CC BY
13УДК 551.581.1
EDN: TDIAUS
О физической причине Североатлантической мультидекадной осцилляции
Фёдоров Валерий Михайлович [0000-0003-2305-7408]1,2, Залиханов Алим Михайлович[шш-0Ш2-2540-6045]1,3 Фёдорова Екатерина Валерьевна[шш-шм-8054-2763]м
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия
E-mail: 2fedorov.msu@mail. ru, 3bulungu@yandex. ru, 4fedorov.msu@mail.ru
Аннотация. Показано, что Североатлантическая осцилляция соответствует разности рассчитанных на основе регрессионной модели значений приповерхностной температуры воздуха с инсоляционной контрастностью в качестве предиктора и фактических значений приповерхностной температуры воздуха. Этим доказывается гравитационная природа Североатлантической осцилляции. Показано, что периодичность Североатлантической осцилляции может быть результатом синхронизации и резонансного усиления 60-ти летней периодичности генерируемой в окружающем Землю пространстве соизмеримостью в средних движениях планет - гигантов: Юпитера и Сатурна.
Ключевые слова: Североатлантическая осцилляция, инсоляционная контрастность, регрессионная модель, соизмеримость, орбитальный резонанс, приливные неравенства.
1 Введение
Североатлантическая осцилляция (Atlantic multidecadal oscillation - АМО) -колебание, отражающее периодическую изменчивость температуры поверхности океана (ТПО) в Северной Атлантике, была обнаружена в 1994 году М. Шлезингером и Н. Раманкутти [1]. Эти колебания с периодом в среднем около 65 - 70 лет подтверждаются историческими наблюдениями и модельными расчетами [2; 3; 4; 5]. Однако, единства мнений относительно амплитуды и генезиса этого явления в настоящее время не существует. Оценкой Североатлантической осцилляции является индекс АМО, представляющий собой аномалию температуры поверхности океана в этом районе относительно среднего значения за период с 1951 по 1980 гг. [6]. Отмечается корреляция температуры воздуха, атмосферных осадков и активности ураганов с индексом Североатлантической осцилляции на значительной части Северного полушария [7; 8; 9; 10]. Моделирование и прогнозирование изменения климата требует знания пространственных и временных особенностей Североатлантической осцилляции и характера образующих ее факторов. Целью работы является исследование амплитудно-периодических характеристик, физической природы и возможных причин Североатлантической осцилляции.
2 Моделирование температуры поверхности океана и Североатлантическая осцилляция
Ранее нами выполнены расчеты облучения Земли с высоким пространственным и временным разрешением [11; 12; 13]. Расчеты выполнялись по данным высокоточных астрономических эфемерид (DE-406) для верхней границы атмосферы (или поверхности Земли без учета атмосферы) в интервале от 3000 г. до н.э. до 2999 г. н.э. Исходными астрономическими данными для расчетов инсоляции были: склонение и эклиптическая долгота Солнца, расстояние от Земли до Солнца, разность хода равномерно текущего координатного времени (Coordinate Time) и всемирного корректируемого времени (Universal Time). Поверхность Земли аппроксимировалась эллипсоидом Geodetic Reference System 1980 (GRS80) с длинами полуосей, равными 6 378 137 м (большие) и 6 356 752 м (малая). В общем виде алгоритм расчетов можно представить выражением:
¡пт (Ф1-Ф2) = I* (/ф1 а(ф)(/-1ТЛ(^-ф,а) da)dtyj dt, (1)
где I - приходящая солнечная радиация за элементарный n-й фрагмент m-го тропического года (Дж); с - площадной множитель (м2), с помощью которого вычисляется площадной дифференциал с(ф)^а^ф - площадь бесконечно ма-
лой трапеции - ячейки эллипсоида; а - часовой угол, ф1, ф2 - географические широты, выраженные в радианах; Л(/, ф, а) - солнечная радиация в заданный момент в заданном месте поверхности эллипсоида (Вт/м2), t - время (с). Шаги при интегрировании составляли: по долготе 1°, по широте 1°, по времени 1/360 часть продолжительности тропического года с учетом ее изменения. Изменение активности Солнца не учитывалось. Значение солнечной постоянной (среднее многолетнее значение TSI) принималось равным 1361 Вт/м2 [14]. На основе полученных данных рассчитывался годовой меридиональный градиент инсоляции, регулирующий интенсивность переноса радиационного тепла в системе океан - атмосфера [15]. В качестве характеристики годового МГИ принималась инсоляцион-ная контрастность (ИК). Для полушарий годовая ИК рассчитывалась, по полученным значениям инсоляции, как разность солнечной радиации, приходящей в широтную область 0°-45° (источник тепла) и 45°-90° (сток тепла) за год [16]. По ансамблю линейного и полиномиального (полином второй степени) решений полученных по регрессионной модели с ИК в качестве предиктора были рассчитаны значения аномалии ТПО и ПТВ (приповерхностная температура воздуха). Сравнение рассчитанных и фактических значений аномалии ПТВ Земли и аномалии ТПО показывает, что существуют группы фактических значений аномалии (продолжительностью в среднем около 30 лет на интервале 1900 - 2016 гг.), расположенные либо выше рассчитанных значений аномалии, либо ниже [17]. Отмеченные для ПТВ и ТПО колебания происходят (в атмосфере и поверхностном слое океана) в общем синхронно. Ряды значений расхождения фактических с расчетными значениями аномалии ПТВ и ТПО тесно связаны корреляционно. Значения R для рядов с 1900 по 2016 гг. составляет 0,820, для рядов с 1850 по 2016 гг. -0,839. Также из полученных результатов следует, что амплитуда колебания как для ПТВ, так и для ТПО в Северном полушарии выше, чем в Южном полушарии. На интервале с 1900 по 2016 гг. среднее по модулю значения аномалии ПТВ в Северном полушарии составляет 0,173°С и 0,113°С в Южном полушарии. Среднее значения аномалии ТПО (на этом же интервале) в Северном полушарии равно 0,147°С и 0,107°С в Южном полушарии.
Колебание с периодом около 60-ти лет выявляется вейвлет анализом данных аномалии ПТВ приведенных в архиве HadCRUT3 (рис. 1). При спектральном анализе архива HadCRUT3 выявляются два четких максимума спектральной плотности вблизи периодов 60 и 20 лет [18; 19].
Рис. 1. Вейвлет-разложение ряда аномалии ПТВ [18]
В связи с тем, что данные по Североатлантической осцилляции представлены в архиве данных с 1856 г. [6], сравнение их с полученными нами расхождениями фактических и рассчитанных значений ТПО Северного полушария проводилось в интервале с 1856 по 2016 гг. (рис. 2).
Рис.2. Распределение разности фактических и рассчитанных по ансамблю линейных и полиноминальных решений значений аномалии ТПО в Северном полушарии.
Выполнена оценка распределения разности фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО в «теплых» и «холодных» фазах колебания (табл. 1). В каждой фазе в среднем 79,9% фактических значений ТПО находятся либо выше
расчетных значений, либо ниже. Среднее по модулю значение аномалии ТПО на интервале с 1856 по 2016 гг. составляет 0,211 °С. Среднее (по модулю) значение расхождения аномалии ТПО ^ 1856 по 2016 гг.) составляет по всему массиву 0,159°С (75,4% от среднего модуля аномалии ТПО), для «теплых» и «холодных» эпох 0,150°С и -0,120°С соответственно.
Табл. 1. Характеристики «теплых» и «холодных» эпох ТПО Северного _полушария в диапазоне с 1856 по 2016 гг._
Эпоха Число лет
Всего «Теплых» «Холодных»
1856 - 1900 гг. «Теплая» 45 27 (81,8%) 6 (18,2%)
1901 - 1925 гг. «Холодная» 25 6 (13,9%) 37 (86,1%)
1926 - 1963 гг. «Теплая» 38 26 (68,4%) 12 (31,6%)
1964 - 1993 гг. «Холодная» 30 5 (16,7%) 25 (83,3%)
1994 - .... гг. «Теплая»
Средняя продолжительность выделяемых эпох в этом случае (на интервале с 1856 по 2016 гг.) составляет 34,5 лет. Для завершенных эпох (исключается эпоха 1856 - 1900 гг., данные по которой могут быть ненадежными, и современная эпоха), средняя продолжительность составляет 31 год. Период колебания расхождения соответствующих фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО, таким образом, равен приблизительно 62 - 69 годам (в случае принятого варианта временной локализации «теплых» и «холодных» фаз колебания). С учетом продолжительности эпох (и выбранной временной локализации границ фаз) окончание текущей «теплой» эпохи можно ожидать в диапазоне 2025 - 2029 гг. Однако, как следует из рисунка 2 временные границы фаз колебания не являются четкими.
Полученное распределение разности фактических значений ТПО Северного полушария и рассчитанных сравнивалось с распределением индекса АМО (рис.
3).
Рис. 3. Распределение среднегодового индекса АМО [6]
Сравнение полученного характера распределения разности фактических и расчетных значений аномалии ТПО Северного полушария с распределением индекса АМО показывает их значительное сходство. Следует отметить, что некоторые различия могут быть связаны с тем, что аномалии ТПО рассчитываются относительно периода 1961 - 1990 гг., а индекс АМО относительно периода 1951 -1980 гг. Кроме того, аномалии ТПО определяются для всего Северного полушария, а индекс АМО только для Северной Атлантики.
Коэффициент корреляции разности фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО и индекса АМО составляет по всему ряду 0,835, с 1900 по 2016 гг. - 0, 842, с 1950 (наиболее достоверные метеоданные) - 0,877. Средние модули разности фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО и индекса АМО имеют довольно близкие значения: 0,159°С и 0,146°С соответственно. Начало и продолжительность «теплых» и «холодных» фаз индекса АМО в точности совпадает или отличается всего на год от соответствующих эпох, выделяемых (в принятом варианте границ фаз колебания) в распределении разности фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО. Таким образом, разность фактических значений аномалии ТПО с рассчитанными по регрессионной модели с годовой ИК в качестве предиктора значениями ТПО и значения индекса АМО на интервале 1956 - 2016 гг., в общем, совпадают.
В макромире известно два фундаментальных физических взаимодействия: электромагнитное и гравитационное. Поскольку АМО составляет разность фактических и смоделированных на основе ИК, отражающей электромагнитное взаимодействие, значений аномалии ТПО, то АМО может иметь гравитационное происхождение, связанное с приливным взаимодействием Земли с Луной и планетами Солнечной системы [20].
3 Североатлантическая осцилляция и вариации скорости вращения Земли
Для исследования физической природы Североатлантической осцилляции многолетняя изменчивость аномалии ТПО и индекса АМО сравнивалась с вариациями скорости осевого вращения Земли (рис. 4). Изменение скорости вращения Земли характеризуется безразмерной величиной:
V = ■
(ш-а) (т-р)
п
р
где Т - длительность земных суток; Р - длительность стандартных (атомных или эфемеридных) суток, равная 86400 с; ш = 2п/ПЗ и П = 2^/86400 рад/с - угловые скорости, соответствующие земным и стандартным суткам. Поскольку величина ш изменяется только в девятом - восьмом знаке, то значения V имеют по-рядок10-9-10-8 [21].
Рис. 4. Вариации скорости осевого вращения Земли, V • 1010 (по данным, предоставленным Н.С. Сидоренковым)
Значения коэффициента корреляции (R) между разностью фактических и расчетных значений аномалии ТПО и отклонением скорости осевого вращения по всему массиву данных (с 1856 по 2016 гг.) составляют 0,506, с 1900 г. - 0,550, с 1950 г. - 0,684. Сходным образом изменяется значение R между индексом АМО и величиной отклонения скорости осевого вращения Земли. По массиву данных с 1856 г. по 2016 г. значение R составляет 0,438, с 1900 г. - 0,551, с 1950 г. - 0,763.
Таким образом, по мере увеличения достоверности данных (ближе к современности) связь становится более тесной. Повышение достоверности данных ТПО определяется увеличением числа станций и точности наблюдений. Повышение достоверности данных по отклонению скорости осевого вращения Земли связано с введением в практику наблюдений атомного времени (с 1955 г.). После сглаживания рядов по методу 5-летнего скользящего среднего значения R между вариациями скорости осевого вращения Земли и расхождением фактических и рассчитанных значений ТПО по всему массиву (с 1856 г.) становится равным 0,607, с 1900 г. 0,655, с 1950 г. 0,802. Значения R между значениями отклонения скорости осевого вращения Земли и индексом АМО по всему массиву (с 1856 г.) характеризуется значениями 0,546, с 1900 г. 0,697, с 1950 г. 0,900. Таким образом, эти явления тесно связаны между собой.
Сопоставление распределения аномалии ПТВ, ТПО рассчитанных на основе инсоляции, индекса АМО и отклонения скорости осевого вращения Земли за период с 1850 г. приведено на рис. 5 - 7. Значения разности фактических и рассчитанных значений аномалии ПТВ, ТПО и индекса AMO умножены на 1000.
Рис. 5. Распределение вариаций скорости осевого вращения Земли (1), V • 10 и разности между фактическими и рассчитанными значениями аномалии ТПО (2), °С • 103 (аппроксимация - полиномы 6-й степени).
1856 1876 1896 1916 1936 1956 1976 1996 2016
Годы
Рис. 6. Распределение вариаций скорости осевого вращения Земли (1), V • 1010 и индекса АМО (2), °С • 103 (аппроксимация - полиномы 6-й степени).
Рис. 7. Распределение вариаций скорости осевого вращения Земли (1), V • 1010 и разности между фактическими и рассчитанными значениями аномалии ПТВ (2), °С • 103 (аппроксимация - полиномы 6-й степени).
Вариации скорости осевого вращения рассчитывались относительно среднего для 1961-90 гг. при сравнении с аномалией ПТВ и ТПО и относительно среднего за 1951-80 гг. при сравнении с индексом АМО (рис. 5-7).
Таким образом, Североатлантическая осцилляция (индекс АМО) приблизительно соответствует разности фактических и рассчитанных (по инсоляционной
контрастности в качестве предиктора) значений аномалии ТПО Северного полушария. Алгебраическое сложение значений индекса АМО с соответствующими рассчитанными по приходящей солнечной радиации значениями аномалии ТПО (рис. 8) приводит к существенному увеличению Я и сокращению значений разности между фактическими и рассчитанными значениями аномалии ТПО. Коэффициент корреляции между этими рядами с 1956 г. становится равным 0,903, с 1900 г. 0,917. Величина среднего (по модулю) расхождения между фактическими и рассчитанными значениями ТПО с учетом индекса АМО оказывается равной 0,114°С для рядов с 1956 по 2016 г (0,094°С для периода с 1900 по 2016 гг.). Это значительно меньше величины средней по модулю (0,159°С) разности между фактическими и рассчитанными значениями аномалии ТПО за период с 1856 по 2016 гг.
Рис. 8. Суммарные значения рассчитанной аномалии ТПО и соответствующих значений индекса АМО (1), фактические значения аномалии ТПО (2).
При этом отклонения скорости осевого вращения Земли тесно связаны и, в общем, синхронны с разностью фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО в Северном полушарии и с индексом АМО. Вариации скорости осевого вращения Земли могут быть следствием закона сохранения количества движения в системе океан - атмосфера при проявлении в этой системе геодинамического 60-ти летнего колебания.
Корреляция значений аномалии ПТВ с отклонением скорости осевого вращения Земли по всему массиву данных слабее, чем связь аномалии ТПО с отклонением скорости осевого вращения Земли. Коэффициент корреляции аномалии ПТВ с отклонениями скорости осевого вращения составляет по ряду с 1900 г. по 2016 г. - 0,434 (для ТПО и скорости вращения 0,551), по ряду с 1950 г. по 2016 г. - 0,535 (для ТПО и скорости вращения 0,763). Таким образом, корреляционная связь аномалии ТПО (и индекса АМО) с отклонением скорости осевого вращения
более тесная, чем связь аномалии ПТВ. Это указывает на то, что колебания ТПО, АМО и ПТВ генерируются океаном.
Обобщая полученные результаты можно отметить следующее.
1) В разности фактических значений аномалии ТПО и ПТВ с соответствующими рассчитанными по ансамблю линейных и полиномиальных решений регрессионной модели с годовой ИК в качестве предиктора обнаруживается муль-тидекадное колебание. Период колебания изменяется в диапазоне от 62 до 69 лет. В случае, если начало текущей «теплой» фазы колебания приходится на 1987 г., начало следующей «холодной» фазы ожидается в период с 2018 по 2022 гг. Если же начало текущей «теплой» фазы приходится на 1994 г., то смена фаз мультиде-кадного колебания может произойти в интервале от 2025 г. до 2029 г. Средняя амплитуда (на интервале 1900 - 2016 гг.) составляет 0,137°С для аномалии ПТВ и 0,120°С для аномалии ТПО.
2) Мультидекадная периодичность проявляется в обоих компонентах системы океан - атмосфера и имеет глобальное пространственное распространение. В Северном (менее океаническом) полушарии амплитуды этого колебания превышают амплитуды, полученные для Южного (более океанического) полушария. Для аномалии ПТВ это превышение (на интервале 1900 - 2016 гг.) составляет 0,06°С, для аномалии ТПО - 0,04°С. Отмечаемое нами колебание, вероятно, соответствует выделяемой в природной системе Земли В.И. Бышевым с коллегами ГАО - глобальной атмосферной осцилляции [22]. Границы фаз колебания нечеткие, поэтому и характеристики колебания определяются только приблизительно.
3) Мультидекадная осцилляция в Североатлантическом регионе соответствует известным колебаниям - АМО. Коэффициент корреляции разности фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО и индекса АМО составляет по всему ряду 0,835, с 1900 по 2016 гг. - 0, 842, с 1950 (наиболее достоверные метеоданные) - 0,877. Средние модули разности фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО и индекса АМО имеют довольно близкие значения: 0,159°С и 0,146°С соответственно. Начало и продолжительность «теплых» и «холодных» фаз индекса АМО в точности совпадает или отличается всего на год от соответствующих эпох, выделяемых (в принятом варианте) в распределении расхождения фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО. Таким образом, АМО - Североатлантическое региональное проявление ГАО.
4) АМО синхронизирована с изменением осевой скорости вращения Земли. При этом увеличениям осевой скорости вращения Земли соответствуют периоды превышения фактических значений аномалии ТПО и ПТВ над рассчитанными значениями. При уменьшении скорости вращения фактические значения ТПО и ПТВ уступают рассчитанным значениям. Можно предположить, что движение теплых поверхностных водных масс из низких широт в высокие (по типу зонального прилива) сопровождается увеличением скорости осевого вращения Земли и наоборот, движение поверхностных океанических вод из низких широт в высокие сопровождается уменьшением скорости осевого вращения Земли.
5) Корреляционная связь аномалии ТПО и индекса АМО с отклонением скорости осевого вращения Земли более тесная, чем связь аномалии ПТВ. Это указывает на то, что генерирующая роль АМО (ГАО) связана с Мировым океаном, а
вариации скорости вращения Земли являются следствием закона сохранения количества движения в системе океан - атмосфера.
4 Астрономические причины мультидекадного колебания
Рассмотрим возможные причины АМО. Проявление колебаний со средним периодом около 60-ти лет известно во многих гидрометеорологических процессах. Это колебание отмечается в процессах теплообмена в системе океан - атмосфера [23]. Колебание с периодом близким к 60-ти годам проявляется в изменении приповерхностной температуры воздуха [24; 25] и, по мнению некоторых исследователей, в динамике площади морских льдов в Северном полушарии [26; 27]. Как уже отмечалось, наиболее четко это колебание проявляется в Северной Атлантике. Предполагается космическая природа 60-ти летней периодичности [26; 27]. Однако единства мнений относительно генезиса этого явления, пока не существует [28].
При моделировании ПТВ и ТПО на основе регрессионной модели АМО объясняется 15,8% дисперсии аномалии ПТВ Земли, 21,0% дисперсии аномалии ПТВ в Северном полушарии и 9,4% - в Южном полушарии. В Южном полушарии АМО объясняется 15,9% дисперсии аномалии ТПО мирового океана, 21,8% дисперсии аномалии ТПО в Северном полушарии и 8,4% - в Южном полушарии. В связи с этим возникает необходимость рассмотреть возможные причины этой осцилляции.
Из полученных результатов следует, что в основе АМО должно быть, существующее в природе (в окружающем Землю космическом пространстве) обусловленное гравитационным взаимодействием колебание с периодом около 60-ти лет (исходный гравитационный сигнал). Известно, что планеты-гиганты Юпитер и Сатурн при движении вокруг Солнца образуют последовательные соединения (находятся на одной геоцентрической долготе) приблизительно каждые 20 лет [20; 29; 30]. Их приливное и возмущающее действие на Землю в эти периоды усиливается (в квадратуры ослабляется) по аналогии с сизигийными и квадратурными лунно-солнечными приливами. Соединения планет происходят в различных точках эклиптики. Однако, приблизительно каждые 60 лет соединение Юпитера и Сатурна происходит в довольно узком секторе эклиптики. То есть периодически (с периодом около 60 лет) происходит приблизительное повторение конфигурации Юпитера и Сатурна относительно Земли и Солнца. С этой периодичностью может быть связана генерация 60-ти летней периодичности в окружающем Землю пространстве (гравитационного сигнала).
Здесь уместно напомнить о таких физических явлениях как синхронизация, соизмеримость и резонанс. Синхронизация определяется, как «свойство материальных объектов самой различной природы вырабатывать единый ритм совместного существования, несмотря на различие индивидуальных ритмов и на подчас крайне слабые взаимные связи» [31]. Явление синхронизации состоит в том, что несколько, например, природных объектов, совершающих при отсутствии
взаимодействия колебательные или вращательные движения с различными частотами (угловыми скоростями), при наложении даже весьма слабых связей начинают двигаться с одинаковыми, кратными или находящимися в рациональных отношениях частотами (угловыми скоростями). Причем, устанавливаются определенные фазовые соотношения между колебаниями и вращениями.
Явление синхронизации - это механический процесс, возникающий, например, при движении небесных тел в Солнечной системе и приводящий к появлению соизмеримости в средних движениях планет и резонансам [32]. В связи с этим, представляется возможной синхронизация приливных явлений в Мировом океане с генерируемым Юпитером и Сатурном 60-ти летним колебанием (приливным неравенством). Синхронизация может определяться наличием слабых гравитационных связей Земли с Юпитером и Сатурном и регулярными (с периодом около 60 лет) и бесконечно долгими повторениями их однотипных конфигураций относительно Земли и Солнца. Таким образом, генезис АМО может быть связан с явлением синхронизации. Также это колебание может усиливаться вследствие резонанса из-за соизмеримости в движениях небесных тел.
Из астрономии известно, что в параметрах движений планет (и их спутников) выдерживается ряд интересных соотношений вследствие наличия соизмеримо-стей и резонансов [32]. Периоды обращения планет-гигантов Юпитера и Сатурна равны приблизительно 12-ти и 30-ти годам соответственно, и, следовательно, отношение этих периодов близко к резонансу 2/5. То есть, 2 оборота Сатурна вокруг Солнца происходят приблизительно за то же время, что и 5 оборотов Юпитера. Приблизительно через 60 лет взаимные положения Юпитера и Сатурна повторяются (соединения происходят в довольно узком секторе эклиптики). В таких случаях говорят, что между периодами обращения планет имеет место соизмеримость (орбитальный резонанс). Благодаря соизмеримости возникает нечто подобное явлению, которое в механике называется резонансом. Резонанс возникает тогда, когда на колеблющееся тело в такт его колебаниям действует дополнительная периодическая сила. Такая дополнительная сила, даже в том случае, если ее величина очень мала, приводит постепенно к большому увеличению размаха колебаний [29; 32; 33].
Кроме этого, период парных соединений планет-гигантов Юпитера и Сатурна равен 19,86 лет. Период обращения лунных узлов (точек пересечения лунной орбиты с эклиптикой) - 18,61 года (нутационный цикл - проявляется и в инсоляции Земли из-за изменения угла наклона оси вращения под гравитационным влиянием Луны). Учитывая, что ш = 2п/Т и Ti = 18,61 года = 6797,157 суток, Т2 = 19,86 года = 7253,71 суток, получаем rai = 0,000924 сут-1, = 0,000866 сут-1 и rai - ra2 = 0,000058 сут-1. То есть в движениях парного соединения Юпитера и Сатурна и обращения лунных узлов имеется соизмеримость (аналог резонанса в механике - орбитальный резонанс с резонансным числом 1/1). Соизмеримость в движениях Юпитера и Сатурна отмечается и с 19-ти летним циклом Метона [17]. Колебания с периодом около 19-ти лет (связанные нутацией и/или с 19-ти летним циклом Метона) проявляются в Мировом океане [34; 35; 36] и в атмосфере [37]. Из этого следует вероятность проявления в Мировом океане и зонального коле-
бания с периодичностью около 60-ти лет. Одна («теплая») фаза колебания, возможно, отражает движение водных масс от экватора в сторону полюсов. Другая («холодная») фаза определяется движением водных масс в обратном направлении.
Еще одним эффектом, которым может усиливаться 60-ти летнее колебание может быть стохастический резонанс. Эффект стохастического резонанса проявляется в отклике бистабильной или метастабильной нелинейной системы на слабый периодический сигнал при шумовом воздействии определенной мощности [38; 39; 40]. Океанические приливы характеризуются значительным «шумом», в связи с этим 60-ти летнее колебание, генерируемое Юпитером и Сатурном, может быть слабым периодическим сигналом, находящим отклик в приливной динамике Мирового океана.
Таким образом, АМО может быть результатом синхронизации и резонансного усиления 60-ти летней периодичности (слабо, но бесконечно долго действующей на Землю) генерируемой в окружающем Землю пространстве движением Юпитера и Сатурна вокруг Солнца. Вероятно, что АМО - это колебание, которое возникает в океане из-за синхронизации с повторением конфигураций Юпитера и Сатурна относительно Солнца и Земли. Оно усиливается резонансом из-за соизмеримости с нутационным циклом (периодом обращения лунных узлов) и стохастическим резонансом. Это океаническое колебание воспринимается нижней атмосферой. Оно также проявляется в изменении скорости осевого вращения Земли вследствие закона сохранения количества движения в системе океан - атмосфера.
5 Заключение
В заключение проведем сопоставление дат смены фаз АМО с датами астрономических конфигураций Юпитера и Сатурна в интервале с 1900 по 2050 гг. Если за начало осцилляции принять даты смены «теплой» фазы АМО на «холодную» фазу, то окажется, что эти даты синхронны соединениям Юпитера и Сатурна в секторе, ограниченном геоцентрическими долготами от 283° до 301°. Отсчет геоцентрических долгот ведется от точки весеннего равноденствия по ходу видимого движения Солнца. Согласно астрономическим эфемеридам эти соединения приходятся на 1901, 1961, 2020 годы. Даты перехода от «холодной» фазы КМО к «теплой» синхронизируются с квадратурой Юпитера и Сатурна (разность геоцентрических долгот равна 90°). Эти квадратуры Юпитера и Сатурна отмечаются в 1926 и в 1986 годах. Очередное соединение по данным астрономических эфемерид [41], произойдет в 2020 году (смена «теплой» фазы АМО на «холодную») и с 2021 года ожидается начало «холодной» фазы АМО. В 2045 году будет образована квадратура Юпитера и Сатурна и с 1946 года, вероятно, начнется очередная «теплая» фаза. Однако в системе океан - атмосфера эти даты могут испытывать
колебания относительно дат астрономических конфигураций в связи с нелинейностью, происходящих в океане и атмосфере процессов и изменением термического состояния системы океан - атмосфера (как и природной системы Земли). При проведенном нами сопоставлении «теплая» и «холодная» фазы АМО имеют различную продолжительность. Продолжительность «холодных» фаз КМО составляет 25 - 26 лет, продолжительность «теплых» фаз составляет 34 - 35 лет. АМО в «теплые» фазы усиливает и в «холодные» фазы ослабляет общую тенденцию потепления современного глобального климата.
Работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой «Эволюция, современное состояние и прогноз развития береговой зоны Российской Арктики» (121051100167-1).
Литература
1. Schlesinger M.E, Ramankutty N. An oscillation in the global climate system of period 6570 years // Nature, 1994. V. 367. № 6465. P. 723-726. D01:10.1038/367723a0.
2. Delworth, T. L., Mann, M. E. Observed and simulated multidecadal variability in the Northern Hemisphere // Climate Dynamics, 2000. V. 16. P. 661-676. D0I:10.1007/s003820000075
3. Sutton R. T., Hodson L. R. Atlantic Ocean Forcing of North American and European Summer Climate // Science, 2005. V. 309. № 5731. P. 115-18. D0I:10.1126/science.1109496.
4. Knight J. R., Folland C. K, Scaife A. A. Climate impacts of the Atlantic Multidecadal Oscillation // Geophys. Res. Lett., 2006. V.33. № L17706. D0I:10.1029/2006GL026242.
5. Chylek P., Lesins. G. Multidecadal variability of Atlanhurricane activity: 1851-2007 // Journal of Geophysical Research, 2008. V. 113. № D22106. doi: 10.1029/2008JD010036
6. National Oceanic and Atmospheric Administration (Электронный ресурс Национального управления океанических и атмосферных исследований США). URL: http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/correlation/amon.us.long.data.
7. Enfield D. B., Mestas-Nunez A. M., Trimble P. J. The Atlantic Multidecadal Oscillation and its relationship to rainfall and river flows in the continental U.S. // Geophys. Res. Lett., 2001. V. 28. P. 2077 - 2080. DOI:10.1029/2000GL012745.
8. Goldenberg, S. B., Landsea C.W., Mestas-Nunez A.M., Gray W.M. The recent increase in Atlantic hurricane activity: Causes and implications // Science, 2001. V. 293. № 5529. P. 474-479. DOI:10.1126/science. 1060040.
9. Shanahan T. M., Overpeck J.T., Anchukaitis K.J., Beck J.W., Cole J.E., Dettman D.L., Peck J.A., Scholz C.A., King J.M. Atlantic Forcing of Persistent Drought in West Africa // Science, 2009. V. 324. № 5925. P. 377-380. DOI:10.1126/science.1166352.
10. Teegavarapu R. S. V., Goly A., Obeysekera J. Influences of Atlantic Multi-Decadal Oscillation on Regional Precipitation Extremes // Journal of Hydrology, 2013. V. 495. P. 74-93.
11. Федоров В.М., Сократов С.А., Фролов Д.М. Тенденции изменения приходящей на верхнюю границу атмосферы солнечной радиации и их пространственная локализация // Исследование Земли из космоса, 2019. № 5. С. 50-58. DOI: 10.31857/S0205-96142019550-58.
12. Федоров В.М., Фролов Д.М. Пространственная и временная изменчивость приходящей на верхнюю границу атмосферы солнечной радиации // Космические исследования, 2019. Т. 57. № 3. С. 177-184. DOI:10.1134/S002342061903004X
13. Fedorov V.M. Features of the Earth's Solar Climate Changes in the Present Epoch // Geomagnetism and Aeronomy, 2020. V. 60. № 7. P. 993-998. D0I10.1134/S0016793220070117.
14. Fedorov V.M., Kostin A.A. The Calculation of the Earth's insolation for the 3000 BC - AD 2999 / Springer Geology, 2020. V. I. P. 181-192. D0I:10.1007/978-3-030-38177-6_20.
15. Федоров В.М. Проблема меридионального переноса тепла в астрономической теории климата // Геофизические процессы и биосфера, 2019. Т. 18. № 3. С. 117-128. D0I:10.21455/GPB2019.3-8.
16. Fedorov V.M. Insolation Contrast and Trends in Modern Climate Change // Geomagnetism and Aeronomy, 2022. V. 62. № 7. P. 932-937. DOI: 10.1134/S001679322207009X
17. Федоров В.М. Солнечная радиация и климат Земли. М.: Физматлит, 2018. 232 с.
18. Малинин В.Н., Гордеева С.М. Изменчивость влагосодержания атмосферы над океаном по спутниковым данным // Исследование Земли из Космоса, 2015. № 1. С. 3-11.
19. Малинин В.Н. Уровень океана: настоящее и будущее. СПб.: РГГМУ, 2012. 260 с.
20. Федоров В.М. Астрономическая климатология. М.: Московский университет, 2002. 236 с.
21. Сидоренков Н.С. Физика нестабильностей вращения Земли. М.: Физматлит, 2002. 384 с.
22. Бышев В.И., Нейман В.Г., Романов Ю.А., Серых И.В. Эль-Ниньо как следствие глобальной атмосферной осцилляции в динамике климатической системы Земли // ДАН, 2012. Т. 446. № 1. С. 1-6.
23. Анисимов М.В., Бышев В.И., Залесный В.Б., Мошонкин С.Н. Междекадная изменчивость термической структуры вод Северной Атлантики и ее климатическая значимость // ДАН, 2012. Т. 443. № 3. С. 372-376.
24. Scafetta N. Climate Change and Its cause: A Discussion about Some Key Issues / SPPI Original Paper, 2010. P. 3-28.
25. Груза Г.В., Ранькова Э.Я. Наблюдаемые и ожидаемые изменения климата России: температура воздуха. М.: ИГКЭ, 2012. 194 с.
26. Фролов И.Е., Гудкович З.М., Карклин В.П., Смоляницкий В.М. Шестидесятилетняя цикличность в изменениях климата полярных регионов // МГИ, 2008. № 105. С. 158165.
27. Фролов И.Е., Гудкович З.М., Карклин В.П.. Смоляницкий В.М. Изменения климата Арктики и Антарктики: результат действия естественных причин // Проблемы Арктики и Антарктики, 2010. № 2 (85). С. 52-61.
28. Малинин В.Н. Изменения уровня Мирового океана и климата // Ученые записки РГГМУ, 2015. № 41. С. 100-115.
29. Белецкий В.В. Очерки о движении космических тел. М.: Наука, 1972. 360 с.
30. Бакулин П.И., Кононович Э.В., Мороз В.И. Курс общей астрономии. М.: Наука, 1983. 560 с.
31. Блехман И.И. Синхронизация динамических систем. М.: Наука, 1971. 896 с.
32. Гребеников Е.А., Рябов Ю.А. Резонансы и малые знаменатели в небесной механике. М.: Наука, 1978. 128 с.
33. Дубошин Г.Н. Небесная механика. Основные задачи и методы. М.: Наука, 1975. 800 с.
34. Дарвин Дж. Г. Приливы и родственные им явления в Солнечной системе. М.: Наука, 1965. 252 с.
35. Максимов И.В., Саруханян Э.И., Смирнов Н.П. Океан и космос. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. 216 с.
36. Foreman M.G.G., Neufeld E.T. Analyses harmoniques de la mare portant sur de longues series chronologiques // Revue hydrographique internationale. Monaco, LXIII (1), 1991. P. 89-113.
37. Максимов И.В., Абрамов Р.В. К изучению нутационной миграции исландского минимума атмосферного давления // Проблемы Арктики и Антарктики, 1966. Вып. 23. С. 14-20
38. Анищенко В.С., Нейман А.Б., Мосс Ф., Шиманский - Гайер Л. Стохастический резонанс как индуцированный шумом эффект увеличения порядка // Успехи физических наук, 1999. Т. 169. № 1. С. 7-38.
39. Анищенко В.С., Ануфриева М.В., Вадивасова Т.Е. Стохастический резонанс в биста-бильной системе под воздействием хаотического сигнала // Письма в ЖТФ, 2006. Т. 32(20). С. 12 - 17.
40. Lean J., Rottman G., Harder J., Kopp G. Sorce contributions to new understanding of global change and solar variability // Solar Physics, 2005. 230. P. 27-53.
41. NASA, Jet Propulsion Laboratory California Institute of Technology (JPL Solar System Dynamics). Электронный ресурс национального аэрокосмического агентства США. URL: http://ssd.jpl.nasa.gov.
References
1. Schlesinger M.E Ramankutty N. An oscillation in the global climate system of period 65-70 years Nature 1994. V. 367. 6465. P. 723-726. D0110.1038367723a0.
2. Delworth T. L. Mann M. E. Observed and simulated multidecadal variability in the Northern Hemisphere Climate Dynamics 2000. V. 16. P. 661-676. D0I10.1007s003 820000075
3. Sutton R. T. Hodson L. R. Atlantic Ocean Forcing of North American and European Summer Climate Science 2005. V. 309. 5731. P. 115-18. D0I10.1126science.1109496.
4. Knight J. R. Folland C. K Scaife A. A. Climate impacts of the Atlantic Multidecadal Oscillation Geophys. Res. Lett. 2006. V.33. L17706. D0I10.10292006GL026242.
5. Chylek P. Lesins. G. Multidecadal variability of Atlanhurricane activity 1851-2007 Journal of Geophysical Research 2008. V. 113. D22106. doi10.10292008JD010036
6. National Oceanic and Atmospheric Administration. URL: http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/correlation/amon.us.long.data.
7. Enfield D. B. Mestas-Nunez A. M. Trimble P. J. The Atlantic Multidecadal Oscillation and its relationship to rainfall and river flows in the continental U.S. Geophys. Res. Lett. 2001. V. 28. P. 2077 - 2080. DOI10.10292000GL012745.
8. Goldenberg S. B. Landsea C.W. Mestas-Nunez A.M. Gray W.M. The recent increase in Atlantic hurricane activity Causes and implications Science 2001. V. 293. 5529. P. 474479. DOI10.1126science. 1060040.
9. Shanahan T. M. Overpeck J.T. Anchukaitis K.J. Beck J.W. Cole J.E. Dettman D.L. Peck J.A. Scholz C.A. King J.M. Atlantic Forcing of Persistent Drought in West Africa Sci-ence 2009. V. 324. 5925. P. 377-380. DOI10.1126science.1166352.
10. Teegavarapu R. S. V. Goly A. Obeysekera J. Influences of Atlantic Multi-Decadal Oscillation on Regional Precipitation Extremes Journal of Hydrology 2013. V. 495. P. 74-93.
11. Fedorov V.M. Sokratov S.A. Frolov D.M. Tendencii izmeneniya prixodyashhej na verx-nyuyu granicu atmosfery solnechnoj radiacii i ix prostranstvennaya lokalizaciya Issledo-vanie Zemli iz kosmosa 2019. 5. S. 50-58. DOI 10.31857S0205-96142019550-58.
12. Fedorov V.M. Frolov D.M. Prostranstvennaya i vremennaya izmenchivost prixodya-shhej na verxnyuyu granicu atmosfery solnechnoj radiacii Kosmicheskie issledovaniya 2019. T. 57. 3. S. 177-184. DOI10.1134S002342061903004X
13. Fedorov V.M. Features of the Earth's Solar Climate Changes in the Present Epoch Geomagnetism and Aeronomy 2020. V. 60. 7. P. 993-998. DOI10.1134S0016793220070117.
14. Fedorov V.M. Kostin A.A. The Calculation of the Earth's insolation for the 3000 BC - AD 2999 Springer Geology 2020. V. I. P. 181-192. DOI10.1007978-3-030-38177-6_20.
15. Fedorov V.M. Problema meridionalnogo perenosa tepla v astronomicheskoj teorii klimata Geofizicheskie processy i biosfera 2019. T. 18. 3. S. 117-128. DOI10.21455GPB2019.3-8.
16. Fedorov V.M. Insolation Contrast and Trends in Modern Climate Change Geo-magnetism and Aeronomy 2022. V. 62. 7. P. 932-937. DOI 10.1134S001679322207009X
17. Fedorov V.M. Solnechnaya radiaciya i klimat Zemli. M. Fizmatlit 2018. 232 s.
18. Malinin V.N. Gordeeva S.M. Izmenchivost vlagosoderzhaniya atmosfery nad okea-nom po sputnikovym dannym Issledovanie Zemli iz Kosmosa 2015. 1. S. 3-11.
19. Malinin V.N. Uroven okeana nastoyashhee i budushhee. SPb. RGGMU 2012. 260 s.
20. Fedorov V.M. Astronomicheskaya klimatologiya. M. Moskovskij universitet 2002. 236 s.
21. Sidorenkov N.S. Fizika nestabilnostej vrashheniya Zemli. M. Fizmatlit 2002. 384 s.
22. Byshev V.I. Nejman V.G. Romanov Yu.A. Seryx I.V. E"l-Nino kak sledstvie glo-balnoj atmosfernoj oscillyacii v dinamike klimaticheskoj sistemy Zemli DAN 2012. T. 446. 1. S. 1-6.
23. Anisimov M.V. Byshev V.I. Zalesnyj V.B. Moshonkin S.N. Mezhdekadnaya izmenchi-vost termicheskoj struktury vod Severnoj Atlantiki i ee klimaticheskaya znachi-most DAN 2012. T. 443. 3. S. 372-376.
24. Scafetta N. Climate Change and Its cause A Discussion about Some Key Issues SPPI Original Paper 2010. P. 3-28.
25. Gruza G.V. Rankova E".Ya. Nablyudaemye i ozhidaemye izmeneniya klimata Rossii temperatura vozduxa. M. IGKE" 2012. 194 s.
26. Frolov I.E. Gudkovich Z.M. Karklin V.P. Smolyanickij V.M. Shestidesyatiletnyaya ciklich-nost v izmeneniyax klimata polyarnyx regionov MGI 2008. 105. S. 158-165.
27. Frolov I.E. Gudkovich Z.M. Karklin V.P.. Smolyanickij V.M. Izmeneniya klimata Arktiki i Antarktiki rezultat dejstviya estestvennyx prichin Problemy Arkti-ki i Antarktiki 2010. 2 (85). S. 52-61.
28. Malinin V.N. Izmeneniya urovnya Mirovogo okeana i klimata Uchenye zapiski RGGMU 2015. 41. S. 100-115.
29. Beleckij V.V. Ocherki o dvizhenii kosmicheskix tel. M. Nauka 1972. 360 s.
30. Bakulin P.I. Kononovich E".V. Moroz V.I. Kurs obshhej astronomii. M. Nauka 1983. 560 s.
31. Blexman I.I. Sinxronizaciya dinamicheskix sistem. M. Nauka 1971. 896 s.
32. Grebenikov E.A. Ryabov Yu.A. Rezonansy i malye znamenateli v nebesnoj mexanike. M. Nauka 1978. 128 s.
33. Duboshin G.N. Nebesnaya mexanika. Osnovnye zadachi i metody. M. Nauka 1975. 800 s.
34. Darvin Dzh. G. Prilivy i rodstvennye im yavleniya v Solnechnoj sisteme. M. Nauka 1965. 252 s.
35. Maksimov I.V. Saruxanyan E".I. Smirnov N.P. Okean i kosmos. L. Gidrometeoizdat 1970. 216 s.
36. Foreman M.G.G. Neufeld E.T. Analyses harmoniques de la mare portant sur de longues series chronologiques Revue hydrographique internationale. Monaco LXIII (1) 1991. P. 89113.
37. Maksimov I.V. Abramov R.V. K izucheniyu nutacionnoj migracii islandskogo mini-muma atmosfernogo davleniya Problemy Arktiki i Antarktiki 1966. Vyp. 23. S. 14-20
38. Anishhenko V.S. Nejman A.B. Moss F. Shimanskij - Gajer L. Stoxasticheskij rezo-nans kak inducirovannyj shumom effekt uvelicheniya poryadka Uspexi fizicheskix nauk 1999. T. 169. 1. S. 7-38.
39. Anishhenko V.S. Anufrieva M.V. Vadivasova T.E. Stoxasticheskij rezonans v bista-bilnoj sisteme pod vozdejstviem xaoticheskogo signala Pisma v ZhTF 2006. T. 32(20). S. 12 -17.
40. Lean J. Rottman G. Harder J. Kopp G. Sorce contributions to new understanding of global change and solar variability Solar Physics 2005. 230. P. 27-53.
41. NASA Jet Propulsion Laboratory California Institute of Technology (JPL Solar System Dynamics). URL: http://ssd.jpl.nasa.gov.
On the Physical Cause of North-Atlantic Multidecadal
Oscillation
Valery Fedorov1,2, Alim Zalikhanov1,3, Ekaterina Fedorova1,4 1Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia
E-mail : 2fedorov.msu@mail. ru, 3bulungu@yandex. ru, 4fedorov.msu@mail.ru
Abstract. It is shown, that the North Atlantic oscillation corresponds to the difference between the values of the near-surface air temperature calculated on the basis of the regression model with insolation contrast as a predictor and the actual long-term changes in the near-surface air temperature. This proves the gravitational nature of the North Atlantic Oscillation. It is also shown, that the periodicity of the North Atlantic Oscillation can be the result of synchronization and resonant amplification of the 60-year periodicity generated in the space surrounding the Earth by the comparability in the average motions of the giant planets: Jupiter and Saturn.
Keywords: North Atlantic oscillation, insolation contrast, regression model, commensurability, orbital resonance, tidal inequalities.
