изначально я хотел написать о климате и что является основной причиной его изменения, но как можно написать о климате на Земле и ничего не сказав про Солнце? а если начать рассказывать о Солнце, то как не рассказать об его образовании? а если рассказывать о звездообразовании, то как не рассказать про термоядерные реакции и нуклеосинтез? поэтому изначальна статья в ЖЖ получилась блуждающая по смежным темам. здесь же я попробую сфокусироваться на одной теме и рассказать только то, что непосредственно имет отношение к ней.
Солнце — наша самая ближайшая звезда, Солнце огромно в нем сосредоточена почти вся масса Солнечной Системы. именно поэтому влияние Солнца основное и именно поэтому к Солнцу приковано внимание учёных. кажется, что Солнце было и будет всегда, но это не так — у Солнца было начало и будет конец. Солнце подарило жизнь Земле, но когда-нибудь Солнце её заберет.
Солнце практически единственный источник энергии на Земле. практически все современные энергоносители такие как нефть и уголь не смогли бы сформироваться без Солнца.
Солнце также отвечает за процессы в атмосфере и круговорот воды — т.е. энергетика, которую мы сейчас называем альтернативной, за небольшим исключением, использует энергию Солнца. даже если мы вспомним про ядерную энергетику так это в принципе тоже... если рассматривать Солнце как звезду, то ядра тяжелых металлов тоже были образованны в недрах звезд т.е. просто в «чужом» Солнце.
про нуклеосинтез я немного писал. вспомним только, что тяжёлые металлы это тоже подарок звезды. тяжелые элементы (тяжелее железа) синтезируются в основном в процессах, сопровождающих гибель массивных звезд (взрывы сверхновых, слияния нейтронных звезд).
даже если говорить про перспективный источник энергии, которым считают управляемый термоядерный синтез эта такая попытка зажечь Солнце на Земле.
конечно на Солнце идут другие реакции, которые едва ли удастся воспроизвести на Земле. реакция которую осуществляют на Земле немного другая. как правило это реакция дейтерий + тритий в результате которой образуются ядро гелия и высокоэнергетический нейтрон. поэтому сейчас довольно модно говорить о «безнейтронных» реакциях, так как порождаемый термоядерным синтезом нейтронный поток уносит значительную часть мощности и порождает наведенную радиоактивность в конструкции реактора.
но вернёмся к нашему Солнцу. как появилось наше Солнце и из чего оно «сделано»? тут ни каких неожиданностей Солнце — звезда и появилась она из облака межзвездного газа. постепенно облако сжимается и образуется протозвезда. постепенно протозвезда все более уплотняется, на неё падает все больше и больше вещества и в конце концов давление в ядре звезды возрастает настолько, что могут осуществляться термоядерные реакции. и новоиспечённая звезда становится звездой главной последовательности.
т.е. Солнце состоит из газа, в основном водорода, а в его ядре идут термоядерные реакции. даже скажем более конкретно: реакции превращения водорода в гелий. ещё можно сказать, что звезду сделала гравитация. гравитация это одна из последних тайн физики. даже в стандартной модели являющейся самой всеобъемлющей и совершенной теорией, не описывается гравитационное взаимодействие.
но какая же дальнейшая судьба нашей звезды? здесь тоже особых неожиданностей нет. судьба звезды во многом определятся начальной массой и химическим составом. в зависимости от массы звезда может прожить разное время от примерно от сотен тысяч лет для самых крупных объектов до десятка миллиардов лет для маломассивных. т.е. чем звезда больше, тем интенсивнее идут термоядерные реакции и тем быстрее она «выгорает»
сейчас Солнцу примерно 4.5 миллиарда лет. его жизнь как звезды главной последовательности оценивается как 10 миллиардов лет. т.е. Солнце сейчас в самом рассвете сил. но примерно через 5.5 миллиардов лет Солнце станет красным гигантом.
в этой стадии просуществует около миллиарда лет, потом сбросит внешние слои и превратится в белый карлик. обычно все испытывают такое облегчение, что Солнце не станет «черной дырой» но я вас уверяю: к тому времени до этого не будет никому никакого дела.
т.е. еще больше 5 миллиардов лет Солнце будет сохранять жизнь на Земле? это не совсем так. Солнце постепенно разогревается. дело в том, что по мере выгорания водорода ядро Солнца продолжает сжиматься и термоядерные реакции текут интенсивнее и Солнце становится все более мощным источником излучения.
считается, что через миллиард лет Солнце будет «ярче» процентов на 10. т.е. 5 миллиардов лет это очень щедро. думаю в запасе есть около 2 миллиардов лет. а дальше видимо начнутся достаточно неприятные изменения климата и жизнь на Земле столкнётся с некоторыми сложностями.
в обратную сторону это тоже работает. т.е молодое Солнце, по современным представлениям, тоже светило то не очень. однако геологические данные показывают, что в ранней истории Земле был влажный и тёплый климат. эту проблему принято называть «парадокс слабого молодого Солнца» в разрешении этой проблемы предполагается, что в ранней истории Земли были повышенное содержание в атмосфере парниковых газов вулканического происхождения. говорят о другой орбите Земли и т.п.
важно отметить, что это довольно большой период времени — миллиарды лет, (почему это важно будет видно ниже) чтобы изменения были достаточно заметными, но для долгосрочных прогнозов это фактор нужно учитывать.
наше Солнце по спектральной классификации жёлтый карлик (G2V). Солнце также имеет маленькую массу по звездным меркам, но при этом это 99% массы всей Солнечной системы. в таких звездах идут термоядерные реакции с маленьким энергетическим выходом. т.е. Солнце это довольно «тусклый» объект, но это «уголёк», который может существовать достаточно долго чтобы на Земле возникла жизнь. за счёт огромной массы энергии Солнца достаточно, чтобы «отапливать» нашу планету.
возвращаясь к теме «термояда» можно сказать, что это одна из причин почему такая реакция на Земле вряд ли осуществима — понадобится огромного размера реактор, для сколько нибудь значимого энерговыделения. кроме того реакции на Солнце идут при сверхвысоком давлении и сравнительно низкой (для термояда) температуре в недрах Солнца, что на Земле недостижимо. поэтому люди стремимся к более «легким» в зажигании реакциям.
в солнечной активности выделяют 11 летний цикл солнечной активности. влияние солнечной активности на Землю довольно велико: магнитные бури, полярные сияния, изменение качества радиосвязи. с изменением солнечной активности меняется численность насекомых и многих животных. солнечная активность — комплекс явлений и процессов, связанных с образованием и распадом в солнечной атмосфере сильных магнитных полей.
наиболее изученный вид солнечной активности — изменение числа солнечных пятен. теория объясняющая периодичность солнечной активности называется теорией солнечного динамо. суть который в том, что экваториальные и полярные области Солнца вращаются с разной скоростью. детали механизма солнечного динамо понятны ещё далеко не полностью и являются предметом современных исследований.
хотя сейчас считается что влияние солнечной активности на климат не так уж и велико. например малый ледниковый период не так уж сильно связан с минимумумом Маундера. однако Солнце конечно ответственно за климат на Земле.
перед обсуждением климата нужно вспомнить еше несколько фактов. например чем определяется смена сезонов на Земле? смена сезонов на Земле определяется наклоном оси вращения Земли. двигаясь по орбите, Земля подставляет Солнцу то один, то другой бок. движение по орбите тоже влияет, но в основном определяет длительность того или иного сезона.
двигаясь по орбите Земля взаимодействует с Солнцем и с другими планетами Солнечной Системы. которые влияют на параметры Земной орбиты: например слегка изменяя её эксцентриситет, сама орбита лежит не в одной плоскости она может располагаться выше или ниже "нормального" положения орбиты.
это дает ответ на вопрос: " как казалось бы такие далёкие от Земли астрономические процессы могут существенно влиять на её климат?" но однако даже небольшие изменения параметров орбиты Земли существенно влияют на её климат. и такой вывод был сделан в 1941.
изменения "космической погоды" получили название циклы Миланковича. циклы Миланковича описывают влияние изменений в движении Земли и ориентации её оси вращения на климат Земли. т.е. эти циклические изменения определяют количества солнечной радиации, попадающей на Землю.
не смотря на то, что изменения параметров орбиты и наклона оси вращения Земли небольшие, но именно эти изменения определяют в том числе и наступление ледниковых эпох. основных факторов не так много.
первый это изменение орбиты Земли. точнее изменение эксцентриситета орбиты. долгопериодические колебания эксцентриситета орбиты Земли связанное с притяжением других планет солнечной системы. эксцентриситет показывает насколько форма орбиты отличается от круга. цикл таких колебаний довольно большой — около 90 000 лет.
вторым важным фактором циклов Миланковича является прецессия оси вращения Земли. Прецессия — это процесс при котором ось вращения Земли движется по конусу. тоже самое происходит с раскрученным волчком перед его падением. полный оборот земной оси длится около 25 000 лет.
еще Миланкович обратил внимание на нуации оси вращения Земли. это такие покачивания оси вращения. это очень медленный процесс — изменения повторяются каждые ~40 000 лет.
как видно циклы совершенно разной длины и по этому при их наложении получаются процессы с очень большим периодом.
например прецессия земной оси, также известное как предварение равноденствий оказывает заметное влияние на климат. сейчас делает лето в Южном полушарии более жарким и смягчает сезонные колебания в Северном полушарии. но через какое-то время (~10 000 лет) ситуация изменится.
таким образом, если факторы снижают количество тепла, получаемого планетой от Солнца, Земля существенно охлаждается, что приводит к ледниковым периодам. а когда все факторы только увеличивают, получаемое Землёй тепло, наступает эпоха потепления.
определённые подтверждения теории Миланковича были получены, но учитывают ли циклы Миланковича все известные факторы, которые могут повлиять на климат? конечно нет. например они не учитывают солнечные циклы, увеличение мощности солнечного излучения, периодическое, альбедо, состав атмосферы и т.д. и т.п. параметров довольно много и для долгосрочного прогноза все они должны учитываться.
наверное у иного читателя возникае примерно такая мысль: "все это конечно здорово, но может добавим конкретики?" что нам готовить шубы и шапки-ушанки или шорты и мини юбки?
на в самом деле вопрос сложный. возможно, что очень холодно не будет. почему я так думаю? довольно большое содержание парниковых газов в атмосфере, Солнце светит ярче чем миллиард лет назад. т.е. новый криогений, который начался 720 млн лет назад наступит вряд ли. но я не климатолог и ничего конкретного сказать не могу.
ну и как всегда вывод в моем стиле: нужна довольно сложная компьютерная модель, объединяющая все известные факторы. думаю на неё можно будет ориентироваться как и для предсказания будущих событий так и анализа событий в прошлом. кстати наверняка подобные модели уже существуют - сама по себе мысль довольно банальная. и при этом не очень весёлая - все закончится: ледниковая эпоха и эпоха потепления, закончится жизнь на Земле, потухнет Солнце.
это кстати не означает что человечеству нужно поджать лапки и смиренно ждать конца света (практически в прямом смысле этого слова). за пару миллиардов лет неплохо бы придумать как прожить следующие пару миллиардов лет. да и засиделось человечество в своей колыбели. хотя конечно это вопрос дискуссионный. многие считают что сначала неплохо бы решить все проблемы на Земле.