Природа неоднозначности связей, их изменений во времени и пространстве не может быть понята и использована для объяснения изменений климата в прошлом, а тем более для прогноза будущего климата, пока не будут вскрыты физические механизмы связи солнечной активности с погодой и климатом.
Проблема выяснения физических механизмов, объясняющих связь между процессами на Солнце и изменениями погоды и климата, была поставлена в ряд физических проблем совсем недавно, менее 10 лет назад. Рассмотрим основные идеи, обосновывающие те или иные физические механизмы, и их аргументацию.
Солнечная активность, помимо солнечных пятен, проявляется в широком спектре колебаний электромагнитного излучения, начиная от жесткого ультрафиолетового, видимого, инфракрасного, радиоизлучения и кончая корпускулярным излучением, магнитными бурями и др. Некоторые из этих характеристик солнечной активности связаны с солнечными пятнами.
Перечислим главные физические механизмы солнечно-атмосферных связей. Прежде всего — это изменения интегральной солнечной постоянной и излучения Солнца в узких спектральных интервалах ультрафиолетового и видимого излучения Солнца, на которые приходится максимум излучаемой солнечной энергии.
В различные периоды определения солнечная постоянная колебалась от 1,75 до 2,03 км/см2·мин. В последние годы Национальной администрацией США по аэронавтике и космическим исследованиям (НАСА) была предпринята серия попыток измерить солнечную постоянную с высотных самолетов (потолок ~12 км), баллонов (~27—35 км), ракет (~82 км), космических кораблей Маринер-6 и Маринер-7 за пределами земной атмосферы. В результате величина солнечной постоянной для всех инженерных и в первую очередь космических расчетов принята равной 1,940±0,03 кал/см2·мин (1356±20 Вт/м2). Величина неопределенности, таким образом, составляет около 1,5%, значит, мы не можем утверждать, что изменений интегральной солнечной постоянной не происходит.
В самые последние годы измерения солнечной постоянной проводились на спутниках серии Маринер и Нимбус. В 1969 г. во время полета к Марсу спутника Маринер-6 измерялась интегральная солнечная постоянная. Ее колебания были порядка 0,1% и находились на пределе точности измерений. В 1975 г. на спутнике Нимбус-6, в 1978 г. на Нимбус-7 эти измерения были выполнены с большей точностью. Они показали наличие колебаний солнечной постоянной с амплитудой порядка 0,15% (апрель 1980 г.). Периодичность их — от нескольких дней до нескольких недель и более. Была установлена связь колебаний солнечной постоянной (0,1—0,2%) с числом солнечных пятен по ежедневным данным. Хотя эти величины малы, но для длительных климатических изменений их следует принимать в расчет.
Более ранние измерения К. Я. Кондратьева и Г. А. Никольского позволили установить зависимость (она оказалась нелинейной) между изменениями солнечной постоянной и числами Вольфа в 11-летнем цикле солнечной активности. Интегральная солнечная постоянная может и не меняться на большом удалении от Земли и тем более вблизи Солнца. Однако вследствие других физических механизмов солнечная активность может влиять на ионизацию верхних слоев атмосферы и образование окислов азота, которые, с одной стороны, воздействуют на фотохимию озона, а с другой — непосредственно меняют характер поглощения ультрафиолетовой радиации. В результате меняется не астрономическая, а метеорологическая солнечная постоянная. Но причина этих изменений все же — солнечная активность.
К настоящему времени в США проведены эксперименты по определению со спутников спектральных характеристик солнечной постоянной практически во всех интервалах солнечного излучения за пределами атмосферы. В спектральных интервалах с центром 0,12; 0,18 и 0,26 мкм с помощью спутников обнаружены вариации в интенсивности солнечного излучения. Амплитуды их составили соответственно 7; 37,6; 0,9 %.
Таким образом, есть основания говорить о возможных изменениях интегральной и спектральной характеристик солнечной постоянной. Влияние изменения интегральной солнечной постоянной может проявить себя непосредственно. Подобно тому как изменение альбедо нашей планеты на 1—2% или аналогичное изменение параметров земной орбиты непосредственно меняют инсоляцию, а следовательно, и климат, изменение солнечного излучения может вызвать подобный же эффект.
Один из признаков солнечной активности — солнечные вспышки, которые обычно происходят внутри района, окруженного большой биполярной группой солнечных пятен, и продолжаются от нескольких минут до нескольких часов. Их повторяемость имеет положительную корреляцию с 11-летним циклом солнечной активности. Максимум повторяемости вспышек совпадает с максимумом солнечных пятен, вторичный максимум вспышек отмечается через несколько лет после главного максимума солнечных пятен. Космические лучи и ультрафиолетовое излучение от вспышек достигают Земли примерно за 8 мин. и производят интенсивную ионизацию верхней атмосферы, начиная со слоя D и ниже. Этот эффект приводит к образованию окислов N, меняющих спектральное поглощение солнечной радиации атмосферы и метеорологическую солнечную постоянную. Проявляется этот эффект регионально.
Кроме того, протонные вспышки на Солнце порождают корпускулярные потоки, которые проникают в верхнюю атмосферу в зоне геомагнитных полюсов. Эти частицы, помимо ионизации верхних слоев, проникают вплоть до уровня 10 мб и ниже и поглощаются атмосферой. В связи с этим происходит дополнительное нагревание верхней атмосферы в зоне полярных шапок, ее «выпучивание» и отток массы, что, по мнению некоторых ученых, приводит к углублению Исландского минимума и усилению интенсивности западно-восточного переноса. В частности, такой точки зрения придерживается известный чехословацкий геофизик В. Буха. Подобный же эффект производят космические лучи галактического происхождения. Их интенсивность также зависит от 11-летнего цикла и более длительных солнечных циклов, от высоты, магнитной широты и изменений магнитной структуры Солнца, т. е. от секторной структуры магнитного поля Солнца.
Вариации изменения интенсивности космических лучей исследованы достаточно хорошо в 18, 19 и 20-м 11-летних циклах примерно с 1952 по 1972 г. Так, их интенсивность в период минимума солнечных пятен в 1954 г. была на 20% ниже, чем в период максимума в 1958 г. Максимум ионизации атмосферы в результате действия космических лучей приходится на высоты 12—20 км.
Поскольку активность Солнца проявляется и в изменениях магнитного поля, в последнее время введено несколько индексов, характеризующих магнитную активность Солнца, среди них наиболее распространенные — Кр, Ар, С, Ср и др.
Мы упомянули о влиянии солнечной активности на атмосферу не непосредственно, а через озон. Поясним кратко этот механизм. Озон — бесцветный газ с характерным запахом, который образуется в стратосфере при воздействии на молекулярный кислород ультрафиолетовой радиации Солнца. Двухатомная молекула O2 расщепляется на атомарный кислород, который затем вступает в реакцию с другими молекулами O2. В результате образуется трехатомное соединение кислорода O3 — озон.
Суммарное содержание озона невелико, не более 0,5% массы атмосферы. Максимум концентрации озона по объему находится на высоте порядка 34 км, максимальная плотность — на высоте 25 км. Еще в конце XIX в. высказывалось предположение, что наблюдаемый для волн короче 0,3 мкм «обрыв» солнечного излучения, приходящего к Земле, обусловлен поглощением ультрафиолетовой радиации озоном. В начале XX в. гипотеза была надежно обоснована.
По этой причине спектральные изменения солнечной активности в полосах поглощения озона даже при практической неизменности солнечной постоянной могут влиять на его фотохимию. Уже отмечалось, что в интервале 0,17—0,21 мкм зарегистрированы случаи изменения интенсивности солнечного излучения, связанные с солнечной активностью. Даже если допустить, что интенсивность солнечного излучения в этом узком интервале изменится на 100%, то интегральная солнечная постоянная — всего лишь на 0,01%. Однако изменения излучения в этом интервале вызовут колебания концентрации озона, что заметно изменит тепловой режим стратосферы (порядка Градусов и десятков градусов) и незначительно — температуру вблизи поверхности (десятые доли градусов и градус).