К вопросу о характере и механизмах влияния солнечной активности и... на годовое количество осадков в различных регионах планеты

1
К вопросу о характере и механизмах влияния солнечной активности и космических лучей
на годовое количество осадков в различных регионах планеты
Будовый В. И. (1), Хорозов С. В. (1), Inacio M. Martin (2), Медведев В. А. (1), Белоголов В. С. (3)
(1) ООО «Фирма HSoft», г. Калининград, Россия, hsoft@baltnet.ru
(2) Mathematics and Physics Department, University of Taubate, Brazil, martin@ita.br
(3) Мурманск, Государственный технический Университет, Россия, vlastebel@yandex.ru
1. Введение.
Наблюдаемое в настоящее время глобальное потепление вызывает острую необходимость
определения его причин. В эпоху бурного техногенного развития цивилизации чрезвычайно
важно знать являются ли основные причины антропогенными или естественными факторами.
Однако, ошибки в понимании причин изменения климата и в оценке будущих тенденций могут
привести к крупным экономическим и социальным проблемам.
В масштабах 1000 лет и менее большое значение приобретают те климатообразующие факторы,
которые имеют соответствующие периоды изменения, например, солнечная активность и
изменения инсоляции, космические лучи, непериодические факторы, такие как вулканическая
деятельность, антропогенное воздействие и т. п.
По некоторым оценкам энергетический вклад изменения инсоляции не превышает 0,5 W/m2
(Crowley, 2000), а энергетический вклад, например, от вулканической деятельности на порядок
больше.
Однако, коэффициенты корреляции между индексом вулканической деятельности и различными
реконструкциями глобальной температуры (-0,15 – -0,28) значительно меньше, чем коэффициенты
корреляции между этими же реконструкциями и реконструкциями солнечной активности ( 0,65 –
0,90).
Рис. 1. Реконструированные и фактические температуры Центральной Англии, Китая (аномалии) и
реконструированное число Вольфа.
Т.е., несмотря на достаточно небольшой прямой энергетический вклад изменений солнечной
активности, имеют место достаточно тесные связи между солнечной активностью и
температурой. (Houghton, 1997 (http://www.met-office.gov.uk/research/hadleycentre/obsdata/cet.html), Ing et al.,
2002) (Рис. 1).
2
Рис. 2. Скользящее среднее по [i-22; i+22]-годам солнечной активности (Wa) и годового количества осадков в
Англии (Ra). Показаны соответствующие линейные тренды.
На Рис. 2 показана также тесная связь между солнечной активностью и количеством осадков в
Англии (http://www.met-office.gov.uk/research/hadleycentre/obsdata/HadEWP.html).
На основании вышесказанного, логично предположить существование некоторого физического
механизма, посредством которого осуществляется влияние солнечной активности на парниковый
эффект. Без оценки такого опосредованного влияния солнечной активности на парниковый
эффект нельзя делать вывод о наличии решающей роли антропогенного воздействия в
современном потеплении климата. В противном случае вклад антропогенного фактора будет
неизбежно завышен.
Таким образом, учитывая то, что:
 солнечная активность коррелирует с температурами и количеством осадков,
 солнечная активность имеет несколько периодов изменения (в том, числе десятки и сотни
лет);
 существует гипотеза о непосредственном влиянии космических лучей на образование и
эволюцию кучево-дождевой облачности (Svensmark and Friis-Christiensen, 1997, Marsh and Svensmark,
2000);
 солнечная активность тесно коррелирует с интенсивностью космических лучей;
большое значение приобретает изучение характера влияния этих естественных факторов на
климат и, в том числе, на годовое количество осадков. Этому вопросу и посвящена настоящая
работа.
3
2. Методика и данные.
Рис. 3. Карта линий равной интенсивности CR на высотах ~ 200 км, по данным третьего советского корабляспутника (1960) (сплошная жирная линия — геомагнитный экватор; пунктирные линии — менее надёжные данные,
основанные на малом числе измерений). Интенсивность указана в относительных единицах.
Интенсивность космических лучей (измеренная на верхней границе атмосферы) имеет
достаточно большую территориальную изменчивость (Рис. 3).
Поэтому для изучения влияния интенсивности космических лучей на количество осадков было
отобрано 15 станций с нейтронными мониторами в различных регионах планеты, имеющих
максимальную продолжительность временных рядов и минимальное количество пропусков
наблюдений (Рис. 4).
Рис 4. Расположение отобранных наземных станций наблюдения за интенсивностью космических лучей.
Среднегодовые значения интенсивности космических лучей по этим станциям и число Вольфа
сравнивались с годовым количеством осадков в квадрате со сторонами 4о, в котором
(приблизительно в центре) находилась станция наблюдения.
4
3. Результаты.
Рис. 5. Число Вольфа (W) и годовая нормированная (относительно среднего значения за 1964-1995, рассчитанного
для каждой станции) интенсивность космических лучей (ICRn) на некоторых станциях (цветные линии).
Коэффициенты корреляции между W и ICRn колеблются, как правило, в диапазоне – 0.8-0.9
(MOSCOW – -0.87, CLIMAX – -0.83, HUANCAYO – -0.80, HERMANUS – -0.85) (Рис. 5).
Тесная корреляция между годовыми значениями числа Вольфа и годовыми значениями
интенсивности космических лучей в существенной степени влияет на интерпретацию степени
влияния космических лучей на погоду и климат. Это вызывает необходимость дополнительного
обоснования влияния именно интенсивности космических лучей (или солнечной активности) на
те или иные погодные или климатические параметры. При этом следует учитывать, что
изменчивость интенсивности космических лучей составляет ~20% от средних значений, а
изменчивость числа Вольфа - ~200%.
Рис. 6. Годовые значения числа Вольфа (W) и нормированного (относительно среднего значения за 1964-1995,
рассчитанного для каждой точки) количества осадков (Rn), а также их скользящее осреднение по 7 предыдущим
годам (соответственно: Wa и Rna). Коэффициент корреляции между W и Rn: IRKUTSK – 0.18, HUANCAYO – -0.19.
Коэффициент корреляции между Wa и Rna: IRKUTSK – 0.52, HUANCAYO – -0.65.
Здесь показано, что корреляция между солнечной активностью и осадками относительно
небольшая, но она существенно возрастает между осредненными по 7-ми годам значениями этих
величин (Рис. 6).
5
В таблице 1 показаны коэффициенты корреляции между годовыми значениями этих величин
(W, Rn) и осредненными по 7-ми годам.
Таблица 1
Как видно из таблицы, коэффициенты корреляции при осреднении солнечной активности и
осадков возрастают в несколько раз, не только для этих двух станций, но и для большинства
остальных. Максимальное значение коэффициента корреляции увеличивается с 0,26 до 0,65.
По-видимому, влияние солнечной активности на количество осадков имеет отсроченный
характер и непрерывно реализуется как накапливающееся воздействие этого фактора за
несколько предшествующих лет. Вероятно, это результат действия некоторого физического
механизма, реализующего накапливающееся воздействие солнечной активности на
климатические параметры. С этим механизмом, вероятно, связаны и региональные особенности
найденных корреляций.
Рис. 7. A) Годовое количество осадков (Rn) и годовая интенсивность космических лучей (ICRn), нормированные
относительно среднего значения за 1964-1995, рассчитанного для каждой точки. B) Линейная регрессия между Rn и
ICRn. Коэффициент корреляции между ICRn и Rn: KERGUELEN – 0.31, MOSCOW – -0.39
На Рис. 7 видно, что также как и солнечная активность, космические лучи могут иметь как
положительные, так и отрицательные коэффициенты корреляции с суммой осадков. Это важный
факт для дальнейших рассуждений.
6
Таблица 2.
Как видно из таблицы 2, абсолютные значения коэффициентов корреляции между годовыми
значениями ICRn и Rn (в случае относительно больших абсолютных значений), как правило,
несколько больше, чем между годовыми значениями W и Rn в этих же точках.
Это может говорить о различном характере влияния W и ICR на годовое количество осадков. С
одной стороны, как отмечалось ранее, может иметь место накапливающееся влияние W, а, с
другой стороны, влияние ICR, вероятно, осуществляется без существенной задержки. Кроме
того, влияние этих факторов, судя по всему, имеет еще и региональные особенности.
Этот факт является достаточным основанием для того, чтобы проанализировать территориальное
распределение коэффициентов корреляции между Rn и ICR, Rn и W.
Для обеспечения возможности выявления корреляций между R и ICR в любых других
географических точках необходимо рассмотреть возможность обобщения региональных
особенностей изменчивости ICR. (Рис. 8).
Рис. 8. Нормированные значения годовой интенсивности космических лучей для каждой станции (ICRn) и кривая
средней нормированной интенсивности CR (ICRng).
Вариации значений интенсивности космических лучей, измеренной в различных регионах, с
вероятностью 95% не превышают 30% от их естественной изменчивости.
Таким образом, кривая ICRng может быть использована для выявления корреляционных связей
между ICR и количеством осадков в других регионах планеты, где не производились наблюдения
нейтронным монитором.
7
Это позволило увеличить количество рассматриваемых географических точек для выявления
пространственных закономерностей распределения коэффициентов корреляции. Было
проанализировано около 190 точек (Рис. 9, 10).
Рис. 9. Пространственная локализация коэффициентов корреляции (k) между годовой интенсивностью космических
лучей (ICRng) и годовым количеством осадков в различных регионах планеты.
Рис. 10. Пространственная локализация коэффициентов корреляции (k) между числом Вольфа и годовым
количеством осадков в различных регионах планеты.
Как уже отмечалось, в зонах локализации относительно больших коэффициентов корреляции
между Rn и ICRng абсолютные значения коэффициентов несколько выше, чем соответствующие
величины для W и Rn.
Объяснение такой локализации и ее региональных особенностей может заключаться в том, что
рассматриваемые факторы (космические лучи и солнечная активность) оказывают не
непосредственное влияние на количество осадков, а через различные механизмы воздействия на
общую циркуляцию.
8
Из-за наличия тесной корреляции между интенсивностью космических лучей и солнечной
активностью, трудно определить какой именно из этих факторов является основной причиной
наблюдаемой пространственной локализации. Скорее всего, каждый из них вносит
определенный вклад. Однако отличие коэффициента корреляции между W и ICR от единицы
позволяет надеяться на возможность статистического выявления различий во влиянии этих
факторов.
Для решения этой задачи были рассмотрены коэффициенты корреляции между годовой суммой
осадков и скользящими средневзвешенными значениями каждого из факторов по нескольким
предшествующим годам.
Для определения оптимальных весовых коэффициентов в качестве целевой функции была
использована сумма по всем географическим точкам абсолютных величин коэффициентов
корреляции между средневзвешенными значениями обоих факторов (вычисляемых за несколько
предшествующих лет) и количеством осадков, которая устремлялась к максимуму. При этом
коэффициенты корреляции меньше 0.15 не суммировались, т.е. влияние зон с отсутствием
зависимости не учитывалось.
N
 k
i 1
i
 pi   max
1
N
Wa 
m W
j
j 1
N
m
j 1
j
2
j
N
ICRnga 
 n ICR
j 1
j
ngj
N
n
j 1
3
j
Где:
ki – коэффициент корреляции для i-той географической точки между годовой суммой осадков и скользящим
средневзвешенным значением солнечной активности (Wa);
pi – коэффициент корреляции для i-той географической точки между годовой суммой осадков и скользящим
средневзвешенным значением интенсивности космических лучей (ICRnga);
mj и nj – весовые коэффициенты в каждом j-том году, предшествующему текущему (для текущего года j=1), для
солнечной активности и интенсивности космических лучей, соответственно.
N – количество лет, взятых для получения осредненных значений.
Оказалось, что увеличение количества лет, используемых для получения осредненных значений
Wa и ICRnga, более шести, во-первых, не приводит к существенному изменению весовых
коэффициентов (кроме того, весовые коэффициенты для седьмого и более ранних лет мало
отличаются от нуля), а во-вторых, не приводит к существенному изменению целевой функции.
(Рис. 11).
9
Рис. 11. Коэффициенты средневзвешенного скользящего осреднения годовых значений солнечной активности (mj) и
интенсивности космических лучей (nj) по 5, 6, 7 и 8 предшествующим годам соответственно, (колонка цифр справа –
значения целевой функции).
Видно, что влияние солнечной активности (синие линии) на количество осадков в текущем году,
как уже отмечалось ранее, действительно носит накопительный характер (весовой вклад
солнечной активности (синий цвет) в текущем году оказался несколько ниже, чем вклад этого
фактора в 3-х предшествующих годах, вес более ранних лет постепенно убывает).
В случае космических лучей (розовые линии), наибольший весовой вклад наблюдается у первых
двух лет, вклад 3-го года практически отсутствует. Такое распределение весовых коэффициентов
можно объяснить более быстрым влиянием ICR на R. Начиная с 4-го года, влияние того и
другого факторов на R мало различимо, вероятно, из-за тесной корреляции между W и ICR.
Таким образом, несколько более высокие абсолютные значения коэффициентов корреляции
между ICR и R, чем между W и R, в текущем году, по-видимому, как раз и связаны с различным
временным характером влияния ICR и W на осадки, а никак не с более выраженным
(значительным) влиянием ICR на количество осадков по сравнению с солнечной активностью.
10
Рис. 12. Пространственная локализация коэффициентов корреляции (k) между скользящими средневзвешенными
значениями солнечной активности, определенными по шести предшествующим годам (Wa), и Rn в различных
регионах планеты.
Несмотря на общую похожесть пространственных локализаций области локализации наиболее
высоких коэффициентов корреляции, в ряде случаев, различаются (Рис. 12, 9).
Такие несовпадения свидетельствуют о различиях в территориальном характере влияния
рассматриваемых факторов. Т.е. несмотря на тесную корреляцию между этими факторами их
влияние может быть статистически дифференцировано. Очевидно также, что различны и
механизмы их влияния в силу различия их физической природы. Отсроченное
(аккумулированное) влияние солнечной активности можно рассматривать как косвенное
подтверждение гипотезы ее влияния на парниковый эффект.
Можно также заметить, что, в частности в Северном Полушарии, локализация больших значений
коэффициентов корреляции, как правило, соответствует перераспределению осадков,
вызываемому процессами блокирования перемещения циклонов.
Все это позволяет выдвинуть следующую гипотезу. Увеличение интенсивности космических
лучей может способствовать некоторому дополнительному усилению антициклонической
деятельности, которое должно приводить:
 к относительному уменьшению количества осадков (к отрицательным коэффициентам
корреляции между ICR и R) в зонах сопредельных с центральными областями высокой
повторяемости антициклонов;
 к относительному увеличению количества осадков (к положительным коэффициентам
корреляции между ICR и R) в тех районах, где нет явного преобладания антициклонических
форм циркуляции и где происходят процессы блокирования перемещения циклонов;
 к относительному увеличению количества осадков (к положительным коэффициентам
корреляции между ICR и R), связанному с усилением конвективных процессов во
внутритропических зонах конвергенции.
11
Рис. 13. Сглаженные по [i-3;i+3]-годам суммарная годовая продолжительность (количество суток) эпизодов
блокирования (TDa) и годовая нормированная интенсивность космических лучей (ICRna).
На Рис. 13 видно, что существует относительно тесная корреляция между осредненными по 7
годам значениями: суммарной годовой продолжительности эпизодов блокирования в Северном
полушарии и интенсивности космических лучей (0.7). В то же время, аналогичный коэффициент
корреляции с солнечной активностью значительно меньше (-0.4). Это, в некоторой степени,
подтверждает выдвинутую гипотезу.
Выводы
 Существует относительно тесная корреляция между осредненными по 7 годам значениями
годовой продолжительности эпизодов блокирования и интенсивности космических лучей, в
то время как аналогичная корреляция с солнечной активностью значительно слабее. Это
говорит о том, что космические лучи, вероятно, оказывают влияние на блокировочные
процессы, характерные для атмосферной циркуляции, и, тем самым, на перераспределение
осадков.
 Солнечную активность и космические лучи можно представить, по-видимому, как
комплексный фактор, влияющий на климат и, в частности, на осадки. При этом, характер
влияния солнечной активности и космических лучей на количество осадков различен.
Солнечная активность через определенный физический механизм оказывает
накапливающееся (в течение 6 и более лет) влияние на циркуляцию в системе океанатмосфера. Космические лучи, дополняя это влияние, оказывают более быстрое влияние на
блокировочные процессы.
 Значения коэффициентов корреляции между интенсивностью космических лучей и
количеством осадков, между средневзвешенной солнечной активностью и количеством
осадков имеют выраженные пространственные локализации, которые имеют как схожие, так
и отличительные черты. Различия пространственных локализаций объясняются различным
характером влияния этих факторов на количество осадков.