Media-security

ОСОБЕННОСТИ ДОЛГОВРЕМЕННЫХ ВАРИАЦИЙ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ И ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК оз. БАЙКАЛ

Ю.С. Загайнова, В.А. Коваленко

Институт солнечно-земной физики СО РАН, Иркутск

Аннотация. Проведен анализ возможного влияния гелиокосмических факторов на вариации гидрометеорологических параметров оз. Байкал и реки Ангара ( величина притока воды в озеро, его уровень, а также продолжительность свободного состояния Байкала и Ангары). Обнаружена связь между длительностью цикла солнечной активности и многолетними колебаниями уровня Байкала, величиной притока воды в озеро и продолжительностью свободного состояния Байкала и Ангары. Гидрометеорологические характеристики Байкала оказываются значительно сильнее связаны с глобальной температурой воздуха Северного полушария, чем с температурой атмосферы в Прибайкалье. Особое внимание уделяется изучению цикличности и прогнозу долговременных изменений этих элементов и солнечной активности.

Введение. Неизбежность климатических изменений, связанных с парниковым эффектом, признается в настоящее время большинством экспертов, несмотря на широкий спектр мнений относительно темпов этих изменений. Все модели указывают на то, что наиболее существенные изменения будут происходить во внутриконтинентальных районах Евразии /1, 2/. В соответствии с этими моделями Восточная Сибирь, в том числе озеро Байкал, располагаясь в центральной части континента, находятся, таким образом, в зоне интенсивных климатических и экологических изменений, связанных с глобальным потеплением и техногенным загрязнением окружающей cреды. В связи с этим изучение происходящих и прогноз будущих климатических изменений является весьма актуальной задачей. Особую значимость приобретает выявление вклада естественной изменчивости климата и роли антропогенных факторов приобретает.

Акцентируя внимание на характеристиках гидрологического режима, мы исходили из достаточно высокой вероятности реализации механизма солнечно-тропосферных связей через изменения общей циркуляции, циклоничности атмосферы Северного полушария, проявляющиеся в изменении количества осадков и увлажненности территории.

Определенными и важными достоинствами обладают гидрологические характеристики (приток и уровень оз. Байкал, сток рек и др.), обладающие естественными интегрирующими свойствами /3,4/.

Исследованию климата Прибайкалья и связи климатических вариаций с солнечной цикличностью было посвящено большое количество работ, выполненных Дружининым И.П., Афанасьевым А.Н. и другими исследователями (см. монографию А.Н. Афанасьева и ссылки в ней /2/). Большинство авторов отмечали сходство в поведении характеристик климата и солнечной активности. Для отдельных периодов наблюдается явная прямая связь, для других эта связь выявляется ненадежно, иногда наблюдается и обратная связь. На малых временных интервалах связь часто оказывалась неоднозначной. Это означает, что кроме солнечной активности имеются и другие факторы, влияние которых в отдельные периоды оказывается значительным, либо не совсем удачен индекс, использованный для характеристики солнечной цикличности.

Нами были изучены временные вариации гидрологических характеристики оз. Байкал и р. Ангара и их связь с солнечной активностью. Сравнивались приток, сток, уровень, а также длительность свободного состояния Байкала и реки Ангары.

Подробный анализ данных гидрометеорологических элементов бассейна оз. Байкал показал отсутствие как 11-летних, так и 22-летних вариаций наиболее характерных, как известно, для солнечной активности. Основными периодами для всех указанных характеристик являются вековые и внутривековые. Для примера на рис. 1 показаны многолетние вариации уровня оз. Байкал.

На этот же рисунок нанесены реперные границы вековых циклов солнечной активности. Соответствие минимумов и реперных границ очевидно.

Рис. 1 Многолетние колебания уровня оз. Байкал (ст. Байкал) за период 1747-1958 гг. --------- - годовые значения; - - - - - - сглаженные функция f (H, годы)

Длительность внутривековых циклов составляет около 30 лет, и они приблизительно соответствуют климатическим периодам Брикнера. Чистяковым /6/ были обнаружены близкие периоды солнечной активности. Однако детальное сравнение обнаруженных им границ циклов показало, что они не соответствуют границам внутривековых периодов рассматриваемых характеристик. Таким образом, вопрос о солнечной природе обнаруженных периодов остается открытым. Различие в поведении климатических характеристик и параметров солнечной активности внутри вековых циклов указывает на то, что межгодовая изменчивость обусловлена другими причинами.

Высокий уровень корреляции демонстрируют квазивековые вариации гидрологических параметров с характеристиками солнечной активности. Сравнение с изменениями солнечной активности показывает, что границы вековых циклов соответствуют минимумам во всех рассматриваемых элементах водного баланса. Особый интерес представляет новый индекс солнечной цикличности - длительность солнечных циклов, который был предложен в работе /7 /. С его помощью была выявлена довольно сильная и, главное, устойчивая связь между средней приземной температурой Северного полушария и длительностью солнечного цикла. Это побудило нас повторить исследования Афанасьева, воспользовавшись в качестве индикатора солнечной цикличности характеристикой, предложенной авторами /7/.

Мы провели сопоставления различных гидрометеорологических характеристик Прибайкалья с продолжительностью солнечного цикла с целью выяснить, проявляется ли солнечная активность в долговременных вариациях гидрометеорологических параметров оз. Байкал и р. Ангара, и если проявляется, то каким образом.

На рис. 2, 3 приведены данные по различным гидрометеорологическим характеристикам оз. Байкал - притоку воды в оз. Байкал, продолжительности свободного состояния озера, приземной температуре воздуха в Прибайкалье, а также изменения длительности солнечного цикла.

Рис. 2 Изменение притока воды в оз. Байкал ------- и длительности солнечного цикла - - - - за период 1901-1995 гг.

Результаты сопоставления показывают довольно высокий уровень корреляции гидрометеорологических характеристик Прибайкалья и параметров солнечной активности. Одинаковый возрастающий тренд имеют все величины, причем гидрологические характеристики, за исключением отдельных значений, довольно точно следуют вариациям длительности солнечного цикла.

Рис. 3 Сравнение продолжительности свободного состояния оз. Байкал ----- , длительности солнечного цикла - - - - и приземной температуры воздуха на ст. Иркутск -------- за период 1884-1991 гг.

Интересно отметить, что наилучшая связь наблюдается между продолжительностью свободного состояния Байкала и длительностью солнечного цикла, т.е. фактически с глобальной температурой Северного полушария, а не с приземной температурой воздуха в Иркутске. Это означает, что Байкал как природная система относится к Мировому океану, и временные изменения основных гидрометеорологических параметров коррелируют с глобальными изменениями всего Северного полушария.

Так как физическое моделирование процессов влияния солнечной активности на тропосферу пока недостаточно разработано, единственным способом верификации данной гипотезы является как можно более глубокий ретроспективный анализ. К сожалению, временные ряды многих метеорологических характеристик за предыдущие столетия менее надежны. Тем не менее мы использовали максимально длинные ряды гидрометеорологических данных по Байкалу /5/ с целью подтвердить или поставить под сомнение связи, установленные на относительно коротких периодах.

На рис. 4 приведены данные о вариациях уровня Байкала и продолжительности свободного состояния Ангары. Эти характеристики, как известно, тесно связаны с суммарным количеством осадков. Вариации этих величин сопоставлены с длительностью солнечных циклов.

Очевидно, что в основном наблюдается устойчивая связь (коэффициент корреляции 0.7) между длительностью солнечного цикла, колебаниями уровня оз. Байкал и продолжительностью свободного состояния Ангары. Наряду с этим в отдельные периоды эта связь нарушается. Интересно отметить, что эти периоды соответствуют циклам солнечной активности с самым низким уровнем. Особенно заметно это выражено в конце векового цикла (1830 -1850 гг.).

Рис. 4 Сравнение изменений уровня оз. Байкал -----, продолжительности свободного состояния р. Ангары ----- и длительности солнечного цикла - - - -

В климатических и солнечных данных достаточно хорошо видны похожие по форме вековые вариации. К концу временного интервала степень корреляции между рассматриваемыми характеристиками возрастает. Различие в поведении климатических характеристик и параметров солнечной активности внутри вековых циклов указывает на то, что в отдельные периоды включаются другие факторы, роль которых оказывается определяющей. Поэтому при прогнозе на будущее более уверенно можно говорить лишь о сроках основных минимумов гидрологических характеристик, которые должны совпадать. Интересной особенностью текущего векового цикла является высокая степень связи гидрологических характеристик региона и средней приземной температуры Северного полушария. Уровень корреляция оказывается значительно выше, чем уровень корреляция с температурой Северного полушария местными изменениями температуры. Причина этого заключается в том, что глобальная температура тесно связана с температурой океана и фактически определяет количество влаги в атмосфере Земли. В свою очередь, эта характеристика в значительной степени влияет на количество осадков в водосборном бассейне оз. Байкал. Схема возможной связи этих характеристик представлена ниже.

Учитывая высокую степень связи квазивековых вариаций гидрологических параметров с характеристиками солнечной активности, в частности то обстоятельство, что границы вековых циклов соответствуют минимумам во всех рассматриваемых элементах водного баланса, мы попытались сделать оценку момента ближайшего из этих минимумов.

Известно, что наряду с 11- и 22-летними циклами солнечной активности наблюдаются колебания с значительно большими периодами: вековые, 600-летние и др. /6/. Следовательно, при анализе данных длинных рядов наблюдений СА и ее проявлений в различных гидрометеорологических и климатических характеристиках следует учитывать особенности вековых и сверхвековых колебаний, особенно вблизи их границ.

Известно, что большинство авторов предсказывали низкую мощность текущего двадцать третьего цикла солнечной активности (1996-2007), т.е. по их мнению этот цикл будет завершающим в 3 вековом цикле, а значит следует ждать минимума во всех гидрологических характеристик. Существуют прогнозы, что он будет очень высоким. В таких прогнозах не учитывается существование векового периода и его особенностей, а также главное правила Гневышева-Оля /6/. Нами изучены все эти особенности и сделана попытка найти истинную временную границу текущего 3-го векового цикла СА. Известно, что все вековые циклы делятся на длинные (115- летние) и короткие (95- летние) со следующими свойствами: наличием второстепенных максимумов, а также наибольшей связи между длительностью и мощностью солнечных циклов на ветви спада.

Неудача прогноза мощности текущего цикла солнечной активности (с вероятностью 80% 23 цикл прогнозировался низким, с вероятностью 10% -очень высоким), на наш взгляд, связана как раз с некорректным учетом долговременных изменений 11-летних циклов, векового цикла и возможности модуляции квазишестисотлетним периодом.

На основе анализа различных данных о цикличности солнечной активности /8,9/ мы приходим к выводу, что продолжительность текущего векового цикла солнечной активности составляет 115 лет и, следовательно, 23 цикл не может быть завершающим. Как известно, граничные 11-летние циклы имеют большую длительность и маленькую мощность - это особенно относится к циклам, которые являются завершающими в длинных вековых циклах. Необходимо определить является ли №23 цикл СА последним (завершающим) в 3- вековом цикле. Нам были учтены все особенности циклов СА и мы попытались дать прогноз средней мощности №23 цикла. Все 11-летние циклы, наблюдаемые за период инструментальных наблюдений, были разделены на 3 группы с минимальным, максимальным и среднем уровнем мощности для ветви роста.

Учет сверхвековых циклов, особенностей вековых циклов и их длительности интервал допустимых значений мощности №23 цикла составляет по нашим оценкам 150 > W < 50.

Сравнивая ветвь роста №23 цикла со средними ветвями роста 3-х групп, удалось сузить допустимую границу 150 > W > 80, оказалось, что ветвь роста №23 цикла приходится на область между 3 и 2 группами, т.е. уже не следует ожидать нынешний цикл маленьким, а значит, граничным.

Наконец, так как нас интересует не конкретное значение мощности, мы попытались найти цикл – аналог для ветви роста. Им оказался цикл №11 во втором вековом цикле, как это видно из данных, представленных на рис. 5.

По нашим оценкам, границу векового цикла следует ожидать в 2015-2020 г. Результаты этого анализа указывают на то, что граничным циклом будет цикл №24, т.е. после него к 2015-2020 г. следует ожидать минимальных значений в гидрологических характеристиках.

Несомненно, в процессе дальнейших исследований будут существенно уточнены представления о тенденции происходящих климатических изменений в Прибайкалье. На данный момент, исходя из существующих знаний солнечной цикличности, по-видимому, в ближайшие десятилетия следует ожидать возрастания длительности циклов и замедления темпов региональных изменений. На более коротких временных интервалах весьма вероятно расхождение в поведении этих величин. Безусловно, нарастание парникового эффекта может перекрыть рамки естественной изменчивости. В этом случае изменения в Центральной Азии будут происходить параллельно с еще более катастрофическими изменениями в прибрежных районах.

Литература

Дж. Герман, Р.А. Гольдберг. Солнце, погода и климат. Л.: Гидрометиздат, 1981, 277 c.

М.И. Будыко. Изменение климата. Л.: Гидрометеоиздат, 1969, 37 с.

Г.А. Жеребцов, В.А. Коваленко ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГЕЛИОКОСМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ИЗМЕНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ. // Труды международной конференции, Улан-Уде 1998: "Байкал – как участок мирового наследия", Результаты наблюдений и исследований. Новосибирск 1999, с.147 – 159.

G.A. Zherebtsov and V.A. Kovalenko. The manifestation of Solar Variability in Climatic Characteristics of Prebaikalia // 22th General Assembly of the IUGG, Birminghem UK, 18-30 Jyly 1999. Abstract Book A.86.

Афанасьев А.Н. Колебания гидрологического режима на территории СССР. М. :Наука, 1967. 231c.

Чистяков В.Ф. Солнечные циклы и колебания климата Владивосток Дальнаука, 1997 157с.

Friis-Christensen E. and Lassen K. Length of solar cycle: An indicator of solar activity closely associated with climate. Science 1991, 254 , P. 698-700.

Витинский Ю.И., М.Копецкий, Куклин Г.В. Статистика пятнообразовательной деятельности Солнца. М.: Наука, 1986. 296 c.

Solar- Geophysical Data (SGD), 1998. No. 643, Part 1.