Солнце — основной внешний источник энергии для системы Земля–атмосфера. Энергия, излучаемая Солнцем, охватывает широкий спектр электромагнитных волн: от рентгеновского и ультрафиолетового излучения до инфракрасного и радиоволн. Основная часть энергии поступает в виде коротковолнового (в основном видимого и ближнего ИК) излучения.
Однако наиболее существенное влияние на верхние слои атмосферы оказывают ультрафиолетовое (УФ), экстремальное ультрафиолетовое (EUV) и рентгеновское излучение. Эти компоненты спектра подвержены значительным колебаниям в зависимости от фазы солнечного цикла и проявлений солнечной активности: солнечных вспышек, корональных выбросов массы и т.п.
Солнечная активность подчиняется 11-летнему циклу, в течение которого изменяется количество пятен на солнечной поверхности, уровень УФ- и рентгеновского излучения, частота солнечных вспышек и интенсивность солнечного ветра. На протяжении одного цикла могут происходить десятки крупных вспышек, сопровождаемых выбросами высокоэнергетичных частиц и корональных масс. Эти явления радикально изменяют физические условия в околоземном космосе.
Фаза максимума солнечной активности характеризуется:
Солнечный ветер — это поток плазмы (главным образом протонов и электронов), исходящий от Солнца со скоростью 300–800 км/с. Вместе с ним в межпланетное пространство проносится замерзшее в плазме магнитное поле — межпланетное магнитное поле (ММП). Эти структуры, достигая Земли, взаимодействуют с магнитосферой, возбуждая в ней токи, вызывая деформации её формы и инициируя каскад сложных процессов во всей системе «Солнце–магнитосфера–ионосфера–атмосфера».
Особенно важным параметром является ориентация южной компоненты ММП (Bz). При Bz < 0 наблюдается эффективное «сцепление» солнечного ветра с магнитосферой Земли, что приводит к возмущениям магнитного поля и развитию геомагнитных бурь.
Геомагнитная буря — это результат крупномасштабного возмущения магнитосферы, вызванного взаимодействием с возмущённым солнечным ветром, как правило, вследствие корональных выбросов массы. Буря сопровождается усилением токов в различных магнитосферных структурах (кольцевой ток, токи Биркеланда и др.), возмущениями в ионосфере и появлением полярных сияний.
Ключевые эффекты геомагнитных бурь:
Ионосфера особенно чувствительна к колебаниям ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Под их воздействием происходит ионизация атомов и молекул атмосферы, в первую очередь кислорода и азота. Изменения в уровнях ионизации приводят к:
Полярные сияния — результат взаимодействия высокоэнергетичных частиц солнечного происхождения с верхними слоями атмосферы в высоких широтах. При вхождении этих частиц в атмосферу они возбуждают молекулы и атомы, преимущественно кислорода и азота, вызывая характерное свечение.
Полярные сияния наблюдаются преимущественно в овалах авроральной активности, которые расширяются к экватору при усилении магнитной бури. Сияния являются индикатором сложных токов и перераспределения энергии в системе магнитосфера–ионосфера.
Наряду с оптическими эффектами наблюдаются также:
Влияние солнечной активности на атмосферу и климатические процессы может проявляться и на долгосрочных временных масштабах. Мау́ндеровский минимум (1645–1715 гг.) — период почти полного отсутствия солнечных пятен — совпал с «малым ледниковым периодом» в Европе. Хотя причинно-следственные связи остаются предметом научной дискуссии, существует несколько механизмов, через которые солнечная активность может оказывать влияние:
Космические лучи — высокоэнергетичные частицы галактического и солнечного происхождения, проникающие в атмосферу Земли. Их интенсивность обратно пропорциональна уровню солнечной активности, так как при высоком уровне активность гелиосфера эффективнее экранирует галактические частицы.
Космические лучи ответственны за ионизацию в нижней стратосфере и тропосфере, что может влиять на микрофизику облаков, атмосферную электризацию и генерацию разрядов. Также ведутся исследования возможной корреляции между потоком космических лучей и уровнем облачности.
Энергия, поступающая от Солнца во время вспышек и выбросов, может в отдельных случаях превышать типичное радиационное поступление в несколько раз. В частности:
Эти процессы играют ключевую роль в оценке устойчивости атмосферы, её химической эволюции и поведении в различных климатических сценариях.