WWW.KNIGA.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА - Книги, пособия, учебники, издания, публикации

 


Pages:     | 1 || 3 |

«1 This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95. Центр гидрометеорологической службы при Кабинете Министров Республики Узбекистан ...»

-- [ Страница 2 ] --

Оказалось, что в течение времени, соизмеримого с геологическими масштабами, эксцентриситет e изменяется в пределах 710-4 – 6,5810-2, т.е. на два порядка (!), с периодами 0,1, 0,425 и 1,2 млн. лет. Наклон e орбиты к плоскости экватора изменяется за указанный период времени в пределах от 22,068о до 24,568о с периодами около 41 и 200 тыс. лет. Отклонение значений esinП от его значений в 1950 году в пределах от +0, до – 0,07 со средним периодом около 21 тыс. лет. Указанные периоды колебаний параметров орбиты хорошо коррелируют с колебаниями климата в плейстоцене [10]. Эквивалентные широты по выполненным в [62] расчетам претерпевают значительные Астрономическая теория М. Миланковича нашла свое убедительное подтверждение на основе реконструкции климатических данных по результатам анализа содержания тяжелого изотопа кислорода dO18 в фораминиферах, видового состава радиоляриевых сообществ и относительного содержания цикладофора давизиана. Первый косвенный индикатор климата отражает изменения в изотопном составе океанской воды, связанные с возникновением и таянием ледников в северном полушарии. Второй - показывает колебания температуры Ts поверхности воды в прошлом. Третий – соленость воды. В работе [65] получены спектры колебаний параметров орбиты, инсоляции и указанных выше климатических индикаторов (рис 2.10). В спектре колебаний климатических индикаторов обнаThis document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

ружены максимумы на периодах 100 тыс. лет, второй по Рис. 2.10. Спектры колебаний астрономических параметров (а,б,в) и This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

Примечание (к рис. 2.10): 1- наклон оси, 2 – прецессия (а); инсоляция зимой на 55ос.ш. (б) и на 60ос.ш. (в). Внизу – спектры колебаний соответствующих климатических индикаторов за период 468 тыс. лет.

Первый из этих периодов очень близок к периоду изменения эксцентриситета орбиты при совпадающих фазах.

Второй период колебаний климатических индикаторов совпадает с периодом изменений угла наклона орбиты к плоскости экватора при сохранении постоянного соотношения фаз, т.е.

реакция климата на изменения угла наклона орбиты происходит с некоторым постоянным запаздыванием. Третий период соответствует квазипериодическому изменению величины esinП.

Именно изменениями параметров земной орбиты и наклоном земной оси уверенно объясняются глобальные колебания Причинная обусловленность вариаций солнечной активности вариациями скорости движения Солнца и силы гравитационного взаимодействия.





Выше говорилось, что выдвинутая в 20 годах прошлого столетия гипотеза сербского астрофизика Милютина Миланковича о том, что циклические изменения эксцентриситета орбиты Земли (ее эллиптичность), наклона оси ее вращения и ее прецессии могут вызывать существенные изменения климата на Земле. Эта гипотеза была, с большой убедительностью, подтверждена изотопными исследованиями. В своих изысканиях Миланкович в цепи причинно-следственных переходов «астрономические факторы – климат Земли», в качестве ключевого звена взял вариации параметров орбиты Земли, как факта, не рассматривая предыдущее звено, а именно: «что является причиной изменения параметров орбиты Земли?». По-видимому, ответ на этот вопрос не может изобиловать многочисленными гипотезами, а включает, с высокой степенью вероятности, лишь две возможности: изменения массы земли и атмосферы и изменения гравитационного взаимодействия в солнечной системе планет, This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

включая Солнце. Первая причина, физически вполне состоятельная (например, с учетом наблюденного факта расширения Земли [42]). Очевидно, что первая и вторая причины естественным образом связаны друг с другом. Однако первая из них не отвечает цикличному характеру изменения параметров орбиты Земли. Поэтому, с нашей точки зрения, решающей причиной, вызывающей квазипериодические вариации параметров орбиты Земли являются гравитационные вариации в солнечной системе. Этот вопрос не является новым, а предметно изучается на протяжении долгого времени. В основном, методология изучения этой проблемы построена на изыскании статистических связей между параметрами орбиты и рассматриваемых исследователями возмущающих факторов.

Однако статистические критерии не могут выявить причинноследственных переходов в рассматриваемой цепи событий.

Изучение взаимных спектров предполагаемых причинно - следственных процессов, хотя физически более обосновано, тем не менее, из-за наличия «математических» пиков в исследуемых спектрах вызывает определенные трудности в конечной интерпретации результатов. Кроме того, спектральный подход не может выделить в рассматриваемой физической системе «причину» и «следствие», а только их степень связи, например, на основе анализа спектра когерентности. Это выделение, в силу отсутствия, как это не парадоксально, в физических и математических науках, объективного критерия причинности, выполняется на интуитивном уровне исследователя. Действиительно, установление причинно - следственных связей является важнейшей задачей при построении модели изучаемых явлений.

Иначе говоря, принцип причинности является одним из универсальных физических принципов. При строгих теоретических проработках на основании этого принципа из множества математически возможных отбираются физически реализуемые варианты. Необходимость наличия объективного критерия для учета реально существующих причинных связей ощущали многие исследователи. Из них, наиболее целенаправленные исслеThis document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

дования, были выполнены в работах Г. Рейхенбаха [66], Д. Хейса [67] и Н. А. Козырева [68]. Однако и в этих работах что такое «причинная связь» оставалось неопределенным или, в лучшем случае, определялась на качественном уровне [68]. Этот барьер удалось преодолеть на базе аппарата причинного анализа, разработанного С. М. Коротаевым при участии автора настоящей работы [69,70]. Полученные в теории энтропийные параметры, составляющие основу причинного анализа, позволяют оценить, кроме собственно причинности, меру зависимости двух или более исследуемых процессов в наиболее общем виде. Вид зависимости произволен. Этим причинный анализ выгодно отличается от традиционных статистических методов, например, корреляционного анализа. Кроме того, универсальность причинного анализа состоит не только в произвольности исследуемых функций, но и в произвольности распределения вероятностей, в то время как методы математической статистики, как правило, требуют определенных гипотез относительно Формализация причинной зависимости (независимости) исследуемых процессов заключается в следующем [69,70]. Для наблюдаемых* X и Y через условные и безусловные энтропии** H вводятся функции независимости I:

«Наблюдаемые» - понятие, введенное в квантовой механике – физические объекты, которые можно непосредственно измерить.

Принято, что условные и безусловные энтропии изучаемых процессов известны в том смысле, что при заданных временных рядах This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

и определяется, что причиной X и следствием Y называются Теперь перейдем к рассмотрению основного вопроса данного подраздела - вариаций движения Солнца относительно центра масс Солнечной системы и выяснения их причинной связи с вариациями параметров орбиты Земли.

Примем, как гипотезу, что причиной изменения уровня солнечной активности являются вариации гравитационного взаимодействия Солнца с планетами. Далее проверим эту гипотезу, используя аппарат причинного анализа. Для его реализации в качестве показателя уровня солнечной активности используем среднегодовые величиины чисел Вольфа за период с 1749 по 2000 годы. В качестве показателя гравитационных возмущений – среднегодовые значения результирующей силы гравиитационного взаимодействия Солнца с планетами Fr и среднегодовые значения скорости движения Солнца Vr вокруг центра масс солнечной системы (без учета Нептуна и Урана) за тот Вариации скорости движения Солнца вокруг центра масс солнечной системы можно рассчитать на основании уравнения масса планет, соответственно, r = SC (рис. 2.11), G - гравитационная постоянная. Ось X направлена в точку весеннего равноденствия, ось Z - перпендикулярна плоскости небесного This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

экватора и направлена в сторону северного полюса мира, ось Y добавляет систему до правой.

Зная элементы орбиты на среднее равноденствие даты: L средняя долгота планеты; а - большая полуось; e - эксцентриситет; i - наклон орбиты к плоскости эклиптики; w аргумент перигелия; W - долгота восходящего узла, гелиоцентрические эклиптические координаты xg, yg, zg, определятся где b= a 1 - e 2, E - эксцентрическая аномалия, определяемая из уравнения Кеплера [71] в результате выполнения итерационной процедуры, l1,m1,n1, 12,m2,,n2 - направляющие косинусы:

This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

Перейдем к гелиоцентрическим экваториальным координатам Поскольку для Земли i=0, углы w и W не имеют определенного значения и, учитывая, что средняя аномалия и эксцентриситет орбиты у Земли такие же, как у Солнца, а средняя долгота и долгота перигелия Земли больше соответствующих величин для Солнца на 180о, гелиоцентрические экваториальные координаты для Земли вычислим по формулам:

где f = L - M ( M - средняя аномалия), r/ = a( 1- eCosE ) радиус вектор, v - истинная аномалия, определяемая из выражения Составляющие скорости движения Солнца Vx, Vy, Vz определялись интегрированием системы (2.12) для каждых суток рассматриваемого периода, а затем вычислялся модуль This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

результирующей скорости V= V x2 + V y2 + V z2 движения Солнца, как результат гравитационного взаимодействия с планетами. Изза больших возмущений в движении Урана и Нептуна эти планеты не рассматривались. В результате были получены среднегодовая результирующая сила гравитационного взаимодействия Солнца с планетами (Fr) и среднегодовые значения скорости движения Солнца (Vr) относительно центра масс солнечной системы за период с 1749 по 2000 годы. Вследствие указанных ограничений рассчитанные значения величин Fr и Vr являются приближенными, но очень близки к аналогичным, вычисленными другими авторами. В частности, в работе [72] рассчитаны среднегодовые изменения модуля скорости Солнца за период, совпадающий с нашим (рис. 2.12г) На рис. 2.12 приведен временной ход нормированных значений результирующей силы гравитационного взаимодействия Солнца с планетами (DFr), скорости движения Солнца вокруг центра масс солнечной системы (DVr) и чисел Вольфа (DW). На этом же рисунке приведены результаты расчета DVr, выполненные в работе [72]. Как видно из рисунка вариации среднегодовой скорости движения Солнца для обоих случаев Приведенный на рис.2.12 временной ход указанных характеристик имеет вид квазигармонических колебаний с параметрами, значение которых в фиксированный момент времени определяется ориентацией планет относительно друг друга и Солнца. Для выявления периода этих колебаний выполнен спектральный анализ временных рядов величин DFr, DVr, DW и взаимный спектральный анализ пар DW DFr, DW DVr.

Собственные спектры величин DW, DVr, DFr приведены на рис. 2.13. DW имеет два ярко выраженных известных максимума с периодами »80 и »11 лет; DVr - с периодом »22 года, DFr – с периодами »40, »11, »7 и »4 лет. Формально все указанные максимумы спектральных плотностей на соответствующих периодах попадают в доверительные границы, рассчитанные с 95%-ым уровнем значимости. Однако, со сто процентной уверенностью нельзя утверждать о реальности этих This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

максимумов, за исключением, пожалуй, максимумов на периодах 80, 11 лет и 22 года, которые были определены в работах многих исследователей. Такое положение дел при анализе данных на основе спектрального анализа, как уже выше отмечалось, связано с возникновением «математических» пиков, обусловленных зашумленностью данных и, отчасти, формализмом математического аппарата. Тем не менее, максимумы спектральной плотности на периодах 11 лет и 22 года в спектрах колебаний модуля среднегодового движения Солнца и силы гравитационного взаимодействия Солнца с планетами, совпадающие с вариациями солнечной активности (числами Вольфа), указывают на возможную их физическую причинную Рис. 2.12. Среднегодовые нормированные значения результирующей силы гравитационного взаимодействия Солнца с планетами (а), скорости движения Солнца (б) и (г [72] ), чисел Вольфа (в).

Для уточнения этого вопроса, на базе классического спектрального анализа [14,15] был выполнен анализ взаимных спектров. Взаимные спектры представлены на рис. 2.14. Анализ взаимных спектров, подверженных сглаживанию с помощью окна Хемминга [14,15], показал, что наибольший вклад в общую взаимную ковариацию между рассматриваемыми параметрами при нулевом запаздывании действительно вносят колебания с периодом 11 и 22 года. Значения коспектра, в основном, This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

оказались либо отрицательными, либо близкими к нулю в соответствии с тем, что общая ковариация отрицательна.

Для выяснения вопроса причинной физической обусловленности вариаций солнечной активности вариациями Fr и Vr был выполнен причинный анализ для пар DFr DW, DVr DW.

Напомним, что причинный анализ отличается от корреляционного анализа универсальностью - применим в равной степени к линейным и любым нелинейным типам зависимостей, а также возможностью количественной оценки степени причинной зависимости. Аналогом корреляционной функции в причинном анализе является функция зависимости 1 –I ( I – функция независимости (2.10)).

Нормированный спектр грав. взаим., SF (t) Нормированный спектр чисел Вольфа, SW (t) This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

Результаты расчета параметров причинности, выполненные для исходных рядов с временным сдвигом в диапазоне от - до +22 года с лагом 1 год, приведены на рис. 2.15. Сразу отметим, что для рассматриваемых пар параметр причинности достаточно высок, но во всем диапазоне временных сдвигов меньше единицы. Последнее означает наличие нормальной причинной связи между рассматриваемыми парами. Однако эта связь ослабляется наличием интегральной шумовой составляющей с достаточно высоким уровнем, в роли которой могут выступать любые физические процессы, в той или иной степени, влияющие на исследуемые пары. Поскольку аппарат причинного анализа равно пригоден для любых типов (линейных и нелинейных) зависимостей и любого распределения вероятностей, приведенные на рис. 2.15 оценки погрешностей вычисления параметра причинности получены не классическим методом (как это выполняется для вероятной ошибки в корреляционном анализе [73]), а определялись, как максимальная ошибка от поочередного зашумления исходных рядов 10по мощности) фликкер шумом 1/f [74] с спектральной плотностью, возрастающей с уменьшением частоты f.

This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

Рис. 2.15. а) - графическая иллюстрация причинной обусловленности вариаций солнечной активности (числа Вольфа) вариациями скорости движения Солнца (1) и его гравитационного взаимодействия (2), как функции временного сдвига; б) - е) - разности между параметром причинности, и им же, искусственно искаженным фликкер шумом разного Примечание к рис. 2.15: 3 – помеха в силе гравитационного взаимодействия – «причина»; 4, 6 – помеха в числах Вольфа – «следствие»; 5 – помеха в скорости движения Солнца – «причина».

This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

Рис. 2.16. Разности между параметрами причинности, вычисленные по зашумленным и исходным рядам, соответственно, как функция уровня зашумленности при нулевом временном сдвиге.

нулевого временного сдвига при расчетах разностей между параметрами причинности, вычисленными по зашумленным и не зашумленным рядам, как функция уровня шума. Как видно из приведенных графиков, реакция параметра причинности на зашумленность ряда, несущего функцию «следствие», значимо ниже, чем в случае зашумленности ряда, несущего функцию «причина». Заметим, что такая асимметричная реакция параметра причинности на искусственно внесенные искажения в «причину» и «следствие» определяется свойствами энтропийных параметров в соответствие с аппаратом причинного анализа и законами причинной механики [75]. Соответствие с последними необходимо подчеркнуть. Здесь прослеживается прямая аналогия с экспериментами, выполненными в работах [75,76,77] по определению добавочной силы, действующей параллельно оси гироскопа в опытах с взвешиванием вращающегося гироскопа. В этих опытах определяющим в появление эффекта являлось необходимое введение в систему возмущениий в виде вибрации. В нашем же случаи, как следует из оценок (табл. 2.1 ), роль такой вибрации играет помеха в виде фликкер шума, «усиливающая» причинную связь (знак минус) This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

при внесение помехи в «причину» и «ослабляющая» ее при внесение помехи в «следствие» (знак плюс).

Анализ «ошибок» в величине параметра причинности между вариациями солнечной активности (числа Вольфа – «следствие»), с одной стороны, и вариациями скорости движения Солнца и силы гравитационного взаимодействия («причина»), с другой стороны, вычисленного по зашумленным рядам показал, что, при уровне зашумленности от 10 до 50 % причинная связь остается нормальной, т.е 1 с максимальной ошибкой +0,033 для «следствия» и -0,04 для «причины».

Изменение степени причинной связи V®W, F®W при внесении помехи с различным уровнем фликкер шума в «причину» (F,V) и Примечание (к табл. 2.1): 1/f – уровень фликкер - шума в %; параметр причинности; F®W – причинно связанный процесс «вариации силы гравитационного взаимодействия – солнечная активность (числа Вольфа)» ; V®W – причинно связанный процесс «вариации движения Солнца – солнечная активность (числа Вольфа)».

This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

Таким образом, на основании объективного критерия – энтропийного параметра причинности, мы установили, что одной из причин вариаций солнечной активности являются возмущения в силе гравитационного взаимодействия Солнца с планетами и вариации движения Солнца относительно центра масс солнечной системы**. Полученный результат полностью согласуется с результатами экспериментов по изучению пульсаций радиуса Солнца (фотосферы) и его массы и влияния этих вариаций на уровень интегральной радиации Солнца [44-49,72].

Заметим, что вариации движения Солнца в выполненном причинном анализе, с целью выявления их причинной связи с солнечной активностью, можно было бы и не исследовать, ограничившись рассмотрением вариаций гравитационного взаимодействия. Однако, исследование вариаций скорости движения Солнца, как одной из причин изменений солнечной активности, удобно тем, что первые описываются относительно простыми уравнениями, в которых легко выделить гармоники биений с круговыми частотами, определяющие периодичность изменений амплитуд (точнее, модуля отклонения от средней Полученные нами результаты причинной связи солнечной активности с вариациями силы гравитационного взаимодействия Солнца с планетами и вариациями скорости движения Солнца относительно центра масс солнечной системы можно рассматривать как теоретическое подтверждение экспериментальных исследований [44-49], хотя в физике принято, как правило, направление изысканий обратное.

Классический спектральный анализ (преобразование Фурье исходных рядов или их корреляционной функции) выявил наличия вековых и внутривековых колебаний солнечной активности. Причинный анализ установил ее зависимость от вариаций силы гравитационного взаимодействия Солнца с планетами. Но один, чрезвычайно важный вопрос, с точки зрения динамики процесса, остался открытым, а именно: как с Очевидно, что вариации скорости движения Солнца – следствие вариаций радиуса Солнца, его массы, далее, силы гравитационного взаимодействия Солнца с планетами.

This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

течением времени меняются амплитуды спектра солнечной активности на фиксированных частотах. Очевидно, ни первый, ни второй методы анализа ответ на этот вопрос дать не могут.

Преобразование Фурье с ядром, той есть с функцией exp(-2pnt), не локализованным во времени t, но локализованным в частотной области n, позволяет фокусировать в точку размытую во времени информацию о периодичности процесса при переходе из временной области в частотную. Таким образом, преобразование Фурье – это инструмент для изучения процессов, характеристики которых не меняются во времени.

Иначе говоря, Фурье - преобразование ни коим образом не может описать динамику процесса.

Для устранения этого недостатка при анализе временных рядов в начале 20 века А. Хаар [78], затем Д. Гэбор [79], а позже, в 80-х годах, А. Гроссман и Дж. Морле [80], разработали интегральное вейвлет - преобразование для функции f(t) L2(R) (т.е. для всей числовой оси):

вейвлетом (wavelet – волна), а символ «*» – означает процедуру комплексного сопряжения. Параметр a определяет размер вейвлета и называется масштабом (scale), его аналогом в Фурье анализе является частота или период. Параметр b задает временную локализацию вейвлета и называется сдвигом (shift).

В Фурье преобразовании этот параметр аналога не имеет.

Функции Y(t) в вейвлет – преобразовании являются аналогами ядра Фурье-преобразования и составляют набор вейвлетообразующих функций (см., например, [81]).

Оценка локального спектра энергии (аналог спектральной плотности) - скалограмма (scalogram) определяется выражением This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

где i, j – номера узлов сетки, в которых вычисляется функция S(ai,bj). Как следует из названия функции S(ai,bj), эта функция описывает распределение энергии по масштабам (периодам).

На основе скалограммы S(ai,bj) определяется оценка глобального спектра энергии где N–количество точек, по которым выполняется осреднение.

Функция W(ai) называется скейлограммой (scalegram).

В целях четкого прослеживания эволюции частот во времени* выполняется процедура отсечения влияния контуров путем выделения тех точек скалограммы, в которых она имеет максимум по переменным a и b (аналогичная процедуре стягивания частот в Фурье анализе [14,15]):

После необходимого отступления, касающегося теории вейвлет - анализа временных рядов, применим его к исследованию динамики солнечной активности по данным чисел Вольфа за 300 летний период времени. Анализ этого ряда во временной области (рис. 1.1а) показывает много характерных особенностей. В первую очередь тот факт, что периоды между максимумами не остаются постоянными, а изменяются во времени. В силу этого Фурье-анализ не является адекватным методом исследования данного временного ряда, по крайней мере, в аспекте его динамики. Действительно, на рис. 2. приведена сглаженная окном Хэмминга [82] нормированная на Из-за возможной широты контура линий близких по частоте гармоник иногда бывает трудно проследить за эволюцией их частот во This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

дисперсию спектральная плотность (преобразование Фурье корреляционной функции) чисел Вольфа за период с 1749 по 2000 годы. Мы видим две значимые концентрации спектральной плотности, приходящиеся на частоты 0,0-0,02 и 0,08-0,11 цикла в год. Эти диапазоны частот соответствуют периодам 108,3, 21,6, 11,3 и 9,8 годам. На средних и высоких частотах относительные максимумы соответствуют многим периодам.

Это и есть те «математические» пики, о которых говорилось выше и которые ни коим образом не связаны с физикой процесса. Спектральная плотность, особенно на средних и высоких частотах, сильно осциллирует. Эта осцилляция свидетельствует о значительной стохастичности в исследуемом ряде. Таким образом, на основе анализа данной спектрограммы мы можем, с достаточной степенью достоверности, только утверждать, что ряд чисел Вольфа за 300-летний период состоит из трех квазипериодических максимумов с периодами, приблизительно, 100, 22 и 11 лет, - это исчерпывающая информация, которую может дать анализ, основанный на Нормированный на дисперсию спектр, Sw (t) This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

Напротив, вейвлет анализ, несет информацию о исследуемом временном ряде значимо больше, так как, помимо отображения концентраций мощности энергии на заданных масштабах, позволяет проследить за их динамикой (развитием во времени). Иначе говоря, вейвлет–представление проектирует одномерный сигнал (исходный ряд – функция только времени) на плоскость время–частота и, таким образом, позволяет увидеть изменение во времени спектральные свойства временного ряда.

Теперь можно перейти, непосредственно, к изучению особенностей временного ряда чисел Вольфа на базе вейвлет - анализа. На рис. 2.18 представлена поверхность скелетона чисел Вольфа в диапазоне масштабов 2-120 лет, а на рис. 2.19 – его контурное изображение. Представленные результаты вейвлетанализа выявили следующие особенности в динамике чисел Вольфа по данным за последние 300 лет.

Рис. 2.18. Поверхность скелетона чисел Вольфа в диапазоне Рис. 2.19. Вейвлет-плоскость – контурное представление поверхности This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

На рис. 2.18 четко прослеживаются три спектральные линии с периодами (масштабами) 100, 22 и 11 лет. В отличие же от спектральной плотности – преобразования Фурье (рис. 2.17), отображающей те же периоды, здесь, как периоды, так и амплитуды меняются во времени. Отличительной особенностью является падения интенсивности чисел Вольфа в промежутке с 1800 по 1830 годы, сопровождающееся одновременным изменением периода. Эти изменения еще более наглядно можно видеть на рис. 2.20, где поверхность скелетона представлена в диапазоне периодов от 2 до 15 лет (здесь длина ряда чисел Вольфа взята с 1700 года). Как следует из рисунка 11-летний цикл солнечной активности, имеющий вид кривой, напоминающий Рис. 2.20. Поверхность скелетона чисел Вольфа в диапазоне синусоиду, вдоль оси времени пересекается шумовыми полосами типа белого шума, в перпендикулярном направлении (то же отчетливо видно на рис. 2.19). Такое поведение вейвлета прямо указывает на то, что динамика солнечной активности включает в себя, помимо, периодически действующих механизмов, и аддитивную стохастическую компоненту.

Исследованию спектральных особенностей чисел Вольфа посвящено большое количество работ, перечисление которых This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

заняло бы ни одну страницу текста. В меньшей мере уделено исследователями внимание изучению спектра, непосредственно, солнечных пятен – исходных данных для конструирования «чисел Вольфа». История наблюдений за солнечными пятнами достаточно любопытна. Записывать среднемесячное количество пятен начал еще Галилей в феврале 1610 года, что с октября 1611 года ставится на регулярную основу. Оправдывая свое прозвище «король-солнце», Людовик IV в 1659 году издает приказ об основании Парижской обсерватории, главной задачей которой должны быть ежедневные наблюдения солнечных пятен. Далее эту инициативу взяли в свои руки англичане.

Огромную работу по реконструкции наблюденных данных о солнечных пятнах со времен Галилея выполнила Элизабет НемРиб - сотрудница Парижской обсерватории. Таким образом, был создан архив солнечных пятен, начиная с 1610 года по сегодняшний день. Их изменчивость за указанный период времени приведена на рис. 2.21, а спектральная плотность – на Рис. 2.21. Временной ход количества солнечных пятен.

В спектре колебаний количества солнечных пятен имеются, как и в случае чисел Вольфа, вековые и внутривековые периоды, из которых наиболее «знаменитый» 11 летний цикл (на графике отображен близкий к 11 –летнему циклу период This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

10,4 года). На рис. 2.21 невооруженным глазом можно проследить, что амплитуда циклов непрерывно меняется, а на отдельных временных участках и вовсе исчезают. Так, начиная, приблизительно, с 1670 года по 1730 годы отмечается практически отсутствие пятен на Солнце. Этот период известен под названием минимума Маундера. Французский астроном Пикар в течение десяти лет фиксировал полное отсутствие пятен на Солнце, за что и получил мировую известность.

Как и в случае спектральной плотности чисел Вольфа на графике с изображением спектральной плотности количества солнечных пятен (рис. 2.22), помимо значимых векового и 11летнего цикла выделяется сплошной частокол пиков. Несравненно большую информацию несет в себе вейвлет – спектр (рис. 2.23), составленный из суммы вейвлет коэффициентов с данным периодом по всем моментам времени – скейлограмма, выделяющий только физически значимые периоды.

Нормированная на дисперсию спектральная плотность This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

Действительно, из всего частокола пиков, отображенных в Фурье–спектре, вейвлет–спектр выделил лишь физически значимые максимумы: 11-летний и вековой периоды в колебаниях количества солнечных пятен (рис. 2. 23). Кроме того, из рисунка 2.23 следует важный вывод, а именно, вейвлет - спектр вместе с отображением изменения длительности номинального одиннадцатилетнего цикла со временем, показывает, что вековой цикл количества солнечных пятен отображает периодический механизм солнечного магнитного поля нарушить «нормальный режим» одиннадцатилетних циклов и увлечь в новый период типа минимума Маундера. Сказанное Рис. 2.23. Вейвлет – спектр (скейлограмма) количества пятен на наглядно можно видеть на рис. 2.24, где показано изменение длины солнечного цикла со временем, путем выделения максимума на вейвлет-плоскости (вейвлет-контур) - скелетон, соответствующего 11-летнему циклу. Штриховкой выделены временные периоды, снижения солнечной активности, и что, чрезвычайно важно, эти периоды, практически, точно совпадают с периодами падения глобальной температуры. При This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

этом оказывается, что бльшие значения температуры перед началом очередного минимума обуславливают (как факт) более глубокие минимумы в будущем. Впервые этот результат был получен в 1997 году сотрудниками НИВЦ МГУ и Института механики сплошных сред (Пермь) совместно с сотрудниками Гарвардского астрофизического центра [83]. Там же делается вывод, что «хотя очередной сбой в солнечной активности можно ожидать в начале XXI столетия, нового минимума Маундера случиться не должно». Хотя этот вывод имеет в большей степени вероятностное высказывание, тем не менее, нам представляется, что уж если оценивать возможность (невозможность) наступления нового «минимума Маундера» в XXI веке с вероятностных позиций, то, исходя из полученных выше результатов вейвлет-анализа количества солнечных пятен, вероятности должны быть, приблизительно, оценены как 4:6 в пользу «невозможности». Здесь речь идет только о глубине минимума солнечной активности, что ни коим образом не исключает наступление минимума, с еще большей вероятностью, но менее глубокого, чем минимум конца 17-го, середины 18-го Рис. 2.24. Скелетон вейвлет - преобразования для 11-летнего цикла Межпланетное магнитное поле и климат Земли. Поскольку нашей главной целью является анализ причин естественных изменений климата на Земле, то следующим логическим шагом This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

в цепи солнечно-земных связей должно быть выяснение реакции климата на рассмотренные выше вариации солнечной В цикле работ [84-102,104-115], список которых значительно превышает указанный, было установлено, что промежуточным звеном между вариациями солнечной активности и реакцией атмосферы Земли на нее является межпланетное магнитное поле (ММП). Нами этот вопрос с надлежащей детализацией был рассмотрен в работе [95].

Магнитные поля – это поля на Солнце, поля, уносимые от Солнца ионизированным газом и магнитное поле ядра Земли, видоизмененное волновой и корпускулярной радиацией Солнца.

Внешние и внутренние поля взаимодействуют в области вокруг Земли, но в физическом механизме этого взаимодействия остается много вопросов, на которые пока ответов нет [96].

Вариации магнитного поля Солнца ответственны за механизм возникновения солнечных пятен. Структура магнитного поля Солнца такова, что силовые линии выходят на поверхность вблизи одного полюса и входят внутрь вблизи другого полюса.

Азимутальная составляющая магнитного поля Солнца, точнее, ее силовые линии, образуют замкнутые кольца внутри конвективной оболочки Солнца. С увеличением напряженности магнитного поля на силовых линиях возникают огромные петли, простирающиеся далеко за пределы конвективной оболочки. На границе конвективной области (в точках выхода силовых линий) вектор магнитного поля ориентирован вертикально. В результате такой ориентации (рис. 2.25) происходит подавление конвективного течения, переносящего горячую плазму из недр Солнца [54,83]. Следствием этого является понижение в этих областях температуры поверхности относительно температуры остальной поверхности Солнца. В результате такие области с пониженной температурой видны с Земли как темные пятна.

Поскольку солнечные магнитные поля, приходящие к Земле, переносятся солнечной плазмой [97], то они имеют значительную напряженность. Процессы переноса плазмы (непрерывное истечение плазмы из солнечной короны, непрерывное корпускулярное излучение, излучение в солнечных вспышках) принято называть солнечным ветром. Характеристики This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

солнечного ветра (скорость, температура, концентрация частиц и др.) в среднем закономерно изменяются в некоторой ограниченной области (секторе) пространства. За границы секторов принимаются области с медленным потоком солнечного ветра.

Чаще наблюдаются 2-ой и 4-ой секторы, вращающиеся вместе с Солнцем [54]. Разделение наблюдаемой крупномасштабной структуры солнечного ветра на четное число секторов с различным направлением радиального компонента ММП принято называть межпланетной секторной структурой.

Основой для формирования секторной структуры ММП является крупномасштабная структура магнитного поля атмосферы Солнца, которое выносится солнечным ветром. В результате образуется гофрированный тонкий слой в гелиосфере [97]. Рядом авторов [98-101 и др.] крупномасштабное ММП в гелиосфере рассматривается как следствие электрического токового слоя с искривлением на север и юг от солнечного экватора (рис. 2.25). Наглядно гелиосферный токовый слой Установлено [98], что в области гелиосферы, севернее токового слоя, существует ММП, направленное от Солнца, в то время как, область южнее токового слоя, имеет направление к Солнцу. Полярности изменяются каждые 11 лет, т.е. в соотThis document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

ветствии с 11-летнем циклом солнечной активности, но с запаздыванием около двух лет. Закрученные в спираль складки токового слоя (рис. 2.26) образуются вследствие вращения Солнца. Вблизи плоскости эклиптики, попавший туда «наблюдатель», оказывается то выше (севернее), то ниже (южнее) токового слоя. В результате «наблюдатель» попадает в секторы с различными знаками радиального компонента ММП– исследования [84-102,104-110] показали, что секторная структура ММП оказывает влияние на климат Земли, воздействуя на цир-куляцию атмосферы. Это влияние мы покажем, используя аппарат причинного анализа, на примере индекса геомагнитной активности, с одной стороны, и некоторых параметров атмос-феры, с другой стороны, не затрагивая здесь вопроса, связан-ного с физическими механизмами воздействия. Эти возможные механизмы будут рассмотрены ниже. А сейчас, прежде чем пе-рейти непосредственно к обсуждению результатов анализа причинной обусловленности состояния тропосферы вариациями ММП, рассмотрим параметры, характеризующие состояние тропосферы и межпланетного магнитного поля.

В. О. Робертс и Р. Олсон [98,103] на основании полученного ими индекса площади завихренности (VAI – Vorticity Area Index) и индексов геомагнитной активности, используя метод наложения эпох, обнаружили статистическую связь межThis document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

ду ними. При определенной информативности индекса VAI, он обладает существенным недостатком - не учитывает интенсивность депрессии. Поэтому нами был разработан аналогичный индекс, названный ARC (Area Cyclone) – индекс площади завихренности циклона, но учитывающий глубину депрессии где Si суммарная площадь завихренности рассматриваемой обg фическая завихренность (g =9,8м/c2, l=2wsinj - параметр Кориолиса, w=7,2910-5c-1 - угловая скорость вращения Земли, j b дината), b – угол между декартовой координатой x и натуральной s, отсчитываемый от x к s против часовой стрелки, - оператор Лапласа, H – геопотенциал (или давление P), n– нормаль, e – наперед заданная величина завихренности (в наших Как видно из (2.22) индекс ARC представляет собой суммарную площадь участков с циклонической завихренностью, рассчитанной с учетом интенсивности депрессии Ic на основании отношения перепада давления между центром и периферией к площади Sc, занимаемой барическим образованием (Sc(ks) – площадь циклона, очерчиваемая внешней изогипсой с радиусом кривизны ks*). В зависимости от размеров области индекс ARC может описывать как планетарные депрессии, так и локальные, регионального характера. Здесь Величина интенсивности депрессии для данной области отличается от завихренности постоянным множителем K [103].

This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

может возникнуть очевидный вопрос: «Почему в качестве характеристики состояния тропосферы рассматривается именно депрессия?». Дело в том, что различными авторами в работах [98,102,106, 107,108] на основание анализа данных секторных границ ММП и атмосферной циркуляции было показано влияние ММП на атмосферные процессы, связанные именно с областями пониженного давления.

Помимо введенного параметра площади завихренности, ниже будет использован динамический параметр – суточная изменчивость барических образований где Df i - величина модуля изменения барического образования (давление, геопотенциал) за сутки по срочным данным в i-ые В качестве параметра, характеризующего состояние ММП такие показатели, как числа Вольфа или площади солнечных пятен не являются информативными, так как они не линейно связаны с солнечным ветром, являющимся генератором ММП.

С этой точки зрения наиболее информативной характеристикой могла бы быть степень уплотнения протонов высоких энергий.

Однако, наличие таких систематических измерений нам неизвестно. Поэтому из имеющихся данных такого рода, наиболее информативным является напряженность магнитного поля в космосе. Эти данные измеряются со спутников в околоземном пространстве [104,105]. К сожалению, и здесь, прямые продолжительные измерения отсутствуют. Однако, эмпирически получена [105] тесная (близкая к функциональной) связь между напряженностью магнитных полей в космосе H и геомагнитным индексом Kp (рис. 2.27). Поэтому индекс Kp с достаточной степенью строгости можно использовать как параметр, характеризующий состояние ММП.

После того как мы определились с параметрами, описывающими состояние тропосферы и ММП, можно приступить к расThis document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

смотрению возможной обусловленности процессов депрессии вариациями межпланетного магнитного поля.

На рис. 2.28 приведено изменение среднего поля приземного давления DP в северном полушарии при прохождение гелиосферного токового слоя (солнечного ветра) мимо Земли при положительном (51 случай) и отрицательном (55 случаев) секторах ММП, полученное в работе [110], как логическое продолжение исследований в области солнечно-земных связей, начатое еще в 80-ые годы прошлого столетия А. Д. Сытинским [111,112]. В работе [110] данные были взяты за период с Выбор такого параметра, как «изменчивость», основывается на концепции акцентуации барических полей, согласно которой увеличение солнечной активности приводит к интенсификации циркуляции атмосферы за счет усиления падения давления в циклонах и роста в антициклонах Рис. 2.27. Связь средних трехчасовых значений геомагнитной This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

Рис.2.28. Пространственное распределение средней реакции (DP) приземного атмосферного давления P в северном полушарии на приход возмущенного солнечного ветра для отрицательного (а) и положительного ММП (б) [110].

В табл. 2.2 приведены результаты причинного анализа между индексом Kp и межсуточной изменчивостью давления на уровне моря и геопотенциальных высот по данным за тот же период, который использовался при построении карты реакции приземного давления на вариации ММП c добавлением уровней 500, 300 и 100 гПа. Приведенные в табл. 2.2 энтропийные параметры в полной мере подтверждают выводы, сделанные в цитируемых выше работах об одной из возможных причин изменчивости барических образований, связанной с прохождением в околоземном пространстве унесенного солнечным ветром магнитного поля Солнца. Причем, эти оценки не просто указывают на возможную обусловленность, а показывают причинную зависимость первых от вторых. При этом реакция атмосферы на действие гелиотокового слоя происходит с запаздыванием, от момента возбуждения солнечным ветром, в одни или двое суток, в зависимости от рассматриваемого уровня Одним из ведущих исследователей в области солнечноатмосферных связей Э. Р. Мустелем при исследовании реакции тропосферы на геомагнитные возмущения [113, 114,115] были This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

проанализированы данные о геомагнитной активности, начиная с 1890 года, и отобраны геомагнитные возмущения, как с внезапным началом, так и рекуррентные. На основании этих данных Э. Р. Мустелем была выполнена классификация процессов [115]. В этой классификации выделены моменты времени tm – первые сутки, когда геомагнитные возмущения достигали максимума. Далее, используя моменты времени tm как реперные, на основе метода наложенных эпох, было найдено, что через 2- суток, относительно реперной точки, в изменениях приземного давления возникают значимые экстремумы, то есть, в полном согласии с результатами причинного анализа.

Необходимо отметить важную особенность реакции атмос-феры на вариации геомагнитной активности. Максимальные сдвиги при выполнение причинного анализа составляли -6 и +8 суток (в табл. 2.2 приведен только максимальнй сдвиг, равный + суток). Величина параметра причинности оставалась меньше единицы до сдвигов в +4 суток, включительно, относительно реперного (табл. 2.2). Поэтому, период воздействия ММП на нижнюю тропосферу при повышенной солнечной активности составляет 5-8 суток, в среднем, около 6 суток. Этот период совпадает с периодом t =(E/tE-1)-1» 6 суток – время генерации кинетической энергии E в тропосфере. С другой стороны, в работе [110] установлено, что повторяемость прихода возмущенного солнечного ветра составляет 6-7 суток. Равенство величины периодов рассмотренных процессов указывает на то, что смена синоптических процессов носит вынужденный, а не автоколебательный характер.

Анализ связи планетарного индекса площади завихренности ARC с прохождением токового слоя ММП мимо Земли.

Значения индекса ARC были получены по данным выборки полей геопотенциала длиной 2730 суток (декабрь - февраль за период с 1946 по 2000 годы ), а данные о полярности секторов ММП из каталога Л. Свалгаарда [109] и с авторитетного сайта:

http://www.wdcb.rssi.ru/stp/online_data.ru.html.

This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

Оценка причинной обусловленности межсуточной изменчивости давления P на уровне моря, геопотенциальных высот H500, H300 и H для северного полушария вариациями геомагнитной активности (Kp).

Примечание: - средний модуль ошибки вычисления За секторную границу (рис.2.29) принималась такая, которой предшествовала, как минимум, в течение 4-х суток полярность ММП одного знака и в течение последующих 4-х суток – поле другого знака. На рис 2.30 приведен результат анализа методом наложенных эпох зависимости планетарного индекса ARC (северное полушарие, уровни 500 и 300 гПа) от числа суток, отсчитываемых от пересечения секторной границы: ордината – This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

средняя величина ARC для тех дней, когда секторная граница ММП проходит Землю и для суток до- и после таких Пересечений (min = ±4 суток) секторных границ. Реакция планетарного индекса ARC при прохождении гелиосферного токового слоя мимо Земли совершенно аналогична реакции параметра изменчивости барических образований – запаздывание одни сутки. На этом же рисунке приводится результат, полученный В. А. Робертсом [102] тем же методом для индекса VAI, но по выборке значительно меньше нашей. Его результат подвергся критическим нападкам со стороны оппонентов солнечно– атмосферных связей. При сопоставлении результатов В. А. Робертса и полученных в данной работе, малая выборка, использованная В. А. Робертсом, оказалась не недостатком, а напротив, - преимуществом. Действительно, идентичность результатов, полученных по выборкам значимо различных размеров, указывает на их реальность, так как в статистических методах анализа такое совпадение является определяющим критерием реальности результатов, с одной стороны, а с другой стороны – критерием устойчивости процесса [116]. Еще более убедительное подтверждение реальности полученных результатов дает табл. 2.3, где приведены энтропийные параметры причинной обусловленности планетарного индекса площади завихренности (ARC) вариациями геомагнитной активности (Kp).

Здесь причинный аннализ был выполнен по данным из серии последовательных дней изменения геопотенциала на This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

поверхности 500 и 300 гПа в областях пониженного давления северного полушария за ±5 суток относительно суток пересечения секторной границы ММП (243 последовательности, см. выше, стр.87). В соответствии с этими сроками выбирались значения индекса геомагнитной активности Kp. Как видно из табл. 2.3 в интервале временных сдвигов до 4-х суток включительно значения параметра причинности 1, той есть на энтропийной диаграмме попадают в область нормальной причинности. Качественно этот результат полностью совпадает с результатом анализа тех же временных рядов, выполненного методом наложенных эпох, но информативность табл. 2. значительно выше. Во-первых, на основании объективного критерия еще раз подтверждается ранее выдвинутая гипотеза о наличие связи ММП - тропосфера, во-вторых, что чрезвычайно важно, влияние ММП на циркуляцию атмосферы не носит импульсного характера, а продолжается в течение нескольких суток (минимум трех). Для большей наглядности результаты, представленные в табл. 2.3, показаны графически на рис. 2.31.

В заключение данного раздела, прежде чем перейти к рассмотрению геофизических факторов формирования и вариаций климата планеты Земля, заметим следующее. При рассмотрении нами вопросов влияния межпланетного магнитного поля на тропосферные процессы, изложенных в данном разделе, у внимательного читателя может возникнуть, казалось бы, очевидный вопрос: «А какое отношение к формированию и вариациям глобального климата имеют рассмотренные процессы, имеющие временные синоптические масштабы, определяющие только погодные условия?». Да, это действиительно так. Но не надо забывать, что во временных масштабах, соизмеримых с геологическими эпохами, солнечная активность, а также и состояние межпланетного магнитного поля претерпевают квазипериодические колебания, связанные с рядом факторов, некоторые из которых были рассмотрены выше. Здесь же была показана принципиальная сторона вопроса, связанная с причинной обусловленностью состояния тропосферы вариациями межпланетного магнитного поля.

This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

Оценка причинной обусловленности планетарного индекса площади завихренности (ARC) вариациями геомагнитной активности (Kp).

This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

2.2.2. Геофизические (внутренние) факторы К геофизическим климатообразующим факторам планеты Земля относятся ее собственные или внутренние (в отличие от «внешних») свойства: размер и масса, скорость вращения вокруг оси, собственные гравитационные и магнитные поля, внутренние источники тепла, особенности поверхности, ее орография, определяющие взаимодействия с атмосферой. Все эти факторы подробнейшим образом рассмотрены в научной и научнопопулярной литературе и, по сравнению с внешними астрономическими факторами, изучены достаточно глубоко [2,10, 61, 117-120]. Однако глубина изученности нашей планеты вовсе не означает, что мы знаем о ней все. Это далеко не так. Более того, мы не можем ответить на, казалось бы, очень простые вопросы.

Например, чем вызвана асимметрия фигуры Земли, за которую принимается некоторое тело, называемое геоидом, в то время как, фигура Земли ближе к кардиоиде [125-129]. Или, чем объясняется температурная асимметрия полушарий (известно, This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

что северное полушарие теплее южного на ~ 3о [121-124]) и сдвиг термического экватора в северное полушарие, а вместе с ним, и внутритропической зоны конвергенции [122, 130].

Сколько - нибудь убедительных ответов на поставлен-ные вопросы, не говоря уже об объяснении механизмов возникновения и поддержания той же тепловой асимметрии полушарий, с позиций классических подходов нет. При ответе на последний вопрос, в лучшем случае, делается ссылка на нелинейность взаимодействия океан - атмосфера. Между тем, учет этой нелинейности приводит к прямо противоположному выводу: океаническое (Южное) полушарие должно быть теплее континентального (Северного) поскольку теплоемкость воды значимо выше теплоемкости воздуха и земной поверхности.

Безусловно, наши знания об окружающем нас Мире, во многих научных направлениях сильно ограничены. Особенно это касается физики, биологии и медицины. Однако, зачастую, в официальных академических кругах наше «незнание» сильно занижается, что, по большому счету, является тормозом в развитии прогресса. Человечество, встав на тропу техногенного пути развития, почти напрочь загубило в себе Природные уникальные способности, а тех не многих людей, каким-то образом их сохранившие, выделило в особый класс – экстрасенсов.

Особое место, как наука, в рамках сказанного выше, занимает гидрометеорология, и в целом геофизика. В предисловие в книге [131], как рецензент, профессор С. М. Коротаев совершенно точно отметил, что геофизика, как наука, концептуально всецело зависит от идеологии, сложившейся в результате теоретических и экспериментальных исследований в фундаментальной физике. В результате «исследователи – геофизики рассматривают свой круг задач только, как частные применения давно устоявшихся (в случае гидрометеорологии – более ста лет) физических теорий в конкретной естественной обстановке».

В отличие от других разделов прикладной физики (астрофизики биофизики и др.), «именно, в геофизике общеупотребительная парадигма наиболее консервативна и, как следствие, все чаще не способна ответить на вызовы современности».

This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

В данном разделе мы рассмотрим основные геофизи-ческие факторы, влияющие на изменения глобального климата.

Бльшее внимание здесь будет уделено формированию климата под действием геофизических факторов, которые, либо, не принимались во внимания в современной геофизике [131-133], либо, рассмотрены в рамках новых подходов [134,135]. Например, неучтенный в современной геофизике фактор, рассмотренный нами ниже, является следствием приложения идей нового физического направления – причинной механики* к Земле, как естественной диссипативной системе.

Гравитационное поле Земли. Гравитационное поле является первичной геофизической характеристикой, благодаря которой мы существуем, так как определяет способность Земли удерживать атмосферу, а так же, в значительной степени, определяет состав атмосферы. Кроме того, гравитационное поле определяет величину атмосферного давления на поверхности и плотностную стратификацию атмосферы.

Согласно закону всемирного тяготения главная часть гравитационного поля, характеризуемая ускорением ga=GMe/Re2, определяется массой Me и радиусом Re планеты, где G – гравитационная постоянная (G =6,6710-11м3кг-1с-2 ).

Вклад гравитационного поля в собственное вращение Земли на экваторе не превышает 0,35%, а на полюсе он равен нулю Вращение Земли. Земля вращается вокруг своей оси, совершая полный оборот с востока на запад за одни сутки – суточное вращение. Годичное вращение с запада на восток со скоростью примерно 1о в сутки – следствие движения Земли вокруг Солнца. Сущность этих движений была раскрыта Н. КоТеория активного времени Н. А. Козырева, изложенная в 1958 году в книге «Причинная или несимметричная механика в линейном приближении», конечно, не является новой. Она «нова» с той точки зрения, что привлекла к себе серьезное внимание ученых из многих стран мира лишь спустя пол века. К сожалению, подобных примеров в This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

перником в его знаменитой книге «Об обращении небесных Появление на Земле умеренного климата обязано относительно устойчивому вращательному движению Земли вокруг оси, являющимуся величайшим фактором для жизни человечества, так как это вращение определяет день и ночь. В противном случае на освещенной стороне Земли температура бы поднялась на несколько сотен градусов, а на неосвещенной – Известно, что вследствие вращения Земли многие метеорологические элементы испытывают суточные колебания благодаря изменению притока тепла [124].

Важнейшим следствием вращения Земли является общая циркуляция атмосферы. При существующей скорости вращения Земли вокруг собственной оси (w= 0,72910-4c-1 – угловая скорость вращения Земли) преобладающим термическим контрастом является контраст температур между полюсом и экватором. В результате, вследствие бароклинности атмосферных газов*, в меридиональной плоскости в каждом полушарии образуется конвекционная ячейка, переносящая тепло от экватора к полюсам, стремящаяся выравнивать термические контрасты [130]. С другой стороны, тоже вращение Земли за счет действия кориолисового ускорения 2wu (u - скорость воздуха) вносит изменения в характер, указанной выше, меридиональной циркуляции. Таким образом, действия силы Кориолиса в умеренных широтах поворачивает порции экваториального воздуха на восток, создавая там западный перенос – пассатная циркуляция. В результате пассатная циркуляция не достигает полярных районов и поэтому не может выравнивать температуры тропических и полярных зон.

При неизменной скорости суточного вращения Земли указанные циркуляционные особенности атмосферы не влияют на изменение глобального климата, а только определяют в среднем погодные условия на данной широте планеты.

Бароклинная среда - среда, в которой плотность газа есть функция давления и температуры в отличие от баротропной среды, когда плотность есть функция только давления.

This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

В действительности суточное вращение Земли претерпевает изменения. На рис. 2.32 приведен временной ход изменения вращения Земли за всю историю инструментальных наблюдений [137,138] (последние 350 лет). В качестве параметра, характеризующего эти изменения фигурирует величина dP - уклонение периода земных суток от эталонных, равных.

86400с. При DP0 – Земля вращается быстрее, и наоборот. Эта величина на разных этапах развития Международной службы вращения Земли (окончательно эта служба была утверждена МАС* и МСГГ** в 1987 году ) и Международным Бюро времени (МБВ) со штаб-квартирой в Париже [139], не раз уточнялась по мере принятия в качестве эталонных часов более точные. В насто-ящее время в качестве равномерной и стабильной шкалы вре-мени TAI (Time Atom International) используются показания атомного стандарта времени и частоты – атомные цезиевые часы, обеспечивающие относительную нестабильность 10-13, а водородный стандарт обеспечивает еще меньшую нестабильность 10-15. Иначе говоря, ошибка современных атомных Неравномерный характер вращения Земли dP учитывает шкала NUT1(Non-Uniform–Time) [137]:

На том же рис. 2.32 приведен временной ход среднегодовой температуры tср воздуха в Центральной Англии – единственный в Мире временной ряд инструментальных измерений температуры за последние 350 лет [138-140].

температуры и уклонений земных суток от эталонного времени указывает на некоторую схожесть этих колебаний. Очевидно, что по результатам такой оценки не коим образом нельзя сделать выводы об их связи. Но она дает основание к выполнению количественного анализа их возможной связи.

МАС – Международный астрономический Союз.

МСГГ – Международный Союз геодезии и геофизики.

This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

Отклонение длительности земных суток Рис. 2.32. Уклонение длительности земных суток от эталонного времени за последние 350лет [139]. Верхний график – среднегодовая температура в Центральной Англии [140].

На рис. 2.33а приведена эмпирическая взаимная корреляционная функция между вариациями скорости вращения Земли Dw и среднегодовой температуры tср в Центральной Англии за последние 350 лет, рассчитанная до максимальных временных сдвигов dt = ±50 лет с шагом 1 год. Там же (рис. 2.33б) приведена нормированная на дисперсию их спектральная плотность, как преобразование Фурье корреляционной функции.

Результат, на первый взгляд, оказался довольно неожиданным: в распределении взаимной кореляциионной кривой, как функции временного сдвига, максимум корреляции соответствует сдвигу 22 года, что однозначно проявляется во взаимном спектре рассматриваемых физических величин, который так же имеет второй внутривековой максимум с периодом 68,4 года, о котором речь пойдет ниже.

This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

Для выяснения причинной обусловленности пары dP® tср, выполним причинный анализ этих характеристик по данным о них за последние 350 лет. Результаты анализа представлены графически на рис. 2.34. Как видно, в диапазоне всех положительных временных сдвигов параметр причинности остается меньше единицы, достигая своего минимального значения (наибольшее проявление причинной связи) на сдвиге в 22 года. Этот результат прямо указывает на причинную связь между рассмотренными геофизическими характеристиками.

Максимальная реакция вариаций температуры обнаруживается с запаздыванием в 22 года. С физической точки зрения такая реакция температуры воздуха (как частный случай реакции атмосферы) на вариации скорости вращения Земли может быть объяснено с позиций теории изменения момента инерции и импульса атмосферы за счет вариаций вращения Земли, разработанной профессором Н. С. Сидоренковым – заведующим лабораторией планетарной циркуляции и гелиогеофизических исследований Гидрометцентра России [134,135].

Как следует из рис. 2.32 скорость вращения Земли, начиная со второй половины (начало отсчета измерений) XVII века и до начало XVIII века претерпевала значительные колебания. Далее, до середины XIX века скорость вращения Земли менялось незначительно, а со второй половины XIX века до сегодняшних дней наблюдаются значительные нерегулярные флуктуации угловой скорости вращения Земли с периодом порядка 60-70 лет [134] (в нашем спектре (рис. 2.33б) он равен 68,4 лет ). Наиболее быстро Земля вращалась в 1664 и в 1866 годах (длительность земных суток в том и другом годе была на »3мс короче эталонных). Начиная с 1973 года, скорость вращения Земли снова увеличивается. Заметим, что данные XVII-XVIII вв. не являются достаточно надежными, так как обладают низким разрешением (интервалы между наблюдениями достигали порядка 30 лет). Введение эталона в виде атомных часов в году позволило анализировать колебания с периодами около одного месяца, что, в свою очередь, дало возможность выделить сезонные колебания вращения Земли. Такие колебания показаны на рис. 2.35. С позиций анализа Фурье сезонные This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

колебания описываются суммой годовой и полугодовой гармоник. Амплитуды и фазы этих гармоник, как установлено Н. С. Сидоренковым в работах [134,135], меняются от года к году и обнаруживают нетривиальные закономерности. Собственно, такое поведение вариаций вращения Земли и явилось отправным пунктом для создания Н. С. Сидоренковым импульсной теории реакции атмосферы на эти вариации.

Рис.2.33. Взаимные корреляционная функция Dw ® tср (а) Примечание: числа у пиков – периоды.

С развитием технического прогресса, начиная с 80-х годов прошлого столетия, точность определения Всемирного времени увеличилась на два порядка (методы измерения с помощью радиоинтерферометров со сверхдлинными базами, системы глобального позиционирования (GPS) и т.п.). В результате оказалось возможным изучать колебания вращений Земли с периодами до часов. Таким образом, в настоящее время известен спектр колебаний вращения Земли от вековых до часовых This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

На рис. 2.36 приведен нормированный на дисперсию спектр среднемесячных отклонений земных суток от эталонных. В спектре проявляются три максимума с периодами 24, 6,8, 2, 4 и 1 год (максимум с периодом 24 года очень близко расположен к нулевой частоте, поэтому, наиболее вероятно - фиктивный, хотя близок к реальному периоду в 22 года).

В суточном спектре колебаний скорости вращения Земли (отклонений земных суток от эталонных - рис. 2.38) совершенно четко прослеживаются максимумы с годичным, полугодичным и сезонным периодами колебаний.

На рис. 2.37 можно видеть ход отклонений длительности суток в 2000-2003 годах [134] с дискретностью в одни сутки.

Его спектр приведен на рис. 2.38. Кроме того, в рассматриваемом спектре (рис. 2.38) имеется максимум с периодом 27,4 суток, связанный c периодическим зональным приливом лунной гармоники эллипсоидального типа волны This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

Рис. 2.37. Отклонение длительности суток c дискретностью Рис. 2.38. Спектр отклонений земных суток от эталонных по Примечание: числа у пиков – периоды в сутках.

Конечно для полного описания спектра колебаний скорости вращения Земли, к представленным выше спектрам – от вековых до суточных, надо было бы добавить часовые. К сожалению, таких данных у нас нет. Однако у нас есть возможность привести результаты модели Р. Рея суточных и полусуточных вариаций скорости вращения Земли [142, 143]. СпектThis document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

ральный состав модели Р. Рея представлен на рис. 2.39. По оценкам CODE – Европейского Центра по анализу орбит (The European Center of definition orbits – CODE), модель показывает общую согласованность с измеренными данными dP в пределах 100мкс [143]. Кроме того, в модельном спектре Р. Рея максимум dP с периодом 27 суток, практически точно, совпадает с максимумом суточного спектра, представленного в данной Проанализировав, подробнейшим образом, причины нестабильного колебания вращения Земли, рассмотрев для этого вопросы миграции географического полюса, а так же, вопросы прецессии и нутации [141], Н. С. Сидоренков приходит к выводу о влияние вариаций гравитационного взаимодействия (вводит понятие «обобщенные приливы») Земли с Луной, Солнцем и планетами, как решающем факторе.

Н. С. Сидоренковым, фактор гравитационного взаимодействия рассматривается как «третья причина», которая одновременно влияет и на процессы в земном ядре, и на процессы в климатической системе. То есть, в полном согласии с изложенными в данной работе результатами (ранее полученные нами в работах [7,95]) причинной обусловленности состояния атмосферы вариациями гравитационного взаимодействия Солнца В теории Н. С. Сидоренкова фактор «гравитационного взаимодействия»-эта одна из составляющих теории, которую условно можно назвать «внешней». Другая составляюшая, назовем ее «внутренней», связана с процессами торможения (ускорения) вращения Земли в результате обмена моментом импульса между мантией и жидким ядром Земли с периодом около десяти лет – изменения скорости вращения жидкого ядра вызывают колебания скорости вращения мантии. Очевидно, суммарный импульс Земли остается постоянным.

С другой стороны, как было показано, существует причинная связь между десятилетними флуктуациями вращения Земли и вариациями гидрометеорологических параметров. Здесь Н. С.

Сидоренков, считая, что «процессы в ядре Земли не могут влиThis document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

ять на смену эпох атмосферной циркуляции*, на флуктуации температуры воздуха и прочих климатических характеристик», в качестве основного влияющего фактора и выдвинул ту самую «третью причину», о которой шла речь выше.

Примечание: числа у пиков – периоды в часах.

Другим «внутренним» фактором в теории Н. С. Сидоренкова, вызывающим долгопериодические неравномерности во вращении Земли, является фактор механического воздействия атмосферы на Землю – обратная связь, в результате переноса момента импульса (с положительным или отрицательным знаком) через приземный слой атмосферы. Поскольку изменения интегрального момента импульса ветров не наблюдается (иначе было бы нарушено уравнение баланса), то автор теории приходит к выводу о доставке момента импульса в атмосферу, Вопрос влияния процессов в ядре Земли на флуктуации метеорологических характеристик далеко не тривиальный и не настолько очевидный, что бы просто отметать этот фактор как не значимый. Для окончательного ответа на этот вопрос необходимы глубокие, целенаправленные исследования.


This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

либо из космоса, либо в результате перераспределения воды между океаном и сушей. Выполненные Н. С. Сидоренковым расчеты показали на незначительную величину импульса, передаваемой атмосфере из космоса механизмами солнечного ветра и межпланетного магнитного поля. Поэтому, по мнению Н. С. Сидоренкова, главенствующим фактором передачи дополнительного импульса атмосфере остается фактор «перераспределения воды». И с этим трудно не согласиться. Действиительно, значительное изменение массы ледников во времени (например, тысячу лет назад - малый климатический оптимум, ледниковый щит Гренландии имел значимо меньшую массу относительно нынешней) сопровождается изменением момента инерции Земли, что неизбежно приводит к неравномерности ее вращения и движению полюсов. Именно этот фактор чрезвычайно важен с точки зрения изменений глобального климата, поскольку здесь задействованы вековые периоды.

Н. С. Сидоренковым была получена относительно простая система алгебраических уравнений [134], описывающая связи между вращением Земли, миграцией географического полюса, массой антарктических и гренландских ледниковых щитов и массой воды в Мировом океане. В зависимости от входных данных может быть определена любая из перечисленных характеристик, как решение обратной задачи, а главное, эта система может быть использована, как составляющая, в прогностической модели краткосрочного и долгосрочного прогнозов Рассмотренные здесь вопросы вариаций вращения Земли, имеющие прямую и обратную связи с динамикой атмосферы, в общем, имеют внушительный период исследований и изучены достаточно хорошо. Другое дело, когда известные явления рассматриваются в ином творческом ракурсе, исследователю, практически всегда гарантирован позитивный результат. Прекрасным примером творческого подхода к хорошо изученным явлениям является теория Н. С. Сидоренкова нестабильности вращения Земли и ее связи с динамикой атмосферы.

Земля, как гироскопическая система, с хорошо изученными гироскопическими свойствами, имеет и другую сторону медали, со свойствами, практически, не изученными и, как следствие, не This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

нашедшие отражения в классических теориях. Речь идет о гироскопической системе, в которой было экспериментально получено наличие дополнительной силы (дополнительной к известным классическим силам [144]), действующей параллельно оси гироскопа [68,75,76,77]. Впервые в 50-х годах прошлого столетия эту силу обнаружил в экспериментах со взвешиванием гироскопа астрофизик профессор Н. А. Козырев [75], обладатель редчайшей медали Астрофизического Международного Союза за открытия вулканизма на Луне. Эксперименты Н. А. Козырева через тридцать лет были повторены японскими учеными Х. Хаясака и С. Такеучи (H.Hayasaka S., Takeuchi) [77]. Их эксперименты дали положительный результат.

Природа этой силы, согласно теории активного времени Н. А. Козырева [75,76], не укладывается в рамки существующей физической парадигмы. В данной книге мы не будем затрагивать вопросы, касающиеся природы этой силы, а так же позитивных и негативных сторон теории активного времени Н. А.

Козырева, а примем полученную экспериментально силу за факт. В конце концов, мы же не знаем природы силы гравитации, а повсеместно ей пользуемся. Тем же читателям, кто заинтересовался теорией Н. А. Козырева, мы можем порекомендовать работы [69,76,145-149], в которых выполнен Геофизические следствия силы причинности. Дополнительную силу, действующую параллельно оси вращающеегося гироскопа Н. А. Козырев назвал силой причинности [75]. В цикле работ [69,70,127-129,132], рассматривая Землю как гироскопическую систему, была получена формула распределения силы причинности по Земле, как функция широты.

Далее были рассмотрены метеорологические эффекты, связанные с особенностями действия этой силы в различных геосферах планеты [131-133]. Ввиду важности данного вопроса и облегчения понимания нижеизложенных результатов, здесь приведем, в несколько сокращенном варианте, вывод силы причинности применительно к Земле и атмосфере, а затем This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

введем ее в систему дифференциальных уравнений динамики Сколь сложной не является гироскопическая система, в ней отсутствуют классические силы, направленные вдоль оси [144].

В случае отсутствия в системе каких-либо необратимых процессов зафиксировать ее невозможно. Для ее фиксации в опытах с взвешиванием гироскопа необратимый процесс вводился путем внесения вибрации [150]. Источник вибрации локализует причину, затухающей в области, локализующей следствие. Источник вибрации помещался либо в гироскопе с затуханием на опоре весов, либо наоборот, источник - на опоре, затухание - в гироскопе [68,75, 77,150].

При возрастании энергии вибрации от нуля до определенной величины изменение веса носит квантовый характер. Важнейшим является тот факт, что эффект имеет противоположный знак при: а) перестановке причины и следствия (изменения места источника вибрации); б) изменении направления вращения. Порядок относительного изменения веса достигал 10-4 пропорционально линейной скорости u вращения гироскопа.

Возможность шумовых эффектов, связанных с внесенной вибрацией, были детально проанализированы Н. А. Козыревым в работе [150], где показана ничтожно малая роль погрешностей измерения за счет внесенной вибрации. Более того, аналогичные эксперименты, выполненные японскими учеными с параметрами гироскопа, практически, такими же, какие были в экспериментах у Н. А. Козырева, показали полностью идеентичные результаты [77]. Тем не менее, главнейшим аргументом в пользу достоверности опытов, все же, являются указанные перемены знака силы, отвергающие любую аргументацию, связанную с чистотой проведенных экспериментов.

В недрах земли происходят непрерывные тектонические процессы, а сама планета непрерывно находится под воздействием приливных сил, то есть наличие вибрационного механизма во вращающейся диссипативной системе Земля-атмосфера This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

Выделим над поверхностью Земли единичный объем rg.

Выделенный объем участвует в суточном вращении Земли с где a – радиус малого круга, w – угловая скорость вращения Земли, r – ее радиус, j – геоцентрическая широта. Сила fт = -rg Sinj - обусловлена действием силы тяжести, где j географическая широта, r - плотность. Примем, что сила тяжести P=rg, действующая на выделенный объем, направлена по радиусу Земли, то есть совпадает с силой тяготения. Тогда разность географической и геоцентрической широт равна нулю.

Выражение силы причинности (по Н. А. Козыреву [75]) для где Um = wr -линейная скорость на экваторе, j – орт вращения, C2 = 2200 км/c - универсальная постоянная Козырева, величина которой получена экспериментально. Однако, необходимо рассматривать не модуль силы тяжести, а модуль проекции где - полярный угол. На основании сохранения импульса С нашей поправкой к его формуле (модуль проекции силы тяжести на ось вращения), полностью был согласен Н. А. Козырев и планировал выполнить специальные эксперименты, но, к сожалению, не This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

Для получения единственного решения интегрального уравнения (2.25) для силы реакции R необходимо принять равномерность распределения по j и l, то есть по земному шару. Для решения интегрального уравнения (2.25) в силу симметрии достаточно проинтегрировать его по 1/4 круга:

тогда, результирующая сила в точке будет равна Результирующая сила Q=F+R на широте j в сферической системе координат* соответственно выразится формулой Зависимость Q от широты показана на рис. 2.40 (положительное направление параллельно земной оси на север).

Выполненные по формуле (2.28) расчеты силы Q оказались в хорошем согласии с ее прямыми измерениями, проведенными Н. А. Козыревым на различных широтах северного полушария [75,76]. Эти измерения, в частности, показали существование где сила причинности меняет знак. Формула дает теоретическое значение j = 70 o11/, что является при принятых приближениях (Dj =0;r =r(r)) удовлетворительной оценкой.

В сферической системе координат принято рассматривать угол q полярное расстояние (q =90-j – дополнение до широты).

This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

Для использования выражения (2.28) в геофизических приложениях очень существенен следующий момент. Рассматриваемая сила имеет противоположный знак для причин и следствий. Поскольку уравнения термодинамики атмосферы применяются к системе Земля - атмосфера, то необходимо установить в области причин или следствий находится каждая составляяющая этой системы. Для решения этого важного вопроса воспользуемся аппаратом причинного анализа.

Рассмотрим радиационный баланс земной поверхности и атмосферы в целом. Как известно [151], приходная часть радиационного баланса Rз земной поверхности состоит из поглощающих частей F прямой солнечной (1-A)F* и рассеянной (1-A)i радиации, а также части излучения атмосферы dBa.

Расходная часть Rз состоит из излучения земной поверхности Bo.

Здесь приняты следующие обозначения: A – альбедо, F*, i – поглощенная и рассеянная части падающей прямой солнечной радиации, соответственно. Таким образом, This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

– эффективное излучение (свободная энергия) земной поверхности.

Приходную часть радиационного баланса атмосферы R a cоставляют поглощенное атмосферой излучение земной поверхности Uп=Bo[1-P(J)] и поглощенная ею прямая и расеянная солнечная радиация B a, где P(J) – функция пропускания атмосферы для длинноволновой радиации J. Теряет тепло атмосфера за счет излучения в направлении к земной поверхности DBa и в мировое пространство B. Тогда уравнение радиационного баланса атмосферы запишется в виде [151]:

пространство излучение земной поверхности и атмосферы, а также выражение (2.30), запишем (2.31) в виде:

Из (2.29)-(2.32) следует, что в качестве исходных характеристик системы Земля - атмосфера, подвергающихся причинному анализу, необходимо рассмотреть эффективное излучение Земли B* и собственное излучение атмосферы dBa в направлении к земной поверхности. Заметим, что поскольку земная поверхность не является абсолютно черным телом, то ею поглощается лишь часть поступившего потока Ba, равная dBa.

Достаточно полные расчеты радиационного баланса земной поверхности и атмосферы и его составляющих были выполнены Д. Лондоном [152]. Эти данные составили ряды, подвергнутые причинному анализу. Результаты анализа приведены в табл. 2.4.

Как видно из таблицы, энтропийные параметры эффективного излучения земной поверхности («причина») и противоизлучение атмосферы («следствие») попадают в область «нормальной причинности» (1). Качественно данный результат можно прокомментировать на основании направления потока свободной энергии: поток энергии всегда направлен от причины к следствию. Так, твердое тело Земли отдает тепло в окружающее пространство. Следовательно, его можно считать находящимся This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

в области причин. Рассматривая систему Земля - атмосфера, аналогичным образом, определяем атмосферу в области следствий, что полностью соответствует результатам выполненного причинного анализа радиационного баланса системы В геофизике горизонтальные и вертикальные силы играют существенно различную роль. Рассмотрим их. Вертикальная компонента Qr силы причинности Q в сферической системе координат выразится выражением Соответственно, горизонтальная компонента- выражением В (2.34) знак «-» для северного полушария, «+» - для южного.

Зависимости Qr и Qj от широты приведены на рис. 2.41.

В геологическом масштабе времени результат действия сил (2.33) и (2.34) можно выразить через их дивергенции:

В (2.35), (2.36) знак «+» для северного полушария, «-» - для This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

Роль силы причинности в формировании геофизических параметров Земли сопоставима с силой гравитационного взаимодействия. Ее учет в формировании облика Земли позволяет получить ответы на ряд вопросов, не нашедших объяснений с классических позиций. Эти вопросы связаны с причиной асимметрии в распределение океанической и материковой коры (суши и моря), асимметрии формы Земли и других планет, термической асимметрии полушарий и более частных вопросов, как наличие внутритропической зоны конвергенции и ее смещение в северное полушарие, равно как, и смещение термического экватора [119,121-126,130,151 ].

Действительно, выделение в процессе дифференциации вещества мантии более легкой гранитоидной фракции, контролируемое, в основном, реакций [152] This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

идет быстрее в условиях вертикального растяжения (при уменьшение давления), характеризуемое неравенством divQr 0.

В результате зоны, где divQr 0 являются более благоприятными для формирования коры материкового типа, чем зоны где divQr 0. Зоны же с divQr 0 более благоприятны для обратного процесса – базификации, той есть формирования коры океанического типа. Участие силы причинности в этих процессах можно видеть наглядно на рис. 2.42, где приведены кривые распределения суши и моря и дивергенции divQr вертикальной составляющей Qr силы причинности. Даже при глубоком скептицизме, расценивать близость формы кривых, представленных на рис. 2.42, как случайное совпадение, очень сложно. Тем не менее, поскольку полученный результат имеет фундаментальное значение, выполним его углубленную проверку.

Если распределение дивергенции вертикальной составляющей силы причинности представить в виде поверхности, то divQr описывает траекторию, близкую к кардиоиде (рис. 2.43), то есть фигуру асимметричную относительно экватора в направлении север – юг. Таким образом, вертикальная составляющая Qr силы причинности Q ответственна за деформацию Первый фундаментальный труд (1743г.) по теории фигуры Земли принадлежит французскому математику А. Клеро [154].

Его знаменитая теорема g = ge(1+ BeSin2j), где Be =5/2q-h, q= wa/ge (ge-ускорение силы тяжести на экваторе, h-сжатие планеты, а–радиус планеты, w– угловая скорость вращения Земли), открыла путь определения фигуры Земли по данным о гравитационном поле планеты – его потенциале W силы тяжести.

Следуя методам гравиметрии, построим, опуская промежуточные выкладки, потенциал вертикальной составляющей This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

Распределение WQ r с широтой, представлено на рис. 2.44. Выполненные И. Д. Жонголовичем [155], Ё. Козаи [125,126] и М. Л. Арушановым [95,128] исследования аномалий орбит ИСЗ, указали на существование асимметрии в поле тяготения Земли, которая и вызывает наблюденные аномалии.

Рис. 2.42. Процентное распределение суши (1) и дивергенция вертикальной составляющей силы причинности (2).

Значения потенциала W определяют семейства уровенных поверхностей силы тяжести. Одна из семейства поверхностей со специальным значением Wo представляет собой форму невозмущенной поверхности океанов. Эта поверхность получила название геоид. Исчерпывающее описание теории потенциала W Рис. 2.43. Поверхность дивергенции вертикальной составляющей силы причин-ности в плоскости меридиана (слева) и фигура кардиоиды, заданная в This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

Рис. 2.44. Потенциал вертикальной составляющей силы Геоид оказывается несимметричным относительно экватора в направление север – юг: в разложение потенциала W по системе сферических функций P от сферических геоцентрических небесных координат притягиваемой точки r/, q/, Ф/ (r/ радиус вектор, q/ - дополнение геоцентрической широты, Ф/ геоцентри-ческая долгота, R – экваториальный радиус) [156] массы) при несимметричном относительно направления север – юг полиноме P3 оказался отрицательным и не слишком малым This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

увеличивается, а на южном (q = p) - уменьшается, то есть в полном согласии с распределением по широтам потенциала WQr.

Этот результат еще раз доказывает важную роль силы причинности в деформации фигуры Земли и других планет. В конце прошлого столетия, в 1998 году по данным космического аппарата Mars Orbiter Laser Altimeter, выполнившего детальную съёмку поверхности Марса, была обнаружена [159] чётко выраженная асимметрия в направление север - юг со впадиной около 3 км на северном полюсе планеты и с такой же величиной выпуклости на южном полюсе, то есть знак и порядок асимметрии такой же как на Земле.

Обоснование тепловой асимметрии полушарий. В работах крупнейших географов и метеорологов [2,119,121-124, 130,157,158] была обнаружена тепловая асимметрия полушарий Земли. В результате статистической обработки рядов приземной температуры воздуха (длины рядов у различных авторов различны, но не менее 30 лет) было установлено, что северное полушарие теплее южного на ~ 3о и тепловой экватор смещен на север относительно географиического на ~ 10о. Распределение среднемесячного температурного поля для центральных месяцев лета и зимы по многолетним данным приведено на рис. 2.45.

Сравнение обоих полушарий делает очевидным значимое различие в характерных для них температурных условий, обобщение которых приведено в табл. 2.6.

This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

Рис. 2.45. Распределение среднемесячной температуры воздуха (по многолетним данным) по земному шару и положение термического Тепловое различие полушарий через зависящее от температуры давление является составляющей общего механизма This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

циркуляции атмосферы. Следствия температурной асимметрии полушарий, определяющая циркуляционные особенности атмосферы, изучены достаточно глубоко [130]. Однако, какихлибо, убедительных объяснений возникновения и поддержания тепловой асимметрии полушарий в метеорологической науке нет. Попытки объяснения этого феномена с точки зрения Нелинейного взаимодействия в системе океан-атмосфера [117] являются не состоятельными, так как эта нелинейность, как уже отмечалось, должна была бы привести к полярно противоположному результату. Попытка объяснить столь сильный контраст температур между полушариями наличием в южном полушарии ледникового материка – Антарктиды, так же, на наш взгляд, несостоятельна из-за существования меридионального переноса, который, в силу законов сохранения, работает на выравнивание температур обоих полушарий. Очевидно, что поддержание существующей в течение тысячи лет тепловой асимметрии полушарий должно осуществляться постоянно действующим механизмом, обеспечивающим эту асимметрию.

Работу такого механизма может обеспечивать постоянно действующая во вращающейся Земле сила причинности [128].

Для строгого обоснования данной гипотезы рассмотрим ротор силы причинности в атмосфере, приняв, в первом приближении, Выражение (2.38) определяет интенсивность меридиональной циркуляции. Зависимость rotQa от широты приведена на рис.

2.46. Из рисунка видно, что в целом в атмосфере преобладают положительные значения rotQa (76,9%). Преобладание положительных значений в распределение rotQr по земному шару означает существование интегрального переноса воздуха из южного полушария в северное полушарие в нижних слоях атмосферы, и обратного - в верхних слоях. В результате приземная температура воздуха в северном полушарие оказывается выше температуры южного полушария, той есть в полном соответствие с наблюденными данными.

This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

Рис. 2.46. Зональное распределение ротора силы причинности в Обоснование существования внутритропической зоны конвергенции и ее смещение в северное полушарие.

Внутритропическая зона конвергенции (ВЗК) – это особая метеорологическая система по Э. Пальмену [130] – зона пассатной сходимости (ЗПС). Под термином «тропики» в метеорологии принимается область между широтами, в которых проходят оси субтропических циклонов обоих полушарий, разделяющие пояса приземного восточного и западного переносов. Важнейшими составляющими из комплекса процессов, определяющие климат планеты Земля, являются нагревание за счет приходящей коротковолновой радиации и выхолаживание за счет длинноволнового излучения в космос. Наиболее велико нагревание в тропической зоне. В этих широтах атмосфера получает от земной поверхности момент количества движения и избыточную тепловую энергию в качестве компенсации за длинноволновое излучение. Э. Пальменом [130] было показано, что ВЗК представляет собой зону, через которую не переносится существенное количество энергии. Следовательно, ВЗК должна располагаться вблизи географического This document is created with trial version of Document2PDF Pilot 2.6.95.

экватора, а ее положение должно претерпевать незначительные сезонные изменения. Наблюденные данные [121, 122] говорят о другом: в среднем за год ВЗК постоянно смещена к северу. Этот парадокс Э. Пальмен пытается объяснить различной теплоемкостью материков и океанов. Для маститого ученого такое объяснение можно рассматривать только как случайную оплошность. Дело в том, что вдоль долгот материков накопление тепла мало по сравнению с накоплением его в океанических зонах, как раз, из-за меньшей теплоемкости материков. Следовательно, чтобы обеспечить существенный перенос тепла через экватор, ВЗК должна претерпевать сильные сезонные изменения, что противоречит наблюденным данным.

С другой стороны, среднее восходящее движение в ВЗК устремляет тепло вверх, как часть ячейки Гадлея [119,124], переносящей тепло к полюсу, что должно приводить к охлаждению верхней атмосферы, иначе - к уменьшению потенциальной энергии, а значит, объяснение, выдвинутое Э. Пальменом, приводит к нарушению теплового баланса (дефицит потенцииальной энергии) общей циркуляции. Если мы обратимся к рис.



Pages:     | 1 || 3 |


Похожие работы:

«Г.С. Хромов АСТРОНОМИЧЕСКИЕ ОБЩЕСТВА В РОССИИ И СССР Сто пятьдесят лет назад знаменитый русский хирург Н.И. Пирогов, бывший еще и крупным организатором науки своего времени, заметил, что. все переходы, повороты и катастрофы общества всегда отражаются на науке. История добровольных научных обществ и объединений отечественных астрономов, которую мы собираемся кратко изложить, может служить одной из многочисленных иллюстраций справедливости этих провидческих слов. К середине 19-го столетия во...»

«Курс общей астрофизики К.А. Постнов, А.В. Засов ББК 22.63 М29 УДК 523 (078) Курс общей астрофизики К.А. Постнов, А.В. Засов. М.: Физический факультет МГУ, 2005, 192 с. ISBN 5–9900318–2–3. Книга основана на первой части курса лекций по общей астрофизики, который на протяжении многих лет читается авторами для студентов физического факультета МГУ. В первой части курса рассматриваются основы взаимодействия излучения с веществом, современные методы астрономических наблюдений, физические процессы в...»

«1 Иран присоединился к числу стран, обладающих банком стволовых эмбриональных и неэмбриональных клеток Успешная трансплантация на животном дифференцированных нервных прекурсоров из эмбриональных стволовых клеток человека Начало производства электроэнергии на АЭС в Бушере Исследователи г.Мешхеда преуспели в производстве лекарственного гриба семейства Ганодермовых, обладающего противораковыми свойствами.. 7 Иранская команда завоевала десять медалей в международной олимпиаде по астрономии Министр...»

«Утверждаю Вице-президент РАН академик _2011 г. Согласовано бюро Отделения РАН Академик-секретарь ОФН академик Матвеев В.А. _2011 г. Согласовано Президиумом СПбНЦ РАН Председатель СПбНЦ РАН академик Алферов Ж.И. _2011 г. ОТЧЕТ О НАУЧНОЙ И НАУЧНО-ОРГАНИЗАЦИОННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ Федерального государственного бюджетного учреждения науки Главной (Пулковской) астрономической обсерватории Российской академии наук за 2011 г. Санкт-Петербург Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Главная...»

«Федеральное агентство по образованию Томский государственный педагогический университет Научная библиотека Библиографический информационный центр Педагогическая практика: в помощь студенту-практиканту Библиографический указатель Томск 2008 Оглавление Предисловие Педагогическая практика Методика преподавания в начальной школе Методика преподавания естествознания Методика преподавания химии Методика преподавания биологии Методика преподавания географии Методика преподавания экологии Методика...»

«РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ ПЛАНЕТНЫЙ РАДИОЛОКАТОР (РАЗДЕЛ ТЕХНИЧЕСКИХ ПРЕДЛОЖЕНИЙ) Содержание Введение 2 Исходные данные 4 Планеты земной группы 5 Спутники внешних планет 9 Астероид Таутатис 10 Исследования околоземного космического мусора 12 Функциональная схема радиолокатора 14 Антенная система 15 Доплеровский синтезатор Синтезатор ЛЧМ-сигнала Хронизатор Особенности устройства обработки Заключение Литература Главный научный сотрудник ИРЭ РАН О. Н. Ржига...»

«ВЕСТНИК МОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА Серия История морской науки, техники и образования Вып. 35/2009 УДК 504.42.062 Вестник Морского государственного университета. Серия : История морской науки, техники и образования. Вып. 35/2009. – Владивосток : Мор. гос. ун-т, 2009. – 146 с. В сборнике представлены научные статьи сотрудников Морского государственного университета имени адм. Г. И. Невельского, посвященные различным областям морской науки, техники и образования. Редакционная...»

«11стор11л / географ11л / этнограф11л 1 / 1 вик Олег Е 1 _ |д а Древнего мира Издательство Ломоносовъ М осква • 2012 УДК 392 ББК 63.3(0) mi Иллюстрации И.Тибиловой © О. Ивик, 2012 ISBN 978-5-91678-131-1 © ООО Издательство Ломоносовъ, 2012 Предисловие исать про еду — занятие не­ П легкое, потому что авторов одолевает множество соблаз­ нов, и мысли от компьютера постоянно склоняются в сто­ рону кухни и холодильника. Но ры этой книги (под псевдонимом Олег Ивик пишут Ольга Колобова и Валерий Иванов)...»

«013121 Перекрестная ссылка на родственные заявки По настоящей заявке испрашивается приоритет предварительной заявки на патент США № 60/667335, поданной 31 марта 2005 г, предварительной заявки на патент США № 60/666681, поданной 31 марта 2005 г., предварительной заявки на патент США № 60/675441, поданной 28 апреля 2005 г., и предварительной заявки на патент США № 60/760583, поданной 20 января 2006 г., полное содержание каждой из которых включено сюда для всех назначений. Область техники, к...»

«11 - Астрофизика, физика космоса Бутенко Александр Вячеславович, аспирант 2 года обучения Пущино, Пущинский государственный естественно-научный институт, астрофизики и радиоастрономии Поиск гигантских радиоисточников в обзоре северного неба на частоте 102.5 МГц e-mail: shtukaturya@yandex.ru стр. 288 Гарипова Гузель Миннизиевна, аспирант Стерлитамак, Стерлитамакский филиал Башкирского государственного университета, физико-математический Проблема темной материи: история и перспективы Камал Канти...»

«Уильям Дойл Наоми Морияма Японки не стареют и не толстеют MCat78 http://www.litres.ru/pages/biblio_book/?art=154999 Японки не стареют и не толстеют: АСТ, АСТ Москва, Хранитель; 2007 ISBN 5-17-039650-3, 5-9713-4378-5, 5-9762-2317-6, 978-985-16-0256-4 Оригинал: NaomiMoriyama, “Japanese Women Don't Get Old or Fat” Перевод: А. Б. Богданова Аннотация Японки – самые стройные женщины в мире. Японки ничего не знают об ожирении. Японки в тридцать выглядят на восемнадцать, а в сорок – на двадцать пять....»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ РЯЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. С.А. ЕСЕНИНА А.К.Муртазов Русско-английский астрономический словарь Около 10 000 терминов A.K.Murtazov Russian-English Astronomical Dictionary About 10.000 terms Рязань - 2010 Рецензенты: доктор физико-математических наук, профессор МГУ А.С. Расторгуев доктор филологических наук, профессор МГУ Л.А. Манерко А.К. Муртазов Русско-английский астрономический словарь. – Рязань.: 2010, 188 с. Словарь является...»

«М.М.Завадовская-Саченко ПАМЯТИ МОЕГО ОТЦА В 1991 г. исполнилось 100 лет со дня рождения Михаила Михайловича Завадовского, профессора Московского государственного университета, академика ВАСХНИЛ. Он родился 17 июля 1891 г. в селе Покровка-Споричево Херсонской губернии в семье помещика Михаила Владимировича Завадовского. Мальчику было четыре года, когда умер отец, и мать с четырьмя детьми переехала в Елисаветград. Интерес к природе проявился рано: коллекция насекомых; голубятня, в которой были и...»

«издается с 1994 года.. ОкТЯбрь 2012 ИДЕИ СОВЕТЫ ПУТЕШЕСТВИЯ w w w. v o y a g e m a g a z i n e. r u программа-минимум Голубая кровь арт стамбула главная тема гастрономические пу тешес твия -отели на практике -кварталы -маршруты спорный момент: как быть со сварливым попу тчиком помощь юрис та: арест за границей 16+ география номера в е л и ко б р ита н и я | и з ра и л ь | ита л и я | к ита й | н и де рл а н ды | оа Э | с и н га п у р | та и л а н д | т у р ци я с л о в о р е д а к т о ра...»

«ISSN 0371–679 Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской революции и ордена Трудового Красного Знамени Государственный университет им. М.В. Ломоносова ТРУДЫ ГОСУДАРСТВЕННОГО АСТРОНОМИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. П.К. ШТЕРНБЕРГА ТОМ LXXVIII ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ Восьмого съезда Астрономического Общества и Международного симпозиума АСТРОНОМИЯ – 2005: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ К 250–летию Московского Государственного университета им. М.В. Ломоносова (1755–2005) Москва УДК Труды Государственного...»

«200 ЛЕТ АСТРОНОМИИ В ХАРЬКОВСКОМ УНИВЕРСИТЕТЕ Под редакцией проф. Ю. Г. Шкуратова БИБЛИОГРАФИЯ РАБОТ ЗА 200 ЛЕТ Харьков – 2008 СОДЕРЖАНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА 1. ИСТОРИЯ АСТРОНОМИЧЕСКОЙ ОБСЕРВАТОРИИ И КАФЕДРЫ АСТРОНОМИИ. 1.1. Астрономы и Астрономическая обсерватория Харьковского университета от 1808 по 1842 год. Г. В. Левицкий 1.2. Астрономы и Астрономическая обсерватория Харьковского университета от 1843 по 1879 год. Г. В. Левицкий 1.3. Кафедра астрономии. Н. Н. Евдокимов 1.4. Современный...»

«Б. Г. Тилак The Arctic Home in the Vedas Being also a new key to the interpretation of many Vedic Texts and Legends by Lokamanya Bal Gangadhar Tilak, b a, 11 B, the Proprietor of the Kesan & the Mahratta Newspapers, the Author of the Orion or Researches into the Antiquity of the Vedas the Gita Rahasya (a Book on Hindu Philosophy) etc etc Publishers Messrs Tilak Bros Gaikwar Wada, Poona City Price Rs 8 1956 Б.Г.ТИЛАК АРКТИЧЕСКАЯ РОДИНА В ВЕДАХ ИЗДАТЕЛЬСКО Москва Ж 2001 ББК 71.0 Т41 Тилак Б. Г....»

«ПИРАМИДЫ Эта книга раскрывает тайны причин строительства пирамид Сколько бы ни пыталось человечество постичь тайну причин строительства пирамид, тьма, покрывающая её, будет непроницаема для глаз непосвящённого. И так будет до тех пор, пока взгляд прозревшего, скользнув по развалинам ушедшей цивилизации, не увидит мир таким, каким видели его древние иерофанты. А затем, освободившись, осознает реальность того, что человечество пока отвергает, и что было для иерофантов не мифом, не абстрактным...»

«СЕРГЕЙ НОРИЛЬСКИЙ ВРЕМЯ И ЗВЕЗДЫ НИКОЛАЯ КОЗЫРЕВА ЗАМЕТКИ О ЖИЗНИ И ДЕЯТЕЛЬНОСТИ РОССИЙСКОГО АСТРОНОМА И АСТРОФИЗИКА Тула ГРИФ и К 2013 ББК 22.6 Н 82 Норильский С. Л. Н 82 Время и звезды Николая Козырева. Заметки о жизни и деятельности российского астронома и астрофизика. – Тула: Гриф и К, 2013. — 148 с., ил. © Норильский С. Л., 2013 ISBN 978-5-8125-1912-4 © ЗАО Гриф и К, 2013 Мир превосходит наше понимание в настоящее время, а может быть, и всегда будет превосходить его. Харлоу Шепли КОЗЫРЕВ И...»

«Электронное научное издание Альманах Пространство и Время. Т. 1. Вып. 1 • 2012 Специальный выпуск СИСТЕМА ПЛАНЕТА ЗЕМЛЯ Electronic Scientific Edition Almanac Space and Time Special issue 'The Earth Planet System' Elektronische wissenschaftliche Auflage Almabtrieb ‘Raum und Zeit‘ Sonderheft ‘System Planet Erde‘ Земля в Космосе Earth in Space / Erde im Weltraum УДК 550.31:524-1/-8:523.4-52:523.24 Кривицкий В.А. Галактическая природа цикличности в истории развития Земли Кривицкий Владимир...»






 
© 2014 www.kniga.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Книги, пособия, учебники, издания, публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.