Зависимость изменчивости физических и биотических процессов в океане от скорости вращения Земли Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 551.461

Вестник СПбГУ. Сер. 7. 2013. Вып. 2

Д. К. Старицын, В. Р. Фукс, Т. В. Белоненко

ЗАВИСИМОСТЬ ИЗМЕНЧИВОСТИ ФИЗИЧЕСКИХ И БИОТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ОКЕАНЕ ОТ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ЗЕМЛИ

Многие исследователи указывают на связь между изменчивостью различных процессов в океане со скоростью вращения Земли [1-4]. Однако механизмы такой зависимости либо не обсуждаются, либо выдвигаются умозрительные, часто фантастические гипотезы.

В настоящей статье предлагается гипотеза о таком механизме, связанная с действием силы Кориолиса, которая определяет многие динамические и термодинамические процессы в океане и атмосфере. Эта сила пропорциональна угловой скорости вращения Земли и вызывает инерционное ускорение движущихся частиц воды.

Во второй половине XX столетия астрономами были получены данные о нерегулярных флуктуациях скорости вращения Земли (СВЗ) и движении географических полюсов. Скорость вращения Земли обычно выражают через отклонение длительности земных суток от эталонных, равных 86400 с. В XVIII в. и до второй половины XIX в. наблюдаются флуктуации скорости вращения с неустойчивой периодичностью в 60-70 лет [2].

Точность оценки скорости вращения Земли повысилась в 1955 г. в связи с началом использования атомных часов. На основе этих измерений был установлен выраженный сезонный ход скорости вращения Земли с минимумами в апреле и ноябре и максимумами в январе и июле. Величина сезонных колебаний составляет 10-3с. В сезонных колебаниях выделяются составляющие с годовым и полугодовым периодами. Средняя амплитуда годовой составляющей 35 • 10-5с, а полугодовой 32 • 10-5с.

Сезонный ход скорости вращения Земли связывают обычно с сезонными изменениями в распределении воздушных масс, а также водных масс и льда.

Новый этап в изучении изменчивости скорости вращения Земли начался в 80-е годы прошлого века, когда астрономические измерения были заменены спутниковыми методами лазерной локации, в результате чего точность определения Всемирного времени увеличилась на два порядка и появилась возможность регистрировать суточные и часовые изменения в скорости вращения Земли.

На рис. 1 представлены результаты выполненного нами вейвлет-анализа временных рядов скорости вращения Земли из банка данных INTERNATIONAL EARTH ROTATION SERVICE (1990-2010 гг.). На вейвлет-изображении (рис. 1, b) выделяются колебания, вызванные приливообразующими силами с периодами год, полгода; 14; 27; 9 суток. Хорошо видно, что интенсивность колебаний скорости вращения Земли в выделенных периодах на различных отрезках времени неодинакова. Так, например, годовые колебания с 2002 по 2003 гг., а полугодовые с 2001-2003 и в 2005 гг. не выражены.

Старицын Дмитрий Константинович — канд. геогр. наук, доцент, Санкт-Петербургский государственный университет; e-mail: d_starik@.mail.ru

Фукс Виктор Робертович — д-р геогр. наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный университет; e-mail: victorvf1285@yandex.ru

Белоненко Татьяна Васильевна — канд. геогр. наук, Санкт-Петербургский государственный университет; e-mail: btvlisab@yandex.ru

© Д. К. Старицын, В. Р. Фукс, Т. В. Белоненко, 2013

2^ Ca, b Coefficients — Coloration mode: init + by scale + abs

300 250 200 150 100 50 0,5

Scale of colors from MIN to MAX

Рис. 1. Временной ход (a) и вейвлет-изображение (b) колебаний скорости вращения Земли (1990-2010 гг.).

В настоящее время найдены достоверные статистические связи между изменчивостью СВЗ с другими атмосферными и океанологическими процессами. В их числе цикличность климатических характеристик и индексов атмосферной циркуляции. Установлена устойчивая связь десятилетних флуктуаций вращения Земли с изменениями эпох атмосферной циркуляции, колебаниями глобальной температуры воздуха, осадками и облачностью [2]. Тесная корреляционная связь была обнаружена и при сопоставлении сглаженного (9-летнего скользящего среднего) хода индекса интенсивности центра действия атмосферы Азорского антициклона с СВЗ [1]. Коэффициент корреляции при значениях сдвига (т) от 5 до 7 лет составил r = 0,82. На графике, заимствованном из работы М. Г. Вершовского [1] (рис. 2), значения 9-летнего осредненного индекса интенсивности (IINT) даны со сдвигом в 5 лет (т = 5).

Еще более тесная корреляционная связь была обнаружена при сопоставлении сглаженного хода летне-осеннего индекса интенсивности Исландской депрессии со скоростью вращения Земли. Коэффициент корреляции для 11-летнего осреднения при значениях от 0 до 3 составил 0,89-0,92 (ряд — 95 членов). На графике (рис. 3) значения 11-летнего осредненного летне-осеннего индекса интенсивности Исландской депрессии для большей наглядности в сочетаемости с кривой хода СВЗ инвертированы (т. е. значения индекса интенсивности даны с убыванием по оси ординат).

В данных, приведенных выше, проявляется взаимосвязь двух центров действия атмосферы Исландской депрессии и Азорского антициклона с многолетними вариациями скорости вращения Земли.

На рис. 4 демонстрируются полученные нами вариации среднегодового уровня Охотского моря и скорости вращения Земли за 16-летний отрезок времени (19932009 гг.). Не вызывает сомнения обратно пропорциональная зависимость этих процессов с некоторым опережением по фазе колебаний скорости вращения Земли. Коэффициент парной корреляции r = -0,79.

Вероятно, одними из первых на связь численности биоты с изменчивостью скорости вращения Земли обратили внимания Ю. А. Колесник, А. К. Мусин, В. В. Проскурин [5, 6], которые предположили, что если многолетние колебания скорости вращения

§

<

-3 ^............................... ^ -15

1873 1883 1893 1903 1913 1923 1933 1943 1953 1963 1973 1983 1993 2003

Рис. 2. Многолетний временной (1873-2004 гг.) ход скорости вращения Земли (LOD) (1) и Азорского антициклона (2) со сдвигом в 5 лет. Коэффициент корреляции г = 0,82 (заимствовано из работы М. Г. Вершов-ского, 2006).

-1 ----------—1 4

1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000

Рис. 3. Многолетний (1900-2004 гг.) ход СВЗ (1) и летне-осеннего индекса интенсивности Исландской депрессии (2) со сдвигом в 1 год. Коэффициент корреляции г = -0,91 (заимствовано из работы М. Г. Вершовско-го, 2006).

Земли коррелируют с атмосферной и океанической циркуляцией, то они не должны проходить бесследно для состояния биоресурсов. Л. Б. Кляшторин [4] обнаружил подобие хода многолетних трендов уловов минтая, трески, сардины и лососей с трендом СВЗ. Детальный анализ выявил высокую корреляцию, превышающую И > 0,8, между этими процессами. На существование устойчивой связи между колебанием численности основных промысловых объектов северо-западной Пацифики и изменчивостью

151,5

2

149,0

-5

1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 г.

СВЗ

Уровень Охотского моря, мм

Рис. 4. Временная динамика среднегодовых значений скорости враще ния Земли и уровня Охотского моря.

геофизических предикторов (в том числе СВЗ) указывали также Каредин Е. П., Мичурин А. Н., Старицын Д. К.[7].

На рис. 5 представлены полученные нами взаимокорреляционные функции между ежегодными (1980-2011 гг.) уловами некоторых промысловых рыб и вариациями скорости вращения Земли. Высокая корреляция динамики численности палтуса с СВЗ на нулевом сдвиге (г = 0,79) свидетельствует о синфазности этих процессов. Видно также, что колебания численности охотоморского минтая обратно пропорциональна СВЗ (г=-0,64) с отставанием по фазе на 3 года. Численность сельди имеет максимальный коэффициент взаимной корреляции (г=0,65) на втором лаге.

Эти результаты свидетельствуют о том, что вариации скорости вращения Земли связаны с численностью промысловых гидробионтов.

Во всех приведенных выше примерах очевидна взаимосвязь хода природных явлений с колебаниями скорости вращения Земли. Попытаемся показать один из возможных механизмов такой взаимосвязи.

Для объяснения этих зависимостей ограничимся здесь рассмотрением только изменения скорости вращения Земли без учета изменения угла наклона оси вращения Земли и миграции полюсов. Будем исходить из обычной системы уравнений движения, определяющей в линейном приближении баланс сил инерции и Кориолиса:

где: u и v — зональная и меридиональная составляющие скорости течения; ш = 2ш0 sin ф — параметр Кориолиса; ш0 — угловая скорость вращения; ф — широта места. При этом будем считать что ш = w(t) .

Тогда система уравнений (1) легко может быть сведена к двум уравнениям для каждой составляющей скорости течения в отдельности

— + ®u = 0, dt

(1)

И

тз £

s •

а Ю

а: ш

ТЗ g

S 5

ю 3

J3 о

S £

S

s о

п S)

Я ¡о

2 S

п

s g и <т> ^ -е-

и

я 5 s -g to s

Ы 5

g i g *

S M •

о

о н я

0

1

ю о

а

S

я

>ТЗ

о

LP OJ

CrossCorrelation Function First: Ск.вращ.Земли Lagged: ПАЛТУС

Corr ,0999 ,1510 ,1224 ,0778 -,023 -,158 -,212 -,261 -,220 -,121 -.024 ,1700 ,3035 ,5268 ,6868 ,7789 ,7500 ,6491 ,5322 ,3384 ,1154 -,065 -,205 -,263 -,300 -,319 -,373 -,308 -,228 -,168 -,115

S.E, -

,2500

,2425

,2357

,2294

,2236

,2182

,2132

,2085 ■

,2041 ■

,2000

,1961 ■

,1925

,1890

,1857

,1826

,1796

,1826

,1857

,1890

,1925

,1961

,2000 ■

,2041 ■

,2085

,2132

,2182

,2236

,2294

,2357

,2425

,2500 ■

0 -

-1,0

CrossCorrelation Function First: Ск.вращ.Земли Lagged: МИНТАЙ

_ft«

-14 -13 -12 -11 -10 -9

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2

3

4

5

6

7

8 9

10 11 12

13

14

15

Corr. ,0988 1475 2332 3372 2671 2127 0804 ■^,076 -212 -381 -488 -618 -631 -626 -610 -532 -539 -491 -457 -441 -396 -361 -235 -147 -'026 ,0942 2024 3269 4158 4389 3964

CrossCorrelation Function First: Ск.вращ.Земли

Lagged: СЕЛЬДЬ

-13 -12 -11 -10 -9

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2

3

4

5

6

7

8 9

10 11 12

13

14

15

Corr -,281 -,135 -.031 ,0423 ,0782 ,0699 ,0659 -,048 -,123 -,135 -,159 -.092 ,6201 ,2239 ,4150 ,5796 ,6513 ,6518 ,6382 ,5297 ,4184 ,3370 ,2488 ,1583 ,1251 ,1055 ,1088 ,1209 ,0305 -,086 -,117

S.E.

,2500 ,2425 ,2357 ,2294 ,2236 ,2182 ,2132 ,2085 ,2041 ,2000 ,1961 ,1925 ,1890 ,1857 ,1826 ,1796 ,1826 ,1857 ,1890 ,1925 ,1961 ,2000 ,2041 ,2085 ,2132 ,2182 ,2236 ,2294 ,2357 ,2425 ,2500 0

CrossCorrelation Function First: Ск.вращ.Земли Lagged: КАМБАЛА

Lag Corr S.E.

-15 ,0837 2500

-14 ,1776 2425

-13 ,1609 2357

-12 ,0639 2294

-11 -,052 2236

-10 -,231 2182

-9 -,307 2132

-8 -,410 2085

-7 ",352 2041

-6 -,311 2000

-5 -,229 1961

-4 -,045 1925

-3 ,1340 1890

-2 ,2861 1857

-1 ,4505 1826

0 ,5327 1796

1 ,4612 1826

2 ,2971 1857

3 ,2234 1890

4 ,0395 1925

5 -,026 1961

6 -,082 2000

7 -.015 2041

8 ,0722 2085

9 ,1741 2132

10 ,2651 2182

11 ,3310 2236

12 ,3412 2294

13 ,3365 2357

14 ,2803 2425

15 ,2257 2500

0

w,

E 2

i E У77Л

8ЯД}д

у///.'//. 2

1 ^ '////Л

'////////7Л

У/////Л

.....Conf. Limit

du 2 du „ —- + ю u — у— = 0, dt2 dt (2)

d2v 2 dv „ —- + ® v-Y— = 0, dt2 dt

1 5ю

где Y= ~ • ю dt

Будем искать решение этой системы в виде u, v~ e'at т. е. в виде гармонического колебания. Тогда получим дисперсионное уравнение:

а2 -ю2 + ioy = 0. (3)

Полагая а = а1 + га, где а1 — частота колебаний, а2 — коэффициент экспоненциального затухания (возрастания), найдем

а2 = ю2 + а2 ± Ya = 0, 122 (4)

а 2 = ±Y.

2 2

Или

а2 =ю2 + 3y2, а2 =ю2 -1 Y2. (5)

То есть решение (3)-(5) указывает на возможность как затухающих инерционных, так и возрастающих по амплитуде колебаний. Вероятно, возрастающие по амплитуде колебания при определенных условиях теряют динамическую устойчивость и трансформируются в крупномасштабные турбулентные вихри, определяющие соответствующий перенос масс и свойств.

Инерционные течения будут содержать те же гармоники, что и скорость вращения Земли, а следовательно и перенос (адвекция) свойств будет иметь ту же периодичность возбуждений, что и скорость вращения Земли. По крайней мере, как это следует из [1, 2], должны содержать полугодовую, годовую периодичность и периодичность, равную 18,6 годам.

Литература

1. Вершовский М. Г. Центры действия атмосферы Атлантического океана и вариации скорости вращения Земли // Электронный научный журнал «Исследовано в России» 2657. URL: http://zhurnal.ape.relarn.ru/ articles/2006/275.pdf (дата обращения: 15.07.2012).

2. Сидоренков Н. С. Физика нестабильностей вращения Земли. М.: Наука, 2002. 384 с.

3. Кляшторин Л. Б., Любушин А. А. Циклические изменения климата и рыбопродуктивность. М.: Изд-во ВНИРО, 2005. 258 с.

4. Кляшторин Л. Б., Сидоренко Н. С. Долгопериодные климатические изменения и флюктуации численности пелагических рыб Пацифики // Изв. ТИНРО. Т. 119. 1996. С. 33-54.

5. Колесник Ю. А. Цикличность биологических процессов и роль порождающих внешних факторов среды. Владивосток: Изд-во ДВГУ, 1997. 130 с.

6. Колесник Ю. А., Мусин А. К., Проскурин В. В. О механизме влияния неравномерности скорости вращения Земли на циклические колебания природных процессов // Всесоюзн. Совещ. по математическим и вычислительным методам в биологии. Пущино: АН СССР, 1985. С. 84-85.

7. Старицын Д. К., Каредин Е. П., Мичурин А. Н. Гидрометеорологические и геофизические предикторы динамики численности основных промысловых рыб СЗТО // Тезисы докл. XII Междунар. конф. по промысловой океанологии. Светлогорск, 2002. С. 46.

Статья поступила в редакцию 21 декабря 2012 г.