Состояние атмосферы не обязательно характеризовать строго физическими величинами, такими как температура, влажность, давление, скорость и направление ветров и т. д. О нем можно судить по косвенным признакам, например, по наличию засух, по толщине колец деревьев и т. д. Почему это приходится делать — очевидно. Ведь мы не располагаем многолетними и многовековыми рядами физических характеристик атмосферы, тем более в глобальном масштабе. А сведения о засухах и урожайных годах сохранились за очень продолжительное время. Что касается связи толщины годичных колец и засушливостью или влажностью, то она должна быть очевидной, поскольку годичный прирост дерева определяется количеством усвоенного питательного вещества, а последнее зависит преимущественно от влажности почвы. Поэтому изменение толщины годичных колец деревьев связано с чередованием сухих и влажных лет.
Зачем нам нужны столь длительные периоды? Для того, чтобы установить влияние на атмосферу Земли (и на все земные процессы) колебаний солнечной активности, необходимо исследовать данные за сотни и тысячи лет. Что же дают такие исследования? Вначале приведем некоторые факты.
В районе Великой равнины на территории США существует засушливая зона, периодически сдвигающаяся то к северу, то к югу. Длительность периода подвижек равна 22 годам, то есть соответствует 22-летнему циклу солнечной активности. На основании этих фактов было предсказано наступление засушливого лета на Среднем Западе США в 1974 году.
Засухи предсказывал еще в конце прошлого века профессор Одесского университета Ф. Н. Шведов. Он это делал на основании анализа хода ширины годичных колец акации. Его прогноз на 1882 и 1891 годы оправдался, что подтверждает реальность проявления солнечных ритмов в атмосферных процессах, в том числе и в количестве осадков.
Когда были проанализированы данные о засушливости в России за период с 1800 по 1915 год, то оказалось, что особенно неблагоприятные для сельского хозяйства годы повторялись примерно каждые 11 лет и совпадали с периодами солнечной активности. Наиболее ярко выраженные засухи приходились на 1810, 1823, 1833, 1853 годы.
Анализ большого числа данных наблюдений и других источников показал, что имеются более продолжительные группы чередования влажных и засушливых лет. Их продолжительность равна примерно 30–40 годам. Это значит, что каждая третья-четвертая засуха является особенно жестокой. М. А. Боголепов по данным о засухах в России показал, что примерно «трижды в столетие Русская равнина поражается жестокой засухой». Этот период продолжительностью 30–40 лет исследовался Брикнером и поэтому назван брикнеровским.
Имеются и более продолжительные циклы, соответствующие аналогичным циклам солнечной активности, но мы их описывать не будем.
Было показано, что состояние атмосферы (о нем судили по изменению климата) зависит не только от величины солнечной активности в данном 11-летнем солнечной цикле, но и от других характеристик изменения солнечной активности в целой серии циклов. Когда были вычислены необычные (аномальные) изменения чисел Вольфа, характеризующих солнечную активность за более чем 200 лет, то оказалось, что эти отклонения от «нормы» не появляются произвольно, случайно, а подчиняются определенному закону. Этот закон гласит, что в целом ряде 11-летних солнечных циклов отклонение чисел Вольфа от «нормы» происходит в одну и ту же сторону — или уменьшения или увеличения. Сколь продолжительны эти периоды с однотипным отклонением чисел Вольфа от «нормы»? По данным за 200 лет, они составляют примерно 42 года. Видимо, это и есть продолжительность брикнеровского цикла. А это значит, что имеются сменяющие друг друга климатические эпохи указанной продолжительности. Климат, а значит, атмосферная циркуляция такой эпохи, отличается от климата предшествующей и последующей эпох, но он похож на климат той эпохи, которая была еще до предшествующей. И если мы хотим его успешно предсказать, нам надо анализировать не только что минувшую 42-летнюю эпоху, а ту, которая была до нее. Как все эти факты связать с изменением распределения озона в земной атмосфере? Во-первых, связь озона (его количества и глобального распределения) с циркуляцией атмосферы и ее состоянием абсолютно доказана, хотя и за более короткие периоды. Во-вторых, те данные о количестве озона, которые имеются, например, на швейцарской озонометрической станции «Ароза» (они имеются с 1932 года), показывают, что количество озона меняется с периодом, примерно равным 11 годам. Но характер связи количества озона с солнечной активностью в разные эпохи разный. В течение нескольких 11-летних солнечных циклов эта связь положительная, то есть большой солнечной активности соответствует большое количество озона, а в течение других, следующих за ними циклов, эта связь отрицательная (высокой солнечной активности соответствует низкое количество озона). Не является ли это проявлением брикнеровского цикла в количестве озона? Собственно, так и должно быть, поскольку изменение состояния атмосферы и ее циркуляция не могут не сказаться на количестве озона. Для того, чтобы вышесказанное строго доказать, надо располагать данными о количестве озона не за 50–60 лет, а за несколько брикнеровских периодов, то есть за 100–150 лет. Возможно, по этой причине исследователи озона этот вопрос обходят молчанием.
Имеются и такие изменения солнечной активности, которые длятся недолго, и их влияние на количество озона можно установить. Одним из таких изменений являются переломы в ходе солнечной активности. Солнечная активность меняется с течением времени не одинаково быстро. В одних случаях эти изменения имеют плавный, постепенный характер, а в других происходят скачком. Например, если в 1970 году солнечная активность уменьшилась по сравнению с 1969 годом всего на 0,8 числа Вольфа, то в следующем, 1971 году, она упала по сравнению с 1970 годом, на 40,6 числа Вольфа. Здесь мы вправе сказать, что солнечная активность с 1970 по 1971 год изменилась (уменьшилась) скачком. Точно так же известны годы, когда солнечная активность скачком увеличилась. Иногда этот скачок в 100 раз более резкий, чем в случае нормальных изменений, которые составляют единицы чисел Вольфа.
Различные процессы на Земле и в ее атмосфере реагируют на эти резкие изменения солнечной активности. Ведь резкое усиление солнечной активности означает резкое увеличение плотности потоков заряженных частиц, исходящих из Солнца, увеличение плотности межпланетной среды. Значит, при этом должно активизироваться воздействие солнечных заряженных частиц на магнитосферу Земли. В результате вся магнитная оболочка Земли — магнитосфера — приходит в колебательный режим (это называется магнитосферной бурей), о чем свидетельствуют колебания магнитного поля Земли, которые регистрируются в разных точках на земном шаре. Анализ данных за много лет показал, что каждое увеличение скачком солнечной активности неизбежно приводит (в 100 % всех случаев) к развитию бури в магнитосфере Земли, а значит, и магнитной бури. В эти периоды возмущенность магнитного поля Земли так же (как и солнечная активность) резко увеличивается. Можно сказать, что в эти периоды происходит перелом в обычном, нормальном изменении магнитного поля Земли. В это время в атмосферу высоких широт вторгаются заряженные частицы. К чему это приводит и как это отразится на распределении и количестве озона — уже говорилось. Здесь мы рассмотрим другие стороны этого сложного процесса — бури в околоземном пространстве под действием усилившейся солнечной активности. Она охватывает не только магнитосферу, но и атмосферу. Поэтому она приводит и к изменению озона.
Изменение циркуляции атмосферы во время магнитных бурь исследовалось на очень большом числе данных наблюдений. Изучались данные за период с 1890 по 1967 год. Всего было проанализировано развитие процессов в атмосфере за время 834 магнитных бурь.
Эти анализы показали, что спустя некоторое время после начала магнитной бури атмосферное давление меняется: в одних регионах оно увеличивается, а в других уменьшается. Были выделены шесть регионов, в каждом из которых наблюдались однотипные изменения атмосферного давления. Это Восточная Сибирь, Западная Сибирь, Европа, окрестности Карского моря, Северная Атлантика.