ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 5, с. 727-729
УДК 523.165
МИГРАЦИЯ СЕВЕРНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЮСА ЗЕМЛИ, ВОЗРАСТАНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ СО2 И ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА
В ДВАДЦАТОМ ВЕКЕ © 2015 г. С. С. Васильев, В. А. Дергачев
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе
Российской академии наук, Санкт-Петербург E-mail: sergey.vasiliev@mail.iojfe.ru; v.dergachev@mail.iojfe.ru
Анализируются кратковременные (~21 года) и долговременные вариации (десятки лет) температуры на Земле. Глобальный характер кратковременных вариаций температуры указывает на возможную связь этого явления с модулирующим действием солнечной активности на космические лучи. Обсуждаются механизмы долговременных изменений климата на Земле (возрастание концентрации углекислого газа в атмосфере, перемещение северного магнитного полюса Земли).
DOI: 10.7868/S0367676515050439
ВВЕДЕНИЕ
Общепринято, что причина глобального потепления — повышение концентрации парниковых газов в атмосфере из-за выбросов в атмосферу, связанных с индустриальной деятельностью [1]. Наиболее сильное воздействие на окружающую среду оказывают выбросы углекислого газа из-за сжигания ископаемого топлива [2]. Основной вклад в эмиссию СО2 вносит двуокись углерода, выделяющаяся при сжигании твердого и жидкого топлива [3].
Согласно оценкам Штерна [10], драматические изменения в окружающей среде произойдут, если концентрация двуокиси углерода в атмосфере превысит 450 ррт [4]. При этом глобальная температура увеличится более чем на 2°С по сравнению со средней температурой за период с 1951 по 1980 г. Так как в 2010 г. концентрация СО2 достигла 390 ррт и возрастает на 2—3 ррт в год, критическое значение концентрации будет достигнуто через 20—30 лет от настоящего времени.
Ясно, что возрастание концентрации двуокиси углерода в атмосфере является существенным фактором, определяющим изменение климата на Земле.
ИЗМЕНЕНИЕ ЗОНАЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР
В настоящее время получены данные по изменению глобальной температуры на Земле с 1880 г. по настоящее время [5]. Важный индикатор изменения климата — зональная температура, т.е. температура, усредненная в пределах какой либо широтной зоны. Существенное свойство температурных отклонений — присутствие двух компонент: осциллирующей и тренда. В осциллирую-
щей компоненте доминирующей является линия с периодом около 21 года. Это указывает на возможную связь кратковременных изменений температуры на Земле с 22-летним циклом солнечной активности. В этом случае должна существовать значимая корреляция между осцилляциями в обоих полушариях. Действительно, кратковременные изменения температуры в северном и южном полушариях коррелируют. Коэффициент корреляции г = 0.57. При числе степеней свободы п = 132 имеет место высокая значимость корреляции (ве-
1
роятность нуль гипотезы р < 0.0005). В качестве механизма влияния солнечной активности на климат можно рассматривать модулирующее действие солнечного ветра на поток космических лучей.
Кроме кратковременных осцилляций температуры имеет место долговременное изменение температуры (тренд). Существование тренда обычно приписывают парниковому эффекту двуокиси углерода. Сравнение температурного тренда и кривой изменения концентрации СО2 указывает на несоответствие тенденций на некоторых временных интервалах. По-видимому, имеются другие факторы, кроме парникового эффекта, влияющие на долговременное изменение температуры на Земле.
Далее мы будем анализировать только сглаженную компоненту температурных отклонений (тренды). После 1970 г. температура монотонно возрастает как в северном, так и в южном полушариях. Актуально в настоящее время рассмотрение поведения трендов на интервале 1970—2013 г. Обращает на себя внимание поведение темпера-
1 Нуль гипотеза — отсутствие взаимосвязи или корреляции между исследуемыми переменными.
728
ВАСИЛЬЕВ, ДЕРГАЧЕВ
Ц380 ^ 370 О 360 и 350 § 340 ^330
Я 320 &310
§ 300 ¡^ 290
84£ 82 |
80 2 78
76 0 о
74 &
72 Э
1900 1920 1940 1960 1980 2000 1910 1930 1950 1970 1990 Годы
Рис. 1. Графики изменения концентрации двуокиси углерода в атмосфере (квадраты) и широты северного магнитного полюса (кресты).
турных отклонений для полярной зоны. За 1970— 2013 г. прирост температуры превысил среднее значение по земной сфере на 1°С.
РЕГРЕССИОННЫЙ АНАЛИЗ ДАННЫХ
В данном разделе мы рассмотрим корреляцию между температурными отклонениями, концентрацией двуокиси углерода в атмосфере, а также положением северного магнитного полюса [6].
Сравнение будет проводиться между зональной температурой, которую обозначим через У, концентрацией СО2, и некоторыми другими параметрами, которые обозначим через Х1 и Х2.
У = аХ1 + ЬХ2. (1)
Такой подход называется множественной регрессией [7]. Он позволяет выяснить, какие параметры из (Х1, Х2) существенно влияют на изменение правой части соотношения (1). В настоящее время появились работы, в которых рассматривается связь изменения климата с положением северного магнитного полюса (СМП) (например, [8]). Поскольку изменение концентрации СО2 недостаточно полно объясняет изменение зональных температурных аномалий, расширим набор параметров {Х}, добавив в качестве второго параметра широту СМП. Основанием для включения широ-
Зависимость зональной температуры от концентрации С02 и широты СМП
Зона северного полушария дт/дс дТ/дЬ Я
0.671 0.726 0.99
Ю0°-Ш4° 0.757 0.189 0.97
N90°— экватор 0.827 0.0 0.98
ты СМП в набор параметров {Х} является подобие двух кривых:
1) изменения концентрации СО2 и
2) изменения широты магнитного полюса в 20-ом веке (см. рис. 1).
Рассматривалась зависимость зональных температурных отклонений от двух параметров: концентрации двуокиси углерода и широты северного магнитного полюса за период с 1970 по 2010 г. Результаты представлены в таблице, использованы следующие обозначения: д Т/ д С — частный коэффициент корреляции зональной температуры от концентрации СО2; д Т/ д Ь — то же, для зональной температуры и широты СМП; Я — коэффициент детерминации: величина, показывающая, какую долю вариаций независимой переменной (температуры) объясняют параметры правой части (СО2 и широта).
Как следует из таблицы (см. столбец 3), влияние положения полюса на зональную температуру в северном полушарии уменьшается по мере сдвига внешней границы зоны к экватору (см. столбец 1). Это говорит о том, что физический фактор, определяющий воздействие на зональную температуру, локализован в полярной области. Одним из таких факторов, определяющим процессы переноса в атмосфере в полярной зоне, являются Арктические осцилляции [9].
АРКТИЧЕСКИЕ ОСЦИЛЛЯЦИИ И ПОЛОЖЕНИЕ СЕВЕРНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЮСА
Арктические осцилляции (АО) — индекс изменения давления на уровне моря к северу от 20° северной широты (с.ш.). АО характеризуют аномалию давления в Арктике по отношению к давлению в более южных широтах северного полушария с центром измерения на 37°—45° с.ш. Имеются две фазы АО. Отрицательная фаза характеризуется повышенным давлением в стратосфере полярной зоны и сильным струйным течением на границе зоны повышенного и умеренного давления. Для положительной фазы характерно меньшее давление в стратосфере полярной зоны и менее интенсивное струйное течение. На рис. 2а показано, что на рассматриваемом временном промежутке годы с преимущественной положительной фазой появляются после 1970 г. Примерно в этот же период времени начинается монотонное возрастание температуры в северном полушарии, особенно в полярной зоне N 90°—N 64°. В 70-е годы начинается период быстрого возрастания температуры в северном полушарии, который заканчивается в 2010 г. В этот промежуток времени скорость увеличения температуры в северном полушарии превосходила скорость изменения в южном полушарии.
МИГРАЦИЯ СЕВЕРНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЮСА ЗЕМЛИ
729
2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0 0.5
0 ь.
1950
1960 1970 1980 1990 2000 2010
Годы
Рис. 2. Верхняя панель: АО индекс для холодного времени года (ноябрь—март). Нижняя панель: скорость изменения широты СМП (в градусах/год). Стрелки указывают на соответствие между положительными фазами АО и периодами ускоренного перемещения СМП.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ
Рассмотрены свойства температурных изменений на разных временных масштабах. Показано, что кратковременные флуктуации имеют временной масштаб ~21 года и происходят синхронно в северном и южном полушариях. Высказывается предположение о связи этих флук-туаций с воздействием солнечной активности на космические лучи. Долговременные изменения температуры обычно связывают с возрастанием концентрации углекислого газа в атмосфере. Из проделанного анализа следует, что увеличение температуры неоднозначно связано с повышением концентрации СО2. Мы провели регрессионный анализ данных по температуре, концентрации углекислого газа и широте северного магнитного полюса за 1970—2010 годы. Показано, зависимость зональной температуры от широты полюса значительно возрастает для полярной зоны ^ 90°—N 64°) по сравнению с зонами, охватывающими средние и субтропические широты ^ 90°-Ы 24°, N 90°—0°). Это позволило заключить, что процессы, дополнительно влияющие на изменение температуры, локализованы в полярной зоне. Была рассмотрена связь АО с изменением широты СМП. Показано, что изменение фазы АО происходит в периоды возрастания скорости перемещения СМП.
Для объяснения феномена быстрого возрастания температуры в северном полушарии сравним широту северного магнитного полюса и индексы АО (см. рис. 2). Видно, что в промежутки времени, когда широта полюса быстро возрастает (движение полюса ускоряется), АО переходит в положительную фазу (пониженное давление и менее холодный воздух в полярной зоне). Если сравнить изменения температуры для нескольких зон северного полушария, то станет ясно, что избыточное потепление в полярной ^ 90°—N 65°) и средней зоне северного полушария ^ 65°—N 44°) имело место одновременно с меньшим потеплением в субтропической ^ 44°—N 24°) и в тропической ^ 24°—0°) зонах. Таким образом, вырисовывается следующая картина, объясняющая эффект более сильного потепления полярн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.