ПРОФ. ЖАРКОВА: НОВЫЙ ГЛОБАЛЬНЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ МИНИМУМ ВЫЗОВЕТ ПОХОЛОДАНИЕ НА ЗЕМЛЕ

 

Выкладываю ниже переработанный и дополненный автором - профессором Валентиной Жарковой - вариант статьи, перевод которой выложен в предыдущей блогозаписи. Пользуюсь случаем поблагодарить её за эту работу, которая заслуживает пристального внимания всех, для кого эта важная информация доступна лишь на русском языке.

behaviorist-socialist

* * *

Профессор Валентина Жаркова:

Новый Глобальный Солнечный Минимум (ГСМ) вызовет похолодание на Земле

В этой редакционной статье я продемонстрирую с помощью недавно открытого показателя солнечной активности – фонового (полоидального) магнитного поля Солнца (без пятен), что оно вошло в новый Глобальный солнечный минимум на 2020–2053 годы, подобный минимуму Маундера. Этот ГСМ связан со значительным ослаблением солнечного магнитного поля и уменьшением активности Солнца, что, в свою очередь, и приведет к заметному понижению температуры на Земле.

Солнце - главный источник энергии для всех планет солнечной системы. Эта энергия поступает на Землю в виде солнечного излучения в разных длинах волн от ультрафиолетового (УФ) до оптического и инфракрасного, называемого общим солнечным облучением. Солнечное излучение вызывает нагревание как верхних, так и нижних слоев атмосферы планеты и сложные процессы переноса солнечной энергии к поверхности планеты.

Для солнечной активности характерны циклические 11-летние изменения количества солнечных пятен на поверхности Солнца. Среднемесячное количество солнечных пятен используется за последние 150 лет в качестве показателя солнечной активности. Циклы активности Солнца объясняются действием механизма солнечного электромагнитного динамо внутри Солнца (Паркер, 1955), генерирующего магнитные трубки на дне конвективной зоны Солнца и вынуждающего эти трубки всплывать через солнечные недра на поверхность.

Все большее число этих магнитных трубок появляется на поверхности Солнца в годы максимумов активности в виде магнитных петель, формирующих активные области. Те места, где магнитные трубки укоренены в поверхность, или фотосферу, Солнца, видны в белом свете, как солнечные пятна. Солнечные пятна появляются на высоких широтах 30– 40 градусов в виде групп пятен, сформированных одной или несколькими магнитными петлями, которые в процессе развития цикла мигрируют к экватору. Пятна групп, которые более близки к экватору, называются лидирующими.

Магнитное поле солнечных пятен, или тороидальное поле, достигает довольно высоких значений - нескольких тысяч Гаусс, в то время как фоновое, или полоидальное, магнитное поле Солнца не превышает нескольких Гаусс или десятков Гаусс. Полярность полоидального поля обычно противоположна полярности магнитного (тороидального) поля лидирующих пятен.

Солнечное динамо циклически преобразует полоидальное поле данной полярности в начале солнечного цикла в тороидальное поле магнитных трубок, которое достигает своего максимума в максимуме солнечного цикла, а затем, следуя к солнечному минимуму, преобразует тороидальное поле трубок обратно в полоидальное противоположной полярности, которое и формирует дипольное поле Солнца в следующем минимуме. Очевидно, что полярности полюсов и фонового магнитного поля Солнца меняются в течение 11 летнего цикла. Поэтому продолжительность солнечного цикла следовало бы удвоить до 22 лет, чтобы получить исходную полярность фонового магнитного поля и магнитную полярность в ведущих пятнах того же полушария.

Несмотря на понимание общей картины солнечного цикла, было довольно сложно увязать прогнозируемые количества солнечных пятен с наблюдаемыми, если цикл ещё не начался и не показал направление развития. Эта проблема является четким указанием на определенные упущения в определении солнечной активности по количествам или площадям солнечных пятен, которые занимают небольшую часть солнечной поверхности. Это побудило нас к исследованию фонового (полоидального) магнитного поля Солнца (ФМПС) от всей поверхности, по-английски - solar (poloidal) background magnetic field (SBMF) которое содержит намного больше содержательной информации для анализа [1].

Применив анализ главных компонент (PCA) к магнитограммам полного диска Солнца с низким разрешением, полученным в циклах 21–23 Солнечной Обсерваторией Университета Станфорда, США (Wilcox Solar Observatory), чтобы получить частоты собственных магнитных колебаний Солнца, мы обнаружили не одну, а две главные компоненты этого фонового магнитного поля Солнца (см. Илл. 1, верхний график), помеченныe красной и синей линиями, связанные с двумя магнитными волнами, а не одной, как предполагалось большинством динамо моделей.

Используя метод Гамильтониана, внедренный в числовом пакете Euriqa (Schmidt and Lipton, 2009,  324, 81–85), Жарковой и др. [1] удалось получить для этих двух волн математические формулы, аппроксимирующие главные компоненты вариаций магнитного поля для данных циклов 21–23 рядом периодических функций, которые показали точность расчетов на цикле 24 около 97%. Эти формулы были использованы для предсказания магнитных волн вначале для циклов 24–26, а затем для многих циклов возникающих в течение 2000 лет (1200–3200).

Две принципиальные компоненты представляют собой две магнитные волны сгенерированные в двух слоях внутри Солнца (внутренний и внешний), которые имеют близкие, но не равные частоты [1]. Эти волны следуют известным законам взаимодействия волн усиливая, или уменьшая амплитуду результирующей волны в зависимости от фазы волн. Суммарная кривая этих двух магнитных волн для шести циклов 21–26 (Илл. 1, нижний график) показывает интерференцию этих волн с разностью в фазе, создающую максимумы и минимумы солнечных циклов.

Суммарная кривая двух магнитных волн, как показано на илл. 2 (верхний график), объясняет многие особенности 11-летних циклов, такие как двойные максимумы в некоторых циклах или асимметрия солнечной активности противоположных полушарий во время разных циклов. Оказывается, что амплитуда суммарного магнитного поля Солнца в циклах 21-26, показанная на суммарной кривой, уменьшается к циклам 24-25, становясь почти нулевой в цикле 26.

Более того, Жаркова и др. [1] связали модуль суммарной кривой с усредненным числом солнечных пятен, которое используется как индекс солнечной активности, и показали на илл. 2 (нижний график), что они довольно близко совпадают для циклов 21–23. Основываясь на этом подобии, Жаркова и др. [1] предложили использовать суммарную кривую принципиальных компонент фонового магнитного поля в качестве нового показателя солнечной активности, который использует не только амплитуду солнечного цикла, но и его ведущую магнитную полярность.

Жаркова и др. [1] продолжили эту кривую на циклы 24–26, и обнаружили уменьшение солнечной активности в циклах 25–26. Тогда авторы провели расчеты суммарной кривой на временном интервале от 1200 до 3200 лет показанной на илл. 3. Они обнаружили, что амплитуды 11-летних циклов осциллируют с намного большим периодом около 350–400 лет вызванным интерференцией двух магнитных волн, или эффектом биения волн, определенным полу-разницей частот волн в разных слоях. Этот эффект биения волн хорошо известен в акустике при настройке музыкальных инструментов по камертону.

Эти большие солнечные циклы длиной 350–400 разделены Глобальными солнечными минимумами (ГСМ), которые соответствуют периодами очень низкой солнечной активности и отсутствием солнечных пятен[1]. Предыдущий глобальный солнечный минимум был минимумом Маундера (1645–1710), а ему предшествовал другой, названный минимумом Вольфа (1270–1350). Как видно на илл. 3, по прогнозу Жарковой и др. [1] в ближайшие 500 лет Солнцу предстоят два современных ГСМ солнечной активности: нынешний в 21 веке (2020–2053 гг.) и следующий за ним в 24-25 векax (2370–2415 гг.).

Наблюдаемые свойства этих двух магнитных волн и их суммарная кривая близко совпадают с рассчитанными волнами двойного динамо, генерируемыми дипольными источниками магнитного поля в двух слоях внутри Солнца: внутреннем и внешнем [1]. В то же время, авторы обнаружили ещё три пары магнитных волн, которые могут генерироваться квадрупольными, секступольными и октупольными источниками магнитного поля, совместно с дипольным источником, тем самым определяя видимое проявление активности Солнца на его поверхности.

В настоящее время Солнце завершило 24-й солнечный цикл - самый слабый цикл за последние 100 с лишним лет, а в 2020 году начался 25-й цикл. Напоминаем, что в периоды низкой солнечной активности, такие как нынешний глобальный солнечный минимум, на Солнце часто отсутствуют солнечные пятна.

Это именно то, что наблюдалось в начале солнечного минимума между 24-25 циклами, потому что в 2020 году на Солнце не было пятен в общей сложности 208 дней (57%), а 2021 начался с уже 26 дней (59%) без пятен. Это означает, что 2021 год или годы следующего минимума 11 летнего цикла (2030-2034) могут легко побить рекорд космической эры в 281 день (или 77%) без пятен, установленный в 2019 году:

Так или иначе, начало цикла 25 по-прежнему вялое по солнечным активным областям и вспышкам, поэтому с каждым последующим днем / неделей / месяцем длительность нулевого уровня солнечной активности увеличивается http://www.sidc.be/silso/spotless, что означает начало первого современного глобального солнечного минимума (ГСМ).

Каковы же последствия этого снижения солнечной активности и уменьшения солнечного магнитного поля для Земли?

Снижение общей солнечной светимости (TSI) во время минимума Маундера

Давайте посмотрим, что произошло с солнечной светимостью во время предыдущего глобального солнечного минимума - минимума Маундера. В этот период на поверхности Солнца появилось очень мало солнечных пятен, и общая яркость Солнца несколько снизилась.

Реконструкция усредненной по циклам полной солнечной светимости до 1610 г. (илл. 4, верхний график) показывает уменьшение солнечной светимости во время минимума Маундера примерно на 3 Вт/м² [2], или примерно на 0,22% от общей солнечной светимости в 1710 году - после того, как минимум Маундера закончился.

Похолодание во время минимума Маундера

С 1645 по 1710 год температура в большей части северного полушария Земли упала, когда Солнце вошло в фазу спокойствия, которая теперь называется минимумом Маундера. Вероятно, это произошло из-за того, что общая солнечная светимость снизилась на 0,22%, как показано на илл. 4 (верхний график) [2], что привело к снижению средней температуры на Земле, измерявшейся главным образом в Северном полушарии в Европе, на 1,0–1,5 °C, как показано на илл. 4 (нижний график) [3]. Это, казалось бы, небольшое снижение средней температуры в Северном полушарии привело к замерзанию рек, долгим холодным зимам и холодным летам.

Температура поверхности Земли снизилась по всему земному шару (см. илл. 1 в [4]), особенно в странах Северного полушария. В Европе и Северной Америке ударили морозы; альпийские ледники накрыли поля в долинах; морской лед Арктики пополз на юг; в эти годы регулярно замерзали реки Дунай и Темза, а также знаменитые каналы в Нидерландах.

Shindell et al. [4] показали, что такое падение температуры было связано с уменьшением содержания озона, создаваемого ультрафиолетовым излучением Солнца в стратосфере - слое атмосферы, находящемся на расстоянии от 10 до 50 километров от поверхности Земли. Поскольку во время минимума Маундера Солнце излучало в целом слабее, включая жесткое ультрафиолетовое излучение, то образовывалось меньше озона, что повлияло на высотные струйные течения (jet streams) в атмосфере планеты, создавая в них гигантские волны.

Shindell et al. [4] на стр. 2150 сделали предположение, что «изменение планетарных волн во время минимума Маундера вывело Североатлантическую осцилляцию (NAO) из равновесия между постоянной системой низкого давления около Гренландии и постоянной системой высокого давления к югу от нее в отрицательную фазу, что привело к тому, что Европа оставалась необычно холодной во время минимума Маундера».

Роль магнитного поля в охлаждении Земли при Больших минимумах солнечной активности

Однако во время глобального солнечного минимума изменяется не только солнечное излучение. Есть еще один фактор, содействующий понижению температуры Земли во время ГСМ - это фоновое магнитное поле Солнца, роли которого до сих пор не уделялось внимания. После открытия [1] значительного уменьшения магнитного поля при наступающем нынешнем ГСМ, и во время предыдущего ГСМ, минимума Маундера, было признано, что солнечное магнитное поле играет важную роль в температурном балансе планет. Именно магнитное поле Солнца определяет уровень космических лучей, достигающих атмосферы планет Солнечной системы, включая Землю. Значительное ослабление магнитного поля Солнца во время глобальных солнечных минимумов, несомненно, приводит к увеличению интенсивности галактических и внегалактических космических лучей, которые, в свою очередь, вызывают образование высотных облаков в атмосфере Земли и способствуют охлаждению атмосферы, как показали Svensmark et al. [5].

В предыдущем солнечном минимуме между 23 и 24 циклами интенсивность космических лучей увеличилась на 19%. В настоящее время магнитное поле Солнца, предсказанное на илл. 1 Жарковой и др. [1], радикально слабеет, что, в свою очередь, приводит к резкому ослаблению межпланетного магнитного поля Солнца с обычного уровня 6–8 нанотесла (нТл) до 4 нТл. Это ослабление межпланетного магнитного поля, естественно, приводит к значительному увеличению интенсивности космических лучей, воздействующих на атмосферу нашей планеты, как сообщалось в недавних космических полетах [6].

Следовательно, этот процесс ослабления магнитного поля Солнца продолжается, как предсказывали Жаркова и др. [1], и внесёт свой вклад в воздействие космических лучей на атмосферы планет, включая Землю. Это может снизить температуру на Земле во время нынешнего Глобального солнечного минимума, который начался в 2020 году.

Ожидаемое снижение температуры на Земле при нынешнем Глобальном Солнечном Минимуме

Суммарная кривая солнечной активности в Илл. 3 также указывает на наступающий нынешний Глобальный солнечный минимум 1 - циклы 25–27 (2020–2053 годы) и будущий ГСМ 2 (2370–2415 годы). Это создаст в настоящем ГСМ уникальные условия низкой активности Солнца, которые были во время минимума Маундера. Ожидается, что во время нынешнего большого солнечного минимума активность Солнца и его магнитное поле значительно уменьшится, как это произошло во время минимума Маундера (илл. 3).

Как и в случае минимума Маундера, ослабление магнитного поля Солнца вызовет уменьшение солнечного излучения примерно на 0,22% (илл. 4, верхний график) в течение трех солнечных циклов (25-27) первого современного ГСМ (2020-2053 годы) и четырех солнечных циклов второго современного ГСМ (2370–2415 годы).

Это в свою очередь может привести в течение следующих трех циклов (25–27) большого минимума 1 к падению температур на Земле на 1,0 °C, по сравнению с текущими температурами (см. илл. 4, нижний график). Наибольшие падения температур будут достигаться во время локальных минимумов между циклами 25-26 и циклами 26-27, когда будет самый низкий уровень солнечной активности по оценкам показанным на илл. 2 (нижний график) и илл. 3. Таким образом, средние температуры в Северном полушарии может снизиться на 1,0 °C от текущей температуры, которая уже увеличилась на 1.4 °C со времен минимума Маундера. Это приведет к тому, что средняя температура станет ниже нынешней, но будет все же на 0,4 °C выше, чем температуры, измеренные в 1710 году. Затем, после того, как современный глобальный солнечный минимум 1 закончится, солнечная активность в цикле 28 будет восстановлена до нормального уровня в довольно коротком, но мощном большом солнечном цикле, продолжающемся с 2053 до 2370 года, как показано на илл. 3, прежде чем она приблизится к следующему глобальному солнечному минимуму 2 в 2370 году.

Выводы

В этой редакционной статье я продемонстрировала, что новейшие успехи в обнаружении собственных осцилляций магнитного поля Солнца и в измерении наблюдаемых величин магнитного поля в разные периоды активности дали нам возможность лучшего понимании роли фонового магнитного поля Солнца как детерминанты солнечной активности и сделать надежные долгосрочные прогнозы солнечной активности в масштабах не только десятилетий но и тысячелетий.

Этот подход выявил наличие не только 11-летних солнечных циклов, но и глобальных солнечных циклов продолжительностью 350–400 лет. Мы продемонстрировали, что эти большие циклы - результат интерференции двух магнитных волн с близкими, но не равными частотами, создаваемых действием двойного солнечного динамо на разных глубинах внутри Солнца. Эти большие циклы всегда разделены большими солнечными минимумами типа минимума Маундера, которые регулярно происходили в прошлом, образуя хорошо известные минимумы Маундера, Вольфа, Оорта, Гомера и другие глобальные минимумы.

Во время этих глобальных солнечных минимумов происходит значительное ослабление магнитного поля и излучения Солнца, что приводит к снижению температур на Земле, установленным для этих периодов на основе анализа земной биомассы за последние 12000 и более лет. Последним большим солнечным минимумом был минимум Маундера (1645–1710 годы), кода произошло уменьшение солнечного излучения на 0,22% по сравнению с современным уровнем и снижение на 1,0°C средней температуры на Земле.

Это открытие действия двойного динамо на Солнце является для нас своевременным предупреждением о наступающем глобальном солнечном минимуме 1, когда солнечное магнитное поле и его магнитная активность уменьшатся на 70%. Этот период начался на Солнце в 2020 году и продлится до 2053 года. Во время этого нынешнего большого минимума можно ожидать снижения средней земной температуры на 1,0 °C, особенно в периоды солнечных минимумов между циклами 25–26 и 26–27, то есть в десятилетие 2031–2043 годов.

Снижение температуры на Земле в течение следующих 30 лет может иметь серьёзные последствия в различных зонах нашей планеты, особенно для вегетации растительности, сельского хозяйства, снабжения продовольствием и отопления как в Северном, так и в Южном полушариях. Это глобальное похолодание во время наступающего глобального солнечного минимума 1 (2020–2053 годы) может аннулировать на три десятилетия любые намёки на глобальное потепление и вызвать необходимость международных усилий для решения проблем со снабжением теплом и продовольствием всего населения Земли.

Ссылки

[1] Zharkova VV, Shepherd SJ, Popova E, et al. Heartbeat of the sun from principal component analysis and prediction of solar activity on a millennium timescale. Sci Rep. 2015;5:15689. Available from: https://www.nature.com/articles/srep15689

[2] Lean JL, Beer J, Bradley R. Reconstruction of solar irradiance since 1610: implications for climatic change. Geophys Res Lett. 1995;22:3195–3198.

[3] Easterbrook DJ. Cause of global climate changes. In: Evidence-based climate science. 2nd ed. Elsevier Inc.; 2016. p. 245–262.

[4] Shindell DT, Schmidt GA, Mann ME, et al. Solar forcing of regional climate change during the Maunder minimum. Science. 2001;294:2149.

[5] Svensmark H, Enghoff MB, Shaviv NJ, et al. Increased ionization supports growth of aerosols into cloud condensation nuclei. Nat Comms. 2017;8:2199.

[6] Schwadron NA, Rahmanifard F, Wilson J, et al. Update on the worsening particle radiation environment observed by CRaTER and implications for future human deep-space exploration. Space Weather. 2018;16:289–303.

---