Имеющееся на данный момент сочетание основных климатообразующих факторов: геомагнитного поля Земли, излучения Солнца и галактического излучения позволяет в среднесрочной перспективе прогнозировать дальнейшее развитие засушливых областей в средних широтах.

Земля, как часть вселенной находится с ней в тесной взаимосвязи. Хотя современное состояние знания не позволяет с достаточной точностью выполнить прогностические расчеты, определенные наблюдения и тенденции на данный момент зафиксировать все же реально. Первые попытки научного подхода к анализу и прогнозированию были выполнены в начале прошлого века А.Л.Чижевским, попытавшимся связать изменения активности солнца с различными глобальными катаклизмами (засухи, наводнения, эпидемии и пр.). Под активностью солнца прежде всего понимаются солнечные пятна и процессы их сопровождающие (области сгущения магнитных силовых линий, заметно влияющих на течение реакций термоядерного синтеза, тепло и массоперенос и пр.), период появления которых составляет в среднем 11 лет.

Последствия влияния солнечной активности подразделяются на визуально-очевидные (магнитные бури, нарушения радиосвязи, сбои электронных приборов) и более сложного порядка, установление связей и закономерностей которых еще только предстоит сделать. Несмотря на относительно небольшой вклад энергетики изменений, вносимых рассматриваемыми возмущениями, несопоставимый, например, с энергетикой метеорологических процессов, солнечная активность определенно влияет на погоду и климат. Однако это не единственный фактор. Второй вид излучения – космические лучи, прежде всего протоны, ускоренные до колоссальных энергий.

На рисунке изображена схема, поясняющая итоговое взаимодействие. Возмущение магнитного поля Солнца затрудняет распространение космических лучей а его движение очищает гелиосферу от галактического излучения. Таким образом, в периоды высокой солнечной активности воздействие галактического излучения уменьшается. Поскольку распространение солнечного излучения занимает период около года, процесс взаимодействия отстает по времени от момента максимальной солнечной активности.

Когда поток солнечного излучения достигает Земли, имеет место магнитная буря, резкое уменьшение интенсивности галактического излучения, уменьшение облачного слоя. Последнее происходит потому, что в верхних слоях атмосферы уменьшается количество ионов, образованных галактическим излучением. Ионы работают как центры конденсации водяного пара и их отсутствие вызывает снижение вероятности образования облака. Описанный механизм многократно усиливает воздействие солнечного излучения на атмосферу, поскольку вызывает к жизни процессы с энергетикой, на порядки превышающей энергетику самого процесса (энергия переохлажденного пара, энергия конденсации, перераспределение солнечной энергии в процессах отражения света).

На все эти процессы фокусирующее действие оказывает собственное магнитное поле Земли. Именно сочетание упомянутых трех факторов и определяют текущую динамику движения воздушных масс и транспорта воды в атмосфере.

Наиболее обсуждаемой в настоящее время является теория взаимосвязи перечисленных факторов при следующем сочетании которых:

- слабое геомагнитное поле,
- относительно слабое солнечное излучение
- сильный поток галактического излучения

ведут к устойчивой широтной стратификации осадков (засушливые экваториальные районы и сильное увлажнение ближе к полюсам – с поправкой на неравномерность геомагнитного поля), а обратное сочетание – к более равномерному перераспределению влаги.

Тенденции изменений рассматриваемых полей на данный момент таковы, что с высокой вероятностью можно прогнозировать дальнейшее усиление широтной стратификации осадков, причем таковая динамика напрямую не связана с наличием или отсутствием эффекта глобального потепления.

Также с большей или меньшей степенью уверенности можно констатировать влияние на климат:

• Вариации радиуса и вытянутости земной орбиты. Расстояние от Земли до Солнца изменяется не только на масштабах времен порядка 100 миллионов лет, но и с периодом около 20 тысяч лет. При этом уровень летней инсоляции полушарий регулярно варьируется почти на 10% из-за удаления от Солнца.
• Колебания наклона земной оси. Наклон земной оси к плоскости орбиты составляет 23,5° и испытывает колебания величиной 1° за десятки и сотни тысяч лет. Эти изменения влияют на температурный контраст между высокими и низкими широтами.
• Парниковые газы в атмосфере. Удерживают инфракрасное излучение Земли, препятствуя его уходу в космос.
• Изменения ландшафтов. От характера земной поверхности и растительности на ней зависит количество рассеиваемого излучения и в конечном счете альбедо Земли. В частности, существенное влияние на ландшафт оказывают сельское хозяйство и урбанизация.
• Падения астероидов, крупные вулканические извержения, ядерные взрывы на поверхности Земли. Выброс аэрозолей в стратосферу уменьшает количество солнечной энергии, поступающей на Землю, а пыль в тропосфере увеличивает облачность — так называемый эффект «ядерной зимы». Продолжительность — от нескольких месяцев до десятков лет.

Хотя на настоящий момент невозможно оценить реальную роль всех перечисленных факторов, имеются достаточно серьезные попытки ближнесрочного прогнозирования развития ситуации. Так в предположении сохранения основных тенденций, существующих на данный момент прогноз динамики развития засушливых областей до 2050 г.г. выглядит следующим образом ( моделирование выполнено на суперкомпьютере в Институте космических исследований им. Годдарда, NASA, GISS, США).

имеет смысл сравнить прогноз со спутниковыми фотоснимками пожаров 2010 г. (NASA)

Иными словами при сохранении динамики основных климатообразующих факторов (солнечное, галактическое излучения и геомагнитное поле Земли) развитие ситуации в пользу широтной стратификации осадков практически предопределено. Еще раз подчеркнем:

• Наблюдаемые явления практически не связаны с глобальным потеплением, эффектом парниковых газов и пр., их вклад в этот процесс или не до конца доказан или минимален.
• Кардинально изменить ситуацию невозможно, энергия, находящаяся в нашем распоряжении на несколько порядков меньше энергетики рассматриваемых процессов. Возможны лишь некоторые локальные корректировки транспорта воды, например, при помощи технологий, описанных на данном сайте.
• Необходимо принять как данность, движение засушливых областей вглубь России. Статистически ситуация будет повторяться, причем во все возрастающих масштабах.

Хотя на данный момент существуют и альтернативные модели, лучше все-таки готовиться к худшему. В свете весьма вероятного изменения климата в среднесрочной перспективе (сокращение зоны лесов, выгорание всего, что может гореть) хорошо бы изменить философию жизни и природопользования, например это касается строительства (кто-нибудь видел в Болгарии, Турции или Саудовской Аравии деревянные постройки?), возделываемых культур и т.д. Совершенствование противопожарных служб, их обеспеченность техникой, внедрение новых технологий пожаротушения, например, с использованием систем искусственного увеличения осадков. Изменить отношение к воде и водным ресурсам. Это касается как элементарного приведение в порядок систем водопользования, так и более сложных аспектов – внедрение водосберегающих технологий, технологий рационального и многократного использования технологической воды, разработка новых источников питьевой и технологической воды, проведение мероприятий, способствующих накоплению воды, например в зимний период.

Магнитное поле Земли весьма сложным образом изменяется во времени и в пространстве. Состояние земного магнитного поля, временные вариации его напряженности контролируют и определяют протекание ряда процессов в системе Солнце – Земля. Магнитное поле Земли в промежутках времени, малых по сравнению с историческими эпохами, можно рассматривать как постоянное (или основное) поле с наложением на него переменного поля, напряженность которого на несколько порядков меньше напряженности поля постоянного. Наблюдаемые на поверхности Земли вариации магнитного поля вызываются изменениями процессов внешних по отношению к Земле, процессов, развивающихся в земной коре и процессов протекающих в ядре.

Наблюдения за состоянием магнитного поля производятся на наземной сети обсерваторий, выполняется непрерывная регистрация трех компонент магнитного поля. В обсерватории Эдинбург эпизодические наблюдения за магнитным полем были начаты в 1670 году. В обсерватории Лондон систематические наблюдения выполняются с 1820 года, обсерватория Иркутск работает с 1886 года. Дипольный магнитный момент Земли на 1995 год составлял 7,812·10²⁵ Гс·см³ (или 7,812·10²² А·м²), уменьшаясь в среднем за последние десятилетия на 0,004·10²⁵ Гс·см³ или на 1/4000 в год. Изменение магнитного момента по наблюдениям в Иркутске за 1900 – 2000 годы приведено на рисунке.

Напряжённость земного магнитного поля падает, причём неравномерно. За последние 22 года она уменьшилась в среднем на 1,7 %, а в некоторых регионах — например, в южной части Атлантического океана, — на 10 процентов. В некоторых местах напряжённость магнитного поля, вопреки общей тенденции, даже возросла. При исследованиях постоянного магнитного поля необходимо учитывать отклонения от поля диполя, имеющие на поверхности Земли характерный размер порядка 10 тыс. км – так называемые мировые магнитные аномалии (например, Сибирская, Бразильская, Канадская аномалии). Кроме мировых аномалии наблюдаются местные аномалии, связанные с намагниченностью горных пород земной коры (например, Курская магнитная аномалия).

При сохранении существующих тенденций изменения напряженности поля и движения магнитных полюсов в некотором будущем возможна инверсия магнитного поля. В прошлом инверсии магнитных полюсов происходили многократно и жизнь сохранилась. Вопрос в том, какой ценой. Если, как утверждается в некоторых гипотезах, во время перестановки полюсов магнитосфера Земли на некоторое время исчезнет, то на Землю обрушится поток космических лучей, что представляет опасность для обитателей суши и тем большую, если исчезновение магнитосферы будет сопряжено с истощением озонового слоя. Обнадёживает тот факт, что во время инверсии магнитного поля Солнца, произошедшего в марте 2001 года, полного исчезновения солнечной магнитосферы зафиксировано не было.

Активная область на Солнце – это совокупность изменяющихся структурных образований в некоторой ограниченной области солнечной атмосферы, связанная с усилением в ней магнитного поля от значений 10–20 до нескольких (4–5) тысяч эрстед. В видимом свете наиболее заметным структурным образованием активной области являются темные, резко очерченные солнечные пятна, часто образующие целые группы. Обычно среди множества более или менее мелких пятен выделяются два крупных, образующих биполярную группу пятен с противоположной полярностью магнитного поля в них. Отдельные пятна и вся группа обычно окружены яркими ажурными, похожими на сетку структурами – факелами. Здесь магнитные поля достигают значений в десятки эрстед. В белом свете факелы лучше всего заметны на краю солнечного диска, однако, в сильных спектральных линиях (особенно водорода, ионизованного кальция и др. элементов), а также в далекой ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектра, они значительно ярче и занимают большую площадь.

Протяженности активной области достигают нескольких сотен тысяч километров, а время жизни – от нескольких дней до нескольких месяцев. Как правило, их можно наблюдать практически во всех диапазонах солнечного электромагнитного спектра от рентгеновских, ультрафиолетовых и видимых лучей до инфракрасных и радио волн. На краю солнечного диска, когда активная область видна сбоку, над нею, в солнечной короне в эмиссионных линиях часто наблюдаются протуберанцы – огромные плазменные «облака» причудливых форм. Время от времени в активной области происходят внезапные взрывы плазмы – солнечные вспышки. Они порождают мощное ионизующее излучение (в основном, рентгеновское) и проникающее излучение (энергичные элементарные частицы, электроны и протоны). Высокоскоростные корпускулярные плазменные потоки изменяют структуру солнечной короны. Когда Земля попадает в такой поток, деформируется ее магнитосфера и возникает магнитная буря. Ионизующее излучение сильно влияет на условия в верхних слоях атмосферы и создает возмущения в ионосфере. Возможны влияния и на многие другие физические явления.

Используя данные некоторых методик в 2003 году было установлено, что в течение последних пяти 11-летних циклов количество пятен на Солнце должно было быть максимальным за последние 1 150 лет. Числа Вольфа за последние 11 400 лет определяются путем использования дендрохронологического датирования концентраций радиоуглерода.

Согласно этим исследованиям, уровень солнечной активности в течение последних 70-ти лет является исключительным — последний период со схожим уровнем имел место 8 000 лет назад. Солнце имело схожий уровень активности магнитного поля всего ~10 % времени из последних 11 400 лет, причем практически все предыдущие периоды были более короткими по сравнению с современным.

Восстановленная солнечная активность за последние 11 400 лет. Период высокой активности «солнечный оптимум» имел место примерно 8 000 лет назад.

Галактические космические лучи состоят из ядер различных химических элементов с кинетической энергией Е более нескольких десятков МэВ/нуклон, а также электронов и позитронов с Е>10 МэВ. Эти частицы приходят в межпланетное пространство из межзвёздной среды. Источником этих частиц являются сверхновые звезды нашей Галактики. Возможно, однако, что в области Е<100 МэВ/нуклон частицы образуются за счет ускорения в межпланетной среде частиц солнечного ветра и межзвездного газа. Дифференциальный энергетический спектр галактических лучей носит степенной характер.

Последние 400 лет наблюдается достаточно серьезное увеличение интенсивности космического излучения, попадающего в район нашей планеты. В первую очередь это ведет к образованию повышенных концентраций заряженных ионов в верхних слоях атмосферы, которые работают как центры конденсации водяного пара и как следствие – образованию облаков. Однако естественно роль космического излучения этим не ограничивается.

Основными источниками первичных космических лучей являются взрывы сверхновых звезд. Большие энергии (до 10¹⁶ эВ) галактических космических лучей объясняются ускорением частиц на ударных волнах, образующихся взрывах сверхновых. Природа космических лучей сверхвысоких энергий пока не имеет однозначной интерпретации. Интенсивность космических лучей на больших интервалах времени была постоянна в течение ~10⁹ лет. Однако, появились данные, что 30-40 тыс. лет тому назад интенсивность космических лучей заметно отличалась от современной. Пик интенсивности связывают со взрывом близкой к Солнечной системе (~50 пк) Сверхновой.

1. Вальдмайер М. Результаты и проблемы исследования Солнца.
2. Кокоуров В.Д. Многолетние изменения в системе Солнце – Земля
3. Харгвривс Д.К. Верхняя атмосфера и солнечно-земные связи. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. 351 с.
4. Чижевский А.Л. Земное эхо солнечных бурь. М.: Мысль, 1976. 366 с.
5. Jasper Kirkby. Cosmic rays and climate
6. Near-Earth Heliosphere Data
7. Willson R.C., Mordvinov A.V. Tim-Frequency Anflysis of Total Solar Irradiance Variations // Geophys. Res. Let. 1999. v. 26. pp. 3613-3616