Автореферат (Воздействие солнечных и межпланетных факторов на атмосферу и климат Земли)

На правах рукописиКАСАТКИНА Елена АлексеевнаВОЗДЕЙСТВИЕ СОЛНЕЧНЫХ И МЕЖПЛАНЕТНЫХ ФАКТОРОВНА АТМОСФЕРУ И КЛИМАТ ЗЕМЛИСпециальность 25.00.29 – Физика атмосферы и гидросферыАвторефератдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наук2Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном научномучреждении «Полярном геофизическом институте»Официальные оппоненты:Обридко Владимир Нухимовичдоктор физико-матемиатических наук,Федеральное государственное бюджетноеучреждение науки «Институт земногомагнетизма, ионосферы и распространениярадиоволн им. Н.В. Пушкова»Огурцов Максим Генадьевичдоктор физико-математических наук,Федеральное государственное бюджетноеучреждение науки «Физико-техническийинститут им.

А.Ф. Иоффе»Трошичев Олег Александровичдоктор физико-математических наук,Федеральное государственное бюджетноеучреждение «Арктический иантарктический научно-исследовательскийинститут»Ведущая организация:Федеральное государственное бюджетноеучреждение «Институт прикладнойгеофизики им. академика Е.К. Федорова»Защита состоится «19» мая 2016 г. в 16 часов на заседании диссертационного советаД 501.001.63 при МГУ им.

М.В. Ломоносова по адресу:119991, г. Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, 1, стр. 2, Физическийфакультет, ЮФА.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Физического факультетаМГУ.Автореферат разослан «14» января 2016 г.Ученый секретарьДиссертационного Совета Д 501.001.63В.Б.

Смирнов3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫДиссертация посвящена проблеме воздействия вариаций солнечной активностии межпланетных факторов на атмосферу и климат Земли. В частности, рассматриваетсяроль высыпания частиц космического и солнечного происхождения (солнечных игалактических космических лучей, космической пыли) в изменениях климата ипараметров полярной атмосферы (озоновый слой, азотные составляющие, атмосферноеэлектрическоеполе).Вработувключентакжераздел,связанныйспалеоастрофизическими и экологическими аспектами столкновения с Землей малыхнебесных тел Солнечной системы.Актуальность темыИзучение физических процессов и явлений, протекающих на Солнце и воколоземном космическом пространстве, а также их экологических аспектов, являетсячрезвычайно актуальным для решения многих проблем физики Солнца, астрофизики,астроэкологии,геофизики,климатологии,метеорологии,дендрохронологии,биофизики.

Процессы, происходящие в ближнем космосе, оказывают существенноевлияние на атмосферу и климат Земли, радиосвязь, спутниковые навигационныесистемы, биосферу, а также непосредственно на жизнедеятельность и здоровьечеловека.Солнце, являясь основным источником энергии, поступающей на Землю, играетрешающую роль в поддержании физических условий существования жизни на Земле –среде обитания человека.Сама проблема солнечно-земных связей (или проблема «космической погоды иклимата») имеет многолетнюю историю. В ХХ столетии большой вклад в исследованияв данной области внес выдающийся русский ученый А.Л. Чижевский [1976]. Затем втечение длительного периода данной проблеме не уделялось достаточного внимания.Одной из основных причин такого положения явилось отсутствие ясного физическогомеханизма, а также, видимо, то обстоятельство, что воздействие космофизическихагентов на атмосферу и климат носит нелинейный и многофакторный характер,поэтому поиск простых корреляционных связей в солнечно-земных взаимодействияхне всегда приводил к успеху.

Недооценка роли естественных факторов в измененияхокружающей среды способствовала возникновению и последующему доминированиюцелого ряда научных теорий, объясняющих глобальные изменения окружающей среды(озонная «дыра», «глобальное потепление»), исключительно только действием4антропогенныхисточников,вчастности,выбросомватмосферупродуктовжизнедеятельности человека (фреонов, парниковых газов – СО2, СH4 и др.).Следствием такого подхода явилось принятие рядом стран целого комплекса решенийна международном и межправительственном уровне, например, подписание Киотскогомеждународного протокола в 1997г., ограничивающего потребление энергии и выбросв атмосферу парниковых газов. Киотский протокол был ратифицирован 161 страноймира, в том числе и Россией, и вступил в силу 16 февраля 2005 г.Лишь в последние двадцать лет научное сообщество вплотную приблизилось кпониманию того, что на атмосферу и климат, наряду с антропогенными факторами,воздействует целый ряд плохо изученных внешних агентов естественного, в том числеи внеземного происхождения.

Причем, воздействие естественных (не антропогенных)факторов во многих случаях является более существенным, а результаты этоговоздействия – катастрофическими. Например, из палеоклиматических реконструкцийизвестно, что концентрация «парниковых» газов достигала максимальной величины впериоды межледниковья, аналогичные современной эпохе [Petit et al., 1999]. Что жекасается температурных изменений, то, согласно палеоклиматическим исследованиям,глобальное потепление, наблюдавшееся с конца прошлого века, не является чем-тоэкстраординарным, и климат нашей планеты уже испытывал более высокие значениятемпературы около 1000 лет назад, во время так называемого «средневековогоклиматического оптимума» (900 – 1300 гг.) [Клименко и др., 2001; Keigwin, 1996; Soon,Baliunas, 2003]. В этой связи особенно возрастает роль палеоклиматических, вчастности, дендроклиматических исследований в высоких широтах, где реакцияэкосистем на климатические изменения проявляется наиболее ярко.

Важность такихисследований определяется также тем фактом, что современное изменение климатаимеет сложную региональную структуру. Наиболее значительные различия врегиональных климатических вариациях наблюдались за последние 30-40 лет вАрктике [Анисимов, Белолуцкая, 2003; Overpeck et al., 1997]. Корреляционные связимежду явлениями солнечной активности и атмосферными и климатическимипараметрами также имеют характер пространственно-временной неустойчивости.Изучение высокоширотных палеоклиматических данных в связи с внешнимифакторами позволит оценить относительный вклад солнечной и антропогеннойсоставляющей в современные и будущие изменения глобального и региональногоклимата.Отметим,чтовнастоящеевремяактивнодискутируетсявопросонеэффективности использования методов Киотского протокола для сохранения5климата на современном уровне [Израэль, 2005; Сrutzen, 2006]. В связи с этим, впоследниенескольколетзаметновозросинтерескконтролируемомукомпенсирующему воздействию на климат за счет эмиссий сульфатных аэрозолей встратосферу, получившему название геоинженерии [Сrutzen, 2006; Eliseev, Mokhov,2011].

Такое контролируемое воздействие на климат допустимо только в том случае,если его возможные побочные эффекты (например, изменения в продуктивностирастительности, уменьшение озонового слоя) достаточно хорошо изучены. Природныманалогом такого воздействия могут рассматриваться вулканические извержения, атакже мощные солнечные протонные события класса GLE (Ground Level Events)[Касаткина и др., 1999; Shumilov, Kasatkina et al., 1996; Kasatkina, Shumilov, 2005;Shumilov, Kasatkina et al., 2011] и вторжение в атмосферу малых небесных тел (комет).Открытие в 1985 г.

озонной «дыры» (понижения общего содержания озона(ОСО) над Антарктидой) привело к подписанию в 1987 г. Монреальского протокола,согласно которому основные изменения в озоновом слое вызваны увеличениемвыбросов техногенных фреонов или хлорфторуглеродов (ХФУ) в атмосферу.Решениями протокола дальнейшее производство ХФУ было запрещено и практическисвёрнуто во всём мире к 2000 г. При этом роль естественных факторов в измененияхОСО была проигнорирована.

Потенциальная опасность уменьшения ОСО связана с егоспособностью поглощения ультрафиолетового излучения Солнца в УФ-Б диапазоне(280-315 нм). Известно, что уменьшение ОСО на 10% приводит к увеличению потокаУФ-Б на 20%, что, в свою очередь, может привести к существенному увеличению числаслучаев немеланомного рака кожи, возрастанию количества катаракт и некоторыхзаболеваний, связанных с ослаблением иммунной системы человека [Перов,Крученицкий, 1996; Зуев, 2006].

Понижение ОСО может также привести к гибелинекоторыхмикроорганизмов,вчастности,фитопланктонаизоопланктона,составляющих основу трофической цепочки пресноводных и морских экосистем [Smithet al., 1992; Williamson, 1996]. Увеличение УФ-Б может вызвать также изменения вгодичном росте деревьев, падение урожайности культурных и дикорастущих растений[Зуев, 2006]. Актуальность изучения озонового слоя диктуется также той ролью,которую играет озон в радиационном балансе планеты и в формированиитемпературных изменений в стратосфере.ИзучениесостоянияозоновогослоявАрктике,гдеегорольдляжизнедеятельности человека значительно возрастает, является актуальной задачейсовременныхисследованийвполярныхобластях.Отметим,чтоизучениючувствительности высокоширотной атмосферы к внешним воздействиям естественного6происхождения не уделялось достаточного внимания.В настоящее время в качестве основных космофизических факторов, влияющихна атмосферу и климат, рассматриваются солнечная радиация (включая волновой УФдиапазон) [Веретененко, Пудовкин, 1998; Lean et al., 1995; Haigh, 1996] и вариациисолнечных (СКЛ) и галактических (ГКЛ) космических лучей, промодулированныеизменениями межпланетного магнитного поля [Веретененко, Пудовкин, 1994;Касаткина и др., 1999; Лапшин и др., 2013; Shumilov, Kasatkina et al., 1996; Svensmark,Friis-Christensen, 1997; Tinsley, 2000; Carslaw et al., 2002; Kasatkina, Shumilov, 2005;Veretenenko, Thjel, 2005; Troshichev et al., 2008].

В качестве основных механизмоврассматриваются механизмы «триггерного» воздействия, т.е. воздействия на системудостаточно слабого сигнала, приводящего к выделению большого количества энергии.(Известно, что энергия, приходящаяся на изменчивую часть солнечного спектра, оченьмала по сравнению со средней энергией атмосферных процессов). В некоторыхмеханизмах обмен энергией между различными слоями атмосферы осуществляется припомощивнутреннихатмосферныхволнширокогоспектра(отакустико-гравитационных до планетарных), благодаря их способности распространяться назначительные расстояния от источника. Введение «триггерных» механизмов позволилорешить вопросы, связанные с энергетикой взаимодействий в проблеме влияниясолнечной активности на погоду и климат.Одним из недостатков предлагаемыхмеханизмов является то, что они плохо разработаны в количественном отношении.

Вчастности, при разработке таких механизмов следует учитывать то обстоятельство, чтомощные вулканические извержения, приводящие к значительным и длительнымизменениям аэрозольной концентрации в атмосфере, также могут оказыватьзначительное воздействие на характер солнечно-атмосферных связей.Среди других внешних воздействий на атмосферные параметры и климат Земли,по-видимому, следует учитывать и межпланетные факторы (космическая пыль, кометы,метеориты).