Ссылка на статью: Смульский И.И. Космические воздействия на Землю и их влияние на Арктику // Сложные системы. 2017. № 4 (25), с. 27-42.
УДК 551.511 + 523.2
КОСМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЗЕМЛЮ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА АРКТИКУ
Смульский И.И.,
д. ф.-м. н., профессор, г.н.с., Институт криосферы Земли СО РАН, г. Тюмень, Россия, jsmulsky@mail.ru Аннотация. Систематизировано рассмотрено влияние космоса на Землю. Атмосферная циркуляция, циклоны и антициклоны обусловлены шарообразной формой Земли и ее вращением. Солнце создает орбитальное движение Земли и освещает ее, а потоки его вещества создают вариации погоды и климата. Луна, совместно с Солнцем, создает приливные явления в атмосфере и океане, вариации наклона оси Земли, а также колебания климата с периодами десятки тысяч лет. Воздействие планет приводит к эволюции орбиты Земли. За счет воздействия планет Солнце обращается вокруг центра масс Солнечной системы, в результате происходят вариации корпускулярного излучения Солнца, которые создают вариации погоды и климата. Более подробно рассмотрены вариации освещенности Земли Солнцем, в том числе полярные дни и ночи в современную эпоху, а также в холодную и теплую эпохи.
Ключевые слова: космос, влияние, Земля, циклоны, антициклоны, погода, климат, полярные дни и ночи.
ВВЕДЕНИЕ
Космические воздействия оказываются на всю Землю, включая Арктику, ее неотъемлемую часть. Отдельные явления, например, полярные сияния, для Арктики являются яркими проявлениями этого воздействия. Другие, как атмосферные и океанические течения, внешне незаметные, играют для Арктики более существенную роль, хотя формируются совокупностью космических воздействий на всю Землю. Космические факторы воздействия на Землю можно подразделить на те, которые обусловлены самой Землей, как космическим телом, так и на внешние, которые обусловлены другими телами: Солнцем, Луной и планетами.
Земля, как космическое тело обращается вокруг Солнца за 1 год, и за сутки - вокруг своей оси. Суточное вращение создает день и ночь, а при орбитальном движении возникают сезоны года: весна, лето, осень и зима. Как видно из рис. 1, при движении Земли по орбите ось вращения Земли наклонена вправо и не изменяется. Поэтому в разных частях орбиты освещенность Земли Солнцем изменяется по широте. Так возникают сезоны года или времена года.
Рис. 1. Времена года.
Вращательная скорость точки поверхности Земли увеличивается с увеличением ее расстояния от оси вращения Земли: на экваторе - максимальная, на полюсах - минимальная и равна нулю. Сила центробежного воздействия на вещество Земли изменяется таким же образом: на полюсах - минимальна, на экваторе - максимальна. Поэтому Земля растягивается в экваториальной плоскости и сплющивается у полюсов: ее экваториальный радиус REa= 6378 км больше полярного REp = 6357 км. Вместе с Землей вращается ее атмосфера. Одновременно слои атмосферы, больше прогреваясь в экваториальных широтах, поднимаются и направляются в высокие широты. Первоначальная вращательная скорость этих слоев, которая равна скорости поверхности вращающейся Земли, больше скорости поверхности умеренных широт. А так, как Земля вращается с Запада на Восток, то верхние слои атмосферы имеют западное направление. Таким образом формируются юго-западные антипассаты в Северном полушарии (рис. 2а) и северо-западные - в Южном (рис. 2б) [3] и [10]. На полюсах эти слои оседают и растекаются к экватору. Их вращательная скорость меньше скорости поверхности умеренных широт, т.е. эти слои имеют восточное направление, и тем самым формируются северо-восточные пассаты в Северном полушарии (рис. 2в) и юго-восточные - в Южном (рис. 2г).
Аналогичное воздействие вращения Земли оказывается на океаническую циркуляцию. К нему добавляется влияние контуров материков и крупных островов. А на вертикальные движения водных потоков дополнительно к температурному фактору добавляется влияние концентрации засоленности воды: более пресные воды легче, а более соленые - тяжелее. Следует заметить, что отклонение течений воздушных и водных масс от меридионального направления традиционно объясняют силой Кориолиса. В действительности - это инерционное движение среды на вращающемся теле. Верхний переохлажденный слой воздуха может также стекать вниз. В нем формируется обратное по направлению вращение слоя. Эти стоки верхних слоев воздуха вниз являются антициклонами (рис. 4б). Их вращение в Северном полушарии направлено по часовой стрелке, а в Южном - против [6]. С вращением Земли связан и ряд других явлений пока еще недостаточно исследованных наукой. Вокруг Земли в экваториальных областях находится дисперсное вещество, которое образует диски, подобные кольцам Сатурна и Урана. Орбитальная скорость частиц этого вещества (8 км/сек) на порядок больше скорости вращения земной поверхности (0.5 км/сек). Поэтому дальние слои атмосферы могут увлекаться веществом экваториального диска и вращаться быстрее экваториальных широт Земли. Такие явления известны для экваториальных слоев Солнца и Венеры [3]. Так как верхние слои Земли ионизированы, то их вращение относительно поверхности Земли идентично кольцевому электрическому току. То есть, эти слои будут создавать какую-то часть магнитного поля Земли. Нарушение магнитного поля солнечным ветром может свидетельствовать, что эта часть может быть достаточно существенной
Поток солнечного вещества приносит на Землю изотопы различных элементов, например изотопы бериллия 10Be, углерода 14C, по-видимому, кислорода 18O и многих других. Оказалось, что широкие атмосферные ливни космических частиц варьируются согласно периодам орбитального и вращательного движений Солнца [12], т.е. они также являются продуктом вспышек на Солнце. Весь этот поток солнечного вещества воздействует на верхние слои атмосферы и приводит к возмущению нижних слоев. Алтайский любитель-метеоролог А.В. Дьяков [2] с 40-х годов прошлого века по солнечным пятнам предсказывал циклональную и антициклональную активность атмосферы, а через нее погоду и катастрофические ураганы на всем Земном шаре.   Любое космическое тело ближние к себе части Земли притягивает сильнее, а дальние - слабее. Из-за этого возникают океанские приливы и отливы на Земле. Здесь также воздействие Луны в два раза больше воздействия Солнца. Высота приливов в океанах достигает 15 и более метров. Приливы морей Северного Ледовитого океана порядка 1 м, за исключением некоторых мест: у берегов Земли Франца Иосифа, западный берег Новой Земли, бухта Нордвик в море Лаптевых, где приливы достигают 3м. На Кольском полуострове: в Лумбовском заливе высота приливов в среднем - 4.2 м, на мысу Абрамова-Михайловского - до 10 м.   Приливные явления происходят также с земной поверхностью и с ее атмосферой. Так как наибольшие эффекты воздействия Луны повторяются с периодом 18.6 года, то с этим периодом наблюдается колебание многих процессов на Земле. Это относится к землетрясениям, извержениям вулканов, погодным и климатическим явлениям. Просматривается также периодичность 18.6 лет в количестве айсбергов вокруг Антарктиды и в ледовой обстановке в Северном Ледовитом океане: приливы отламывают айсберги от шельфовых ледников и разобщают многолетние льды. Однако в полной мере эти явления еще не исследованы. Каждый вид явлений определяется своими особенностями, экстремум которых находится в разных частях 18.6-летнего цикла. Например, максимум угла наклона оси Земли был в 2016 г. и следующий максимум будет в 2034 г. Но колебания эти небольшие - 9.2''.   Следует также отметить световое воздействие Луны на ночную сторону Земли. Это влияние существенно для биологической жизни Земли.
2. Годовое и суточное движение Солнца в средних широтах. На рис. 8 представлена картина прохождение Солнца на широте г. Тобольска в 16 часов местного астрономического времени. В центре небесной сферы 1 находится наблюдатель M. Его горизонт пересекает небесную сферу 1 по кругу HH'. Перпендикуляр к плоскости горизонта пересекает небесную сферу в точке зенита Z. Ось вращения Земли, обозначенная вектором угловой скорости Земли , пересекает небесную сферу в точке Северного полюса N. Угол φ = ∠NMNrd между и плоскостью горизонта HH' является широтой наблюдателя, для г. Тобольска - 58°11'53" с.ш. Плоскость AA' экватора Земли, перпендикулярная угловой скорости Земли , пересекает горизонт HH' в точках Est - Востока и Wst - Запада. Точки Севера и Юга обозначены как Nrd и Sth, соответственно.Так как Северный полюс находится вблизи Полярной звезды, то стороны света легко определяются ночью на местности: вертикальная проекция Полярной звезды на линию горизонта является точкой Севера Nrd, а противоположная ей - точкой Юга Sth; перпендикулярно линии NrdSth справа находится Восток Est, а слева - Запад Wst. А днем точка Севера легко определяется по тени полуденного Солнца от вертикального указателя. При этом полуденная точка Солнца - наивысшая точка его дневной траектории на небесной сфере, т.е. на небосводе. По этой точке определяется астрономический полдень, с которым связано местное астрономическое время. Годовое движение Солнца (рис. 8) против часовой стрелки прочерчивает на небесной сфере 1 круг эклиптики EE'. Он пересекает круг экватора AA' под углом ε в точке γ. В этой точке Солнце находится 22 марта (момент времени 3m). 22-ые числа остальных месяцев: апреля, мая, , , января и февраля отмечены на рис. 8 ромбами 4m, 5m, , , 1m, 2m, соответственно. В рассматриваемую дату 15 мая Солнце находится на эклиптике EE' между ромбами месяцев 4m и 5m. Через эту точку 15 мая проходит круг 2 суточного движения Солнца. Вокруг оси MN Земля вращается против часовой стрелки. А небесная сфера совместно с Солнцем вокруг этой оси совершает суточное вращение за часовой стрелкой. Поэтому суточное движение Солнца проходит по кругу 2, который параллелен кругу экватора AA'. В точке Sr Солнце поднимается над горизонтом, в точку Md оно приходит в полдень, а в т. Ss заходит за горизонт. В точку Mn невидимое для наблюдателя Солнце приходит в полночь. Часовой угол Солнца отсчитывается от точки полночи Mn и на рис. 8 обозначен кружками 1h, 2h, 3h, , , 23h, 24h. В рассматриваемое в г. Тобольске 15 мая в 16 часов местного времени Солнце S находится в точке 16h (рис. 8). Зайдет оно в т. Ss почти в 20 часов. Так как восход Солнца в т. Sr был почти в 4 часа утра, то длительность дня, или долгота дня, составляет 16 часов. Движение Солнца от т. Ss до т. Sr происходит под горизонтом НН', т.е. ночью. Поэтому длительность ночи составляет 8 часов. Так как круг эклиптики EE' проходит через Солнце, то положение эклиптики среди звезд можно наметить только на ночном небе. На местности перед рассветом можно на фоне звезд зафиксировать точку восхода Солнца Sr, а после заката - т. Ss захода Солнца. В средине между ними определится положение Солнца между звезд. Через это положение можно провести круг эклиптики EE' под углом ε к экватору AA' (рис. 8). Положение Солнца между звезд может быть определено также в местную полночь по т. Mn. На карте звездного неба Солнце находится в диаметрально противоположной ей точке. 7 декабря суточное движение Солнца S1 проходит по кругу 3 (рис. 8). На круге эклиптики EE' момент 7 декабря расположен между ромбами месяцев 11m и 12m. Солнце поднимается над горизонтом чуть раньше 9 часов утра (т. 9h) и заходит после 15 часов (т. 15h). Таким образом, 7 декабря день длится немного больше 6 часов, а ночь - больше 17 часов. Годовое и суточное движение Солнца в полярных широтах. На рис. 9 в эти же даты показано движение Солнца на широтах г. Салехарда (а) и острова Рудольфа (б). 15 мая в г. Салехарде Солнце восходит перед тремя часами утра (круг 2) и заходит после 21 часа. То есть долгота дня больше 18 часов, а ночи - меньше 6. Из рис. 9 а видно, что при положении Солнца на эклиптике EE' в день летнего солнцестояния 22 июня (т. 6m) долгота дня приблизится к 24 часам, т.е. наступит полярный день. 7 декабря Солнце восходит перед 11 часами (круг 3), а заходит после 13 часов. В этом случае день длится больше двух часов, а ночь - меньше 22 часов. При положении Солнца на эклиптике EE' в день зимнего солнцестояния 22 декабря (т. 12m) долгота ночи приблизится к 24 часам, т.е. наступит полярная ночь. На острове Рудольфа, в архипелаге Франца-Иосифа, (рис. 9. б) 15 мая суточное движение Солнца по кругу 2 проходит над горизонтом НН', т.е. имеет место полярный день. А 7 декабря имеет место полярная ночь, так как Солнце движется по кругу 3 под горизонтом НН'. Приведенные на рис. 8 и рис. 9 картины движения Солнца для 2025 г зависят от угла наклона ε эклиптики EE' к экватору AA', который изменяется с 1975 г по 2075г. с 23.44° до 23.43°. Эти изменения не отразятся на рис. 8 и рис. 9. Однако изменение угла ε за десятки тысяч лет приведут к существенным изменениям картины движения Солнца [8] - [9]. Например, 15.3 тыс. лет назад ε = 19.04°, и Северный полярный круг будет на широте 70.96°, т.е. г. Салехард уже будет южнее Северного полярного круга на 4.6°. В другую эпоху, 31 тыс. лет назад, угол ε = 32.01°, и Северный полярный круг будет на широте 57.99°, т.е. г. Тобольск будет входить в зону Арктики, и в нем будут наблюдаться полярные дни и ночи. На рис. 8 и рис. 9 приведена картина движения центра Солнца. Однако заход и восход Солнца фиксируется не по его центру, а по верхнему краю. Кроме того происходит преломление луча света, если он распространяется в атмосфере с изменяющейся плотностью. Поэтому верхний край Солнца мы видим, когда он еще находится, например, во время восхода под горизонтом. Это приводит к тому, что в действительности, долгота дня и количество полярных дней увеличиваются, а долгота ночи и количество полярных ночей уменьшаются по сравнению с расчетами по центру Солнца. На рис. 8 и рис. 9 приведена картина движения центра Солнца. Однако заход и восход Солнца фиксируется не по его центру, а по верхнему краю. Кроме того происходит преломление луча света, если он распространяется в атмосфере с изменяющейся плотностью. Поэтому верхний край Солнца мы видим, когда он еще находится, например, во время восхода под горизонтом. Это приводит к тому, что в действительности, долгота дня и количество полярных дней увеличиваются, а долгота ночи и количество полярных ночей уменьшаются по сравнению с расчетами по центру Солнца. На рис. 8 и рис. 9 прохождение центра Солнца по эклиптике в дни равноденствий и солнцестояний приурочены к 22 числу соответствующих месяцев. Однако, эти даты изменяются в пределах ±1.5 дня. Это обусловлено тем, что период обращения Земли вокруг Солнца, т.е. тропический год (365.24219879 дней) и период суточного вращения Земли (1 день) не кратны. Поэтому момент весеннего равноденствия (т. γ на рис. 8) каждый год смещается на 0.2422 дня, а в високосный год календарный счет дней скачком изменяется на 1 день. 4. Суточное движение Солнца на местности. На рис. 10 движение верхнего края Солнца представлено для широты г. Тобольска в проекции на плоскость горизонта HH'. Ось SNнаправлена на север Nrd и ось SE - на восток Est. На концах проекций траекторий Солнца точками отмечены с правой стороны восходы верхнего края Солнца и с левой стороны - его заходы. Числами 2h, 4h,…,20h, 24h отмечены часовые углы.
На рис. 11 показана проекция дневного пути Солнца для г. Салехарда и острова Рудольфа. В г. Салехарде (рис. 11а) летнее движение Солнца (линия 2) происходит почти по полному кругу: Восход Солнца в 0.08 часа, а заход - в 23.92 часа, а зимнее движение (линия 3) происходит на Юге чуть больше получаса: с 11.66 до 12.34 часов. На острове Рудольфа (рис. 11б) в день летнего солнцестояния движение Солнца проходит по кругу 2. При этом, как следует из графика, на Севере Солнце даже не касается горизонта. В день зимнего солнцестояния линией 4 показано движение Солнца под горизонтом. В противоположной острову Рудольфа точке, в Южном полушарии, в это время стоит полярный день. По графикам рис. 10 и рис. 11 с помощью часового круга можно определить положение Солнца в любой час дня. 5. Продолжительность полярной ночи и полярного дня. На рис. 12 на секторе Арктики приведены продолжительности полярной ночи (на темном фоне) и полярного дня (на светлом фоне) для разных широт [8] - [9]. В первых двух столбцах данные соответствуют 2025 г. Для этого года слева представлены данные также для отдельных географических пунктов. ЗАКЛЮЧЕНИЕ ЛИТЕРАТУРА
|