Как меняется яркость солнца

Изменяется ли светимость Солнца?

Историческая геология свидетельствует, что в прежние геологические эпохи временами наступали похолодания. Самое раннее из установленных оледенений отстояло от наших дней на 2500 млн лет. О существовании ледниковых эпох в далеком прошлом геологи судят на основании находок так называемых тиллитов — неотсортированных пород, включающих валуны и глину, образовавшихся под действием ледника. Если рассмотреть проявление всех крупных оледенений, известных за геологическую историю, нельзя не обратить внимание на неравномерность их распределения во времени. После нескольких фаз, происшедших примерно 2500-2200 млн лет назад, наступил длительный перерыв, измеряемый в 1500 млн лет, когда оледенений не было. Примерно 900 млн лет назад оледенения возобновились и стали происходить с интервалом 50-100 млн лет. Помимо сильных похолоданий, вызывавших мощные оледенения на Земле, существовали и более слабые температурные минимумы, когда похолодание было недостаточным для широкого распространения льда на планете.

Особенностью оледенений было то, что наступали они в неблагоприятных условиях для их проявления (климат на Земле был жарким, отсутствовало четкое разделение на климатические зоны). Тем не менее, резкое похолодание охватывало всю планету независимо от широты. Например, следы верхнепротерозойского оледенения, случившегося 900 млн лет назад, обнаружены в различных местах планеты независимо от географической широты. Ледниковые образования (тиллиты) часто подстилаются и (или) перекрываются осадками, образовавшимися в условиях жаркого климата. Эти факты указывают на то, что похолодание наступало относительно быстро и затем столь же резко заканчивалось. Небольшая мощность ледниковых образований свидетельствует о кратковременности холодных периодов.

Эти особенности древних ледниковых эпох не позволяют связывать их с какими-либо «земными причинами», например, горообразовательными процессами или изменением конфигурации суши и моря. Ведь в те далекие» времена не существовало высоких гор, а колебания уровня океана изменялись очень медленно. Нет оснований объяснять древние оледенения и вспышками вулканической деятельности, поскольку корреляции эпох усиления вулканизма и оледенений отсутствуют: интенсивные вулканические процессы происходили на Земле очень часто, а оледенения — всего лишь несколько раз за всю ее историю. Возможно, в некоторых случаях вулканические извержения способствовали более интенсивному развитию оледенения, но они не могли быть его первопричиной. Не могут вызвать глобальные понижения температуры на десятки градусов такие явления, как изменения наклона земной оси или засорение земной атмосферы пылью (земной или космической). Л.И. Салоп и ряд других ученых склоняются в пользу внеземной причины древних оледенений. Наиболее естественно объяснить оледенения изменениями светимости Солнца. По-видимому, существуют определенные ритмы: приблизительно раз в 80-100 млн лет светимость падает и на протяжении нескольких миллионов лет оказывается ниже средних значений.

Стадиальность оледенений, их периодичность позволяют предположить существование и более крупных ритмов солнечной светимости. Последние 900 млн лет характеризуются эпизодическими фазами оледенений. Далее, в глубине веков, обнаруживается период отсутствия оледенений, длившийся 1500 млн лет. Еще дальше от нашего времени оледенения вновь появляются, но не на столь продолжительное время. Нельзя исключать, что колебания светимости Солнца были и ранее, но они не проявили себя в форме оледенений, поскольку температура на Земле тогда была высокой и не опускалась ниже 0°С в течение фазы похолодания. Если наше пред положение верно, то можно говорить о периодичности колебаний солнечной светимости. Какой-то интервал времени Солнце ведет себя как стационарная звезда, а затем, примерно в течение такого же периода, пульсирует с периодом 80-100 млн лет. Оледенения указывают интервалы времени, когда светимость Солнца падала и температура на поверхности планеты понижалась. А есть ли свидетельства противоположного явления — эпизодического возрастания светимости Солнца? История Земли не дает определенного ответа на этот вопрос. Увеличение светимости Солнца должно было привести к разогреву поверхности Земли и, следовательно, подъему температуры воды, а это вызвало бы изменения в экологической обстановке. Такие изменения геологи фиксировали неоднократно, однако связаны ли они с ростом температуры, пока сказать трудно.

ОБ ИСТОРИИ ЗЕМЛИ РАССКАЖЕТ МАРС?

В исследовании колебаний светимости Солнца может помочь изучение истории Марса. Как известно, температура на его поверхности колеблется от -120°С ночью до +20°С днем. Однако в истории Марса были периоды, когда температура поднималась еще выше и по Марсу текли реки. Такие потепления происходили на Марсе неоднократно, но точно определить время этих теплых эпох ученые еще не могут, так как нет абсолютных датировок возраста горных пород планеты. Считается, что жидкая вода на поверхности Марса оказалась не в результате дождей, а за счет таяния подземных льдов. Вода, выйдя из растаявшего грунта, устремилась в разработанные ею речные долины, чтобы затем вновь уйти в грунт в пределах обширных бессточных впадин. Относительно причин потеплений на Марсе нет единого мнения. Многие считают, что таяние подземных льдов вызвано активизацией глубинных процессов и прежде всего вулканической деятельностью. С таким выводом трудно согласиться, поскольку эндогенная деятельность на Марсе интенсивно проявила себя в ранний период его истории (ранее 2,5 млрд лет назад), а водно-эрозионная деятельность, наоборот, характерна для последних 2,5 млрд лет. Речные долины на Марсе, как правило, расположены на большом удалении от вулканических массивов. Да и энергетически трудно представить механизм эпизодического разогрева всей планеты вулканическими извержениями.

Больше оснований связать потепление на Марсе с ростом светимости Солнца. Увеличение поступающего от него тепла привело к значительному повышению температуры на поверхности Марса, в результате чего промерзший грунт начинал таять. Излишки воды из одних мест стали перетекать в другие, где уровень подземных вод был ниже. Современная изученность Марса позволяет выделять по меньшей мере два этапа флювиаль-ной (водноэрозионной) деятельности на его поверхности. Самый ранний из них, когда заложились древние долины — Узбой, Ладон, Маадим, Бахрам -приблизительно датируется в 2500 лет назад. Более молодой флювиаль-ный этап, когда сформировались долины Касэй, Тиу, Симуд, Ведра, Маджа и др., приходится на последний миллиард лет марсианской истории.

ДВА СОСТОЯНИЯ СОЛНЦА?

Если сопоставить эпохи оледенений Земли и эпохи флювиальных процессов на Марсе, то они примерно совпадают по времени. Возможно, это не случайно.В эти периоды солнечная светимость изменялась как в сторону ее резкого увеличения, так и уменьшения. Увеличение проявилось на Марсе в виде флювиальных этапов, а уменьшение на Земле — в виде ледниковых эпох. Если эти предположения верны, то у дневного светила существуют два периодически сменяющих друг друга типа состояния. Первое — относительно спокойное, характерное для эпохи от 2250 млн лет до 900 млн лет, когда не было значительных изменений интенсивности свечения. Второе — контрастное, когда возникали как фазы усиления, так и фазы сокращения светимости. Мы живем в продолжающуюся уже 900 млн лет контрастную эпоху.

В чем причина столь резких колебаний светимости Солнца? Ведь оно считается стационарной звездой, а колебания солнечной постоянной не превышают 0,3% (что совершенно недостаточно для глобального оледенения). Однако в последнее время некоторые астрофизики допускают возможность более значительных колебаний солнечной светимости. Известно, что количество солнечного нейтрино, зарегистрированное наземными приборами, оказалось значительно меньше, чем должно быть согласно теоретическим расчетам. Так, по модели, предложенной У. Фаулером (1972 г.), высокие температуры, необходимые для возбуждения ядерных процессов, устанавливаются во внутренних частях Солнца периодически через определенные интервалы времени — порядка 200-300 млн лет. Когда эти температуры достигнуты, раскаленная плазма вследствие конвективной неустойчивости поднимается и перемешивается с относительно холодным веществом у поверхности. В результате светимость Солнца падает примерно на 35%, а температура на Земле на 30°С и более. Такое состояние длится около 10 млн лет. Высказанная гипотеза, естественно, встречает определенные возражения. Например, получены данные, указывающие на возможность существования у нейтрино массы покоя, а это может привести к тому, что излучаемые Солнцем нейтрино трансформируются так, что их невозможно регистрировать принятыми методами. Рассматриваемая проблема обсуждается лишь на качественном уровне. Для решения вопроса о том, насколько должна понизиться светимость Солнца, чтобы вызвать оледенение, нужны специальные расчеты. По-видимому, речь идет о снижении светимости на 10% и более.

Стоит лишь подчеркнуть, что анализ геологических данных, свидетельствующих об изменении во времени температуры земной поверхности, -единственная возможность обнаружить и оценить колебания солнечной светимости, имевшие место миллионы и миллиарды лет назад. Прямого пути установления столь протяженных циклов колебаний светимости Солнца у ученых пока нет. Поэтому остается лишь косвенный путь — искать следы пульсаций Солнца в истории обращающихся вокруг него планет. Обратим внимание еще на одно обстоятельство. Среди астрономов и геофизиков распространена точка зрения, что в период образования Земли, т.е. 4,6 млрд лет назад, уровень солнечной радиации был на 40% ниже, чем сейчас, и с тех пор вплоть до наших дней он увеличивался. Следовательно, температура на Земле должна постепенно возрастать. Данные же «каменной летописи» Земли свидетельствуют об обратном — температура на поверхности планеты постепенно понижалась. Так, 3,8 млрд лет назад, на основании определения отношения изотопов кислорода в кремнистых отложениях серии Исуа (Гренландия), температура находилась в интервале 90-150°С. Три миллиарда лет назад она колебалась в пределах от 90 до 65°С и дальше постепенно снижалась до современной. Лишь будущие исследования покажут, как выйти из этого противоречия.

• Автор статьи И.А. Резанов, доктор геолого-минералогических наук, Институт истории естествознания и техники РАН им. С.И. Вавилова
• Подготовка и выпуск проект ‘Астрогалактика’ 15.09.2007

Источник

Вариации солнечного излучения

Вариации солнечного излучения (солнечные вариации) — термин, характеризующий изменения во времени текущего излучения Солнца, его спектрального распределения, и сопутствующие этим изменениям явления. Различают периодические компоненты этих изменений, основным из которых является одиннадцатилетний солнечный цикл, и апериодические изменения [1] .

Изменения светимости Солнца оставались на пределе или ниже предела чувствительности приборов ИСЗ, начиная с начала эры космических полетов и начала регулярных наблюдений из космоса. Небольшая часть ультрафиолетового диапазона изменяется в пределах нескольких процентов. Общая светимость Солнца изменяется на 0,1 % или на 1,3 Вт/м² в пределах 11-летних циклов активности, что было определено в ходе наблюдений последних трех циклов из космоса [2] [3] [4] . Полное количество солнечной радиации, получаемой на верхней границе земной атмосферы, составляет в среднем 1 366 Вт/м² [5] [6] [7] .

Не существует прямых измерений более длительных изменений, а измерения на основании чувствительных к климату радиоизотопных маркеров (англ. proxy ) дают разнящиеся результаты — с одной стороны существуют свидетельства очень незначительных изменений (

0.1 %) на протяжении последних 2000 лет [8] , другие исследования указывают на увеличение светимости на

0,2 % с начала XVII столетия [9] [10] . На климат оказывает влияние также вулканическая активность, как, например, в случае минимума Маундера. Кроме изменений в яркости Солнца, более мягкое влияние на климат оказывает также магнитная активность солнечного ветра в земной магнитосфере и изменения в ультрафиолетовой части спектра Солнца, но модели такого рода воздействий на климат слабо развиты по состоянию на 2009 год [11] .

Содержание

Солнечная активность

Вариации солнечного излучения, согласно современным данным, связаны главным образом с изменениями магнитной активности Солнца.

Влияние физических параметров Солнца на Землю

Существуют гипотезы о влиянии изменений физических параметров Солнца на климат Земли, в частности, на общую инсоляцию. Некоторые вариации, такие как изменение диаметра Солнца, сейчас представляют интерес только для астрономии.

Изменения полной яркости

• Общеспектральная яркость медленно изменяется на десятилетнем и более длительных интервалах времени.
• Вариации в ходе последних циклов активности оставались в пределах 0,1 % [2] .
• Изменения, соответствующие солнечным циклам с периодами 9-13, 18-25 и >100 лет, имеют свое отражение в температурах суши и океанов.
• После минимума Маундера на протяжении 300 лет имело место увеличение светимости Солнца от 0.1 до 0,6 %, при этом климатические модели часто используют значение 0,25 % [12] .
• Реконструкции яркости на основании данных «ACRIM» показывают тренд 0,04 % в десять лет, который говорит об увеличении светимости между минимумами в ходе периода наблюдений [13] . Также можно наблюдать отчетливую связь геомагнитной и солнечной активности [14][15] .

Изменение яркости в ультрафиолетовом диапазоне

• Светимость в ультрафиолетовом диапазоне — длины волн UV-диапазона 200—300 нм — изменяется приблизительно на 1,5 % от солнечного минимума к максимуму [16] .
• Изменения энергии в UV-диапазоне играют роль в изменении количества атмосферного озона, что объясняется следующим:
  • Высота, соответствующая давлению атмосферы 30 гПа, изменялась в ходе последних четырёх циклов солнечной активности.
  • Увеличение UV-светимости приводит к образованию бо́льшего количества озона, приводит к увеличению температурыстратосферы и смещает циркуляцию тропосферных и стратосферных воздушных систем в направлении к полюсам Земли.

Изменения солнечного ветра и магнитного взаимодействия

• Усиление солнечного ветра и, соответственно, усиление магнитного поля приводит к сокращению интенсивности космических лучей.
• Изменения солнечного ветра влияют на размер гелиосферы, что выражается в её росте вместе с ростом СА.
• Космогенное образование 14 C, ионизации в верхних слоях атмосферы также претерпевает изменения, но значимые изменения не очевидны.
• По мере того, как поток заряженных частиц, исходящий из Солнечной короны, увеличился вдвое в течение прошлого столетия, поток космических лучей снизился на 15 %.
• Исходящий от Солнца солнечный ветер должен был вырасти в 1.41 раз за период 1964-1996 гг. и в 2.3 раза за период 1901-2009 гг.

Влияние на облачность

Предполагается, что космические лучи влияют на процесс формирования облачности путем возможного образования ядер конденсации в воздухе. Изменения в уровне ионизирующего излучения влияет на количество аэрозолей в атмосфере, которые играют роль ядер конденсации при образовании облаков. Изменения на 3-4 % в уровне облачности связывают с 11-ти и 22-х летними циклами [17] . Из-за разных климатических условий на разных широтах общее влияние на уровень облачности и альбедо должно составлять 1,5-2 % [18] . Однозначного подтверждения этого явления ещё не найдено:

• В период 1983-1994 гг. на основании данных «Международного спутникового проекта облачной климатологии» (англ.International Satellite Cloud Climatology Project, ISCCP) было показано, что интенсивность образования низкой облачности коррелирует с космическим излучением, впоследствии это было опровергнуто [19] .
• На основании изучения освещения Луныотраженным светом Земли было определено, что альбедо планеты снизилось на 2,5 % в течение пяти лет последнего солнечного цикла в начале первой декады XXI века, что соответствует снижению облачности вместе с ростом СА.
• Изучение образцов грунта из Средиземного моря показало зависимость образования планктона, схожую по времени с 11-летним циклом, а также в 3.7 раз бо́льшее количество планктона в период 1760-1950 гг. Последнее должно указывать на ме́ньший уровень облачности в указанный период.
• Лабораторные эксперименты в условиях, приближенных к реальным, демонстрируют ускорение образования ядер конденсации с ростом ионизирующего излучения[20] .

Другие эффекты солнечных вариаций

Взаимодействие частиц солнечного ветра, магнитного поля Солнца и магнитного поля Земли приводит к изменениям потока заряженных частиц и электромагнитных полей около планеты. Экстремальные солнечные явления могут воздействовать и нарушать работу электрических устройств, в первую очередь работу искусственных спутников Земли. Ослабление активности Солнца считается причиной увеличения межзвездного космического излучения, достигающего окрестности Земли, что может служить причиной образования облачности, которая увеличивает альбедо планеты, тем самым усиливая охлаждающий эффект на климат.

Геомагнитные эффекты

Земные полярные сияния являются видимым результатом взаимодействия солнечного ветра, солнечной и земной магнитосфер и атмосферы. Экстремальные явления, связанные с СА, приводят к значительным возмущениям магнитного поля Земли, что становится причиной геомагнитных бурь.

Влияние солнечных протонов

Солнечные протоны высоких энергий могут достичь Земли быстрее чем за 30 мин после вспышки. Во время таких «бомбардировок солнечными протонами» Земля поливается заряженными частицами высоких энергий, в основном протонами, высвобожденными в зоне вспышки на Солнце. Некоторые из частиц достигают верхних слоев атмосферы, где они создают дополнительную ионизацию и могут вызвать значительное повышение радиационного уровня.

Галактические космические лучи

Увеличение СА c бо́льшим числом пятен приводит к усилению потока заряженных частиц или солнечного ветра. Комбинация увеличения гелиосферы и усиления солнечно-земных взаимодействий приводит к снижению интенсивности галактического космического излучения. В периоды минимумов СА происходит рост интенсивности космических лучей — они становятся основным источником ионизации в тропосфере на высоте более 1 км, ниже этой отметки основным источником является радон.

Уровни космических лучей косвенно отражаются в образовании 14 C и осцилляциях Дансгора-Эшгера. Цикл Глейшберга, продолжительностью 80-90 лет, скорее всего имеет меняющуюся длину в зависимости от продолжительности 11-ти летних циклов, что подтвержается маркерами, связанными с космическим излучением.

Образование радиоуглерода

Образование 14 C связано с солнечной активностью. Радиоуглерод получается при облучении атмосферного изотопа азота β-распад и образует тяжелый изотоп углерода. Увеличение СА ведет к уменьшению скорости образования радиоуглерода из-за частичной экранировки галактического излучения [21] . Путем измерения количества изотопа 14 C, вступившего в органические связи при росте многолетних растений, и подсчетом колец этих деревьев определяют скорость образования этого изотопа в атмосфере. На основании анализа данных за последние 10 000 лет было определено, что образование 14 C было максимальным во время Голоцена 7 000 лет назад и уменьшалась вплоть до момента времени 1000 лет назад. Кроме изменений СА, долговременные тренды 14 C связаны с изменением геомагнитного поля и с изменением циркуляции углерода в биосфере, например, во время ледникового периода [22] .

Глобальное потепление

Примерно до 2009 года наиболее влиятельная группа экспертов полагала, что вариации солнечного излучения не оказывают решающей роли в современном изменении климата [23] . Межправительственная группа экспертов по изменению климата в своем третьем оценочном отчете (англ. IPCC Third Assessment Report ) утверждает, что измеренная величина современной солнечной активности гораздо менее значима по сравнению с влиянием на климат парниковых газов в атмосфере [24] .

Теория изменений на Солнце

Изменения полной солнечной светимости считаются наиболее вероятной причиной значительных изменений климата до наступления индустриальной эры [12] . Последние исследования также указывают на значительный вклад повышенной солнечной активности в современное глобальное потепление [25] . Это контрастирует с результатами более ранних исследований, которые основывались на климатических моделях, согласно которым, существующих изменений яркости Солнца недостаточно для значимого влияния на климат [26] . Таким образом, на 2009 год оценка влияния солнечной активности является областью активных научных исследований.

В целом, теории, описывающие современное изменение климата по причине вариаций солнечного излучения, можно отнести к одной из следующих трех групп:

1. первая группа исходит из предположения, что изменения видимой светимости непосредственно воздействуют на климат. Обычно это утверждение считается маловероятным по причине малой амплитуды изменения яркости;
2. следующая группа предполагает, что наиболее существенное влияние на климат оказывают изменения в UV-части спектра. Так как амплитуда вариаций этой части спектра гораздо выше средних общеспектральных изменений, эти изменения могут быть причиной бо́льшого влияния на климат;
3. третья группа относится к изучению побочных эффектов, сопутствующих снижению солнечной активности, при котором имеет место усиление галактического космического излучения, что усиливает образование облачности и влияет на климат.

В 1991 году была обнаружена взаимосвязь между количеством пятен и изменением температуры в северном полушарии на основании сопоставления астрономических и метеорологических данных на интервале времени с 1861 по 1989 гг., позже эти исследования были подтверждены и расширены на несколько столетий [27] . Однако после исключения ошибок в этих данных сенсационное подтверждение связи солнечной активности и современного глобального потепления было опровергнуто. Несмотря на это, данный график достаточно часто представляют связью между уровнем солнечной активности и климатом, что неверно [19] .

В 2000 году была опубликована работа, в которой утверждалось, что увеличение солнечной активности ответственно за половину температурного роста с 1900 года, но не может объяснить рост на 0.4 °C с 1980 г. Дополнительный рост объясняется повышением концентрации парниковых газов в атмосфере [28] . В этом же году вышла работа, в которой использовалась наиболее современная модель климата XX века с учетом изменений солнечной активности, влияния вулканических извержений и антропогенных факторов, то есть с учетом роста концентрации парниковых газов и сульфатных аэрозолей. Также принимались в расчет неодинаковое изменение светимости Солнца в разных участках спектра и не рассматривалось усиление влияния космического излучения при слабой солнечной активности. Итогом этой работы стало заключение, что изменение солнечной активности играло доминирующую роль в начале двадцатого века, а парниковый эффект ответственен за потепление в конце столетия и будет играть все усиливающуюся роль в климате планеты [29] . Вдобавок подчеркивается неопределенность в «исторически-обусловленном влиянии на климат» или неполная картина влияния большой теплоемкости океанов на текущее состояние климата [30] . Графическое представление [31] взаимосвязи между естественными и антропогенными вкладами в изменения климата представлены в отчете Межправительственной группы экспертов по изменению климата «Изменение климата 2001: Научный базис» (англ. Climate Change 2001: The Scientific Basis ) [32] . Современные исследования предполагают вклад вариаций солнечной активности в современный климат на уровне от 16 % до 36 % [33] .

Источник