Один из таких экспериментов по измерению полного содержания озона в столбе атмосферы единичного сечения (1 см2) был проведен американскими учеными с помощью спутника «Нимбус-IV» в июле-августе 1972 года. 4 августа 1972 года в атмосферу высоких широт произошло вторжение высокоэнергичных протонов, вызвавшее там уменьшение количества озона на 20 %. Пониженная концентрация озона сохранялась в высоких широтах свыше трех недель. В атмосфере средних широт процент озона также заметно упал. Спустя двое суток содержание озона после резкого, но кратковременного снижения восстанавливалось до невозмущенной величины и затем в течение недели вновь постепенно падало. В это время над тропиками изменений в содержании озона не наблюдалось.
Все эти результаты относятся к летним условиям. Аналогичные измерения были тогда же проведены в южном полушарии, где была зима. Оказалось, что в момент вторжения высокоэнергичных протонов в высокие широты этого полушария количество озона снижалось еще более значительно.
Данные о высокоширотном содержании озона, полученные спутником «Нимбус-IV», потребовали дополнения сведениями об изменении других физических величин, например энергии, поступающей в стратосферу в результате вторжения заряженных частиц. Новые сведения могли дать только одновременные наблюдения с помощью ракет, спутников и приборов, установленных на Земле.
На Аляске была осуществлена большая серия измерений с запуском большого количества ракет и аэростатов и использованием всевозможных наземных приборов. Так, специальная аппаратура, установленная на больших аэростатах, фиксировала рентгеновское тормозное излучение и интенсивность космических лучей на расстоянии примерно 40 км от поверхности Земли. На этих же высотах измерялась величина проводимости атмосферы. О высотном распределении озона информировали приборы на шарах-зондах. С помощью мощного радиолокатора измерялись параметры ионосферы и вторгающихся потоков заряженных частиц. Одновременно замерялись температура, плотность и скорость движения атмосферы (ветер), определялись параметры атмосферы, ионосферы и магнитного поля, а также полярных сияний.
В проведении этих сложных экспериментов участвовали представители более десяти крупных научно-исследовательских организаций. Исследования подтвердили необходимость комплексного подхода к изучению влияния солнечного корпускулярного излучения на характер атмосферных процессов. Было установлено, что количество озона, увеличивающееся в высоких широтах (на высотах свыше 50 км) после захода солнца, в отсутствие высыпания заряженных частиц, уменьшается на 25 % с вторжением в атмосферу этих широт высокоэнергичных электронов и приблизительно соответствует дневной норме. Эксперименты показали влияние заряженных частиц на электрические свойства атмосферы. Оказалось, что ионы в атмосфере (ниже 50 км) образуются под действием рентгеновских лучей и энергичных электронов, причем увеличение их количества ведет к росту электропроводности. Электрические параметры атмосферы изменяются очень быстро и по-разному в разных точках пространства. Это отражает неоднородность потоков заряженных частиц и временную зависимость их характеристик.
Итак, заряженные солнечные частицы, вторгаясь в атмосферу высоких широт, значительно уменьшают там количество озона. Это в свою очередь вызывает изменение теплового баланса и динамического режима атмосферы, которое захватывает и тропосферу и, таким образом, влияет на погоду.
СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ И ОЗОН
Если озон столь чувствителен к состоянию атмосферы и определяется во многом ее динамикой, то вполне естественно, что в его изменениях должны просматриваться те первичные факторы, которые влияют на состояние и динамику атмосферы. Главным таким фактором является солнечная активность. Ее влияние на атмосферу Земли проявляется следующим образом.
Состояние атмосферы не обязательно характеризовать строго физическими величинами, такими как температура, влажность, давление, скорость и направление ветров и т. д. О нем можно судить по косвенным признакам, например, по наличию засух, по толщине колец деревьев и т. д. Почему это приходится делать — очевидно. Ведь мы не располагаем многолетними и многовековыми рядами физических характеристик атмосферы, тем более в глобальном масштабе. А сведения о засухах и урожайных годах сохранились за очень продолжительное время. Что касается связи толщины годичных колец и засушливостью или влажностью, то она должна быть очевидной, поскольку годичный прирост дерева определяется количеством усвоенного питательного вещества, а последнее зависит преимущественно от влажности почвы. Поэтому изменение толщины годичных колец деревьев связано с чередованием сухих и влажных лет.
Зачем нам нужны столь длительные периоды? Для того, чтобы установить влияние на атмосферу Земли (и на все земные процессы) колебаний солнечной активности, необходимо исследовать данные за сотни и тысячи лет. Что же дают такие исследования? Вначале приведем некоторые факты.
В районе Великой равнины на территории США существует засушливая зона, периодически сдвигающаяся то к северу, то к югу. Длительность периода подвижек равна 22 годам, то есть соответствует 22-летнему циклу солнечной активности. На основании этих фактов было предсказано наступление засушливого лета на Среднем Западе США в 1974 году.
Засухи предсказывал еще в конце прошлого века профессор Одесского университета Ф. Н. Шведов. Он это делал на основании анализа хода ширины годичных колец акации. Его прогноз на 1882 и 1891 годы оправдался, что подтверждает реальность проявления солнечных ритмов в атмосферных процессах, в том числе и в количестве осадков.
Когда были проанализированы данные о засушливости в России за период с 1800 по 1915 год, то оказалось, что особенно неблагоприятные для сельского хозяйства годы повторялись примерно каждые 11 лет и совпадали с периодами солнечной активности. Наиболее ярко выраженные засухи приходились на 1810, 1823, 1833, 1853 годы.
Анализ большого числа данных наблюдений и других источников показал, что имеются более продолжительные группы чередования влажных и засушливых лет. Их продолжительность равна примерно 30–40 годам. Это значит, что каждая третья-четвертая засуха является особенно жестокой. М. А. Боголепов по данным о засухах в России показал, что примерно «трижды в столетие Русская равнина поражается жестокой засухой». Этот период продолжительностью 30–40 лет исследовался Брикнером и поэтому назван брикнеровским.
Имеются и более продолжительные циклы, соответствующие аналогичным циклам солнечной активности, но мы их описывать не будем.
Было показано, что состояние атмосферы (о нем судили по изменению климата) зависит не только от величины солнечной активности в данном 11-летнем солнечной цикле, но и от других характеристик изменения солнечной активности в целой серии циклов. Когда были вычислены необычные (аномальные) изменения чисел Вольфа, характеризующих солнечную активность за более чем 200 лет, то оказалось, что эти отклонения от «нормы» не появляются произвольно, случайно, а подчиняются определенному закону. Этот закон гласит, что в целом ряде 11-летних солнечных циклов отклонение чисел Вольфа от «нормы» происходит в одну и ту же сторону — или уменьшения или увеличения. Сколь продолжительны эти периоды с однотипным отклонением чисел Вольфа от «нормы»? По данным за 200 лет, они составляют примерно 42 года. Видимо, это и есть продолжительность брикнеровского цикла. А это значит, что имеются сменяющие друг друга климатические эпохи указанной продолжительности. Климат, а значит, атмосферная циркуляция такой эпохи, отличается от климата предшествующей и последующей эпох, но он похож на климат той эпохи, которая была еще до предшествующей. И если мы хотим его успешно предсказать, нам надо анализировать не только что минувшую 42-летнюю эпоху, а ту, которая была до нее. Как все эти факты связать с изменением распределения озона в земной атмосфере? Во-первых, связь озона (его количества и глобального распределения) с циркуляцией атмосферы и ее состоянием абсолютно доказана, хотя и за более короткие периоды. Во-вторых, те данные о количестве озона, которые имеются, например, на швейцарской озонометрической станции «Ароза» (они имеются с 1932 года), показывают, что количество озона меняется с периодом, примерно равным 11 годам. Но характер связи количества озона с солнечной активностью в разные эпохи разный. В течение нескольких 11-летних солнечных циклов эта связь положительная, то есть большой солнечной активности соответствует большое количество озона, а в течение других, следующих за ними циклов, эта связь отрицательная (высокой солнечной активности соответствует низкое количество озона). Не является ли это проявлением брикнеровского цикла в количестве озона? Собственно, так и должно быть, поскольку изменение состояния атмосферы и ее циркуляция не могут не сказаться на количестве озона. Для того, чтобы вышесказанное строго доказать, надо располагать данными о количестве озона не за 50–60 лет, а за несколько брикнеровских периодов, то есть за 100–150 лет. Возможно, по этой причине исследователи озона этот вопрос обходят молчанием.
Имеются и такие изменения солнечной активности, которые длятся недолго, и их влияние на количество озона можно установить. Одним из таких изменений являются переломы в ходе солнечной активности. Солнечная активность меняется с течением времени не одинаково быстро. В одних случаях эти изменения имеют плавный, постепенный характер, а в других происходят скачком. Например, если в 1970 году солнечная активность уменьшилась по сравнению с 1969 годом всего на 0,8 числа Вольфа, то в следующем, 1971 году, она упала по сравнению с 1970 годом, на 40,6 числа Вольфа. Здесь мы вправе сказать, что солнечная активность с 1970 по 1971 год изменилась (уменьшилась) скачком. Точно так же известны годы, когда солнечная активность скачком увеличилась. Иногда этот скачок в 100 раз более резкий, чем в случае нормальных изменений, которые составляют единицы чисел Вольфа.