1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Геомагнетизм и аэрономия
  4. T. 60, № 3, 2020

Геомагнетизм и аэрономия, 2020, T. 60, № 3, стр. 404-408

Возможный вклад гравитационного влияния Юпитера и Сатурна в 60-летнюю вариацию глобальной температуры

М. Г. Огурцов 1, 2, *

1 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе
г. Санкт-Петербург, Россия

2 Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН
г. Санкт-Петербург, Россия

* E-mail: maxim.ogurtsov@mail.ioffe.ru

Поступила в редакцию 15.02.2019
После доработки 21.10.2019
Принята к публикации 23.01.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Рассмотрена возможная связь между 60-летней вариацией глобальной температуры с амплитудой 0.35°С и соответствующим циклом в расположении Юпитера и Сатурна. Показано, что гравитационное возмущение земной орбиты Юпитером и Сатурном способно дать вариацию глобальной температуры лишь в 0.012°C. Показано, что модуляция потока космической пыли, поступающего в атмосферу Земли, гравитационным полем Юпитера и Сатурна является более перспективным механизмом передачи влияния гигантских планет на земной климат. Для того, чтобы глобальная температура испытала вариацию с амплитудой 0.3°C, Юпитер и Сатурн должны обеспечить вариацию потока внеземного вещества в земной атмосфере с амплитудой 16%. Выяснение вопроса о том, способны ли эти две планеты обеспечить такую вариацию, представляет значительный интерес для климатологии.

1. ВВЕДЕНИЕ

Недавно в работах [Scafetta, 2010, 2012] была отмечена возможная связь между 60-летней вариацией глобальной температуры и соответствующим циклом в расположении планет Юпитер и Сатурн. Scafetta обратил внимание на то, что положение Юпитера и Сатурна в Cолнечной системе повторяется каждые 60 лет, и предположил, что этот гравитационный цикл способен влиять на климат Земли. Однако какой-либо физический механизм подобного влияния предложен не был.

С другой стороны, в последнее время появились исследования возможного влияния на климат Земли потоков внеземного вещества, поступающего в атмосферу. Ermakov et al. [2009] предположили, что пыль и аэрозольные частицы космического происхождения способны служить ядрами конденсации (ЯК) и, следовательно, влиять на облачный покров Земли. Различные аспекты возможного влияния космической пыли на климат Земли были рассмотрены в работе [Огурцов и Распопов, 2011]. В работе [Zecca and Chiari, 2009] было показано, что потоки космической пыли, связанной с кометой Галлея, способны охлаждать Землю на 0.08°С. Это позволяет предположить, что Юпитер и Сатурн, воздействуя своими гравитационным полями на поток частиц в гелиосфере, способны повлиять и на 60-летнюю вариацию климата Земли. В данной работе рассмотрена эта возможность наряду с двумя другими возможным эффектами – приливным воздействием и изменением расстояния между Землей и Солнцем под действием гравитации двух планет-гигантов.

2. 60-ЛЕТНЯЯ ВАРИАЦИЯ ГЛОБАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ

На рисунке 1 показана глобальная среднегодовая аномалия температуры (отклонения от среднего за 1961–1990 гг.) (а), измеренная термометрами глобальная температура после удаления линейного тренда (б) и ее Фурье-спектр (в). Ясно видно, что мощная 60-летняя вариация присутствует в глобальной температуре. Ее амплитуда близка к 0.35°С. Эта вариация имеет максимумы в 70-е гг. ХIX века, 30‒40-e гг. XX и в начале ХХI века. Минимумы этой вариации приходятся на начало ХIX века и 60‒70-e гг. XX века. Можно отметить, что 60-летняя периодичность значительно сильнее, чем 21-летняя. Отметим, что если бы обе вариации являлись результатом приливного воздействия планет, то 21-летняя вариация (связанная с 18.3-летним солнечно-лунным циклом) должна быть значительно сильнее. Действительно, сила притяжения Юпитера слабее лунной на ~6 порядков. Поэтому вряд ли обе периодичности как-либо связаны с приливным воздействием планет на атмосферу Земли. Однако две гигантские планеты способны своим тяготением возмущать вращение Земли вокруг Солнца и изменять расстояние между Землей и Солнцем. Рассмотрим этот эффект.

3. ГРАВИТАЦИОННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ЮПИТЕРА И САТУРНА

Помимо приливного воздействия, планеты способны своим тяготением возмущать движение Земли по орбите и изменять расстояние между Солнцем и Землей [Иванов, 2002], что, в свою очередь, приводит к изменению потока солнечного света, приходящего на Землю. Иванов [2002] утверждал, что в рамках этого механизма гравитация Венеры способна привести к вариации глобальной температуры в 0.3°C.

Гравитационное влияние планеты i на расстояние между Солнцем и Землей можно оценить, добавляя соответствующее возмущение в уравнение, описывающее вращение Земли вокруг Солнца.

(1)
${{m}_{E}}{{w}^{2}}R(\delta {{F}_{i}}) = \frac{{G{{m}_{E}}{{M}_{ \otimes }}}}{{R{{{(\delta {{F}_{i}})}}^{2}}}} + \delta {{F}_{i}},$
где mE = 6.0 × 1027 г – масса Земли; $w = \frac{{2\pi }}{T}$ = 2 × × 10–7 с–1 – угловая скорость вращения Земли вокруг Солнца; $T$ = 3.15 × 107 с – период обращения Земли вокруг Солнца; R(δFi) – расстояние между Землей и Солнцем, с учетом гравитационного возмущения; δFi – гравитационное возмущение, вносимое планетой i; $G$ = 6.7 × 10–8 – гравитационная постоянная; ${{M}_{ \oplus }}$ = 2.0 × 1033 г – масса Солнца.

Теперь оценим гравитационное возмущение, вносимое Юпитером и Сатурном. Оно достигает максимума, когда обе планеты находятся на одной линии с Землей. В этот момент имеем

(2)
$\delta {{F}_{V}} = \frac{{G{{m}_{E}}{{m}_{J}}}}{{r_{{EJ}}^{2}}} + \frac{{G{{m}_{E}}{{m}_{S}}}}{{r_{{ES}}^{2}}},$
где rEJ – расстояние между Землей и Юпитером; mJ = 1.9 × 1030 г – масса Юпитера; rES – расстояние между Землей и Сатурном; mS = 5.6 × 1029 г – масса Сатурна.

Для оценки были взяты минимальные значения rEJ = 5.9 × 1013 см, rES = 1.2 × 1014 см. В этом случае уравнение (1) примет вид

(3)
${{w}^{2}}R{{(\delta {{F}_{V}})}^{3}} - GR{{(\delta {{F}_{V}})}^{2}}\left( {\frac{{{{m}_{J}}}}{{r_{{EJ}}^{2}}} + \frac{{{{m}_{S}}}}{{r_{{ES}}^{2}}}} \right) - G{{M}_{ \otimes }} = 0.$
Решив уравнение (3) численно, получаем
(4)
$\frac{{R(0)}}{{R(\delta {{F}_{V}})}} = 1.000022.$
С учетом (4) окончательно получим $\delta {{R}_{V}} = R(0)$ – – $R(\delta {{F}_{V}})$ ≈ 3.3 × 103, в км.

Таким образом, совместное гравитационное воздействие двух планет-гигантов способно изменить расстояние Земля–Солнце лишь на 3300 км. Эта вариация, в свою очередь, вызывает изменение потока электромагнитной энергии, достигающего Земли на величину, выраженную в Вт м–2:

(5)
$\delta {{I}_{E}} = {{S}_{0}}\frac{{2\delta {{R}_{V}}}}{{R(0)}} = 0.06,$
где S0 = 1370 Вт м–2 – полная солнечная радиация. Соответствующий радиационный форсинг (возмущение, вносимое данным фактором в радиационный баланс атмосферы) составляет 0.01 Вт м–2. Если взять максимальную климатическую чувствительность λc = 1.20°C Вт–1 м2, принятую IPCC [2013], (увеличение температуры на 4.5°C при удвоении концентрации CO2 в атмосфере Земли), то получим, что вариация орбиты Земли, вызванная Юпитером и Сатурном, способна вызвать вариацию глобальной температуры до 0.012°C. Что касается Венеры, то производимое ею возмущение оказывается еще меньшим. Действительно, поскольку наименьшее расстояние между Венерой и Землей (rEV = 3.8 × 1012 см) в 15.5 раз меньше, чем минимальное расстояние между Юпитером и Землей, а масса Венеры (mv = 3.8 × 1027 см) в 390 раз меньше массы Юпитера, гравитационное возмущение, вносимое Венерой, получается почти вдвое меньшим, чем возмущение, вносимое Юпитером. Очевидно, что гравитационные возмущения, производимые другими планетами Cолнечной системы, будут еще более слабыми.

4. ВОЗМОЖНЫЙ МЕХАНИЗМ ВЛИЯНИЯ ВНЕЗЕМНОГО ВЕЩЕСТВА НА КЛИМАТ

4.1. Космическая пыль в атмосфере Земли

В земную атмосферу непрерывно поступает значительное количество твердых космических тел – микрометеороидов (размер 25–1000 мкм) и метеороидов (размер от тысячи мкм до нескольких метров). Основной источник этих объектов – продукты разрушения кометных ядер и дробления астероидов. В результате атмосфера Земли непрерывно подвергается влиянию потоков внеземного вещества. Различные оценки приходящего на Землю космического вещества перечислены в таблице. Из таблицы следует, что в оценках потоков космического вещества есть неопределенность, достигающая, по крайней мере, фактора 10.

На высоте 80–130 км космические тела, поступающие в атмосферу Земли, разрушаются и испаряются. Ряд исследователей [Rosinski and Snow, 1961; Hunten et al., 1980; Plane, 2012] предположили, что испарившийся метеорный материал в верхней атмосфере вновь конденсируется, вследствие чего образуются частицы размером в несколько нанометров и возникает метеорная дымка. Частицы с размерами 2–5 нм (0.002–0.005 мкм) действительно были обнаружены на высотах 70–90 км [Rapp et al., 2007]. Оценки массы вещества, поступающего в атмосферу Земли в виде метеорного пара, также сильно различаются. В работе [Kane and Gardner, 1993] была получена оценка в 2.0 кт/г, а в работе [Lal and Jull, 2002] – 30 кт/г. Использовав эту максимальную оценку, Огурцов и Распопов [2011] оценили полную массу внеземного вещества в атмосфере Земли в 4.5 мегатонн (4.5 × 1012 г). Это вещество может влиять на климат двумя способами: а) прямым образом – рассеянием и поглощением падающего на атмосферу света; б) косвенным образом – изменением концентрации ядер конденсации в атмосфере [Ermakov et al., 2009].

Огурцов и Распопов [2011] показали, что радиационный форсинг, связанный с поглощением света внеземным веществом, составляет всего 4.6 × 10–3 Вт м–2. Однако косвенное влияние может оказаться значительным.

Рис. 1.

(а) – наблюдаемые изменения глобальной среднегодовой температуры Земли (http://www.cru.uea.ac.uk/ cru/info/warming), жирная линия – линейный тренд; (б) – глобальная температура после удаления линейного тренда, жирная линия – среднее по 11 годам; (в) – спектр Фурье температуры после удаления тренда. Пунктирной линией показан уровень доверия 0.95, рассчитанный для красного шума с коэффициентом авторегрессии АR(1), равным 0.7. Цифрами показаны периоды вариаций.

4.2. Метеорная дымка и атмосферные процессы

Огурцов и Распопов [2011] показали, что полное количество ЯК в тропосферной колонке площадью 1 см2 равно (1.2–1.6) × 109. В то же время количество частиц космического происхождения может достичь 2.3 × 108. Эффективный радиус этих частиц 5–10 нм, т.е. часть из них может служить ядрами конденсации. Таким образом, согласно Огурцову и Распопову [2011], 15–20% ЯК, плавающих в тропосфере, имеют космическую природу. Однако, экспериментальные оценки, полученные в работе Froyd et al. [2009], показали, что в конвективной области (4–12 км) не более 5% аэрозольных частиц имеют метеорное происхождение (см. рис. 4 из работы Froyd et al. [2009]). С другой стороны, в работе Murphy [2001] отмечено, что перенос стратосферного аэрозоля в тропосферу забрасывает метеорную материю преимущественно на средние широты. В нижней стратосфере (высоты < 16.5 км) частицы космического происхождения могут составлять до 50% ЯК согласно теоретическим оценкам [Огурцов и Распопов, 2011] и до 35% согласно измерениям Froyd et al. [2009]. Если мы предположим, что 5–20% ЯК в тропосфере имеют космическую природу, то можно оценить соответствующее количество облачных капель, сконденсировавшихся на этих ЯК:

(6)
${{N}_{d}} = N_{a}^{\alpha },$
где Nd – число облачных капель; Na – число аэрозольных частиц, которые могут служить ЯК; α = = 0.06–0.7 [Feingold et al., 2003].

При помощи формулы (6) мы получаем, что 3–14% облачных капель связаны с внеземными частицами. Если мы будем считать площадь облака пропорциональной $\sqrt {{{N}_{d}}} ,$ получим, что 6.5% облачного покрова может быть связано с космическими частицами. Тогда изменение в потоке космической пыли в 16% приведет к изменению в площади облаков в 1%. Так как полный радиационный форсинг, связанный с облачностью, равен 27.7 Вт м–2, то такое изменение площади облаков вызовет радиационный форсинг ΔF = 27.7 × 0.01 = = 0.277 Вт м–2.

Если возьмем оценки климатической чувствительности, принятые IPCC [2013], – λc = 0.40–1.20°C Вт–1 м2 (рост температуры на 1.5–4.5°С при удвоении концентрации СО2), то получим, что этот форсинг может привести к росту глобальной температуры на 0.11–0.33°C. Таким образом, если Юпитер и Сатурн своим тяготением вызывают изменение в потоке космической пыли на 16%, то соответствующее изменение глобальной температуры может достичь 0.3°С. Таким образом, выяснение вопроса о том, способны ли эти две планеты обеспечить такую вариацию, представляет значительный интерес для климатологии. Можно отметить, что значительные (в три раза) временны́е вариации были зафиксированы в потоке межзвездной пыли [Landgraf et al., 2003; Kasatkina et al., 2007], которая является составной частью пыли космической.

5. ОБСУЖДЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Показано, что космическая межпланетная пыль может служить агентом, переносящим влияние Юпитера и Сатурна на земной климат. Изменения облачного покрова, связанные с изменением количества ядер конденсации внеземного происхождения, могут влиять на глобальную температуру Земли. Связь между внеземным веществом и метеорологическими процессами отмечена в ряде работ. В работе [Voigt et al., 2005] исследовались полярные стратосферные облака и была отмечена значительная роль метеорных частиц в их формировании. Метеорные частицы также способствуют образованию серебристых облаков [Rapp and Thomas, 2006; Plain, 2012]. Свидетельства влияния метеорной пыли на атмосферные осадки были приведены в работах [Яковлев, 1991; Granitsky and Borisevich, 2000]. Для того, чтобы обеспечить 60-летнюю вариацию с амплитудой 0.30°С, близкой к реально наблюдаемой, соответствующая вариация потока космической пыли должна быть не менее 16%. Однако трудно оценить, способны ли Юпитер и Сатурн обеспечить такую вариацию, так как распределение космической пыли в Солнечной системе точно не известно. В работе Sykes et al. [2004] отмечено, что источник и динамика зодиакального пылевого облака далее 5 а.е. известны весьма приблизительно. Экспериментальные измерения космической пыли между Юпитером и Сатурном, проведенные детекторами космических аппаратов Pioneer и Cassini, дали различные результаты [Altobelli et al., 2007]. Недостаток нашего знания приводит к значительному разбросу в оценках массы космической пыли, поступающей в атмосферу Земли, достигающему как минимум фактора 10 (см. табл. 1). Выяснение амплитуды и временнóго хода потока внеземного вещества в атмосфере Земли необходимо для ответа на вопрос о гравитационном влиянии на климат. Очевидно, что космическая пыль, присутствующая в атмосфере Земли, заслуживает дальнейшего изучения, как потенциальный климатообразующий фактор.

Таблица 1.  

Оценки потоков внеземного вещества, поступающего в атмосферу Земли

Авторы Метод оценки Глобальное поступление вещества, килотонн/год
Yiou et al. [1991] Исследование концентрации космических сферул в антарктическом льду 1.5 (r > 50 мкм)
Mathews et al. [2001] Радарные наблюдения 1.8 ± 0.7
Kane and Gardner [1993] Лидарные наблюдения 2.0 ± 0.6
Maurett et al. [1987] Исследование частиц пыли в гренландском льду 5 (r > 50 мкм)
Rasmussen et al. [1995] Исследование концентрации иридия в гренландском льду 10 ± 2
Dohnanyi [1972] Модельные расчеты 20
Love and Brownlee [1993] Анализ микрократеров на поверхности мишени, установленной на спутнике 40 ± 20
Nesvorny et al. [2010] Наблюдения и моделирование зодиакального пылевого облака 98.5

Список литературы

  1. – Иванов В.В. Периодические колебания погоды и климата // УФН. Т. 172. С. 777–811. 2002.

  2. – Огурцов М.Г., Распопов О.М. О возможном влиянии на климат Земли потоков межпланетной и межзвездной пыли // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 51. № 2. С. 278–286. 2011.

  3. – Яковлев Б.А. Атмосферные осадки в связи с метеорными потоками и кометами // Изв. Всесоюзн. Геогр. Общ. Вып. 5. С. 419–424. 1991.

  4. – Altobelli N., Dikarev V., Kempf S., et al. Cassini cosmic dust analyzer in situ dust measurements between Jupiter and Saturn // J. Geophys. Res. V. 112. A07105. 2007.https://doi.org/10.1029/2006JA011978

  5. – Dohnanyi J.S. Interplanetary objects in review: Statistics of their masses and dynamics // Icarus. V. 17. P. 1‒48. 1972.

  6. – Ermakov V.I., Okhlopkov V.P., Stozhkov Yu.I. Influence of cosmic rays and cosmic dust on the atmosphere and Earth’s climate // Bull. Rus. Acad. Sci.: Physics. V. 73. P. 416–418. 2009.

  7. – Hunten D.M., Turco R.P., Toon O.B. Smoke and dust particles of meteoric origin in the mesosphere and stratosphere // J. Atmos. Sci. V. 37. P. 1342–1357. 1980.

  8. – Feingold G., Eberhard W.L., Veron D.E., Previdi M. First measurements of the Twomey indirect effect using ground-based remote sensors // Geophys. Res. Lett. V. 30. № 6. P. 1287–1299. 2003. https://doi.org/10.1029/2002GL016633

  9. – Froyd K.D., Murphy D.M., Sanford T.J. et al. Aerosol composition of the tropical upper troposphere // Atmos. Chem. Phys. V. 9. P. 4363–4385. 2009.

  10. – Granitsky L.V., Borisevich A.N. Research of influence of the meteoric stream on the weather condition: preliminary consideration / Proc. SPIE, the International Society for Optical Engineering. V. 4341. P. 563–570. 2000.

  11. – IPCC, Summary for Policymakers. Climate Change 2013: The physical science basis. Contribution of working group I to the fifth assessment report of the intergovernmental panel on climate change. Eds. Stocker T.F., Qin D., Plattner G.-K. Cambridge, United Kingdom and New York: Cambridge University Press. 1535 p. 2013.

  12. – Kane T.J., Gardner C.S. Lidar observations of the meteoric deposition of mesospheric metals // Science. V. 259. P. 1297–1300. 1993.

  13. – Kasatkina E.A., Shumilov O.I., Lukina N.V. Stardust component in tree rings // Dendrochronologia. V. 24. P. 131–135. 2007.

  14. – Lal D., Jull A.J.T. Atmospheric cosmic dust fluxes in the size range 10–4 to 10 centimeters // Astrophys. J. V. 576. P. 1090–1097. 2002.

  15. – Landgraf M., Kruger H., Altobelli N., Grun E. Penetration of the heliosphere by the interstellar dust stream during solar maximum // J. Geophys. Res. V. 108. № A10. P. 8030–8043. 2003. doi 10.10292003JA009872

  16. – Love S.G., Brownlee D.E. A direct measurement of the terrestrial mass accretion rate of cosmic dust // Science. V. 262. P. 550–553. 1993.

  17. – Marsh N., Svensmark H. Cosmic rays, clouds and climate // Space Sci. Rev. V. 94. № 1–2. P. 215–230. 2000.

  18. – Mathews J.D., Janches D., Meise D.D., Zhou Q.-H. The micrometeoroid mass flux into the upper atmosphere: Arecibo results and a comparison with prior estimates // Geophys. Res. Lett. V. 28. P. 1929‒1932. 2001.

  19. – Maurette M., Jehanno C., Robin E., Hammer C.U. Characteristics and mass distribution of extraterrestrial dust from the Greenland ice cap // Nature. V. 328. P. 699–702. 1987.

  20. – Murphy D.M. Extraterrestrial material and stratospheric aerosols. Accretion of extraterrestrial matter throughout Earth’s history. P. 129–142. 2001.

  21. – Nesvorný D.P., Jenniskens H.F., Levison W.F. et al. Cometary origin of the zodiacal cloud and carbonaceous micrometeorites: Implications for hot debris disks // Astrophys. J. V. 713. № 2. P. 816–836. 2010.

  22. – Plane J.M.C. Cosmic dust in the earth’s atmosphere // Chem. Soc. Rev. V. 41. P. 6507–6518. 2012.

  23. – Rapp M., Strelnikova I., Gumbel J. Meteoric smoke particles: Evidence from rocket and radar techniques // Adv. Space Res. V. 40. P. 809–817. 2007.

  24. – Rapp M., Thomas G.E. Modeling the microphysics of mesospheric ice particles: assessment of current capabilities and basic sensitivities // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 68. P. 715–744. 2006.

  25. – Rasmussen K.L., Clausen H.B., Kallemeyn G.W. No iridium anomaly after the 1908 Tunguska impact: evidence from a Greenland ice core // Meteoritics. V. 30. P. 634–638. 1995.

  26. – Rosinski J., Snow R.H. Secondary particulate matter from meteor vapors // J. Meteorology. V. 18. P. 736–745. 1961.

  27. – Scafetta N. Empirical evidence for a celestial origin of the climate oscillations and its implications // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 72. P. 951–970. 2010.

  28. – Scafetta N. Testing an astronomically based decadal-scale empirical harmonic climate model versus the IPCC (2007) general circulation climate models // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 80. P. 124–137. 2012.

  29. – Sitarski G. Secular acceleration in the motion of the periodic comet Wolf-Harrington // Acta Astronomica. V. 20. P. 271–279. 1970.

  30. – Sykes M.V., Grün E., Reach W.T., Jenniskens P. The interplanetary dust complex and comets / Comets II. Eds. Festou M., Keller U., Weaver H. Tuscon: Univ. of Arizona Press. P. 677–693. 2004.

  31. –Voigt C., Schlager H., Luo B. P. et al. Nitric Acid Trihydrate (NAT) formation at low NAT supersaturation in Polar Stratospheric Clouds (PSCs) // Atmos. Chem. Phys. V. 5. P. 1371‒1380. 2005.

  32. – Yiou F., Raisbeck G.M., Jehanno C. The micrometeorite flux to the Earth during the last 200 000 years as deduced from cosmic spherule concentration in Antarctic ice cores // Meteoritics. V. 24. № 4. P. 412–426. 1991.

  33. – Zecca A., Chiari L. Comets and climate // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 71. № 17–18. P. 1766–1770. 2009.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Геомагнетизм и аэрономия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал