продолжают искать непосредственные, почти мгновенные связи между активностью Солнца и изменениями погоды.

Сопоставляются числа Вольфа, хромосферные вспышки, изменения площадей солнечных пятен и радиоизлучение Солнца с интенсивностью атмосферных вихрей, усилением меридиональной циркуляции атмосферы л холодными вторжениями, а также с изменениями приземного и высотного полей давления, метеорологических элементов и циркуляции в отдельных районах и даже в тех или иных точках земного шара.

Некоторые авторы, утверждая существование солнечно-земных связей, приводят в доказательство отдельные случаи резких повышений температуры, наблюдавшиеся в стратосфере после интенсивных процессов на Солнце. Например, в работе находим утверждение о том, что потепления в стратосфере тесно связаны с увеличением площади солнечных пятен.

Стратосферные потепления связывают и с увеличением геомагнитной активности. В этом отношении интересно остановиться на результатах двух исследований, выполненных примерно на одном и том же материале наблюдений и содержащих диаметрально противоположные выводы.

В. Миронович с помощью метода наложения эпох исследовал ход геомагнитного индекса С_і в периоды 11 стратосферных потеплений по датам, опубликованным в работе. Приняв начальный день потепления за нулевой, автор вычислил среднее значение С_і X10 для этого дня, а также для каждого из пяти дней, предшествующих началу потепления, и пяти дней, следующих за ним (табл. 24).

Судя по данным таблицы, в период, предшествующий потеплению, магнитная активность заметно возрастает и через сутки после начала потепления достигает максимума. На основе полученных результатов автор пришел к выводу, что между зимними стратосферными потеплениями и солнечной активностью существует строгая стохастическая связь, и предложил гипотезу, связывающую возникновение потеплений с появлением плотной солнечной струи, достаточно концентрированной, чтобы нагреть только определенную часть атмосферы.

Однако исследованиями Т. X. Геохланян эти выводы не подтвердились. Применив тот же метод наложения эпох в этой работе был изучен ход геомагнитного индекса К_р в периоды стратосферных потеплений над Арктикой в 1958—1964 гг., опубликованные в работе.

Этот индекс, так же как и С_і, характеризует степень возмущенности магнитного поля. Различие между К_р и С_і состоит лишь в том, что первый из них представляет возмущенность магнитного поля за трехчасовые интервалы, а второй —- в целом за день. Вычисленные средние значения К_р представлены в табл. 24.

Таб. 24. Средние значения геомагнитных индексов С_і и К_р в дни до и после стратосферного потепления

Здесь же для сравнения приведены средние значения индекса Кр, полученные по тем же датам, что и С_і. Сопоставление показывает, что ход их в обоих случаях не аналогичен. Хотя, казалось бы, при существовании прямой связи между потеплениями и солнечной активностью эта связь должна была бы прослеживаться независимо ни от числа рассматриваемых случаев, ни от времени или места их наблюдения.

Это еще раз указывает на сложность процессов значительных повышений температуры в стратосфере, а главное, на сложность взаимосвязи между процессами на Солнце и в нижнем слое атмосферы Земли.

Не останавливаясь на результатах исследований других авторов, заметим, что в настоящее время многие придерживаются мнения, что корпускулярные потоки из активных областей Солнца являются главными факторами геомагнитного возмущения земной атмосферы. Например, по Э. Р. Мустелю, на атмосферу Земли действуют те корпускулярные потоки, которые извергаются на экваторе.

Как правило, исследователи гелиометеорологических связей ограничиваются сопоставлением хода изменений солнечных и погодных факторов в отдельные периоды времени, оставляя в стороне вопрос о природе такой связи. Более того, еще совершенно неизвестен характер взаимодействия между процессами в термосфере и мезосфере, как и между мезосферой и нижерасположенными сферами, не говоря уже о связи их с тропосферными процессами и погодой.

Изменения солнечной активности, очевидно, должны отражаться на процессах и явлениях в высоких слоях атмосферы и прежде всего в ионосфере, так как огромное количество солнечной энергии, а также космической проникает именно в ионосферу. В стратосферу и тем более в тропосферу проникает лишь ничтожная ее часть. Поэтому многие попытки изучения солнечно-тропосферных связей пока не привели к положительным результатам.

Возможно, что сказанное нельзя отнести к гелиометеорологическим связям в многолетнем выражении. Интересны и связи, устанавливаемые между активностью Солнца и биофизическими факторами. Не касаясь широкого круга всех этих вопросов, ограничимся результатами исследования непосредственных связей между изменениями солнечной активности и полем температуры в стратосфере и прежде всего зимними стратосферными потеплениями, полученными в работе.

Учитывая сложность влияния солнечной активности на атмосферные процессы, не следует проводить прямые сопоставления между различными характеристиками этой активности и метеорологическими параметрами, как это делается на протяжении ряда лет многими исследователями. Последние, кстати сказать, выбирают не только короткие периоды времени, но и небольшие районы Земли и даже отдельные точки, хотя абсурдность подобных исследований вне всякого сомнения.

Приведенные ниже сопоставления характеристик солнечной активности и изменений температуры в стратосфере северного полушария показали несостоятельность поисков прямых связей между различными по существу процессами.

В работе поиски солнечно-земных связей проводились по материалам ежедневных наблюдений в течение трех холодных полугодий (октябрь—март) — 1957/58, 1962/63, 1963/64 гг. Именно эти зимние полугодия были выбраны для того, чтобы сопоставить изменения температуры в стратосфере с изменениями солнечной активности в периоды максимума (1958 г.) и минимума (1964 г.). Кроме того, процессы в январе 1958 и 1963 гг. характеризовались весьма крупными изменениями полей температуры и циркуляции в стратосфере.

Для характеристики солнечной активности использованы относительные числа пятен (числа Вольфа) за каждый день (W), суммарная площадь их в миллионных долях полусферы Солнца (S), числа хромосферных вспышек и другие показатели изменения активности Солнца.

На рис. 91 и 92 представлены хромосферные вспышки (С), кривые изменения числа пятен (W), площади их (S) и изменения температуры воздуха в средней стратосфере. Вследствие того что графически трудно изобразить изменения температуры на всем полушарии, были выбраны пять пунктов, расположенных в высоких и средних широтах северного полушария: Юрика (80°00'N, 85° 56' W), Коцебу (66° 52' N, 162° 38'W), Шатору-Деоль (46° 52'N, 01°44'Е), Осан (37° 06'N, 127° 02'Е) и Питсбург (40°30' N, 80°13'W).

Рис. 91. Изменение солнечной активности и температуры воздуха в стратосфере в октябре—марте 1963—1964 гг. 1 — числа Вольфа (W), 2 — площадь пятен (S); температура воздуха на станциях: 3 — Юрика, 4 — Коцебу, 5 — Шатору-Деоль, 6 — Осан, 7 — Питсбург

Рис. 92. Изменение солнечной активности температуры воздуха в средней стратосфере в 1957—1958 гг. Уел. обозначения см. рис. 91

Эти пункты характеризуют средние условия поля температуры в нижней и средней стратосфере. Климатические различия на графиках выражены общими особенностями температурного режима каждой станции. Изменения температуры и чисел W и S представлены по скользящим пятидневкам.

Перед тем как перейти к анализу кривых, заметим, что в год большой активности Солнца (1957/58 г.) суточное максимальное число пятен превышало 500, а площадь, занимаемая ими, в отдельные дни составляла 8000 единиц. В период малоактивных процессов на Солнце (1963/64 г.) максимальное число пятен едва достигало 90, а площадь их — 800 единиц.

Сопоставляя кривые, изображенные на рис. 91 и 92 легко видеть, что изменение ежедневных значений чисел пятен и их площадей характеризуется некоторой периодичностью, тогда как в ходе температурных кривых такой периодичности нет.

На основе сравнения в отдельные периоды значений W и S соответствующих им участков температурных кривых можно прийти к выводу о том, что в периоды усиления солнечной активности температура воздуха в стратосфере изменяется по-разному (она может повышаться или понижаться, оставаться без изменения или испытывать мелкие колебания).

На рис. 91 (октябрь 1963 г. — март 1964 г.) можно выделить пять-шесть более или менее интенсивных периодов пятнообразования. Наиболее крупный из них отмечен 19 октября — 6 ноября 1963 г., когда число пятен достигало 80, а их площадь — 880 единиц. Однако суточные колебания температуры в этот период были невелики, на станциях Юрика, Осан и Питсбург в течение нескольких суток они не превышали 4—8°. На ст. Шатору-Деоль температура понизилась от —49 до —59°, а на ст. Коцебу она сначала повысилась за четверо суток на 9°, а затем понизилась за восемь суток на 14°.

Повышенная активность Солнца наблюдалась и в период 15 ноября— 13 декабря 1963 г. Максимальное число пятен в этом периоде составило 62, а площадь — 480 млн. долей полусферы Солнца. Как и в предыдущем периоде, температура воздуха в разных частях полушария изменялась различно.

Ноябрь, как обычно, характеризовался постепенным охлаждением воздуха в высоких широтах, а в декабре, когда активность солнечных процессов стала уменьшаться, температура воздуха сначала на ст. Коцебу, а затем на ст. Юрика повысилась. В то же время в умеренных широтах (станции Питсбург и Шатору-Деоль) температура понизилась, а на ст. Осан, наоборот, повысилась.

Более резкие различия между процессами пятнообразования на Солнце и температурой воздуха в стратосфере наблюдались в конце декабря 1963 г. — в феврале 1964 г., хотя процессы на Солнце в этот период отличались особенно малой активностью. В течение целого ряда дней пятна на нем отсутствовали (более 20 суток) или число их не превышало одного-двух десятков (более 30 суток).

Хромосферные вспышки также наблюдались редко: во второй половине декабря 1963 г. всего 2 раза, в январе 5 раз, в феврале 6 раз. Все они характеризовались небольшой интенсивностью. Мощность их в условной 8-балльной шкале была зашифрована «1» и только однажды (22 января) «2».

Что же касается температуры воздуха в стратосфере, то именно в этот период она изменялась наиболее резко. На ст. Коцебу с 24 декабря до 14 января произошло значительное потепление — на 24°, на ст. Юрика с 27 декабря 1963 г. до 7 января 1964 г. — на 21°, на ст. Шатору- Деоль с 31 декабря до 5 января — на 31°, на ст. Питсбург с 5 до 8 января — на 15°, а с 11 до 15 января — на 25° и только на ст. Осан колебания температуры воздуха не превышали 10°.

В непосредственной близости к году минимальной солнечной активности находился 1963 г. Число пятен на поверхности Солнца, непрерывно уменьшаясь, к январю этого года понизилось до 30— 40 и только 3 января превысило 50.

Хромосферные вспышки отмечались всего лишь 2 раза и были слабыми. Несмотря на это, в стратосфере высоких широт произошло одно из наиболее крупных в течение последних 10 лет потеплений с не менее крупными преобразованиями циркуляции. Температура воздуха в период с 10 по 26 января на ст. Юрика повысилась на 75°, что равно в среднем 4,7° в сутки. Максимальное повышение температуры произошло в течение суток 22—23 января и составило 34°. На ст. Коцебу потепление охватило период 20—28 января и достигло 44°, что составляет в среднем за сутки 5,5°.

Причины этого значительного потепления рассмотрены в ряде работ. Вкратце они сводятся к усилению макротурбулентности в тропосфере, сопровождающейся развитием циклоничности на западе Атлантического и Тихого океанов и в прилегающих районах материков. Как показали расчеты, макротурбулентность, усилившаяся в тропосфере, распространилась в высокие слои и обусловила аномалию температуры и циркуляции.

Большое по интенсивности потепление в стратосфере наблюдалось и в январе 1958 г. — в год наибольшей активности Солнца (рис. 92). На высотах 23—25 км в Канадском секторе Арктики температура воздуха с 14 января до середины февраля повысилась на 41°. Высокая температура (до —26°) наблюдалась над Западной Европой (Шатору-Деоль). Здесь за девять суток температура воздуха повысилась на 35°.

Между тем, как следует из данных рис. 92, наиболее активный процесс пятнообразования, начавшийся 10 декабря, закончился 2 января. Хромосферные вспышки, наблюдавшиеся в период 23—26 января, по-видимому, также не могли явиться причиной повышения температуры, так как были зафиксированы уже после начала потепления.

Следовательно, зимние потепления в стратосфере высоких широт за последние семь-восемь лет наблюдались как в годы большой активности Солнца (1957/58), так и в годы спокойного его состояния (1963/64). Приведенные сведения о наиболее значительных зимних потеплениях в высоких широтах северного полушария за последние 10 лет показывают, что они происходили ежегодно и даже несколько раз в холодное полугодие независимо от большей или меньшей активности процессов на Солнце.

Большие потепления в стратосфере наблюдались и в начале шестидесятых годов. Зима 1963/64 г. также отличалась частыми существенными изменениями температуры и циркуляции в стратосфере высоких и средних широт. Одно из них осуществилось в декабре 1963 г. в районе Великих озер — Ньюфаундленда, где 12 - 22 декабря на высотах 24—30 км температура воздуха повысилась на 30—35° (от —60, —65° до —27, —30°).

Крупное потепление произошло также между 19 февраля и 3 марта 1964 г. в слое 23—30 км, когда температура воздуха в Западной Арктике повысилась на 25—35° и область с максимальными температурами —25, —40° сохранялась в центре Арктики до конца этого месяца. Интенсивные зимние потепления в высоких широтах наблюдались и в последующие годы без какой-либо связи с солнечной активностью.

Малые колебания активности Солнца и температуры в стратосфере в работе авторами не рассматривались. Известно, что на основе анализа малых величин колебаний трудно или почти невозможно объективно получить убедительные выводы о характере сопоставляемых связей, так как всегда с допуском небольших сдвигов фаз можно сделать как положительные, так и отрицательные выводы. Так как связь между солнечной активностью и изменениями температуры в стратосфере не относится к числу прямых и простых связей, это заставило рассматривать наиболее крупные, почти аномальные процессы.

Таким образом, сопоставление факторов, указывающих на изменение активности Солнца, в том числе и радиоизлучения, со значительными изменениями температуры, происшедшими В ВЫСОКИХ и средних широтах стратосферы в холодные месяцы 1957— 1965 гг., не позволили сделать вывод о существовании между ними синхронной связи.

Более того, учитывая высказывания отдельных авторов о запаздывании воздействия Солнца на атмосферные процессы в пределах 1—7 суток, были проведены сопоставления процессов на Солнце и в атмосфере Земли. Однако и с этими допусками прямая связь не была обнаружена.

Если даже предположить, что изменения солнечной активности непосредственно отражаются на атмосферной циркуляции и погоде, то и в этом случае связь между ними установить трудно. Ведь при каждом изменении солнечной активности атмосферные процессы на земном шаре обычно сильно отличаются друг от друга.

Следовательно, при изменении солнечной активности различные начальные условия атмосферной циркуляции и погоды должны привести к различным последствиям. И в этом, очевидно, следует искать причину весьма скромных результатов в поисках непосредственных связей между изменениями солнечной активности и процессами в тропосфере.

В течение уже многих лет исследователи пытаются показать связь солнечной активности с ледовитостью арктических морей, с усилением циклонической деятельности и интенсивности атмосферной циркуляции, с изменением форм циркуляции или с усилением меридиональности процессов в тропосфере.

При этом изменения активности Солнца обычно сопоставляются с вторжениями холодных масс воздуха из Арктики в умеренную зону, которые осуществляются при меридиональных преобразованиях полей давления и циркуляции. Подобные сопоставления обычно проводились визуально, что не могло не отразиться на объективности полученных результатов.

Поэтому мы попытались получить объективные данные об ослаблении и усилении меридиональных процессов в тропосфере в связи с изменениями солнечной активности. При этом для количественной характеристики меридиональности использовался способ оценки ее, предложенный в работе.

Формулы для определения индексов зональной I_з и меридиональной I_м циркуляции приведены в главе пятой. В результате вычислений были получены величины I_з и I_м для северного полушария и отдельных его районов на уровне моря и различных высот, а также вычислены скользящие пятидневные значения индекса I_м для трех районов северного полушария на поверхности 500 мб, отражающей характер циркуляции в тропосфере и нижней стратосфере.

Рис. 94. Изменение солнечной активности и величин индекса меридиональной циркуляции I_м на поверхности 500 мб в холодное полугодие 1962/63 г. Усл. обозначения см. рис. 93

Полученные величины были сопоставлены с пятидневными скользящими значениями чисел Вольфа W и площадью пятен S (рис. 93 и 94). На рис. 93 показана связь этих величин на примере зимы 1957/58 г., т. е. года максимальной активности Солнца, а на втором — на примере холодного полугодия 1962/63 г., т. е. года, близкого к году спокойного Солнца. Ход кривых не позволяет установить какую-либо связь между показателями солнечной активности и степенью меридиональности процессов в тропосфере и нижней стратосфере.

Приведенные здесь графики еще раз подтверждают вывод о том, что с целью поисков солнечно-погодных связей нельзя проводить непосредственные сопоставления изменений солнечной активности и атмосферных процессов. Солнечно-погодные связи слишком сложны и поэтому применяющиеся методы прямых сопоставлений не могут привести к убедительным результатам.