Сергей Язев - Лекции о Солнце

Исследования в ХХ веке показали, что солнечные вспышки изменяют состояние самых верхних слоев земной атмосферы – так называемой ионосферы . Потоки заряженных частиц, прибывающих сюда от Солнца, а также потоки энергичного коротковолнового излучения (рентгеновского и ультрафиолетового) повышают степень ионизации ионосферы. В результате в ионосфере возникают мощные электрические токи, сопровождающиеся, в свою очередь, целым набором электромагнитных явлений, включая генерацию колебаний и волн различной частоты. Изменения в ионосфере приводят к нарушениям радиосвязи.

Электромагнитные явления, вызываемые солнечными событиями, иногда бывают очень мощными. Известен знаменитый случай, когда в марте 1989 года частицы крупнейшей солнечной вспышки навели сильные токи в обмотке силового трансформатора в канадской провинции Квебек. В результате аварии целая провинция несколько часов была обесточена. Известны случаи выхода из строя электронных датчиков железнодорожной сигнализации, появления непредвиденных токов в сетях электропередач.

Можно вспомнить и сравнительно недавний случай. Крупная вспышка в декабре 2006 года (на предминимальной стадии 23-го цикла) дала аномально мощный поток радиоизлучения в широком диапазоне частот, включая частоты, на которых работают приемники спутниковой системы глобального позиционирования GPS . По свидетельству иркутского геофизика Эдуарда Леонтьевича Афраймовича, исследовавшего феномен, в течение нескольких минут эта стратегическая система не работала: радиошум от Солнца превышал уровень полезного сигнала спутников! Подобный случай наблюдался и в октябре 2003 года во время серии крупнейших солнечных вспышек.

В первые годы космических исследований, бывало, выходила из строя бортовая аппаратура на спутниках, не рассчитанная на экстремальные воздействия со стороны Солнца. Исследования показали, что в фазе максимума цикла солнечной активности атмосфера Земли «распухает», ее плотность на больших высотах несколько увеличивается. Примеров такого рода можно привести огромное количество. На сегодняшний день влияние солнечной активности на магнитосферу и ионосферу Земли можно признать очевидным. Связь мощных солнечных вспышек с последними изучена достаточно хорошо. Здесь, в отличие от многих других феноменов, построены физические модели воздействия потоков солнечных частиц и излучений на магнитосферу и ионосферу Земли, и в этом смысле исследования уже давно перешли на уровень конкретных физических задач с известными начальными условиями. Но оказалось, что следы солнечных воздействий обнаруживаются и во многих других земных явлениях!

Исследования солнечно-земных связей неизменно (и справедливо) связываются с именем Александра Леонидовича Чижевского (1897–1964), выполнившего цикл пионерных исследований в этой области.

Основная идея заключалась в следующем. Как известно, около 99 % массы Солнечной системы приходится на Солнце. Солнце находится достаточно близко к Земле (всего 109 земных диаметров). Планета погружена в непрерывный, переменный по многим параметрам, поток электромагнитного и корпускулярного излучений Солнца, которые предположительно определяют многие процессы на Земле. Циклические (квазипериодические) и импульсные вариации потоков этих излучений должны оказывать влияние на земные оболочки, и поэтому можно ожидать, что многие параметры, описывающие состояние земных природных систем, могут модулироваться циклами солнечной активности.

Первые намеки на такую связь появились еще 200 лет назад. Уильям Гершель в 1801 году обнаружил, что цены на пшеницу повышаются, когда Солнце свободно от пятен. Другими словами, рост количества пятен на Солнце и обилие корма на Земле наступали одновременно. Естественно, возникала мысль о поисках связи между пятнами на Солнце и погодными условиями на Земле. Но здесь ясная связь не просматривалась…

Разумеется, идея о влиянии солнечной активности на земные процессы принадлежала не одному Чижевскому. Здесь можно упомянуть петербургского врача М. В. Соколова, шведского исследователя Сванте Аррениуса, французского аббата и астронома Т. Морэ, профессора МГУ М. А. Боголепова и многих других. Но, пожалуй, именно Чижевский занимался разработкой этой концепции наиболее серьезно, глубоко и системно.

Основным инструментом Чижевского было сопоставление длинных временных рядов чисел Вольфа и параметров, описывающих земные процессы. Обычно для этой цели применяется вычисление так называемого коэффициента корреляции, отражающего связь двух изменяющихся величин в среднем. Другими словами, если по различным значениям одной величины можно определить средние значения другой величины, то математики говорят о наличии корреляционной связи. Крайний случай – когда таким образом можно определить не средние значения величины, а непосредственно саму величину. Тогда связь из корреляционной превращается в функциональную, привычную нам по школьной математике (коэффициент корреляции при этом будет равен единице). Если величины меняются абсолютно независимо друг от друга, и нет закономерности, по которой можно было бы найти средние значения одной величины в зависимости от изменений другой, коэффициент корреляции равен нулю. Если коэффициент корреляции оказывается «высоким» – близким к единице (0,7–0,9), говорят о тесной корреляционной связи. В целом, коэффициент корреляции отражает меру уклонения корреляционной связи от линейной функциональной связи.

А. Л. Чижевский собрал и обработал гигантский материал по смертности от различных эпидемий в Европе и России начиная со Средневековья. Ученый применил, помимо сравнивания внешнего вида графиков и вычисления коэффициентов корреляции, новые для того времени методы: сглаживание кривых, сопоставление коэффициентов корреляции при взаимном сдвиге рядов данных, а также эффективный метод наложения эпох, предложенный в 1913 году Кри. Впервые ему удалось обнаружить поразительный эффект: выяснилось, что эпидемии регулярно повторяются, причем период близок к продолжительности цикла солнечной активности – 11 лет!

Это не всегда означало, что максимумы рядов совпадали (максимальное число заболевших не обязательно совпадало по времени с максимумом цикла солнечных пятен), но цикличность явно присутствовала. Любопытно, что по мере введения в действие все более совершенных медицинских средств (все ближе к современности) корреляция становилась все менее ярко выраженной – под влиянием усилий медицины связь эпидемий с солнечной активностью ослабевала.

Работы, выполненные А. Л. Чижевским и другими исследователями в начале – первой половине ХХ века, явили собой пример подхода, который сейчас называется экологическим мышлением : учитывалось, что на исследуемые процессы оказывают одновременное влияние многие разнообразные факторы. Направление исследований, где изучается воздействие флуктуаций солнечной активности на живые организмы, получило название «г елиобиология », основоположником которой признан А. Л. Чижевский.