Космический Климат долгопериодические тенденции Космической Погоды

«Космический Климат» : долгопериодические тенденции Космической Погоды Ю. А. Наговицын Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН Лаборатория Проблем Космической Погоды 1

Обоснование • Существует мнение о том, что наша эпоха уникальна по среднему уровню солнечной активности. • Аналогичное мнение существует и о климате Земли (рекордно быстрое потепление). • Несмотря на безусловную роль техногенных факторов в современном изменении земного климата, по ряду исследований существенную роль в этих изменениях играет солнечная активность. • Кроме 11 -летнего, существуют другие долгопериодические циклы (~80 -90 лет, ~200 лет, ~900 лет и больше). Их суперпозиция и определяет сложную структуру развертывания солнечной активности на большой временной шкале и последующих земных проявлений. Проблема «Космический климат» 2

Проблема «Космический Климат» (рабочие определения): Долгопериодические тенденции Космической Погоды l Совокупность солнечно-земных связей, действующих на длительных временах l Совокупность внешних космических факторов, влияющих на земной климат l 3

Цели - Получение физически информативных комплексных данных о динамике солнечного магнитного поля, геомагнитного поля и ММП на больших временных масштабах. - Количественный и качественный анализ эволюции солнечной активности на основе реконструкций поведения различных компонент магнитного поля Солнца на длительных временах. - Исследование прогностических сценариев вариаций активности Солнца на интервале десятков - сотен лет - Исследование связи солнечной активности и климата Земли. 4

I. Солнечная активность на различных длительных временных шкалах: «История Солнца» 5

Проблема наблюдательных данных 6

Методы и подходы: а) Переход от традиционных статистических индексов (числа Вольфа, числа групп пятен и т. п. ) к физическим параметрам (магнитный поток, напряженность поля и т. п. ). б) Учет дифференциального характера связей между параметрами СА на различных временных масштабах. Для это предложены математические методы MSR и DPS (Nagovitsyn et al, Solar Phys. , 2004; Наговицын, ПАЖ, 2006), основанные на вейвлет-преобразовании и разложении по псевдофазовому пространству Такенса соответственно. в) Стремление к максимально полному описанию процессов СА с использованием всего комплекса имеющихся данных, а не данных какого-либо одного типа ( «принцип свидетелей» (Nagovitsyn et al, Solar Phys. , 2004). 7

«История Солнца» (мультимасштабное описание поведения СА на длительных временах): возможности реконструкций Временные шкалы: • 100 -150 лет – Служба Солнца • 400 лет – инструментальные наблюдения • 1000 -2000 лет – непрямые данные (полярные сияния, пятна, видимые невооруженным глазом) • Сверхтысячелетняя шкала (Голоцен) – 14 С (10 Be) 8

«История Солнца» : наши возможности Временные шкалы: • 100 -150 лет – Служба Солнца • 400 лет – инструментальные наблюдения • 1000 -2000 лет – «proxies» • Сверхтысячелетняя шкала (Голоцен) – 14 С (10 Be) 9

Сравнение кисловодского ряда (редуцированного) числа Вольфа с цюрихским и международным рядами 10

Сравнение кисловодской и американской систем измерений площади пятен 1954 -1975 гг. : гринвичские и пулковские (кисловодские) среднемесячные площади пятен имели линейную корреляцию 99. 4% ! 11

Вывод: • Для продолжения цюрихского ряда чисел Вольфа после 1980 и гринвичского ряда площадей пятен после 1976 наиболее целесообразно использовать соответствующие кисловодские ряды • См. web-сайт Пулковской обсерватории: http: //www. gao. spb. ru/database/esai/. База данных ESAI, 2006 Addition Ref: Наговицын Ю. А. , Макарова В. В. , Наговицына Е. Ю. Ряды классических индексов солнечной активности: кисловодские данные. – Астрон. вестник, т. 40, № 6, 2006. 12

«История Солнца» : наши возможности Временные шкалы: • 100 -150 лет – Служба Солнца • 400 лет – инструментальные наблюдения • 1000 -2000 лет – «proxies» • Сверхтысячелетняя шкала (Голоцен) – 14 С (10 Be) 13

Реконструкция индексов солнечной активности на больших временных шкалах: связи индексов друг с другом Пример: реконструкция СА по относительной концентрации радиоуглерода в естественных архивах 14

Общие подходы к задаче реконструкции индексов солнечной активности на большой временной шкале • MSR - Метод кратномасштабных регрессий. Вейвлет-преобразование: • DPS – Метод разложения по компонентам псевдофазового пространства Ref: Nagovitsyn Yu. A. et al - Solar Physics, 224, 2005. 15

Ряд суммарного пятенного магнитного потока Ф (t) на 400 -летней временной шкале 16

Ряд индекса крупномасштабного магнитного поля A(t) на 400 -летней временной шкале 17

«История Солнца» : наши возможности Временные шкалы: • 100 -150 лет – Служба Солнца • 400 лет – инструментальные наблюдения • 1000 -2000 лет – модели, «proxies» • Сверхтысячелетняя шкала (Голоцен) – 14 С (10 Be) 18

Среднегодовые данные на тысячелетней шкале: «Нелинейная версия W» Ref: Nagovitsyn Yu. A. A nonlinear mathematical model for the Solar cyclicity and prospects for reconstructing the Solar activity in the Past. // Astronomy Letters. Vol. 23. No. 6. PP. 742 -748. 1997. 19

Солнечная активность на 1000 -летней временной шкале ( «нелинейная версия W» ) 20

«Свидетели» поведения солнечной активности в последние два тысячелетия SONE – Солнечные пятна, замеченные невооруженным глазом CARS – Вариации концентрации радиокарбона по Стюйверу AURA – Полярные сияния NOMO – Нелинейная модель (Schove-Nag) И др. : 10 Be, археомагнитные данные … «Принцип свидетелей» : только на основе сравнения различных данных можно говорить о надежности реконструкций 21

Двухтысячелетняя шкала: MSR-метод + принцип свидетелей 22

«История Солнца» : наши возможности Временные шкалы: • 100 -150 лет – Служба Солнца • 400 лет – инструментальные наблюдения • 1000 -2000 лет – «proxies» • Сверхтысячелетняя шкала (Голоцен) – 14 С (10 Be) 23

Сверхтысячелетняя шкала: MSR-метод 24

http: //www. gao. spb. ru/english/database/esai/ Результаты реконструкции поведения СА на различных временных шкалах: Extended time series of Solar Activity Indices (ESAI) – база данных о солнечной активности (СА), включающая, в частности, новые временные ряды для изучения изменений солнечного магнитного поля и его влияния на Землю на длительных временах. 25

II. Геомагнитная активность: вековые тенденции и солнечные источники возмущений 26

Геомагнитная активность и межпла-нетное магнитное поле: вопросы • Изменения ММП на длительных временных шкалах: уникальны ли тенденции последних 100 лет? • Геомагнитная активность: какие индексы предпочтительнее для описания? • Каков относительный вклад различных солнечных источников геомагнитной возмущенности? 27

• аа-индекс Майо. Локвуд и др. , Nature (1999): межпланетное магнитное поле увеличилось за 20 -е столетие в два раза, т. е. на 100% (!) 28

• Свальгаард, Клайвер, 2005: критика калибровки аа- с 60 -х годов IDV (Inter. Diurnal Variability index) -индекс. Связь с u-мерой Бартельса ( = 0. 95). Ряд IDV-индекса с 1872 г. = 0. 86 Вывод С&К: ММП увеличилось на 20 % с 1900 по 1960 гг. 29

От простой регрессии к MSR (multiscale regression method) B =B (IDV) Moberg, Sonechkin etal, Nature, 2005 30

Реконструкция ряда напряженности ММП по MSR методу с 1872 г. 31

MSR-реконструкция ММП на 400 летней шкале Свальгаард, Клайвер, 2005 32

Реконструкция ряда напряженности ММП по MSR методу на 400 -летней шкале 33

Частота различных значений ММП на тысячелетней шкале 34

Первые выводы • При поисках связей между солнечными, геомагнитными индексами и ММП необходимо учитывать дифференциальный характер связей на различных временных масштабах • Увеличение напряженности ММП в 20 -м веке составило не 100%, как полагал Локвуд, не 20% за первые 60 лет 20 -го века, как полагали Свальгаард и Кливер, а ~ 40% c 1900 по 1960 гг. • Высокие значения ММП, такие как в середине 20 века, – не уникальное явление 35

Солнечные источники геомагнитной возмущенности: Ричардсон и др. , 2002 Вопрос: • Каков относительный вклад в общую геомагнитную возмущенность крупномасштабной и низкоширотной компонент солнечного магнитного поля? Ref: Наговицын Ю. А. Письма в АЖ, № 5, 2006 36

«Крупномасштабные» и низкоширотные источники геомагнитных возмущений (аа-индекс) 37

Свойство на заметку • NB: Нехватка чувствительности u-индекса (а, следовательно, и связанного с ним IDV) к рекуррентной активности, вызванной высокоскоростными потоками от корональных дыр [Neupert и Pizzo, 1974; Crooker, и Cliver, 1994; Nevanlinna, 2004] 38

Относительный вклад крупномасштабного м. п. Солнца в геомагнитную возмущенность 39

Выводы к части II: продолжение • аа- и IDV- индексы представляют собой различные параметры, по разному отражающие характер их солнечных источников, так что ааиндекс в большей степени обусловлен высокоскоростными потоками солнечного ветра, связанными с корональными дырами, чем IDV. • IDV-индекс лучше отражает изменения ММП • В зависимости от характера решаемых задач надо использовать разные индексы. 40

Основной результат по частям I и II: • • • Произведена реконструкция поведения основных физических параметров Космической Погоды на 400 -летней – 1610 -2005 гг. – временной шкале (база данных RSW-400), включающая в себя: полный пятенный магнитный поток Солнца открытый магнитный поток Солнца диполь-октупольный индекс крупномасштабного магнитного поля аа- и IDV- индексы геомагнитной возмущенности напряженность межпланетного магнитного поля Произведены также реконструкции на более длительных временных шкалах. 41

III. Солнечная активность и климат Земли 42

Климатообразующие факторы: • • • Атмосфера Гидросфера Литосфера Криосфера Биосфера Солнце (светимость, солнечная активность) 43

Долгопериодические изменения СА и климата Земли Ref: Nagovitsyn Yu. A. et al - Solar Physics, 224, 2005. 44

Задача в рамках проблемы «Космический Климат» : • Каков вклад солнечной активности в изменения климата? Подход: Модель: 45

Шесть тысячелетних моделей климата 46

Вклад в изменения климата солнечной активности для разных временных шкал 47

Вклад в вариации земного климата СА для разных врем. шкал: среднее по 5 реконструкциям 48

Вклад в вариации земного климата солнечной активности для разных временных шкал 49

Надежность современных реконструкций СА и климата Средняя температура Земли Солнечная активность 50

Выводы: • В последние 5 -10 лет достигнут определенный прогресс в реконструкции поведения СА в прошлом. • Необходимы дальнейшие усилия по составлению надежной климатической реконструкции. • Только надежные данные могут ответить на вопросы о связи солнечной активности и климата Земли. 51

Спасибо за внимание ! 52

53

Реконструкции и прогнозы П р о ш л о е 400 -10000 лет Отдельные разрозненные косвенные данные Настоящее Прогноз (данные) Реконструкция 100 -150 лет Будущее Задача экстраполяции Нет данных 5 -100 лет 54

«Линейная» парадигма мультигармонические процессы - Процесс может быть представлен в виде суммы (необходимого числа) гармонических компонент. - Т. к. синусоиды глобально заданы, задача экстраполяции – корректна. - Три проблемы: а) соотношение сигнал-шум б) гармонические компоненты большого периода в) а действительно ли данный процесс - 55

«Нелинейная» парадигма квазигармонические процессы - Процесс может быть представлен в виде суммы гармонических компонент только для интерполяции поведения на ограниченном временном промежутке. Экстраполяция в этом смысле не корректна. - Фундаментальные параметры: число (нелинейных) степеней свободы, К-энтропия (1/время предсказуемости поведения). - Перспективы рационального описания: а) соотношение амплитуда-частота б) построение аттрактора в (псевдо-)фазовом пространстве (нахождение числа задающих уравнений и характерных времен расходимости траекторий) в) отслеживание мультимасштабных связей 56

Перспективы рационального описания а) соотношение амплитуда-частота Правило Вальдмайера: толкование б) построение аттрактора Связь реконструкции аттрактора и «наблюдаемой» . Индексы. в) отслеживание мультимасштабных связей Проблема наблюдательных данных. 57

Выводы: 1. Мы должны примириться с мыслью, что процессы СА и климата – нелинейные, а значит, простых и очевидных решений в задачах реконструкции нет. 2. Из-за нелинейности процессов мы не можем составить точные прогнозы поведения (горизонт предсказуемости). В лучшем случае возможны лишь сценарии. 3. В задачах реконструкции поведения СА достигнут определенный прогресс, связанный с использованием всего комплекса имеющихся данных и применением нелинейных математических методов. 4. Основной задачей сейчас является составление адекватной климатической реконструкции. 58

59

Средняя версия ряда площади пятен ( S½) в Маундеровском минимуме (по четырем источникам данных = «свидетелям» ) 60