Многолетняя солнечная активность и прогноз климата Земли на 21-й век

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Институт солнечно-земной физики СО РАН

Многолетняя солнечная активность и прогноз климата Земли на 21-й век

В.С. Башкирцев, Г.П. Машнич

Аннотация

В многочисленных исследованиях показано, что изменения климата Земли тесно связаны с солнечной активностью. В то же время нет каких-либо убедительных доказательств определяющего влияния человека на земную климатическую систему. В этой работе дан прогноз изменений глобального климата на ближайшие сто лет, исходя из тесных солнечно-климатических связей и нашего долговременного прогноза солнечной активности. Для прогнозирования климатических изменений использован тот факт, что теплый климат Земли ассоциируется с длительной высокой активностью Солнца, холодный -- с низкой. Представленный нами прогнозный сценарий хода глобальной температуры приземного воздуха полностью противоречит прогнозам с использованием глобальных климатических моделей, предсказывающим беспрецедентный рост глобальной температуры на 6 градусов Цельсия к 2100 г.

Ключевые слова. Солнечная активность, солнечная переменность, солнечно-климатические связи, глобальный климат, долговременный прогноз климата Земли.

V.S. Bashkirtsev, G. P. Mashnich

Institute of Solar-Terrestrial Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Irkutsk, Russian Federation

LONG-TERM SOLAR ACTIVITY AND FORECAST OF THE EARTH CLIMATE FOR THE 21st CENTURY

Abstract

Numerous studies have shown that changes in the Earth's climate are closely connected with solar activity. At the same time, there is no convincing evidence of the human determining influence on the earth's climate system. In this work, a forecast of changes in the global climate for the next hundred years is given, based on close solar-climatic connections and our long-term forecast of solar activity. To predict climatic changes, we used the fact that the warm climate of the Earth is associated with long-term high activity of the Sun, cold -- with low. The prediction scenario presented by us for the course of the global surface air temperature completely contradicts the forecasts using global climate models, which predict an unprecedented increase in global temperature by 6 degrees Celsius by 2100.

Keywords. Solar activity, solar variability, Sun-climate connections, global climate, long-term forecast of the Earth's climate.

Введение

Климат Земли играет важнейшую роль в жизни человечества и всего живого на нашей планете. Проблемы изменения климата постоянно обсуждаются в СМИ. Часто говорится о катастрофических последствиях изменения климата: уже в нынешнем столетии сильно возрастет глобальная температура, растают ледники, резко поднимется уровень воды в океанах, возрастет число непредвиденных катастрофических событий и т.п. Все это может произойти, и катастрофа случится, если человечество не осознает и не предпримет ряд неотложных превентивных мер. Прежде всего, не ограничит выбросы парниковых газов: углекислый газ, метан. Но так ли все это? В данной статье мы оценим роль основных факторов, влияющих на климат Земли, и выполним прогноз изменений глобальной температуры в текущем столетии и в начале XXII в.

Естественные и антропогенные факторы влияния на климат Земли

Среди значимых естественных факторов воздействия на климат в ближайшие сто лет можно выделить вулканы и солнечную активность. Другие факторы длительного воздействия на климат, связанные, например, с вариациями параметров вращения и движения Земли, на масштабе времени в сто лет неактуальны. Как отмечено нами [1], что даже мощнейшие извержения вулканов, например, Кракатау (1883 г.) и Пинатубо (1991 г.), когда в атмосферу выбрасывались многие кубические километры твердого вещества и газа, никак не повлияли на климат Земли. «Отметины» указанных вулканов, без знания времени извержения, невозможно найти на температурных кривых. Что касается влияния солнечной активности на климат, то как показывают многочисленные исследования, изменения климата Земли в значительной мере синфазны с долговременным ходом солнечной активности [1-10], т.е. климат Земли определяется и контролируется преимущественно Солнцем. Приведем примеры. Reid [4] показал, что ход колебаний температуры поверхностных вод океанов следует ходу колебаний солнечной активности с временной задержкой до четырех лет. Гудкович и др. [9] привели графики тесной связи осредненных величин аномалий среднегодовой температуры приземного воздуха Северного полушария и чисел Вольфа за последние 1 100-1 200 лет. Коэффициент корреляции долговременных вариаций солнечной активности и температуры в обоих цитируемых случаях достиг почти единицы. Столь тесная связь, когда Солнце является основным поставщиком энергии на Землю, свидетельствует о том, что наша звезда -- основной фактор в изменениях климата.

В то же время мы не находим каких-либо убедительных доказательств определяющего влияния человека на земную климатическую систему. В последних докладах Межправительственной группы экспертов по проблемам изменений климата (МГЭИК, англ. аббревиатура IPPC; https://www.ipcc.ch/report/ar5) утверждается, что основной причиной глобального потепления, наблюдаемого с середины XX в., является антропогенное влияние, обусловленное выбросами парниковых газов, прежде всего углекислого газа. Отметим, что доля СО₂ в атмосфере Земли составляет 0,04 %, а человеческие выбросы СО₂ в год составляют всего лишь 10^-4 от указанных 0,04 %. Более того, изменения в концентрации глобального атмосферного углекислого газа отстают на 9-12 месяцев от изменений глобальной температуры [11]. Таким образом, изменения в концентрации атмосферного CO2 являются лишь следствием климатических изменений, а не наоборот. Следует обратить особое внимание на превратное понимание парникового эффекта на Земле. Величина парникового эффекта на нашей планете составляет 38 ^оС, она равна разности приповерхностных температур при отсутствии атмосферы (-23 ^оС) и при ее наличии (+15^оС). Параметры земной атмосферы связаны уравнением: Р = nkT, где Р -- давление газа, n -- концентрация газа, k -- постоянная Больцмана, Т -- абсолютная температура. При Р = 1 атм и n = 2,55 *10²⁵ молекул на кубометр воздуха наблюдаемая температура приземного воздуха Т = 288 ^оК (+15 ^оС). Таким образом, парниковый эффект налицо и для его объяснения не требуется привлечение парниковых газов (нередко же утверждается, что без так называемых парниковых газов не было бы комфортной температуры на Земле). В плотных слоях тропосферы Земли, а также и Венеры, преобладает конвективный перенос тепла, а не радиационный.

В конце прошлого тысячелетия (2000 г.) на одной из научных конференций мы выступили с докладом «Ожидает ли нас глобальное потепление в ближайшие годы?» [1]. В этой работе мы обосновали и спрогнозировали прекращение глобального потепления в ближайшие 25 лет с учетом тесных солнечно-земных связей и ожидаемого минимума вековой солнечной активности к 2025 г. Действительно, последние два десятилетия тренд глобальной температуры близок к нулю (рис. 1), существенное глобальное потепление не наблюдается.

Согласно же прогностическим сценариям на основе глобальных климатических моделей (ГКМ), игнорирующих воздействие Солнца на изменения климата, должен происходить неизбежный и беспрецедентный разогрев земной климатической системы (рис. 2). Таким образом, несостоятельность ГКМ становится все более и более очевидной.

Рис. 1 Месячные аномалии глобальной температуры (на высоте 2 м над земной поверхностью) за период 2002-2019 гг. по данным реанализа NCEP/NCAR (www.esrl.noaa.gov/psd/data/reanalysis/reanalysis.shtml)

В документах МГЭИК говорится о преобладающем влиянии человека на климатическую систему Земли. Так в пресс-ре- лизе МГЭИК от 27 сентября 2013г. [www.ipcc.ch/news_and_events/ docs/ar5/press_release_ar5_wgi_ru.pdf] вновь заявлено: «Чрезвычайно высока вероятность того, что влияние человека является основной причиной наблюдаемого потепления, начиная с середины XX века». Как показано во многих публикациях (см., например, [12] и обширную к ней литературу), основания для такого заявления в действительности отсутствуют. Аргументированная критика МГЭИК дана также и нами [5-6]. В недавней большой обстоятельной статье Soon et al. [10] пришли к обоснованному заключению: «Большая часть температурных трендов, по меньшей мере, с 1881 г., может быть объяснена в терминах солнечной переменности; концентрации атмосферных парниковых газов вносят, в лучшем случае, малый вклад. Это противоречит утверждению в самых последних докладах МГЭИК, что большая часть температурных трендов с 1950-х гг. обусловлена изменениями в концентрациях атмосферных парниковых газов [13]».

Рис. 2. Сравнение глобальных температур по 102 глобальным климатическим моделям (тонкие кривые; толстая кривая -- ход температуры, осредненный по всем моделям) за период 19752025 гг. с реальным ходом среднегодовых температур (кривые с точками по данным спутниковых измерений и реанализа за период 1979-2018 гг. Рисунок заимствован с сайта (https://www.drroyspencer. com/2019/12/cmip5-model-atmospheric-warming-1979-2018-some- comparisons-to-observations/)

МГЭИК и ее последователи (например, [14]) представляют реальную физическую картину в заведомо искаженном свете. Мелеш- ко и др. (2008) утверждают: «Прямое радиационное воздействие на глобальную атмосферу в результате изменений солнечного потока с 1750 г. по настоящее время составляет 0,12 Вт/м². Эта величина на порядок меньше суммарного радиационного воздействия (2,63 Вт/м²) парниковых газов и аэрозоля, вызванного деятельностью человека. Поэтому нет оснований рассматривать изменения солнечной активности и связанные с нею изменения потока солнечной радиации на верхней границе земной атмосферы как причину наблюдаемого потепления климата». Некорректность высказываний, что влияние человека является основной причиной наблюдаемого потепления климата, можно показать на следующих фактах. На рис. 3 представлены изменения глобальной облачности со спутников (http://isccp.giss.nasa. gov). Мы видим, что с 1987 г. по 2000 г. облачность уменьшилась, в среднем, на 4 %, а, следовательно, понизилось альбедо Земли, и возрос поток солнечного излучения, достигающий поверхности Земли. Наиболее вероятной причиной изменения глобальной облачности и альбедо являются вариации галактических космических лучей (ГКЛ) [15-16]. Модуляция потока ГКЛ, поступающего на Землю и вызывающего вариации облачности, обусловлены циклически меняющимися солнечными магнитными полями, которые пронизывают гелиосферу. Максимум глобальной облачности в 1987 г. (см. рис. 3) совпадает с минимумом солнечной активности и максимумом ГКЛ. Максимум солнечной активности в 2000 г. снижает поток ГКЛ и, как следствие, глобальную облачность до минимума. Сделаем оценку возрастания потока солнечной радиации на Земле от максимума до минимума глобальной облачности. Исходные данные: солнечная постоянная I = 1 366 Вт/м²; с учетом шарообразности Земли поток сол- нечного излучения, поступающий на 1 м² земной поверхности, равен 1 366 / 4 = 342 Вт/м²; вариация облачности с 1987 г. по 2000 г. составила 0,04; среднее альбедо облаков равно 0,5. Таким образом, поток солнечного излучения, достигающий поверхности Земли, возрос с 1987 г. по 2000 г. на AI = 342 х 0,04 х 0,5 = 6,8 Вт/м². Реальное возрастание потока солнечного излучения у земной поверхности, вследствие неполной прозрачности земной атмосферы (из-за аэрозольной составляющей, из-за процессов рассеяния, из-за фотохимических процессов в атмосфере и т.д.), будет несколько меньше. Очевидно, что изменение потока солнечного излучения у поверхности Земли из-за вариаций глобальной облачности вполне перекрывает предполагаемый эффект парниковых газов и обеспечивает наблюдаемые изменения климата естественным путем и без всякой антропогенной помощи. Игнорирование и сведение многофакторного воздействия Солнца (корпускулярное и жесткое коротковолновое излучение, выбросы замагниченной солнечной плазмы, модуляция потока галактических космических лучей, вариации альбедо Земли и т.д.) на Землю и ее климат только к учету малых, часто заниженных, вариаций светимости Солнца являются глубоко ошибочными.

Рис. 3 Изменения глобальной облачности по наблюдениям (http://isccp.giss.nasa.gov) со спутников. Пунктирная линия, принятая за ноль, -- средняя глобальная облачность, равная 66,42 %

солнечная активность прогноз климат

Как будет меняться климат Земли в ближайшие 100 лет?

Ключом к ответу на этот вопрос может служить наш долговременный прогноз солнечной активности на сто лет вперед, который показан в виде схемы на (рис. 4) [8]. Для прогнозирования климатических изменений используется тот факт, что теплый климат Земли ассоциируется с длительной высокой активностью Солнца, холодный -- с низкой. «Отпечатки» солнечной активности без труда прослеживаются в климатических данных. Гармонический анализ вариаций глобальной температуры приземного воздуха выявил в первую очередь периоды 22 и около 60 лет. 22 года -- это магнитный цикл Хейла; период около 60 лет обнаруживается в крупномасштабном, общем, магнитном поле Солнца и в полярных сияниях (цикл Фритца). И это не случайно, именно взаимодействие магнитных полей земного и солнечного происхождения обеспечивает ту или иную геоэффективность солнечной плазмы.

Рис. 4 Структура солнечных циклов в эпоху телескопических наблюдений Солнца и прогноз солнечной активности на ближайшие 100 лет. Прямыми линиями показаны пологая и крутая ветви 210-летнего векового цикла

Как отмечено нами [5-6], нечетные 11-летние циклы солнечной активности с преобладающей отрицательной В^-компо- нентой солнечного магнитного поля на орбите Земли более гео- эффективны, чем четные. В настоящее время Солнце находится в минимуме 210-летнего цикла своей активности, поэтому заканчивающийся 24 цикл и начинающийся цикл 25 ожидаются слабыми и примерно одинаковыми по мощности. Низкая солнечная активность в ближайшие 20 лет приведет к заметному глобальному похолоданию. Активность Солнца в последующие 20 лет будет быстро нарастать, что обусловит потепление к середине столетия. Понижение глобальной температуры наступит около 2070 г., аналогичное похолоданию около 1970 г. и обусловленное уменьшением солнечной активности, а далее последующее потепление, связанное со вторым максимумом векового цикла активности (2080 г.). В конце века мы ожидаем устойчивое длительное (десятки лет!) глобальное похолодание в связи с переходом к великому минимуму солнечной активности типа минимума Маундера. Великие минимумы -- это мощные депрессии в солнечной активности повторяющиеся с периодичностью ~ 210 лет. Средняя длина 210-летних циклов, именуемых циклами Зюсса или де Вриза, за последние 5 500 лет составила 213 лет. За прошедшую тысячу лет через каждые 213±20 лет имели место следующие великие минимумы: 1) Оорта (1010-1080 гг.); 2) Вольфа (1280-1350 гг.); 3) Шпёрера (1430-1540 гг.); 4) Маундера (1645-1715 гг.). Последний цикл (1878-1934 гг.) оказался менее глубоким, чем циклы под номерами 1-4 из-за наложения на него максимума 2400-летнего цикла солнечной активности. Следующий великий минимум, согласно нашему прогнозу, состоится в 2120 ± 20 г. Реальное время наступления этого великого минимума может немного отличаться от расчетного, однако вхождение Солнца в глубокий минимум активности является неизбежным. Отметим, что поскольку коэффициент корреляции долговременных вариаций солнечной активности и глобальной температуры близок к единице, то ход глобальной температуры фактически повторяет ход долговременной солнечной активности с временным запаздыванием до четырех лет. Таким образом, наш прогноз полностью противоречит прогнозам с использованием глобальных климатических моделей, предсказывающим беспрецедентный рост глобальной температуры на 5,8 ^оС к 2100 г. [17].

Список использованной литературы

1. Башкирцев В.С. Ожидает ли нас глобальное потепление в ближайшие годы? / В.С. Башкирцев, Г.П. Машнич // Геомагнетизм и аэрономия. -- 2003. -- Т. 43, № 1. -- С. 132-135.

2. Солнечно-атмосферные связи в теории климата и прогноза погоды / под ред. Э.Р. Мустель. -- Ленинрад: Гидрометеоиздат, 1974. -- 484 с.

3. Чистяков В.Ф. Солнечные циклы и колебания климата / В.Ф. Чистяков. -- Владивосток: Дальнаука, 1997. -- 156 с.

4. Reid G.C. Solar Variability and the Earth's Climate: Introduction and Overwiew / G.C. Reid // Space Science Series. -- 2000. -- Vol. 94, no. 1-2. -- P. 1-11.

5. Башкирцев В.С. Переменность Солнца и климат Земли / В.С. Башкирцев, Г.П. Машнич // Солнечно-земная физика. -- 2004. -- № 6 (119). -- С. 135-137.

6. Башкирцев В.С. Солнечная активность и изменения климата Земли /

B. С. Башкирцев, Г.П. Машнич // Солнечно-земная физика. -- 2005. -- № 8 (121). --C. 179-181.

7. Башкирцев В.С. Солнце и климат Земли / В.С. Башкирцев, Г.П. Машнич // Циклы активности на Солнце и звездах: сб. ст. -- Санкт-Петербург, 2009. -- С. 235-240.

8. Башкирцев В.С. Прогноз солнечной активности на XXI век / В.С. Башкирцев, Г.П. Машнич // Физика Солнца и околоземного космического пространства: материалы Всерос. конф. по солнечно-земной физике, Иркутск, 16-21 сент. 2013 г. -- Иркутск, 2013. -- С. 23-24.

9. О характере и причинах изменений климата Земли / З.М. Гудкович, В.П. Карклин, В.М. Смоляницкий, И.Е. Фролов // Проблемы Арктики и Антарктики. -- 2009. -- № 1 (81). -- С. 15-23.

10. Soon W. Re-evaluating the role of solar variability on Northern Hemisphere temperature trends since the 19th century / W. Soon, R. Connoly, M. Connoly. -- DOI 10.1016/j.earscirev.2015.08.010 // Earth Science Reviews. -- 2015. -- Vol. 150. -- P. 409-452.

11. Humlum O. The phase relation between atmospheric carbon dioxide and global temperature / O. Humlum, K. Stordahl, J.-E. Solheim // Global and Planetary Change. -- 2013. -- Vol. 100. -- P. 51-69.

12. Кондратьев К.Я. Глобальные изменения климата: данные наблюдений и результаты численного моделирования / К.Я. Кондратьев // Исследование Земли из космоса. -- 2004. -- № 2. -- С. 61-96.

13. Detection and attribution of climate change: from global to regional /

N.L. Bindoff, P.A. Stott, K.M. AchutaRao [et al.] // Climate change 2013: The physical science basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. -- Cambridge: Cambridge University Press, 2013. -- P. 867-952.

14. Климат России в XXI веке. Часть 1. Новые свидетельства антропогенного изменения климата и современные возможности его расчёта / В.П. Мелешко, В.М. Катцов, В.М. Мирвис [и др.] // Метеорология и гидрология. -- 2008. -- № 6. -- С. 5-19.

15. Pudovkin M.I. Cloudiness decreases associated with Forbush-decreases of galactic cosmic rays / M.I. Pudovkin, S.V. Veretenenko // Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics. -- 1995. -- Vol. 57, no. 11. -- P. 1349-1355.

16. Veretenenko S.V. Effects of the galactic cosmic ray variations on the solar radiation input in the lower atmosphere / S.V. Veretenenko, M.I. Pudovkin // Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics. -- 1997. -- Vol. 59, no 14. -- P. 1739-1746.

17. Изменения глобального климата. Роль антропогенных воздействий / Ю.А. Израэль, Г.В. Груза, В.М. Катцов, В.П. Мелешко // Метеорология и гидрология. -- 2001. -- № 5. -- С. 5-21.

References

1. Bashkirtsev V.S., Mashnich G.P. Will We Face Global Warming in the Nearest Future? Geomagnetizm i aeronomiya = Geomagnetiism and Aeronomy, 2003, vol. 43, no. 1, pp. 132-135. (In Russian).

2. Mustel E.R. Solnechno-atmosfernye svyazi v teorii klimata i prognoza po- gody [Solar-atmospheric relationships in climate theory and weather forecasting]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1974. 484 p.

3. Chistyakov V.F. Solnechnye tsikly i kolebaniya klimata [Solar Cycles and Climate Oscillations]. Vladivostok, Dal'nauka Publ., 1997. 156 p.

4. Reid G.C. Solar Variability and the Earth's Climate: Introduction and Over- wiew. Space Science Series, 2000, vol. 94, no. 1-2, pp. 1-11.

5. Bashkirtsev V.S., Mashnich G.P. Solar Variability and Earth's Climate. Sol- nechno-zemnaya fizika = Solar-Terrestrial Physics, 2004, no. 6 (119), pp. 135-137. (In Russian).

6. Bashkirtsev V.S., Mashnich G.P. Solar Activity and the Earth's Climate Changes. Solnechno-zemnaya fizika = Solar-Terrestrial Physics, 2005, no. 8 (121), pp. 179-181. (In Russian).

7. Bashkirtsev V.S., Mashnich G.P. Sun and the Earth's Climate. Tsikly aktiv- nosti na Solntse i zvezdakh [Cycles of activity on the Sun and stars]. Saint-Petersburg, 2009, pp. 235-240. (In Russian).

8. Bashkirtsev V.S., Mashnich G.P. Forecast of Solar Activity for 21 Century. Fizika Solntsa i okolozemnogo kosmicheskogo prostranstva. Materialy Vserossiiskoi konferentsii po solnechno-zemnoi fizike, Irkutsk, 16-21 sentyabrya 2013 g. [Physics of the Sun and near-Earth space. Materials of All-Russian Conference, Irkutsk, September 16-21, 2013]. Irkutsk, 2013, pp. 23-24. (In Russian).

9. Gudkovich Z.M., Karklin V.P., Smolyanitskii V.M., Frolov I.E. On the Character and Causes of the Earth's Climate Changes. ProblemyArktiki i Antarktiki = Arctic and Antarctic Research, 2009, no. 1 (81), pp. 15-23. (In Russian).

10. Soon W., Connoly R., Connoly M. Re-evaluating the role of solar variability on Northern Hemisphere temperature trends since the 19th century. Earth Science Reviews, 2015, vol. 150, pp. 409-452. DOI: 10.1016/j.earscirev.2015.08.010.

11. Humlum O., Stordahl K., Solheim J.-E. The phase relation between atmospheric carbon dioxide and global temperature. Global and Planetary Change, 2013, vol. 100, pp. 51-69.

12. Kondratyev K.Ya. Global Climate Change: Observation Data and Simulation Modelling Results. Issledovanie Zemli iz kosmosa = Izvestiya. Atmospheric and Oceanic Physics, 2004, no. 2, pp. 61-96. (In Russian).

13. Bindoff N.L., Stott P.A., AchutaRao K.M., Allen M.R., Gillett N. Detection and attribution of climate change: from global to regional. Climate change 2013: The physical science basis. Contribution of Working Group 1 to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, 2013, pp. 867-952.

14. Meleshko V.P., Kattsov V.M., Mirvis V.M., Govorkova V.A., Pavlova T.V. Climate of Russia in the 21^st Century. Part 1. new Evidence of Anthropogenic Climate Change and the State of the Art of its Simulation. Meteorologi- ya i gidrologiya = Russian Meteorology and Hydrology, 2008, no. 6, pp. 5-19. (In Russian).

15. Pudovkin M.I., Veretenenko S.V. Cloudiness decreases associated with Forbush-decreases of galactic cosmic rays. Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, 1995, vol. 57, no. 11, pp. 1349-1355.

16. Veretenenko S.V., Pudovkin M.I. Effects of the galactic cosmic ray variations on the solar radiation input in the lower atmosphere. Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, 1997, vol. 59, no 14, pp. 1739-1746.

17. Izrael Yu.A., Gruza G.V., Kattsov V.M., Meleshko V.P. Global Climate Changes. The Role of Anthropogenic Impacts. Meteorologiya i gidrologiya = Russian Meteorology and Hydrology, 2001, no. 5, pp. 5-21. (In Russian).

Информация об авторах

Башкирцев Владимир Спиридонович -- кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск, Росийская Федерация

Машнич Галина Прокопьевна -- кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск, Российская Федерация

Размещено на Allbest.ru