Солнце будоражит Землю

Солнце будоражит Землю

С детских лет мы знакомы с глобусом — этой картонной моделью нашей планеты. Модель эта так прочно отложилась в нашем сознании, что нередко как-то подсознательно границы земного шара мы отождествляем с его твердой поверхностью.

Разумеется, на самом деле наша планета гораздо протяженнее. Толщина воздушной оболочки Земли принимается равной в среднем 2000 км. На этой высоте плотность воздуха достигает 10^~21 г/см³. Но такова же средняя плотность газово-пылевой межпланетной среды. Значит, именно здесь атмосфера сходит на нет.

Однако и это еще не граница Земли. Подобно исполинскому магниту, Земля окружена магнитным полем, или, как теперь принято говорить, магнитосферой. Ее слабые следы обнаруживают датчики космических аппаратов на удалении 15 земных радиусов от центра Земли.

Еще протяженнее гравитационное поле нашей планеты — оно заставляет Луну обращаться вокруг Земли, а ведь до лунной орбиты 384 403 км, или 60 земных радиусов.

Строго говоря, и гравитационное и магнитное поля Земли продолжаются до бесконечности. Но гравитация к гелиобиологии прямого отношения не имеет. Магнитное же поле Земли нас будет интересовать лишь в окрестностях нашей планеты.

В этой главе мы рассмотрим влияние Солнца на различные оболочки Земли, начиная от самых внешних и кончая недрами земного шара.

Невидимые бури

Магнитные силы и магнитное поле, то есть область пространства, где эти силы проявляются, наш глаз не видит. Но действия этих сил легко сделать видимыми.

Вспомните простой школьный опыт. Если на линейный магнит положить лист бумаги и насыпать на нее мелкие металлические опилки, последние расположатся по линиям действия магнитных сил, или, как говорят, силовым линиям. Получится весьма наглядное изображение магнитного поля.

Наша Земля подобна металлическому намагниченному шару. Пока не вполне ясно, какая причина порождает земной магнетизм. Скорее всего в этом повинны те электрические токи, которые постоянно циркулируют в электропроводящем ядре Земли. Так или иначе, но земной шар проявляет себя как исполинский магнит. Как и у всякого магнита, у Земли есть два магнитных полюса. Южный находится на северо-западной оконечности Гренландии, северный — в Антарктиде.

Ось вращения Земли, как известно, не совпадает с ее магнитной осью, то есть с прямой, проходящей через магнитные полюсы земного шара. Угол между ними близок к 11,5°, но это не мешает путешественникам и мореплавателям с давних пор ориентироваться по компасу.

Кстати о компасе. В обычном состоянии, без внешних помех, его стрелка, слегка поколебавшись, устанавливается в направлении магнитного меридиана. Но попробуйте поднести магнит к компасу — тотчас же спокойствие стрелки нарушится, и ориентироваться по компасу в такой ситуации не удастся. Эти всем знакомые явления похожи на те невидимые магнитные бури, о которых и пойдет речь.

Слово «буря» у нас невольно связывается с представлениями о каких-то мощных ураганах, ливнях или смерчах. Магнитная буря — событие куда менее эффектное.

Оно выражается в том, что внезапно стрелка компаса начинает беспорядочно колебаться, и показания этого прибора становятся ненадежными. Так продолжается несколько часов, реже сутки, а затем стрелка компаса «успокаивается» до очередной магнитной бури.

На магнитные бури ученые обратили внимание еще в XVIII веке, но только в 1850 году французский астроном Ламонт заметил, что эти явления природы тесно связаны с солнечными пятнами. Кстати сказать, это было первое открытие связи земных явлений с солнечной активностью.

Ныне твердо установлено, что всякий раз, когда крупная группа солнечных пятен проходит через центральный солнечный меридиан,[5] спустя примерно сутки, на Земле разыгрываются магнитные бури. В частоте магнитных бурь есть и 27-дневная и 11-летняя периодичность. Во всем этом явно замешано Солнце. Но как оно действует на земную магнитосферу?

Мы уже говорили, что каждое крупное солнечное пятно, а тем более большая группа пятен — это центр, очаг солнечной активности. Именно из таких районов Солнца при солнечных вспышках и других подобных процессах «выстреливаются» в пространство корпускулярные потоки.

Каждый подобный поток в целом — электрически нейтральная смесь ядер атомов и электронов, то есть плазма.

Корпускулярный поток и Земля.

А плазма — отличный проводник электричества. Если корпускулы непрерывной струей выбрасываются в пространство, то струя с удалением от Солнца искривляется по законам механики в сторону, обратную направлению вращения Солнца. Картина эта напоминает отклонение водяных струй в декоративных фонтанах с вращающимся водометом.

В тысячу раз быстрее пули (со скоростью около 1000 км/сек) удаляются корпускулярные потоки от Солнца.

Некоторые из них, «нацеленные» на земной шар, то есть выброшенные из района пятен, близких к центральному солнечному меридиану, примерно на вторые сутки достигнут окрестностей Земли. Тут они прежде всего встретят самую внешнюю из земных оболочек — земную магнитосферу.

Вспомните, если проводник перемещать вблизи магнита, по проводнику потечет электрический ток. Так утверждает простой школьный опыт. То же самое случится и с корпускулярным потоком. В этом облаке плазмы при его движении в магнитном поле Земли также потечет электрический ток.

Но всякий ток в свою очередь порождает магнитное поле, и это демонстрируется на уроках физики в школе.

Значит, вокруг корпускулярного потока возникнет собственное магнитное поле, которое изменит магнитное поле Земли. Стрелка компаса начнет колебаться, как если бы к ней поднесли школьный магнит. А это и есть магнитная буря.

Как видите, связь солнечных пятен и магнитных бурь ничего таинственного в себе не заключает. Цепь причин и следствий здесь совершенно ясна, что, к сожалению, не всегда можно сказать о других, более сложных солнечно-земных связях.

Не будь Солнца, магнитное поле Земли имело бы симметричное строение. Из-за воздействия корпускулярных потоков и солнечного ветра оно всегда искажено, и тем сильнее, чем выше солнечная активность. Это сказывается и на форме радиационного пояса Земли — скоплений протонов и электронов, открытых в 1958 году в космических окрестностях Земли.

Для электрически заряженных частиц магнитное поле Земли — коварная ловушка. Некоторые из протонов и электронов, частично приходящих от Солнца, частично образующихся в верхних слоях атмосферы, попадают в эту ловушку. Под действием магнитных сил они начинают колебаться вдоль силовых линий земного магнитного поля.

Так продолжается до тех пор, пока, растратив энергию, частица не падает на Землю. Но на место «вышедших из игры» частиц приходят новые, и потому радиационный пояс Земли существует постоянно, находясь, как говорят физики, в динамическом равновесии.

Магнитное поле Земли.

Радиационный пояс Земли.

Различают две зоны — внутреннюю и внешнюю. Как исполинские бублики, нависают они над экватором нашей планеты. Сердцевина внутренней, протонной зоны находится на высоте 3000 км. Средний радиус внешней, электронной зоны в семь раз больше.

Рисунок не вполне точен. Так выглядел бы радиационный пояс Земли, если бы не было Солнца. Солнечный ветер, этот непрерывный поток намагниченной плазмы, сжимает магнитосферу на дневной стороне Земли и, наоборот, вытягивает ее в области земной тени. Следуя за магнитосферой, точно так же искажается и радиационный пояс Земли. Эта асимметрия усиливается, когда очередной корпускулярный поток достигает окрестностей земного шара. В дни и годы повышенной активности Солнца и магнитосфера и, соответственно, радиационный пояс Земли искажаются особенно сильно. На ночной стороне Земля тогда возникает нечто вроде протонно-электронного хвоста, и Земля приобретает некоторое сходство с кометой.

Самые внешние оболочки Земли оказались очень чувствительными ко всем изменениям солнечной активности.

Но это свойственно и всей планете в целом.

Ритмика полярных сияний

Приходилось ли вам наблюдать полярное сияние?

Незабываемое зрелище! Кстати сказать, для этого необязательно превращаться в полярника. Полярные сияния нередко видны даже в Москве или в Париже. Бывали случаи, когда их наблюдали в Египте. Но, конечно, в околополярных районах полярные сияния возникают чаще. И, кроме того, они там ярче, красочнее, многообразнее.

Одни полярные сияния представляют собой разноцветные лучи, радиально расходящиеся от некоего центра.

Другие напоминают светящиеся величественные драпри — детали фантастической небесной декорации. Нередко на небе образуются дуги, ленты, полосы. Часто все это находится в быстром движении со сменой красок.

Попробуйте сами «поймать» полярное сияние. Это далеко не редкое явление даже для умеренных широт. В Нью-Йорке, например, с 1938 по 1946 год было зарегистрировано 1316 полярных сияний. В Москве они случаются примерно втрое реже, зато для ленинградцев описание полярных сияний покажется излишним.

Полярные сияния, казавшиеся в древности загадочными явлениями природы, ныне подробно изучены и установлена их тесная связь с Солнцем.

Полярные сияния — это свечение разреженного воздуха на высотах от 100 до 1000 км. Красный и зеленый цвета, наиболее характерные для полярных сияний, образуются атомами кислорода, особенно сильно испускающими именно эти лучи.

По своей физической природе полярные сияния вполне схожи со свечением разреженных газов в разрядных трубках реклам. И там, в верхних слоях атмосферы, и здесь, в этих созданиях человеческой техники, атомы газа бомбардируются корпускулами.[6] Энергия корпускул передается атомам газа, в результате чего электроны перескакивают с одного энергетического уровня на другой, и газ начинает светиться «холодным» светом.

Связь между частотой полярных сияний (верхняя кривая) и числом Вольфа (нижняя кривая).

То, что полярные сияния вызваны Солнцем, доказывают и прямые наблюдения. Во время полярных сияний (а они иногда длятся часами) в спектре этих сияний видна линия водорода. Она заметно смещена к фиолетовому концу спектра — значит, протоны, ее порождающие, влетают в атмосферу со скоростью не меньше 1000 км/сек. Это корпускулы, выброшенные Солнцем, и воздух светится под действием «бомбардировки» его солнечными протонами.

Когда в 1958 году американцы взорвали ядерную бомбу на высоте 60 км, протоны и электроны, возникшие при взрыве, были захвачены магнитным полем Земли. Быстро двигаясь вдоль силовых линий, они сталкивались с атомами воздуха и заставляли их светиться. Так впервые случайно человек создал искусственное полярное сияние. Подобные явления наблюдались и при других высотных ядерных взрывах. К счастью, такие эксперименты больше не повторяются, но они, правда в миниатюре, произвели то, что постоянно создается Солнцем.

После всех этих пояснений читатель не удивится, узнав, что частота и интенсивность полярных сияний тем выше, чем активнее Солнце. Магнитные бури и полярные сияния неразлучны. Они возникают и исчезают почти одновременно. Не мудрено поэтому, что связь солнечной активности с полярными сияниями была открыта еще в 1863 году.

Это был второй случай явного влияния солнечных пятен на земные события.

В радиопомехах замешано Солнце

Ультрафиолетовые лучи, испускаемые Солнцем, очень энергичны. Когда они проникают в земную атмосферу, атомы кислорода и азота, встречающиеся на их пути, нередко ионизируются, то есть распадаются на положительный ион данного газа и отрицательный электрон. В сущности, квант ультрафиолетового излучения, эта элементарная порция электромагнитной энергии, во многом напоминает частицу вещества, причем частицу очень энергичную, летящую со скоростью света. Если такая частица столкнется с нейтральным атомом кислорода или азота, она буквально вышибет из атома электрон. В результате подобных процессов в земной атмосфере постоянно существует ионосфера — слои ионизированных газов, обволакивающие земной шар на высотах примерно от 70 до 500 км.

Самая сильная ионизация для данного места Земли наступает в местный полдень, когда Солнце оказывается в наивысшем положении над горизонтом. Наоборот, ночью, когда атмосфера погружается в земную тень, идет интенсивный процесс рекомбинации — свободные электроны соединяются с ионами и тем самым количество нейтральных атомов непрерывно растет.

Можно подумать, что по ночам ионосфера, по крайней мере над данным местом Земли, полностью исчезает. Но это не так. Вероятность того, что электрон найдет себе подходящий для воссоединения ион, не очень велика — слишком разрежена атмосфера на больших высотах.

Поэтому и ночью ионосфера продолжает существовать, хотя по сравнению с днем количество ионов и электронов, ее составляющих, уменьшается.

Такова картина в целом. Если же говорить о деталях, то прежде всего заметим, что в ионосфере различают три главных слоя. Самый нижний из них обозначается буквой D. Его нижняя граница на высоте около 70 км соприкасается со сравнительно плотными слоями воздуха. Здесь по ночам рекомбинация идет так бурно, что к полуночи этот слой полностью исчезает. Однако на следующее утро первые лучи восходящего Солнца снова начинают ионизировать атмосферу, п примерно к полудню слой D оказывается полностью восстановленным.

В отличие от слоя D, слой F существует постоянно, хотя ночью число ионов и свободных электронов в нем уменьшается. Есть еще слой Е, образующийся на высоте примерно 100 км в результате интенсивно идущей здесь ионизации кислорода. И все-таки разделение ионосферы на слоя условно. Между этими слоями нет резких границ, и вся ионосфера представляет собой разреженную плазму, то есть в целом электрически нейтральную смесь ионов и электронов.

Для радиоволн ионосфера выполняет роль зеркала. Не будь ионосферы, радиосвязь была бы возможна лишь на близких расстояниях, в зоне прямой взаимной видимости антенн радиостанций. Сквозь Землю радиоволны распространяться не могут, и все радиостанции, скрытые от нас выпуклой земной поверхностью, были бы для приема недоступны.

На самом деле радиоволны, посланные во все стороны из передатчика, отражаются от ионосферы и благодаря этому могут попасть в весьма удаленные районы Земли.

Правда, ионосфера отражает не все радиоволны, а лишь те, длина волны которых больше 10–20 м. Более короткие волны она беспрепятственно пропускает в мировое пространство. Однако и для слишком длинных радиоволн ионосфера проявляет себя как плохое зеркало. Такие радиоволны сильно поглощаются в слое D, и отраженный радиолуч оказывается слишком слабым.

Можно уподобить ионосферу некоему ситу. Длинные радиоволны отражаются переплетом сита, короткие попросту проскальзывают в его отверстия.

Между прочим, эта аналогия не так груба, какой может поначалу показаться. В современных радиотелескопах используют два типа зеркал, которые концентрируют космические радиоволны на приемной антенне (облучателе).

Для коротких радиоволн пригодны лишь сплошные металлические отражатели. Наоборот, для сравнительно длинных радиоволн годятся металлические сетчатые зеркала, от которых длинные радиоволны отражаются не хуже, чем от сплошного отражателя.

Размеры ячеек в ионосферном «сите» не остаются постоянными. Чем сильнее ионизирует Солнце земную атмосферу, тем плотнее становится ионосферное «зеркало», тем меньше ячейки этого сита. Отсюда нетрудно сделать вывод, что слышимость радиопередач на большие расстояния должна зависеть от состояния солнечной активности.

Впервые связь между Солнцем и радиопомехами была заподозрена в 1927 году. Теперь общепризнано, что помехи в радиопередачах на большие дистанции (так называемые феддинги) вызваны нашим дневным светилом.

Представьте себе, что на Солнце возникла вспышка.

Через восемь с половиной минут рентгеновские кванты, выброшенные вспышкой, долетят до Земли. Резко (примерно в 5—10 раз) возрастет ионизация слоя D и уменьшится его высота. Этот слой начнет сильно поглощать сравнительно короткие радиоволны (с длиной волны примерно от 20 до 200 м) и отражать длинные, километровые, радиоволны. Значит, слышимость на коротких волнах ухудшится, а на длинных, наоборот, возрастет.

Все эти нарушения радиосвязи длятся, как правило, примерно 15–20 мин. Но когда Солнце весьма активно, феддинги могут повторяться по нескольку раз в день.

Иногда даже наступают «ионосферные бури», длящиеся несколько дней.

На заре радиотехники не знали истинной причины всех этих радиопомех и приписывали их повреждениям приемников. Теперь нет сомнений, что частота феддингов служит надежной мерой солнечной активности.

Что случилось с погодой?

Мы часто ругаем синоптиков. И в самом деле обидно: поверишь сводке, обещающей отличную погоду, поедешь за город, а там тебя встретит проливной дождь. А ведь бывают ошибки и покрупнее — прогнозы на месяцы или сезоны оправдываются с точностью, как говорят, до «наоборот». И мы снова сетуем на несовершенство метеорологии и никак не можем понять, что случилось с погодой, почему она так коварно нарушила прогнозы синоптиков.

Было бы очень здорово, если бы синоптики предсказывали грядущие события столь же удачно, как, например, астрономы. За многие годы, а то и десятилетия, заранее рассчитано, где и когда произойдут полные солнечные затмения. Прогнозы даются с точностью до долей секунды.

И ни у кого не возникает сомнений, что эти астрономические предсказания сбудутся поистине с астрономическом точностью. А вот у синоптиков так не получается.

Причина — огромная сложность метеорологических явлений.

Когда астроном предсказывает затмение, он, в сущности, использует один закон природы — закон всемирного тяготения. Быть или не быть затмению в данном месте Земли зависит только от игры гравитационных сил. Другие силы (например, электромагнитные) астроном может не учитывать. Совсем иная ситуация складывается у синоптиков.

Представьте себе, что Земля не вращается. В этом случае циркуляция воздушных масс (а от нее, в частности, зависит погода) получилась бы очень простой. В горячих экваториальных зонах нагретый и потому уменьшившийся в плотности воздух поднимается вверх. Разность давлений у полюса и экватора заставит эти воздушные массы устремиться к полюсу. Здесь, охладившись, они опускаются, чтобы затем снова переместиться к экватору. И так продолжалось бы неопределенно долго, если бы наше фантастическое предположение о неподвижности Земли соответствовало действительности.

На самом деле осевое вращение земного шара и его обращение вокруг Солнца весьма усложняет только что нарисованную идеальную картину. Прежде всего, спускаясь от полюса к экватору, воздушные массы должны вместе с точками земной поверхности приобретать все большую и большую линейную скорость. Но инерция препятствует этому. Возникают так называемые силы Кориолиса, заставляющие реки, текущие в меридиональном направлении, размывать один из своих берегов. В итоге воздушные массы будут циркулировать от полюса к экватору и обратно по спиралям.

Но и эта упрощенная схема, увы, далека от действительности. Метеорологи подсчитали, что в те периоды, когда воздух у экватора нагревается особенно сильно, возникает волновая циркуляция воздушных масс.

Спиралеобразное движение сочетается с волновым, и потому направление ветров постоянно меняется. Неравномерный нагрев различных участков земной поверхности и другие причины усложняют и эту непростую картину. Словом, предсказывать погоду очень трудно.

Но все-таки интересно, есть ли какая-нибудь периодичность в, казалось бы, беспорядочной смене погоды? А если есть, то не замешано ли в этом Солнце?

На высоте 30–40 км в земной атмосфере находится слой озона — газа, каждая молекула которого состоит из трех атомов кислорода. Озоновая прослойка спасает нас от губительного действия коротковолновых солнечных лучей: озон поглощает все лучи с длиной волны меньше 290 миллимикрон. Но, поглощая радиацию Солнца, озоновый слой нагревается. Когда Солнце активно, нагрев сильнее, в периоды его спокойствия нагрев меньше. Можно думать, что эти колебания температуры передаются нижним слоям воздуха, а значит, они должны влиять на погоду.

Радиозонды подтверждают эту догадку. Действительно, после сильных вспышек на Солнце температура озонового слоя поднималась с —60° до —18°. А это сразу изменяло направление воздушных течений над полярными районами.

В Северной Атлантике возникали жестокие штормы и сильнейшие снегопады.

Еще несколько десятилетий назад американский биолог А. Дуглас открыл замечательный факт. Он исследовал толщину годичных колец на спилах многих тысяч деревьев, взятых из разных мест земного шара. Были среди деревьев и молодые, с возрастом в несколько десятилетий. Были и секвойи, жившие уже тысячи лет назад. Но всюду и во всех случаях наблюдалось чередование широких и узких годовых колец. Очевидно, каждое широкое годовое кольцо свидетельствовало о благоприятной для роста дерева, теплой погоде с обильными дождями. Наоборот, когда метеорологические условия неблагоприятны, годовой прирост древесины ослаблен и годовое кольцо получается тонким.

Толстые и тонкие годовые кольца, оказывается, чередуются не как попало. Самые толстые и самые тонкие слои повторяются в среднем через 11 лет, а между ними наблюдаются постепенные переходы. В росте деревьев на протяжении сотен веков отражена ритмика Солнца. Циклические переходы от активности к относительному покою и обратно, переходы, совершающиеся в 150 миллионах километров от Земли, четко зафиксированы земными растениями!

Этот случай далеко не единственный. 11-летний солнечный цикл замечен в следующих явлениях погоды:

— частоте появления перистых облаков;

— частоте появления гало (или галосов) и венцов вокруг Луны и Солнца;

— частоте и интенсивности гроз;

— давлении воздуха у поверхности Земли;

— количестве осадков;

— частоте бурь, ураганов, смерчей;

— колебаниях уровня озер и многих других явлениях;

— которые мы не перечислили, боясь утомить читателя.

Стоит, пожалуй, лишь напомнить, что в 1948–1949 годах, когда солнечная активность проходила через очередной максимум, погода на Земле была крайне неспокойной.

Взбудораженная Солнцем атмосфера досаждала человечеству почти ежедневными неприятностями. Сильнейшие тайфуны опустошали побережья Японии, жестокие ураганы проносились над Американским континентом, разрушительные наводнения нанесли огромный ущерб хозяйству Китая, Индии и многих европейских стран.

Но ведь такая же картина наблюдалась в 1968–1971 годах, когда создавалась эта книга. Очередной максимум солнечной активности снова взбудоражил земную атмосферу.

Связь Солнца и погоды несомненна. Но как ее объяснить? Какой природный механизм обеспечивает связь солнечных пятен с ураганами, наводнениями и засухами?

Этой проблемой занимаются многие ученые как у нас, так и за рубежом. Особенно плодотворны работы советского геофизика Игоря Владимировича Максимова и возглавляемой им группы исследователей.

Проблема была поставлена так: влияет ли солнечная активность на распределение атмосферного давления в воздушной оболочке Земли, а значит, и на атмосферную циркуляцию? Если влияет, то, следовательно, погода зависит от солнечной активности. Все же остальное — лишь детали, вызванные главной причиной: изменениями атмосферной циркуляции.

Циклон — это область пониженного атмосферного давления. Наоборот, там, где антициклон, давление атмосферы повышено. Когда «падает барометр», жди нашествия циклона — дурной, неустойчивой погоды. Если же циклон сменяется антициклоном (а это рано пли поздно неизбежно), повышенное атмосферное давление сопровождается хорошей погодой.

На Земле есть районы, где атмосферное давление всегда понижено. Такова, например, Исландия и ее окрестности. А вот в районе Азорских островов почти всегда наблюдается антициклон.

Конечно, это постоянство относительно. И в Исландии иногда бывает хорошая погода, и на Азорских островах идет дождь. Всякие такие нарушения привычного состояния тотчас сказываются на атмосферной циркуляции. Если до этого она была зональной, то есть, скажем, в умеренных широтах Северного полушария поток воздуха шел в основном с запада на восток, то теперь циркуляция стала меридиональной. Холодные массы воздуха вторглись на юг, а теплые воздушные массы с юга направились к северу. Все это неизбежно влечет за собой резкую смену погоды.

Как уже говорилось, колебания атмосферного давления в каждом данном месте Земли зависят от активности Солнца. Чем больше на Солнце пятен, тем больше размах этих колебаний и их амплитуда.

Но вот любопытная деталь. Как обнаружили в 1963 году И. В. Максимов и Б. А. Слепцов, на различных широтах амплитуда колебаний атмосферного давления неодинакова.

По мере продвижения от экватора к полюсам эта амплитуда растет. На широтах 65–75° она становится наибольшей, а дальше к полюсу снова убывает.

Зоны между 65 и 75° широты давно известны геофизикам. Именно здесь чаще всего наблюдаются полярные сияния и магнитные бури. Значит, сюда, в эти районы Земли, земным магнитным полем направляются наиболее плотные потоки солнечных корпускул. Именно они и обеспечивают связь полярных сияний, магнитных бурь и атмосферного давления с солнечной активностью. Теперь понятен и другой факт, давно известный метеорологам. Зоны между 65 и 75° широты отмечены самой бурной на Земле атмосферной циркуляцией.

За последние два десятилетия удалось подметить еще один важный факт. Оказывается, с усилением солнечной активности давление в полярных районах растет, а в субтропических, наоборот, падает. Значит, перепад давления увеличивается и при этом, как неизбежное следствие, усиливается циркуляция.

Уточним: в периоды солнечной активности ослабляется зональная циркуляция и усиливается меридиональная. Но когда холодные массы с севера вторгаются на юг, наступает резкое похолодание. Наоборот, в других местах пришедшие с юга теплые воздушные массы вызовут в полярных районах нежданную оттепель.

Детали влияния солнечной активности на погоду еще во многом пока неясны. Но общая ситуация вырисовывается уже сегодня: в периоды повышенной активности Солнце сильно будоражит атмосферу. И это верно не только для какого-нибудь района земного шара, но и для всей Земли в целом.

"Биография" климата

Климатом называют совокупность всех видов погоды, наблюдаемых в данной местности. В отличие от погоды, климат относительно постоянен. Во всяком случае, за несколько лет климат в данном месте земного шара практически не меняется. Само слово «климат» в переводе с греческого означает «наклон». Термин удачен, потому что климат в первую очередь зависит от того, под каким углом падают на земную поверхность солнечные лучи.

Вспомните известную школьную карту климатических поясов. Два холодных, два умеренных и один жаркий пояс — так условно разделяется на климатические зоны земная поверхность. Нетрудно сообразить, что каждому климатическому поясу соответствует вполне определенное освещение солнечными лучами.

В экваториальной зоне солнце в полдень проходит недалеко от зенита (на земном экваторе—точно через зенит).

Солнечные лучи в это время падают на земную поверхность почти отвесно, а потому сильно нагревают ее. Наоборот, в околополярной зоне солнце никогда не поднимается высоко над горизонтом и «косые» лучи солнца греют плохо.

В умеренных поясах, где в основном сосредоточены почти все крупнейшие центры земной цивилизации, климатические условия наиболее благоприятны. Здесь нет ни удушающей жары тропических стран, ни леденящего холода Заполярья.

Климат, следовательно, прежде всего зависит от географической широты данного места. Это — главное, но не единственное, что определяет климат. Близость моря смягчает колебания температуры. Вода, в отличие от суши, медленно нагревается, но зато и медленно отдает тепло.

Выполняя роль природного термостата, она смягчает климат.

Наоборот, на тех же широтах в пустынях, вдалеке от поберожья суточные колебания температуры могут быть очень большими.

Немаловажны для климата морские течения. Теплый Гольфстрим, идущий к берегам Европы из Мексиканского залива, сильно смягчает климат приморских европейских стран. А вот холодное Лабрадорское течение вполне сравнимо с «холодильником», заметно охлаждающим побережья, которые оно омывает.

Климат зависит также от изрезанности морского берега, от обилия или, наоборот, отсутствия растительности, от характера рельефа и от множества других свойств данной местности. Но все эти свойства (начиная с широты), в общем, почти постоянны, тогда как климат явно изменчив.

И не в некоторых местностях Земли, а повсюду на земном шаре. Эти колебания климата уже давно обратили на себя внимание ученых.

Зима 1739 года была крайне суровой не только в России, но и по всей Европе. В Петербурге сильные морозы продолжались всю зиму и бывали дни, когда термометр опускался до минус 45°.

По капризу императрицы Анны Иоанновны на Неве между Адмиралтейством и Зимним дворцом был сооружен знаменитый Ледяной дом. Строили его из плит чистого льда, положенных одна на другую и политых для связи водой. Около дома стояли ледяные пушки, из которых стреляли ледяными ядрами. В ледяном слоне был спрятан человек, издававший в подходящем случае «слоновый глас».

Два ледяных дельфина извергали «горящую» нефть, а в ледяной пирамиде были сделаны ледяные часы, стрелки которых поворачивал спрятанный внутри часов «механик».

Ледяной дом имел значительные размеры — около 10 м в высоту и более 25 м в длину. Его фронтон украсили ледяные статуи, а внутри дома также все было из льда — и мебель, и одежда, и даже «горящие» в камине ледяные дрова.

В феврале 1740 года в Ледяном доме была отпразднована шутовская свадьба одного из придворных с фрейлиной императрицы. Сам же Ледяной дом простоял до конца марта — небывалый случай, свидетельствующий о крайнем суровости прошедшей зимы и отсутствии оттепелей.

По поводу этих событий петербургский академик Г. Крафт издал книгу под следующим названием: «Подлинное и обстоятельное описание построенного в С.-Петербурге в 1740 г. Ледяного дома и о бывшей во всей Европе жестокой стуже, сочиненное для охотников до натуральной науки». Мы вспомнили о Ледяном доме и этой книге не случайно. Изучая старинные хроники и другие исторические источники, Крафт пришел к выводу, что особенно суровые зимы повторяются каждые 33–35 лет.

Полтора века спустя известный русский климатолог Эдуард Александрович Брикнер опубликовал обширное исследование под названием «Колебания климата после 1700 года». Как и Крафт, основываясь на исторических документах, Брикнер убедительно доказал, что за серией сухих и жарких лет следуют годы холодные и влажные. Так, например, с 1691 по 1715 год был «влажный» период, а с 1718 по 1735 — «сухой». В среднем получается, что циклическая смена «влажных» и «сухих» периодов повторяется через каждые 33–35 лет.

«Брикнеров цикл» вызвал оживленные споры. Одни ученые считали его нереальным и, во всяком случае, никак не связанным с солнечной активностью. Другие, наоборот, указывали на иные явления природы, в которых явно проявляется Брикнеров цикл.

Выяснилось, например, что 35-летний цикл наблюдается не только на срезах деревьев, в чередовании толстых и тонких годовых слоев. Он хорошо заметен и в таких явлениях, как колебания уровня озер, частота разливов Нила, частота и интенсивность полярных сияний. Последнее заставляет думать, что Брикнеров цикл как-то связан с солнечной активностью.

Примечательно, что Брикнеров цикл прослеживается даже в геологических отложениях, в циклическом чередовании слоев осадочных пород — глины и известняка. То, что эти слои образовались 500–600 миллионов лет назад, говорит о редком постоянстве и устойчивости Брикнерова цикла — свойствах, обычно связанных с космическими объектами. Выходит, что по меньшей мере сотни миллионов лет действует удивительный и пока мало нам понятный механизм солнечной активности.

Не подумайте, что Брикнеров цикл — самый продолжительный из всех солнечных циклов. Еще в конце прошлого века русский астроном А. П. Ганский заподозрил существование векового солнечного цикла. Действительно, максимумы (как и минимумы) солнечной активности не всегда одинаковы. Если за несколько веков изобразить на графике колебания активности Солнца, получается любопытная картина. Маленькие изгибы кривой — это уже хорошо знакомые нам 11-летние циклы. Общий же волнообразный ход всей кривой отражает вековой цикл. «Рябь на волнах» — так, пожалуй, можно образно охарактеризовать сочетание этих двух солнечных циклов.

Вековой цикл имеет среднюю продолжительность не 100, а 80 лет. Он достаточно ясно выражен в частоте солнечных протуберанцев, колебаниях их средних высот и других явлениях на Солнце. Особенно же важно, что вековой цикл хорошо заметен и в колебаниях земного климата.

Примерно с начала текущего века началось продолжающееся доныне потепление Арктики. Если в начале века льды вплотную подступали к побережью северных морей, то с 1930 года можно обогнуть Новую Землю с севера не на ледоколе, а на любом судне. Стал теплее Ледовитый океан, сократилась в СССР и в Америке площадь вечной мерзлоты, отступил ледяной покров Гренландии, обнажив городища и могильники древних викингов.

Стало теплее и в Антарктике. Так, например, за последние полвека на американской станции Литтл-Америка средняя годовая температура повысилась на два с половиной градуса. Реки Темза и Тибр, прежде нередко замерзавшие зимой, теперь уже многие годы постоянно остаются судоходными. Словом, повсюду на земном шаре стало теплее. Чем это вызвано?

Советский геофизик Л. А. Вительс недавно завершил подробное изучение атмосферной циркуляции в Северной Атлантике за длительный срок (с начала века до 1964 года). Оказалось, что вековое повышение уровня солнечной активности к 50-м годам текущего столетия заметно отразилось на циркуляции воздушных масс. В районах с пониженным давлением стали чаще наблюдаться антициклоны, и, наоборот, в районах повышенного давления антициклонов стало меньше. Иначе говоря, усилилась циркуляция воздушных масс, их перемешивание, и земная атмосфера повсюду (а не только в Арктике) вполне ощутимо взбудоражилась Солнцем. Ослабела зональная циркуляция, усилился меридиональный перенос воздушных масс — словом, возникли все те же процессы, что и при 11-летнем максимуме солнечной активности, но только ход этих изменений оказался в 7–8 раз более замедленным.

Когда в наполненную прохладной водой ванну пускают из крана горячую струю, вода в ванне не сразу становится теплой. Ее нужно размешать, то есть устроить конвекцию, усиленное перемешивание горячей и холодной воды. Так и в атмосфере Земли — усиленное при меридиональном переносе перемешивание арктического и тропического воздуха повышает среднюю температуру планеты. И опять в этом вековом потеплении повинно Солнце, его циклическая активность.

Вслед за потеплением непременно наступит очередное похолодание, и так климат будет колебаться неопределенно долго. Но здесь, как и вообще в солнечных ритмах, нет строгой периодичности. Вековой цикл иногда, по-видимому, может длиться и более века. Да и сами колебания по своему размаху сильно отличаются одно от другого. Но все-таки цикличность в колебаниях климата сохраняется. Летописи и другие исторические хроники сообщают, что в прошлом не раз отмечались на Земле периоды, когда климат становился необычно суровым, а порой и непривычно мягким.

Бывали, например, зимы, когда замерзало Черное море, Босфор и Дарданеллы. В 829 году покрылся льдом даже Нил. Свирепая зима отмечена и в 1011 году — в ту пору даже в Багдаде сугробы снега были в рост человека.

В XII и XIV веках несколько раз замерзало Балтийское море, и из Швеции в Данию ездили на лошадях. А вот в 1548 году поход царя Ивана Грозного на Казань окончился неудачей. Зима оказалась необычно теплой, и даже в феврале у Нижнего Новгорода пушки провалились под очень тонкий лед, причем погибло много людей.

Колебания климата несомненны, и это — важнейшая черта его «биографии». Но в этих колебаниях отражаются не только Брикнеров и вековой циклы. В ритмике Солнца замечены циклы гораздо большей продолжительности. Их удается заметить, правда, не на Солнце, а в отложениях различных пород земной коры. В этом случае, как это ни странно, на помощь гелиофизике приходит геология.

Солнечные ритмы в истории 3емли

Если соединить прямыми точки максимумов двух вековых циклов (XVIII и XIX веков) и точки их минимумов (XVIII, XIX и XX веков), получится, что эти прямые почти параллельны и заметно идут вверх. На это обратил внимание советский геофизик А. И. Оль. По его мнению, тут намечается какой-то малый по амплитуде, но очень длительный, многовековой цикл.

На берегах живописного Цюрихского озера есть древние террасы — высокие обрывы, в толще пород которых хорошо различимы слои разных эпох. И в этой слоистости осадочных пород очень четко зафиксирован 1800-летний ритм.

Тот же ритм виден в чередовании илистых отложений, движении ледников, колебаниях увлажненности и, наконец, в циклических изменениях климата. Конечно, и здесь, как и в других случаях, речь идет не о строгом периоде колебаний, как, скажем, у маятника часов, а лишь о средней продолжительности цикла. Открытие 1800-летнего цикла — заслуга многих ученых, среди которых особо следует отметить известного советского географа А. В. Шнитникова.

В книге другого советского ученого Г. К. Тушинского «Космос и ритмы природы Земли» (изд. «Просвещение», 1966) есть любопытнейший график, в котором стоит подробно разобраться. Он обобщает все современные сведения о 1800-летнем цикле. Получается стройная картина, убедительно объясняющая старые загадки.

Итак, взгляните на график. На горизонтальной оси его отложены годы. Цифрой нуль отмечено начало новой эры.

Каждое из делений соответствует 250 годам. На вертикальной оси графика — сведения об увлажненности. В одних случаях они могут быть выражены количественно (например, колебания уровня Каспийского моря), в других — увы, пока более многочисленных — только качественно.

Сам график напоминает синусоиду. Разумеется, это чисто условное изображение климатических колебаний. Просто горбы кривой соответствуют эпохам повышенной увлажненности, а впадины — засухам. Пусть грубо приближенно, в самых общих чертах, но этот график отражает вполне реальные события в жизни Земли.

Самый левый горб кривой хронологически соответствует эпохе знаменитого «всемирного потопа». Разумеется, никакого потопа, охватившего сразу весь земной шар, никогда не было. Но были и много раз повторялись эпохи повышенной увлажненности. В одну из таких эпох реки Тигр и Евфрат, впадающие в Персидский залив, вышли из берегов. Это было одно из сильнейших наводнений в истории Земли, оставившее следы в поверхностных слоях земного шара.

График 1800-летнего цикла.

С 1922 по 1934 год в междуречье Евфрата и Тигра производила раскопки английская экспедиция во главе с известным археологом Леонардом Вулли. Под толстым, 19-метровым слоем отложений последних тысячелетий ученые обнаружили 2,5-метровый слой без всяких следов деятельности человека. Ниже снова были слои с остатками кирпичей, золы и осколков глиняной посуды — продуктов деятельности людей каменного века. Видимо, от них, переживших когда-то очень сильный разлив Евфрата и Тигра, перешла легенда о «всемирном потопе» сначала к шумерам, населявшим Междуречье в «послепотопные» времена, а затем и к наследникам шумерской культуры — народам Ассирии и Вавилона. Всюду в Месопотамии, где производила раскопки экспедиция Вулли, ученые находили следы местных наводнений, случавшихся периодически и в разные эпохи. То из них, которое было принято за «всемирный потоп», отличалось от других лишь масштабами и продолжительностью.

Но если «всемирный потоп» не был всемирным, то все же им отмечена одна из эпох сильного увлажнения, охватившая, судя по всему, весь земной шар. Именно в это время, по исследованиям известного советского археолога С. П. Толстова, в Средней Азии, в бассейне реки Амударьи, сохранились следы необычной увлажненности. Многие холмы с постройками на них были затоплены, а значительная часть дельты Амударьи превратилась в водоем.

В те времена люди каменного века селились на реках и озерах. Они строили свои жилища на сваях с настилом — получался нехитрый домик, отгороженный водой от внезапного нападения врагов и зверей. Не случайно, что именно в рассматриваемую нами эпоху, то есть на рубеже V и IV тысячелетий до н. э., археологи нашли на альпийских озерах следы катастрофического затопления свайных построек. Но самое замечательное — это облик Сахары в те времена.

Еще с детства слово «Сахара» вызывало у нас представление о знойной, каменисто-песчаной, безводной пустыне.

Такова Сахара и на самом деле — добавим, в нашу эпоху.

Но были времена, когда великая африканская пустыня была совсем иной.

В Центральной Сахаре есть обширный горный массив Тассили-Аджер (Тассилин-Аджер). Он образует систему уступов, исполинскую каменную лестницу, в которой отдельные плоскогорья имеют высоту до 2000 м над уровнем моря. Длина плато около 800 км, ширина примерно 50 км.

Теперь постоянного населения тут нет, но когда-то в периоды увлажнения в скальных нишах и пещерах здесь обитали люди.

Еще в 1933 году в этой местности впервые случайные путешественники обнаружили на отвесных скалах вырубленные из камня огромные изображения слонов, носорогов, гиппопотамов и длинношеих жирафов, занятых ощипыванием листвы кустарников. Позже массив Тассили подробно обследовал французский археолог Анри Лот.[7] Он отыскал множество новых удивительных наскальных фресок, свидетельствующих не только об очень высоком художественном мастерстве древнего человека, но и о том, что первобытные художники изобразили совсем непривычную для нас Сахару — цветущую страну, с богатым растительным и животным миром. Растительность на фресках Тассили позволяет утверждать, что в Сахаре когда-то, на рубеже V и IV тысячелетий до н. э., текли полноводные реки, а почва была напоена обильными дождями. Экспедиция Анри Лота нашла серпы и зернотерки — явные признаки того, что древние обитатели Тассили занимались земледелием, а также охотой и рыболовством.

Наскальные рисунки из Тассили (Сахара).

«Нам рисовались цветущие долины, леса, болота и звери, жившие когда-то в этом раю, — пишет Анри Лот. — Мы заселили в нашем воображении эти места разнообразными животными. Мы старались представить себе людей, живших в скальных пещерах: мужчин, занимавшихся подготовкой оружия к охоте и мастерящих себе одежду из шкур; женщин, готовящих пищу или отправляющихся к соседнему водоему купаться или мыть свои миски».

Цветущая Сахара! И эта необычная картина дополняется — заметьте это — «всемирным потопом» в Междуречье, наводнениями в Средней Азии и Европе. Очередная эпоха всеобщего, глобального (то есть присущего всему земному шару) увлажнения — вот причина этих различных, но одновременных и связанных одно с другим событий.

Примерно к 3000 году до н. э. (горб 2 на кривой) период влажности сменился периодом усыхания. Понизились уровни альпийских озер, сократилось оледенение Северной Атлантики, высохли торфяники в европейской части СССР, западном Казахстане и Западной Сибири. По мере высыхания Сахары люди перемещались к животворной воде: на восток — к Нилу или на юг — к озеру Чад!

Максимум новой эпохи увлажнения пришелся почти на 200 год до н. э. (горб 3). Снова погибли многие из свайных построек. Лес повсюду стал наступать на степь. Широко разлилось Ладожское озеро, А в Сахаре снова закипела жизнь, возникли пастбища. Кстати сказать, именно к этому, второму дождливому периоду относится большинство наскальных фресок, найденных экспедицией Анри Лота.

Очередная засушливая эпоха пришла примерно девять столетии спустя (впадина 4). Она оставила после себя заметные следы. Отступили ледники в Альпах, человек бронзового века заселил высокогорные долины и поймы рек.

Леса продвинулись к северу, а лесостепь простиралась до широты теперешних Ленинграда и Вологды.

И снова археологи находят следы эпохи влажности—на этот раз примерно в середине первого тысячелетия до н. э. (горб 3). Катастрофические наводнения неузнаваемо изменили очертания Северного и Балтийского морей. Северная Африка превратилась в житницу Европы.

Художественная галерея хребта Тассили украсилась новыми фресками. А Сахара опять стала доступной для обитания страной.

В этот период в Европе свирепствовали суровые зимы и обильные снегопады. В 219 году до н. э. знаменитый карфагенский полководец Ганнибал вместе со своими солдатами с огромным трудом преодолел снежные завалы в Альпах. В 177 году до н. э. в Северной Греции вымерзли все деревья, а сильнейшие ветры сносили дома. Не раз в ту эпоху отмечены случаи, когда замерзал Дунай.

Впадина 4 на изучаемом нами графике приходится примерно на VI–X века н. э. В истории Земли она отмечена самым низким уровнем Каспийского моря, заселением горных долин на Кавказе и в Альпах, очередным потеплением Арктики и, что самое примечательное, успешными экспедициями викингов.

В 860 году викинги открыли Исландию, а десять лет спустя началась ее колонизация. В это время в Исландии климат был куда мягче, чем теперь. Заросли березы простирались от гор до моря, а ледники встречались лишь высоко в горах.

Столь же приемлемой для обитания в ту пору была и Гренландия—«Зеленая страна» (таков буквальный перевод названия величайшего из островов земного шара).

В 895 году 25 кораблей под командованием викинга Эрика Рыжего посетили западные берега Гренландии. Здесь были плодородные земли, отличные пастбища, и викинги основали два поселенческих округа, где вскоре общее число жителей достигло пяти тысяч человек.

В 999 году сын Эрика Рыжего отплыл из Норвегии в Гренландию. Сильнейшая буря отнесла его к неизвестным лесистым берегам, где росли дикие пшеница и виноград.