Вопрос о связи урожаев сельскохозяйственных культур с солнечной активностью имеет длинную историю. Известно, что еще в III в. до н. э. Катон Старший, римский писатель, заметил, что цены на рожь зависели от солнечной активности (от «помрачения Солнца»). При высокой солнечной активности урожаи ржи были лучше и поэтому цены на рожь снижались. Во времена Галилея эту проблему обсуждал Батиста Балиани. Он высказал предположение о влиянии солнечных пятен на Землю.
Казалось естественным, что потемневшие участки поверхности Солнца (пятна) излучают меньше солнечной энергии. Поэтому чем больше пятен, тем заметнее охлаждение Земли, которое оказывает влияние на растительный мир. Откуда было знать в то время, что пятна являются источником солнечной энергии, которая переносится к Земле невидимыми потоками заряженных частиц.
Английский астроном Вильям Гершель также интересовался, как количество пятен на Солнце может влиять на развитие растений. Что такое влияние имеется, он не сомневался. Это было в XVIII в., когда существование 11-летнего цикла солнечной активности еще не было установлено. Но было достоверно известно, что количество пятен на Солнце меняется от года к году. Чтобы внести ясность в данный вопрос, Гершель сопоставил собранные им данные о солнечных пятнах почти за двести лет с рыночными ценами на пшеницу. Связь оказалась в принципе очень простой и четкой — цены были тем меньше, чем выше была солнечная активность. При высокой солнечной активности климат становится более влажным, поэтому урожаи пшеницы лучше, а рыночные цены на нее ниже.
Впоследствии этим вопросом занимались многие исследователи. Было установлено, что развитие растений (а значит, и урожаи) тесно связано с уровнем солнечной активности. Конечно, это справедливо не только для ржи и пшеницы. Так, качество вина и урожаи винограда связаны определенным образом с уровнем солнечной активности. Более детальные исследования показали, что связь между солнечной активностью и ростом растений зависит и от местных особенностей климата, как это мы уже видели в случае деревьев и кустарника. Причем солнечная активность влияет на рост растений не только через изменение количества осадков и температуры, но и другим, более окольным путем, — через болезни сельскохозяйственных культур. Если солнечная активность усиливает вредоносность болезней растений, то их рост и урожайность будут от этого страдать.
В разных регионах это влияние солнечной активности на вредоносность болезней растений (например, бурой ржавчины пшеницы) различно. Поэтому будет отличаться и конечный результат, то есть урожайность сельскохозяйственных культур в разных регионах. Но всегда неизменно она выявляет связь с солнечной активностью. Но в одних случаях эта связь положительная, а в других отрицательная. Это и затрудняло решение данного вопроса.
Влияние магнитного поля на растения
О том, что магнитное поле оказывает влияние на рост и формирование растений, можно убедиться очень просто. Все растения на Земле находятся в магнитном поле Земли. Можно убедиться, что растения, которые свободно развиваются, ориентируются в направлении южного магнитного полюса. Другими словами, корни растут преимущественно в этом направлении. Этот эффект зависимости роста растений (или их частей) от магнитного поля был назван магнитотропизмом растений (тропос — направление). Этот эффект у растений изучался очень подробно как в естественных условиях, когда растения развивались в магнитном поле Земли, так и в условиях, созданных искусственно, когда величина и направление магнитного поля, действующего на растения, изменялись. Во всех случаях растения не оставались безучастными к влиянию магнитного поля. Их реакция зависела от направления магнитного поля. В частности, от направления магнитного поля относительно зародышей семян зависят функционально-биохимические свойства растений, развившихся из семян. Так, если ориентировать корешки зародыша пшеницы в направлении южного магнитного полюса, то все растение (и корни и стебли) развивается более эффективно, нежели в случае ориентации корешков зародыша в направлении северного магнитного полюса.
Тип растения определяют и по тому, как развиваются во времени определенные процессы в растении, которые связаны с его функционированием, или, другими словами, по тому, какая ритмика характерна дня этих процессов. Например, лепестки могут располагаться так, что, переходя от одного лепестка к другому, мы будем двигаться по ходу часовой стрелки. Это растение является дисимметричным — «правым» (часовая стрелка движется вправо). Те растения, у которых лепестки расположены в обратном направлении, — являются «левыми» (но, естественно, тоже дисимметричными). Имеется и много других признаков, по которым можно определить, к какому типу относится данное растение. Любопытно, что принадлежность данного растения к определенному типу не является вечной. По истечении определенного времени растения одного типа (например, левые) могут стать растениями другого типа (правами). Представляет интерес не только сам этот факт, но и особенно то, что время такого перерождения равно примерно 11 годам, то есть соответствует длительности цикла солнечной активности! Это не случайно. 11-летний цикл солнечной активности сопровождается таким же по продолжительности циклом магнитной активности, а изменение магнитного поля (в этом проявляется магнитная активность) оказывает влияние на развитие и структуру растений. Влияние магнитного поля (его изменчивости и направления) изучалось очень глубоко многими исследователями. В результате было доказано, что смена дисимметрии цветков у растений действительно следует в строгом соответствии с изменением магнитного поля Земли. Выполненные исследования достоверно доказали, что магнитное поле, вообще, и магнитное поле Земли, в частности, несомненно, влияет на дисимметрию растений. Развитие растения в магнитном поле зависит не только от ориентации магнитного поля относительно самого растения (или его зародыша), но от типа дисимметрии растения. Например, было показано, что если семена растений, относящиеся к левому типу, ориентировать кончиком зародышевого корешка к южному магнитному полюсу Земли, то из них произрастут растения, которые растут более быстро, имеют более высокую ферментативную активность. Содержание хлорофилла в этих растениях больше. В результате всех этих факторов урожайность ориентированных указанным образом растений выше примерно на 13—52%. Чтобы получить такой же качественный эффект для правых растений, их зародыши необходимо ориентировать в противоположном направлении, то есть к северному магнитному полюсу. Разные физиологические процессы в растениях разных типов характеризуются разной зависимостью (как качественно, так и количественно) от магнитного поля.
Связь урожайности и солнечной активности
По данным об урожайности зерновых хлебов в России с 1801 по 1915г. следует, что неурожайные годы чаще совпадают с минимумами солнечной активности. Наибольшие неурожаи приходились на 1810, 1823, 1833 и 1853 гг., которые в точности соответствовали минимумам солнечной активности.
Связь между урожайностью и солнечной активностью осуществляется прежде всего через атмосферную циркуляцию, от которой зависит число осадков и температура. Но, как мы уже видели, связь между солнечной активностью и атмосферной циркуляцией меняет свой характер (знак) примерно каждые 40 лет. В один сорокалетний период увеличение солнечной активности приводит к увеличению температуры воздуха, а в другие, соседние с этими, к уменьшению. Изменяется от периода к периоду и характер осадков. Поэтому естественно, что в разные 40-летние периоды и связь между урожайностью и солнечной активностью будет различной. Это необходимо учитывать как при анализе данных, так и при составлении прогнозов. Здесь очень важно учитывать региональные особенности, поскольку в разных регионах влияние атмосферной циркуляции по-разному влияет на количество осадков, температуру, гидрологический режим и т. д. Так, было показано, что на Европейской территории России большие неурожаи (связанные с сильными засухами) имели место в те годы, когда магнитная активность росла (восходящая ветвь кривой магнитной активности) или же при максимальной магнитной активности.
Анализ данных о засухах за это же время в Казахстане показал, что там сильные засухи имели место только в те периоды, когда солнечная (магнитная) активность уменьшалась, то есть на ветви спада магнитной (и солнечной) активности, а также при спокойном магнитном поле Земли, во время минимальной солнечной активности. Практически все 100% засух в Казахстане за период 1888—1955 гг. приходятся на указанные выше периоды. При максимальной солнечной активности засух в Казахстане в указанный период не было, тогда как на минимумы солнечной активности их приходилось почти половина (43%).
По данным об урожаях в Оренбургской области за 100 лет (1864—1960 гг.) четко прослеживается циклическое изменение урожайности пшеницы. Но эти колебания не следуют в точности изменениям солнечной активности. В начале указанного периода максимальная урожайность приходилась на время минимальной солнечной активности. После этого произошел сдвиг по фазе: наибольшие урожаи пшеницы имели место при максимальной солнечной активности. Такая зависимость наблюдалась в продолжение 30 лет, после чего фазовые отношения изменились. Но цикличность урожаев пшеницы осталась четко выраженной.
Эти результаты очень поучительны. Они свидетельствуют о том. что зависимость урожайности от солнечной активности не следует понимать упрощенно и ждать, что раз увеличилась солнечная активность, то увеличится и урожайность. Чтобы действительно понять, а тем более предсказать связь урожайности с солнечной активностью, надо обязательно учесть все факторы, которые оказывают влияние на рост растений и в свою очередь зависят от солнечной активности. Надо учитывать влияние различных циклов солнечной активности, их сочетания. И само собой разумеется, надо проводить весь этот анализ с учетом местных, региональных, особенностей. Эти особенности проявляются как в атмосферной циркуляции, так и в атмосферных процессах вообще.
Можно выделить прямое и опосредствованное влияние солнечной активности на растения. Типичным примером прямого влияния является фотосинтез. Без солнечного света он невозможен. Солнечный свет является одним из наиболее важных для жизни растений экологических показателей. Он поглощается хлорофиллом и используется при построении первичного органического вещества. Лучистая энергия Солнца действует на клетки растения непосредственно.
Примером опосредствованного влияния является зависимость толщины годичного прироста деревьев от солнечной активности. В данном случае, по мнению учёных, космические факторы изменяют атмосферную циркуляцию (количество осадков и температуру воздуха), что приводит к изменению климата, а эти изменения, в свою очередь, влияют на развитие растений. Мы же видим только конечный результат — толщину годичного кольца данного дерева.
Этой проблемой подробно занимался А. Дуглас. Он стремился выбирать долгоживущие деревья, что дало ему возможность проследить влияние солнечной активности на рост деревьев в течение веков и даже тысячелетий. Первое, на что обратил внимание Дуглас, было то обстоятельство, что на срезах секвойи, имеющих тысячи годичных колец (3200 лет), обычно чередуются годичные кольца быстрого роста (большой толщины) и годичные кольца медленного роста (тонких). Исследования показали, что при минимальной активности Солнца растения развиваются быстрее. Надо иметь в виду, что развитие растения зависит и от типа данного леса, и от температуры во время вегетационного периода, и от увлажнённости леса. Однако, несмотря на все это, во всех изменениях годичных колец различных деревьев выявляется определенная их зависимость от солнечной активности.
Следует еще указать на один фактор, оказывающий влияние на рост растений. Это деятельность микроорганизмов в почве. Их роль в жизни растений огромна, так как они задерживают азот в почве. Азот вносится в почву вместе с удобрениями. Здесь он превращается в молекулярную форму, после чего денитрифицирующие бактерии выводят его быстро из игры и в дальнейшем в развитии растений он не участвует. Было показано, что жизнь (в частности численность) микроорганизмов (аммонифицирующих бактерий) зависит от солнечной активности. Раньше считалось, что микроорганизмы прекращают свою работу с окончанием вегетационного периода. Но оказалось, что это не так. Микроорганизмы в почве способны успешно функционировать даже в сильно промерзшей почве. Причем эффективность их деятельности (размножения) зависит от солнечной активности. Образно говоря, солнечная активность сама удобряет почву. В зависимости от солнечной активности (не от температуры и влажности почвы!) изменяется численность различных микроорганизмов, таких как аммонифицирующие и нитрифицирующие бактерии, аэробные целлюлозоразлагающие бактерии и водоросли, которые используют в своей деятельности нитраты (а не только аммиак почвы).
Так, с ростом солнечной активности с начала 1966 г. численность нитрифицирующих бактерий увеличилась примерно в 10 раз и в последующие годы оставалась очень высокой. Одновременно (одномоментно!) изменилась численность и других указанных выше бактерий. Роль этих процессов в жизни растений можно понять на основании таких данных. Азот вносится в почву с удобрениями, но выносится азот из почвы больше, чем вносится, — получается большой дефицит азота в почве. Ликвидировать его и помогают микроорганизмы, которые фиксируют азот. Поэтому их называют азотфиксирующими организмами. Без учета деятельности этих микроорганизмов невозможно понять процессы, протекающие в почве. Численность микроорганизмов в окультуренной почве огромна. Примерно 5—6 тонн микробных клеток содержится на площади всего в 1 га. Речь идет о пахотном слое.
Влияние солнечной активности на численность микроорганизмов в почве является в определенной мере прямым, непосредственным. Это надо понимать следующим образом. Когда солнечная энергия, переносимая к Земле, вызывает изменения в погодном слое атмосферы, которые в свою очередь окажут влияние на рост растений, то говорят о косвенном, опосредствованном влиянии солнечной активности на жизнь растений. Надо иметь в виду, что сама солнечная энергия по пути от Солнца к погодному слою атмосферы Земли много раз меняет свою форму. Когда солнечное излучение непосредственно влияет на растения, то такое влияние является несомненно прямым.
При подготовке статьи использовалась литература: Дуглас А. Жизнь, вселенная и всё остальное / А. Дуглас. – СПб.: Эксмо, 2002. – 324 с., Ю. В. Мизун, Ю. Г. Мизун «Тайны будущего» М.: Вече, 2000