ПРИРОДА, №07-09, 1921 год. Влияние вулканической пыли на приходо-расход лучистой энергии и температуру воздуха.

"Природа", №07-09, 1921 год, стр. 17-38

Влияние вулканической пыли на приходо-расход лучистой энергии и температуру воздуха.

Е. Е. Федорова.

Вулканическая пыль и ее значение.

При некоторых сильных вулканических извержениях в атмосферу на большие высоты выбрасывается масса пепла, который с большой быстротой распространяется воздушными течениями, покрывая громадные площади земного шара. Более крупные частицы его скоро оседают, а самая мелкая пыль, размеры которой порядка 1 микрона и менее, держится в большом количестве на высотах, превышающих 10 километров, иногда в течение целых лет. Эта масса пыли производит большие помутнения атмосферы, которые проявляются в ярко белой окраске неба, часто с сероватыми полосами, вместо обычного голубого цвета его. Солнечные лучи при этом сильно ослабляются.

Кроме общего помутнения атмосферы, эта пыль вызывает ряд других оптических явлений. Некоторые из них, как необыкновенно яркие зори и более продолжительные сумерки, обращают на себя общее внимание. Другие могут быть наблюдаемы только с помощью тонких приборов, напр. аномалии в поляризации света небесного свода.

Яркие примеры извержений, повлекших за собой помутнение атмосферы, распространившееся почти на целое северное полушарие, представляют извержения вулканов Кракатоа (на Яве) в 1883 г. и Катман (на Аляске) в 1912 г. Особенной известностью пользовалось первое, вызвавшее ужасные бедствия в окрестностях вулкана. Пепел был заброшен до высоты 40—60 километров. Воздушное течение понесло его на запад и с такой скоростью, что в две недели пепел обошел кругом земли и появился над Филиппинскими островами. Потом он, продолжая обходить кругом земли, постепенно распространяется на север 1) и в годы 1884 и 1885, отчасти и 1886, наблюдается сильное помутнение атмосферы на всем северном полушарии.

Об извержении Катман имеется сообщение капитана одного судна, стоявшего в расстоянии 200 километров от вулкана. Пепел выпадал в таком количестве, что в летний день наступил мрак и судну грозила опасность быть затопленным под тяжестью пепла. Здесь, конечно, выпадали наиболее крупные частички. Мелкая же пыль была подхвачена на высоте, повидимому, 10—12 километров, и ее несло в общем в восточном направлении. Через полмесяца после извержения она начала появляться над Европой. Потом распространялась все далее на восток. Атмосфера была замутнена в северном полушарии (по крайней мере до 30° широты) в течение второй половины 1912 г. и и всего 1913 г.

Связь сильных помутнений атмосферы с вулканическими извержениями замечена уже давно. Еще в XVIII веке Франклин высказал предположение, что причиной необыкновенно сильного помутнения атмосферы в северном полушарии, наблюдавшегося в течение лета 1783 года, было извержение вулкана. После этого не раз наблюдались большие помутнения. Таковые были, напр., в 1814 и 1831 гг.

До 80-x годов прошлого столетия, вследствие отсутствия регулярных наблюдений с помощью научных инструментов, нарушения в разнообразных световых явлениях наблюдались только глазом и носили случайный характер. С 80-х же годов начинаются в отдельных местах правильные измерения прямой солнечной радиации 2), поляризации света небесного свода, яркости зорь и пр.

Что дают измерения прямой солнечной радиации, можно видеть из прилагаемого чертежа № 1 *). На нем изображен вековой ход радиации для пяти мест Европы, выведенный по ежемесячным данным измерения ее в этих местах. Кривые представляют отклонения от нормальной величины для данного места 3).

(увеличенное изображение)

Периоды помутнения сразу бросаются в глаза на чертеже в виде сильных депрессий в общем ходе радиации. В последние десятилетия, когда наблюдения ведутся в разных местах, можно констатировать одновременность наступления этих депрессий. Таковы крупные депрессии 1912—1913 гг. после извержения Катман и 1902—04 гг. после извержения или вулкана Мон-Пеле на С. Мартинике или вулкана Санта Мария в Гватемале. Слабая депрессия заметна в 1907—1908 г.г.

Неправильно было бы думать, что одновременность депрессий ограничивается только Европой, в которой находятся все места наблюдений, помещенные на чертеже. К сожалению, нет еще ни одного достаточно продолжительного и непрерывного ряда наблюдений в Америке, чтобы можно было вывести пормальную величину и кривую векового хода. По несколько лет наблюдений имеется на Mount Weather и в Вашингтоне, и в обоих местах депрессии 1912—13 и 1907—08 г.г. выражены с такой же силой и по времени точь в точь совпадают с тем, что получено для Европы. Таким образом, о помутнениях, вызываемых вулканической пылью, можно с полнейшей уверенностью говорить, что они распространяются, если не на все северное полушарие, то, во всяком случае, на большую часть его за исключением, быть может, только самых низких широт. Кривая для Монпелье 4) представляющая единственный ряд наблюдений с 1882 по 1892 г.г. обнаруживает депрессии в 1884—85 и 1891 г.г.

Можно заметить на депрессиях резкое падение радиации в начале депрессии и постепенное возвращение ее к норме по мере того, как пыль выпадает.

Периоды времени между 1883 и 1915 гг. 5) в которые существовало значительное помутнение, следующие:

с Января 1884 г. по август 1886 г.
" Ноября 1890 " " август 1891 "
" Октября 1902 " " апрель 1901 "
" Декабря 1907 " " апрель 1908 "
" Июля 1912 " " август 1913 "
" Ноября 1913 " " февраль 1914 "

В совокупности 84 месяца или круглым числом 7 лет! Всего же мы располагаем 33 годами наблюдений над радиацией. Таким образом, на 33 года приходится 7 лет определенно аномальных. Но кроме того около 8 лет наберется со слабыми признаками аномалии. Следовательно, совершенно чистыми, назову их нормальными, будут только 18 лет из 33. Только, немного более половины. Можно судить по этому, насколько значительную роль должна играть вулканическая пыль для земной атмосферы, если при громадных нарушениях в столь важном факторе физической жизни атмосферы, как солнечная энергия, эта пыль распространяется на целое полушарие и так часто и долго находится в воздухе. До сих пор, однако, последствия этого явления мало обращали на себя внимания исследователей, о них почти не имеют представления 6).

Очертив в предыдущих строках общее значение явления вулканической пыли в атмосфере для радиации солнца, я перейду, теперь, к более подробному изложению действия пыли на радиацию, чтобы тем самым выяснить и возможное действие на температуру.

Влияние вулканической пыли на радиацию.

Так как в настоящей статье имеется в виду исследовать вопрос о влиянии помутнения атмосферы от вулканической пыли также на один из элементов состояния земной атмосферы, именно на температуру 7), то важно выбрать такие стороны действия пыли на радиацию, которые давали бы понятие об изменении в приходо—расходе лучистой энергии, как обусловливающем тепловое состояние атмосферы. А это будет действия, оказываемые на общие величины 1) прямой солнечной энергии, 2} рассеянной энергии дневного света и 3) земного лучеиспускания. Поэтому среди разнообразных оптических аномальных явлений, вызываемых вулканической пылью, в настоящей статье я остановлюсь только на аномалиях в этих трех элементах.

Величина прямой солнечной радиации при запылении высоких воздушных слоев после вулканических извержений испытывает, как показывают вышеприведенные наблюдения, нередко, и на долгое время громадные понижения, по наблюдениям летом 1912 г. в Павловске 8) падение радиации в полдень превышало иногда 30% нормальной величины. Каковы же они должны быть при более низком солнце, не в полдень или в зимние месяцы, когда слои пыли проходятся лучами под острыми углами? Достаточно сказать, что при высоте солнца в 10° длина пути в слое пыли в четыре раза больше длины при 50°, на которой солнце находится летом в полдень в Павловске. Значит, если падение радиации в полдень в Павловске было за 30%, то при высоте солнца в 10° прямая радиация должна была бы равняться нулю 9).

Отчего такое колоссальное понижение прямой радиации не сказывается, и немедленно, резкими нарушениями, как в тепловом режиме, так и в других отношениях в нашей атмосфере и всей жизни земли? Ведь ничего бросающегося в глаза пе происходило. 1912 г. пережит еще так недавно. Большинство из нас, пожалуй, даже не заметило и самого помутнения.

То, что состояние атмосферы не претерпевает при этом значительных пертурбаций, происходит оттого, что потеря в прямой радиации вознаграждается и иногда даже с избытком, как будет показано ниже, громадным увеличением рассеянного дневного света от небесною свода. Действительно, увеличение этого последнего бывает при этом настолько велико, что при совершенно безоблачном небе часто самого солнца не видно. Все небо покрыто как бы белой пеленой, особенно яркой в стороне солнца. В июле и августе 1912 г. в иные дни солнце было видно только в течение ближайших к полудню часов. Уже с 4—5 часов веч. в Петрограде, когда солнце спускалось до высоты 25°, диска его нельзя было видеть и все освещалось исключительно рассеянным светом. День был при этом нисколько не темен. Во время помутнения атмосферы, бывшего во вторую половину лета 1831 г., как сообщает Араго, прямой солнечный свет был настолько ослаблен, что и в полуденные часы в средней Европе можно было незащищенным глазом видеть диск солнца на общем фоне чрезвычайно ярко освещенного неба.

Как известно, интенсивность рассеянного дневного света при ясной погоде при одной и той же степени прозрачности атмосферы мало изменяется в течение дня 10), в то время, как интенсивность прямой радиации зависит в высшей степени от высоты солнца 11). Эта последняя зависимость от высоты солнца при сильных помутнениях атмосферы от вулканической пыли еще весьма повышается. В то время, как при нормальной прозрачности воздуха только при самом низком положении солнца, ниже 10° высоты его над горизонтом, рассеянный свет дает более энергии на горизонтальную поверхность земли, чем прямые лучи солнца, при больших помутнениях, начиная уже с 20—30° высоты солнца, прямые лучи его теряют совершенно свою первостепенную роль, уступая ее рассеянному свету. Так как зори в периоды помутнения гораздо ярче, то перед восходом и после захода солнца поверхность земли в эти периоды должна получать больше лучистой энергии, чем обычно. В летние месяцы на севере (южнее полярного круга) и по ночам должно получаться при вулканической пыли энергии более нормального благодаря тому, что в это время года там солнце ночью близко к горизонту, и зоря не сходит с неба. На это обратил внимание еще Араго. Он сообщает, что летом 1831 г. после извержения Бабуйана в полночь в Берлине и даже в Генуе можно было читать мелкую печать, что в обычное время было совсем не возможно.

Спрашивается, не будет ли благодаря исключительной силе рассеянного света во время помутнения избытка общей суммы количества лучистой энергии, как от прямой, так от рассеянной радиации, так же и в вечерние и утренние часы при солнце, стоящем над горизонтом.

Можно ответить на этот вопрос, применив следующее рассуждение. Когда солнце стоит на горизонте, величина интенсивности прямой радиации, получаемой горизонтальной поверхностью, как при нормальных, так и при аномальных условиях, есть нуль. Тогда поверхность земли должна получать при аномальных условиях избыток рассеянной лучистой энергии, так как небесный свод в этом случае посылает на землю гораздо более энергии. Обратно при значительной высоте солнца не может быть избытка, в общей сумме лучистой энергии, прямой и рассеянной, ибо откуда же при помутнении мог бы взяться избыток. Наоборот, должен существовать дефицит, потому что должна же пыль отражать часть солнечной энергии. Между этими двумя крайними случаями в положении солца на небе, должно быть положение его, ниже которого будет существовать избыток общей суммы лучистой энергии, а выше недостаток. Положение это не должно быть при 0° высоты (на горизонте) или близко к нему, ибо невероятно, чтобы избыток общей суммы радиации, несомненно существующий при солнце на горизонте, скачком перешел к нулю и отрицательной величине. Поэтому, избыток энергии будет существовать и при нахождении солнца над горизонтом до некоторой высоты, которую в дальнейшем изложении можно будет приблизительно наметить.

И так, можно констатировать то замечательное явление, что при вулканической пыли, когда солнце стоит близко к горизонту, выше или ниже его, земля получает больше солнечной энергии, чем в нормальное время. Мне кажется, что простые приведенные рассуждения достаточно убеждают в этом. Но оказывается, что они прекрасно подтверждаются и теорией и наблюдениями.

Теория рассеяния солнечной энергии в атмосфере дает следующее.

Ниже приводится таблица 1, данные которой выведены с помощью формул Бугера и Экснера. Она дает сопоставление количеств лучистой энергии, получаемой горизонтальной поверхностью земли непосредственно от солнца и от рассеянного дневного света H при различных прозрачностях атмосферы р и различных высотах солнца **). За единицу меры в таблице принята величина энергии лучей солнца за пределами атмосферы, то есть солнечная постоянная. Помутнения атмосферы от вулканической пыли можно рассматривать, как уменьшение прозрачности ее.

ТАБЛИЦА № 1.
h p = 1.0 р = 0.9 р = 0.8 р = 0.7 р = 0.6
h S H S H S+H S H S+H S H S+H S H S+H
10° 0.174 0 0.095 0,050 0.145 0.048 0.105 0.153 0.022 0.168 0.190 0.009 0.241 0.250
20 .342 0 .251 .051 .302 .178 .107 .285 .121 .171 .292 .077 .245 .322
30 .500 0 .405 .052 .457 .320 .110 .420 .245 .176 .421 .180 .252 .432
40 .643 0 .545 .054 .599 .454 .113 .567 .368 .181 .549 .289 .259 .548
50 .784 0 .667 .055 .722 .572 .117 .689 .480 .187 .667 .394 .268 .662
60 .836 0 .766 .057 .823 .669 .120 .789 .574 .192 .766 .484 .276 .760
70 .940 0 .840 .058 .898 .737 .123 .860 .643 .197 .837 .547 .281 .828

Кроме величин S и Н в отдельных столбцах таблицы приводятся суммы S+H. Это будут общие количества лучистой энергии падающей на горизонтальную поверхность. Они представляют для настоящей статьи наибольший интерес.

Если сравнить эти общие количества при различной прозрачности, то можно увидеть следующее: При больших высотах солнца общая радиация решительно выше при высокой прозрачности. Не то при небольших углах. Величины ее при прозрачности = 0,6 становятся большими, чем при более высокой прозрачности. При высоте 10° общая радиация при 0,6 чуть-ли не в два раза выше, чем при 0,9. Таким образом, эта таблица, представляющая результат теории рассеиванья солнечной лучистой энергии, отлично подтверждает выводы из тех соображений, которые я привел выше. Ниже 30° высоты солнца над горизонтом величина общей радиации при замутненной атмосфере становится больше нормальной.

Приведу теперь то, что дают в этом случае наблюдения. Единственные имеющиеся измерения рассеянной радиации от небесного свода при вулканической пыли, о которых имелись данные в литературе по крайней мере до 1915 г., это фотометрические измерения Дорис в Тироле в 1912 и 1913 г. К сожалению, как раз в месяцы с наибольшим помутнением, т. е. в июле, августе и сентябре 1912 г. не было сделано измерений; Дорно начал их только с октября, когда помутнение начало уже сильно спадать. Однако, я все же воспользовался его данными, и вот результаты его измерений:

ТАБЛИЦА 2.
Меся-
цы.
  h S H S+H  
X 1912 16 48.5 (51.2) 7.9 (4.5) 56.4 (55.7) I
III 1913 19 43.4 (47.2) 11.9 (7.9) 55.3 (55.1)
IV   42 79.2 (91.1) 21.9 (12.4) 101.1 (103.5) 110.0
(113.9)
V " 49 97.1 (109.6) 14.9 (13.6) 112.0 (123.2)
VI   44 78.9 (92.1) 17.7 (10.6) 95.9 (102.7)
VII " 49 110.2 (113.4) 15.1 (13.1) 125.3 (126.5)
VIII " 47 105.2 (106.9) 10.5 (6.9) 115.7 (113.8)
IX   37 84.6 (83.7) 11.5 (7.0) 97.1 (90.7)  
X   29 66.6 (66.0) 9.7 (6.5) 76.3 (72.5)  
XI " 19 37.6 (37.2) 11.1 (8.3) 48.7 (45.5) 2 1 49.6
(47.7)
XII " 17 27.4 (27.4) 10.7 (7.0) 38.1 (34.4) 2

Буквы имеют то же значение, что и на предыдущей таблице. В первом столбце даны высоты солнца, при которых делались наблюдения. Величины радиации даны в тысячах свечей Гефнера. В скобках приведены нормальные величины, получившиеся у Дорно из наблюдений за несколько лет при обычных условиях прозрачности. Чтобы сделать вывод из этих данных, я свожу наблюдения в две группы. В одну соединяю случаи, когда h было менее 20°, в другую те, когда h более 40°. Результат помещен с правой стороны таблицы. Он поразительно ясен. При больших высотах вулканическая пыль вызывает дефицит в общей радиации, при малых, наоборот, общая радиация увеличена. Значит, наблюдения вполне подтверждают то, к чему приводят и элементарные рассуждения и теория.

Итак, при замутнении атмосферы от вулканической пыли при высотах солнца больших 30° (приблизительно) на землю притекает меньше энергии, чем обычно: а при высотах более низких, наоборот, земля получает больше энергии. Последнее, конечно, имеет место и тогда, когда солнце стоит ниже горизонта, пока играет на небе зоря.

Не вызывает-ли вулканическая пыль изменений также в ночном излучении? Ведь она, как всякая пыль, должна являться препятствием к лучеиспусканию. Я не буду долго останавливаться на этом вопросе. Сообщу только вкратце результаты, как теоретических соображений, так и наблюдений. Выводы теории и наблюдений в этом случае совпадают; именно, влияние вулканической пыли на земное излучение очень невелико, отклонение в его величине не превышает 3% его. Если принять нормальное излучение от земли в 0,2 калорий, то влияние, оказываемое вулканической пылью, определяется приблизительно не выше 0,005 калорий в минуту с квадратного сантиметра. Величина сравнительно очень незначительная.

Изменение в общем приходо-расходе лучистой энергии.

Какое изменение вносится вулканической пылью в общий приходо-расход лучистой энергии за сутки?

Оно должно крайне зависеть от положения места на земном шаре относительно солнца. Следовательно, изменение это не может быть одинаковым для разных широт. На экваторе солнце очень высоко. При высоком же солнце, как видно было из предыдущего, вулканическая пыль приносит с собой дефицит общей энергии. На полюсе солнце не поднимется выше 23°. Там круглый год при помутнении должен поступать избыток энергии. В продолжительную полярную ночь при вулканической пыли тоже должен быть избыток, о чем только что говорилось. Он, правда, очень незначителен, но, принимая во внимание продолжительность полярной ночи, он может оказать не малое действие.

Не только места под разными широтами находятся в разных условиях в отношении влияния пыли, но и одно и то же место в различные времена года попадает в отличные условия. В табличке 3 для разных широт и для разных времен года даны числа часов суток, в течение которых солнце находилось выше 30°, между 30° и —10° и ниже —10° ***), т. е. сутки разделены на три части. 1) Когда солнце высоко, 2) когда оно близко к горизонту и 3) ночные часы. Времена года представлены в таблице месяцами, в которые солнце занимает либо крайние, либо средние положения. На экваторе в течение года числа часов мало изменяются, поэтому для него дан только один ряд чисел.

ТАБЛИЦА 3.
(выражено в часах).
  время года Выше 30° 30° —10° ниже —10°  
Экватор   8 10½ —95
30° широты XII 4 12½ 0
VI 9 —105
48° широты XII 10 14 +115
III—IX 6 8 10 —30
VI 10 —85
65° широты XII 7 17 +85
III—IX 1 15 8 +140
VI 10 14 —60
Полюс XII 24 +25
III—IX 24 +240
VI 24 +240

По этой таблице можно судить, что нужно ждать в отношении прихода расхода лучистой энергии для различных мест земного шара, если принять, что в часы суток первого столбца при вулканической пыли происходит дефицит в общем приходе лучистой энергии, в часы же второго и третьего столбцов существует обратное явление прибавления энергии. Из таблицы видно, что на полюсе и зимой под широтами 65° и 48° должен быть почти непрерывный излишек энергии при вулканической пыли сравнительно с нормальным временем. А как на экваторе? Там, конечно, должна быть убыль энергии. Это не следует прямо из этой таблицы, так, на первый столбец приходится только треть всего числа часов суток, т. е. меньшая часть их. Однако, само собою понятно, что часы суток в отношении величины избытка или недостатка лучистой энергии в присутствии вулканической пыли вовсе не равноценны. О ночных часах уже говорилось, что разница в величине земного излучения в аномальные периоды сравнительно с нормальными не свыше порядка 0.005 калорий в минуту. Так что, хотя на третий столбец приходятся самые крупные числа часов, все же значение третьего столбца минимальное.

Другое дело часы второго столбца. Вес, так сказать, каждого часа здесь уже сравнительно значительный и, судя по таблице, выведенной по формулам Экснера и Бугера, а также наблюдениям Дорио величина разности в дневные часы порядка 0.10—0.05 калорий в минуту. Конечно, и менее, потому что в промежутках времени до восхода и после захода солнца при зоре и самая величина падающей на горизонтальную поверхность земли радиации всегда невелика.

Часы первого столбца имеют еще больший вес. Я уже говорил в начале статьи, что потеря прямой радиации в Павловске в полдень летом достигает 30% нормальной, это соответствует 0.4 калории в минуту. Положим, дней с такими сильными понижениями прямой радиации немного. Поэтому мне кажется возможным признать величины понижения прямой радиации приблизительно в 0.2—0.3 калорий. Для общей радиации понижение будет меньше, ибо предыдущую величину нужно уменьшить на добавочный приток рассеянной радиации, который всегда сопровождает при помутнении падение прямой радиации. Если принять его в 0.1, то 0.2—3 — 0.1 = 0.1—2. Л должен оговориться, что определения этих разностей в радиации между нормальным и аномальным состоянием ее, конечно, очень условны. Ведь они прежде всего зависят от степени помутнения атмосферы, а она, конечно, совершенно не одинакова после разных извержении. Да и каждое помутнение протекает совсем неравномерно, а степень его меняется изо дня в день. Если я привожу здесь даже не приблизительный размер, а только порядок размера разностей в радиации, то только затем, чтобы показать соотношение между ценой, которую можно придавать различным часам суток в таблице 3. Собственно, нужно установить приблизительно именно только это соотношение. Можно оценить грубо час первого столбца в двадцать раз выше третьего, а второго в десять раз выше третьего же. Теперь можно определить относительные коэффициенты приходо-расхода энергии. Если принять цену часа третьего столбца за единицу, то цена второго будет = 10, а первого 20; тогда эти коэффициенты вычисляются перемножением этих чисел на числа часов в таблице 3 для соответствующей широты и месяца года. Например, для экватора будет: 8 × (—20) + 5½ × 10 + 10½ = —95.

Вычисленные, таким образом, коэффициенты помещены в последнем столбце таблицы 3. Само собой разумеется, что и эти коэффициенты только грубо приблизительны. Не смотря на это, они позволяют довольно легко разобраться в том, в каких широтах и в какое время года должен существовать при вулканической пыли добавочный приток лучистой энергии, а где, наоборот, убыль ее, а также по ним можно судить и о приблизительном размере излишка или недостатка. Таким образом, по ним видно следующее: под экватором всегда за сутки недостаток. То же в широтах 30° и 48°, но здесь только в летнее полугодие. Зимой под широтой 48° уже решительный избыток. Весной и осенью под этой широтой величина мала, скорее в сторону убыли энергии. Далее, под широтой 65° имеется уже решительный перевес на стороне избытка прилива энергии, только летом, повидимому, в течение немногих месяцев обратное. Наконец, на полюсе круглый год повышение количества лучистой энергии.

Вероятное влияние на температуру.

Какие перемены нужно ждать в ней в связи с теми изменениями в приходо-расходе лучистой энергии, которые установлены выше?

1. Под широтами близкими к 30° по преимуществу, как известно, наблюдаются ясное небо и малое количество дождя. Там, таким образом, в значительной мере ослаблены влияния облачности и дождя и поверхность земли с прилегающим к ней нижним слоем воздуха подвергаются благодаря этому более непосредственному действию солнечных лучей, чего нельзя сказать про экватор. Вследствие этого под этими широтами можно с полным правом ожидать и непосредственного действия тех сильных изменений в режиме прихода и расхода лучистой энергии, которые происходят под влиянием вулканической пыли. Мы видели из таблицы 3, что для этой широты коэффициент приходо-расхода лучистой энергии, (см. последний столбец табл. 3) для декабря 0, для июня — 105. В промежуточные месяцы, он, конечно, тоже отрицательный. В итоге за аномальный (при наличии вулканической пыли) год должен быть значительный недостаток энергии и, следовательно, в течение такого года под рассматриваемыми широтами нужно ждать понижения температуры.

2. На полюсе коэффициенты для разных времен года, как видно из таблицы, положительны и большие по величине. Здесь, безусловно, в аномальное время должно наступать потепление, хотя этому может сильно препятствовать таяние снегов и льдов.

3. По той же причине, что и для полюса, можно ожидать потепления, и на широте 65°, хотя летом здесь может обнаружиться слабое относительное охлаждение вследствие того, что для июня коэффициент отрицательный.

4. В умеренном поясе земли, представителем которого является в таблице 48° широты, в аномальный год летом большой недостаток в притоке энергии сравнительно с нормальным, зимой наоборот. В итоге за год мы не можем ожидать в этом поясе ни потепления, ни охлаждения. Разве только небольшого охлаждения, ибо для средних месяцев года, т. е. для весны и осени, для широты 48°, как видно из величины соответствующего коэффициента в табл. 3 существует недостаток энергии. Лета здесь при вулканической пыли в атмосфере должно ожидать более холодного, чем в нормальное время, зиму же более теплой. В результате должно было бы получиться понижение амплитуды годового хода температуры.

5. Наконец, на экваторе и вблизи него температура должна была бы понижаться, если только между величиной притока радиации и температурой у поверхности земли существовало бы здесь прямое отношение. Существующие в экваториальном поясе вообще значительные облачность и осадки, вызываемые сильным восходящим движением воздуха, могут в достаточной мере смягчить непосредственное влияние на температуру воздуха у поверхности земли изменений в притоке солнечной энергии; а если они сами еще зависят от этих изменений, то и исказить это влияние. Предположим, что уменьшение притекання к земле солнечной энергии во время аномалий, как это следует из таблицы 3, ослабило бы и восходящее движение воздуха, а вместе с тем и облачность и количество дождя. Тогда ослабело-бы и их влияние на температуру, понижающее ее. В результате, несмотря на значительный недостаток в притоке лучистой энергии во время аномалии, температура может и не понизиться или слабо понизиться.

Сделав такие предварительные предположения, я теперь перейду к проверке их по данным наблюдений.

Что дают наблюдения над температурой.

Как воспользоваться данными температуры? В данном случае нельзя поступить так, как обыкновенно это делается, просто сравнить температуры, напр., ежемесячные средние температуры, в периоды вулканической пыли с температурами в нормальное время. Слишком мало случаев имеется для этого, ведь с начала 80-x годов было только 6 ясно выраженных помутнений, и продолжительность некоторых из них очень мала, всего 4—5 месяцев, напр, помутнения 1907—08 и 1913—14 г.г. Если бы было произведено простое сравнение, то случайные отклонения температуры, которыми так богаты явления погоды, испортили бы ясность результата. К тому же нельзя ожидать, чтобы действие изменений в радиации быстро проявилось на температуре воздуха. Как ни сильны нарушения в притоке лучистой энергии, вызываемые пылью, однако тепловое состояние, обладая инертностью, могло бы измениться только по истечении нескольких месяцев.

Исходя из этих соображений, я подверг данные наблюдений особой обработке. Я не буду излагать подробно метода, которым я обработал материал наблюдений, потому что это заняло бы много места и отвлекло бы внимание от главного предмета настоящей статьи. Скажу только, что по месячным средним температуры для каждой станции я находил разности температуры между соседними месяцами каждого года и по ним вычислял средний годовой ход температуры, как в нормальные годы, так и в аномальные. Вот этот средний годовой ход в годы аномальные и нормальные для каждой станции и представлен на таблице 4 в виде двух чисел. Первое представляет суммарное повышение температуры от января к июлю, второе понижение от июля к январю. Они вместе выражают собой как бы годовую амплитуду. Третий столбец каждого раздела (раздел I — аномальные годы, раздел II — нормальные) дает разности между числами первого и второго столбца; это, так сказать, итог прихода и расхода тепла у поверхности земли за год. Этот итог представляется наиболее интересным, и его я сейчас рассмотрю первым.

Сравнив числа третьих столбцов разделов I и II, можно сразу заметить существенную разницу между ними. В то время, как для нормальных лет величины приходо-расхода тепла за год вообще близки к нулю, для аномальных эти величины для групп станций различных поясов весьма различны. Группировка станций отвечает тому делению по поясам северного полушария, которое проведено мною выше, когда я делал предположения о вероятных изменениях в температуре. Для удобства сравнения, насколько действительность соответствует ожидаемым изменениям, пояса ниже отмечены теми цифрами, что были обозначены и выше. Далее, оставив в стороне раздел II — нормальные годы, я подвергну рассмотрению раздел I — аномальные годы.

1. На субтропических станциях, расположенных по преимуществу между 30° н 40°, температура за аномальный год почти на всех понижается. Это видно из того, что в таблице 4 для станций этого пояса числа третьего столбца отрицательны, итог прихода-расхода тепла за год отрицателен. Такой результат вполне отвечает предположениям, сделанным выше, для этого пояса на основании изменений в приходо-расходе лучистой энергии.

2. На полюсе станций нет.

3. На субполярных станциях, между 60° и 70° по преимуществу, температура за аномальный почти на всех повышается и повышение это очень значительно. Как видно из таблицы 4, только одна станция Гримзей (в Исландии) обнаруживает обратное явление, для нее мы находим величину изменения температуры отрицательной —0.9. Общий результат для рассматриваемой группы станций тоже соответствует ожидаемому.

4. Станции умеренного пояса и общем показывают понижение температуры в аномальный год; однако, для них характерно не это, — если припомним выше сделанные предположения относительно этого пояса, — а уменьшение годовой амплитуды в аномальное время. Чтобы обнаружить, действительно ли существует подобное явление, нужно только сравнить для каждой станции рассматриваемой группы величины в первых двух столбцах разделов I и II таблицы 4. Как сказано выше, эти величины и представляют как бы годовую амплитуду температуры от января к июлю. Сравнение между разделами нормальных и аномальных лет показывает, для всех станций этого пояса, за исключением одного Парижа, значительное сокращение амплитуды.

5. Для экватора колебания температуры от января к июлю не существует; поэтому для экваториальных станций в таблице 4 даны только итоги годового хода температуры, соответствующие третьим столбцам предыдущих поясов. Эти итоги для аномальных лет показывают, что вблизи экватора изменений в температуре нет. Следовательно, — если припомним то, что говорилось выше, здесь действительно велико влияние на температуру побочных обстоятельств, вроде облачности и осадков.

Итак, таблица 4 дает хорошее подтверждение почти всем тем предположениям, которые можно было сделать на основании нарушений в приходо-расходе лучистой энергии.

Место не позволяет останавливаться на отдельных станциях для объяснения замечательных отклонений от общих результатов для каждого пояса. Однако, одно отклонение в умеренном поясе открывает такой интересный новый факт, что на нем нельзя не остановиться. Годовая амплитуда температуры в Париже в аномальный год оказалась не ниже, а выше нормальной, что противоречит общему правилу. Но более внимательный разбор, в который, впрочем, я здесь не буду вдаваться, показывает, что в этом случае заключается не противоречие, а подтверждение общему правилу.

ТАБЛИЦА 4.
Годовое движение температуры в годы аномальные и нормальные.

(Годовое колебание и итог колебания даны в градусах Цельсия).
Субполярные станции.
  Широта 12)       Аномальные.             Нормальные.      
Якутск........... к. 62° +62.3 —60.2 +2.1 +64.3 —64.4 —0.1
Березов........... к. 64° +40.2 —35.8 +4.4 +39.2 —40.2 —1.0
Архангельск........... б. 65° +28.0 —24.5 +3.5 +29.0 —29.0 —0.0
Вардо........... б. 70° +14.0 —12.7 +1.3 +14.2 —14.2 —0.0
Каресуандо........... к. 68° +27.7 —27.4 +0.3 +27.2 —27.4 —0.2
Гримзей........... б. 67° +10.1 —11.0 —0.9 +10.3 —10.4 —0.1
Упернивик........... б. 73° +28.9 —27.8 +1.1 +27.6 —28.1 —0.5
Станции умеренного пояса.
Владивосток........... б. 43° +33.7 —34.5 —0.8 +34.6 —34.2 +0.4
Иркутск........... к. 52° +37.0 —37.3 —0.3 +39.5 —39.2 +0.3
Барнаул........... к. 53° +36.5 —35.0 +1.5 +38.9 —39.1 —0.2
Варшава........... о. 52° +21.4 —22.1 —0.7 +22.5 —22.7 —0.2
Париж........... о. 49° +16.0 —17.2 —1.2 +15.8 —16.0 —0.2
Портлэнд (Н. A.)........... б. 44° +23.4 —24.3 —0.9 +25.7 —25.7 —0.0
Виннипег........... к. 50° +36.3 —37.3 —1.0 +38.3 —38.7 —0.4
Субтропические станции.
Цикавей........... б. 31° +22.8 —23.3 —0.5 +23.7 —23.6 +0.1
Лагор........... к. 32° +20.9 —20.8 +0.1 +22.0 —21.7 +0.3
Ташкент........... к. 41° +28.0 —28.5 —0.5 +28.8 —28.4 +0.4
Багдад........... к. 33° +24.8 —26.0 —1.2 +25.6 —26.0 —0.4
Каир........... б. 30° +15.3 —16.1 —0.8 +15.6 —15.7 —0.1
Лагуа........... к. 34° +21.9 —22.9 —1.0 +22.3 —22.4 —0.1
Немур........... б. 35° +13.4 —13.9 —0.5 +13.1 —13.2 —0.1
Понта Дельгада........... б. 38° +8.0 —8.2 —0.2 +8.6 —8.5 +0.1
Гаванна........... о. 23° +6.5 —6.6 —0.1 +6.2 —6.1 +0.1
Форт Смис........... к. 35° + 23.4 —24.5 —1.1 +22.3 —22.1 +0.2
Юма........... к. 33° +20.0 —20.6 —0.6 +20.1 —19.8 +0.3
Сан Диего........... б. 33° +8.6 —8.7 —0.1 +7.6 0.0
Экваториальные станции.
  широта аномальные нормальные
Манила........... о. 15°   +0.1   +0.2
Батавия........... о. 6° ю. ш.   0.0   0.0
Мадрас........... б. 13°   0.0   —0.1
Аден........... б. 13°   —0.1   0.0
Занзибар........... б. 9° ю. ш.   —0.1   0.0
(С. Поль де Лоандо)........... б. 9° ю. ш.   0.0   0.0

Дело в следующем: на некоторых станциях эффект пыли зимой оказывается более ярко не в январе, а в феврале. В январе на этих станциях он еще, повидимому, не успевает проявиться. А так как амплитуда годового хода вычислялась по разностям от января к июлю, а не от февраля, то, естественно, уменьшение ее и не проявлялось на этих станциях (см. таблицу 4). В связи с этим привожу еще одну таблицу 5. В ней дается число отклонений месячных температур в аномальные годы от нормальных в сторону положительную или отрицательную. Общее число случаев приведено в первой строчке. Это числа аномальных лет, которые использованы для каждого месяца, Правда, их очень немного, но тем не менее числа отклонений очень много говорят. Стоит присмотреться к числам для января, для одних станций и для февраля для других, как бросается в глаза малость числа отрицательных отклонений. Очевидно, эти месяцы при вулканический пыли бывают особенно теплы. Наоборот, июль, август, сентябрь, октябрь и ноябрь показывают, что вулканическая пыль дает холодные вторую половину лета и осень.

ТАБЛИЦА 5.
  Де-
кабрь
Ян-
варь
Фев-
раль
Июль Ав-
густ
Сен-
тябрь
Ок-
тябрь
Но-
ябрь
Число лет: 8 9 9 7 7 4 5 5
из них: 13) число отриц. откл. число положит. откл.
Иркутск........... 2 1 4 1 1 3 0 0
Барнаул........... 4 2 4 0 1 0 2 0
Виннипег........... 3 4 7 1 2 0 3
Портлэнд ор............ 4 3 5 5 5 3 3 5
Портлэнд Н. А............ 4 3 6 2 1 2 1 4
Владивосток........... 5 5 1 4 2 1 1 1
Варшава........... 5 3 2 3 1 2 1 1
Париж........... 5 6 2 1 1 2 0 2

Наблюдения над температурой воздуха, использованные мною для исследования вулканической пыли на нее, результаты которого приведены выше, все относятся к температуре воздуха в самом нижнем слое воздуха. Но температуре же нижнего слоя, конечно, отнюдь нельзя судить о температуре более высоких слоев воздуха. Между тем чрезвычайно важно знать, распространяются ли обнаружившиеся изменения в температуре воздуха и на значительную толщу его. К сожалению, аэрологические наблюдения везде так еще недавни, что я имею возможность привести результаты лишь по одному месту, и то имеется только 10 лет наблюдений. Место это Линденберг под Берлином, где велись необычайно тщательно поставленные регулярные наблюдения, начиная с 1903 г. 14). Ниже приведенная таблица 6 составлена совершенно по той же схеме, что таблица 5; разница только в том, что вместо различных станций в ней даются числа отрицательных и положительных отклонений для разных высот одного и того же места.

ТАБЛИЦА 6.
место Линденберг.
Высота в метрах Де-
кабрь
Ян-
варь
Фев-
раль
Июль Ав-
густ
Сен-
тябрь
Ок-
тябрь
Но-
ябрь
Число лет: 4 4 4 3 3 3 3 3
из них: число отриц. откл. число положит. откл.
0 1 3 0 1 0 0 2 2
1000 3 1 2 2 0 1 2 1
2000 1 1 1 0 0 1 1 1
3000 1 0 1 1 0 1 2 1

Заключение.

Предыдущее изложение должно было показать, какую значительную роль играет мельчайшая пыль, выбрасываемая извержениями вулканов на большие высоты, распространяющаяся там над целыми полушариями и держащаяся целые годы. Ведь такие важнейшие факторы жизни на земном шаре, как солнечная радиация и температура воздуха, испытывают сильные нарушения.

Перечислю еще раз вкратце эти нарушения. Падение прямой радиации при солнце в зените должно временами превосходить 10% ее, при высоте его в 20—30° эта радиация падает почти до нуля. Зато рассеянный свет небесного свода возрастает в высшей степени, достигая не только величины в 1½ раза более нормальной, но и двукратной; может быть, и трехкратной нормальной величины. Только земная радиация изменяется мало заметно. Температура воздуха в полярных странах в один год поднимается на 1—2° Ц в среднем, в субтропических странах она понижается в год тоже в среднем на 0.5° Ц. В странах умеренного климата годовая амплитуда температуры уменьшается на 1—2° в среднем.

Замечу, что летом аномалия температуры, вызываемая вулканической пылью на преобладающей площади северного полушария, отрицательна. Зимой же пыль производит противоположные действия в приполярных странах и в субтропических. Таким образом, градиент температуры по меридианам зимой должен уменьшаться, и уменьшение его через 2—3 года должно достигнуть значительной степени.

В настоящей статье затронуты только два элемента климата и погоды. Может ли быть, чтобы столь сильные аномалии в этих важнейших элементах ограничились только ими, не распространяясь на другие, напр., давление воздуха, элемента чувствительнее всякого другого отражающего изменения в состоянии атмосферы. Можно ли предполагать, чтобы столь сильные повышения температуры в полярных странах, — ведь за 2—3 года они должны достигнуть 4—5° Ц — и одновременно понижения ее в субтропических, — не повлияли бы на динамическое состояние атмосферы в целом?

В Северной Америке, замечено, что испарение с почвы и растений на 15 станциях в течение четырех месяцев после извержения Катман в 1912 г. уменьшилось в среднем на 10%. Если это подтвердится в будущем, то вулканическая пыль играет громадную роль и для растительной жизни.


1) Может быть, и на юг, но об этом сведений нет. Вообще о южном полушарии ничего неизвестно. (стр. 19.)

2) Радиацией называется лучистая энергия солнца или какого-нибудь другого источника ее. Под прямой солнечной радиацией подразумевается та часть ее, которая получается от прямых солнечных лучей. (стр. 20.)

3) Кривые (точнее было бы назвать их ломаными) проведены, собственно, по средним отклонениям за полугодия, а не по каждому месячному отклонению. Так сделано для того, чтобы стереть частности отдельных месяцев и изобразить общий ход радиации. Измерения везде производились около полудня. (стр. 20.)

4) Город на юге Франции. (стр. 20.)

*) На чертеже и диаграммах для Варшавы, Нижнего Ольчедаева и Парижа цифры при линиях, расположенных ниже линии 0.0 следует читать со знаком как для Монпелье и Павловска. (стр. 20.)

5) С 1883 г. начались наблюдения над радиацией в Монпелье. (стр. 21.)

6) До 1914 г. известны были статьи Humphrey и Abbot and Fowle: статьи имеют односторонний характер и дают неправильное представление о влиянии вулканической пыли на температуру. (стр. 21.)

7) О влиянии на другие элементы, как давление и осадки, предполагается сообщить в последующих статьях. (стр. 22.)

8) Под Петроградом, 60° сев. широты. (стр. 22.)

9) Она не равна нулю только потому, что в слое пыли ослабление интенсивности солнечных лучей далеко от пропорциональности длине путей лучей в слое пыли. (стр. 22.)

10) Помутнение атмосферы от вулканической пыли можно рассматривать, как понижение прозрачности ее. (стр. 23.)

11) Та и другая интенсивности предполагаются рассчитанными на горизонтальную поверхность земли. (стр. 23.)

12) В этом столбце дается градус широты места, а также через к обозначены континентальная, через б — береговая и через о — островная станция. (стр. 35-36.)

13) Число лет вообще очень ограничено. (стр. 35-36.)

14) Большие томы с подробными результатами этих наблюдений, благодаря чрезвычайной быстроте работы, отпечатаны и получены в России даже за самый последний год до начала европейской войны, за который только можно было получить, т. е. 1913. (стр. 37.)

**) Формулы Бугера и Экснера следующие
S = Sin hp Sech и H =  3   log p  (5 + Sin 2h)
32 log e

В таблице р есть степень прозрачности; причем принимается, что при совершенной прозрачности р = 1. h есть высота солнца в градусах, е — основание неперовых логарифмов. (стр. 25.)

***) 30° высоты, как угол перехода через нуль, отрицательной в положительную величину изменений общей радиации, выбран сообразуясь с тем, что дают таблицы 1 и 2. Угол —10°, когда солнце под горизонтом, соответствует концу, так называеваемого, второго пурпурового света зори, т. е. окончанию главной части сумерек. Эти "критические" углы не имеют, впрочем, значения точных величин их нужно считать условными. (стр. 28.)