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

2 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»

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

4Цели - 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.

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

6 Проблема наблюдательных данных

7 Методы и подходы: а) Переход от традиционных статистических индексов (числа Вольфа, числа групп пятен и т.п.) к физическим пара- метрам (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).

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

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

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

11 Сравнение кисловодской и американской систем измерений площади пятен гг.: гринвичские и пулковские (кисловодские) среднемесячные площади пятен имели линейную корреляцию 99.4% !

12 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: 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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

22 Двухтысячелетняя шкала: MSR-метод + принцип свидетелей

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

24 Сверхтысячелетняя шкала: MSR-метод

25 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.

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

27 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?

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

29 Свальгард, Клайвер, 2005: критика калибровки а- с 60-х годов IDV ( InterDiurnal Variability index ) -индекс. Связь с u-мерой Бартельса ( = 0.95). Ряд IDV-индекса с 1872 г. Вывод С&К: ММП увеличилось на 20 % с 1900 по 1960 гг. = 0.86

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

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

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

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

34 Частота различных значений ММП на тысячелетней шкале

35 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 Свальгард и Кливер, а ~ 40% c 1900 по 1960 гг. Высокие значения ММП, такие как в середине 20 века, – не уникальное явление

36 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

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

38 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]

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

40 Выводы к части II: продолжение а- и IDV- индексы представляют собой различные параметры, по разному отражающие характер их солнечных источников, так что а- индекс 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.

41 Основной результат по частям I и II: Произведена реконструкция поведения основных физических параметров Космической Погоды на 400-летней – 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 а- и IDV- индексы геомагнитной возмущенности напряженность межпланетного магнитного поля Произведены также реконструкции на более длительных временных шкалах.

42 III. Солнечная активность и климат Земли

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

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

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

46 Шесть тысячелетних моделей климата

47 Вклад в изменения климата солнечной активности для разных временных шкал

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

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

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

51 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.

52 Спасибо за внимание !

53

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

55 «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 - мультигармонический?

56 «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

57 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.

58 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.

59

60 Средняя версия ряда площади пятен ( S ½ ) в Маундеровском минимуме (по четырем источникам данных = «свидетелям»)