Физические процессы, происходящие на Солнце, приводят к образованию на его поверхности областей с температурой, пониженной по сравнению с остальной поверхностью на 6 °С. Эти области называются солнечными пятнами, и когда их особенно много, возникает уменьшение инсоляции примерно на 0,1 %. Такое уменьшение в течение нескольких лет может иметь заметные климатические последствия. Поэтому процессы пятнообразования, которые называют солнечной активностью, привлекают большое внимание специалистов.
Вопросы влияния солнечной активности на приземный климат все еще остаются дискуссионными. Хотя многие ученые являются энтузиастами влияния этого фактора и приписывают ему происхождение почти всех колебаний современного климата и колебаний климата геологического прошлого. Влияние же этого фактора на процессы самых верхних слоев атмосферы и на колебания магнитного поля Земли сомнений не вызывает.
В чем суть явлений солнечной активности и почему ее роль в формировании климата вызывает столь резкие споры?
Известно, что структура внешних оболочек Солнца, откуда поступает энергия к Земле, имеет весьма сложное строение. Фотосфера, являющаяся основным источником излучаемой энергии, нагретая (судя по спектру) до температуры около 6000 К по отношению к земному наблюдению, совершает оборот примерно за 27 сут. Она практически непрозрачна. Выше располагается более прозрачная плазма − хромосфера, в спектре которой наблюдаются линии эмиссии ряда металлов и сильно разреженная, но нагретая до чрезвычайно высоких температур солнечная корона. Граница солнечной короны с космическим пространством несколько условна. Разрежаясь, она распространяется на огромные расстояния, а потоки плазмы, исходящие из короны, достигают Земли, вызывая явления так называемого солнечного ветра и образуя в околоземном пространстве магнитные поля солнечного происхождения.
В фотосфере происходит вихревой, в том числе конвективный обмен с нижерасположенными слоями Солнца. Это создает неравномерность распределения температур в прилегающих к солнечному экватору областях до широт 30° и замкнутые области пониженных температур − более темные солнечные пятна. Их окружают более нагретые по сравнению со средним фоном для фотосферы − факелы. Соотношение между площадями пятен и факелов может несколько менять солнечную постоянную (по современным спутниковым данным, до 0,3 %). Кроме того, в "активных" областях Солнца развиваются мощные магнитные поля. Явление пятен в общем не обязательно для проявления солнечной активности, эффект ее обнаруживается для «активных долгот» Солнца и при отсутствии пятен. В периоды истории, когда пятна несколько десятилетий практически не появлялись вовсе (минимум Маундера), некоторые проявления солнечной активности продолжались. Однако в первом приближении солнечную активность все же оценивают по индексу солнечных пятен и их групп (индекс Вольфа).
Иногда в активных областях Солнца возникают особенно яркие объекты с выбросами материи. Они захватывают не только фотосферу, но и более высокие части солнечной атмосферы − это так называемые солнечные вспышки, сопровождающиеся образованием мощных потоков α−частиц и ионизированных протонов (корпускулярные излучения). Энергия этих выбросов делает их подобными космическим лучам галактического происхождения. Если эти потоки достигают околоземного пространства, там возникают магнитные бури и другие явления.
Активные области Солнца могут вызывать как отдельные возмущения в околоземном пространстве, так и образовывать многолетний фон. На этом фоне развиваются отдельные циклы. Наиболее известен 11−летний цикл солнечных пятен. В этом цикле свыше 90 % дисперсии характеризует регулярные колебания, остальные относятся к флюктуациям. Хотя этот процесс близок к периодическому, продолжительность отдельных циклов меняется от 8 до 15 лет.
В начале развития 11−летнего цикла активные области зарождаются в области 30−40° гелиографической широты и на протяжении цикла возникают на близких к солнечному экватору областях до широт 7,5−12,5°, после чего затухают. Поскольку условия для попадания в околоземное космическое пространство волнового и корпускулярного излучений лучше при меньшей широте активных областей, влияние солнечной радиации на магнитное поле Земли (индекс магнитной возмущенности) запаздывает по сравнению с максимумом пятнообразовательной деятельности, смещаясь иногда даже на эпоху минимума чисел Вольфа. По-видимому, это относится и к другим проявлениям солнечной активности в атмосфере Земли. В каждом последовательном 11−летнем цикле меняется полярность магнитного поля ведущих пятен активных областей, причем одновременно меняются и геофизические проявления цикла, т.е. формируется 22−летний цикл. Наконец, на протяжении 80− 90 лет уровень пятнообразовательной деятельности существенно колеблется, образуя вековой цикл (по косвенным данным его длительность может меняться на протяжении тысячелетий от 30 до 120 лет).
Солнечная активность воздействует на магнитное поле Земли, меняет существенно температуру в ионосфере при условии, что возмущения ультрафиолетовой и корпускулярной радиации достигают околоземного пространства. В отношении нижних слоев атмосферы мнения расходятся. Обнаруживаются связи экстремальных явлений погоды с солнечными вспышками, изменения глубины барических образований на протяжении солнечных циклов, небольшие перераспределения (особенно в низких широтах) и т.д. Однако статистически их достоверность оказывается трудно проверить, так как эти связи неустойчивы. Они могут проявляться длительное время, а потом исчезнуть. Изменение знака связи ряда земных явлений с солнечной активностью или полное исчезновение связи не позволяет ее обнаружить простейшими методами спектрального анализа. Применение более подходящих методов требует, помимо необходимости выяснения причин подобных явлений в климатической системе или на Солнце, также и больших периодов наблюдений и более сложной обработки, без чего трудно отличить отсутствие связи при близких периодах колебаний в циклических процессах от сложных проявлений реальной связи при различных состояниях климатической системы.
Вековые колебания метеорологических величин, совершаются в значительно более широком диапазоне, чем длительность конкретного векового колебания солнечной активности. К тому же, стремясь преодолеть эти трудности, энтузиасты солнечно−земных связей применяют нестрогие методы их обнаружения, вызывая критику противников указанных связей. Аргументом противников этих связей является и то, что энергетическая мощность явлений солнечной активности невелика. Мощность корпускулярных потоков составляет около 0,1 % солнечной постоянной (однако они могут фокусироваться в магнитных полях и в отдельных случаях увеличивать свою интенсивность в десятки или сотни раз). Мощность изменений радиации (за счет различия площадей пятен и факелов) по спутниковым данным может достигать 0,3 % солнечной постоянной. Если окажется, что подобные различия сохранятся десятилетиями, это может вызвать заметные изменения климата, но период наблюдений для выявления возможности длительных колебаний солнечной постоянной пока слишком короткий. Не исключена вероятность того, что солнечная активность может являться спусковым механизмом при неустойчивом состоянии климатической системы, но и этот вопрос остается мало исследованным.
В то же время имеется довольно большое количество связей, которые пока устойчивы или в которых обращение связей может быть учтено, это связь с 11−летним циклом осадков в ряде районов низких широт. Довольно тесные связи с 22−летним циклом увлажнения в ряде районов умеренных широт, близкие к 90−летним колебаниям температур в Гренландии за многие сотни и тысячи лет, обнаруживаются по изотопному составу ледников (Климатология, 1989).