CC BY
52
УДК 551.521.31:551.510.534:630*552:523.682.4
А. Г. Канатьев, Е. А. Касаткина, О. И. Шумилов
ВОЗДЕЙСТВИЕ СОЛНЕЧНЫХ И МЕЖПЛАНЕТНЫХ ФАКТОРОВ НА КЛИМАТ СЕВЕРА РОССИИ
Аннотация
В работе приведены исследования воздействия солнечных и межпланетных факторов на климат севера России. Отмечается региональность характера влияния солнечной активности. Подтверждается возможность применения дендрохронологического анализа для исследования последствий столкновений с малыми небесными телами.
Ключевые слова:
климат, солнечная активность, солнечные циклы, дендрохронология, болид, тунгусский метеорит, температура, кометное вещество, азот.
A. G. Kanatjev, E. A. Kasatkina, O. I. Shumilov
THE INFLUENCE OF SOLAR AND INTERPLANETARY FACTORS ON THE CLIMATE OF THE RUSSIAN NORTH
Abstract
The paper presents the research on the effects of solar and interplanetary factorinfluences on the climate of northern Russia. Marked regional character of solar activity influence. It confirmed the possibility of using dendrochronological analysis to study the effects of collisions with small celestial bodies.
Keywords:
climate, solar activity, solar cycles, dendrochronology, bolide, tunguska meteorite, temperature, cometary substance, nitrogen.
Введение
В последнее время особое внимание уделяется анализу отклика лесных экосистем на ожидаемые глобальные и региональные изменения климата с целью дать прогноз будущих климатических вариаций. Воздействие солнечных и межпланетных факторов играет огромную роль в изменениях климата и окружающей среды. В качестве основных космофизических факторов, влияющих на климат и состояние атмосферы, рассматривается солнечная радиация [1-4] и интенсивность солнечных (СКЛ) и галактических (ГКЛ) космических лучей, изменяющих величину облачного покрова атмосферы. Проявления солнечной активности в климатических вариациях носят региональный характер и наиболее ярко выражены в зонах температурных контрастов подстилающей поверхности, например, вблизи границы океан-материк. Кроме перечисленных агентов, на климат влияют также межпланетные факторы: астероиды, болиды, кометы и т. д., при этом столкновение с Землей относительно больших астероидов и комет рассматривается в качестве одной из основных опасностей, угрожающих человечеству. Например, столкновение с Землей небесного тела размером 50 м в диаметре может привести
к уничтожению практически всего живого на территории площадью до 2000 км , как это произошло во время Тунгусской катастрофы 30 июня 1908 г. Наши результаты впервые указывают на возможность применения дендрохронологического анализа для исследования последствий столкновений с малыми небесными телами размерами до 100 м.
Проявления циклов солнечной активности на севере России
В различных районах Кольского п-ова получено более 120 древесно-кольцевых хронологий (~ 2000 образцов сосны, ели и можжевельника). Для получения каждой хронологии использовалось в среднем 15-30 древесных образцов. Все серии обработаны в соответствии с общепринятыми международными стандартами на собственном измерительном комплексе [5-7] и на специальной установке (микрометрический винт) с использованием пакета программ, разработанного в Колумбийском университете, США [8, 9]. На рис. 1 приведена древесно-кольцевая хронология (1445-2005 гг.), полученная в результате такой обработки образцов сосны, собранных в районе ст. Лопарская [10].
Рис. 1. Индексы изменчивости ширины годичных колец сосны Pinussylvestris с 1445 по2005 гг., ст. Лопарская (68°37ТЧ; 33°14'Е), Кольский п-ов: а — индексы прироста колец; б — количество образцов
Как видно из рис. 1, температура (или ширина колец) в интервалах 14801560 гг., 1730-1790 гг. и 1930-1960 гг. была выше, чем в конце ХХ столетия. Таким образом, наши результаты согласуются с выводом о том, что ранее (в доиндустриальную эру) значения температур были выше современных. Видно, что минимумы солнечной активности Шперера (1416-1534), Маундера (1645-1715) и Дальтона (1801-1816) [11] сопровождались похолоданием на Кольском п-ове (понижения температуры, уменьшение радиального прироста). Отметим, что кроме указанных агентов необходимо учитывать также влияние на климат больших вулканических извержений [10, 12].
Наиболее значительное уменьшение годичного прироста (на 25 % по отношению к предыдущему году) имело место в 1601 г., что явилось следствием извержения вулкана Уайнапутина в Перу в феврале-марте 1600 г., самого мощного за последние 500 лет. Интересно отметить, что значительное снижение древесного прироста во временном интервале 1780-1830 гг. совпало по времени не только с Дальтоновским минимумом солнечной активности, но и с двумя мощными извержениями вулканов Лаки в 1783 г. (Исландия) и Тамбора в 1815 г. (Индонезия) [10, 12], которые привели к значительным социальным и климатическим эффектам.
Для сравнения приведены вариации глобальной поверхностной температуры за период 1860-2005 гг. (рис. 2) и региональной температуры на Кольском п-ове (65-75°с. ш.; 25-35° в. д.) за период 1880-2002 гг. (рис. 3) [10]. Данные о вариациях температуры взяты с сайта Глобальной климатологической сети (GlobalHistoricaЮПmatologyNetwork) и являются результатом усреднения спутниковых и наземных измерений.
При сравнении рис. 1-3 можно выделить следующие климатические изменения, имевшие место в прошлом:
а) понижение величины годичного прироста во время Шпереровского, Маундеровского и Дальтоновского минимумов солнечной активности в начале XIX в. [10];
б) понижения годичного прироста деревьев, совпадающие также с извержениями мощных вулканов — Уайнапутина (1601), Тамбора (1815) [10, 12];
в) отчетливый отклик годичного прироста на температурный максимум в 1930-1960 гг. [10];
г) не наблюдается такого отклика на глобальное потепление в течение последних 25 лет: после 1960-х годов наблюдается заметное расхождение между кривыми глобальной и региональной температур и кривыми радиального прироста деревьев для всех серий Кольского п-ова [10].
0.8 I-'-т-т-,-т-,-т-■-т-■-,-
0.6 ] 0.4 , Л Г' ■
Ч 0.2
1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 Год
Рис. 2. Изменения аномалий глобальной температуры dT (°С) относительно средней величины за период 1951-1980 гг. Жирной линией нанесены средние
значения за 5 лет
3-1-1-1-1-1-г
_ т 1_1_I_I___I___I___1_•_I
1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 Год
Рис. 3. Изменения среднегодовых значений температуры Т (°С) на Кольском п-ове (65-75° с. ш.; 25-35° в. д.) за период 1880-2002 гг.
Следует отметить, что аналогичный эффект потери климатического отклика в годичном приросте деревьев после 1960-х гг. был получен также при анализе древесно-кольцевых хронологий п-ова Таймыр [9], а также для Субарктической зоны Северного полушария, причем для северных районов Сибири это расхождение наибольшее [13, 14]. Было указано на несколько причин таких расхождений:
1) возможное усиление водного стресса вследствие увеличения летней температуры [14];
2) увеличение количества осадков за зимний период, что обусловливает более поздний сход снежного покрова, и, как результат, снижение продукции древесины в течение сезона [13];
3) повышение уровня УФ-радиации [14], что приводит к замедлению процесса накопления биомассы вечнозеленых древесных растений [15-17].
Частота (1/год)
Рис. 4. Спектр древесно-кольцевой хронологии по сосне (Лопарская, 1445-2005 гг.). Цифрами обозначены периодичности в годах, имеющие достоверность более 99 % (жирная линия)
Что касается климатических изменений на Кольском п-ове, то здесь во второй половине ХХ в. если и наблюдалось некоторое потепление, то оно было незначительным (см. рис. 3). Этот факт в некоторой степени может объяснить потерю климатического отклика, наблюдаемую в древесно-кольцевых хронологиях Кольского п-ова с 1960-х гг.
На рис. 4 приведены результаты спектрального анализа древесно-кольцевой хронологии по сосне за период 1445-2005 гг. Видно, что в спектре присутствуют периодичности, близкие к основным циклам солнечной активности (11, 22 и 80-100 лет), а также период 5.4 года, который, скорее всего, связан с северо-атлантическим колебанием [10, 18].
Исследования последствий столкновений с малыми небесными телами
О применении дендрохронологического метода для изучения последствий экологических катастроф и регулярности событий, вызванных столкновениями с астероидами и кометами, сообщалось в ряде работ [19, 20]. Но все эти исследования посвящены климатическим изменениям глобального масштаба, которые проявились в резком похолодании климата и были вызваны столкновениями с космическими объектами больших размеров (более 500 м) [20]. Наши результаты впервые указывают на возможность применения дендрохронологического анализа для исследования последствий столкновений с гораздо более малыми небесными телами размером от нескольких до 100 м.
1906 1910 Годы
Рис. 5. Усредненная хронология изменчивости радиального прироста (индекса ширины годичных колец I на территории (60-75° с. ш., 90-110° в. д.) в период 1898-1918 гг. (а); древесно-кольцевые хронологии, по которым производилось усреднение (б) (99 %-е доверительные интервалы нанесены вертикальными линиями)
30 июня 1908 г. в районе бассейна реки Подкаменная Тунгуска (61°с. ш.; 102° в. д.) на высоте 5-10 км произошел взрыв космического тела [20]. Помимо разрушений, в районе Тунгусской катастрофы наблюдался ускоренный рост деревьев [21-24]. Наиболее общепринятая интерпретация этого явления связана с уменьшением плотности лесных насаждений в зоне катастрофы вследствие пожаров [21-23]. Другим возможным объяснением является предположение о том, что вещество Тунгусского космического тела (ТКТ) могло стимулировать рост растений в зоне катастрофы [21, 22]. Однако ничего или почти ничего неизвестно об ускоренном росте деревьев далеко за пределами зоны непосредственного разрушения. Для проверки этого эффекта были обработаны все имеющиеся в Международном дендрохронологическом банке данные, а также собственные хронологии, собранные на п-ове Таймыр (всего 68 древесно-кольцевых хронологий) [5, 9, 25]. Анализ дендрохронологических данных, приведенных на рис. 5, свидетельствует о значительном (112 %, Р < 10-8) увеличении древесного прироста в 1908 г. по отношению к среднему значению за предыдущие 10 лет.
1906 1910
Годы
Рис. 6. Усредненные хронологии изменчивости радиального прироста (индекса
ширины годичных колец I) за период 1898-1918 гг. на территории: а — 60-75° с. ш., 90-110° в. д.; б — 60-75° с. ш., 80-90° в. д.; в — 60-75° с. ш., 70-80° в. д.; г — 60-75° с. ш., 60-70° в. д. (99 %-е доверительные интервалы нанесены вертикальными линиями)
Рис. 7. Зона наблюдения ускоренного роста деревьев после падения Тунгусского космического тела: 1, 2 — территория, где величина прироста по отношению к среднему за предыдущие 10 лет значению составила 112 и 70 % соответственно;
3 — эпицентр взрыва; 4 — предполагаемые траектории полета и зона наблюдения оптических явлений, сопровождающих полет ТКТ [23]
Увеличение годичного прироста деревьев зафиксировано далеко за пределами зоны разрушения и охватывает огромную территорию (60-75° с. ш.; 90-110° в. д.). В зоне, расположенной на 10° западнее, увеличение годичного прироста деревьев снижается до 70 % (Р < 10-4) относительно средней величины (см. рис. 6). За пределами этой зоны эффект исчезает. Таким образом, приведенные данные свидетельствуют о том, что в 1908 г. наблюдался ускоренный прирост деревьев на громадной территории Сибири по площади, превышающей на три порядка зону Тунгусской катастрофы (см. рис. 7).
В качестве одной из основных причин радиального годичного прироста деревьев рассматривается увеличение летней температуры воздуха [9]. Для исключения этого эффекта были проанализированы имеющиеся данные о летних температурах воздуха для двух исследуемых событий. Выяснилось, что летом 1908 г., хотя и наблюдалось незначительное (до 9 %) повышение летней температуры воздуха по данным метеостанции г. Киренска (57.8° с. ш., 108.1° в. д.) в районе исследований, но это вряд ли могло стать причиной аномального (более 100 %) годичного древесного прироста (см. рис. 8).
Обнаруженный эффект можно было бы связать с распылением кометного вещества на больших площадях. Именно действием ионизированного пылевого хвоста кометы на верхние слои атмосферы Земли или прохождением Земли через облако космической пыли объясняются аномальные оптические явления, наблюдавшиеся в атмосфере над обширной территорией России и северо-западной Европы за несколько дней до и после Тунгусской катастрофы [21, 26]. Поиски распыленного вещества Тунгусского тела привели к открытию двух зон, обогащенных космической пылью, одна из которых находится
непосредственно в эпицентре катастрофы, а другая расположена в 80 км к северо-западу от него [27].
Физико-химический анализ образцов, взятых из района Тунгусской катастрофы, позволил обнаружить повышенное содержание некоторых редкоземельных элементов в смоле и кольцах деревьев, соответствующих 1908 г., которые могли бы стимулировать рост растений [22, 24, 28].Возможно, обнаруженное увеличение древесного прироста было вызвано выпадением на землю соединений азота, сыгравших роль удобрений [22, 23]. Окислы азота образуются в атмосфере при пролете болида в результате сжатия воздуха за фронтом ударной волны [22, 23].
19 17 15 13
19 17 15
13-
Рис. 8. Вариации летней температуры воздуха (1898-1918 гг.) по данным метеостанций: а — Киренск (57.8° с. ш., 108.1° в. д.); б — Вилюйск (63.8° с. ш., 121.6° в. д.); в — Иркутск (52° с. ш., 104° в. д.); г — Улан-Удэ (52° с. ш., 108° в. д.); Чита (52.1° с. ш., 113.5° в. д.)
Выводы
1. Понижение величины годичного прироста во время Шпереровского, Маундеровского и Дальтоновского минимумов солнечной активности в начале XIX в.
2. Понижения годичного прироста деревьев, совпадающие также с извержениями мощных вулканов: Уайнапутина (1601 г.), Тамбора (1815 г.).
3. Отчетливый отклик годичного прироста на температурный максимум в 1930-1960 гг.
4. Отсутствие отклика на глобальное потепление в течение последних
25 лет.
5. Зафиксировано увеличение годичного прироста деревьев после падения Тунгусского метеорита в июне 1908 г. далеко за пределами зоны разрушения, охватывающее огромную территорию (60-75°с. ш.; 90-110°в. д.).
Год>1
Литература
1. Веретененко С. В., Пудовкин М. И. Вариации прихода суммарной радиации в 11-летнем цикле солнечной активности // Геомагнетизм и аэрономия. 1998. Т. 38. С. 33-42.
2. Reid G. C. Solar total irradiance variations and the global sea surface temperature record // J. Geophys. Res. 1991. V. 96. P. 2835-2844.
3. Lean J. L., Beer J., Bradley R. Reconstruction of solar irradiance since 1610: Implications for climate change // Geophys. Res. Lett. 1995. V. 22. P. 3195-3198.
4. Douglass D. H., Clader B. D. Climate sensitivity of the Earth to solar irradiance // Geophys. Res. Lett. 2002. V. 29. P. 1029-1032.
5. Канатьев А. Г., Шумилов О. И., Касаткина Е. А. Программное обеспечение для дендрохронологических измерений // Приборы и техника эксперимента. 2014. № 2. С. 127-130.
6. Шумилов О. И. Палеоклиматический потенциал можжевельника Juniperus sibirica на Кольском полуострове / О. И. Шумилов [и др.] // Лесоведение. 2008. № 1. С. 52-59.
7. Kanatjev A. G. A measuring complex for tree-rings analysis / A. G. Kanatjev [et al.] // Abstr. of the 29-th Annual Seminar "Physics of Auroral Phenomena" (27 February — 3 March 2006, Apatity, Russia). 2006. P. 86.
8. Holmes R. L. Computer-assisted quality control in tree-ring dating and measurement: Tree-Ring Bulletin. 1983. V. 44; Cook E. R., Kairiukstis L. Methods of Dendrochronology. Dordrecht: Kluwer Academic Publishing, 1990. 69-75.
9. Jacoby G. Long-term temperature trends and tree growth in the Taymir region of Northern Siberia / G. Jacoby [et al.] // Quaternary Res. 2000. V. 53. P. 312-318.
10. Shumilov O. I. Palaeovolcanos, Solar activity and tree-rings from Kola Peninsula (Northwestern Russia) over the last 560 years / O. I. Shumilov [et al.] // Intern. J. Environmental Res. 2011. V. 5 (4). P. 855-864.
11. Shumilov O.I. Paleoclimatic potential of the northernmost juniper trees in Europe / O. I. Shumilov [et al.] // Dendrochronologia. 2007. V. 24. P. 123-130.
12. Касаткина Е. А. Последствия мощных вулканических извержений по дендрохронологическим данным / Е. А. Касаткина [и др.] // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2013. Т. 49, №4. С. 469-476.
13. Ваганов Е. А., Кирдянов А. В., Силкин П. П. Значение раннелетней температуры и сроков схода снежного покрова для роста деревьев в субарктической зоне Сибири // Лесоведение. 1999. № 6, С. 3-13.
14. Briffa K. R., Schweingruber F. H., Jones P. D. Reduced sensitivity of recent tree-growth to temperature at high northern latitudes // Nature. 1998. V. 391. P. 678-682.
15. Зуев В. В., Бондаренко С. Л. Взаимосвязь долгопериодной изменчивости озонового слоя атмосферы с обусловленной УФ-В воздействием изменчивостью плотности древесины // Оптика атмосферы и океана. 2001. Т. 14. С.1-4.
16. Зуев В. В. Биоиндикация стратосферного озона. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2006. 228 с.
17. Tevini M. Physiological changes in plants related to UV-B radiation: an overview. Stratospheric Ozone Depletion // UV-B Radiation in the Biosphere / Eds. R. H. Biggs, M. E. B. Joyner. Berlin: Springer-Verlag, 1994. P. 37-56.
18. Kasatkina E. A., Shumilov O. I., Krapiec M. On periodicities in long term climatic variations near 68 N, 30 E // Advances in Geosciences. 2007. V. 13. P. 25-29.
19. Аткинсон О. Столкновение с Землей. СПб.: Амфора, 2001. 399 с.
20. Baillie M. G. L. Dendrochronology raises questions about the nature of the AD 536 dust-veil event // The Holocene. 1994. V. 4. P. 212-217.
21. Vasilyev N. V. The Tunguska meteorite problem today // Planet. Space Sci. 1998. V. 46. P. 129-150.
22. Kasatkina E. A. Possible reflection of extraterrestrial body impacts in tree-ring chronologies / E. A. Kasatkina [et al.] // News of Forest History. 2008. V. 39. P. 55-56.
23. Боярчук А. А. Угроза с неба: рок или случайность? М.: Космосинформ, 1999. 220 с.
24. Nesvetajlo V. D. Consequences of the Tunguska catastrophe: dendrochronoindication inferences // Planet. Space Sci. 1998. V. 46. P. 155-161.
25. Касаткина Е. А., Шумилов О. И. Еще одна загадка Тунгусской катастрофы // Письма в ЖЭТФ. 2007. Т. 85. С. 255-259.
26. Бронштэн В. А. Тунгусский метеорит — осколок кометы Энке? // Земля и Вселенная. 1979. Т. 4. С. 49.
27. Васильев Н. В., Разин С. А. Что известно о Тунгусском метеорите // Земля и Вселенная. 1978. Т. 6. С. 37-41.
28. Longo G. Search for microremnants of the Tunguska cosmic body / G. Longo [et al.] // Planet. Space Sci. 1994. V. 42. P. 163-177.
Сведения об авторах
Канатьев Александр Геннадьевич,
младший научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты
E-mail: [email protected]
Касаткина Елена Алексеевна,
к. ф.-м. н., старший научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты
E-mail: [email protected]
Шумилов Олег Иванович
д. ф.-м. н., главный научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты
E-mail: [email protected]
