Влияние солнечной активности на атмосферу должно прежде всего проявиться в изменений ее циркуляции. Если поместить воздух в каком-либо ограниченном объеме (сколь угодно больших размеров), то он как единое целое будет оставаться неподвижным в том случае, если во всех местах этого объема будут сохраняться одинаковыми температура и давление воздуха. В таких условиях нет причин для перемещений отдельных масс воздуха из одного места в другое. (Конечно, отдельные молекулы и атомы воздуха находятся в непрерывном движении.) Если же в одном месте воздух будет нагрет больше, чем в другом, то его давление также изменится соответствующим образом: где больше температура газа, там больше и его давление. Давление — это сила. Она толкает массы воздуха в те места, где давление меньше. В результате происходит такое движение газа, которое стремится выровнять образовавшийся дисбаланс. Движение воздуха в атмосфере происходит по этой же причине . Экваториальная часть атмосферы сильно нагрета солнечным излучением. Приполюсные области нагреты значительно меньше. Поэтому между полюсами и экватором развивается циркуляция воздуха, которая стремится выровнять распределение температуры атмосферы в глобальном масштабе. Но это движение более сложное, чем в любом замкнутом объеме, поскольку воздух при своем движении от экватора к полюсам меняет свои качества. Так, приземный воздух в экваториальном поясе не только теплый (горячий) , но и очень влажный. Будучи горячим, он поднимается вверх и далее движется в направлении полюсов. Но, поднявшись вверх в экваториальном поясе, он теряет свою влагу (сбрасывает ее в виде осадков). Превратившись в сухой воздух, он движется в направлении полюсов. Но до полюсов он не доходит. Пройдя примерно треть своего пути, он опускается и создает здесь зону повышенного атмосферного давления. Естественно, что такая зона имеется в каждом полушарии. От зоны повышенного давления воздух должен устремляться в места, где давление меньше, то есть к экватору и полюсу. Поэтому воздух от зон на широтах +30° движется к экватору и к полюсу. Кстати, в этих зонах сухого горячего воздуха, где атмосферное давление повышено, находятся практически почти все большие пустыни мира. Воздух, движущийся обратно к экватору, есть не что иное, как ветры-пассаты. За счет того, что Земля вращается вокруг своей оси, на движущиеся массы воздуха действует сила Кориолиса. Она заставляет движущийся к экватору воздух смещать направление своего движения к западу, а ветры, направленные к полюсу, смещают свое направление к востоку, то есть становятся юго-западными. Это в северном полушарии. В южном полушарии направления ветров симметричны относительно направлений в северном полушарии. Когда воздух движется на северо-запад, то можно считать, что он движется одновременно вдоль меридиана (на север) и вдоль параллели или вдоль зоны (на запад) . Поэтому говорят о меридиональных (север-юг) и зональных (восток-запад) ветрах. Характер циркуляции принципиально отличен в тех случаях, когда преобладают меридиональные или зональные ветры. Ясно, что при движении воздуха на запад, то есть при зональных ветрах, не происходит эффективного обмена теплом между экватором и полюсами. Если же преобладает меридиональная циркуляция, то есть воздух направлен от экватора к полюсами, то такой обмен эффективен.
Вокруг каждого полюса имеется область тяжелого холодного воздуха. Форма и размеры этой области зависят и от подстилающей поверхности (океан или суша). Этот холодный воздух постоянно атакуется теплым сухим воздухом, который идет из юго-запада. Между ними образуется граница, которая как будто гофрирована. Образуется своего рода "юбка", которая быстро вращается вокруг полюсов. Дело в том, что ветер зависит от подстилающей поверхности и от формы суши. Цепи гор мешают движению воздуха. Поэтому он подходит к приполярной холодной области не одинаково со всех направлений, а струями, волнами. Поэтому и образуется волнами "гофре" холодной полярной "юбки". Эти волны тем интенсивнее, чем больше сила, которая их гонит, то есть чем больше перепад температуры между экватором и полюсами.
Приполюсные вихри холодного воздуха оказывают большое влияние на атмосферную циркуляцию, то есть на формирование погоды в разных местах. Формирование погоды в данном месте связано с прохождением там областей повышенного или пониженного давления.
Воздух движется не только в приземном слое, но и на высотах всей тропосферы. Образуются ячейки, в которых вверху воздух движется в направлении, которое противоположно тому, куда движется воздух внизу, у земли. Но и в горизонтальной плоскости движение воздуха является вихревым. Движущийся воздух представляет собой большие вихри, размеры которых примерно 1000 км. В одних из вихрей, которые называются циклонами, воздух закручивается в том же направлении, в каком вращается Земля. Циклоны— это области пониженного атмосферного давления. Они несут с собой ветреную, ненастную погоду, которая холодная летом и теплая зимой. Воздушные вихри с противоположным направлением вращения воздушной массы являются областями повышенного атмосферного давления и называются антициклонами. С ними связана сухая ясная погода. Антициклон приносит зимой холод, а летом— тепло.
В зависимости от общей циркуляции атмосферы путь циклонов будет различным. Под действием космических факторов может изменяться общая циркуляция атмосферы, а значит и путь прохождения циклонов, то есть погода и климат.
Таким образом, атмосферная циркуляция определяется неравномерным нагревом атмосферы, вращения Земли, подстилающей поверхностью и наличием гор, циклонической деятельностью. В дальнейшем мы убедимся в том, что солнечная активность и другие космические факторы оказывают существенное влияние на атмосферную циркуляцию.
Процессы в гидросфере непосредственно связаны с атмосферными процессами (количеством осадков и т. д.) . При поиске причин, которые вызывают циклические изменения в атмосфере и гидросфере, надо иметь в виду не только циклические изменения солнечной активности, но и изменение приливообразующих сил с периодом в 17—19 лет, а также циклические изменения радиуса перемещения оси вращения Земли с периодом 6—7 лет.
Было проведено исследование годового стока рек в Средней Азии и Сибири в зависимости от солнечной активности. Даже простое сопоставление тех и других данных показало, что между ними имеется хорошая согласованность.
Была сопоставлена интенсивность меридиональной и зональной циркуляции атмосферы с солнечной активностью за продолжительный период времени. Оказалось, что колебания зональной составляющей атмосферной циркуляции, то есть колебания ветров в направлении запад—восток увеличивается каждый раз (без исключения) при усилении солнечной активности. Данные были взяты по различным долготным секторам (Сибирский сектор. Тихоокеанский сектор, Американский сектор, Атлантический сектор) и суммарные показатели по всему северному полушарию. Оказалось, что практически во всех долготных секторах происходят однотипные (однофазные) изменения атмосферной циркуляции, то есть они носят глобальный характер.
Колебания меридиональной циркуляции связаны с солнечной активностью менее четко, чем зональной. В одних случаях во время высокой солнечной активности наблюдаются и наибольшие колебания меридиональной атмосферной циркуляции. В других случаях они приходятся на время минимальной солнечной активности. Но это не говорит о каком-либо произволе. Такие переходы от одной зависимости к другой (фазовые переходы) происходят тогда, когда происходит перелом тенденции затухания показателей атмосферной циркуляции на тенденцию роста (а также наоборот). Мы встречаемся с переломами хода земных процессов. Они происходят чаще всего при неожиданных, неплановых, отличных от нормы, изменениях солнечной активности.
Воздушные массы, приходящие с запада (с Северной Атлантики и Средиземного моря через Европу), приносят в район Сибири осадки, в результате которых водоносность рек увеличивается. Если приток этих воздушных масс по каким-то причинам уменьшится, то понизится и водоносность рек этого региона. Помешать этому притоку западных воздушных масс могут движения холодного арктического воздуха, то есть усиление меридиональной циркуляции (по направлению от полюса к средним широтам) . В определенные эпохи зональная циркуляция (западные ветры) очень хорошо развиты, а в другие — они подавлены. Так, до 1928 г. зональная западная циркуляция Сибирского сектора была подавлена. После же 1928 г. она развивалась очень выраженно. Поэтому в этот период прослеживается очень четкая связь между этой циркуляцией и стоком рек этого региона. До 1928 г. такой четкой связи не наблюдалось . Поскольку холодные воздушные массы из Арктики блокируют западную циркуляцию, то тем самым они приводят к уменьшению водоносности рек этого региона. До 1933 г. повторяемость меридиональной циркуляции была в пределах нормы. За этот период и прослеживается четкая связь между ее усилением и уменьшением водоносности рек Сибири. После того как меридиональная циркуляция ослабла (начиная с 1934 г.), она больше не смогла препятствовать поступлению в регион влажного теплового воздуха с запада. Поэтому она перестала оказывать влияние на водоносность рек Сибири.
Следует иметь в виду, что не всегда арктический холодный воздух перекрывает путь влажному теплому западному ветру, который несет в себе осадки. При их соприкосновении возможна и такая ситуация, когда от воздействия холодных масс арктического воздуха быстрее и интенсивнее выпадают осадки из теплого западного воздуха. О таком исходе свидетельствуют данные о водоносности рек в Восточной Сибири. Такая ситуация может реализоваться в теплый сезон года, но не зимой.
Эти факты еще раз говорят за то, что нельзя искать только непременно прямые связи между солнечной активностью и земными процессами, в частности, водоносностью рек. Если такой прямой связи нет, то это не значит, что солнечная активность не влияет на сток рек. Поскольку водоносность рек зависит от солнечной активности посредством атмосферной циркуляции, то возможны различные варианты этой связи в зависимости от того, какая составляющая атмосферной циркуляции преобладает: зональная или меридиональная. Когда преобладает зональная составляющая атмосферной циркуляции, то именно она определяет водоносность рек Сибири. В эпохи, когда она подавлена, преобладает меридиональная циркуляция атмосферы, водоносность рек зависит от нее: в одних случаях ее усиление понижает водоносность, перекрывая полностью дорогу теплому влажному западному ветру, а во втором случае (летом) способствует образованию осадков из западных воздушных масс.
Если мы рассматриваем другой регион Земли, то все может выглядеть по-иному. Важно, какие воздушные массы сюда попадают, какие из них приносят осадки, а какие из них не только не приносят их, но и препятствуют образованию осадков ит. д. Поэтому и получается, что в разных регионах Земли зависимость хода природных процессов от солнечной активности различная. Но это различие отнюдь не означает какого-либо противоречия, оно тем более не означает отсутствия зависимости данного процесса от солнечной активности.
Это можно проиллюстрировать ситуацией со стоком рек в другом, ближнем к Сибири регионе— Средней Азии. Здесь зависимость водостока рек от атмосферной циркуляции иная. Поскольку регион Средней Азии находится дальше от Арктики, чем Сибирь, влияние холодных арктических масс воздуха на количество осадков, а значит и на водоносность рек меньше, чем в Сибири. Практически в Средней Азии количество осадков (и водоносность рек) зависят всецело от тональной циркуляции, то есть от теплых влажных масс воздуха, приходящих с запада.
Таким образом, солнечная активность оказывает влияние на водоносность рек путем изменения количества осадков, которое, в свою очередь, определяется характером атмосферной циркуляции. Последнее звено связи мы выяснили. Так как же обстоит дело с зависимостью между конечными звеньями этой цепи, то есть между солнечной активностью и водоносностью рек? Ясно, что для разных регионов эта зависимость будет различной. В одних увеличение солнечной активности приведет к уменьшению водостока рек. Это справедливо для Средней Азии. В этом случае говорят, что эти величины изменяются в противофазе (сдвиг фаз на 180°) , то есть максимум солнечной активности совпадает с минимумом водоносности рек. Такая же зависимость (в противофазе) между солнечной активностью и водостоком рек имеет место и для Зауралья, и Восточной Сибири (река Лена) . Более сложная зависимость имеет место на юге Восточной Сибири (р. Ангара, верхний Енисей, о. Байкал), а также в Западной Сибири. Здесь в разные эпохи развития атмосферной циркуляции зависимость разная. Так, в те эпохи, когда преобладает движение теплых воздушных масс с запада (то есть 1928 г.), водоносность рек в Западной Сибири и на Дальнем Востоке изменялась синфазно с изменением солнечной активности, то есть максимуму одной величины соответствовал максимум другой, а в бассейнах озера Байкал и р. Енисей сдвиг по фазе составил 90 ° .
К настоящему времени выполнены только первые исследования связи процессов в гидросфере с солнечной активностью. Они подтвердили эту связь. В дальнейшем предстоит исследовать эти связи в полном объеме. Конечно, это относится не только к процессам в атмосфере, но и к другим природным процессам на Земле. Зачем это надо? Зная причину изменения этих процессов, можно будет уверенно прогнозировать их развитие на ближнее и отдаленное будущее. Значение таких достоверных прогнозов для жизни человека очевидно.
Объемные исследования связи атмосферной циркуляции с солнечной активностью были выполнены под руководством Э. Р. Мустеля. Использовались данные многих метеорологических станций. Главным параметром, определяющим характер атмосферной циркуляции, является давление. Именно перепады в давлении заставляют воздух двигаться туда, где давление меньше. Для исследований были выбраны конкретные периоды, когда Землю с ее магнитосферой окутал поток солнечных заряженных частиц. Магнитосфера Земли под давлением потока заряженных частиц возмущается, происходит магнитосферная буря. Одним из признаков бури в магнитосфере является магнитная буря, то есть возмущение магнитного поля Земли. Именно по степени возмущенности магнитного поля и отбирались периоды, за которые анализировалось изменение атмосферного давления. Поскольку во время магнитосфер-ных бурь часть энергии заряженных частиц передается в атмосферу, то можно ожидать, что вызванные вносом этой энергии процессы изменят распределение атмосферного давления. Были отобраны 834 периода нахождения Земли в потоках солнечных заряженных частиц (которые имели место с 1890 по 1967 г.) . Анализ проводился дифференцированно, то есть раздельно для разных сезонов и разных метеостанций.
Было показано, что спустя некоторое время после начала магнитной бури атмосферное давление действительно меняется: в одних регионах оно увеличивается, а в других— уменьшается. Правда, величина (амплитуда) колебания давления, которое можно уверенно связать с магнитной бурей, намного меньше того размаха изменения давления, которое сопровождается ураганами и штормами. Были выделены шесть районов, в каждом из которых наблюдались однотипные изменения атмосферного давления. Это— Восток СССР, Западная Сибирь, Европа, окрестности Карского моря, Северная Атлантика.
Анализ показал, что на Востоке СССР, в Северной Атлантике и на Канадском архипелаге после начала магнитной бури атмосферное давление уменьшается. В это же время в Европе, Западной Сибири и в окрестности Карского моря атмосферное давление увеличивается. Наиболее эффективно и быстро энергия солнечных заряженных частиц вносится в атмосферу в высоких широтах, в овале полярных сияний, на широтах вблизи 70°. Поэтому уже через двое суток в высокоширотных районах меняется атмосферное давление. Чем дальше в сторону экватора от овала полярных сияний, тем больше надо времени, чтобы энергия солнечных потоков заряженных частиц попала в атмосферу и вызвала там изменение атмосферного давления. Так, в Восточной части СССР атмосферное давление изменяется только спустя четверо суток. При этом с увеличением широты уменьшается амплитуда изменения атмосферного давления.
Эффективность воздействия солнечных заряженных частиц на магнитосферу зависит от направления межпланетного магнитного поля. Было показано, что направление межпланетного магнитного поля проявляется и в атмосферных процессах: при изменении знака магнитного поля существенно изменяется зональная циркуляция атмосферы.
Ветровой режим атмосферы на высотах 6—120 км также зависит от солнечной активности. Исследования проведены В. Ф. Логиновым по данным станций ракетного и аэрологического зондирования атмосферы в 1962—1970 гг. над Тихим океаном и Северной Америкой. Было показано, что при увеличении солнечной активности ослабляется циркуляция атмосферы в поясе с широтами меньше 40° с. ш. Ранее было установлено по данным о торможении искусственных спутников в атмосфере Земли, что с ростом солнечной активности увеличивается плотность атмосферного газа в верхней атмосфере (где летали спутники).
Развивающиеся в атмосфере процессы при воздействии внешних факторов, связанных с солнечной активностью, зависят от того, в каком состоянии в момент воздействия находится атмосферный газ. Поэтому зависимость атмосферной циркуляции от солнечной активности различна в разные сезоны года, на разных широтах и долготах. Это следует из всех выполненных исследований.
До сих пор рассматривая глобальную циркуляцию атмосферы, мы говорили только об одной зоне максимального нагрева атмосферы, которая находится в экваториальном поясе. Но ведь имеется и вторая зона, где нагрев атмосферного газа большой. Это та зона в высоких широтах, куда в атмосферу вторгаются заряженные частицы и в различных процессах передают свою энергию атмосферному газу. Эта зона и есть овал полярных сияний. Грубо она расположена между 65 и 75° с. ш. (в северном полушарии) . Именно в этой зоне наблюдаются чаще всего антициклоны большой силы. В зоне полярных сияний происходят частые нарушения установившейся атмосферной циркуляции, то есть зональная атмосферная циркуляция часто меняется, возмущается. Вторжение заряженных частиц в зоне полярных сияний зависит прямым образом от солнечной активности. Поэтому естественно, что от солнечной активности зависит и характер зональной атмосферной циркуляции. Значит, в нем должны проявлять себя как 11-летний, так и вековой цикл изменения солнечной активности. Сопоставление данных (после определенной обработки) о зональной атмосферной циркуляции с уровнем солнечной активности за периоды максимальной солнечной активности уменьшается повторяемость зональных атмосферных процессов. Это и понятно, поскольку для повторяемости необходима стабильность, а при частом вторжении в атмосферу зоны полярных сияний о какой ее стабильности может идти речь? Стабильность больше при низкой (минимальной) солнечной активности. Поэтому в минимумах солнечной активности, когда нагрев атмосферы заряженными частицами в зонах полярных сияний минимален, увеличивается повторяемость зональных процессов, ветров, направленных в долготном направлении запад—восток. В зонах полярных сияний больше всего меняется атмосферное давление в продолжении 11-летнего цикла солнечной активности. Причина та же: атмосфера подвержена действию потоков солнечных заряженных частиц. Такая же зависимость зональной циркуляции атмосферы от уровня солнечной активности прослеживается и в течение векового цикла солнечной активности. Вековой цикл солнечной активности в начале нашего столетия имел минимум, то есть солнечная активность в максимумах 11-летних циклов была небольшой, минимальной.
Поэтому в начале нашего века повторяемость зональной циркуляции была высокая. В 30-е годы уровень солнечной активности в вековом цикле вырос. Резко упала в это время и повторяемость зональной циркуляции, поэтому стал меняться климат: началось потепление Арктики. Это произошло потому, что ветры стали преимущественно меридиональными, значит усилился обмен теплом между горячей экваториальной зоной и холодной приполярной областью. Свидетельств потепления Арктики после 1930 г. много. Так, побережье северных морей в начале нашего столетия было сплошь покрыто льдами. С начала нашего столетия началось потепление Арктики, связанное с усилением солнечной активности в вековом цикле. К 1930 г. льды стали отступать. Показателем изменения ситуации может служить тот факт, что в это время можно было обогнуть Новую Землю со стороны полюса на обычном судне, даже не подготовленном для плавания во льдах. В 1945 г. потепление Арктики достигло своего максимума. После этого средневековая температура воздуха начала падать. Началось очередное похолодание. Льды Арктики снова сползают все ниже и ниже. Из-за похолодания урожайность трав в Исландии уменьшилась на четверть и продолжает падать. Продолжительность вегетационного периода в результате похолодания существенно уменьшилась. Так, в Англии по сравнению с 1950 г. она упала на 2 недели и продолжает падать. По данным наблюдений со специальных метеоспутников было установлено, что в северном полушарии территория, покрытая снегом и льдом, увеличилась в 1971г. на 12%. Мало того, она продолжает увеличиваться. Круглый год в настоящее время покрыты снегом Баффинова Земля (в Канадской Арктике), которая раньше полностью освобождалась от снега в летнее время. Таким образом, происходит расширение холодной полярной шапки.