"Природа", №10-12, 1921 год, стр. 20-31

Связь давления воздуха на земном шаре с солнечными пятнами.

Е. Е. Федорова.

Солнечная энергия, получаемая землей, имеет слишком большое значение для физического состояния атмосферы, чтобы изменения в деятельности солнца не отражались тем или иным образом на этом состоянии. Поэтому, естественно, что вскоре после открытия факта появления на солнце пятен и в связи с этим периодических изменений в солнечной деятельности (в XVII веке) начались попытки установить, не влияют ли эти изменения на температуру и другие элементы состояния земной атмосферы. Долгое время для каких либо выводов не доставало данных. Когда накопление достаточного количества наблюдений над температурой воздуха у поверхности земли позволило Кеппену в 70 годах XIX столетия произвести исследование вопроса, то зависимость между температурой и солнечными пятнами была открыта. Оказалось, что температура воздуха у поверхности земли с увеличением числа солнечных пятен понижается. Позднейшие тщательнейшие исследования подтвердили это ¹). Зависимость эта, однако, настолько слаба,

что по наблюдениям в одном месте даже в тропиках она почти не обнаруживается и нужно соединение данных многих станций какой нибудь обширной области земного шара, чтобы ее заметить. Размер изменения в температуре под влиянием солнечных пятен едва превышает ½° Ц.

Согласно, как теории солнечной деятельности, так и точным измерениям солнечной энергии ²) развитию на солнце пятен соответствует увеличение величины испускаемой им энергии. Оказывается, таким образом, что при увеличении лучистой энергии, которую солнце посылает на землю, температура у поверхности последней падает. Факт настолько непонятный, что одно время некоторые метеорологи (напр. Nordmann) стали — несомненно ошибочно — утверждать, что при максимумах пятен солнце испускает менее энергии, чем при минимумах их.

Приходится признать указанную связь колебаний в солнечной энергии с температурой в нижнем слое атмосферы, какою то очень сложною и не искать об'яснения в непосредственном действии солнечных лучей, а смотреть на изменения температуры нижняго слоя воздуха, как на результат других изменений в состоянии атмосферы.

Обращу внимание на другой факт, открытый вскоре же после открытия Кеппена. Это небольшое увеличение осадков во время максимумов солн. пятен, наблюдаемое в тропическом поясе земли.

Что может значить последний факт? Нельзя ли связать его со столь странными изменениями в температуре? Давно делались попытки дать различные об’яснения этим фактам. Между прочим, высказывали предположение об увеличении, под влиянием возрастающего при максимумах солнечных пятен количества приносящихся от солнца в атмосферу электрических частичек, конденсации паров воды в воздухе; почему происходит увеличение облачности и количества осадков. Возрастание же облачности и осадков понижает температуру внизу благодаря большему затенению земли и холодной дождевой воде.

Другое об’яснение явлений следующее. Как известно, осадки происходят, главным образом, при движении воздуха вверх, когда охлаждающийся при этом воздух выделяет облачные массы. Соответственно, усиление осадков при максимумах солн. пятен может происходить от усиления восходящего движения воздуха. А увеличивающийся отток его от поверхности земли не может не сопровождаться усилением притока его со стороны, т. е. усилением горизонтального течения, иначе говоря, ветра. С усилением ветра в тропическом поясе должно происходить понижение температуры. Увеличивающиеся облачность и осадки в свою очередь еще охлаждают воздух у земли.

Приведенное об'яснение явлений могло бы найти подтверждение в наблюдениях над ветром. К сожалению, для выяснения влияния солнечных пятен на ветер не имеется достаточного количества однородных наблюдений над этим последним. Тем интереснее исследовать влияние изменений в солнечной деятельности на давление воздуха, так как этот элемент отличается наибольшей чувствительностью к общим изменениям в состоянии атмосферы и тесным образом связан с движением воздушных масс.

Точные регулярные измерения давления начались гораздо позже, чем температуры и осадков, особенно в тропическом поясе. Пояс этот представляет наибольший интерес, потому что в тропиках солнечная энергия, а, следовательно, и ее изменения должны производить более непосредственный эффект. Во внетропических странах северного полушария большой связи при сравнении между изменениями в давлении и в числе солн. пятен и не обнаружилось.

В настоящее время, благодаря накоплению порядочного количества материала наблюдений, является возможность сделать подобное сравнение и для тропического пояса. В 1915 г. появилась статья индийского метеоролога Walker-a, в которой он сообщает коэффициенты корреляции (соотношения) между числом солн. пятен ³) и величиной среднего годового давления для более, чем 100 пунктов самых разнообразных мест земного шара ⁴).

Вообще величины коэффициентов корреляции у него невелики, однако связь давления с числом с. п. наметилась совершенно определенно, особенно для областей восточного полушария в пределах между 40° N и 40° S. На этом пространстве давление имеет тенденцию понижаться с развитием пятен на солнце. В западном полушарии в малых широтах нет станций с достаточной продолжительностью периода наблюдений, поэтому данные по этой части земного шара ненадежны. Во внетропических широтах обоих полушарий отклонения давления вообще не резко выражены, преобладают при максимумах с. п. положительные отклонения.

Однако, выводы, сделанные только по годовым средним давления, как у Walker-а, нельзя не признать слишком грубым методом. Что такое годовая средняя? Ведь это соединение величин, получающихся при весьма различных положениях солнца относительно земли, а, между тем, это положение наиболее важный фактор, определяющий состояние атмосферы. С перемещением солнца в течение года происходят существеннейшие перемены в общем состоянии атмосферы. Термический экватор перемещается, вместе с ним передвигаются и пояса повышенного и пониженного давления. Происходят не только смещения, но даже исчезновения и замены противоположными напр, таких важных динамических систем атмосферы, как азиатский зимний максимум давления, который заменяется летом минимумом. Исследовать влияние изменений в солнечной энергии на годовых величинах давления значит, быть может, стереть наиболее яркие черты этого влияния. Естественно поставить исследование по сезонам года. Однако, тут является препятствие в недостаточной продолжительности наблюдений, что, повидимому, и служило причиной отсутствия такого исследования до последнего времени. Понятно, что для получения той же точности результата необходимо пользоваться большим числом случаев сезонных средних, чем годовых. Я делаю попытку использовать сезонные средние давления для зимы и лета, как наиболее типичных времен года; хотя по многим областям земного шара эти средние представляются слишком ненадежными. Результат моей попытки помещен в нижеследующей таблице. Данные ее получены следующим способом. Из всех лет имеющихся наблюдений по каждой данной станции я отобрал в одну группу сезоны, в которые числа с. п. были ниже 10, в другую сез оны с числом с. п. выше 70; затем нашел средние давления для обеих групп отдельно для зимы и лета и из них вывел средние разности давления при максимумах и минимумах с. п. Всего взято 68 станций. Они разбиты на 22 группы, представляющие весьма разнообразные области земного шара. В таблице числа суть разности давления, выраженные в миллиметрах, между максимумами и минимумами с. п. в первом столбце для зимы, во втором для лета.

Разности давления максимум—минимум с. п. зимой (XII—II) и летом (VII—VIII).

Области	XII—II	VI—VIII	Области	XII—II	VI—VIII
Гренландия......	0.5	0.4	Сибирь......	—0.1	—0.4
Исландия и Великобр......	—1.3	0.3	Средняя Азия......	—0.5	—0.2
Север Европы и Азии......	0,6	—0.2	Югозапад Азии......	—0.4	—0.2
Северовосток Сибири......	1.3	—1.0	Индия и Индокитая......	—0.3	—0.1
Средняя Евр. и Евр. Россия......	0.4	—0.2	Сев. часть Индийск. Ок......	—0.4	—0.4
			Юговосток Азии......	—0.4	0,0
Канада и Соед. Штаты......	0.7	0.3	Южная Африка......	—0.8	—0.3
Азор. о-ва и Португ......	—0.1	0.0	Австралия......	—0.6	—1.2
Средиземное море......	—0.7	—0.2	Средняя Бразилия......	—0.6	—0.1
Восточная Азия......	—0.1	0.0	Субтропич. южн. Амер.......	0.1	0.8

Гонолулу (Тихий океан)..............	0.0	0.7
Мекс. залив и Вест-Индия..............	0.1	0.3
Экватор. Америка..............	1.4	1.2

Прежде, чем приступить к рассмотрению таблицы, нужно принять во внимание, что абсолютной величине разностей не следует придавать большого значения, так как, вследствие недостаточности лет наблюдений, она в значительной степени случайна. Можно придавать значение только знаку в том случае, если величина разности не очень мала. И то три области дают настолько ненадежные данныя, что я их выделил и поместил отдельно внизу. К ним можно было бы присоединить еще и область северо-востока Сибири, по которой числа тоже ненадежны.

Изъ приведенной таблицы можно вывести следующее. Все экваториальные, тропические и субтропические области восточного полушария имеют при максимумах с. п. относительно пониженное давление и зимой и летом ⁵). Эта площадь включает в себе более ⅔ всей суши, лежащей между 40° с. ш. и 40° ю. ш. Наиболее континентальная часть западного полушария в этих широтах, представленная Бразилией, дает тоже отрицательные отклонения. Летом отрицательные разности в восточном полушарии распространяются значительно далее на север и захватывают Сибирь.

Нужно не забывать, однако, что давление воздуха на земном шаре обладает тем свойством, что оно не может одновременно везде повыситься или понизиться. Поэтому, нельзя было бы ставить вопрос так: вызывается ли с. пятнами на земле повышение или понижение давления. Вопрос может быть только об изменении в распределении давления по лицу земли. Если, поэтому, давление на Азиатском и других громадных материках, окружающих Индийский океан, а также на материке южной Америки при максимумах с. п. понижается, то в каких нибудь других областях оно должно подниматься.

Действительно, таблица показывает, что во вне тропических областях замечаются больше положительные разности, и особенно они определены в самой близкой к полюсу области Гренландии. Характерны для внетропических областей большие разности для северного полушария в декабре—феврале, а для южного в июне—августе.

Исключительное отклонение дает зимой район Исландии и Великобритании ⁶).

Главный вывод, который должно сделать из таблицы, следующий. Там, где преобладают громадные континенты, подвергающиеся действию высоко стоящего солнца — весь год в тропических, а летом в умеренных широтах — при максимумах с. п. давление ниже, чем при минимумах. Относительно низкое давление при максимумах распространяется по всей южной Азии, по северной части Индийского океана и материках Австралии и Африке.

Крайне интересно определить, насколько велика здесь зависимость давления от солнечного действия. Мною взяты несколько мест, расположенных в этой части земного шара ⁷), и я произвел для каждого из них сравнение векового хода числа с. п. ⁸) с вековым ходом давления. Для одной из них, Мадраса я привожу здесь чертеж, представляющий это сравнение. Наблюдения над давлением в Мадрасе исключительно долговременны и этот город занимает как раз приблизительно центральное место той обширной площади восточного полушария, где наблюдается при максимумах с. п.относительно низкое давление.

Для экваториальных местностей, в каковой находится Мадрас (13° С. ш), нет особенной надобности прибегать к разделению года на сезоны, ибо там давление меняется в течение года не столь резко, как в более высоких широтах. Там гораздо более разнятся год от года, чем различные месяцы одного и того же года. Поэтому, для Мадраса не будет неправильным сопоставить ход солнечных пятен с ходом средних годовых давлений.

На чертеже 1 начерчены две линии. Жирной линией изображен вековой ход числа с. п. Но, так как числа с. п. должны иметь ход обратный ходу давления, то для большего удобства сравнения вековой ход числа с. п. представлен на чертеже перевернутым. Нулевая линия чисел находится наверху, и числа идут, увеличиваясь книзу; шкала их дана с правой стороны чертежа. Максимумы с. п. были в 1848, 1860, 1870, и т. д. годах. Другая линия на чертеже тонкая представляет сглаженный вековой ход давления в Мадрасе. Тут же приведены в виде точек и средние годовые величины давления в Мадрасе для каждого года с начала до конца наблюдений. Так как эти величины представляются слишком резко меняющимися от года к году, то брались точки, отвечающие средней величине за каждые соседние три года, и по этим то точкам и проведена тонкая линия. Относительная шкала для давления, выраженная в миллиметрах, дана слева чертежа.

Как видно из чертежа, линии с. п. и давления в течение первых 40 лет поразительно близко совпадают. Это как раз период наиболее резких максимумов солнечных пятен. В последние 25 лет совпадение слабее, но оно все же достаточно определенно выражено. Только в 80-х годах наблюдается расхождение линий: в 1884 и 85 годах имеет место высокое давление, когда солнечные пятна находились в максимуме. Однако, как оказывается, этот случай, на самом деле, не только не опровергает общего правила, но даже ярко подтверждает его. В 1884 и 85, как известно, земная атмосфера была чрезвычайно мутна благодаря присутствию вулканической пыли, выброшенной во время извержения Кракатоа и долго державшейся в высоких слоях атмосферы. Солнечная лучистая энергия, получаемая землею на экваторе, была сильно понижена в эти годы. Таким образом, это был случай уменьшения прихода энергии, только значительно более выделяющийся, чем это бывает при минимумах с. п.

Кроме Мадраса, я мог бы привести и другие места, расположенныев низких широтах восточного полушария. Некоторые, как Батавия (на Яве) и Коломбо (на Цейлоне) дают для последних десятилетий XIX в. и начала XX не меньшую связь давления с с. пятнами, чем Мадрас. Но я не имею возможности увеличивать число чертежей. К тому же и число лет наблюдении на станциях в этих местах ограничивается 30-40.

Итак, несомненно, что с. п. оказывают на давление воздуха у экватора в восточном полушарии большое действие. Какое же об’яснение дать столь тесной связи?

Естественно напрашивается ответ, что ослабление давления при максимумах с. п. вызывается увеличением нагревания воздушных масс; ибо долговременно ослабленное давление могло произойти только от того, что масса воздуха над данным местом уменьшилась. Следовательно, воздух расширился. А это указывает на более повышенную температуру его в каких то слоях.

Наши измерения температуры относятся к самому низшему слою воздуха ⁹). Изменения температуры мало мальски более высоких слоев в зависимости от с. п. нам за неимением достаточныл данных для тропических широт совершенно неизвестны. ¹⁰) Новый факт уменьшения давления воздуха в некоторых частях земного шара при максимумах с. п. заставляет предполагать, что температура воздуха там в каких то слоях его при максимумах относительно повышается.

Можно представить себе, что дело происходит так. Воздух более высоких слоев от усиленного прилива лучистой энергии при максимумах с. п. нагревается сильнее, давление падает. Воздух из мест, где давление не понизилось, стремится у поверхности земли перейти к местам, где давление понизилось, а наверху обратно. Таким образом при максимумах с. п. возникает усиленное горизонтальное движение, а в месте пониженного давления усиленное и вертикальное восходящее течение; оба поддерживаемые продолжающимся оставаться относительно пониженным давлением. В результате увеличенного восходящего течения получается добавочная конденсация паров воды из воздуха. Внизу же у поверхности земли вследствие усиления ветра повышенное нагревание не проявляется. Увеличившиеся же облачность и осадки еще ниже опускают температуру.

Я нашел еще одно косвенное подтвержедние того, что при максимумах с. п. столб воздуха может сильнее нагреваться. Как известно, суточный ход давления воздуха двойной и главная волна его, вызываемая суточным колебанием температуры его, в тропическом поясе ясно выражена. Спрашивается, не будет ли она усиливаться при максимумах с. п. Вопросу о влиянии с. п. на суточный ход давления посвятил одну работу покойный русский метеоролог Э. Лейст. Со свойственной ему тщательностью он произвел большие вычисления суточного хода для Батавии, Павловска и других мест ¹¹). К определенному заключению он относительно влияния с. п. на суточное колебание не пришел ¹²).

(увеличенное изображение)

Мною взяты те же Батавия, представляющая тип экваториальной местности, и Павловск (под Петроградом) в качестве места, удаленного от экватора. Для Батавии я исследовал различие в суточном ходе при максимумах и минимумах с. п. отдельно в дождливый и в сухой периоды; в январе—марте, когда дожди в Батавии постоянны, и в июне—сентябре, когда они там редки. А для Павловска я исследовал отдельно — в зиму и лето. ¹³) Для Павловска ни для зимы, ни для лета не получилось какого нибудь ясного результата. Повидимому, он занимает слишком северное положение. Также и для дождливого периода в Батавии не получилось ничего определенного. Но сухое время в Батавии дало такой определенный ответ на поставленный выше вопрос о влиянии с. п. на суточное колебание давления, что лучшего и желать нельзя. Суточное колебание при максимумах с. п. усиливается.

Прилагаю при сем чертеж 2. На нем начерчена кривая суточного хода давления в сухие месяцы года в Батавии при минимумах с. п. Сбоку чертежа дана шкала в целых миллиметрах. Насколько относительно выше или ниже давление при максимумах, показывают для каждого часа суток числа, расставленные по кривой. Они представляют разности давления максимумы—минимумы с. п., выраженные в сотых долях миллиметра. Суточный ход, как обычно, двойной и имеет два максимума и два минимума, из которых одна пара главных. Главное суточное колебание, представленное этой парой, максимум которой приходится на 9 ч. утра, а минимум на послеполуденные часы, вызывается суточной сменой нагревания и охлаждения воздуха.

Если проследить ход разностей в течение суток, то можно увидеть, что он почти совпадает с главным суточным колебанием. Действительно, положительные разности видны в первую половину суток, и максимум ихприходится на 9-10 ч. утра, отрицательные же разности находятся во второй половине дня, и минимум приходится на 4-6 ч. пополудни. Это показывает, что причина, вызывающая главное колебание, усилилась. А так как причиной его является нагревание воздуха, то причиной повышения, таким образом, должно быть более сильное нагревание.

Итак, солнечные лучи, приносящие при максимумах с. п. больше энергии, действительно, способны повышать давление воздуха. Об‘яснение общего повышения давления в Азии, Африке, Австралии и Индийском океане бо́льшим нагреванием воздуха становится благодаря этому более вероятным.

Констатированный факт изменения в давлении воздуха должен подвинуть вперед разрешение темного вопроса о влиянии с. п. на состояние атмосферы.

Сравнительно правильная периодичность с. п. дает некоторую возможность предвидеть результат их влияния на ближайшие годы. Тем более, что с. п. оказывают наибольшее действие на давление, элемент, отражающий с большой чувствительностью общее состояние атмосферы и самый важный в практике предсказания погоды.