CC BY
33
АСТРОНОМИЯ УДК 551.590.21
ВЛИЯНИЕ ПЫЛИ КОСМИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ НА ОБЛАЧНОСТЬ, АЛЬБЕДО И КЛИМАТ ЗЕМЛИ
В. И. Ермаков*^, В. П. Охлопков, Ю. И. Стожков**'
(НИИЯФ) E-mail: okhlopkov@taspd.sinp.msu.ru
Обсуждается влияние поступающей из космоса в атмосферу пыли на облачность, альбедо и климат Земли. Показано, что с этой пылью можно связать происходившие недавно и в далеком прошлом изменения климата. Дан прогноз о похолодании климата Земли в первой половине XXI века. Он сделан на основе результатов спектрального анализа температурных данных глобальной сети метеорологических станций за период 1880-2006 гг. с использованием информации о движении планет, которые контролируют поступление пыли из космоса в атмосферу Земли.
Введение
В последнее время широко обсуждается произошедшее в XX в. потепление климата Земли приблизительно на 1°С [1].
Настоящая работа посвящена анализу возможных причин изменения климата с целью объяснить произошедшее потепление климата и дать обоснованный прогноз его изменений в ближайшем будущем.
Изменения климата в прошлом
О том, как изменялся климат в последние 127 лет (период 1880-2006 гг.), имеются данные прямых наблюдений за температурой воздуха у поверхности Земли Тр, которые получены на глобальной сети метеорологических станций. Среднемесячные значения глобальной температуры Тр с 1880 г. по настоящее время опубликованы в [2]. Среднегодовые значения Тр представлены на рис. 1, а, из которого видно, что за указанный период произошло потепление климата приблизительно на 1°С.
На рис. 1, б показано, как изменялась температура воздуха Тр на ст. Восток в Антарктиде (нижняя кривая) в последние 420 тыс. лет [3]. Эти данные получены в результате изотопного анализа концентраций атомов О и Н в ледовых кернах скважины, пробуренной на глубину 3300 м. Из рисунка видно, что изменения температуры достигали шести и более градусов. Имеются также аналогичные данные изотопного анализа ледовых кернов из скважин, пробуренных в Гренландии, которые охватывают последние 100 тыс. лет [4].
В свою очередь на рис. 1,в показано, как изменялась температура воздуха в последние 520 млн
лет [5]. Для ее определения были использованы палеоклиматические данные. При сменах климата изменения температуры были более 5° С.
Как видно из рис. 1,а-в, климат Земли изменялся не только в XX в., но и в более далекие времена.
Антропогенное влияние на климат
Климатическая система Земли включает в себя атмосферу, Мировой океан и литосферу. Главным источником энергии, питающим климатическую систему, является Солнце.
По имеющимся оценкам, из-за антропогенного влияния на климат, которое связано с выбросами в атмосферу парниковых газов, за последние примерно 100 лет поток поступающей в климатическую систему энергии от Солнца возрос менее чем на 2.5 Вт/м2 [1, 6]. Этого увеличения недостаточно для объяснения произошедшего в XX в. потепления климата. Антропогенной деятельностью также нельзя объяснить «тонкую» структуру произошедшего в XX в. потепления климата. Как видно из рис. 1, а, в период 1880-2006 гг. потепление климата происходило не монотонно. В интервалах времени 1880-1910 и 1945-1975 гг. наблюдались похолодания, а в интервалы 1910-1945 и 1975-1998 гг. наблюдались потепления. Такие изменения климата трудно объяснить антропогенным влиянием, потому что в течение всего рассматриваемого периода антропогенное воздействие непрерывно возрастало.
Влияние солнечной активности на климат
Земли
Главным параметром, от которого зависит климат Земли, является поток радиации, приходящий
Центральная аэрологическая обсерватория Росгидромета, г. Долгопрудный, Московской обл. Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва.
Пыль на ст. Восток,
ррт
Температура, °С
-75 10
Рис. 1. Изменения глобальной приземной температуры воздуха, происходившие в последние 127 лет (а); изменения концентрации пыли и температуры воздуха на антарктической станции Восток за последние 420 тыс. лет [3] (б); изменения приземной температуры воздуха по палеоклиматическим
данным за последние 520 млн лет [5] (в)
к Земле от Солнца. Его характеризует солнечная постоянная 5. Точные измерения 5 проводятся со спутников, начиная с 1978 г. по настоящее время. Зависимость 5 за промежуток времени 1978-2002 гг. приведена на рис. 2 [7]. Из рисунка видно, что в 11-летних циклах, когда солнечная активность (числа Вольфа) менялась от своих максимальных значений до минимальных, вариации 5 были около 1 Вт/м2, или менее 0.1%. В соответствии с уравнением энергетического (теплового) баланса климатической системы Земли [8] этим вариациям 5 соответствуют изменения глобальной температуры Земли менее 0.05°С.
В [9] опубликованы вероятные вариации солнечной радиации за период 1700-1992 гг. В соответ-
ствии с этими данными в течение XX в. указанные вариации не превышали 3 Вт/м2, а их временной ход не совпадал с ходом глобальной температуры Земли за указанный промежуток времени.
Таким образом, произошедшее в XX в. потепление климата Земли нельзя объяснить не только антропогенным, но и прямым влиянием солнечной активности на климатическую систему Земли.
Влияние альбедо климатической системы
на климат
Достаточно большая часть приходящей к Земле от Солнца радиации отражается климатической системой обратно в космос и поэтому не участвует в ее нагреве. Чем больше отражательная способность
1367
1365 ...............................
1975 1980 1985 1990 1999 2000 2005
годы
Рис. 2. Изменения солнечной постоянной 5
климатической системы (альбедо), тем холоднее климат.
В работе [6] приведены графические зависимости, показывающие каким образом изменялись глобальное облачное покрытие и альбедо Земли в период с 1985 по 2004 г. С 1985 до 2000 г. происходило постепенное уменьшение облачного покрытия и альбедо Земли. С 2000 г. начался небольшой рост как облачного покрытия, так и альбедо. За период с 1985 по 2000 г. величина потока солнечной энергии, отраженной от Земли, уменьшилась на 7-8 Вт/м2.
На рис. 3 представлены среднегодовые значения глобальной температуры 7р, с которыми совмещены среднегодовые значения величины отраженной солнечной радиации, взятые из работы [6]. Этот
ТР, °С дА, Вт/м2
годы
Рис. 3. Изменения глобальной приземной температуры (черные точки) и величины отраженной солнечной радиации [8]
рисунок показывает, что происходившее потепление климата в течение 1985-2004 гг. можно связать с имевшими место в то время вариациями отраженной от Земли солнечной радиации. Из него видно, что потепление климата приблизительно на 1°С могло произойти из-за уменьшения потока отраженной солнечной радиации на 14-16 Вт/м2. Соответствующее антропогенному влиянию увеличение потока радиации в климатической системе на величину менее 2.5 Вт/м2 составляет приблизительно 17% от величины 15 Вт/м2. Это значит, что вклад антропогенной деятельности в произошедшее потепление в XX в. менее 17% (или менее 0.17°С).
Из вышеизложенного следует, что происходившие изменения климата можно связать с изменением альбедо климатической системы Земли, так как между ними обнаруживается подтверждаемая наблюдениями связь.
Влияние пыли космического происхождения
на облачность, альбедо и климат Земли
Наиболее эффективно видимый солнечный свет рассеивают (и соответственно отражают обратно в космос) частицы атмосферного аэрозоля с радиусом г >0.1 мкм. В основном это капельки и кристаллы льда, из которых состоят облака и туманы. Кроме них в атмосфере присутствует большое количество твердого микродисперсного аэрозоля (так называемые ядра Айткена) или частиц пыли с радиусами га <0.1 мкм. Сами эти частицы в видимом свете практически невидимы, так как они незначительно рассеивают этот свет. В то же время они являются центрами конденсации водяного пара, на которых образуются обычные капли, хорошо рассеивающие видимый свет. По этой причине микродисперсная пыль (или частицы Айткена) играет одну из определяющих ролей в формировании облаков и поэтому от нее зависит климат Земли.
Между концентрацией пыли в атмосфере и глобальной температурой существует противофазная связь. Как видно из рис. 1, а, после извержений стратовулканов, во время которых забрасывалось в стратосферу большое количество пепла (микродисперсной пыли), в промежутке от 1 до 3 лет наблюдались понижения глобальной температуры Земли на 0.1-0.15°С. Противофазную связь подтверждают также результаты анализа ледовых кернов из скважин, пробуренных на ст. Восток (Антарктида) (рис. 1,6). На этом рисунке представлены зависимости от времени концентрации пыли и температуры на ст. Восток за последние 420 тыс. лет [3]. Аналогичная противофазная зависимость получена и для Гренландии за последние 100 тысяч лет [4]. Эти наблюдения свидетельствуют о том, что чем больше пыли в атмосфере, тем холоднее климат.
Обнаруженную выше противофазную связь между пылью и температурой нельзя объяснить влиянием пыли земного происхождения.
Кроме земных источников пыли, поступающей в атмосферу, существует другой источник — космос. Пыль из открытого космоса поступает в атмосферу в процессе движения Земли вокруг Солнца, которое происходит внутри зодиакального пылевого облака. Кроме того, она образуется в атмосфере Земли в результате разрушения метеорных потоков, с которыми сталкивается Земля.
Оценим количество космической пыли, которое вымывается из атмосферы с осадками за 1 год. Количество осадков, выпадающих на поверхность Земли, составляет величину приблизительно 5- 1014 т/год. Положим, что средний радиус капель в тех облаках, из которых идут осадки, равен 10 мкм, а средний радиус частиц Айткена (космической пыли), на которых растут капли, га и 0.03 мкм. Масса капли облака больше массы частицы Айткена в (4/3)тгг03ро/[(4/3)тгга3ра] и 1.5 • 108, где ро = 1 г/см3 — плотность воды, а ра = 0.25 г/см3 — плотность космической пылевой частицы [10]. Поэтому масса космической пыли, вымываемой из атмосферы с осадками, равна приблизительно 3 - 106 т/год. По данным различных наблюдений, количество пыли космического происхождения, поступающей в атмосферу, лежит в пределах (0.25-14) • 106 т/год [11].
Зодиакальное пылевое облако
Годовое обращение Земли вокруг Солнца происходит внутри зодиакального пылевого облака. Основным источником межпланетной пыли в этом облаке являются кометы, на движение которых влияет взаимное расположение планет. По этой причине планеты должны влиять на концентрацию пыли в зодиакальном облаке, а во временных вариациях этой пыли должны присутствовать биения, период которых зависит от периодов обращения планет. Эти же биения должны присутствовать и в вариациях глобальной температуры.
Спектральный анализ температурных
данных и прогноз изменения климата
в ближайшем будущем
Проведенный нами спектральный анализ температурных данных, представленных на рис. 1 , а, показал, что в нем присутствуют линии с периодами 194, 64, 32 и 21 год. Из них первые две линии по своей амплитуде являются определяющими.
Найденные спектральные линии мы идентифицировали с биениями периодов следующих пар тяжелых планет. Линия с периодом 194 г. идентифицирована с биениями пары Нептун-Плутон (198 лет),
линия 64 г. — пары Уран-Плутон (63 года), линия 32 г. — с полупериодом пары Уран-Плутон (31.5 года), и линия 21 год — с биениями пары Юпитер-Уран (20.8 года).
Найденные спектральные линии с периодами 194, 64, 32 и 21 год мы использовали для прогноза изменения климата в ближайшем будущем. Суммарная кривая глобальной температуры, построенная с учетом амплитуд, периодов и фаз этих линий, представлена на рис. 4. Из рисунка видно, что в ближайшие полвека будет происходить похолодание климата Земли. Оно составит приблизительно 0.5°С. При этом в 2020-е и 2040-е гг. должны наблюдаться небольшие потепления, во время которых могут иметь место засухи. Этот примерно 22-летний цикл наблюдается в засухах приблизительно с 1700 г.
13.4
1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040
гады
Рис. 4. Прогноз изменения климата Земли на ближайшие полвека. Тонкая кривая — среднегодовые значения глобальной приземной температуры Тр, жирная кривая — сумма основных гармоник Тр, рассчитанная до 2050 г.
Как показано в [6], с 2000 г. началось небольшое увеличение альбедо Земли, что свидетельствует о начале похолодания климата. Однако, по данным сети метеорологических станций, процесс похолодания в настоящий момент еще не наступил. По-видимому, это связано с инерционностью климатической системы.
Проведенный нами анализ данных по концентрации радиоизотопа бериллия 10Ве, полученных в Гренландии и в Антарктиде, показал наличие в них тех же периодов около 194, 64, 32 и 22 лет. В связи с этим сделанный выше прогноз о похолодании климата Земли в первой половине XXI в. получает дополнительное обоснование.
Взаимное расположение планет влияет не только на элементы орбиты Земли, но и на поступающую в атмосферу пыль космического происхождения.
Этим можно объяснить наличие периодов Милан-ковича 100 тыс., 43 тыс., 24 тыс. лет в вариациях концентрации пыли и температуры в Антарктиде (рис. 1,6). Происходившие изменения климата в последние 520 млн лет (рис. 1,в) можно связать с движением Солнечной системы через Галактику, в рукавах которой гигантских молекулярно-пылевых облаков больше, чем вне рукавов. Кометы из облака Оорта транспортируют эту пыль в зодиакальное пылевое облако и соответственно в атмосферу Земли [12-13].
Заключение
В работе изложен физический механизм влияния на облачность, альбедо и климат Земли поступающей в земную атмосферу пыли космического происхождения. Показано, что с вариациями концентрации этой пыли можно связать происходившие изменения климата. Дан прогноз о похолодании климата Земли в первой половине XXI в. Он сделан на основе результатов спектрального анализа температурных данных глобальной сети метеорологических станций за период 1880-2006 гг. с использованием информации о движениях планет, которые контролируют поступление пыли из космоса в атмосферу Земли.
Литература
1. Изменение климата. ЮНЕП РКИК ООН, 2003. С. 60.
2. ftp://ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/anomalies/ globaLmeanT^C.all.
3. Petit LR., JouzelJ., Raunaud D. et al. // Nature. 1999. 399. P. 429.
4. Fuhrer К., Wolff E.W., Johnsen S.J. 11 J. Geophys. Res. 1999. 104, N D24. P. 31043.
5. Veizer J., Godderts Y., Francois L.M. 11 Nature. 2000. 408. P. 698.
6. Palle E., Goode P.R., Montanes-Rodriguez P., Koonin S.E. 11 Eos. 2006. 87, N 4. P. 37.
7. Jain K., Hansan S.S. 11 J. Geophys. Res. 2002. A03105, doi 10.1029/ 203 JA 010222.
8. Lioy Ku-Nah. An introduction to atmospheric radiation. N. Y.; L., 1980; Jluoy Ку-Нан. Основы радиационных процессов в атмосфере. Л., 1984.
9. Hoyt D.V., Schatten К.Н. // J. Geophys. Res. 1993. 98, N All. P. 18895.
10. Аллен К.У. Астрофизические величины. М., 1977.
11. Parkin D.W., Titles D. 11 Science. 1968. 159. P. 936.
12. Ермаков В.И., Охлопков В.П., Стожков Ю.И. 11 Краткие сообщения по физике. М.: ФИАН, 2006. № 3. С. 41.
13. Мазеева O.A. // Астрономический вестник. 2004. 38, № 4. С. 37.
Поступила в редакцию 08.09.06
