Интерпретация физических причин глобального и регионального климатических откликов на долговременные вариации солнечной активности

Проанализировано воздействие ~200- летних солнечных периодичностей (deVries cycle) на климатические параметры для различных регионов земного шара . Экспериментально подтвержден нелинейный характер отклика системы атмо сфера – океан на солнечное воздействие . На земной поверхности имеются регионы , где такой отклик имеет четкий харак тер как положительного , так и отрицательного знака , и пограничные регионы , где он может отсутствовать или иметь неустойчивый характер . Местоположение пограничных районов может изменяться как во времени , так и в пространстве , отражая глобальную перестройку климатических процессов .

The influence of ~200-year solar periodicities (deVries cycle) on climatic parameters has been analyzed for different regions of the Earth. A nonlinear character of the response of the atmosphere–ocean system to solar activity has been experimentally verified. Regions characterized by pronounced positive and negative responses have been found to exist at the Earth’s surface. There are also boundary regions with no response or having an unstable character. The locations of boundary regions can vary both in time and space, reflecting the global rearrangement of climatic processes.

Постановка задачи

Проблема глобального потепления , зафиксирован ного в последние десятилетия , приковывает в настоя щее время внимание как научной , так и широкой ауди тории . Это связано , с одной стороны , с большим соци альным воздействием последствий потепления и , с другой стороны , с необходимостью понять механиз мы , формирующие глобальные изменения . Наиболее распространенным толкованием физических причин глобального потепления является антропогенное воз растание парниковых газов ( СО 2 , метан и т . д .) в атмо сфере . Однако полученная в последнее время инфор мация об эффективности солнечного воздействия на климатические параметры обусловила скептицизм по отношению к столь однозначному толкованию меха низма глобального потепления и подтвердила предпо ложения , что глобальное потепление связано и с есте ственными причинами , в том числе с воздействием солнечной активности .

Предметом настоящей работы является изучение климатического отклика на ~200- летнюю цикличность солнечной активности (deVries cycle) [1] в последнем тысячелетии . Выбор квазидвухсотлетней солнечной цикличности связан , во - первых , с тем , что возраста нию температуры в прошлом столетии сопутствовала возрастающая ветвь 200- летнего солнечного цикла [2] и , во - вторых , анализ внутренних периодичностей кли матической системы атмосфера – океан свидетельству ет , что их периоды не превышают 60–70 лет [3]. Это означает , что ~200- летние климатические периодично сти , скорее всего , должны быть связаны с внешним воздействием на систему атмосфера – океан .

Данные и методика

Палеоклиматические данные

В настоящей работе были использованы палео - климатические данные за последнее тысячелетие из шести районов земного шара ( рис . 1). Выбор рай онов определялся различием их климатических условий , что , как можно было ожидать , могло при -

Рис . 1. Карта , на которую нанесены результаты моде лирования отклика приземных температур на воздействие долговременных вариаций солнечной иррадиации [11]. На карте звездочками указано местоположение районов , из которых взяты палеоклиматические данные .

вести к различиям в климатическом отклике на дол говременное солнечное воздействие . Для анализа были отобраны следующие данные :

• 1.    Реконструкция вариаций летних температур для двух районов Тянь - Шаня [4].

• 2.    Реконструкция вариаций осадков на Тибет ском плато [5].

• 3.    Реконструкция вариаций летних температур в западной Канаде в районе Скалистых гор [6].

• 4.    Реконструкция вариаций летних температур в Северной Скандинавии ( Финская Лапландия ) [7]. Вышеназванные реконструкции проводились по вариациям ширины колец деревьев и имеют , следо вательно , годичное разрешение .

• 5.    Вариации атмосферной циркуляции в Гренлан дии , реконструированные по содержанию континен тальных и океанических аэрозолей в кернах льда [8]. Временное разрешение этих данных ~2.4 года .

• 6.    Вариации среднегодовых температур на Шпицбергене , реконструированные по содержанию изотопа ¹⁸ О в кернах льда . Эти данные имеют прак тически ежегодное разрешение [9].

Палеоклиматические данные из районов Тянь - Шаня , Тибета , Западной Канады и Северной Скан динавии были подвергнуты вейвлет - трансформации

( базис Морле ) в диапазоне периодов 100–300 лет . Результаты этой трансфомации представлены на рис . 2. На этом же рисунке приведены результаты спектрально - временного анализа вариаций содер жания континентальных и океанических аэрозолей в керне гренландского льда в диапазоне периодов 100–300 лет и результаты вейвлет - анализа ( базис МНАТ ) реконструкции ежегодных температур на основе анализа вариаций содержания ¹⁸ О в двух ледниках на Шпицбергене .

Данные о солнечной активности

Для тысячелетнего временного интервала , кото рый анализируется в настоящей работе , отсутствуют прямые наблюдения солнечной активности . Поэто му выявление ~200- летней солнечной активности (deVries cycle) в этом временном интервале было сделано на основе анализа вариаций содержания космогенного изотопа ¹⁴ С . Генерация ¹⁴ С происхо дит в атмосфере под воздействием высокоэнергич ных космических лучей . В свою очередь , интенсив ность потока космических лучей в земной атмосфере зависит от степени турбулизации солнечного ветра и , следовательно , от солнечной активности . В настоящей работе были использованы данные по концентрации ¹⁴ С в датированных кольцах деревьев ( Δ ¹⁴ С ), представ ленные в [10]. Эти данные имеют временное разреше ние от года до 10 лет . Так же как палеоклиматические данные , они были подвергнуты вейвлет - транс - формации ( базис Морле ) в диапазоне периодов 100– 300 лет . Результаты вейвлет - трансформации Δ ¹⁴ С представлены на рис . 2, а с целью их сопоставления с результатами анализа палеоклиматических данных .

Обсуждение результатов

Представленные на рис . 2 результаты вейвлет - и спектрально - временного ( гренландские данные ) ана -

Рис . 2. Р езультаты вейвлет - анализа ( базис Морле ) в диа пазоне периодов 100–300 лет изменений Δ ¹⁴ С ( а ), вариаций летних температур на Тянь - Шане ( б ), вариаций осадков в Тибете ( в ), летних температур в Западной Канаде ( г ) и летних температур в Северной Скандинавии ( ж ). Результаты спек трально - временного анализа содержания континентальных ( д ) и морских аэрозолей ( е ) во льду Гренландии . Результаты вейвлет - анализа ( базис МНАТ ) вариаций годовых темпе ратур на Шпицбергене ( з ). Амплитуда сигнала в спектро граммах приведена в относительных единицах .

лиза вариаций солнечной активности и палеоклима - тических данных ( Δ ¹⁴ С ) свидетельствуют о четком развитии квазидвухлетних периодичностей как в солнечном , так климатических сигналах . В ре зультате вейвлет - анализа данных ( рис . 2) просле живается уменьшение периода колебаний как у солнечных вариаций ( рис . 2, а ), так и у вариаций летних температур на Тянь - Шане ( рис . 2, б ) и в Западной Канаде ( рис . 2, г ), что указывает на их взаимосвязь . Динамический спектр вариаций осадков на Тибетском плато также демонстрирует наличие ~200- летних вариаций ( рис . 2, в ).

С целью количественной оценки степени иден тичности развития ~200- летних климатических ко лебаний с колебаниями солнечной активности была проведена фильтрация исходных данных для Тянь - Шаня , Тибета , Западной Канады и данных по кон центрации Δ ¹⁴ С в диапазоне периодов 180–230 лет и вычислены коэффициенты корреляции R между солнечными и палеоклиматическими кривыми . Зна чения коэффициентов R оказались следующими : Δ ¹⁴ С – тянь - шаньская хронология – 0.94; Δ ¹⁴ С – ти бетская хронология – 0.73; Δ ¹⁴ С – хронология для Западной Канады – 0.95. Таким образом , анализ , проведенный для двух регионов Центральной Азии и Западной Канады , показал , что имеет место отчет ливый климатический отклик на ~200- летние вариа ции солнечной активности .

Рассмотрим теперь эту проблему для Гренлан дии и двух регионов Северной Атлантики ( Северная Скандинавия и Шпицберген ). На рис . 2 д , е приве дены результаты спектрально - временного анализа концентрации континентальных и морских аэрозо лей во льду Гренландии , дающие информацию о долговременных вариациях атмосферной цирку ляции над Гренландией . На рисунках видно , что 200- летние климатические вариации присутствуют в течение всего рассматриваемого временного интер вала . Правда , около 1400–1600- х гг . произошло из менение характера атмосферной циркуляции : около 400 лет тому назад вынос континентальных аэрозо лей (ssK) стал преобладающим , а поступление океа нических аэрозолей (ssNa) уменьшилось . Вместе с тем приведенные данные свидетельствуют о стабиль ном климатическом отклике на 200- летние вариации солнечной активности в районе Гренландии .

Иная картина имеет место для двух районов, примыкающих к Северной Атлантике: Северная Скандинавия и Шпицберген. Для этих районов взаимосвязь климатических и солнечных периодичностей имеет неоднозначный характер. На рис. 2, ж, где приведены результаты вейвлет-анализа вариаций летних температур в Финской Лапландии, видно, что развитие 200-летних климатических вариаций происходит лишь во второй половине прошлого тысячелетия. Аналогичная картина имеет место для 200-летних климатических вариаций в районе Шпицбергена. На рис. 2, з приведены результаты вейвлет-анализа вариаций среднегодовых температур на ледниках Шпицбергена, видно, что 200-летние вариации температур, так же как в Скандинавии, появляются только в конце прошлого столетия. Заметим, что появление 200-летних вариаций в двух районах, примыкающих к Северной Атлантике, совпадает с временным интервалом переме- ны направления атмосферной циркуляции над Гренландией и, по-видимому, является отражением это процесса. Небходимо обратить внимание также на то, что появление 200-летних климатических вариаций в районе Шпицбергена несколько запаздывает относительно регистрации аналогичных вариаций в Северной Скандинавии. Таким образом, граница региона, где имеется и отсутствует климатический отклик на внешнее воздействие долговременных солнечных вариаций, может изменять свое географическое положение в зависимости от крупномасштабных процессов в системе атмосфера–океан.

Выявленные в настоящей работе географические ( региональные ) особенности климатического отклика системы атмосфера – океан на глобальное солнечное воздействие могут быть интерпретированы с позиций нелинейного отклика системы атмосфера – океан на внешнее воздействие . На рис . 1 приведена карта с ре зультатами моделирования температурного отклика системы атмосфера – океан на долговременные вариа ции солнечной иррадиации [11]. На карту нанесено местоположение районов , из которых получены па - леоклиматические данные , использованные для анали за . Как видно на карте , районы Центральной Азии и Западной Канады располагаются в регионах четкого положительного отклика на солнечную периодич ность , что и было экспериментально подтверждено в работе . Район Гренландии находится в регионе отчет ливого отрицательного отклика на солнечное воздей ствие . Наличие устойчивого режима ~200- летней пе риодичности атмосферной циркуляции в этом регионе экспериментально подтверждает чувствительность климатических процессов в регионе к солнечному воз действию вне зависимости от знака температурного отклика системы атмосфера – океан .

Как видно на карте ( см . рис . 1), Северо Атлантический регион является граничным регионом между районами положительного и отрицательного откликов на долговременные вариации солнечного сигнала . Поэтому климатический отклик на солнечное воздействие может быть неустойчивым или же совсем отсутствовать , что и было экспериментально подтвер ждено на примере палеоклиматических данных для Северной Скандинавии и Шпицбергена .

В заключение заметим , что временной интервал 1400–1600- х гг ., когда изменилось направление долго временной атмосферной циркуляции над Гренландией , является временем перехода от Средневекового тем пературного оптимума ко времени Малого ледниково го периода и отмеченная в работе перестройка атмо сферных процессов в Северной Атлантике является отражением глобальной перестройки климатических процессов в этот временной интервал .

Выводы

Проделанный в настоящей работе анализ воздействия ~200-летних солнечных периодичностей (deVries cycle) на климатические параметры экспериментально подтвердил нелинейный характер отклика системы атмосфера–океан на солнечное воздействие. На земной поверхности имеются регионы, где такой отклик имеет четкий характер как положительного, так и отрицательного знака, и пограничные регионы, где он может отсутствовать или иметь неустойчивый характер. Положение погра- ничных районов может изменяться как во времени, так и в пространстве, отражая глобальную перестройку климатических процессов.

Полученные результаты свидетельствуют об от четливом климатическом отклике на квазидвухсот - летнюю солнечную периодичность . Эта закономер ность , по нашему мнению , подтверждает необходи мость более детальной оценки солнечного воздейст вия на процессы , связанные с глобальным потепле нием в прошлом столетии .

Работа выполнена при поддержке Президиума РАН ( Программа « Изменение окружающей среды и климата »), Президиума Санкт - Петербургского на учного центра РАН , Европейской комиссии ( Проект « КАМБИФОРУС ») и РФФИ ( проекты 06-04-48792 а , 06-02-16268 а , 06-04-64200 а ).