CC BY
112
2002
Известия Тихоокеанского научно-исследовательского рыбохозяйственного центра
Том 130
Ю.А.Колесник (Уссурийский государственный педагогический институт, г. Уссурийск)
НЕРАВНОМЕРНОСТЬ ВРАЩЕНИЯ ЗЕМЛИ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ДИНАМИКУ БИОСИСТЕМ
Вариации ротационного режима планеты оказывают существенное влияние на атмосферную и океаническую циркуляцию, а также другие природные явления (Максимов и др., 1970; Куликов, Сидоренков, 1971; Монин, 1972; Дружинин и др., 1974; Калинин, Киселев, 1978; Мирошниченко, 1981; Сидоренков, Свиренко, 1983; Куликов, 1985; Планетарные атмосферные процессы, 1991; и др.).
Предположение о возможной связи между изменениями скорости вращения Земли, климата и, как следствие, биосистем высказали И.В.Максимов с соавторами (1970). Они обратили внимание на тот факт, что между показателями уменьшения скорости вращения Земли, вековым увеличением сухости климата Китая, средней толщиной годовых колец секвойи в Калифорнии и усилением осадконакопления в Сакском озере в Крыму прослеживается поразительная общность. Приведенные сопоставления, по их мнению, еще не доказывают, что ротационный режим есть основная причина, определяющая характер и интенсивность общей циркуляции земной атмосферы, а следовательно, способная в значительной мере определять вековые изменения климата Земли. Дальнейшие исследования подтвердили, что колебания скорости вращения Земли влияют на характер протекания синоптических и океанологических процессов (Рудяев, 1984; Сидоренков, Свиренко, 1991; Слепцов-Шевлевич, 1998; и др.). Например, природа оледенения Новой Земли в 1913-1988 гг. соответствует изменению климата полярных зон в результате смены типов циркуляции в атмосфере, которые, в свою очередь, увязываются с изменениями скорости вращения Земли (Корякин, 1990).
Согласно оценкам исследователей (Сидоренков, Свиренко, 1983, 1991; и др.), с 1955 по 1972 г. регистрировалось замедление скорости вращения Земли, достигшее к 1972 г. своего минимального значения, т.е. когда длительность суток увеличилась на 0,0025 с (Рябов, 1988; и др.). В это же время, по оценкам Ю.В.Николаева и Ю.Н.Колтанова (1983), повторяемость форм западной циркуляции ^ - западная форма) уменьшилась, возросло количество периодов с устойчивой формой меридиональной циркуляции, т.е. форм Е и С. Многолетние изменения скорости вращения Земли обусловливают перераспределение воздушных и водных масс Мирового океана от экваториальных областей к полярным, формируя в этих широтах области повышенного давления (Рудяев, 1984). Кроме это-
1283
го, изменения скорости вращения Земли приводят к периодическим сменам форм атмосферной циркуляции. Общеизвестно, что ее вращение оказывает сильное влияние на меридиональную циркуляцию. Например, в лабораторных экспериментах удалось установить следующее: при увеличении угловой скорости сосуда до некоторой критической величины движение водной массы в нем нарушается и заменяется квази-горизон-тальным движением, напоминающим режим Россби в умеренных широтах. В жидкости образуется меандрирующее зональное течение, аналогичное крупномасштабным волновым возмущениям в атмосфере, причем число волн на окружности сосуда меняется в зависимости от скорости вращения (Витвицкий, 1980).
Результаты реакций биосистем на многолетние колебания скорости вращения Земли приводятся в публикациях ряда исследователей (Колесник, Тимофеева, 1981, 1982; Колесник и др., 1985; Колесник, 1990, 1994, 1997; Кляшторин, Сидоренков, 1996).
В соответствии с литературными данными (Куликов, 1985; Рябов, 1988; и др.), к настоящему времени пока еще нет общепризнанной теории, объясняющей долгопериодные изменения скорости вращения Земли. Тем не менее решение этой проблемы имеет первостепенное значение для понимания ее роли, а также космических источников формирования колебательных процессов на Земле.
Некоторые исследователи считают, что периодические колебания ротационного режима планеты вызваны эндогенными причинами. Например, перераспределение влаги между Мировым океаном и ледниковыми щитами неизбежно сопровождается изменением момента инерции Земли и должно приводить к неравномерности вращения Земли и движению полюсов (Куликов, 1985). Имеются и другие точки зрения на природу данного явления (Манк, Макдональд, 1964; Рудяев и др., 1985; и др.). Следует обратить внимание на полученный Ф.И.Рудяевым с соавторами (1985) вывод, касающийся причин, приводящих к ритмическим изменениям скорости вращения Земли: все выявленные ритмы (в динамике планеты) получают достаточно обоснованное теоретическое объяснение без привлечения солнечной активности.
Рассмотрим физическую сущность еще одного процесса, способного, по-видимому, вызвать колебания скорости вращения Земли, периодических изменений лунного прилива. Этот вид прилива формирует квазидвухлетние колебания ветра в экваториальной стратосфере (Шерстю-ков, 1995) и других природных явлений (осадки, ледовитость морей, барических образований и т.д.), не исключая многих представителей биоты. Детальный обзор этого вида колебаний природных процессов приведен в некоторых публикациях (Еремин, 1981; и др.).
Особый интерес представляет многолетний лунный прилив, который способен вызвать значительные перестройки в динамике природных явлений. Он возникает за счет того, что склонение Луны, равное в среднем 23027', не остается постоянным, а изменяется за 18,6-летний период от 28035' до 18019', порождая в конечном итоге этот вид прилива (Максимов и др., 1970).
Движение Солнца по эклиптике обусловливает годичный и полугодичный периоды в колебании земной оси, движение Луны - период 18,6 года, соответствующий движению лунных узлов по эклиптике (Куликов, 1985). Если это так, то наблюдаемые "миграции" Луны и Солнца по отношению к Земле вызовут смещение положения центра масс системы Земля-Луна и Земля-Луна-Солнце (цикл Сароса). Под действием
внешних сил, приложенных к системе, ее центр масс движется как материальная точка, в которой сосредоточена вся масса системы (Шебалин, 1981). Для системы Земля-Луна общий центр масс находится внутри земного шара на расстоянии 4660 км от его центра. При долгопериодных изменениях склонения Луны общий центр масс также будет перемещаться вслед за ее положением, образуя угол между прямой, соединяющей центры Земли и Луны, и смещенным положением Луны. Поэтому, чтобы по отношению к общему центру масс оставаться в устойчивом состоянии, ось Земли должна сделать соответствующий наклон в сторону нового положения Луны. С учетом ее вращения вокруг Земли должно происходить неравномерное вращение планеты. Количественно данный процесс можно выразить следующим образом.
Момент внешних сил, вращающих тело вокруг данной оси, равен моменту инерции тела относительно этой оси, умноженному на угловое ускорение тела (Шебалин, 1981):
М = J dw/dt = Je, (1)
где М, J, е - соответственно момент внешних сил, вращающих тело; момент инерции Земли (0,33 • Мз • г2) и ее угловое ускорение. Координата центра масс имеет следующее выражение:
х = (М • ИШМ + Мл), (2)
где Хс, Ы, Мз и Мл - соответственно центр масс, расстояние Луны до Земли, массы Земли и Луны.
Приравнивая (1) и (2) по массе Земли, получим после ряда преобразований изменение угловой скорости вращения планеты в зависимости от времени:
dW/dt = М(Хс/(О - ВХс), (3)
где М - момент внешних сил, приложенных к системе, О = 0,33 • г2 • Мл • Ы и В = 0,33 • г2 • Мл; г2 - радиус Земли.
Как следует из (3), при смещении координаты центра масс угловая скорость вращения Земли должна испытывать изменения. Так, например, при стремлении Хс к минимальным значениям угловая скорость вращения Земли должна уменьшаться, а при стремлении Хс к бесконечности -увеличиваться.
Таким образом, колебания склонения Луны приводят к смещению координаты центра масс в широтном направлении, но не меняя его расположения от центра Земли. Выразим искомую закономерность следующим образом:
Х(0 = Х^т 0 t, (4)
где Х(0 Хс и 0 - соответственно осциллирующая во времени координата центра масс и ее первоначальное (стационарное) состояние, угол склонения Луны.
Подставив в (3) выражение (4), имеем:
dW/dt = М (Х^т 0 ^(о - В Х^т 0 О). (5)
Перепишем левую часть (5) как
JdW/M. (6)
Интегрируя (4, 6) от W1 до W2, получим:
- W1)/М = ДW/M = Jхcsin 0 t/(Q - ВХ^т 0 t)dt. (7) Предположим, что угол склонения Луны изменяется со временем равномерно, т.е. без флюктуаций. Тогда интегрирование правой части (7) будем вести от 0 (точка стационарного положения Луны) до Ттах. Обозначим О/В = а и Хс = Ь. Решение (7) имеет вид:
AW = M [2/VT arctg (tg0Tma /2)]/VT, (8)
где J = (a2 - b2); I = (a2 + b2).
Как следует из решения (8), многолетние изменения угловой скорости вращения планеты зависят от периодических колебаний склонения Луны. Ясно, что на ротационный режим Земли оказывает соответствующее воздействие и Солнце (через перераспределение пары сил), но для учета данного фактора необходимы иные расчеты.
Анализ выполненных расчетов позволяет сделать следующее заключение: периодические соединения планет солнечной системы, так же как и в отношении связи "Луна-Земля", формируют условия перехода всей системы в колебательный режим, который испытывают земные явления, включая биоту, навязывая им свои правила "игры". Примером этому является наличие у многих процессов одинаковых периодов колебаний. Если бы это было не так, то в получаемых спектрах частот регистрировался хаос. Порождаемые космическими объектами энергоинформационные потоки вовлекаются (посредством захвата частот и других механизмов) в земные процессы и обусловливают периодические колебание их характеристик. Исследования свидетельствуют (Максимов и др., 1970), что многолетний лунный прилив способен изменить уровенную поверхность океана. В результате астрономических воздействий изменяется скорость течений в океане, а через систему взаимодействий между атмосферой и океаном будет сформирован ритмический режим циркуляции атмосферы на Земле. Выполненный И.В.Максимовым с соавторами (1970) анализ привел к выводу, что существование глобальной стоячей волны многолетнего лунного прилива неизбежно приводит в области узлов этой волны к появлению соответствующих многолетних астрономических течений. Этот же вид прилива оказывает свое влияние на изменение скорости вращения Земли - явления, вносящего дополнительный вклад в формирование ритмических процессов в абиотическом и биотическом фоне обитания живых организмов.
Используя опубликованные данные по солнечной активности, изменению скорости вращения Земли и многолетнему лунному приливу (Си-доренков, Свиренко, 1991; Parker et al., 1995; Чистяков, 1997), преобразуем их числовые характеристики (которые от года к году не остаются постоянными) в коды. Выразим состояние динамики процессов в бинарной шкале: рост показателя или его снижение (в дальнейших обозначениях - вспышки численности или ее отсутствие и т.д.) обозначим соответственно символами 1 и 0. Первый символ соответствует следующему году, а поэтому если вариационный ряд содержит 37 наблюдений, то коды будут иметь 36 символов. Приведем фрагмент кодирования. Начиная с 1945 по 1954 г. наблюдался рост и спад солнечной активности (данные В.Ф.Чистякова (1997)). Числа Вольфа следующие: 33,2; 92,6; 151,2; 136,2; 135,1; 83,9; 69,4; 31,4; 13,9; 4,4 и т.д. В кодах этот ряд выглядит 110000000. Уместно привести точку зрения П.М.Брусиловско-го (1980) на корректность использования символов 1 и 0 при кодировании прошедших природных изменений: каждый год (или какой-либо другой), характерный для данной популяции (и других процессов), природа ставит эксперимент с двумя случайными исходами - 1 (произошла вспышка) или 0 (отсутствие вспышки). В нашем случае - это рост показателя явления или его спад.
В табл. 1 представлены результаты кодирования показателей солнечной активности (СА), скорости вращения Земли (СВЗ) и многолетнего лунного прилива (ЛП) за 1946-1993 гг. Так как наблюдения за динамикой
биоты ограничиваются этим периодом времени, то для будущих вычислительных процедур мы выбрали отрезок времени, равный 47 годам.
Таблица 1
Коды солнечной активности, скорости вращения Земли и многолетнего лунного прилива (наблюдения с 1946 по 1993 г.)
Table 1
Code solar activity, index of Earth rotation and Long-term Lunar flow cycle (data observant, 1946-1993)
Код СА 110000000111000000011110001000011100000001110100 Код CB3 111111111100111000000000100110001111011110100000 Код ЛП 000111111111000000000011111111100000000001111111
Примечание. Данные по CA и CB3 взяты из работ соответственно В.Ф.Чистякова (1997) и Н.С.Сидоренкова, П.И.Свиренко (1991), а по динамике СВЗ после 1983 г. символы кодирования сняты с графика из работы Л.Б.Кляшторина, Н.С.Сидоренкова (1996). Построение кода лунного прилива соответствует графику 2 из работы Паркера с соавторами (Parker et al., 1995).
Идея изучения сопоставляемых кодов заключается в том, что необходимо выяснить, например, сколько случаев за исследуемый промежуток времени роста солнечной активности (и только) приходится на рост или спад скорости вращения Земли, а в отношении биосистем - на увеличение или снижение их показателей. Аналогично определяется число случаев реагирования природного явления и биоты только на периоды снижения солнечной активности или замедления скорости вращения Земли и т.д. От полученных величин вычислялись проценты.
Анализировались три варианта сопоставлений: "солнечная активность - лунный прилив" (№ 1); "солнечная активность - скорость вращения Земли" (№ 2) и "лунный прилив - скорость вращения Земли" (№ 3) (табл. 2).
Как свидетельствуют результаты сопоставлений кодов солнечной активности и лунного прилива, между ними не наблюдается взаимозависимой реакции. При росте или спаде солнечной активности можно с одинаковой вероятностью ожидать увеличения многолетнего лунного прилива.
Иное рас-Таблица 2 пределение час-Оценка результатов сопоставляемых кодов тот регистриру-
гелиогеофизических процессов ется в сопос-
Table 2 тавлениях № 2 Result juxtaposition code и 3 видно что
при снижении солнечной активности (№ 2) регистрируется ускорение скорости вращения Земли (61,3 % случаев). При росте солнечной активности до 70,6 % случаев приходится (в сопостав-
Показатель Сценарий сравнений Число случаев 1 (рост СА) 0 (спад СА) Всего
№ 1
Рост ЛП 1 9 (53 %) 16 (51,6 %) 25
Спад ЛП 0 8 (47 %) 15 (48,4 %) 23
Всего случаев 17 31 48
№ 2
Ускорение СВЗ 1 5 (29,4 %) 19 (61,3 %) 24
Замедление СВЗ 0 12 (70,6 %) 12 (39,7%) 24
Всего случаев 17 31 48
№ 3
Ускорение СВЗ 1 11 (44 %) 14 (61 %) 25
Замедление СВЗ 0 14 (56 %) 9 (39 %) 23
Всего случаев 25 23 48
лениях) на замедление вращения планеты. Это уже реальный факт. Его нельзя считать результатом просчетов в вычислениях.
При уменьшении многолетнего лунного прилива скорость вращение планеты увеличивается в 61,0 % случаев. При росте лунного прилива происходит замедление скорости вращения планеты, что не противоречит теоретическим расчетам (56,0 % случаев, № 3).
Таким образом, при росте солнечной активности наблюдается замедление скорости вращения Земли (точнее, эти два процесса совпадают), а при ее спаде следует ускорение вращения планеты. Выводы не противоречат литературным (Максимов и др., 1970; Мирошниченко, 1981; Сидоренков, Свиренко, 1983; Слепцов-Шевлевич, 1983; и др.).
Результаты вычислений свидетельствуют о совпадении реакций двух процессов между многолетним лунным приливом и скоростью вращения Земли. При росте лунного прилива происходит замедление скорости вращения планеты и противоположный эффект будет наблюдается при его уменьшении - вращение планеты ускоряется.
Таким образом, предположение о возможном нарушении вращения Земли за счет многолетнего лунного прилива получило подтверждение не только в результате математических вычислений, но и на эмпирическом уровне, т.е. путем изучения кодов искомых процессов.
Следствием периодических колебаний ротационного режима Земли является нарушение атмосферной и океанической циркуляции. Следует напомнить, что в период замедления вращения Земли начинает доминировать меридиональная форма атмосферной циркуляции, а в период ускорения - зональная (Сидоренков, Свиренко, 1983; и др.).
Природные явления через цепочку причинно-следственных взаимодействий должны испытывать преобразования окружающей их гелиоге-офизической среды. Ответной реакцией на геофизические воздействия является одинаковая с ними периодика колебаний параметров, в том числе биосистем (Максимов и др., 1970; Давыдов, 1975, 1977; Павлычев, Шевцов, 1977; Ягодинский, 1977; Саблин, 1980; Шунтов, Васильков, 1981; Колесник, Тимофеева, 1982; Колесник и др., 1985; Шунтов и др., 1993; Колесник, 1994, 1997; и др.).
Планетарные процессы (замедление вращения Земли, нутация оси и т.д.) воздействуют на колебание атмосферной и океанической циркуляции непосредственно. Физический механизм их влияния на циркуляционные процессы и, как следствие, биоту очевиден. Изменяя планетарный вихрь, который связан с угловой скоростью вращения Земли, ротационный режим должен, на первый взгляд, сместить траекторию движения атмосферных струй и океанических течений. При изменении угловой скорости вращения Земли все земные процессы будут испытывать ее влияние за счет силы Кориолиса и т.д. Решению проблемы влияния вращения Земли на земные процессы уделяли большое внимание многие ученые (Манк, Макдональд, 1964; Максимов и др., 1970; Сидоренков, 1982; Куликов, 1985; и др.).
Выяснено (Максимов и др., 1970; Рудяев, 1984; Слепцов-Шевлевич, 1998; и др.), что в период ускорения вращения Земли у экваториальной зоны, ограниченной с севера и юга широтой 35о, концентрируются огромные массы атмосферы и воды. По форме контуры планеты в этот период можно представить в виде "волчка" (при ускоренном вращении обруча происходит сжатие его радиуса).
Такой тип вращения Земли влияет и на ее момент инерции Ш, который можно представить в виде следующей формулы:
J = 0,33MR2, (9)
где M и R - соответственно масса и экваториальный радиус Земли.
Путем преобразования (9) изменение момента инерции Земли, за счет замедления вращения планеты, имеет следующее аналитическое выражение (Рудяев, 1984):
AM = M(AW/W - 2 AR/R), (10)
где W - угловая скорость вращения Земли, равная 7,3 • 10-5 с. Относительное изменение длительности суток равно AW/W = AT/T, где T -земные сутки, равные 86400 с (Мирошниченко, 1981; и др.). За период 1955-1972 гг. длительность земных суток, из-за замедления вращения планеты, увеличилась на 0,0025 с (Мирошниченко, 1981; Сидоренков, 1982; Рябов, 1988; и др.). Относительное изменение длительности суток составит 0,0025/86400 = 3 • 10-8. Вычислим AR следующим способом. Выяснено, что полугодовой статический прилив на экваторе равен 14 мм (Максимов и др., 1970; и др.). Максимальная амплитуда многолетнего лунного прилива составляет 0,9 амплитуды полугодового солнечного прилива. Тогда AR = 14 • 0,9 = 13 мм. Масса Земли равна 5,975 • 1027 г, а ее радиус - 637 • 106 см. Подставив необходимые величины в (10), имеем (Колесник и др., 1985):
AM = 5,975 • 1027(3,0 • 10-8 - 0,44 • 10-8) = 15 • 1019 г.
Приведенная выше дополнительная масса (AM) при смещении к высоким широтам несет в себе значительую кенетическую энергию. Силы трения гасят их, но не до конца, и прямым доказательством этого является существование прилива в океане (Максимов и др., 1970). Исследователи, изучающие данное явление, считают, что вследствие свободного движения полюсов максимальная сила, влияющая на деформацию океана, повторяется один раз в семь лет, и многие гидрологические характеристики (температура воды, расход воды, скорость течений Гольфстрим, Куросио и т.д.) также будут претерпевать семилетний цикл изменений.
В последние десятилетия обнаружены новые особенности вращения Земли. Флюктуации угловой скорости отмечены не только для многолетнего периода (векового замедления), но и в течение месяца и даже ото дня ко дню (Мирошниченко, 1981). Самый существенный, на наш взгляд, результат колебаний ротационного режима планеты - это нарушение устойчивой атмосферной и океанической циркуляций, явлений, прямо воздействующих на биосферные процессы. Например, выяснено, что ось Куросио колеблется с периодичностью 19-22 года и 4-5 лет (Павлычев, Шевцов, 1977; и др.). Отмеченные колебания направленности течений непосредственно влияют на формирование океанологического режима, а следовательно, и на условия воспроизводства гидробионтов. Но тогда каков физический механизм, отклоняющий направленность движения течения? Или какие физические процессы обусловливают это явление?
Согласно предположению (Максимов и др., 1970), при возникновении "астрономических течений" они в своем движении будут накладываться на постоянные потоки, изменяя их направленность и скорость. Потоки будут затухать или усиливаться, сместятся их основные оси, и все это скажется на тепловом состоянии океана. Следовательно, решение задачи о механизмах, обусловливающих долгопериодные флюктуации направленности движения океанических течений или смены формы атмосферной циркуляции, а в более глобальном масштабе - особенности взаимодействия атмосферы и океана, имеет непосредственное практическое значение, ибо позволяет подойти к вопросам прогнозирования этих процессов.
Оказывают ли прямое влияние колебания угловой скорости вращения Земли на миграцию оси океанических потоков, например, Куросио? Пусть
f = 2Wsinrou. (11)
Продифференцируем (11) по широте ф и угловой скорости вращения Земли:
df/dro = 2Wcosrou; df/dW = 2sinrou. (12)
Разделив одно выражение на другое, имеем
dro = dW/W • tngro. (13)
Подставим в (13) широту 35о с.ш., получим, что относительное изменение угловой скорости равно 3 • 10-8. Оценки свидетельствуют о том, что отклонения оси течения от своего первоначального состояния практически не произойдет. Точнее, отклонения Куросио за счет изменения угловой скорости вращения планеты практически нет. Основная водная масса течения не реагирует на колебания W. Теперь продифференцируем (11) по широте и скорости u. После ряда преобразований получим следующее выражение:
dro = du/u tngro. (14)
Из (14) видно, что на широте 35о с.ш. отклонения течения за счет изменения скорости течения могут быть существенными. В данном случае, при наших оценках, относительное изменение скорости течения составит du/u = 0,14. Следует отметить, что в годы ускорения вращения Земли, а значит наибольшего развития к югу астрономического течения, деятельность течения Гольфстрим ослабевала (Максимов, Смирнов, 1967). Интересен еще один факт: изменение средней температуры деятельности слоя Цусимского течения, измеренной в южной части Японского моря с 1965 по 1970 г., находилось в одной фазе с интенсивностью Куросио, а в последующие годы - в противофазе (Павлычев, Шевцов, 1977). Пока этому явлению трудно дать достоверное объяснение. Можно сделать только предположение, что отмеченная странность в динамике температуры Куросио и Цусимского течения явилась отображением влияния замедления вращения Земли, которое регистрировалось в упомянутые годы, а в последующем - ее ускорением.
Изменение вращения планеты приводит к колебаниям в умеренных широтах уровня Атлантического океана в среднем до 0,20 см/год, а в субтропических - 0,35-0,40 см/год (Слепцов-Шевлевич, 1998).
Имеются данные (Hanawa, 1995) о том, что в многолетних расходах водной массы (Sverdrup transport) течения Ойясио наблюдается 3 и 67-летняя периодичность. Скопировав с графика 6 публикации Ханава (Hanava, 1995) показатели (normalized anomaly) отклонения расходов водной массы от стандартной величины, равной 20,0 • 106 т3/с, после перевода их в коды сопоставили их с кодами солнечной активности и скорости вращения Земли (табл. 3). Учитывались две фазы состояния исследуемых процессов: увеличение солнечной активности, скорости вращения Земли и отклонение расходов водной массы течения от стандартной величины и альтернативный вариант. Все величины выражены в процентах от общего числа случаев с учетом фазы состояния.
Как видно (табл. 3), отклонение расходов водной массы течения в годы снижения солнечной активности уменьшалось по отношению к стандартной величине (20,0 • 106 т3/с). В период ускорения вращения планеты искомые расходы были выше (55,5 %), при замедлении вращения планеты они снижались до 60,0 % (табл. 3). Анализ результатов оценок, представленных в табл. 3, косвенно подтверждает тезис о при-
1290
сутствии в период замедления вращения планеты условий, способствующих перераспределению масс атмосферы и океана к высоким широтам. Например, при замедлении СВЗ расходы водной массы Ойясио уменьшались до 60 % и все это происходило в период роста солнечной активности. Доказано (Максимов и др. 1970; Мирошниченко, 1981; и др.), что годы активизации солнечной активности совпадают с замедлением вращения Земли.
Таблица 3
Результаты оценок сопоставленных кодов расхода водной массы течения Ойясио за 1960-1983 гг., см3/с (%)
Table 3
Result juxtaposition code southward penetration of the Oyashio (1960-1983), cm3/s (%)
Вид расхода Состояние солнечной Состояние скорости Всего наб-
водной массы активности вращения Земли людений
1 0 1 0
Рост 1 3 (37,5 %) 8 (50 %) 5 (55,5 %) 6 (40 %)
Спад 0 5 (62,5 %) 8 (50 %) 4 (44,5 %) 9 (60 %)
Всего 8 16 9 15 24
При изучении гидрологических процессов в зал. Аляска (Parker et al., 1995) выяснено, что многолетний период изменения температуры воды на глубине от 0 до 200 м составляет 18,6 года. По мнению американских ученых, это результат влияния лунного прилива, который воздействует на перераспределение скорости течений в океане. Даже самые малые изменения их скорости могут сказаться на средней температуре воды благодаря то усилению, то снижению интенсивности переноса разогретых экваториальных вод в северной части Тихого океана к высоким широтам.
Несомненно, этот фактор должен сказаться на динамике и других океанических течений, многолетних колебаниях их стрежней и в конечном итоге - на океанологическом режиме, который уже непосредственно будет определять условия жизни гидробионтов.
Именно по такому сценарию, можно предполагать, развивались в конце 50 и начала 70-х гг. события в зоне Куросио, сказавшиеся на воспроизводстве сайры и других видов рыб, которые обусловили начало спада, например, поголовья морских котиков.
Анализ выполненных оценок не противоречит развиваемым многими учеными (Максимов и др., 1970; Рудяев, 1984; и др.) представлениям о том, что на динамику атмосферной и океанической циркуляции значительное влияние оказывают колебания скорости вращения Земли, многолетний лунный прилив и другие геофизические явления.
Изменение ротационного режима планеты способно вызвать значительные перестройки в энергетических и информационных потоках природных и биологических систем, обусловливая в их компонентах колебательный режим.
Приведем коды многолетних изменений уловов рыб в ответ на гелиогеофизические воздействия. Выясним, являются ли упомянутые компоненты биоты нейтральными системами.
Материалы по добыче тихоокеанских лососей в Беринговом море взяты из работы А.И.Чигиринского (1994). В основном горбушу ловят в карагинско-олюторском районе, а кету - в анадырском. Уловы нерки (Oncorhynchus nerka Walbaum) взяты из работ американских ученых (Beamish and Bouillon, 1993). Результаты кодирования уловов лососей
1291
представлены в табл. 4, а в табл. 5 и 6 - их сопоставление с гелиогео-физическими факторами. Следует напомнить, что при кодировании первый символ приписывался измененному показателю улова рыбы в сравнении с предыдущим годом, показатель которого уже нельзя сравнивать с последующим в силу ограниченности ряда. Поэтому общее число символов в сравнении с длительностью ряда будет на одну величину меньше. Обычно уловы рыб не могут в точности характеризовать динамику популяции, поэтому изучение их за длительный промежуток времени отображает только тенденции изменения численности стада рыб.
Таблица 4
Коды уловов нерки (1945-1989 гг.), горбуши и кеты (1953-1993 гг.)
Table 4
Code catches sockeye (1945-1989), pink and chum (1953-1993)
Уловы нерки 10111010001001110001000010010101101001110101 Уловы горбуши 10101010101010101010101010101010101010101 Уловы кеты 01100111011101101100011101101110011100111
Таблица 5
Результаты сопоставлений кодов уловов горбуши и кеты в Беринговом море c кодами солнечной активности (СА) и скорости вращения Земли
Table 5
Result juxtaposition code catches pink and chum in Bering Sea and code solar activity and rotation Earth
Вид и состояние биоресурса
Сопоставляемые коды
Рост СА Спад СА
Горбуша
Рост уловов 9 (60 %) 12 (46,2 %)
Снижение уловов 6 (40 %) 14 (53,8 %)
Всего 15 26 Кета
Рост уловов 8 (44,4 %) 18 (69,2 %)
Снижение уловов 7 (55,6 %) 8 (30,8 %)
Всего 8 26
Горбуша Рост СВЗ Замедление СВЗ
Рост уловов 8 (44,5 %) 13 (56,5 %)
Спад уловов 10 (55,5 %) 10 (43,5 %)
Всего 18 23 Кета
Рост уловов 13 (72,2 %) 13 (56,5 %)
Спад уловов 5 (27,8 %) 10 (43,5 %)
Всего 18 23
Таблица 6
Сопоставление кодов американских уловов нерки (1946-1989 гг.) с кодами солнечной активности, скоростью вращения Земли и лунным приливом
Table 6
Juxtaposition code catches sockeye (1946-1989) and code solar activity, rotation Earth and long-term Lunar flow cycle
Уловы Солнечная активность Вращение Земли Лунный прилив
нерки, т_1_0_1_0_1_0
1 7 (43,7 %) 14 (50 %) 14 (53,8 %) 6 (33,3 %) 9 (41 %) 12 (54,5 %) 0 9 (56,3 %) 14 (50 %) 12 (46,2 %) 12 (66,7 %) 13 (59 %) 10 (45,5 %) Всего 16 28 26 18 22 22
Вычисление доли случаев, приходящихся на рост и снижение показателя биосистем, осуществлялось только с показателем периодов роста или снижения гелиогеофизических параметров.
Обычно рост солнечной активности наблюдается в течение 4-5, а спад - 7-8 лет. Поскольку в колебании показателей биосистем доминируют высокочастотные характеристики, то оценки реакции на глобальные явления (гелиогеофизические воздействия) целесообразнее осуществлять в приведенных таблицах (сопоставления случаев) по вертикали, а не по горизонтали. Такой подход позволяет избежать эффект наложения волн разной частоты, а отсюда неверных выводов в процессе анализа ситуаций. Например, в течение 1946-1980 гг. на рост солнечной активности приходилось (суммарно) 13, а на ее снижение - 22 года. Общая продолжительность ряда равна 35 лет. Поэтому вероятность совпадений символов 0, характеризующего спад солнечной активности, и 1 - рост уловов горбуши - будет выше. Если рассматривать анализ ситуаций в таблицах по вертикали, то следует отметить, что в периоды роста солнечной активности регистрировалось в 60 % случаев увеличение уловов рыбы и в 40 % - ее снижение. Отсюда следует вывод, что увеличение численности горбуши чаще всего происходит при росте солнечной активности и т.д.
Анализ результатов оценок свидетельствует, что в периоды роста солнечной активности горбуша в Беринговом море имеет лучшие условия для своего воспроизводства, чем в годы снижения солнечной активности. В то же время увеличение активных процессов на Солнце совпадает с замедлением скорости вращения планеты, что свидетельствует о синхронности протекания этих двух процессов.
Общеизвестно, что при снижении солнечной активности происходят противоположные перестройки в динамике космос-планетарных явлений: ускорение вращения Земли и другие, связанные с этим процессом колебания циркуляционных и других явлений. Для ряда представителей биоты, например кеты (Берингово море), нерки и других видов, оптимальные условия для их жизнедеятельности складывались при ускорении вращения Земли, а следовательно, доминировании зональной формы атмосферной циркуляции. Рост уловов нерки чаще всего совпадал с периодами уменьшения лунного прилива (54,5 % случаев), а сокращение уловов — с периодами его увеличения (до 59,0 % случаев). Однако имеется некоторое несоответствие связи "СА - уловы нерки". Число совпадений низких уловов нерки по сравнению с высокими (при росте солнечной активности) было больше и наоборот. При спаде солнечной активности количество случаев повышенных и низких уловов распределялось поровну.
Выясняя причины колебаний численности рыб в экосистемах Желтого моря, Танг (Tang, 1995) выявил взаимосвязь между колебаниями уловов сельди (Clupea pallasi) и 36-летней цикличностью осадков и засух в восточном Китае. Наблюдаемая динамика хорошо укладывается в многолетний ход изменений скорости вращения Земли.
Роль долгопериодных климатических изменений в формировании флюктуации численности пелагических рыб Северной и Южной Паци-фики изучали Л.Б.Кляшторин и Н.С.Сидоренков (1996). Ими было выяснено, что практически по всем эксплуатируемым популяциям рыб Мирового океана (сардина иваси, минтай, калифорнийская сардина, тихоокеанские лососи, перуанская сардина и т.д.) коэффициенты корреляции между уловами рыб и индексом скорости вращения Земли оказались высокими, в пределах от 0,64 до 0,95.
1293
Выполненные оценки и анализ результатов сопоставлений свидетельствуют о соответствии реакции многих представителей биоты на гелиогеофизические воздействия.
Естественно, что реализация конкретными популяциями (через соответствующие передаточные звенья) навязываемых им гелиогеофизи-ческих глобальных возмущений не всегда может быть адекватной. Это хорошо иллюстрируют, например, данные В.П.Шунтова с соавторами (1993), где отмечается большая пестрота в появлении урожайных поколений минтая в разных районах при наличии в определенные периоды и совпадений в некоторых из них. Поэтому при поисках связей между ге-лиогеофизическими и популяционными показателями необходимо принять во внимание следующее: закономерный скептицизм многих исследователей на наличие таких связей вызван тем, что в ряде случаев вслепую искались коэффициенты корреляции между индексами солнечной активности (числа Вольфа и др.) и любыми характеристиками не только погоды и климата, но и совершенно случайных явлений. Без знания механизмов или хотя бы научно-аргументированных гипотез их существования поиски статистических связей вслепую не могут дать существенного сдвига в понимании проблемы (Борисенко, 1982).
Используя идеи и методы теории информации и ее раздела - кодирования, мы получили интересные сведения о степени реакции биосистем на космос-планетарные воздействия. Применение разработок теории при анализе экологических процессов диктовалось соображениями наличия большого сходства между физическими неравновесными процессами и популяционными. Неравновесные ансамбли содержат большую информацию о системе, чем равновесные. Неравновесные системы, в свою очередь, являются источниками сообщения для соподчиненных биологических систем.
В теории информации есть такие важные понятия, как состояние физической системы и сообщение, которое способна передать эта система. Эти положения можно применить и к биосистемам. Так, сообщения, передаваемые космическими и другими телами, например Солнцем био-те нашей планеты, воспринимается нами в виде последовательности чисел Вольфа или индексов геомагнитной возмущенности Кр. Все эти сообщения адекватно должны декодироваться природными и биологическими системами. Приемники (видовые популяции экосистем и другие компоненты биоты) превращают сигналы, поступающие извне, и через свои механизмы должны их преобразовывать в такие формы, которые наблюдатель воспринимает в виде многолетних циклических колебаний популяционных характеристик. К сожалению, сложно выделить промежуточные звенья кодирующих и декодирующих сообщений, точнее азбуки, на которой записываются сообщения (Яглом, Яглом, 1973). Анализ литературы, а также собственные исследования свидетельствуют, что Солнце, как источник информации, работает в импульсном режиме, и такой тип передачи сообщения не может не сказаться на пропускной способности каналов сообщения. Что здесь имеется в виду? Для того чтобы посылаемые Солнцем сообщения дошли до получателя (биоты) в первозданном виде, они должны пройти через ряд "каналов" сообщений без помех. Прямого воздействия гелиогеофизических факторов на биосистемы, по-видимому, нет. Их влияние косвенно. Поэтому посылаемые источниками информации сообщения проходят через серию каналов, каждый из которых способен передать следующим системам, вплоть до живых организмов, ее ограниченное количество. Все это искажает неизмен-
ность сообщения, а регистрируемые в рядах динамики численности животных "странности" в виде появления эффектов биений, наложения частот, несовпадения фаз, возможно, являются для наблюдателя свидетельством разыгрываемой на их уровне "драмы".
Какими же "квантами" передается сообщение, порождаемое космическими источниками, природным системам и биоте? В последние годы особое внимание стало уделяться сериям лет повышений или понижений показателей природных процессов. Как свидетельствует анализ литературы, серии лет могут рассматриваться "в качестве первоначальных (мельчайших) составляющих, из которых собственно и складывается многолетний ход практически всех природных процессов на Земле" (Агарков и др., 1976; и др.). Для многих природных процессов основную массу (98,7-99,5 %) составляют одно-, двух- и трехлетние серии, очень редко встречаются пяти- и шестилетние серии (Агарков и др., 1976). Из взятого промежутка времени солнечной активности (с 1945 по 1993 г.) на ее рост приходится 5 серий продолжительностью 3-4 года, а на спад - 7-8 лет. В отношении ускорения вращения Земли прослеживаются серии длительностью от 2 до 11 лет. Можно полагать, что ежегодная реакция биосистем на возмущения среды, обусловленные космическими и геофизическими факторами, не сразу находит свое проявление в их популяционных характеристиках, а с некоторым запаздыванием. Отсюда следует важное для последующих исследований следствие: реакция биоты на воздействие внешних энергоинформационных источников происходит с запаздыванием на некоторое время, которое зависит от их направленности, величины и мощности порождаемых ими воздействий.
Анализируя проблему гелиогеофизических-земных связей, следует согласиться с А.В.Поздняковым (1998), что целостные системы - порядки любых рангов, независимо от их происхождения - являются диссипа-тивными самоорганизующимися структурами. Они могут формироваться и развиваться, если существуют системы с более высоким уровнем организации порядка, которые обладают возможностями производства вещества и энергии.
Системами более высокого ранга, по отношению к биосистемам, можно считать, по нашему мнению, активные процессы Солнца, ротационный режим планеты. Эти энергоинформационные источники способны вызвать возмущения в биоте. В то же время биосистемы не способны изменить амплитуду и частоту солнечной активности и скорости вращения планеты. Экосистема не разрушается, если деградирующее внешнее воздействие не ведет к разрушению его инварианта, т.е. если добавится или убавится число элементов в экосистеме, она не перестанет быть таковой, так как структура функциональных отношений в данной системе сохраняется. Значит, целостность какого-либо ранга формируется благодаря существованию целостностей более высокого ранга, вырабатывающих упорядоченные потоки вещества и энергии (Поздняков, 1998). По отношению к природным явлениям и компонентам экосистем целост-ностями более высокого ранга можно считать солнечную активность и скорость вращения Земли.
Литература
Агарков С.Г., Дробот Е.А., Дружинин И.П. и др. Природа многолетних колебаний речного стока. - Новосибирск: Наука, 1976. - 333 с.
Борисенко Е.П. Климат и деятельность человека. - М.: Наука, 1982. - 128 с.
1295
Брусиловский П.М. Прогнозирование численности популяций. - М.: Знание, 1980. - 62 с.
Витвицкий Г.Н. Зональность климата Земли. - М.: Мысль, 1980. - 258 с.
Давыдов И.В. Некоторые черты атмосферной циркуляции над северозападной частью Тихого океана, их связь с режимом вод на камчатском шельфе // Изв. ТИНРО. - 1975. - Т. 97. - С. 151-171.
Давыдов И.В. Динамика уловов западнокамчатской горбуши в связи с долгопериодной изменчивостью гидрометеорологических условий // Изв. ТИН-РО. - 1977. - Т. 101. - С. 18-23.
Дружинин И.П., Сазонов Б.И., Ягодинский В.П. Космос - Земля. Прогнозы. - М.: Мысль, 1974. - 277 с.
Еремин П.Г. Квазидвухлетние колебания в атмосфере Земли // Ин-форм. письмо. - Южно-Сахалинск: СУГМС, 1981. - № 1/90. - С. 60-117.
Калинин Ю.Д., Киселев В.М. Неравномерность суточного вращения Земли и солнечная активность: Препринт. - М., 1978. - № 20/219. - 32 с.
Кляшторин Л.Б., Сидоренков Н.С. Долгопериодные климатические изменения и флюктуации численности пелагических рыб Пацифики // Изв. ТИНРО. - 1996. - Т. 119. - С. 33-54.
Колесник Ю.А. Периодические колебания численности популяций животных как проявление многолетних изменений геофизических параметров Земли // 5-й съезд ВТО АН СССР. - М.: МГУ, АН СССР, 1990. - С. 217-218.
Колесник Ю.А. Исследование роли гелиогеофизических факторов в формировании многолетних циклических колебаний биоресурсов Сахалина и сопредельных акваторий морей / ЮСГПИ. - Южно-Сахалинск, 1994. - 240 с. -Деп. ВИНИТИ, № 2071-В94.
Колесник Ю.А. Цикличность биологических процессов и роль порождающих их внешних факторов среды. - Владивосток: ДВГУ, 1997. - 190 с.
Колесник Ю.А., Мусин А.К., Проскурня В.В. О механизме влияния неравномерности скорости вращения Земли на циклические колебания природных процессов // Математические и вычислительные методы в биологии. -М.: АН СССР, 1985. - С. 84-85.
Колесник Ю.А., Тимофеева А.А. Вращение Земли как фактор изменений численности животных Сахалина в северо-западной части Тихого океана // Итоги исследований по вопросам рационального использования и охраны биоресурсов Сахалина и Курильских островов. - Южно-Сахалинск: Географическое общество АН СССР, 1981. - С. 6-8.
Колесник Ю.А., Тимофеева А.А. Влияние скорости вращения Земли на динамику численности рыб и млекопитающих северо-западной части Тихого океана // Теория формирования численности и рациональное использование промысловых рыб. - М., 1982. - С. 163-165.
Корякин В.С. Ледники Новой Земли и климат // Природа. - № 1. -1990. - С. 23-29.
Куликов К.А. Вращение Земли. - М.: Недра, 1985. - 156 с.
Куликов К.А., Сидоренков Н.С. Планета Земля. - М.: Наука, 1971.
Максимов И.В., Смирнов Н.П. Многолетний околополюсный прилив и его значение для циркуляции океана и атмосферы // Океанол. - 1967. -Вып. 2. - С. 225-231.
Максимов И.В., Саруханян Э.И., Смирнов Н.П. Океан и космос. -Л.: Гидрометиоиздат, 1970. - 214 с.
Манк У.Г., Макдональд. Вращение Земли. - М.: Мир, 1964. - 284 с.
Мирошниченко Л.И. Солнечная активность и Земля. - М.: Наука, 1981.
Монин А.С. Вращение Земли и климат. - Л.: Гидрометеоиздат, 1972. - 112 с.
Николаев Ю.В., Колтанов Ю.Н. Климатические колебания общей циркуляции атмосферы (по данным классификации Г.Н.Вангенгейма - А.АГирса) // Метеорология и гидрология. - 1983. - № 11. - С. 14-18.
Павлычев В.П., Шевцов Г.А. Влияние гидрологических условий на промысел кальмара Todarodes pacificus в северо-западной части Тихого океана // Изв. ТИНРО. - 1977. - Т. 101. - С. 13-17.
Планетарные атмосферные процессы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991.
Поздняков А.В. Взаимопереходы порядка и хаоса, циклы и история развития целостных систем // Структурная организация и взаимодействие упорядоченных соцприродных систем. - Владивосток: Дальнаука, 1998. - С. 22-42.
1296
Рудяев Ф.И. Изменения скорости вращения Земли, обусловленные зональным приливом, и их проявление в поле атмосферного давления // Изв. ВГО АН СССР. - 1984. - Вып. 2. - С. 120-126.
Рудяев Ф .И., Кравчук Ю.А., Трофимов В.К. Ритмические изменения скорости вращения Земли в период с 1664 по 1976 г. // Изв. ВГО АН СССР. -1985. - Т. 117, вып. 3. - С. 252-257.
Рябов Ю.А. Движение небесных тел. - М.: Наука, 1988. - 237 с.
Саблин В.В. Воспроизводство и динамика численности сайры в северозападной части Тихого океана: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. - Севастополь, 1980. - 23 с.
Сидоренков Н.С. Неравномерность вращения Земли и движение полюсов //Природа. — 1982. — № 4. — С. 89-91.
Сидоренков Н.С., Свиренко П.И. К вопросу о многолетних колебаниях атмосферной циркуляции // Метеорология и гидрология. - 1983. - № 11. -С. 20-24.
Сидоренков Н.С., Свиренко П.И. Многолетние изменения атмосферной циркуляции и колебания климата в первом естественном синоптическом районе // Планетарные атмосферные процессы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - С. 93-100.
Слепцов-Шевлевич Б.А. Гидрометеорологические проявления многолетних изменений солнечной активности: Автореф. дис. ... докт. наук. - Л., 1983. - 60 с.
Слепцов-Шевлевич Б.А. Вращение Земли и колебания уровня Атлантического океана // Изв. РГО. - 1998. - Т. 130, вып. 5. - С. 68-73.
Чигиринский А.И. Промысел тихоокеанских лососей в Беринговом море // Изв. ТИНРО. - 1994. - Т. 116. - С. 142-151.
Чистяков В.Ф. Солнечные циклы и колебания климата. - Владивосток: Дальнаука, 1997. - Вып. 1. - 153 с.
Шебалин О.Д. Физические основы механики и акустики. - М.: Высш. шк., 1981. - 260 с.
Шерстюков Б.Г. Квазидвухлетние колебания ветра в экваториальной стратосфере и лунно-солнечный цикл // Изв. ВГО РАН. - 1995. - Т. 127, вып. 5. - С. 41-45.
Шунтов В.П., Васильков В.Г. Долгопериодные флюктуации численности северотихоокеанских сардин. Сообщение 1. Динамика численности дальневосточной и калифорнийской сардин в 20-м веке // Вопр. ихтиол. - 1981. -Т. 75, № 6. - С. 963-975.
Шунтов В.П., Волков А.Ф., Темных О.С., Дулепова Е.П. Минтай в экосистемах дальневосточных морей. - Владивосток: ТИНРО, 1993. - 426 с.
Яглом А.М., Яглом И.М. Вероятность и информация. - М.: Наука, 1973. - 510 с.
Ягодинский В.Н. Динамика эпидемического процесса. - М.: Медицина, 1977. - 237 с.
Beamish R.J., Bouillon D .R. Pacific Salmon Production Trends in Relation to Climate // Can. Journ. Fish. and Aquatic Sci. - 1993. - Vol. 50, № 5. - P. 181-194.
Hanawa K. Southward penetration of the Oyashio water system and wintertime condition of midiatitude westerlies over the North Pacific // Reprinted from tne Bulletion of Hokkaido National Fisheries Research Institute. - 1995. -№ 59. - P. 103-119.
Nishi S., Tanaka M. Long period oceanographic effect estimated from sucular variation of men sea level // Sokuchi. Gakkaishi. J. Geo. Soc. Jap. -1974. - Vol. 20, № 4. - P. 225-226.
Parker K.S., Royer T.C., Deriso R.B. High-latitude climate forcing and tidal mixing by the 18.6-year lunar nodal cycle and lowfrequency recruitment trends in Pacific halibut (Hippoglossus stenolepis) // dimate change and Northern fish populations. - Ottawa: Can. Spes. Publ. Fish.-Hational Res. Council of Canada, 1995. - P. 447-459.
Tang Q. Effects of climate change on resource populations in the Yellow Sea ecosystem // R.J.Beamish. Climate change and northern fish populations: Can. Spec. Publ. Fish. Aquat. Sci. - 1995. - Vol. 121. - P. 97-105.
Поступила в редакцию 23.11.01 г.
