3.3. Атмосфера

Солнце, таким образом, оказывает заметное воздействие на магнитную оболочку Земли. А как обстоит дело с окутывающей Землю атмосферой? Несомненно, Солнце должно действовать и на нее тоже. В последние годы поразительно вырос интерес к изменениям климата на Земле, причинам климатических изменений и прогнозу будущих тенденций изменения климата. Хотя в общем-то является общепринятым то, что астрономические факторы могут оказывать заметное влияние на климат, нет какого-либо определенного доказательства того, что какое-нибудь отдельное климатическое "событие" в прошлом, такое, например, как эпоха оледенения, может быть приписано астрономическим факторам. Одна из трудностей связана с тем, что хорошие данные о явлениях на Солнце у нас имеются всего лишь за последние три столетия, а тщательные измерения светимости Солнца охватывают менее одного столетия. Эти периоды времени слишком малы по сравнению с характерным временем климатических изменений на Земле, которое, по-видимому, характеризуется более длительными (несколько столетий) промежутками. Следовательно, для того, чтобы охватить данными достаточно продолжительный период, мы должны опираться на информацию о климате и об астрономических явлениях, полученную еще в те времена, когда инструментов для наблюдений не существовало. Мне, как астроному и неклиматологу, казалось, что получить достаточно надежную информацию о характеристиках как климата, так и Солнца за прошедший период трудно, хотя я никоим образом не хочу этим сказать, будто достижения в наших знаниях о Солнце и климате не были впечатляющими. Нет никакого сомнения в том, что климат менялся и продолжает меняться. Геологи отождествили несколько ледниковых периодов за последние 3 миллиона лет, в течение которых толстый слой льда покрывал значительную часть континентов. По геологической шкале времени лед отступил лишь недавно. Но причина ледниковых периодов вес еще представляет собой предмет значительных разногласий, и мы не знаем, имеет ли орошение к этой проблеме влияние космоса или Солнца.

Свидетельства отсутствия солнечной активности в XVII веке в период Маундеровского минимума очень убедительны и основаны на исторических записях. В 1960-х годах появился новый метод исследования солнечных вариаций в прошлом вплоть до нескольких тысяч лет назад. В его основе лежит метод измерения количества радиоактивного углерода в старых деревьях.

Радиоактивный углерод, или углерод-14, образуется в "верхней части атмосферы Земли, там, где в атмосферу вторгаются пришедшие из дальнего космоса высокоэнергичные заряженные частицы. Когда Солнце активно и нл нем много пятен, оно имеет протяженное магнитное поле. Это поле защищает внутреннюю Солнечную систему от высокоэнергичных космических лучей. Когда же Солнце спокойно, его магнитное поле обеспечивает худшую защиту. Тогда на планету попадает больше высокоэнергичных частиц и в верхней части атмосферы образуется больше углеоода-14. Этот изотоп углерода имеет период полураспада 5730 лет, так что, если он где-либо был изолирован и накоплен (например, в древесине), можно определить, сколько углерода-14 было там вначале, при условии что он был захвачен не более нескольких тысяч лет назад.

Углерод-14 накапливается в деревьях. Рост растений определяется тем, что они поглощают из атмосферы двуокись углерода и под воздействием солнечного света образуют клетчатку (в состав молекул которой входят многочисленные атомы углерода) в виде вновь нарастающей древесины. Эта клетчатка откладывается каждый год внутри дерева в виде колец, содержащих небольшое количество углерода-14, поглощенного вместе с обычным углеродом.

Деревья-долгожители, такие, например, как известные секвойи, могут таким образом вести солнечную летопись в течение нескольких тысяч лет.

У этого метода существуют и ограничения. В конечном счете запись постепенно стирается за счет естественного распада углерода-14, так что на практике по кольцам деревьев можно собрать данные лишь за последние 7500 лет. Более серьезной проблемой является то, что углерод-14 образуется в верхней части атмосферы, в то время как деревья растут внизу. Поэтому циркуляция радиоуглерода очень сложна. В частности, поглощение и растворение радиоуглерода в океанах сглаживают изменения содержания радиоуглерода за периоды меньше двадцати лет. В результате этого нет никаких четких признаков того, что по данным о радиоуглероде можно проследить солнечный одиннадцатилетний цикл. Большим триумфом метода, однако, было то, что измерения оадиоуглерода отчетливо выявили минимум Маундера, так же как и ранее подозревавшийся период отсутствия активности в 1450-1540 годах н. э. и период заметной активности в XX веке. Основные изменения, продолжающиеся в течение.нескольких солнечных циклов, в том-числе и в течение тех периодов, когда исторические записи неопределенны, по-видимому, будут зафиксированы радиоактивной летописью в деревьях, поэтому попытка прочитать эту летопись за период, предшествующий тому времени, когда существуют и свидетельства в виде исторических записей, возможно, имеет смысл.

Одной из особенностей, сразу же выявляющейся при исследовании 7500-летнего периода, является эффект медленно меняющегося магнитного поля Земли, поведение которого за последние годы известно нам из исследований намагниченных горных пород. Когда плавное изменение, обусловленное этим, учтено, данные об углероде выявляют ряд других поразительных событий. Эти события могут ввести нас в заблуждение или оказаться ложными вследствие несовершенства данных, но могут быть и регистрацией изменений солнечной активности. С некоторой осторожностью будем предполагать, что они действительно обусловлены изменяющимся Солнцем.

Джон Эдди отождествил 18 случаев в прошлом, когда Солнце было или спокойнее, или более активно, чем обычно, и построил график, на котором показал изменения Солнца вплоть до 5500 года до н. э. Наиболее заметная особенность этой кривой связана с тем, что в последнем столетии наблюдается подъем на гребень новой волны солнечной активности. По сравнению со значительно более длительным периодом в тысячи лет сегодняшний уровень солнечной активности, судя по числу солнечных пятен, протяженности короны, полярных сияний к вспышек, может быть необычно интенсивным. К тому же и в данных содержится смутный (не более!) намек на то, что существует цикл солнечной активности с периодом около 2500 лет.

Теперь зададим себе вопрос, связаны ли изменения солнечной активности, зафиксированные кольцами деревьев, с изменениями нашего климата? Если взять исторические данные, то обращает на себя внимание тот факт, что последние два минимума солнечной активности, имевшие место в XV и XVII столетиях, совпадают с периодами продолжительной чрезвычайно холодной погоды. Этот длительный период ужасной погоды часто называют Малым ледниковым периодом. Несомненно, этот период был исключительно холодным, согласно записям по меньшей мере за прошедшие 3000 лет и совпадал с удивительно спокойным Солнцем. В XVII векe Балтийское море зимой полностью замерзало. В течение многих лет европейские реки покрывались толстым льдом, и на льду Темзы в Лондоне устраивались празднества. Рост населения прекратился, как только холодные объятия зимы нанесли непоправимый урон сельскому хозяйству. Во время Малого ледникового периода среднегодовая температура в Англии (стране, для которой существуют наилучшие данные о температуре) была примерно на 1 градус Цельсия холоднее нормальной. Отметим, что удивительно-малое изменение оказывает очень сильное воздействие, если оно продолжается непрерывно в течение десятилетий или столетий. В продолжение XV и XVII веков во всем северном полушарии Земли температура неизменно была ниже нормальной на 0,5-1 градус Цельсия.

Обратившись к периоду, более чем на несколько сотен лет предшествовавшему нашему, климатологи просмотрели записи о недавних флуктуациях протяженности ледников как в Европейских Альпах, так и во всем мире. При сопоставлении информации о продвижении льда с регистрацией солнечной активности по радиоуглероду было отмечено их хорошее соответствие друг другу. Найдено, что в те периоды, когда солнечная активность замедляет продвижение льда и когда Солнце слегка сердится (как это происходит в настоящее время), ледники отступают назад на горные склоны. Записи о поведении ледников также указывают на возможный 2500-летний цикл в солнечной активности. Корреляция на первый взгляд поразительная, но требует для своего подтверждения дополнительных данных.

Столь осторожные исследователи, как Эдди, справедливо указали на то, что мы можем прийти к неправильному заключению. Если флуктуации климата каким-то образом регулируют количество находящегося повсюду в атмосфере углерода-14, корреляция какой-либо характеристики климата (как, например, протяженности ледников) с углеродом-14 обязательно будет наблюдаться независимо от того, какова причина этой корреляции. Именно поэтому столь и важны исторические свидетельства о Маундеровском минимуме, что мы не сомневаемся в том, что отсутствие пятен не зависит от холодного климата. Подобным же образом редкие данные из восточных источников оказывают дополнительную поддержку представлению о том, что солнечные изменения проявляются в данных об углер,оде и климатических флуктуациях.

Если мы примем тот факт, что климатические изменения на протяжении столетий и тысячелетий определяются Солнцем, проблемы интерпретации этих изменений все же останутся. Нам хотелось бы узнать, каким образом солнечная активность приводит к общему потеплению земного климата. Возможно, этот эффект передается посредством воздействия магнитного поля или же обусловлен возрастанием ультрафиолетового излучения от Солнца во время периодов солнечной активности. Самым простым механизмом из всех является изменение полного потока энергии с поверхности Солнца. Изменение полного потока примерно на 1 процент должно приводить к климатическим изменениям, подобным Малому ледниковому периоду. Изменение такого порядка не было бы замечено астрономами, если бы оно происходило постепенно, например в течение последней сотни лет. А падение температуры в центре Солнца позволило бы объяснить проблему нейтрино.

Таким образом, у нас есть свидетельства того, что в течение последних нескольких тысяч лет менялись и Солнце, и климат и что, по-видимому, между ними существует заметная связь. В течение уже длительного времени астрономы и метеорологи занимаются этой связью между 11-летним солнечным циклом и погодой.