Сонячно-земні зв’язки

До сонячно-земних зв'язків належать:

1) динамічний чинник, тобто сукупність явищ, пов’язаних з рухом Землі навколо Сонця вздовж орбіти та віковими змінами параметрів руху (передусім положення земної осі в просторі); явища подібного роду становлять інтерес лише в масштабах довготривалої еволюції планети;

2) енергетичний чинник, пов’язаний з надходженням сонячного випромінювання, достатньо стабільний; вважають, що сонячна стала змінюється на верхньому рубежі атмосфери лише в межах 0,1 %; на рівні земної поверхні його мінливість визначається відомими обставинами, добовим ритмом, зміною пір року, станом атмосфери та земної поверхні;

3) речовинний потікa- та b-частинок, тобто протонів та електронів сонячного вітру, який бере участь у матеріальному балансі горішньої частини атмосфери (екзосфери та іоносфери);

4) сигнально-інформаційні зв'язки— різновид матеріальних впливів, які спричиняють істотне перевищення наслідком впливу його початкового рівня (за масою, енергією). Звичайно це пов’язане з так званим ефектом спускових гачків у складних системах: досить мале діяння зумовлює величезний ефект, подібний до пострілу в наведеній аналогії. Сонячно-земні зв'язки досліджувалися, насамперед, у цьому аспекті, що буде викладено далі.

Головним з нетривалих впливів Сонця на Землю є потік сонячного випромінювання (табл. 4.3). Крім енергії, цей потік здійснює й інші впливи. Зокрема, в радіодіапазоні субміліметрових хвиль, енергія яких настільки мала, що нею можемо знехтувати, виникають збурення у верхній атмосфері (іоносфері), що відбиваються на її стані. Іоносфера, в свою чергу, є фільтром потоку космічних частинок (космічного та сонячного «вітру»), що може суттєво впливати на процеси в земній географічній оболонці, а також на стан біоти.

Як нині встановлено, найвища частина сонячної атмосфери (корона) перебуває в стані нестійкої рівноваги та безперервно розширяється. На відстанях понад десятки сонячних радіусів від поверхні Сонця (фотосфери) швидкість розширення стабілізується, досягаючи 4000 м/с — так званий «сонячний вітер». Речовина сонячного вітру іонізована, вона становить плазму — суміш електронів та протонів. Ця плазма має магнітне поле. Отже, Земля опиняється в магнітосфері Сонця.

Сонячна плазма долає відстань до Землі за 4,5 доби (а сонячне електромагнітне випромінювання — за 8 хв.). За цей час Сонце встигає повернутися на кут 60°; як наслідок силова лінія магнітного поля, яка не втрачає зв'язку із Сонцем та вже досягла земної атмосфери, закручується, утворюючи Архімедову спіраль.

Суттєвим є те, що полярність сонячного магнітного поля часто змінюється (з неправильною періодичністю близько 7 земних діб). Виникає розподіл міжпланетного магнітного поля за секторами різної намагніченості, що впливає на стан земної атмосфери. Це, в свою чергу, впливає на електромагнітні явища на Землі та стан організмів.

Певні зміни в стані магнітосфери Сонця виявляють безумовний зв'язок з явищами сонячної активності.

Сонячну активність пов'язують з нестаціонарністю магнітних полів саме Сонця; періодично на Сонці виникають активні зони — сонячні плями, в межах яких інтенсивність та спектр електромагнітного випромінювання набагато нижчі від середніх характеристик решти поверхні Сонця, але на кілька порядків зростає потік заряджених частинок сонячного вітру.

Поява сонячних плям звичайно супроводжується виникненням факелів — зон підвищеної яскравості. У сукупності плями та факели утворюють активні зони Сонця, що впливають на якісний склад електромагнітного випромінювання, сонячний вітер та інші процеси. Тривалість більшої частини цих процесів менша за сонячну добу (27 земних діб), хоча частина активних зон лишається сталою.

До швидкоплинних явищ, що впливають на земні процеси, належать спалахи — вибухоподібні велетенські викиди енергії (протягом близько години), що суттєво підвищують радіо- та короткохвильове випромінювання. Спалахи оцінюються за чотирибальною шкалою. За статистикою найпотужніші спалахи (4 бали) трапляються всього 1...3 рази протягом 11-річного циклу сонячної активності. Сонячні космічні промені, потік яких підсилюється під час спалахів, значною мірою захоплюються магнітосферою, однак решта надходить до земної поверхні.

Всі наведені явища, суттєві для Землі та її географічної оболонки, корелюють з динамікою сонячних плям, зумовлюючи цілу низку періодичних подій, що й звуться взагалі сонячною активністю.

Як показали дослідження за кількістю сонячних плям протягом 200 років, рівень сонячної активності змінюється з періодичністю близько 11 років. Часові зміни сонячної активності характеризують її показником — числом Вольфа (рис. 4). Поряд із 11-річним існує слабко виражений 90-річний цикл сонячної активності. Накладання цих циклів зумовлює неперіодичну мінливість сонячної активності, яка впливає на процеси в географічній оболонці. Виявлено кореляцію 11-річних циклів сонячної активності з землетрусами, коливаннями рівня озер, врожайністю сільськогосподарських культур, чисельністю комах, повторюваністю епідемічних захворювань, смертністю населення. Механізм зв’язків цих різнорідних явищ ще не вивчено.

Рис. 4. Варіації середньорічних показників сонячної активності (числа Вольфа) за спостереженнями цюріхської служби Сонця.

Як один із прикладів, що характеризує складні зв’язки між сонячною активністю та географічною оболонкою, наведемо нові дані про вплив активних процесів на Сонці (сонячних бур) на клімат Землі. Визначено, що під час сонячних спалахів зростає інтенсивність потоку короткохвильового випромінювання. Це призводить до збільшення надходження заряджених частинок та короткохвильового випромінювання, що проникають до атмосфери. У стратосфері цей потік взаємодіє з молекулами кисню, які розщепляються на атоми (іонізуються), а потім внаслідок фотохімічних реакцій перетворюються на трьохатомний кисень — озон. Таким чином вміст озону в стратосфері зростає.

Озон ефективно поглинає короткохвильове випромінювання. Завдяки підвищеному вмісту озону навіть при збільшенні потоку випромінювання, зумовленому зростанням сонячної активності, надходження короткохвильової радіації в нижчі шари атмосфери може не змінитися.

Однак зміна потоку короткохвильового випромінювання та зростання фільтрувальної ролі озону спричиняє зміни в стратосфері. Шар озону розігрівається захопленим сонячним промінням та підвищує температуру стратосфери. В ній відбувається перерозподіл частини повітря й тиску, що призводить до зміни стратосферної циркуляції. Остання, в свою чергу, впливає на динаміку тропосфери – один із суттєвих кліматотвірних факторів. Характер циркуляції визначає перенесення тепла та вологи, отже, умови тепло- та вологообміну, від яких залежать умови життя всього живого та Землі. І це лише один з «механізмів» реалізації сонячно-земних зв’язків.