Причина вековых вариаций климата: астрономическая гипотеза или фликкер-шум? В.В. Кузнецов, Н.Д. Кузнецова

Что такое фликкер-шум?
Flicker noise – (1/f шум) фликкер-шум, шум мерцания.
Разливы Нила - фликкер-шум (ФШ).
Закон Гутенберга- Рихтера, вспышки на Солнце, инверсии и экскурсы геомагнитного поля – ФШ.
В 1996 году в В. П. Ковердой и В. Н. Скоковым были экспериментально обнаружены интенсивные тепловые пульсации при переходе от пузырькового режима кипения жидкого азота к плёночному на тепловом участке высокотемпературного сверхпроводника. Спектр этих пульсаций соответствует фликкер-шуму.
ФШ - возникает в открытых самоорганизующихся системах.
Проявляется обычно при низких частотах, при высоких же обычно затмевается белым шумом.

Примеры фликкер-шума
Повторяемость землетрясений, энергетические спектры
вспышек, частота извержений вулканов.
Распределение количества инверсий I, произошедших в течение трех млн. лет, за Т = 160 млн. лет эволюции геомагнитного поля (Харланд, 1985) - (а); б - оценка величины клеточной фрактальной размерности (D = lgN(t)/lgdT); Количество экскурсов I в течение 3 млн. лет - в; клеточная фрактальная размерность экскурсов – г.

Одним из наиболее значимых и представительных временных рядов климатических вариаций является известный ряд средних месячных температур в Центральной Англии за 1659-1674 гг., опубликованный Гордоном Мэнли и продолженный затем, как в прошлое, до 1400 г (по годовым кольцам деревьев), так и до наших дней. Эта зависимость, после исключения сезонных колебаний и пятилетнем осреднении, представляет собой «белый шум». Если период осреднения данных увеличить до 30 лет (Монин, Шишков, 1998), то спектральная плотность ряда имеет вид «красного» – фликкер-шума (1/f). Этот пример показывает ещё раз, что климат фрактален, более того, характерное время самоорганизации климатической структуры оказывается порядка 30 лет. Ниже будет показано, что в масштабе в нескольких сотен тысяч лет – климат «контролируется» геомагнитным полем и, вместе с тем, обладает ярко выраженными фрактальными свойствами. Здесь нет парадокса, т.к. и сами инверсии и экскурсы так же фрактальны.
Климат – фликкер-шум?
(Введение в физику горячей Земли)

Используемые материалы

Изменение температуры поверхности Земли (верхняя панель), SPECMAP (средняя панель) и интенсивность геомагнитного поля (нижняя панель). Вертикальные полосы – понижение геомагнитного поля в периоды экскурсов (слева направо): Gothenburg (1); Mono Lake (2); Laschamp (3); Kargopolovo (Event Gaotai) (4); Blake (5); Biwa – I (6); Jamaica (7); Biwa – II (9). Понижение поля 300 тыс. лет (8) с экскурсом не идентифицировано.

Астрономическая гипотеза Миланковича

Астрономическая гипотеза Миланковича

Верхняя кривая – температура (по данным льда в Антарктиде), нижняя – шесть циклов SPECMAP.
Кислородная кривая δ18О для последних 800 тыс. лет: данные – а; после обработки программой SPECMAP - b; Спектры мощности: данных – c; после обработки SPECMAP -d. В теории Миланкоича: пик около 0.01 (100 тыс. лет); 0.024 (41 тыс. лет) – наклонение орбиты; 0.043 (23 тыс. лет) – прецессия [Muller, MacDonald; 1997]

Реальность астрономической гипотезы климата подвергалась сомнению ещё 70 лет тому назад, когда метеоролог В.А. Костицын [Эволюция атмосферы, биосферы и климата. М.: Наука. 1984] полагал, что в результате прецессии может происходить лишь небольшое смещение равноденствий. Известно, насколько слаба климатическая роль эллиптичности земной орбиты. Максимальный, возможный эффект прецессии свелся бы, как считал Костицын, к увеличению продолжительности зимы или лета, - на несколько дней, максимум, - на неделю. До оледенения континента отсюда так далеко, что приходится удивляться распространенности этой гипотезы
Теория Миланковича не может объяснить резких потеплений. Действительно, если началось похолодание и оледенение планеты, то альбедо будет только возрастать, что приведет к ещё большему похолоданию. В такой ситуации не находится причин для потепления и т.п.

Климат – фликкер шум. Фрактальность климата
Вариация температуры в течение 400 тыс. лет. Верхняя панель – по данным (Petit et. Al., 1999; Vimeux et al., 2002), нижняя – эта же кривая после преобразования.
График lgN – lg S , где S – «пик» повышения температуры (в отн. ед.), N – число пиков в интервале величин S. В течение 400 тыс. лет выделено 45 «пиков».

Изменения температуры в «нормальной» шкале времени – а; спектр колебаний климата в плейстоцене по Дж. Имбри и Н. Шеклтону [Монин, 1977, рис. 72] – б; «цветной» фликкер-шум и его спектр [Жвирблис, 1983] - в.
Климат фликкер-шум.

Главная (основная) частота

Зависимость размера водного аэрозоля от степени насыщения (Harrison, 2001). Капли размером, r < 0.13 мкм будут испаряться, большим – расти.
Распределение атмосферных аэрозолей по размерам [Ивлев, Довгалюк, 1999]

Коэффициент прозрачности стратосферы W для отражающего слоя толщиной 1 км в зависимости от размера СА для слоев различной концентрации (кривая 2 соответствует N = 100 см-3 и т.д. (Гончаренко Ю.В., Кивва Ф.В. О размерах частиц атмосферного аэрозоля в отражающих слоях, появляющихся после сильных солнечных вспышек. // Радиофизика и электроника. 2002. Т. 7. № 3. С. 509-512).
Ослабление солнечного излучения при рассеянии его на слое СА оценивается по порядку величины множителя ослабления (дБ/км), который определялся при помощи закона Бугера:
β  ∫ r2 N f(r)K(x,ε) dr
N – концентрация аэрозолей (см-3); r - радиус капель (мкм); f(r) - закон распределения частиц по размерам; K(x,ε) - коэффициент рассеяния электромагнитных волн на частицах аэрозоля, определяемый по уравнениям Ми. Коэффициент β используется при оценке коэффициента прозрачности атмосферы W (%) .

Вертикальные профили плотности: водных кластеров Н5О+2 и Н3О+, и ионизированных частиц в атмосфере: (Ferguson, Fehsenfeld, 1969) – a, (Marsh, Svensmark, 2000) – b.
АЭП как параметр климата и как климатообразующий фактор
В.И. Герасименко (Электрические и метеорологические поля нижней тропосферы. В кн. Атмосферное электричество. Л. Гидрометеоиздат. 1976. С. 25-31) приводит высказывание знаменитого английского физика Томсона (Лорда Кельвина) о том, что в будущем предсказание погоды будет осуществляться посредством электрометра.

Поток галактических космических лучей, АЭП, температура воздуха и влажность в зависимости от высоты и атмосферного давления.

Оценим «время жизни» пылинки в стратосфере. Примем размер пылинки равным 0.1 мкм, её масса m = 10-14г. Концентрацию пылинок n примем исходя из того, что слой пылинок принятого размера полностью экранирует Землю от Солнца (W = 0): равной n = 106 - 107см-3. Расстояние между пылинками l  100 мкм, концентрация зарядов в стратосфере ne =104см-3, дебаевский радиус d = (kT/4πnee2)1/2 =10 см. На расстояниях, больших d, электрическое поле заряда пылинки экранируется зарядами противоположного знака и становится пренебрежительно малым. В нашем случае l << d, и это говорит о том, что экранирования поля пылинки не происходит и, следовательно, она будет взаимодействовать с внешним атмосферным электрическим полем стратосферы Е.

а - Величина заряда частицы Z от её размера [Ивлев, Довгалюк, 2000]. Отношение силы тяжести к электростатической силе mg/eZE от размера частицы и её заряда.
b - Параметр Г и расстояние между аэрозолями l в зависимости от их концентрации N.
c - Величина exp(-l/d) и дебаевский радиус d в зависимости от плотности зарядов n.
Принято считать, что вещество проявляет квантовые свойства, если безразмерный параметр Г = Ee/Ek, который показывает отношение средней энергии кулоновского взаимодействия (Ee = Ze2/rе, rе - радиус экранирования) к кинетической энергии (Ek = kT), больше некоторого критического (Г > 178).

Выполнение очевидного условия: mg = eZE, где вертикальное атмосферное электрическое поле в стратосфере Е ≈ 1В/м, еZ – заряд пылинки, позволяет оценить количество единичных зарядов на пылинке Z = 1000. Заметим, что Z = 1000 зарядов на одной пылинке, входит в диапазон значений, соответствующий наблюдениям. Выполнение этого условия, при отрицательном заряде пылинки, вызванным прилипанием к ней свободных электронов, должно обеспечить существование их в стратосфере бесконечно большое время. В этом случае силы гравитационного притяжения Земли уравновешиваются силами электростатического отталкивания между каплями аэрозоля в электрическом поле стратосферы. В принципе в природе возможна ситуация, когда пылинки действительно находятся в стратосфере бесконечно долго. Реально, они рано или поздно притянутся друг к другу, слипнутся и упадут на Землю. Авторы [Гундиенков В.А., Яковленко С.И. Взаимодействие заряженных пылинок в плазме //ЖТФ 2002. Т. 28. вып. 21. С. 81-90 ] полагают, что силы притяжения между пылинками возникают, когда дебаевский радиус равен расстоянию между пылинками, а также, если заряды одного из знаков сосредоточены преимущественно на пылинках. Если пылинки несут малую долю зарядов одного из знаков, пылинки отталкиваются. В рассматриваемом нами случае, возможны оба варианта в зависимости от того, насколько изменились внешние условия: увеличилась концентрация зарядов, например, за счет дополнительной ионизации заряженными частицами, или уменьшилось количество зарядов на пылинках – за счет рекомбинации их с положительными ионами.

Потенциал положительно заряженной электросферы (ионосферы) относительно отрицательной Земли V = 300 кВ, плотность тока в «конденсаторе» Земля-ионосфера j ≈ 10-12 А/м2, полный ток «разрядки» I ≈ 1 кА, иначе, 103 кулон в сек. Предположим, что 3 % элементарных отрицательных электрических зарядов уходит на зарядку пылинок (аэрозолей) размером 0.1 мкм, причем на каждую частицу приходится заряд Z = 1000 e. Концентрация таких частиц в экранирующем солнечное излучение слое примем равным n = 106см-3. Толщина слоя h была принята равной 1 км. Подсчитаем необходимый для образования такого слоя на Земле заряд: Q = ZnhSe, где S - площадь поверхности Земли (5·1018 см2), е = 1.6·10-19 кулона, элементарный заряд. Отсюда величина Q = 1014 кулон. Для того чтобы «зарядить» током I = 30 А аэрозольный слой толщиной h = 1км, полностью экранирующий солнечное излучение, - необходимо время t = 3·1012 с или 105 лет. Таким образом, основной период колебаний климата в 100 тыс. лет может быть связан с накоплением аэрозолей в атмосфере до полного перекрытия ими солнечного излучения.
Заряженные частицы находящиеся на равноудаленных расстояниях представляют собой «пылевую кристаллическую плазму».

Явления возникновения «пылевой кристаллической плазмы» исследованы не только в лаборатории, но и в природе, в частности, в облаках.
Перламутровые облака - очень тонкие просвечивающие облака, которые возникают в стратосфере на интересующих нас высотах  20 км. Эти облака имеют радужную окраску вследствие дифракции света на частицах облаков - переохлажденных каплях или ледяных кристаллов. Вследствие редкости этого явления перламутровые облака мало изучены.
- Серебристые облака наблюдаются более ста лет. В литературе имеется огромное количество публикаций на эту тему. Физика их, также как перламутровых, до недавнего времени оставалась недостаточно ясной. Авторами [Scales, Ganguli; 2004] предложена модель образования серебристых облаков как структуры типа пылевого плазма-кристалла возникающего на высоте 80-90 км, образующегося на водных аэрозолях размером порядка 50 нм. Аэрокосмическое агентство в CARE (Charged Aerosol Release Experiment) готовит эксперимент по выбросу заряженного аэрозоля с геофизической ракеты Black Brant-XII. Предполагается выпустить облако с микрочастицами пыли. Под воздействием космического излучения микрочастицы приобретут электрический заряд и тем самым станут светиться, как серебристые облака.

Уравнение эволюции температуры поверхности Земли описывает два процесса, один из которых приводит к похолоданию – за счет увеличения альбедо Земли  и уменьшения солнечного тепла, попадающего на Землю, и второй, приводящий к увеличению прозрачности атмосферы, увеличению потока тепла и нагрева земной поверхности. Это уравнение можно записать следующим образом:
∂T/∂t = dTo/dt + ∂/∂h [F ∂Т/∂h - KТ],
где dTo/dt – вариация температуры Земли за счет изменения потока Солнечного излучения. Сюда могут входить как астрономические причины, так и вековые изменения светимости Солнца, h – высота атмосферы, F – коэффициент диффузии солнечного излучения (F ≈ λс, λ – длина пробега фотона в «мутной» среде, с – скорость света), К – параметр дрейфа, который в нашем случае имеет смысл скорости переноса аэрозоля (пыли) в стратосфере Земли.

Что ждет Землю: дальнейшее потепление, или начало похолодания?
Вариации концентрации стратосферного аэрозоля % и альбедо Земли (a) (Palle E., Goode P.R., Montanes-Rodriguez P., Koonin S.E. Can Earth’s albedo and surface temperature increase together? // Eos, 2006. V. 87, N 4, P. 37, 43), аномалии теплосодержания океана (b) (Головко В.А. Современный энергетический дисбаланс Земли: доказательства существования и возможные последствия // Конференция ИКИ. Москва. 2006).

ВЫВОДЫ
По нашей модели, климат фрактален и представляет собой фликкер-шум. Это означает, что климатическая система представляет собой открытую самоорганизующуюся структуру. Влияние на климат геомагнитного поля и космических лучей ситуацию не изменяет, т.к. эти параметры также являются фликкер-шумом.
Во время экскурсов и инверсий интенсивность геомагнитного поля падает, в результате чего увеличивается проникающий поток космических лучей, воздействующий на оптические свойства атмосферы.
Увеличение плотности потока галактических космических лучей в случае запыленной атмосферы вызывает очищение атмосферы за счет коагуляции аэрозольных частиц и последующего осаждения. Прозрачная атмосфера пропускает солнечную радиацию, что приводит к потеплению климата. Если экскурс начинается в условиях прозрачной атмосферы, которая наблюдается в настоящее время, тогда возросший поток космических лучей действует, как ионизующий агент, генерируя ядра конденсации с образованием аэрозолей, которые отражают солнечное излучение, приводя к похолоданию.