ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2004, том 44, № 5, с. 683-689
УДК (523.98 + 551.542 + 551.590.21)(98)
СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ И МНОГОЛЕТНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПРИЗЕМНОГО ДАВЛЕНИЯ ВОЗДУХА В СЕВЕРНОЙ ПОЛЯРНОЙ ОБЛАСТИ
© 2004 г. А. Г. Егоров
Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт, С.-Петербург
Поступила в редакцию 26.03.2003 г.
После доработки 16.04.2004 г.
Исследованы многолетние изменения приземного давления воздуха в северной полярной области в соответствии со структурой солнечного цикла. Показано, что усиление активности Солнца в солнечном цикле сопровождается увеличением или уменьшением давления атмосферного воздуха относительно узловой линии, что позволяет рассматривать эти изменения как колебания по типу барической волны. Характерной особенностью узловой линии является ее последовательное перемещение над акваторией Северного Ледовитого океана в течение 20-го столетия. Многолетняя эволюция барической волны регулирует интенсивность массообмена между умеренными и высокими широтами, что сопровождается периодами потепления и похолодания Арктики соответствующих временных масштабов. Пространственные различия изменений давления в четных и нечетных циклах солнечной активности делают возможным интерпретацию барической волны в северной полярной области как естественного посредника, соединяющего циркуляцию приземной атмосферы северной части Атлантического океана и северной части Тихого океана в единую колебательную систему.
1. ВВЕДЕНИЕ
Эволюция глобального и полярного климата в течение 20-го столетия обычно рассматривается как результат влияния антропогенных факторов, возрастающая нагрузка которых на окружающую природную среду сопровождается повышением температуры воздуха на Земле. Возможные сценарии климатических изменений рассматриваются как следствие различных по интенсивности и продолжительности выбросов продуктов человеческой деятельности в приземную атмосферу [Climate Change, 2001]. Однако односторонняя "антропогенность" в объяснении причин колебаний климата не способна объяснить все пространственно-временное разнообразие этого природного явления и не позволяет по достоинству использовать эвристический потенциал альтернативных научных гипотез [Кондратьев, 2001]. В частности, представляется недостаточным внимание к исследованиям естественного, самодостаточного характера природных колебаний, например, под воздействием собственных ритмов солнечной активности [Витинский и др., 1976; Herman and Goldberg, 1978]. Работы последнего времени [Reid, 1997; Frohlich and Lean, 1998; Laut and Gundermann, 1998; Soon et al., 2001] объективно свидетельствуют об эффективном воздействии солнечной активности на изменения земного климата. Вместе с тем, отсутствие общепризнанной теории, объясняющей природу воздействия активности Солнца
на гидрометеорологическую оболочку Земли, является серьезным препятствием, снижающим активность исследований по солнечной детерминации глобального и полярного климата [Lockwood and Stamper, 1999].
Целью настоящего сообщения является анализ особенностей функционирования колебательного циркуляционного механизма, который можно интерпретировать как естественный инструмент трансформации собственной ритмики солнечной активности в вынужденные изменения климата в Арктике. Как известно, исследования солнечно-земных связей показали, что солнечнообуслов-ленные изменения приземного давления воздуха (и связанных с ним гидрометеорологических показателей) могут быть объяснены как колебания по типу стоячей волны, имеющей общепланетарный характер [Гасюков и Смирнов, 1967; King et al., 1977]. Анализ многолетней эволюции этой барической волны в северной полярной области в течение 16-23-го солнечных циклов может способствовать выяснению естественных причин изменения современного климата высоких широт.
2. БАРИЧЕСКАЯ ВОЛНА В ПРИЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЕ АРКТИКИ
В работе используются данные о среднемесячных значениях приземного давления воздуха за октябрь-апрель 1923-2002 гг. в узлах регулярной сетки с шагом 400 км. Всего в северной полярной
Аномалия давления, мб
Рис. 1. Распределение во времени барических аномалий при увеличении (сплошная линия) и уменьшении (штриховая линия) давления воздуха с ростом солнечной активности в солнечном цикле (жирные линии -полином 4-ой степени).
области к северу от 60-ой параллели расположено 195 таких узлов. Эта информация является одной их основных, традиционно используемых в ААНИИ при макроциркуляционной диагностике метеорологических условий, а также при ледовом прогнозировании, в частности, для автоматизации поиска оптимальных предсказателей [Ковалев и др., 1981].
Как показал анализ, в естественной изменчивости атмосферной циркуляции в северной полярной области присутствует многолетняя составляющая, закономерно настроенная на структуру солнечного цикла. Основным инструментом такого природного упорядочивания является пространственное перераспределение приземного давления атмосферного воздуха между годами повышенной и пониженной активности Солнца внутри солнечного цикла. Резкое усиление солнечной активности в течение нескольких лет около циклического максимума (от -1 до +2 года солнечного цикла) сопровождается формированием аномалий приземного давления воздуха в приатланти-ческой Арктике. При этом наблюдаются два варианта изменений: при одном из них с усилением солнечной активности давление увеличивается, при другом - уменьшается (рис. 1). Первый сценарий - прямой солнечно-барической связи - наблюдался в течение 18-го, 20-го, 21-го и 23-го (еще не закончившегося) солнечного цикла, а второй сценарий - обратной солнечно-барической связи - наблюдался в течение 16-го, 17-го, 19-го и 22-го солнечного цикла.
Специально оговорим, что исходный физический механизм, посредством которого солнечная активность оказывает воздействие на изменение атмосферной циркуляции и формирование аномалий приземного давления воздуха, современной науке до сих пор неизвестен. Видимо, внеш-
нее воздействие по типу "спускового курка" [Чижевский, 1995] не столько производит дополнительную работу, сколько перераспределяет ту энергию, которая запасена в атмосфере по чисто земным причинам [Солнечно-земные..., 1982]. И хотя уровень гидрометеорологических исследований по проблеме Солнце-Земля вызывал обоснованную и аргументированную критику [Хромов, 1973; РШюск, 1978], все-таки выскажем предположение, что эффективные поиски естественных причин изменения климата весьма затруднительны без учета воздействия солнечной активности.
Таким образом, в зависимости от распределения барических аномалий солнечный цикл может быть разделен на две части: фаза повышенной активности (от -1 до +2 года) и фаза пониженной активности (до -1 года и после +2 года). Годам с усиленной и ослабленной активностью соответствует различное распределение приземного давления воздуха. Разница между этими двумя полями показывает, какие многолетние изменения атмосферного давления происходят в течение солнечного цикла при усилении солнечной активности. В пространстве северной полярной области солнечно обусловленные изменения давления проявляются как барические колебания противоположного знака относительно некоторой узловой линии, вблизи которой изменения давления в течение солнечного цикла отсутствуют (рис. 2). Усиление солнечной активности сопровождается барическими колебаниями в Арктике по одному из двух противоположных сценариев: при режиме обратной солнечно-барической связи к западу от узловой линии - со стороны Атлантического океана - давление уменьшается, а к востоку от узловой линии - со стороны Тихого океана - давление увеличивается; при режиме прямой солнечно-барической связи наблюдается противоположная картина: к западу от узловой линии давление увеличивается, а к востоку от нее - уменьшается.
Как видно, изменение давления при усилении солнечной активности характеризуется наличием двух микробарических доминант, где эти изменения наибольшие, по разные стороны от узловой линии. Пучности противоположного знака расположены друг от друга на расстоянии в среднем около 4 тыс. км (разброс по циклам от 2700 до 5000 км). Одна пучность обычно локализована между Гренландией и Северной Европой на акватории Норвежского и Баренцева морей. Другая - между Аляской и Таймыром на акватории Чукотского и Восточно-Сибирского морей. Средняя для 16-22-го солнечных циклов разница давления воздуха между этими пучностями составляет 4.6 мб (или 0.73 значения среднего квадратичного отклонения). Если принять модуль разницы между пучностями за 100%, то на ее атлантическую составляющую приходится 62% размаха, а на тихоокеанскую -
Рис. 2. Разница приземного давления воздуха (мб) в октябре-апреле между годами усиленной и ослабленной солнечной активности в солнечных циклах 20-го столетия (штрих - узловая линия).
38%. Таким образом, почти две трети солнечно обусловленных изменений приземного давления в Арктике формируется со стороны Северной Атлантики. Понятно, что аномалии в 4-5 мб заметно меньше естественной синоптической изменчивости. Однако в настоящем исследовании предметом анализа являются, во-первых, осред-ненные вариации сезонного (зима) поля давления, и, во-вторых, его многолетние изменения внутри достаточно длительного периода, ограниченного продолжительностью солнечного цикла (около десятилетия). Наличие двух противоположных вариантов распределения аномалий атмосферного давления в течение солнечного цикла и чередование этих вариантов во времени позволяет интерпретировать эти изменения как колебания по типу барической стоячей волны. Смена во времени (от одного солнечного цикла к другому) этих состояний отражает закономерности многолетней изменчивости приземного давления воздуха в течение 20-го столетия.
Анализ барических колебаний, выполненный для каждого солнечного цикла отдельно, позволил установить две природные особенности. Во-первых, наиболее важной особенностью узловой линии барических колебаний в течение 1920-1990-х гг. является ее упорядоченное перемещение в высоких широтах от одного солнечного цикла к другому. Собственно, стоячей барическая волна может
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.