МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ
БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
КЛИМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
(АСТРОНОМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ)
Учебно-методическое пособие
Составитель
Л.М. Акимов
Воронеж
Издательский дом ВГУ
2016
Стр.1
СОДЕРЖАНИЕ
Введение (Классификация климатообразующих факторов).............................. 4
1. Роль солнечной активности в формировании общей циркуляции
атмосферы как одной из составляющих климатической системы .................. 7
1.1. Общие сведения о солнечной активности........................................... 8
1.2. Прогностические возможности солнечной активности...................12
2. Астрономические факторы ............................................................................18
2.1. Влияние орбитальных параметров Земли на приток солнечной
радиации на верхнюю границу атмосферы и климат планеты ..............18
Библиографический список ...............................................................................31
3
Стр.3
рактеристик орбитального движения и собственного вращения Земли, что
приводит к колебаниям энергии, поступающей от Солнца на верхнюю границу
атмосферы. Определенную роль играет и внешнее магнитное поле.
Вторую группу внешних климатообразующих факторов составляют геофизические
факторы. Это размер и масса Земли, собственные гравитационные
и магнитное поля Земли, внутреннее тепло, определяющее геотермические
источники тепла.
Каждый из перечисленных факторов обладает своей «памятью» и
длительностью последействия. Все звенья климатической системы находятся
в очень сложной взаимосвязи и взаимозависимости друг к другу.
Сложность и неоднозначность связей внутри климатической системы, постоянная
эволюция ее компонентов с различной инерционностью является
причиной многих климатических изменений, влекущих за собой последствия
различного масштаба.
В качестве индикатора изменения климата, как правило, используют
изменение средней глобальной температуры. При этом речь может идти
только о самых значительных событиях, следы которых сохранились до
наших дней в различных геологических, геоморфологических, геохимических
и геофизических признаках (ледниковые и межледниковые периоды).
Наиболее длительные климатические колебания обуславливаются
внешними факторами. Возникающие при этом вариации погодных условий
имеют временные масштабы от нескольких лет до миллионов лет.
К внешним относят, прежде всего, астрономические факторы, которые
в свою очередь зависят от объектов, обладающих по характеру влияния,
более крупными глобальными последствиями.
6
Стр.6
1. РОЛЬ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ В ФОРМИРОВАНИИ
ОБЩЕЙ ЦИРКУЛЯЦИИ АТМОСФЕРЫ КАК ОДНОЙ
ИЗ СОСТАВЛЯЮЩИХ КЛИМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Научно установлено, что единственным внешним источником
энергии для климатической системы является солнечная энергия. Количество
ее поступления на внешнюю границу атмосферы определяет, в главных
чертах, распределение температуры на поверхности Земли и в атмосфере.
При
этом приход солнечной радиации в свою очередь зависит от многих
причин, способных существенно экранировать ее поступление, а, следовательно,
и перераспределение тепла внутри климатической системы на
планете. Изменение солнечной постоянной на 1 % приводит к изменению температуры
Земли на 1–2 K. В результате возникает значительное разнообразие климатических
условий.
Рис. 1. Данные прямых измерений солнечной постоянной 2010–2011 гг.
7
Стр.7
1.1. Общие сведения о солнечной активности
Как было показано выше, современный климатический режим формируется
под влиянием различных факторов, тем или иным способом связанных
с влиянием Солнца и оказывающих влияние, как на длительные монотонные
изменения климата, так и относительно кратковременные периодические
(ритмические) воздействия.
Один из аспектов влияния Солнца на климат связан с изменениями
солнечной активности. Принимается во внимание, что при практически
неизменной солнечной постоянной могут значительно колебаться потоки
радиации в ультрафиолетовой области и в некоторых других участках спектра.
Данному
фактору приписывают происхождение почти всех колебаний
современного климата и колебаний климата геологического прошлого. Но,
хотя ученые занимаются влиянием солнечной активности на атмосферные
процессы уже давно, до сих пор не удается ответить на многие вопросы.
Если в прошлом столетии считали, что знают о Солнце все, то нынешнее
обилие новых данных, полученных с космических аппаратов, значительно
изменило эти представления.
В настоящее время установлено, что Солнце находится в постоянном
движении: упорядоченном или хаотическом. Для активного Солнца характерны
упорядоченные движения, при хаотическом состоянии – оно спокойно.
Однако однозначно установить границу между этими движениями пока
не представляется возможным.
Согласно современным теоретическим представлениям, источником
лучистой энергии Солнца являются реакции термоядерного синтеза, которые
протекают в его центральных областях. Строение Солнца является
многослойным. По характеру переноса излучения к поверхности внутри
8
Стр.8
Солнца выделяются две радиальные зоны: внутренняя – зона лучистого
равновесия, здесь перенос энергии к поверхности осуществляется радиационным
путем, и внешняя – конвективная зона, где ведущим процессом
энергообмена является перенос вещества. Считается, что именно конвективный
характер теплообмена в поверхностных слоях способствует возникновению
всех нестационарных процессов на Солнце, которые относятся к
проявлениям солнечной активности. Таким образом, солнечная активность
к ядерному синтезу, протекающему в недрах Солнца, прямого отношения
не имеет, она формируется во внешней зоне.
Структура внешних оболочек Солнца, откуда поступает энергия к
Земле весьма сложна. Поверхностные слои Солнца и более глубокие его
части даже вращаются с неодинаковой скоростью. Самая верхняя часть
конвективной зоны называется фотосферой. Она является основным источником
излучаемой энергии. Нагретая до 6000 К, совершает оборот за
27 суток. Толщина фотосферы составляет около 400 км. Она практически
непрозрачна.
Выше расположена более прозрачная плазма – хромосфера, толщина
которой составляет 5–10 тыс. км. Этот слой прозрачен для непрерывного спектра
и имеет неоднородную волокнистую структуру. Вследствие резкого падения
плотности солнечной плазмы в хромосфере наблюдается увеличение скорости
теплового движения частиц и соответствующее возрастание температуры
с высотой.
Последний наиболее разряженный слой солнечной атмосферы, нагретый
до чрезвычайно высоких температур носит название короны. В ней
имеет место инверсия температуры.
Солнечная корона находится постоянно в динамическом равновесии: вещество
солнечной плазмы втекает в неё у основания из хромосферы и выбрасывается
из её внешних частей в мировое пространство,
9
Стр.9
Граница солнечной короны с космическим пространством условна. Разрежаясь,
она распространяется на огромные расстояния, а потоки плазмы, исходящие
из короны, достигают Земли, вызывая солнечный ветер и образуя в
околоземном пространстве магнитные поля солнечного происхождения.
Солнечный ветер состоит из протонов, электронов и α-частиц. Скорость
истекания солнечного ветра и его плотность испытывают значительные колебания,
создающие колебания солнечной активности, от которых зависят толщина
и форма солнечной короны.
В фотосфере происходит вихревой и конвективный обмен с расположенными
ниже слоями Солнца. Это создает неравномерность распределения
температур в прилегающих к солнечному экватору областях, и замкнутые
области пониженных температур – более темные солнечные пятна. Их
окружают более нагретые, по сравнению со средним фоном для фотосферы
– факелы.
По данным спутниковых наблюдений соотношения между площадями
пятен и факелов могут менять солнечную постоянную до 0,3 %. Кроме
того, в активных областях Солнца развиваются мощные магнитные поля.
В настоящее время о величине солнечной активности судят по ее
внешним проявлениям. Наиболее известными из них являются солнечные
пятна. Они были открыты Галилеем еще в начале XVII века, но до конца
механизм их образования не ясен.
Чаще всего пятна встречаются группами. Около 90 % из них являются
бинарными, состоящими из двух основных пятен: ведущего и хвостового.
Первое из них расположено в западной части группы, то есть, в её голове,
второе находится сзади, или в хвосте.
Наличие бинарных групп является отражением дипольной структуры
локальных магнитных полей, порождающих пятна. Если лидирующее пятно
имеет положительную магнитную полярность, то ведомое – отрица10
Стр.10