КОСМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЗЕМЛЮ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА АРКТИКУ
Смульский И.И.,
д. ф.-м. н., профессор, г.н.с.,
Институт криосферы Земли СО РАН, г. Тюмень, Россия,
Аннотация
Систематизировано рассмотрено влияние космоса на Землю. Атмосферная циркуляция, циклоны и антициклоны обусловлены шарообразной формой Земли и ее вращением. Солнце создает орбитальное движение Земли и освещает ее, а потоки его вещества создают вариации погоды и климата. Луна, совместно с Солнцем, создает приливные явления в атмосфере и океане, вариации наклона оси Земли, а также колебания климата с периодами десятки тысяч лет. Воздействие планет приводит к эволюции орбиты Земли. За счет воздействия планет Солнце обращается вокруг центра масс Солнечной системы, в результате происходят вариации корпускулярного излучения Солнца, которые создают вариации погоды и климата. Более подробно рассмотрены вариации освещенности Земли Солнцем, в том числе полярные дни и ночи в современную эпоху, а также в холодную и теплую эпохи.
Ключевые слова: космос, влияние, Земля, циклоны, антициклоны, погода, климат, полярные дни и ночи.
Abstract
COSMIC IMPACTS ON THE EARTH AND THEIR INFLUENCE ON THE ARCTIC
Smulsky J.J., Dr., Prof.,
Institute of Earth's Cryosphere, Tyumen, Russia
The influence of space on the Earth is systematized. Atmospheric circulation, cyclones and anticyclones are caused by the spherical shape of the Earth and its rotation. The Sun creates orbital motion of the Earth and irradiates it, and the streams of its substance create variations in weather and climate. The Moon, together with the Sun, creates tidal phenomena in the atmosphere and the ocean, variations in the obliquity of the Earth's axis, and climate fluctuations with tens thousands years periods. The evolution of the Earth's orbit is occurred under planets impact. Due to the influence of the planets, the Sun revolves around the center of mass of the Solar system, as a result, there are variations in the solar corpuscular radiation that create variations in weather and climate. The variations of the Sun's insolation of the Earth, including polar days and nights in the modern era, as well as in the cold and warm epochs, are considered in more detail.
Key words: Space, impact, Earth, cyclones, anticyclones, weather, climate, polar days and nights.
Космические воздействия оказываются на всю Землю, включая Арктику, ее неотъемлемую часть. Отдельные явления, например, полярные сияния, для Арктики являются яркими проявлениями этого воздействия. Другие, как атмосферные и океанические течения, внешне незаметные, играют для Арктики более существенную роль, хотя формируются совокупностью космических воздействий на всю Землю. Космические факторы воздействия на Землю можно подразделить на те, которые обусловлены самой Землей, как космическим телом, так и на внешние, которые обусловлены другими телами: Солнцем, Луной и планетами.
ПРОЦЕССЫ НА ЗЕМЛЕ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ЕЮ КАК КОСМИЧЕСКИМ ТЕЛОМ
Земля, как космическое тело обращается вокруг Солнца за 1 год, и за сутки - вокруг своей оси. Суточное вращение создает день и ночь, а при орбитальном движении возникают сезоны года: весна, лето, осень и зима. Как видно из рис. 1, при движении Земли по орбите ось вращения Земли наклонена вправо и не изменяется. Поэтому в разных частях орбиты освещенность Земли Солнцем изменяется по широте. Так возникают сезоны года или времена года.
Вращательная скорость точки поверхности Земли увеличивается с увеличением ее расстояния от оси вращения Земли: на экваторе - максимальная, на полюсах - минимальная и равна нулю. Сила центробежного воздействия на вещество Земли изменяется таким же образом: на полюсах - минимальна, на экваторе - максимальна. Поэтому Земля растягивается в экваториальной плоскости и сплющивается у полюсов: ее экваториальный радиус REa = 6378 км больше полярного REp = 6357 км. Вместе с Землей вращается ее атмосфера. Одновременно слои атмосферы, больше прогреваясь в экваториальных широтах, поднимаются и направляются в высокие широты.
Рис. 1. Времена года.
солнце атмосфера метеорологический северный
Первоначальная вращательная скорость этих слоев, которая равна скорости поверхности вращающейся Земли, больше скорости поверхности умеренных широт. А так, как Земля вращается с Запада на Восток, то верхние слои атмосферы имеют западное направление. Таким образом формируются юго-западные антипассаты в Северном полушарии (рис. 2а) и северо-западные - в Южном (рис. 2б) [3] и [10]. На полюсах эти слои оседают и растекаются к экватору. Их вращательная скорость меньше скорости поверхности умеренных широт, т.е. эти слои имеют восточное направление, и тем самым формируются северо-восточные пассаты в Северном полушарии (рис. 2в) и юго-восточные - в Южном (рис. 2г).
Этот межширотный обмен вращательной скоростью воздушных масс приводит к отставанию вращения атмосферы в экваториальной зоне, т.е. к устойчивому восточному переносу, и к опережению, т.е. к западному переносу, - в умеренных широтах. Например воздушный шар с 12.12.1982 г. по 02.02.1983 г. на высотах 17-34 км дрейфовал с Востока на Запад на широтах 10°-25° ю.ш. [5]. При этом он совершил кругосветное путешествие. А радиозонд на широтах 30°-60° на высоте 16 км, перемещаясь с Запада на Восток, за 102 дня сделал 8.5 оборотов вокруг Земли [1].
Рис. 2. Пассатные течения в атмосфере Земли при межширотном обмене: с.п. и ю.п. - Северный и Южный полюса;
1 - юго-западный антипассат;
2 - северо-западный антипассат;
3 - северо-восточный приземный пассат;
4 - юго-восточный приземный пассат.
Рис. 3. Схемы циркуляции атмосферы в северном полушарии [4] и [10].
На широтах 30-35° происходит встреча пассатных и антипассатных течений (рис. 3а) [4], и они отдельными языками прорываются (рис. 3б): холодные массы - к экватору, а теплые - к полюсам. На широтах 60-70° у поверхности земли происходит встреча языков теплого юго-западного потока с холодным северо-восточным потоком из Арктики (рис. 3в). На эту общую картину циркуляции атмосферы, обусловленную вращением Земли и ее шарообразной формой, накладывается воздействие подстилающей поверхности, различие между сушей и водной поверхностью, а также взаимное влияние воздушных и океанических течений.
Аналогичное воздействие вращения Земли оказывается на океаническую циркуляцию. К нему добавляется влияние контуров материков и крупных островов. А на вертикальные движения водных потоков дополнительно к температурному фактору добавляется влияние концентрации засоленности воды: более пресные воды легче, а более соленые - тяжелее. Следует заметить, что отклонение течений воздушных и водных масс от меридионального направления традиционно объясняют силой Кориолиса. В действительности - это инерционное движение среды на вращающемся теле.
Рис. 4. Вертикальные восходящие течение в циклоне (а) и нисходящее в антициклоне (б) и их вращения в северном полушарии.
Ведущую роль в динамике атмосферы играют ее вертикальные движения. Перегретый у поверхности воздух поднимается вверх. Температура от расширения в нем падает, а влага - конденсируется. Барашки кучевых облаков в летнее послеобеденное время как раз создаются такими всплывающими «пузырями» воздуха. Если размеры перегретой области составляют сотни или тысячи километров, а подъем его вверх происходит в зоне размером на порядок меньшей, то происходит радиальный сток воздуха перегретой области к зоне его подъема (рис. 4а). Так как стекающийся к центру подъема воздух находится на вращающейся Земле, то в нем образуется вращение относительно центра подъема [6] в Северном полушарии против часовой стрелки, а в Южном - за часовой стрелкой. Это вращение также традиционно объясняют силой Кориолиса. Такие вертикальные стоки приземного воздуха вверх образуют циклоны. Если размеры зоны подъема порядка 100 км, то это - тропические штормы и тайфуны. Скорость в них может достигать 100 м/сек.
Верхний переохлажденный слой воздуха может также стекать вниз. В нем формируется обратное по направлению вращение слоя. Эти стоки верхних слоев воздуха вниз являются антициклонами (рис. 4б). Их вращение в Северном полушарии направлено по часовой стрелке, а в Южном - против [6].
С вращением Земли связан и ряд других явлений пока еще недостаточно исследованных наукой. Вокруг Земли в экваториальных областях находится дисперсное вещество, которое образует диски, подобные кольцам Сатурна и Урана. Орбитальная скорость частиц этого вещества (8 км/сек) на порядок больше скорости вращения земной поверхности (0.5 км/сек). Поэтому дальние слои атмосферы могут увлекаться веществом экваториального диска и вращаться быстрее экваториальных широт Земли. Такие явления известны для экваториальных слоев Солнца и Венеры [3].
Так как верхние слои Земли ионизированы, то их вращение относительно поверхности Земли идентично кольцевому электрическому току. То есть, эти слои будут создавать какую-то часть магнитного поля Земли. Нарушение магнитного поля солнечным ветром может свидетельствовать, что эта часть может быть достаточно существенной.
ВОЗДЕЙСТВИЕ СОЛНЦА
Солнце создает главное космическое воздействие на Землю: она совершает годовое обращение вокруг Солнца и освещается им. Активность Солнца непостоянна: существуют выбросы его вещества, которые проявляются солнечными пятнами. В небольших пределах, не более 0.1%, изменяется количество солнечного тепла [13]. Влияние этого изменения на Землю пока достаточно не исследовано. Более известно влияние потока вещества Солнца или солнечного ветра. Если скорость выброса превышает 500 км/сек, то вещество Солнца может достичь Земли. В нем содержатся ионизированные частицы, которые воздействуют на радиационные пояса Земли. Это приводит к нарушениям радиосвязи, магнитного поля Земли и появлению необычных полярных сияний (рис. 5) [13].
Поток солнечного вещества приносит на Землю изотопы различных элементов, например, изотопы бериллия 10Be, углерода 14C, по-видимому, кислорода 18O и многих других. Оказалось, что широкие атмосферные ливни космических частиц варьируются согласно периодам орбитального и вращательного движений Солнца [12], т.е. они также являются продуктом вспышек на Солнце. Весь этот поток солнечного вещества воздействует на верхние слои атмосферы и приводит к возмущению нижних слоев. Алтайский любитель-метеоролог А.В. Дьяков [2] с 40-х годов прошлого века по солнечным пятнам предсказывал циклональную и антициклональную активность атмосферы, а через нее погоду и катастрофические ураганы на всем Земном шаре.
Рис. 5. Полярное сияние после гигантской солнечной вспышки 7 января 2014 г. [13] (Квалойя, Норвегия).
Для понимания механизмов воздействия Солнца необходимо изучать процессы, происходящие на нем. М.С. Чубей из Главной Астрономической обсерватории (г. Пулково) с соавторами предлагает стереоскопические исследования Солнца [11]. Для этого необходимо создать две межпланетные станции на орбите Земли, которые вместе с ней создадут равносторонний треугольник. В этом случае события, происходящие на всей поверхности Солнца, будут наблюдаться на Земле в постоянном режиме. Шведские ученые [13] вариацию радиоактивных изотопов бериллия 10Be и углерода 14C на Земле связали с периодичностью Солнечных пятен, и таким образом создали модель солнечной активности за 4 тыс. лет. Она отражает известные из истории так называемые «малые ледниковые периоды», которые следовали через несколько сотен лет. Кроме того, эта модель дает «глобальное потепление» с максимумом в 1990 г, а также предсказывает похолодание в 2030-2040 гг.
ВОЗДЕЙСТВИЕ ЛУНЫ
Третье по значимости космическое воздействие создается Луной. Ее орбита вокруг Земли испытывает быстрые изменения: период колебания эксцентриситета 0.564 года, период обращения перигея 8.86 года, а ось орбиты (перпендикуляр к ее плоскости) совершает оборот по часовой стрелке вокруг оси орбиты Земли за 18.6 года. Из-за сплющенности Земли любое космическое тело, находящееся не в плоскости экватора, создает момент сил воздействия на Землю. В результате ось Земли начинает прецессировать и колебаться. Воздействие Луны в два раза больше воздействия Солнца. На рис. 1 ось вращения Земли наклонена вправо. Через 6 тыс. лет она будет наклонена на нас, через 13 тыс. лет влево, через 19 тыс. лет - от нас, а через 25.74 тыс. лет снова займет положение как на рис. 1. Таким образом, ось вращения Земли вращается или прецессирует с периодом 25.74 тыс. лет. Кроме того, наклон ее изменяется, это приводит к изменению освещенности Земли. Эта прецессия оси Земли с периодом 25.74 тысяч лет и ее колебания являются главным фактором колебаний климата на Земле с периодичностью в десятки тысяч лет [7].
Любое космическое тело ближние к себе части Земли притягивает сильнее, а дальние - слабее. Из-за этого возникают океанские приливы и отливы на Земле. Здесь также воздействие Луны в два раза больше воздействия Солнца. Высота приливов в океанах достигает 15 и более метров. Приливы морей Северного Ледовитого океана порядка 1 м, за исключением некоторых мест: у берегов Земли Франца Иосифа, западный берег Новой Земли, бухта Нордвик в море Лаптевых, где приливы достигают 3м. На Кольском полуострове: в Лумбовском заливе высота приливов в среднем - 4.2 м, на мысу Абрамова-Михайловского - до 10 м.
Приливные явления происходят также с земной поверхностью и с ее атмосферой. Так как наибольшие эффекты воздействия Луны повторяются с периодом 18.6 года, то с этим периодом наблюдается колебание многих процессов на Земле. Это относится к землетрясениям, извержениям вулканов, погодным и климатическим явлениям. Просматривается также периодичность 18.6 лет в количестве айсбергов вокруг Антарктиды и в ледовой обстановке в Северном Ледовитом океане: приливы отламывают айсберги от шельфовых ледников и разобщают многолетние льды. Однако в полной мере эти явления еще не исследованы. Каждый вид явлений определяется своими особенностями, экстремум которых находится в разных частях 18.6-летнего цикла. Например, максимум угла наклона оси Земли был в 2016 г. и следующий максимум будет в 2034 г. Но колебания эти небольшие - 9.2''.