Измерение временных вариаций формы и диаметра Солнца, а также тонкой структуры активных и спокойных областей фотосферы на Служебном модуле Российского сегмента МКС
Главная цель проекта:Исследование глобальных процессов, протекающих в недрах Солнца, и связанных с ними изменений физических процессов в системе Солнце—Земля, а также изучение тонкой структуры и динамики активных и спокойных областей фотосферы и их циклических вариаций.
Исследования циклических изменений в поведении Солнца как ближайшей звезды и физических процессов, идущих в его недрах, а также энергетической и механической нестабильности его состояния имеют ключевое значение для всей астрофизики, поскольку теория звезд, в конечном счете, зарождалась и была обоснована при исследовании Солнца. Солнце — звезда, доступная для проведения детальных исследований, которые невозможны для всех остальных звезд. Наблюдаемые на Солнце физические процессы свойственны, очевидно, и большинству других звезд, но только на Солнце мы можем наблюдать их достаточно детально. Вариации интенсивности излучения и радиуса звёзд, аналогичные солнечным, в ближайшее время, к сожалению, непосредственно обнаружить и исследовать нам не удастся. Это дополнительно указывает на крайнюю важность исследований этих явлений на Солнце, особенно наблюдениями из безвоздушного космического пространства, поскольку они обеспечат нас всей необходимой информацией и о механизмах переноса энергии из центра звезды к ее поверхности, и о природе процессов, протекающих в недрах звезд. Изучение физических процессов на Солнце позволяет понять не только многие вопросы астрофизики, но и геофизики, метеорологии, биологии и медицины. Все источники энергии, которые использует человечество, связаны с Солнцем. Тепло и свет Солнца обеспечили развитие жизни на Земле, формирование месторождений угля, нефти, газа и т.д. Кроме того, вся жизнь на Земле и ее будущие условия непосредственно и практически полностью зависят от интенсивности поступающего интегрального потока излучаемой Солнцем энергии — так называемой астрономической солнечной постоянной, поскольку основным определяющим источником энергии для всех природных процессов, происходящих на земной поверхности и в атмосфере, и всех форм жизни на нашей планете является лучистая энергия Солнца. Все изменения в физическом режиме Солнца находят отражение в состоянии околоземного космического пространства и планеты Земля. При этом Солнце своей деятельностью задает временные масштабы практически всех физических процессов в системе Солнце — Земля. Интенсивность излучаемого Солнцем потока энергии динамично определяет также и климат Земли и окружающих планет Солнечной системы. А количество поступающего на Землю интегрального потока солнечной энергии напрямую связано с величиной диаметра Солнца, то есть с площадью излучающей поверхности нашей звезды. Точное значение вариации радиуса Солнца является важнейшим фундаментальным параметром и служит важнейшим индикатором вариации как солнечной постоянной, так и уровня пятнообразовательной активности. Поэтому долговременные высокоточные измерения величины солнечного радиуса позволят более надёжно определить и величину солнечной постоянной, и её временные вариации в различных интервалах.
Однако прецизионные измерения временных вариаций формы и диаметра Солнца, не искаженные влиянием нестабильности земной атмосферы и колебательных процессов в ней, можно провести только лишь из космоса. При этом исследование причин изменений 11-летней и двухвековой составляющих вариации формы и диаметра Солнца — солнечной постоянной и, следовательно, долговременных вариаций климата Земли в прошлом, настоящем и будущем особенно актуально в связи с грядущими изменениями климата. Поэтому только запланированные нами долговременные специальные прецизионные (с погрешностью ± 3—4 км) внеатмосферные измерения временных вариаций формы и диаметра Солнца в рамках проекта «Астрометрия», позволили бы дать более точный прогноз изменений климата. При своевременной реализации проекта «Астрометрия» мы можем дать более точный прогноз времени и глубины предстоящего глобального похолодания климата Земли лет через восемь, проведя в течение не менее половины нынешнего 24-го «короткого» 11-летнего цикла активные исследования временных вариаций формы и диаметра Солнца и интенсивности потока его излучения с борта МКС. Решение этой задачи позволит заблаговременно скорректировать хозяйственную деятельность человечества, сообразуясь с ходом предстоящих изменений климатических условий, и тем самым значительно ослабить экономические, демографические и другие кризисы, опасные для человека, которые произойдут вследствие ухудшения природных условий в ближайшем будущем и наступления очередного естественного глубокого похолодания климата.
На основе анализа данных о пятнообразовательной активности Солнца, Джон Эдди (Eddy J.A. Science. 1976. 192, 1189) установил наличие на шкалах времени порядка века и более корреляции между чётко установленными периодами значительных вариаций уровня пятнообразовательной активности в течение всего прошлого тысячелетия и соответствующими глубокими изменениями климата Земли. При этом цикличность изменения климата, особенно Европы прошлого тысячелетия, не была коренной перестройкой климатических условий, хотя очень часто изменения климата были столь существенными, что влияли на жизнь народов и отдельных государств, приводя к экономическим и демографическим кризисам. Более того, аналогичными исследованиями Евгений Борисенков (Колебания климата за последнее тысячелетие. Л. 1988. С. 275) установил, что в каждом из 18 глубоких минимумов пятнообразовательной активности Солнца типа маундеровского с квазидвухсотлетним периодом в течение последних 7500 лет, наблюдались периоды глубокого похолодания климата, а в период высоких максимумов двухвековой пятнообразовательной активности — глобальные потепления. Глубокие изменения в климате Земли (например, глобальное потепление или глубокое похолодание) могли быть вызваны только соответствующими долговременными и значительными изменениями мощности приходящего интегрального потока солнечной радиации, поскольку тогда никакого индустриального воздействия на природу не было и в помине. Это свидетельствует о том, что в периодах максимального всплеска уровня двухвековой пятнообразовательной активности Солнца, солнечная постоянная всегда была существенно повышена, а в периодах глубокого минимума двухвековой пятнообразовательной активности она заметно снижалась, то есть на любых значимых интервалах наблюдений двухвековые вариации уровня пятнообразовательной активности и величины солнечной постоянной в целом имели взаимокоррелированный ход изменения как по фазе, так и по амплитуде. Ход двухвековой компоненты вариации уровня пятнообразовательной активности в целом определял и ход соответствующей компоненты изменения величины солнечной постоянной.
Таким образом, не 11-летние, а двухвековые циклы солнечных вариаций, определяемые, прежде всего, соответствующими значимыми изменениями величины солнечной постоянной, служат доминирующим фактором климатических изменений — долговременных геофизических эффектов, длящихся десятки лет. В целом солнечные циклы — ключ к пониманию различных циклических колебаний в природе и в человеческом обществе.
В настоящее время имеется непрерывный длительный ряд наблюдений величины солнечной постоянной S☉ с 1978 года, непосредственно измеренный несколькими специальными космическими аппаратами. Амплитуда 11-летних сглаженных циклических вариаций солнечной постоянной в максимуме двухвекового цикла составляла около 1,0 Вт/м2 или 0,07%, и с начала 1990-х годов стала постепенно снижаться.Уровень, относительно которого происходят 11-летние циклические вариации солнечной постоянной, представляет собой компоненту ее двухвековой вариации, впервые непосредственно обнаруженную нами еще в 2005 году.
11-летние и двухвековые циклические вариации солнечной постоянной за период с 16 ноября 1978 года по 1 марта 2010 года(ежедневные данные взяты из www.pmodwrc.ch/pmod.php?topic=tsi/composite/SolarConstant)
(Абдусаматов Х.И. Кинематика и физика небесных тел. 2005, 21, 471; KPhCB. 2007, 23, 97;
Abdussamatov H.I. The Sun Dictates the Climate. Fourth International Conference on Climate Change in Chicago, May 2010:http://www.heartland.org/environmentandclimate-news.org/ClimateConference4)
Кривые 11-летних вариаций уровня активности и величины солнечной постоянной взаимокоррелированны и квазипараллельны как по фазе, так и по амплитуде (Абдусаматов Х.И. Кинематика и физика небесных тел (КФНТ). 2005, 21,471). Двухвековая компонента вариации солнечной постоянной последовательно с ускоряющимися (в настоящее время) темпами уменьшается от 21-го цикла к 22-му, 23-му и 24-му циклам. Аналогичное скоррелированное падение за этот же период, как и ожидалось, наблюдается и с соответствующими колебаниями пятнообразовательной активности. Наблюдаемое сегодня одновременное параллельное падение двухвековых компонент как вариаций величины солнечной постоянной, так и уровня солнечной активности, идущее с ускорением, говорит о начале активной фазы спада общего большого двухвекового цикла солнечной деятельности.
Вариации солнечной постоянной с 1978 г. (ежедневные данные взяты из www.pmodwrc.ch/pmod.php?topic=tsi/composite/SolarConstant) и относительного числа пятен (ежемесячные данные взяты из http://sidc.oma.be/sunspot-data/)
(Абдусаматов Х.И. Кинематика и физика небесных тел. 2005, 21, 471; Abdussamatov H.I. The Sun Dictates the Climate. Fourth International Conference on Climate Change in Chicago, May 2010: http://www.heartland.org/environmentandclimate-news.org/ClimateConference4)
Солнечная постоянная S☉ определяется соотношением:
где σ – постоянная Стефана-Больцмана; A – астрономическая единица; R☉ – радиус Солнца; Tэфф – эффективная температура фотосферы Солнца. Долговременная циклическая вариация солнечной постоянной обусловлена соответствующими изменениями его радиуса R☉ и эффективной температуры Tэфф:
Оно происходит вследствие физически сложных фундаментальных процессов в недрах Солнца, проистекающих из вариаций его основных внутренних характеристик. Плавное изменение температуры поверхностного слоя, достигающее в максимуме значений до 0.001o/сутки, приводит к изменению давления в поверхностном слое, и, следовательно, к нарушению гидростатического равновесия, определяемого балансом сил внутреннего давления и силы гравитации. Возвращение к гидростатическому равновесию Солнца может проходить за счёт соответствующего изменения его размера до величины, обеспечивающей восстановление баланса сил внутреннего давления и силы гравитации, что ведёт к возвращению температуры его поверхности до прежнего уровня, когда ΔTэфф = 0 (Abdussamatov H.I. Proceedings of IAU Symposium. 2004, No. 223. P. 541; KPhCB. 2005. 21, 471). В результате 11-ти и двухсотлетних циклических вариаций радиуса — площади излучающей поверхности Солнца происходят соответствующие изменения солнечной постоянной, то есть выполняется соотношение
где
Следовательно, поступающее на Землю полное количество солнечной энергии напрямую связано с величиной радиуса, то есть с площадью излучающей поверхности нашей звезды. Циклические вариации солнечной постоянной происходят в результате колебаний радиуса Солнца с амплитудой в пределах до 130 км в "коротком" 11-летнем цикле и до 300 км в "большом" двухвековом цикле.
Вариации солнечной постоянной с использованием реконструированных данных (Lean J.L. Space Sci. Rev. 94, 39, 2000; Solanki S.K., Krivova N.A. Solar Phys. 224, 197, 2004; Avdyushin S.I., Danilov A.D. Geomagnetizm i aeronomiya. 40, 3, 2000) до 1978 года и пятнообразовательной активности Солнца за период всего времени телескопических наблюдений с 1611 года и прогнозируемые нами их изменения после 2009 года (пунктирные линии) (Абдусаматов Х.И. Солнце диктует климат Земли. 2009, Санкт-Петербург, “Logos”, – 197 с.; Abdussamatov H.I. The Sun Dictates the Climate. Fourth International Conference on Climate Change in Chicago, May 2010: http://www.heartland.org/environmentandclimate-news.org/ClimateConference4)
Таким образом, легко наблюдаемые в наземных условиях в течение весьма длительного времени кривые 11-летней и двухвековой составляющих вариации уровня пятнообразовательной активности, одновременно иллюстрируют и соответствующие ходы квазипропорциональных изменений величин радиуса и солнечной постоянной и наоборот. Установлено, что 11-летние и двухвековые циклические вариации солнечной постоянной, пятнообразовательной активности и радиуса, являясь следствием одних и тех же глубоких процессов, происходят синхронно и взаимокоррелированно как по фазе, так и по амплитуде. Эта закономерность позволит на основе имеющихся длительных рядов данных о пятнообразовательной активности Солнца сделать выводы об изменениях интенсивности его излучения в течение прошедших столетий и даже тысячелетий для их сопоставления с соответствующими изменениями климата в прошлом и исследования его вариаций в будущем.
Двухвековой «большой» солнечный цикл играет главенствующую роль в управлении и определении закономерностей развития дочерних «коротких» 11-летних циклов, поскольку продолжительность 11-летнего цикла, как установлено нами, в целом зависит от фазы двухвекового цикла Солнца и последовательно увеличивается от фазы роста к фазам максимума и спада двухвекового цикла (Abdussamatov H.I. KPhCB. 2006.22, 141). Продолжительность истекшего в конце 2008 года 23 цикла не стала исключением и в целом подтверждает такую зависимость. Однако уникальность истекшего 23 цикла заключается в том, что он стал самым продолжительным (около 12,5 лет) среди всех достоверно установленных и изученных 11-летних солнечных циклов за более чем 150 лет их надежных наблюдений начиная с 10-го цикла. Это дополнительно подтверждает наступление фазы активного спада двухвекового цикла.
Зависимость продолжительности 11-летних циклов (циклы 10–23) пятнообразовательной активности (Р) от фазы двухвекового цикла (х – 23-й цикл).
Наличие 11-летнего и двухвекового циклов Солнца, во время которых его пятнообразовательная активность, светимость и диаметр идентично и практически синхронно колеблются, — один из надёжно установленных в наши дни фактов в солнечной физике. Солнце, строго говоря, не находится в стационарном состоянии энергетического и механического равновесия, т.е. глобальное поведение Солнца не является регулярным и строго предсказуемым. Солнце — переменная звезда, меняющая свои глобальные пространственные и физические параметры в результате взаимокоординированных вариаций солнечной постоянной, пятнообразовательной активности и радиуса (и по фазе, и по амплитуде) относительно их среднего уровня (за период двухвекового цикла) за счет соответствующих изменений энергии, освобождающейся в его недрах, и наложения «коротких» и «больших» циклов (Абдусаматов Х.И. Солнце определяет климат. Наука и жизнь, 2009.№ 1, С. 34—42).
В то же время, циклические колебания уровня пятнообразовательной активности, идущие параллельно аналогичным колебаниям радиуса и солнечной постоянной, являясь сопутствующим явлением циклической деятельности Солнца, сами по себе ни на вариацию радиуса или солнечной постоянной, ни на изменение климата (практически) не оказывают значимого влияния.
Анализ физических процессов, протекающих в недрах Солнца, показывает, что изменения температуры ядра с различными амплитудами и длительностями циклов колебаний вызывают соответствующие изменения давления в нём, то есть нарушение равновесия системы. Исходной причиной такой нестационарности термодинамического состояния Солнца могут стать колебания мощности выделяемой ядром энергии термоядерного синтеза. Возвращение к термодинамическому равновесию Солнца может осуществляться за счет соответствующего изменения его размера до величины, обеспечивающей восстановление баланса сил внутреннего давления и силы гравитации.
Долговременные квазипериодические повышения температуры и, следовательно, давления в ядре, обуславливают неизбежный общий разогрев Солнца, увеличение его размера и величины солнечной постоянной пропорционально изменению радиуса. Эти квазипериодические повышения приведут к соответствующим циклическим физическим, а также пространственным перестройкам всего Солнца. В результате, внутри Солнца должны возникать долгопериодические радиальные собственные движения плазмы, циклически меняющие направления своего движения в зависимости от изменения знака вариации температуры. Такие долговременные квазипериодические вариации внутреннего строения всего Солнца и соответствующие вариации радиуса — внутренние собственные движения — могут также стать катализатором генерации и спада циклов пятнообразовательной активности и солнечной постоянной, а дополнительная энергия, выделяемая ядром, — источником их энергии. Циклические возмущения тахоклина, смещения его положения вдоль радиуса и возможные изменения его толщины, обусловленные вариациями физических параметров Солнца и внутренними собственными движениями, могут играть роль катализатора генерации и спада циклов пятнообразовательной активности, поскольку тахоклин – тонкий пограничный слой, находящийся между лучистой и конвективной зонами Солнца, по современным теориям играет чрезвычайно важную роль в формировании магнитного поля.
Амплитуда вариаций температуры ядра и соответственно радиуса Солнца определяет мощность цикла. При малых амплитудах колебаний температуры ядра и, следовательно, радиуса могут развиваться слабые циклы (амплитуда колебаний уровня активности и величины солнечной постоянной невелика), а при больших амплитудах вариаций температуры и радиуса — мощные циклы. Отсутствие или весьма малая амплитуда (изменения) колебаний температуры ядра в её минимуме может привести к глубокому «провалу» — минимуму как активности, так и радиуса и солнечной постоянной типа маундеровского (Абдусаматов Х.И. КФНТ. 2005. 21, 471).
Наблюденные вариации 11-летней пятнообразовательной активности Солнца (сплошная тонкая линия) и двухвековой активности Солнца (сплошная жирная линия) в 1700—2008 годы, а также прогнозируемые нами вариации этих величин на 2009—2042 годы (пунктирные линии) (Абдусаматов Х.И. KPhCB, 2007. 23, 97).
Изменения градиента двухвековой компоненты вариации величины солнечной постоянной в течение трех последовательных «коротких» циклов определяет дальнейший ход величины как солнечной постоянной, так и уровня пятнообразовательной активности не только наступающего, но и нескольких последующих циклов, хотя и с несколько меньшей точностью. Исходя из этого, наиболее вероятная высота уровня максимума нынешнего 24-го цикла пятнообразовательной активности составит 65 ± 15 единиц относительного числа пятен. А в последующих 25–26 циклах, приходящихся на время активного спада нынешнего двухвекового цикла, сохранится тенденция снижения абсолютной величины солнечной постоянной, а также соответствующей высоты максимума уровня пятнообразовательной активности до 45 ± 20 и 30 ± 20 единиц относительного числа пятен, соответственно. Поэтому наступление фазы глубокого минимума в нынешней 200-летней циклической деятельности Солнца, в вариациях солнечной постоянной, пятнообразовательной активности и радиуса скорее всего следует ожидать в начале 27-го цикла ориентировочно в 2042 ± 11 году. Эта фаза может продлиться ориентировочно 45–65 лет (Абдусаматов Х.И. КФНТ. 2005. 21, 471; КФНТ. 2007. 23, 141). При этом правило Гневышева—Оля (превышение максимального уровня активности в нечетном цикле над соответствующим уровнем предыдущего цикла), нарушенное в 22–23 циклах должно быть нарушено также и в 24–25 циклах. Эти нарушения правила Гневышева—Оля являются закономерным результатом непосредственного влияния падения двухвековой составляющей уровня активности и индикатором наступления активной фазы спада нынешнего продолжительного двухсотлетнего цикла. Поэтому в следующих 24–26 циклах сохранится тенденция дальнейшего уменьшения амплитуды вариаций уровня 11-летней активности и потока радиации.
Наиболее существенным событием ХХ века в жизни Солнца стал необычайно высокий уровень и длительный, практически в течение всего века, рост интенсивности излучаемой Солнцем энергии. Подобного увеличения потока солнечного излучения, как в XX веке, не наблюдалось по меньшей мере в течение 700 лет. Однако его следствие — наблюденное глобальное потепление климата — это рядовое и естественное, а не аномальное событие в жизни Земли. Климат на Земле всегда периодически менялся, и наша планета в течение хорошо изученных последних тысячелетий уже не раз переживала глобальные потепления, аналогичные современному, за которыми шли глубокие похолодания, носившие циклический двухвековой характер. Ни глубокое похолодание, ни глобальное потепление не могут длиться дольше, чем им отмерено соответствующими двухвековыми вариациями размера и светимости Солнца.
Наблюдавшееся в период длительного высокого максимума солнечной постоянной и пятнообразовательной активности Солнца в XI — XIII веках глобальное потепление, названное малым климатическим оптимумом, аналогичное современному потеплению или даже большее, вызвало серьёзные изменения климата. В средние века в Шотландии возделывали виноградники, Гренландия полностью оправдывала свое название "зелёная земля" и была заселена норманнами в конце Х — начале XI века. В Европе начался экономический подъем, давший начало Возрождению, Средняя Азия пережила лучший период в своей истории. А последнее глубокое понижение температуры (самая холодная фаза малого ледникового периода) наблюдалась не только во всей Европе, в Северной Америке и Гренландии, но и во всех других частях света во время маундеровского минимума пятнообразовательной активности и светимости Солнца в 1645 — 1715 годах. В Голландии тогда замерзали все каналы, а в Гренландии наступали ледники, вынуждая людей оставлять свои обжитые в течение нескольких веков поселения. В Лондоне тогда зимой регулярно замерзала Темза, а в Париже — Сена. Человечество всегда процветало в теплые периоды и серьёзно страдало в холодные периоды. Климат никогда не был и никогда не станет стабильным.
Интенсивность излучаемого Солнцем потока энергии, поступающей на Землю, с начала 90-х годов прошлого века медленно идёт на спад как в рамках 200-летнего, так и в рамках 11-летних циклов, обусловленных уменьшениями его радиуса и площади излучающей поверхности, и достигнет своего минимума, по нашим оценкам, ориентировочно в 2042 ± 11 году, что, вопреки общепринятому в настоящее время мнению, неизбежно приведёт к глобальному понижению температуры до состояния глубокого похолодания климата, аналогичного периоду минимума Маундера. (Abdussamatov H.I. Fourth International Conference on Climate Change. Chicago. 2010). К середине века дефицит получаемой Землёй солнечной энергии по аналогии с периодом минимума Маундера может составлять порядка 0,2%, или до 3 Вт на квадратный метр площади верхних слоев земной атмосферы относительно её максимального среднего уровня в 1980-х годах. При этом, хотя амплитуда вариаций солнечной постоянной и составляет около 0,07% в течение 11-летнего «короткого» цикла, ее влияние на изменение климата практически сглаживает термическая инерция Мирового океана. Однако если повышение или понижение уровня амплитуды вариации солнечной постоянной продолжится последовательно в течение двух «коротких» циклов подряд при аналогичном ходе изменения ее двухвековой составляющей, климат неизбежно изменится соответствующим образом, но с временной задержкой 15 ± 6 лет, определяемой тепловой инерцией Мирового океана.
В истекшем 23-м "коротком" цикле, который растянулся на ~12,5 лет, каждый квадратный метр площади верхних слоев земной атмосферы в среднем недополучал 0,19 Вт солнечной энергии относительно количества энергии, поступавшей в предшествующем 22-м "коротком" цикле". В годовом исчислении этот дефицит составил 6 х 106 Дж на каждый квадратный метр площади верхних слоев атмосферы Земли. А верхние слои атмосферы обращённого к Солнцу полушарие Земли (диска Земли) площадью 127,5 х 106 квадратных километров в течение последних ~12,5 лет в среднем недополучало 24 миллиона мегаДжоулей солнечной энергии. Это является неоспоримым доказательством того, что Солнце больше не греет Землю, как прежде, наша планета в течение последних ~12,5 лет испытывала дефицит солнечной энергии, сравнимый с полной мощностью 21 миллиона атомных электростанций, типа Ленинградской. Следовательно, сейчас наша планета живет в условиях "остывающего" Солнца. Следовательно, землянам нужно дожидаться не катастрофического таяния льдов, а, напротив, грядущего постепенного нарастания ледовых шапок на полюсах. Оно уже практически началось: площадь ледового покрова в Арктике, вопреки всем прогнозам, на сентябрь 2008 года (4,52 млн. кв. км) стала на 390 тыс. км2 больше, чем в сентябре 2007 года (4,13 млн. км2), и за последующие осеннее—зимние месяцы 2008 года площадь арктической ледовой шапки существенно возросла.
Британские исследователи утверждают, что в нынешнем похолодании виновато явление Ла-Нинья (в переводе с испанского La Niña — «девочка») — длительное похолодание поверхностных вод в центральной и восточных частях Тихого океана, циклически наблюдаемое в районе берегов Эквадора, Перу и Колумбии. Совокупность сопровождающих его процессов и соответствующие взаимодействия между атмосферой и океаном приводят к аномальному понижению температуры поверхности океана в среднем на 0,5—1 градус. Это «зеркально» отличает феномен от другого широко известного феномена — Эль-Ниньо (El Niño — по-испански «мальчик»), который характеризуется аномальным повышением температуры поверхности океана. Оба явления одинаково сложны в прогнозировании и объяснении. В свою очередь американские физики, изучавшие Эль-Ниньо и Ла-Нинья, полагают, что эти явления могут быть лишь кратковременными флуктуациями в более длительном природном цикле «супер-Ниньо». Мы считаем, что все эти явления — как Эль-Ниньо и Ла-Нинья, так и «супер-Ниньо» имеют естественную природу и порождены 11-летными и двухвековыми циклическими колебаниями интенсивности поступающего на поверхность океана интегрального потока излучаемой Солнцем энергии. Изменение интенсивности поступающей на поверхность океана потока солнечной энергии в результате наложения «коротких» и «больших» циклов обуславливает соответствующее нагревание или охлаждение его верхних поверхностных слоев. Сопоставление времени этих явлений с циклическими вариациями величины солнечной постоянной указывает наличие между ними корреляции.
Наметившаяся в 2006—2008 годах тенденция снижения глобальной температуры на Земле временно остановится в 2010—2012 годах. Тогда ожидается рост солнечной постоянной в рамках 11-летнего «короткого» 24-го цикла, который в ветви своего роста сможет временно компенсировать спад двухвековой компоненты солнечной постоянной. Только снижение величины 11-летней составляющей солнечной постоянной в ветви спада нынешнего 24-го цикла при продолжающем понижении ее двухвековой компоненты в 2013—2015 году приведет к устойчивому последовательному охлаждению нашей планеты, которое достигнет минимума до состояния глубокого похолодания в 2055—2060 ± 11 годах (Абдусаматов Х.И. Известия КрАО. 2007.103, № 4. С. 292—298). Похолодание может быть подобным тому, которое наблюдалось в 1645—1715 годах во всей Европе, в Северной Америке и Гренландии в период маундеровского минимума светимости и пятнообразовательной активности Солнца, когда температура снизится на 1,0 — 1,5 градуса по шкале Цельсия до отметки так называемого маундеровского минимума. Очередной период климатического минимума, глубокого похолодания климата, продлится ориентировочно около 45—65 лет, и после этого периода холодов обязательно наступит потепление в рамках очередного двухвекового цикла Солнца. Глубокое похолодание сменится очередным потеплением ориентировочно лишь в начале 22-го века. Прогноз сценария глубокого похолодания климата Земли к середине этого века и наступления очередного 200-летнего цикла с глобальным потеплением климата в начале 22-го века смотрите на рисунке.
Прогноз сценария глубокого похолодания климата к середине XXI века
Ученые взяли пробы льда из глубоких (глубиной более трех километров) скважин Антарктиды (вблизи станции «Восток») и Гренландии. Выяснилось, что в многокилометровой толще льда, как в книге, записаны циклические земные апокалипсисы, так как такой лед содержит пузырьки воздуха тех эпох, когда откладывался снег. В исследованных кернах льда современными методами с высокой точностью установлены содержание углекислого газа, кислорода и прочих компонентов реликтовой атмосферы, а также температура, при которой выпадал снег. Исследовав пробы льда, учёные выяснили, что естественные значительные повышения концентрации углекислого газа в атмосфере и глобальные потепления климата происходили циклически еще в далекую доиндустриальную эпоху Земли, когда ещё никакого индустриального воздействия на природу не было и в помине. При этом было установлено, что периодические весьма значительные повышения содержания углекислого газа в атмосфере на протяжении последних 420 тыс. лет никогда не предшествовали потеплению климата Земли, а, наоборот, всегда следовали за ростом температуры с отставанием в 200—800 лет, то есть были его следствием. Более того, даже значительное накопление углекислого газа в атмосфере в прошлые более четырехсот тысячелетий никогда не приводило к росту температуры не Земле. В то же время, естественная концентрация углекислого газа в атмосфере в ледниковых периодах истории Земли всегда была примерно в два раза ниже, чем в настоящее время.
Повышение концентрации парниковых газов — не причина глобального потепления, а напротив, естественное следствие роста температуры, обусловленной длительным повышением величины солнечной постоянной. Рост концентрации углекислого газа в атмосфере происходит с запаздыванием (от момента глобального потепления) на время, необходимое для прогрева Мирового океана до глубоких слоев и таяния практически всех дрейфующих айсбергов (200—800 лет). Мировой океан служит основным хранилищем углекислого газа, а поскольку растворимость газа в воде уменьшается с ростом температуры, прогрев океана приводит к выбросу в атмосферу больших его объемов. Ещё один источник поступления СО2 в атмосферу несколько лет назад обнаружили учёные Дальневосточного отделения РАН: это огромное количество старых мертвых водорослей, вмороженных в айсберги, дрейфующие в Арктике и у берегов Антарктиды. Попадая в тёплую воду после таяния льда, они гниют, являясь еще одним из мощнейших механизмов поставки углекислого газа в атмосферу. Это доказывает, что наблюдаемое повышение концентрации углекислого газа в атмосфере является главным образом следствием естественного повышения температуры Мирового океана и суши. Следовательно, широко распространенная точка зрения об определяющей роли промышленной деятельности человека в глобальном потеплении климата сложилась в результате подмены причины следствием или подмены "локомотива вагоном".
Вариации температуры на Земле и концентрации углекислого газа в её атмосфере в течение последних 420 000 лет(www.daviesand.com/Choices/Precautionary_Planning/New_Data/).
Таким образом, наблюдаемое глобальное потепление климата Земли обусловлено вовсе не антропогенными выбросами "парниковых" газов в атмосферу, а главным образом необычайно высокой интенсивностью солнечного излучения, сохранявшейся практически весь прошлый век. Грядущее понижение глобальной температуры произойдет даже в случае, если антропогенный выброс углекислого газа в атмосферу дорастёт до рекордного уровня в дальнейшем.
Интересно, что на Марсе, также как и на Земле, в XX веке происходило глобальное повышение температуры, обусловленное значительным и длительным увеличением солнечной постоянной в ХХ веке. Исследователи NASA, проследив за изменениями на поверхности соседней планеты Марс в промежутке с 1999 по 2005 год, обнаружили последовательное таяние льдов на его южном полюсе в течение трех марсианских лет и параллельное глобальное потепление марсианского климата, естественно, уже без какого-либо участия "марсиан" и созданного ими парникового эффекта. Аналогичные параллельные глобальные потепления как на Марсе и на Земле наблюдались одновременно также и на Юпитере, Тритоне (спутнике Нептуна), Плутоне и ряде других планет Солнечной системы. Они могут быть только прямым следствием воздействия только одного и того же фактора — длительного и необычайно высокого уровня излучаемой Солнцем потока энергии практически в течение всего ХХ века. Одновременное глобальное потепление климата Земли, Марса и практически всей Солнечной системы имеет естественную солнечную природу и задано именно природными — астрономическими причинами, а не промышленной деятельностью людей (Абдусаматов Х.И. Солнце и климат. Государственное управление ресурсами. 2009. № 3, С. 22—33).
Потепление на Марсе, наблюдавшееся в течение шести лет — с 1999 по 2005 годы, не стало результатом изменения формы его орбиты и наклона оси его вращения, как нередко утверждается некоторыми учеными, которые могли бы привести к росту поступающей солнечной энергии. Однако изменение формы орбиты и наклона оси вращения Марса, как и Земли, имеет период продолжительностью в десятки тысяч лет, и поэтому за столь ничтожный (шесть лет!) промежуток времени практически никак не могли увеличить величину поступающей на Марс солнечной энергии и отразиться на изменении климата. При этом наблюдаемые в последнее время пылевые бури на Марсе могли возникать в результате роста поглощательной способности и неравномерного нагрева отдельных участков его гористой поверхности в результате длительного воздействия необычайно высокого уровня интенсивности излучения Солнца в ХХ веке. Следствием роста светимости Солнца стало не только глобальное потепление климата на обеих планетах. Это потепление, в свою очередь, привело к тому, что поверхности планет стали поглощать большее количество солнечной энергии, а физические свойства их атмосфер изменились. Все эти косвенные вторичные факторы влияния Солнца привели к дополнительному росту температуры на Марсе и на Земле, сопоставимому с прямым влиянием двухвекового роста солнечной постоянной (Абдусаматов Х.И. СОЛНЦЕ ДИКТУЕТ КЛИМАТ ЗЕМЛИ. 2009. Санкт-Петербург. Изд-во "Logos". — 197 с. (тираж — 500 экз. Монографию можно приобрести в книжных магазинах СПб: "Академкнига" и СПбГУ в здании Двенадцати коллегий или "книга-почтой":sale_book@mail.ru, ak@akbook.ru, zaharov@lawpress.ru)).
Наши расчёты показали, что максимальные величины энергии, поглощенной углекислым газом СО2 (в спектральных полосах поглощения 3,6—4,7 мкм; 8,9—10,0 мкм; 10,0—11,4 мкм; 12,1—17,3 мкм) и водяным паром Н2О (4,4—8,8 мкм и более 15 мкм), составляют примерно 80% от интегральной мощности собственного теплового излучения Земли. Из них около 68% приходится на спектральные полосы поглощения водяного пара и только около 12% — на долю углекислого газа. Такая пропорция обусловлена частичным перекрытием спектральных полос поглощения СО2 и Н2О и постоянством влагосодержания в атмосфере при малых вариациях температуры и давления. Если бы отсутствовало перекрытые этих полос поглощения, то водяной пар поглощал бы около 77% теплового излучения Земли, а углекислый газ — около 17%. Атмосфера Земли пропускает в космос порядка 10% теплового излучения Земли, оставшиеся около 10% приходятся на поглощение облаками, а также на молекулы других парниковых газов, среди которых в первую очередь можно выделить такой активный поглотитель, как метан СН4 со спектральной полосой поглощения 7,2—8,5 мкм. Таким образом, поглощение атмосферы для собственного теплового излучения Земли определяется главным образом концентрацией водяного пара, поглощающего почти 70% всего излученного тепла, при второстепенной значимости концентрации углекислого газа. Поэтому водяной пар является самым важным парниковым газом. Всем известно, что даже при неизменной концентрации углекислого газа в атмосфере в ночное время при ясном небе падение температуры резко усиливается, а при наличии облачного покрова, благодаря водяному пару — главному парниковому газу температура снижается незначительно.
Если представить гипотетическую возможность изъять углекислый газ из атмосферы, то суммарная доля поглощаемого водяным паром и углекислым газом излучения Земли уменьшилось бы с 80% до 77%. Однако при повышении концентрации углекислого газа при ее нынешнем высоком уровне практически невозможно ожидать существенного увеличения поглощения излучения Земли атмосферой. Это объясняется следующими обстоятельствами. В диапазоне длин волн 4,7—12,8 мкм углекислый газ, имея весьма слабые полосы поглощения, практически очень мало поглощает инфракрасное тепловое излучение Земли. Как известно, основное окно прозрачности атмосферы находится в диапазоне длин волн около 8—13 мкм, а максимум собственного теплового излучения Земли — около 10 мкм. Вне окна пропускания атмосферы тепловое излучение Земли не проходит в открытый космос и при нынешнем уровне концентрации углекислого газа. При этом возможно лишь некоторое незначительное изменение пропускания на границах окна прозрачности.
Надо заметить, что углекислый газ не только не способствует глобальному потеплению климата, но даже несет пользу, стимулируя развитие жизни на Земле, являясь жизненно необходим «хлебом» для растений — главным очистителям природы. Более высокая концентрация углекислого газа ускоряет рост лесов и растений. Об этом свидетельствует, в частности, «зеленая революция» — резкое и повсеместное увеличение продуктивности сельскохозяйственных культур в ХХ веке. Данные, указывающие на прямую пропорциональную зависимость урожайности от количества в воздухе СО2, подтверждаются и многими экспериментами. Если он перестанет поступать в атмосферу, растения исчерпают его запас всего за время порядка 10 лет. После этого все живое может прекратить свое существование. СО2 не токсичен!!! СО2 не вступает во взаимодействие ни с одним из веществ в организме человека и является безвредным газом, в отличие от СО — угарного газа, и имеет важнейшее значение для жизни!
Необходимо отметить, что подстилающая поверхность Земли и ее атмосфера представляют собой оболочечную систему. В общем тепловом балансе подстилающей поверхности и атмосферы важную роль играют конвективный, испарительный и конденсационные механизмы теплообмена. В атмосфере, особенно в нижних плотных слоях тропосферы, где протекают сложные процессы, тепло переносится не столько излучением, сколько потоками воздушных масс вообще и конвекцией в частности. При всей значимости парникового эффекта, в его нынешнем состоянии влияние вариаций концентраций парниковых газов имеет второстепенное значение на фоне таких определяющих факторов, как изменения величины солнечной постоянной и альбедо (отражательной способности) подстилающей поверхности Земли.
Основное влияние на тепловой режим Земли оказывает именно вариация солнечной постоянной. При её уменьшении на 1,0 Вт/м2 температура Земли может понизиться на величину до 0,2 градуса по Цельсию. Понижение температуры, обусловленное уменьшением солнечной постояннойS☉, приводит к росту среднего альбедо подстилающей поверхности Земли, что в свою очередь ведет к дальнейшему дополнительному понижению средней температуры. Если ΔS☉ = – 1,0 Вт/м2, то ΔT ≈ – 0,2 градуса, что ведет к дополнительному росту среднего альбедо Земли на ≈ 0,003 и т.д. Важно подчеркнуть, что по данным наших расчетов из всех радиационных и оптических характеристик земной поверхности основное влияние на вариацию температуры оказывает изменение альбедо Земли: при увеличении среднего альбедо подстилающей поверхности на 0,01 понижение глобальной среднегодовой температуры составит примерно 0,7 градуса. Альбедо Земли является своеобразным регулятором теплового режима нашей планеты.
Согласно нашим расчётам, а также расчётам зарубежных коллег, прямое влияние двухвековой циклической вариации солнечной постоянной обеспечивает только около половины амплитуды изменения глобальной температуры на Земле. Тем не менее, оно является единственным первоисточником энергии, диктующим весь механизм изменения климатической системы. Другая половина амплитуды изменения глобальной температуры является следствием влияния двухвековой вариации солнечной постоянной — вторичным эффектом: при изменении температуры постепенно меняются отражательно — поглощательная способность подстилающей поверхности Земли и физические параметры атмосферы: концентрация водяного пара (главного парникового газа), углекислого и других парниковых газов (в обратном направлении). Эти вторичные эффекты, сопоставимые с влиянием двухвековой вариации солнечной постоянной, дополнительно резко ускоряют дальнейший ход изменения глобальной температуры на Земле. Последние десятилетия незначительно менялась величина солнечной постоянной, однако при этом росла концентрация водяного пара и углекислого газа в атмосфере вследствие глобального потепления, вызванного длительным ростом солнечной постоянной, и понижалось альбедо подстилающей поверхности. Существуют данные, указывающие на неуклонное уменьшение отражательной способности Земли с 1984 по 2000 год. Эти вторичные эффекты привели к дополнительному повышению температуры на Земле.
Солнечная постоянная с начала 1990-х годов вступила в убывающую фазу двухвекового цикла, но термическая инерция Мирового океана обуславливала то глобальное потепление, которое мы наблюдали в последние годы. Наша планета, получив и накопив в течение практически всего ХХ века аномально повышенную тепловую энергию от Солнца, с начала 1990-х годов стала постепенно её отдавать. Совершенно неожиданно для климатологов с 2003 года начали остывать верхние слои Мирового океана. Накопленное океанами тепло, к сожалению, подошло к концу. Это является неоспоримым свидетельством того, что непосредственное влияние на изменение климатических условий на Земле оказывают двухвековые вариации поступления энергии от Солнца, и непосредственно подтверждает, что Земля уже в 1998—2005 годах достигла стадии максимума глобального потепления, обусловленного главным образом необычайно высоким и длительным увеличением интенсивности потока излучения Солнца в течение практически всего ХХ века.
Наблюденные изменения среднегодовой глобальной температуры с 1998 года и ожидаемый ход тенденции её изменения в 2009 — 2014 годах относительно средней температуры 1961 — 1990 годов, которая была равна +14 градусам по Цельсию.
Сейчас, за несколько лет до начала эры грядущего устойчивого похолодания, наступила фаза неустойчивости, когда температура до 2013 года будет колебаться вокруг достигнутого максимума, далее существенно не повышаясь. В 2008 году глобальная температура на нашей планете не только не поднялась, а снизилась вследствие понижающегося и рекордно низкого уровня светимости Солнца за весь 30-летний период его измерений из космоса. Стабилизация глобальной температуры на Земле в 1998—2005 годах и тенденция ее постепенного снижения в 2006—2008 годах является неоспоримым доказательством того, что Солнце больше не может греть Землю как прежде, а антропогенное глобальное потепление — большой миф. 1998-2005 годы, оказавшиеся рекордно теплыми за всю полуторавековую историю наблюдения погоды, так и останутся на пике двухвекового потепления. К середине нынешнего столетия наступит новоиспеченный 19-й за последние 7500 лет малый ледниковый период типа маундеровского. Снижение глобальной температуры Земли произойдет и без ограничения объёмов выброса "парниковых газов" промышленно развитыми странами. Поэтому в Киотском протоколе пока нет нужды и его действия по спасению планеты от парникового эффекта следует отложить по крайней мере лет на 150. Однако изменение климатических условий на планете будет происходить неравномерно в зависимости от широты места. Понижение температуры в наименьшей степени затронет экваториальную часть Земли и сильно повлияет на зоны умеренного климата. В целом изменение климата не находится под контролем человека. Разумный способ бороться с этими переменами — поддерживать экономический рост ради того, чтобы приспособиться к чередующимся потеплениям — похолоданиям. Грядущее глубокое похолодание может смениться очередным двухвековым глобальным потеплением только лишь в начале XXII века.
Известный ход изменения среднегодовой глобальной температуры с 1850 по 2008 год относительно средней температуры 1961—1990 годов, равной +14 градусам по Цельсию.
Грядущее похолодание приведет к значительному уменьшению концентрации водяного пара (главного парникового газа) и углекислого газа в атмосфере, прямо зависящей от уровня температуры, а также к увеличению общей площади снежного и ледового покровов — росту среднего альбедо подстилающей поверхности. Вследствие чего величина поглощаемой солнечной энергии всей подстилающей поверхностью Земли и вклад парникового эффекта значимо сократятся. При этом следует ожидать резкое дополнительное усиление похолодания вследствие влияния этих вторичных факторов, являющихся прямым следствием двухвекового уменьшения величины солнечной постоянной — глобальных изменений на Солнце.
Поэтому нам следует усилить исследования этой самой сложной проблемы, которая когда-либо стояла перед наукой, особенно прецизионными измерениями глобальных солнечных параметров, поскольку количество поступающей на Землю солнечной энергии напрямую связано с величиной диаметра Солнца, то есть с площадью излучающей поверхности нашей звезды. Увы, наблюдать Солнце, не искаженное влиянием нестабильности земной атмосферы и колебательных процессов в ней, можно лишь из безвоздушного космического пространства. Поэтому только запланированные нами долговременные специальные прецизионные (с погрешностью ± 3—4 км) внеатмосферные измерения временных вариаций формы и диаметра Солнца в рамках российско-украинского проекта «Астрометрия» на Российском сегменте (РС) Международной космической станции (МКС), позволили бы дать более точный прогноз изменениям климата. При своевременной реализации проекта «Астрометрия» мы можем дать более точный прогноз времени и глубины предстоящего глобальнного похолодания климата Земли только лет через восемь, проведя в течение не менее половины нынешнего 24-го «короткого» цикла активные исследования временных вариаций формы и диаметра Солнца и интенсивности потока его излучения с борта РС МКС.
Таким образом, точное абсолютное значение радиуса Солнца является важнейшим фундаментальным параметром и может служить одним из основных индексов и индикатором как уровня активности, так и потока радиации. Поэтому долговременные высокоточные измерения абсолютной величины радиуса солнечного диска позволят более точно определить и величину солнечной постоянной и ее временные вариации в различных интервалах. При этом данные о спектре колебаний фундаментальных характеристик Солнца, а именно радиуса, сплюснутости, интегрального потока излучения, является основой для диагностики параметров его внутреннего строения, поскольку они характеризуют изменения внутренних слоев вплоть до ядра. Исследование спектра и понимание природы временных вариаций этих характеристик, и, следовательно, понимание строения Солнца и механической и энергетической нестабильности его состояния позволят изучить недоступные непосредственным наблюдениям глубинные глобальные процессы, протекающие в недрах Солнца, а также, используя солнечно-звездные аналогии, глубже понять механизмы переноса энергии из центра звезды к ее поверхности и природу процессов, протекающих в недрах звезд. При этом наблюдаемые долговременные вариации интегрального потока солнечного излучения, которые являются следствием соответствующих вариаций диаметра, – это еще одно важное неизученное связующее звено между Солнцем и звездами. Поэтому крайне важно исследовать первопричину долговременных вариаций солнечной постоянной, т.е. соответствующие временные вариации радиуса. Однако, не искаженные влиянием нестабильности земной атмосферы и колебательных процессов в ней, высокоточные однородные измерения абсолютной величины радиуса и его относительной вариации могут быть проведены только вне атмосферы Земли в условиях безвоздушного космического пространства. Поэтому, для исследования важнейших и наиболее актуальных фундаментальных проблем физики Солнца и астрофизики в целом, а также для более эффективного и точного исследования первопричины вариаций солнечной постоянной – временных вариаций формы и диаметра Солнца, нами разработан проект «Астрометрия» на Служебном модуле (СМ) Российского сегмента (РС) МКС (Абдусаматов Х.И. Оптический журнал. 2006. 73, № 4, С. 26 (J. Opt. Technol. 2006. 73, 236); Абдусаматов Х.И. и др. Известия РАН. Серия Физическая. 2007. 71, 611 (Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2007. 71, 596)).
