Долговременная солнечная активность - контролирующий фактор глобального потепления 20 века

Из данных инструментальных измерений следу ет , что в течение прошедшего столетия средняя тем пература Земли поднялась на 0.74±0.18 °C. Большая часть потепления пришлась на два периода : 1910– 1945 и 1976–2000 гг . По выводам ведущих авторов четвертого доклада Межгосударственной группы экспертов по изменению климата ( МГЭИК ) ООН (29.01–1.02.2007 г ., Париж ), большая часть ( на дове рительном уровне более 90 %) наблюдаемого уве личения средней глобальной температуры с середи ны 20- го столетия связана с выбросами антропоген ных парниковых газов [1]. А возможный вклад в потепление за счет естественных процессов , по мнению этих экспертов , мал . В целом проблема со временного глобального потепления остается дис куссионной . В настоящее время нет убедительных доказательств , что антропогенные парниковые газы вызывают и будут вызывать катастрофическое по тепление земной атмосферы . Тем не менее , большая группа ученых всего мира однозначно принимает во внимание только антропогенную природу измене ния климата в современный период . Но разрабаты ваемые ими климатические модели не способны воспроизвести изменение во времени многих клима тических характеристик даже в недалеком прошлом , что ставит под сомнение адекватность этих моделей в условиях продолжающегося глобального потепле ния . В то же время надежно установлено , что за по следние две тысячи лет наблюдался ряд периодов значительных потеплений и похолоданий , обуслов ленных естественными причинами , последний из которых завершился в первой половине XIX в .

Проведение анализа с целью оценки вклада долго временных циклов солнечной активности ( СА ) в изме нение глобальной температуры в современную эпоху и является целью настоящей работы . В данной работе основное внимание уделяется ~90- и 210- летним сол нечным циклам на протяжении последних столетий и их проявлению в наиболее представительных экспе риментальных данных .

Связь изменений солнечной активности и концентрации космогенного радиоуглерода в образцах известного возраста в прошедшем ты сячелетии

В течение прошедшего тысячелетия уверенно установлены « малый ледниковый период » (~1550– 1850 гг .) и теплый « средневековый период » (~900– ~1300 гг .), имеющие глобальное проявление [2]. Эти крупномасштабные климатические изменения хорошо увязываются с соответствующими изменениями сол нечной активности ( СА ), полученными из историче ских наблюдений видимых невооруженным глазом солнечных пятен Ř [3] и концентрации радиоуглерода ( Δ ¹⁴C), измеренной в годичных кольцах долгоживущих деревьев известного возраста [4]. Радиоуглерод ( Δ ¹⁴ С ) образуется в земной атмосфере под воздействием кос мических лучей , интенсивность которых зависит от СА ( рис . 1). По данным на рис . 1 можно проследить , что экстремальные изменения СА четко прослежива ются в данных Δ ¹⁴ С : минимальные уровни СА соот ветствуют максимальным значениям Δ ¹⁴ С , что имеет ясное физическое обоснование . При этом холодные периоды ( малый ледниковый период ) приходятся на пониженную , а теплые ( средневековый максимум ) – на повышенную СА .

В настоящее время нет никакого сомнения , что ва риации Δ ¹⁴ С в земной атмосфере в прошлом являются источником важной дифференциальной во времени информации по изучению СА и других природных процессов на длительных временных шкалах , имею щих абсолютную хронологию . Радиоуглерод является глобальным трассером этих процессов , о чем свиде тельствует рис . 2, на котором представлены высоко точные результаты измерения Δ ¹⁴ С в кольцах деревьев из Северного и Южного полушарий . Содержание ¹⁴ С также отражает влияние антропогенного воздействия на уровень , который уменьшился за счет сжигания ископаемого топлива ( зюсс - эффект ) и увеличился за счет взрыва атомных бомб в атмосфере Земли . Все кривые на рисунке хорошо согласуются . Наиболее существенные изменения амплитуды Δ ¹⁴ С происходят примерно через 200 лет .

Рис . 1. Экстремальные изменения солнечной активно сти ( Ř ) и концентрации радиоуглерода во времени ( Δ ¹⁴C). Цифрами отмечены минимумы СА : 1 – Орта , 2 – Вольфа , 3 – Шперера , 4 – Маундера , 5 – Дальтона .

Рис . 2. Сравнение изменений концентрации радиоуг лерода , измеренной в блоках колец деревьев известного возраста для Северного ( кривая 1) [5] и Южного ( кривая 2) полушарий [6]. Кривая 3 отражает годичные концентра ции Δ ¹⁴ С в кольцах деревьев из Северного полушария [4].

Долговременная цикличность солнечной ак тивности : ~90 и ~210 лет

В ряде исследований данных о СА было под тверждено существование ∼ 210- летнего цикла [7, 8]. В работе [7] были проанализированы многие исто рические материалы о наблюдениях Солнца в древ нем Китае и получены детальные спектры мощности долговременной изменчивости СА в течение 2000 лет . Оказалось , что наибольшую значимость в спек тре мощности имеет ∼ 210- летний цикл . Наговицын [8], используя каталоги Виттмана и Ксю наблюде ний в прошлом солнечных пятен , видимых невоо руженным глазом , получил четыре временных ряда , которые характеризуют различные стороны поведе ния СА в прошлом . Он установил несколько наибо лее выразительных пиков в периодичности солнеч ной активности , соответствующих периодам 11, 90, 200 и 400 лет .

В работе [9] тщательно проанализирован хорошо известный ряд исторических сведений о полярных сияниях [10] и показано, что этот ряд обладает вы- соким качеством для извлечения информации, касающейся длины и фазы солнечного цикла, и может быть хорошим индексом, продолжающим ряд прямых наблюдений индексов СА, по крайней мере, для последних 2000 лет. Была выделена область структурированных фазовых циклов, амплитуда которых имеет временную зависимость. В спектре изменения фазы проявляются наиболее мощные ∼210-летний и ∼80-летний циклы (рис. 3). Следует отметить, что эти же гармоники выделяются и в изменениях длин солнечных циклов.

В работе [11] представлены и проанализированы две новые независимые реконструкции изменений СА в течение прошедших сотен лет , основанные на данных по Δ ¹⁴ С в кольцах деревьев , четырех рядах данных по ¹⁰ Ве в кернах гренландского льда и двух рядах по ¹⁰ Ве в кернах антарктического льда . Хоро шее согласие данных позволяет получить надежные оценки долговременной модуляции СА космоген ных изотопов . В ряду данных по Δ ¹⁴C за 12 тыс . лет были выделены две гармоники [12]: ~90 и ~210 лет , особенно хорошо изученные как в данных по Δ ¹⁴ С , так и в данных по ¹⁰ Ве для прошедшего тысячелетия [13]. Спектры мощности Δ ¹⁴C и ¹⁰ Ве показывают две общие гармоники ( рис . 4) (90 и 210 лет ), которые в целом согласуются со спектрами мощности фазы солнечного цикла ( рис . 3).

Долговременная цикличность солнечной ак тивности и климатические характеристики

Из - за ограниченности во времени прямых измере ний температуры – одной из главных характеристик климата – трудно установить долговременные тренды в ее изменении . Критически важными для реконст рукции полной области температурной изменчиво сти в течение тысячелетий являются кольца деревьев .

Рис . 3. Спектр мощности фазы солнечного цикла .

Рис . 4. Спектр мощности высокоточных данных по концентрации ¹⁴ С в кольцах деревьев и ¹⁰ Ве в слоях по лярных льдов .

По - видимому , впервые свидетельства о существова нии длинных и сверхдлинных циклов в изменении ширины колец деревьев были получены в работе [14]: 200- летний цикл был обнаружен в длинной последова тельности изменения ширины колец высокогорной остистой сосны на временном интервале более 5000 лет ( от 3405 г . до н . э . до 1885 г . н . э .). В работе [15] путем анализа данных изменения прироста годичных колец деревьев , взятых из 14 различных регионов зем ного шара в Северном полушарии , были реконструи рованы долговременные тренды изменчивости за по следнее тысячелетие и выделены циклы продолжи тельностью от ~20 до ~200 лет . А дендрохронологиче ское исследование колец ископаемых деревьев [16], произраставших в Чили 50 тыс . лет назад , показало наличие ~200- летней изменчивости прироста колец и то , что климат в тот период был подобен современно му . Присутствие периодичности 200±20 лет было най дено в изменении интенсивности индийских муссонов по данным исследований керна отложений из Араб ского моря [17]. Авторы обнаружили , что интенсив ность муссонов уменьшается в периоды солнечных минимумов , и пришли к выводу о том , что основной причиной этого изменения в течение последнего тысячелетия является солнечное влияние . Двухсот летние климатические циклы были также прослеже ны по косвенным биологическим данным из морских кернов , взятых на Антарктическом полуострове [18].

О подобности спектральных особенностей кос венных данных об изменении СА ( в данном случае – концентрации ¹⁴ С ) и косвенных данных об измене нии климата ( отношение Mg к С a в озерных отло жениях ) свидетельствует рис . 5 [19]. Среди домини рующих периодов выделяются и указанные выше в окрестности ~ 90 и ~ 210 лет .

Полученные к настоящему времени данные по зволяют уверенно утверждать реальность сущест вования ~210- летнего цикла СА , интенсивность которого в несколько раз превышает интенсивность

Рис . 5. Анализ скорости образования ¹⁴ С методом мак симальной энтропии : относительная спектральная плот ность мощности (PSD), порядок авторегрессии (AR) и частота ( а ). Спектральная мощность отношения Mg/Ca по отложениям озера Rice в Северной Америке в зависимо сти от периода ( б ).

Рис . 6 . Изменение во времени долговременной СА – R _z ( число солнечных пятен ) и относительное изменение гло бальной температуры ∆Т : толстая линия – линейная ком бинация 90- и 210- летних циклов СА , тонкая линия – от клик глобальной температуры на изменение долговремен ной СА .

80–90- летнего векового цикла . Картина изменения СА с учетом сложения этих циклов рассмотрена в наших работах [20, 21]. Как результат , в течение последующих нескольких десятков лет тренд в СА будет еще достаточно высоким . Как следствие этого , ближайшие ~ 20–30 лет может иметь место повыше ние глобальной температуры , и относительный вклад этого повышения оценивается в ~ 0.2–0.3 °C ( рис . 6).

Таким образом , полученные результаты указы вают на то , что наблюдаемая тенденция увеличения глобальной температуры с середины прошлого сто летия может быть обусловлена крупномасштабной солнечной цикличностью .

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ ( проекты 06-04-48792, 06-02-16268, 06-0564200, 07-02-00379), Президиума РАН ( программа « Изменения окружающей среды и климата »).