Влияние солнечной активности на ряд экологических параметров окружающей среды и климатические условия в пределах города Челябинска



Солнце является мощным источником различного рода излучений, которое называют космическим или солнечным ветром. В его состав входят: световое излучение видимой и невидимой частей спектра света, радиоизлучение различной длины волны, корпускулярное ионизирующее излучение и целый спектр частот электромагнитных волн от рентгеновского до гамма-лучей [2].

Электромагнитное и корпускулярная составляющая солнечного ветра, включающая протоны и электроны, распространяется со скоростью света и проникает через атмосферу Земли. Солнечная энергия, получаемая нашей планетой, определяет многие геофизические и биологические процессы, являясь источником энергии для обмена веществ живых организмов и причиной ряда климатических изменений на планете. Корпускулярная составляющая солнечного ветра, который также называют солнечной радиацией, достаточно невелика по сравнению с электромагнитным излучением, поступающим от солнца. Интенсивность этого излучения зависит от солнечной активности и выраженности защитного магнитного поля Земли. Солнечная активность имеет цикличность и периоды колебаний высокой и низкой активности Солнца составляют 11-летний цикл [3, 6, 9].

В периоды активности отмечается появление множества пятен на Солнце. Начиная с исследований Ричарда Кэррингтона, который в 1859 году наблюдал солнечную вспышку и произошедшую через несколько часов на Земле мощную геомагнитную бурю, сопоставления солнечной и геомагнитной активности привели к формированию в астрономии и геофизике точки зрения, что источниками геомагнитных бурь являются солнечные вспышки, которые представляют собой мощный выброс энергии в виде рентгеновского излучения. Эта точка зрения в неизменном виде сохранялась до 1980-х годов. Для оценки солнечной активности астрофизики используют расчётный показатель — число Вольфа. Он учитывает количество пятен на Солнце и наличие их групп, которые можно наблюдать посредством обычного оптического телескопа [5, 9].

С началом космической эры стали доступны наблюдения Солнца средствами внеземной астрономии и прямые измерения параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля. Это привело к открытию нового типа сильного солнечного возмущения — выбросов корональной массы (coronal mass ejection — CME), которая сопровождает период солнечной активности и определяется выбросом корпускулярного и электромагнитного излучений. Согласно современным взглядам, непосредственной причиной геомагнитных бурь являются возмущённые потоки солнечного ветра на орбите Земли, содержащие необходимую для генерации геомагнитной бури ориентацию межпланетного магнитного поля [7].

Наряду с периодами активности Солнца, приводящих к возмущению магнитного поля на Земле, часто наблюдаются умеренные магнитные бури, которые совпадают с периодами низкой солнечной активности и повторяются каждые 27 дней. Долгое время происхождение этих бурь было неясным, но сейчас получены доказательства существования корональных дыр. Это участки солнца, являющиеся источниками быстрого потока солнечного ветра, который взаимодействуя с его медленными потоками, вызывают изменения движения плазмы и межпланетного магнитного поля, которое приводит к формированию умеренной силы магнитной бури на Земле [3, 4].

Магнитное поле Земли является одним из средств защиты планеты от губительного воздействия космического излучения. Его существование обусловлено наличием подвижного жидкого ядра планеты и внешним слоем атмосферы — ионосферой, включающей ионизированные молекулы газообразных веществ. При этом поступающий к Земле поток электромагнитного излучения Солнца вызывает соответствующие возмущения в ионосфере и определяет движение ионизированных частиц из верхних слоёв атмосферы Земли к нижним, околоземным. Эти процессы могут влиять на радиационный фон на поверхности нашей планеты, что согласно исследованиям более выражено в полярных областях и менее выражено в её экваториальной части [5].

Ряд исследований высказывают гипотезы о влиянии изменений магнитного поля Земли на глобальные климатические изменения на ней. Широко известна концепция о том, что солнечная активность может вызвать повышенную ионизацию атомов атмосферы, что определяет образование облачности над поверхностью планеты и может привести к похолоданию, которое при длительном сохранении способно губительно воздействовать на биосферу. В тоже время высказывается мнение, что периоды низкой солнечной активности должны сопровождаться меньшей ионизацией атмосферы Земли, что позволяет снизить облачность, улучшить климатические условия, но в тоже время увеличивает плотность потока космического излучения, достигающего нижних слоёв атмосферы Земли. Это сопровождается ростом радиационного фона, повышением числа мутаций, которые могут приводить как к вымиранию видов, так и определять процессы эволюционного преобразования биосферы [1, 2, 4].

Как показывают данные литературы, в настоящее время существуют множество гипотез, объясняющих взаимосвязь и влияние солнечной активности и солнечного ветра на изменение магнитного поля Земли, радиационный фон и климатические условия на нашей планете, которые в свою очередь воздействуют на состояние её биосферы.

Цель исследования — изучить особенности солнечной активности и наличие её влияния на климатические условия, уровень радиационного фона и показатели магнитного поля Земли в городе Челябинске .

Материалы и методы исследования. Для решения поставленной цели в период с января 2017 года по август 2018, составивший 485 суток, был произведен анализ и сопоставление единовременных измерений показателей солнечной активности, магнитного поля Земли, радиационного фона и низкой атмосферной облачности в пределах центрального района города Челябинска.

Для оценки солнечной активности использовали открытые данные, размещённые на сайте лаборатории рентгеновской астрономии солнца, ФИАН. Среди ежедневно обновляемой информации сайта, получаемой с основного и резервного спутников серии GOES-15, оценивали динамику вспышечной активности солнца, по наличию рентгеновских вспышек класса А, В, С, М, Х, мощность которых отличается на порядок друг от друга и варьирует от 10 нВт/м ² (класс А) до 100 мкВт/м ² (класс Х) [7] (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид страницы сайта лаборатории рентгеновской астрономии солнца с результатами о его вспышечной активности

Так как было выявлено, что активность Солнца имеет прямую взаимосвязь с наличием пятен на его поверхности, использовали размещённые на странице вышеуказанного сайта фотографии его фотосферы и данные о пятнах и фолликулах (активных зонах) на его поверхности, полученные в оптическом диапазоне инструментом HNI на борту спутника SDO (рис. 2).

Рис. 2. Внешний вид страницы сайта лаборатории рентгеновской астрономии солнца с изображением фотосферы Солнца с пятнами

Для количественного выражения числа пятен на солнце использовали число Вольфа, которое рассчитывали по формуле: W=1,6 (10g+f), где g — число групп пятен, f — общее число пятен [2, 3].

Для оценки отклонений магнитного поля Земли при магнитных бурях использовали ряд индексов: К, Кр, G. К-индекс характеризует отклонение магнитного поля Земли в течение трёхчасового интервала мирового времени, 9 уровней которого составляют диапазон от 0–5 нТл (К1) до >550 нТл (К9). Кр индекс — трёхчасовой планетарный индекс геомагнитной активности, который был введён в Германии и основан на вычислении среднего значениях уровня геомагнитной активности, полученных в 16 геомагнитных обсерваториях, расположенных между 44 и 60 градусами северной и южной широты. G-индекс характеризует 5 уровней интенсивности (G0-G5) геомагнитного шторма по воздействию вариаций магнитного поля Земли на людей, животных, электротехнику, связь, навигацию. В соответствии с этими индексами выделяют 6 вариантов качественного состояния магнитного поля: G0 (без шторма — 0–70 нТл), G1 (слабый шторм — 70–120 нТл), G2 (средний шторм — 120–200 нТл), G3 (сильный шторм — 200–330 нТл), G4 (очень сильный шторм — 330–550 нТл), G5 (чрезмерно сильный шторм ->550 нТл) [6] (рис. 3).

Рис. 3. Внешний вид страницы сайта лаборатории рентгеновской астрономии солнца с результатами прогноза динамики магнитных бурь на Земле

Оценку радиационного фона в одной и той же географической точке города Челябинска (городской парк им А. С. Пушкина) оценивали по изменению уровня мощности эквивалентной (мкЗв/ч) и экспозиционной (мкР\ч) дозы, которые измеряли с помощью индикатора радиоактивности РАДЭКС РД1503 (рис. 4).

Рис. 4. Внешний вид индикатора радиоактивности РАДЭКС РД1503

В соответствии с современными нормами радиации в естественной среде безопасный уровень мощности экспозиционной дозы составляет 10–11 мкР/ч, а эквивалентной дозы — до 0,15 мкЗв/ч. Опасным для здоровья считают уровни этих доз для детей и взрослых выше 30 мкР/ч и 0,4–0,6 мкЗв/ч [1].

Измерение пространственных составляющих напряжённости электромагнитного поля регистрировали с помощью геофизического трёхкомпонентного магнитометра (ООО «НТЦ Спектр») В ходе измерений получали показатели напряжённости магнитного поля (Е=А\м или Э) и индукции магнитного поля Земли (В=мкТл или Гс), полученные также в одной и той же точке города (городской парк) (рис. 5).

Рис. 5. Внешний вид магнитометра геофизического до начала и в процессе работы

При получении данных показателей учитывали средние значения показателей, приведённые в литературе, которые соответствуют уровню напряжённости магнитного поля Земли в пределах Е=27–66 А/м (Еср=40-А/м) и уровню индукции магнитного поля, равного В=25–65 мкТл (0,25–0,65 Гс) (Вср=40–45 мкТл (0,4 Гс)) [8].

В ходе исследований также производили одновременное сопоставление указанных параметров солнечной активности, уровня радиации и показателей магнитного поля с наличием и выраженностью низкой атмосферной облачности. Для удобства и количественного выражения облачности и особенностей погодных условий использовали оригинальную 5-вариантную шкалу: 0- ясно, 1-одиночные мелкие облака, 2-множество мелких облаков, 3-крупные, сливающиеся или неоднородные тучи (кратковременный дождь, снег), 4-равномерные облачность (затяжной дождь, снег), 5- сплошной грозовой (снежный) фронт (рис. 6).

Рис. 6. Визуальная шкала бальной оценки метеорологических условий

При анализе данных использовали методы описательной статистики.

Результаты исследований. При многостороннем анализе полученных данных была выявлена взаимосвязь между определёнными значениями диапазона числа Вольфа и другими показателями солнечной активности, степенью облачности, показателями радиационного фона и магнитного поля Земли.

При обработке все наблюдения были разделены на 6 групп, в которых число Вольфа отличалось на 25 и соответствовало следующим диапазонам: W ₁ =0, W ₂ =1–25, W ₃ =26–50, W ₄ =51–75, W ₅ =76–100, W ₆ >100.

Результаты исследований показали, что за 485 дней наблюдений в 38 % (n=186) суток пятен на Солнце не было (W=0), в 39 % (n=190) дней наблюдения средний уровень числа Вольфа составил W=15,31, в 16 % (n=77) дней данный показатель был W=34,14, а в остальных 6,5 % (n=32) суток число Вольфа находилось в диапазоне W=51–120, и в среднем составило W=87,8. Таким образом, 77 % времени наблюдения в течение 2017–18 годов на Солнце наблюдалось не более 1 группы из 2–5 пятен или они отсутствовали. В остальной промежуток времени наблюдений на Солнце отмечали две и более групп пятен с их различным числом. Результаты сопоставления числа Вольфа с другими показателями солнечной активности и степенью низкой атмосферной облачности приведены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты сопоставления числа Вольфа с рядом показателей солнечной активности и низкой атмосферной облачностью

Пятна на Солнце число Вольфа ( W )			Фолликулы на Солнце		Геомагнитные индексы		Средняя мощность рентгеновских вспышек		Облачность (у.е)
диапазон	среднее	частота %	среднее число	частота %	Кр (нТл)	G (0–5)	нТл	мкВт/м 2
0 (n=186)	0	38,3	0,37	39 %	17	0,101	10 -7,4	0,5	1,84
1–25 (n=190)	15,31	39,2	0,28	25 %	18	0,103	10– 7,1	1,0	2,28
26–50 (n=77)	34,14	15,9	0,21	19 %	27	0,213	10– 6,6	6,0	3,2
51–75 (n=21)	62,95	4,3	0,19	17 %	34	0,253	10– 6,3	7,3	3,33
76–100 (n=8)	88,75	1,6	0,13	13 %	47	0,375	10– 5,6	60,0	3,38
>100 (n=3)	111,7	0,6	0	0	49	1,33	10– 4,8	120,0	4,33

Примечание: облачность: 0- ясно, 1-одиночные мелкие облака, 2-множество мелких облаков, 3- крупные, неоднородные тучи (кратковременный дождь, снег), 4-равномерные облачность (затяжной дождь, снег), 5- сплошной грозовой (снежный) фронт).

Наряду с пятнами, на поверхности Солнца при наблюдениях с орбиты Земли выявляется появление и исчезновение участков повышенной светимости, которые называют солнечными фолликулами. Результаты проведённых наблюдений и анализа данных выявили наличие ранее не описанной прямой взаимосвязи между числом Вольфа и количеством этих флоккул. Так, максимальная частота (39 %) и среднее количество флоккул (0,37) была отмечена при отсутствии пятен на Солнце. Чуть меньшее число флоккул (0,28) и частота их появления (25 %) была отмечена при W<25. При числе Вольфа от W=50 до W=100, среднее количество пятен составило 0,21–0,13, а частота их встречаемости была 19–13 %. А при W>100 появление флоккул на поверхности Солнца за период наблюдений не наблюдали. Данные говорят о том, что чем выше становиться число Вольфа, тем меньше солнечных флоккул. И наоборот, чем меньше пятен на поверхности Солнца, тем большее число флоккул на его поверхности.

При сопоставлении числа Вольфа (W) с показателем индекса геомагнитной активности (Кр), уровнем интенсивности геомагнитного шторма (G) и средней мощностью рентгеновских вспышек на Солнце, были обнаружены уже известные тенденции и закономерности роста этих показателей с увеличением числа Вольфа [3].

В ходе наблюдений за проявлениями низкой облачности и соответствующими погодными условиями было обнаружено, что при числе Вольфа менее W=25 отмечали низкий показатель облачности с преимущественно ясной погодой или кратковременной переменной облачностью. При W=26–100 большинство дней наблюдения сопровождалось пасмурной погодой с различной степенью сплошной низкой атмосферной облачности с умеренными осадками в виде дождя и снега. При W>100 наблюдали плотную облачность и осадки в виде гроз, затяжных ливней и обильных снегопадов. Таким образом, высказанная некоторыми авторами гипотеза о наличие взаимосвязи уровня солнечной активности с низкой атмосферной облачностью Земли [2] за счёт изменения ионизации её верхних слоев находит подтверждение в результатах наших наблюдений.

В ходе работы были получены результаты динамики показателей радиационного фона и уровня напряжённости и индукции магнитного поля Земли (табл. 2).

Таблица 2

Динамика показателей солнечной активности, радиационного фона и магнитного поля Земли

Число Вольфа ( W )		Индекс Кр	Средняя мощность радиоактивных вспышек на Солнце	Радиационный фон		Показатели магнитного поля Земли
диапазон	среднее	нТл	мкВт/м 2	мкЗв/ч	мкР/ч	Е (А/м)	В (мкТл)
0 (n=186)	0	17	0,5	0,13	13,97	28,7	35,88
1–25 (n=190)	15,31	18	1,0	0,141	14,12	27,74	34,68
26–50 (n=77)	34,14	27	6,0	0,143	14,67	27,43	34,29
51–75 (n=21)	62,95	34	7,3	0,144	14,69	27,21	34,14
76–100 (n=8)	88,75	47	60,0	0,17	17,5	26,92	33,59
>100 (n=3)	111,7	49	120,0	0,19	21,7	24,32	31,26

Примечание: Е — напряжённость магнитного поля, В — индукция магнитного поля.

Результаты исследований показателей магнитного поля Земли имели тенденцию к постепенному снижению уровня напряжённости (Е) и индукции (В) магнитного поля по мере роста показателей уровня солнечной активности. Так, при W=0 показатели магнитного поля составили Е=28,7 А/м, В=35,9 мкТл, а при W>100 они уменьшились до Е=24,3 А/м и В=31,3 мкТл.

Широко известно, что магнитосфера Земли призвана не допускать проникновение к Земле потоков заряженных космических частиц, поступающих с солнечным ветром. В то же время состояние ионосферы нашей планеты меняется в зависимости от выраженности потока зараженных частиц и в ряде случаев она способна потерять часть своих защитных свойств за счёт снижения напряжённости геомагнитного поля. В этих условиях заряженные частицы, поступающие к Земле от Солнца, могут проникать в более глубокие слои атмосферы и изменяя степень её ионизации и показатели радиационного фона. Наиболее «слабыми» местами геомагнитного поля являются полярные области Земли и здесь изменение магнитного поля под действием солнечного ветра более заметно. Ближе к экватору территории менее подвержены изменениям геомагнитного поля и лучше защищены от воздействия солнечного ветра [2, 3].

Как показали результаты проведённых наблюдений, показатели радиационного фона в городском парке Челябинска были близкими к норме и не имели существенных различий при значении числа Вольфа от 0 до 75. При этом уровень эквивалентной дозы составил 0,13–0,144 мкЗв/ч, а уровень экспозиционной дозы был 13,97–14,7 мкР/ч. В тоже время при росте показателей солнечной активности и числа Вольфа уровень радиационного фона также возрастал. Так, при W=76–100 средние показатели радиации составили 0,17 мкЗв/ч и 17,5 мкР/ч, а при W>100 они были 0,19 мкзВ/ч и 21,7 мкР/ч. Полученные результаты совпадают с описанными в литературе данными о тенденции повышению уровня радиационного фона при росте показателей активности Солнца.

Заключение. При исследовании активности Солнца в 2017–18 году в 77 % дней наблюдения на его поверхности отмечали не более 1 группы, состоящей из 2–5 пятен. Анализ данных фотосферы обнаружил наличие роста частоты встречаемости и числа солнечных флоккул на поверхности Солнца при снижении числа Вольфа, соответствующее снижение числа солнечных флоккул при возрастании числа и групп пятен на Солнце и их отсутствие при числе Вольфа W>100. В свою очередь рост числа Вольфа сопровождался характерным увеличением показателей индекса геомагнитной активности (Кр), уровнем интенсивности геомагнитного шторма (G) и мощности рентгеновских вспышек на Солнце.

При росте числа Вольфа выше W=25 отмечали всё более нарастающую низкую облачность и повышенный уровень осадков за счёт изменения ионизации её верхних слоев под действием солнечного ветра, что определяло снижение температуры воздуха и усиление ветра. В отличие от этого, наблюдаемый на поверхности Солнца рост числа флоккул и снижение числа пятен и их групп (W<25), чаще сопровождали: ясная безоблачная погода или лёгкая облачность без осадков. При этом, как правило, отмечали рост температуры воздуха и снижение скорости ветра или безветренную погоду.

Выявленная взаимосвязь метеорологических особенностей и солнечной активности позволяют определить наличие геомагнитных бурь по внешним погодным условиям без дополнительной оценки параметров солнечной активности и использовать эти данные для профилактики травматизма, для предупреждения обострения заболеваний и развития острых стресс-реакций у «метеочувствительных» людей. Эти знания можно использовать в различных разделах профилактической и клинической медицины.

При исследовании радиационного фона и показателей магнитного поля на территории городского парка города Челябинска, было выявлено, что рост солнечной активности сопровождался снижением напряжённости и индукции магнитного поля с соответствующим ростом экспозиционной и эквивалентной доз радиации, что подчёркивает наличие влияния на экологическую обстановку в городе не только природных, техногенных или антропогенных факторов, но и состояния и степени активности Солнца. При этом наиболее значимым для экологии современного промышленного города является рост солнечной активности и числа Вольфа свыше W=75–100, при которых уровень радиационного фона в городе превышает норму в 1,4–1,8 раза, что следует учитывать как дополнительный неблагоприятный фактор воздействия на людей, занятых на вредных производствах, а также в отношении наиболее чувствительных к воздействию радиации детей и подростков.

Литература:

1. Бадрутдинов О. Р., Тюменев Р. С. Радиационная безопасность и дозиметрия — Казань: Издательство КГУ, 2009. — 44 с.
2. Гулиа Н. В. Удивительная физика — М.: ЭНАС — КНИГА, 2014. — 416 с.
3. Ермолаев Ю. И., Ермолаев М. Ю. Зависит ли сила геомагнитной бури от класса солнечной вспышки? // Космические исследования. — 2009. — Т. 47, № 6. — С. 495–500.
4. Короновский Н. В. Магнитное поле геологического прошлого Земли. // Соросовский образовательный журнал, № 5, 1996, с. 56–63
5. Обридко В. Н., Рагульская М. В., Хабарова О. В. и др. Реакция человеческого организма на факторы, связанные с изменениями солнечной активности // Биофизика. — М.: Наука, 2001. — Т. 46, № 5. — С. 940–945.
6. Петрукович А. А. Предсказуема ли космическая погода? // Новости Космонавтики. — 2005. — № 3. — С 12–14.
7. Сайт лаборатории рентгеновской астрономии солнца, ФИАН — http://www.tesis.lebedev.ru
8. СанПиН 2.1.2.2801–10 «Изменения и дополнения № 1 к СанПиН 2.1.2.2645–10 «Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях»
9. Чижевский А. Л. Космический пульс жизни. — М.: Мысль. 1994. — 243 с.