Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Исследование гелиогеофизических процессов на базе аппарата причинного анализа

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Исследование гелиогеофизических процессов на базе аппарата причинного анализа"

ГЛАВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ ПРИ КАБИНЕТЕ МИНИСТРОВ РЕСПУр^Ш ()Д УЗБЕКИСТАН

- 3 ЯНВ 200О

МЕТЕОИНФОРМСИСТЕМ

Среднеазиатский научно - исследовательский гидрометеорологический институт им. В. А. Бугаева

На правах рукописи АРУШАНОВ Михаил Львович

УДК 551.509.314:530.16

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕЛИОГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА БАЗЕ АППАРАТА ПРИЧИННОГО АНАЛИЗА

Специальность 11.00.09 - Метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

Ташкент - 2000г.

Работа выполнена в МЕТЕОИНФОРМСИСТЕМ Главного управления по гидрометеорологии при Кабинете Министров Республики Узбекистан (Главгидромет РУз).

Официальные оппоненты:

Академик АН РУз, профессор, доктор физико-математических наук

Абуталиев Ф. Б.

Профессор, доктор физико-математических наук

Сонечкин Д. М.

Профессор, доктор технических наук

Махмудов А.

Ведущая организация - Национальный центр

Геоинформатики и Кадастра

Защита состоится 14 декабря 2000г. в 10 ч. на заседании Специализированного Совета № К-1281001 при Среднеазиатском научно-исследовательском гидрометеорологическом институте им. В. А. Бугаева по адресу: 700052, Ташкент, ул. К. Махсумова, 72.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке САНИГМИ им. В. А. Бугаева

Автореферат разослан 10 ноября 2000 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять в адрес Специализированного Совета.

Ученый секретарь

Специализированного

Совета,

канд. физ.-математ. наук

с2> 2* ¿р а

Л </ ^ О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Вопрос причинности событий, являющийся главенствующим в акте познания механизма физических процессов вообще, а геофизических, в частности, до настоящего времени остается открытым и рассматривается практически на интуитивном уровне исследователя. Эта проблема прямо связана с согласованием обратимости времени в фундаментальных физических теориях (классической и квантовой физике, теории относительности) с вопиющей необратимостью времени реального мира. Вопрос связи причинности и направленности времени («стрелы времени») неоднократно поднимался выдающимися философами и физиками, практически, на всем протяжении развития науки. Если нет «стрелы времени», то нельзя говорить и о причинности. Правило состоит в том, что «причина» предваряет наблюдаемое следствие» (Л. Брюллюэн, 1966). Однако, понятия «причина» и «следствие» оставались неопределенными. Необходимость формализации этих понятий отчетливо прослеживается в работах многих ученых мирового сообщества (Л. Брюллюэн, 1966, И. При-гожин, 1985, Г. Рейхенбах, 1962, Д. Хейс, 1981, И. Б. Новик, А.Ш. Абдуллаев, 1991, М. Бунге, 1962, Н. А. Козырев, 1958, С. М. Коротаев, 1993 и др.). Актуальность проблемы определяется тем, что при изучении физических процессов, в частности, геофизических, в том числе атмосферных, возникает вопрос объективной оценки их причинно-следственной обусловленности. Обычный путь решения этого вопроса, широко используемый в метеорологических исследованиях - корреляционный анализ. В общем случае при высоком значимом коэффициенте корреляции между рассматриваемыми характеристиками делается вывод о наличии между ними реальной зависимости, после чего вопрос о причинных связях решается на уровне физической интуиции, в лучшем случае дополняемой оценкой запаздывания. Однако запаздывание является необходимым, но недостаточным условием причинной связи: если процесс С порождает процессы А и В, то между А и В возможны высокая корреляция, запаздывание, но их связь не является причинной (С. М. Коротаев, 1993). С. М. Коротаевым (1989, 1993, 1995, 1997) разработана теория причинного анализа, позволяющая дать операциональное определение причинности. Отсутствие такого аппарата в ранее проводимых исследованиях по выявлению причинно связанных процессов, в частности, при изучении влияния солнечной активности на физические процессы в атмосфере, особенно на ее нижние слои, не позволяло дать однозначного ответа о наличии (отсутствии) этих связей. Возможность получения количественных оценок меры причинной зависимости позволяет сделать выбор между альтернативными моделями (гипотезами). Особую значимость

учет количественно определенных причинных связей имеет в прогностических моделях как статистических, так и гидродинамических. Таким образом, применение аппарата причинного анализа для выявления причинной обусловленности атмосферных процессов внешними факторами, представляется весьма актуальным.

Современная наука, принимая обратимость времени, свойство необратимости в силу неполноты описания системы приписывает самой системе. Если принять, что необратимость - это только свойство времени, то на основании теорем, определяющих фундаментальные законы сохранения (Э. Неттер, 1918), принятое,условие приводит к нарушению закона сохранения энергии. Если же рассматривать это нарушение как расширение рамок закона, то неизбежно энергия ¡появляется у самого времени. В результате, время из понятия реляционного (время-координата) становится понятием субстанциональным (обладает рядом физических свойств). Последнее положено в основу нового направления, названного причинной или несимметричной механикой (Н. А. Козырев, 1958). Эта механика в конце 50-х, начале 60-х годов вызвала большой интерес со стороны научной общественности, но в целом негативную реакцию. Однако в 90-х годах, ряд положений, предсказанных причинной механикой Н. А. Козырева, был успешно подтвержден экспериментально (М. М. Лаврентьев и др, 1990, 1991, 1992, Н. Hayasaka, S. Takeuchi, 1990, D. Savage, 1985, 1986, 1987). В рамках причинной механики особую актуальность приобретают ее геофизические следствия (М. Л. Арушанов, С. М. Коротаев, 1989, 1995, М. Л. Арушанов, 1999).

Цель исследования. Основной целью исследования является изучение геофизических следствий причинной механики, разработка численных алгоритмов причинного анализа, изучение вопроса наличия (отсутствия) причинной обусловленности физических процессов в атмосфере вариациями солнечной активности и оценки гидродинамических прогностических моделей с использованием аппарата причинного анализа. При этом ставятся следующие задачи:

1. Анализ положений причинной механики с учетом полученных новых результатов в области экспериментальной и теоретической физики.

2. Теоретическая оценка геофизических эффектов причинной механики (применительно к Земле и атмосфере).

3. Выполнить на базе причинного анализа:

• теоретические и эмпирические оценки физических процессов в атмосфере в связи с вариациями солнечной активности;

• анализ и оценку существующих гипотез физических механизмов солнечно-атмосферных связей;

• оценку (с акцентом в периоды усиления солнечной и геомагнитной активности) точности гидродинамических моделей прогноза погоды.

Научная новизна. Впервые, используя положения причинной механики, обосновываются наблюденная по спутниковым данным форма Земли, механизм распределения температуры и атмосферного давления по земному шару; особенности формирования и положения внутритропической зоны конвергенции, гипотеза экваториального сдвига и Б-образного деформирования структурных поясов. На базе теории информации и математической энтропии разработаны алгоритмы практической реализации аппарата количественного причинного анализа.

На основе аппарата причинного анализа по наблюденным данным за параметрами атмосферы и солнечной активности впервые:

• дано обоснование гипотез, лежащих в основе солнечно-атмосферных связей;

• получены количественные оценки причинной связи между параметрами солнечной активности и параметрами различных слоев атмосферы (давление, температура, энергетические характеристики, индексы циркуляции, площади завихренности и т.д);

• показана роль шумообразующих факторов при вычислении энтропийных параметров, занижающая величину причинной связи между исследуемыми процессами;

• на базе разложения эмпирических рядов по системе естественных ортогональных функций разработан алгоритм причинного анализа на главных компонентах оценки степени зашумленности изучаемых процессов;

• разработан новый подход к оценке гидродинамических прогнозов метеорологических полей. Показано, что успешность прогноза должна оцениваться с использованием параметра причинности, на основе количественной оценке наличия (отсутствия) причинной связи между исходными и прогностическими метеорологическими полями. Тем самым определяется корректность комплекса факторов (системы дифференциальных уравнений), включенных в гидродинамическую модель прогноза;

• установлена тенденция к ухудшению гидродинамических прогнозов погоды в летний период, вызванная изменением прочности причинных связей в зависимости от сезона года;

• по оценкам значимого ухудшения гидродинамических прогнозов в периоды увеличения солнечной активности сделан вывод о необходимости включения в гидродинамические модели прогноза погоды и климата фактора солнечной активности;

• показана неизбежность возникновения проблемы «предсказуемости» в рамках детерминистского подхода в задачах долгосрочного прогноза погоды и моделирования климата. Обоснована «искусственность» этой проблемы за рамками классического детерминизма.

Аппарат причинного анализа является мощным средством при обработке эмпирических геофизических данных с целью установления причинно-следственных связей при построении моделей явлений или процессов. При построении регрессионных моделей он может выступать как оптимальный и объективный метод отбора предикторов в отличие, например, от известного метода «просеивания», где в качестве критериев отбора выступают статистические характеристики.

Реализация результатов работы. Алгоритмы машинной реализации аппарата причинного анализа были использованы при обработке геофизических данных (геологических, метеорологических, гидрологических, океанологических) в ряде международных проектов: «Геопол», «Нефте-газоносность болгарского шельфа Черного моря», «Строения и геодинамика литосферы Центральной и Восточной Европы», «БЕМС», «ЭМСЛАБ» и др. (Комитет по геологии Болгарии, Финский метеорологический институт, Финский университет Оулу), университет Упсала (Швеция), Тихоокеанский центр наук о Земле (Канада), Скриппсовский океанографический институт (США), Петербургский университет, Институт Геоэлекторомагнитных Исследований РАН (Москва), Институт геофизики Уральского отделения РАН . Алгоритмы и программы причинного анализа были ипользованы в Среднеазиатском научно-исследовательском гидрометеорологическом институте им. В. А. Бугаева для изучения причинной обусловленности гидрологических циклов внешними факторами.

Предмет защиты - обоснование принципа причинности и нового направления в обработке и анализе наблюденных геофизических данных; обоснование ряда геофизических эффектов, их географического расположения, необъясненных с обычных позиций; доказательство наличия причинной обусловленности атмосферных процессов (в том числе и в тропосфере) солнечной и геомагнитной активностью. Апробация результатов работы и публикации. Результаты работы докладывались или были представлены:

• на Всесоюзной школе - семинаре по моделированию климата (Ташкент, 1976);

• на конференции «Время в науке и философии. Конструкция понятия времени» (Пущино, 1987);

•

Эти исследования выполнялись под руководством С. М. Коротаева в рамках научной тематики института Геоэлектромагнитных исследований РАН.

• на объединенном заседании Научного Совета «Проблемы прогнозирования сейсмической опасности» ИС АН РУз при Президиуме АН РУз и научного семинара по сейсмологии (1995);

• на коллоквиуме «Узбекистан мустак,иллиги - унинг фани ва техноло-гияларини ривожлантириш кафолати» (Ташкент, 12-13 ноября 1998г.).

• на заседание Ученого Совета САНИГМИ (10 июня 1998г.)

• на международном симпозиуме по геонакум и дистанционному зондированию (ЮАЯ8-99, Гамбург, 1999);

• на заседание объединенного семинара физического (кафедра физики атмосферы) и географического (кафедра физической географии и гидрологии суши) факультетов ТашГу им. М. Улугбека (31 марта 1999г.);

• на десятой международной конференции по изучению многоспектральной спутниковой информации для восстановления вертикальных профилей температуры (ТОУБ) (США, Колорадо, Боулдер, 4 июля 1998);

• на заседание Объединенного метеорологического семинара Специализированного Совета К.128.10.01 при САНИГМИ им. В. А. Бугаева (27 апреля 1999г);

• на Специализированном семинаре НПО «Кибернетика» АН РУз (14 мая 1999г.)

По мере выполнения работы и получения новых результатов, последние неоднократно докладывались на объединенном метеорологическом семинаре Среднеазиатского научно-исследовательского гидрометеорологического института им. В. А. Бугаева, института математики им. В. И. Романовского и Ташкентского Государственного университета (кафедра физики атмосферы).

Результаты исследований, приведенные в диссертации, изложены в 36 печатных работах автора. Основные из них перечислены в конце автореферата.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы. Работа изложена на 294 страницах, содержит 59 рисунков и 28 таблиц. Список литературы включает 305 источников.

Работа выполнена в Управлении связи и обработки информации Главгидромета при Кабинете Министров РУз.

Автор выражает глубокую признательность С. М. Коротаеву- главному идеологу и генератору идей по данной тематики, Ю. М. Денисову и А. М. Горячеву за плодотворное обсуждение различных аспектов работы, Р. Ньютону за представленные данные, В. Е. Чубу и Л. Н. Боровиковой за живое участие и помощь в публикации монографии, А. А. Мулюкову и О. А. Староватову за представленные материалы, В. Г. Коновалову и Б. К. Цареву за участие в проверке алгоритма причинного анализа на гидрологических данных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ

Во введении ставится фундаментальный вопрос, связанный с отношением современной науки к понятию времени и принципу причинности, не нашедшие четкого отражения в существующей физики, несмотря на широкое повсеместное использование гипотез о причинных связях. Показано, что эта парадоксальная ситуация прямо связана с согласованием обратимости времени в фундаментальных физических теориях (классической и квантовой физике, теории относительности) с вопиющей необратимостью времени реального мира. Так, фундаментом классической механики является обратимость и детерминизм (известные начальные условия позволяют строжайшим образом предсказать траекторию). Направленность времени в ней не играет никакой роли, т.е. при строжайшем детерминизме она лишена причинности. Таким образом, вопрос причинности событий в фундаментальных науках до настоящего времени остается открытым и рассматривается практически на интуитивном уровне исследователя. Первая реальная попытка введения принципа причинности в теоретическую механику была предпринята астрофизиком с мировым именем, выдающимся естествоиспытателем, профессором Пулковской обсерватории Николаем Александровичем Козыревым. Созданная им механика основана не на симметрии (равенстве действия и противодействия) взаимодействующих сил, а на асимметрии и необратимости причин и следствий, связь между которыми устанавливается последовательностью во времени, его направленностью. Аксиоматическое построение причинной механики Н. А. Козырева (1958) требовало ее формализации. Тем не менее, самим автором причинной механики она выполнена не была, что явилось одной из причин критических замечаний в сторону новой механики. Изначально задуманная формализация аксиоматики причинной механики вылилась в теорию причинного анализа (М. Л. Арушанов, С. М. Коротаев, 1989), открывшего новую ступень в обработке натурных данных. Разработанная С. М. Коротаевым теория причинного анализа оказалась очень эффективной в решении экспериментальных задач, для которых широко известная теория корреляции не способна ответить на вопрос о причинных связях рассматриваемых явлений или процессов. При достаточно высокой корреляции исследуемой пары или множеств решение принимается на интуитивном уровне исследователя и, в конечном счете, является субъективным. Наличие количественной теории причинного анализа снимает принятие решения о причинных связях на субъективном уровне, тем самым выступает гарантом в правильности построения модели явления или ис-

следуемых процессов. При использовании регрессионных теорий для построения динамико-стохастических моделей количественный причинный анализ может выступать как эффективный инструмент отбора предикторов, в полной степени заменяющий, а с физической точки зрения бесспорно превосходящий, известные методы «просеивания».

Глава 1. ТЕОРИЯ ПРИЧИННОСТИ

Рассмотрение вопроса мотивировано существующей проблемой причинности событий в точных науках, прямо связанной с согласованием обратимости времени в физических теориях и необратимостью времени реального мира. Новая временная координата х", добавленная Пуанкаре (1906) и Минковским (1907) к трем пространственным х, у, 2, позволила создать единый континуум пространство-время, в котором строго различаются временной и пространственный интервалы. Рассматривая события в едином континууме пространства - время, формально оказывается возможным предсказание будущих событий. В этом и сила, и слабость точных наук. Действительно, уравнение классической механики с12г/(Й2=Р/т устанавливающее зависимость между ускорением и силой отождествляет физическое время со временем I во втором законе Ньютона, являясь инвариантным относительно обращения времени I—тем самым, стирая различие между прошлым и будущим. Это означает жесткий детерминизм без причинности -Т-инвариантность. Движение системы полностью определяется ее гамильтонианом Н. Однако гамильтоновы уравнения отвечают Г-теореме, т.е. в них соблюдается абсолютная симметрия причинности: то событие, которое при прямом ходе времени являлось причиной, при обратном становится следствием. Однако трудно представить такой мир, в котором перестановка причины и следствия не влияет на физические связи. Идея введения причинности в классическую механику принадлежит Н. А. Козыреву: «Идея причинности есть основная идея естественных паук. Исследователь природы убежден, что вопрос «почему?» - правильный, т.е. что на него можно ответить. Однако концепция точных наук гораздо беднее. В точных науках только вопрос «как?» оправдан, т.е. как развивается цепь событий. Вот почему точные науки являются описательными» (Н. А. Козырев, 1958). Эта идея была воплощена Н. А. Козыревым в созданной им причинной или несимметричной механике.

В силу общего характера задачи, рассматривается простейшая механическая система, близкая к системе материальных точек. В этой системе действуют причинно-следственные связи. Теория строится аксиоматически. В ее основе лежат три аксиомы:

1. Время обладает абсолютным свойством, отличающим будущее от прошедшего, которое может быть названо направленностью или ходом. Этим свойством определяется отличие причин от следствий, ибо следствия находятся всегда в будущем по отношению к причинам.

2. Причины и следствия всегда разделяются пространством, поэтому между ними существует сколь угодно малое, но не равное нулю пространственное различие дх.

3. Причины и следствия всегда разделяются временем, поэтому между ними существует сколь угодно малое, но не равное нулю временное различие St.

Аксиома 2 верна для фермионов. Из-за допустимости мгновенного взаимодействия в ньютоновской механике 5t= 0, т.е. аксиома 3 прямо указывает на различие двух механик. Принимая & и St одного порядка малости, H.A. Козырев вводит понятие «хода времени» С2:

5х

С2= —, (1)

8t

имеющий смысл скорости превращения причины в следствие. В классическом пределе St=0<=>C2=оо.

Поскольку рассматривается элементарное причинно-следственное звено, 5х и St определяют «пустой» интервал между материальными точками. Поэтому С2 связано со свойствами пространства-времени, а не со свойствами тел и, следовательно, является универсальной постоянной. Согласно аксиоме 1, поскольку именно причины превращаются в следствия, а не наоборот С2 должна иметь определенный знак.

Знак С2 определен, знак St определен обычным условием положительного направления в сторону следствий, знак Sx произволен ввиду изотропности пространства. Инвариантное согласование знаков возможно только при условии, что 5/ имеет смысл поворота в плоскости, перпендикулярной направлению причина-следствие, т.е. оси X.. Обозначим орт этого направления i. Тогда, определенный знак St ориентирует плоскость YZ и дает С2 определенный знак. Это значит, что С2 является псевдоскаляром, iC2 -аксиальным вектором.

Аксиальный вектор с размерностью скорости имеет смысл линейной скорости вращения (JI. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, 1967).

Аксиальный вектор iC2 имеет противоположный знак в причине и следствие. Действительно, в точках «причина» и «следствие» 8t отсчитывается с противоположным знаком. Это означает инверсию

положения осей X, Y, Z при фиксированном направлении i. Тип координатной системы меняется, следовательно, меняется знак iC2 . Если i меняет направление при переходе от причины к следствию, то С2 сохраняет знак, ¡С2-меняет знак. Здесь воспроизведена логическая импликация Н. А. Козырева (1958). Хотя эта логика абсолютно непротиворечива, тем не менее, поскольку аксиальный характер вектора iC2 имеет принципиальное значение, эта мысль может быть выражена строже. В силу СПТ - теоремы ( G. Luders, 1957), инверсия времени влечет инверсию пространства, т.е. причинно-следственный переход характеризуется матрицей поворота -10 0 0

Т =

0-100 0 0-10 0 0 0 -1

(2)

Сохранение знака 1 в «следствие» означает его противоположную ориентацию относительно 1 в «причине». Тогда С2 и ¡С2 меняют знак. Возможность перемены знака 1 - есть условие ориентации оси X; при такой перемене в следствии С2 сохраняет знак, ¡С2 меняет знак, т.е. в полном согласии с импликацией Н. А. Козырева.

Таким образом, с причинно-следственным звеном всегда связана пара ±1С2. Очевидно, знак С2 возможно определить только из эксперимента. Полагая С2 фундаментальной постоянной, на основании теории размерности Н. А. Козырев (1958) связал ее с другими фундаментальными постоянными, что благодаря псевдоскалярности С2 возможно сделать единственным образом :

62

С2=а—~ а 350 км/с, (3)

к

где е - заряд электрона, Ь-постоянная Планка, а - безразмерный коэффициент. На основании (3) понятно, что эффекты причинной механики могут рассматриваться в нерелятивистском приближении. В результате проведения опытов по определению величины псевдоскаляра С2, которая уточнялась Н. А. Козыревым на протяжении почти 40 лет, было получено С2=+2200км/с в правой системе координат.

Главнейшим следствием причинной механики является «появление» некоторой добавочной силы, неизвестной классической механике. Для ясного понимания геофизических следствий эффектов причинной механики, которые нами рассмотрены во второй главе диссертации, вкратце изложим природу этой добавочной силы.

В физике известна одна фундаментальная постоянная, имеющая смысл псевдоскаляра - постоянная Планка И.

Учитывая, что С2 характеризует взаимное вращение «причины» и «следствия»,: > следуя Н. А. Козыреву, рассмотрим идеальный гироскоп -вращающуюся материальную точку, возбужденного причинно — следственным взаимодействием с опорой - неподвижной материальной точкой. От абстрактных, в определенном смысле'данного контекста, понятий «причина», «следствие», перейдем к конкретным определениям.

Пусть точка X (причина), движущаяся под действием,приложенной к ней силы Гх, воздействует на точку У (следствие). Неупругая сила Ру воздействия X на У представима в виде:

Р =Г -

У -х

6Р. 5Р,

где Р - импульс.

81 51 Д'Аламберовский убыток силы равен

51 * 5г

Соответственно выписанным выражениям во временном интервале 51 точка ЛГ высвобождает свое количество движения 5РХ, которое переходит к точке У. Обозначим орт Рукак ¡. Тогда

= 1

5Р,

8/

= 1

5Р„

6х

N

ы

Принимая во представление

Г, = ¡С2

внимание (1), т.е. подставляя |5х|/51=С2, получим

5Р„

5х

(4)

где

6Р,

5х

=%1 инвариант, как величина, независимая от хода времени.

Поскольку вХи У \С2 имеет противоположный знак, то это означает наличие реакции И. в точке X, которая представляется выражением:

IV- - ¡СУ • (4*)

В смысле (4*) 3-ий закон Ньютона является прямым следствием свойств направленности и хода времени.

В рассматриваемой системе, вращающейся со скоростью и вокруг оси имеют место соотношения :

* ¡С2 рассматривается как квантовый псевдовектор, а .¡и- как классический.

f; = (¡с2 - j uCose)

5P,

5x

, r; = -(ic2 - j uCosd)

5P.

5x

(5)

n

где 0= l j.

И, наконец, исключая из (4), (4*) и (5) инвариант J получаем выражение для

дополнительной причинности:

силы, названной Н. А. Козыревым (1958)

сгшои

AFy = -j -\F ¡Cos в

С

>

С

\Fy\Cose = -&¥y

(6)

Таким образом, с причинно-следственным звеном связаны силы +AF. Следовательно, импульс системы не меняется, но меняется потенциальная энергия. Если имеется цепь причинно-следственных звеньев, составляющая плечо относительно j, появится момент пары +AF. Здесь проявляется прямое следствие двух теорем Э. Неттер (В. П. Визгин, 1972), вытекающее из условий аксиомы 1 и определения С2.

Следует заметить, что выражения (5) и (6) отличаются от полученных Н. А. Козыревым (1958, 1963, 1971, 1977) тем, что он явно не различал квантовой и классической природы векторов iC2 и ju.

Любая физическая теория становится общепризнанной только после того, как получает неоспоримые подтверждения в опытах, поставленных независимыми исследователями. Такие опыты были поставлены физиками ряда стран (М. М. Лаврентьев, 1985, М. М. Лаврентьев , В. А. Гусев, И. А. Еганова, И. А. Луцет, С. Ф. Фоминых, 1990, 1991, А. Е. Пугач, 1992, Н. Hayasaka, S. Takeuhi, 1990, D. Savage, 1985, 1986, 1987), которые в полной степени подтвердили эффекты, предсказанные причинной механикой. Подробно эти эксперименты и их анализ описаны нами в работах (М. Л. Арушанов, С. М. Коротаев, 1989, 1995).

Тем не менее, следует признать, что мы имеем дело лишь с зачатками теории. Фактически, как следует из вышесказанного, обосновано лишь наличие силы причинности. Поэтому, не умаляя необходимости в новых основательных экспериментах, особо актуальным следует считать развитие теории причинной механики.

Отсутствие строгой формулировки в физической литературе принципа причинности, несмотря на его повсеместное использование, создает трудности, связанные с формализацией теории. Эта формализация в виде аппарата причинного анализа была выполнена С. М. Коротаевым и оказалась мощным инструментом при анализе геофизических процессов.

Поскольку этот аппарат со одной стороны, являясь новым, с другой -широко используется в данной работе, в первой главе рассмотрены основные положения теории причинного анализа.

Тот факт, что мы во многих случаях являемся свидетелями запаздывания с проявлением причины, говорит о том, что понятия «причина» и «следствие» являются несимметричными. На это же указывает аксиома 1 причинной механики, а так же глубокие физико-философские выкладки JI. Брюллюэна (1966) и онтологические исследования И. В. Новика и А. Ш. Абдуллаева (1991). Таким образом, задача сводится к наиболее общему виду формализации этой асимметрии. Фундаментальные исследования вышеуказанных авторов, к которым необходимо добавить работы Ф. Неймана, Ж. Е Шеннона, X. Хармута и Д. Хейса, позволяют сделать вывод, что наиболее общим выражением зависимости является информация. Следовательно, адекватным данной задаче был выбран аппарат теории информации. В свою очередь, среди существующих современных подходов к теории информации, поставленной задаче, в наибольшей мере, отвечает концепция X. Хармута (1985), трактующая информацию как универсальную меру физического взаимодействия.

В соответствии с теорией информации, оперирующей вероятностями состояний рассматриваемых систем (процессов), примем за X и Y некоторые их состояния. Распределение безусловных Р(Х), P(Y) и условных Р(Х IY), P(Y I X) вероятностей будем считать известными и введем в рассмотрение безусловные Н(Х), H(Y) и условные Н(Х | Y), H(Y | X) энтропии.

С. М. Коротаевым было показано (1991), что используемый в теории информации функционал энтропии является абсолютной удельной энтропией. Поскольку различные варианты нормировки при больцмановском, с одной стороны, и термодинамическом и шенноновском, с другой стороны, определениях энтропии неадекватны специфике измерения естественных геофизических полей, поэтому, как правило, приходится пользоваться абсолютной энтропией: согласно 2-му началу термодинамики эволюция замкнутой системы сопровождается возрастанием энтропии, в то время как следствием 7-ой теоремы Шеннона, при тех же условиях, является ее убывание.

Принимая во внимание сказанное и, беря за базисную информационную энтропию, образуем ряд нормированных величин:

a=H(Y)/H(X), 0< a <оо - безусловная асимметрия; (7)

P=H(Y | Х)/Н(Х | Y), 0< р <<х> -условная асимметрия; (8)

¡у|х= H(Y | X)/H(Y), 0<iy|x < 1-независимость Yot X; (9)

ix|y= H(Y | X)/H(Y), 0 < ix|y < 1-независимость X от Y. (10)

На основании известных свойств энтропий очевиден смысл введенных параметров: а характеризует во сколько раз неопределенность состояния Y

больше (меньше) аналогичной для состояния X, т.е. указывает на величину асимметрии энтропий. При взаимно - однозначной зависимости а=1;(3для причинно-связанных состояний характеризует величину этой связи. При р=0 следует признать полную обусловленность состояния У состоянием X; при Р=оо - наоборот; ¡у|х, ¡х|у определяют направленность зависимости состояний X, У. При ¡у|х=1 У не зависит от X , при ¡у|х=0 У является однозначной функцией X, т.е. величина 1-1у|х определяет одностороннюю зависимость состояний.

Теперь мы можем ввести параметр причинности - количественную меру причинной связи, характеризующую асимметрию зависимости:

Т = 0< Т <00. (11)

Анализируя предельные случаи для (11), видим, что при У=0 У является однозначной функцией X, но не наоборот. Это равенство указывает на предельно необратимый процесс Х=>У. При Т=1 X и У в одинаковой степени зависят друг от друга, т.е. причинная связь отсутствует - вырожденная причинность. При Т=оо X является однозначной функцией У, но не наоборот, и определяет предельно необратимый процесс У=>Х.

Введем пространство параметров а, р, ¡у|х . В этом пространстве каждый тип связи Х^У отображается в виде точки (рис. 1). В силу свойств

введенных энтропийных параметров не все области пространства а, Р, ¡у|х разрешены для каких бы то ни было пар X, У. Анализируя предельные случаи и принимая во внимание свойство обратимости информации Н(Х)+Н(У | Х)=Н(У)+Н(Х | У), получаем следующие запрещенные области с предельными значениями энтропийных параметров:

1. а<1, р>1; а>1, р<1. 2. Плоскость (3=1, за исключением линии пересечения с плоскостью ¡у|х=0. 3. Плоскость Р=0, за исключением отрезка [0,1] и оси ¡у|х. 4. Плоскость а=0, за исключением линии сс=1 и отрезка оси [0,1]. 5. Плоскость ¡у|х =1, за исключением линии сс=р.

Тогда разрешенная область в пространстве параметров ос, Р, ¡у|х занимает своего рода объемную асимметричную восьмерку (рис. 1). Принимая во внимания смысл введенных параметров назовем подобласти выделенного пространства как:

1. Область нормальной причинности: Т<1.

2. Область обращенной причинности: Т>1.

3. Зеркало причинности: Т—>\.

4. Область затухания: а<1, она же область конъюнкции /?</.

5. Область усиления: а>1, она же область дизъюнкции Р> 1.

6. Линия У-сот1: У=сот1 независимо от X.'

7. Линия однозначных функций: ¿у/х=0, р=0, 0<а<1. Здесь И (У ¡Х)-0, т.е. У полностью определяется X, но не наоборот.

8. Линия независщюсти: ¡у/х~1, Т=1.

9. Адиабата : а=Р=1.

10. Взаимно - однозначная точка: ¡у/х=0, а=р=1.

Рис. 1. Энтропийная диаграмма

Далее вводится определение причинности:

Определение: Причиной X и следствием У называются состояния, для которых Т<1.

Анализируя смысл параметра Т, нетрудно видеть, что данное определение включает не только козыревское понимание причинности, но и обычное интуитивное. Действительно, если мы говорим, что X причина, а У следствие, мы имеем ввиду полностью или частично детерминированную зависимость У от X, при которой обратная зависимость отсутствует. Это определение уточняет, а именно - отсутствует или меньше прямой. Известны также функциональные и статистические зависимости, не являющиеся причинными. Определение четко фиксирует этот класс. Кроме полной формальности, данное определение имеет очевидное преимущество количественной меры перед общеупотребительной качественной (Н. А. Козырев, 1958, Л. Брюллюэн, 1966, X. Хейс, 1981 и др.). Ограниченность интуитивного представления о причинности настолько диссонирует с самим языком современной физики, что по справедливому замечанию Н. А. Козырева (1958)

Название связано с обычным определением адиабатического процесса как изоэнтропийного: 8=сопз1, где Б -энтропия, отнесенная к единице массы.

вопрос «почему?» в точных науках практически изгнан и заменен вопросом «как?».

Информационный подход к обоснованию принципа причинности оказался эффективным и для обоснования универсальной константы С2 (М. Л. Ару-шанов, С. М. Коротаев, 1989).

Первая глава диссертации завершается теоретико-экспериментальной оценкой эффективности аппарата причинного анализа и рассмотрением вопроса его практического использования. Первое достигается на основе анализа энтропийных параметров некоторых геофизических процессов с заранее известным ответом об их причинной обусловленности. Делается вывод об эффективности использования теории причинного анализа для решения практических геофизических задач. Показано, что корректная реализация аппарата причинного анализа зависит от корректной оценки условных и безусловных вероятностей рассматриваемых процессов. Для этого разработан алгоритм вычисления указанных вероятностей с автоматическим определением длины и количества интервалов разбиения исходных эмпирических рядов. Эффективность причинного анализа также зависит от корректной оценки шумовой составляющей. Для причинно связанных процессов с достаточно сильной помехой разработан алгоритм причинного анализа на главных компонентах, основанный на разложении эмпирических рядов по системе естественных ортогональных функций (е.о.ф.).

Глава 2. ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ СЛЕДСТВИЯ ПРИЧИННОЙ МЕХАНИКИ

В обширной серии лабораторных экспериментов, выполненных Н. А. Козыревым и другими физиками - экспериментаторами, были установлены эффекты причинной механики, выраженные в различных деформациях гироскопа при его вращении в разные стороны. В лабораторных условиях, когда размеры тела небольшие, а скорости вращения гироскопа велики, деформация тела, главным образом, определяется не весом, а центробежными силами, величина которых значительно превышает силу причинности. Поэтому для определения силы причинности в лабораторных условиях необходима тщательная поверка измерительной системы и большая защищенность от различного рода помех.

Прямо противоположная ситуация возникает при рассмотрении тел планетарных размеров: большие скорости вращения при малых центробежных силах. В небесных телах, вращающихся с угловыми скоростями со, имеет место взаимодействие между быстро вращающимися экваториальными массами и медленно вращающимися массами, расположенными около оси вращения тела. Согласно (б) на экваториальные массы должны действовать дополнительные силы, направленные к северу. На массы, расположенные

около оси вращения, должны действовать дополнительные силы, направленные к югу. Таким образом, в частности, на поверхности Земли, в обоих полушариях, должна существовать широта, на которой силы причинности равны нулю. В результате их действия северное полушарие планеты в геологическом масштабе времени должно стать более сжатым, а южное более выпуклым. Следовательно фигура планеты должна быть асимметричной по отношению к экваториальной плоскости и в меридиональном сечении представлять фигуру, близкую к кардиоиде. Кроме того, в результате действия дополнительных сил в течение геологических эпох, следует ожидать асимметричные эффекты в распределении материковой и океанической коры планеты (суши и моря), в климатическом распределении метеорологических величин и т.п.

Сделанные выше качественные соображения относительно геофизических следствий причинной механики должны быть строго обоснованы теоретически и подтверждены наблюденными данными. Этим вопросам и посвящена вторая глава диссертации.

Рассматривая Землю как гироскопическую систему, с учетом (6), силу причинности, действующую на единицу объема во вращающейся Земле, запишем в виде:

где со =7,292-10'5 с"'-угловая скорость вращения Земли, г-расстояние от центра Земли, ф - геоцентрическая широта, с1ср - разность географической и

геоцентрической широт, g - ускорение силы тяжести, р-плотность, ] -орт вращения Земли, С2=2200км/с- универсальная постоянная Козырева. Полагая с1ф=0 и принимая р=р(г), получена формула для результирующей силы как функция широты:

На основании (6) имеет противоположный знак для причин и следствий. Качественные соображения позволяют определить причину и следствие по направлению потока свободной энергии: поток энергии всегда направлен от причины к следствию. Так, твердое тело Земли отдает тепло в окружающее пространство. Следовательно, его можно считать находящимся в области «причин». Рассматривая систему Земля-атмосфера, аналогичным образом определяем атмосферу в области «следствий». На основе теории причинного анализа это феноменологическое заключение показано строго. Для этого

(12)

(13)

рассмотрены характеристики радиационного баланса системы Земля-атмосфера, в частности, эффективное излучение Земли и собственное излучение атмосферы в направлении земной поверхности. Данные, подвергающиеся причинному анализу были взяты из работы Лондона (J. London, 1957), представляющие наиболее полные расчеты радиационного баланса и его составляющих. Энтропийные параметры составляющих радиационного баланса Земля-атмосфера приведены в табл. 1.

Энтропийные параметры характеристик «эффективное излучение земной поверхности => противоизлучение атмосферы» (в условиях безоблачного неба) попадают на энтропийной диаграмме в область нормальной причинности». Этот результат совпадает с феноменологическим представлением о направленности причинно-следственной зависимости в системе Земля-атмосфера.

Таким образом, Q в (13) берется со своим знаком для Земли и обратным для

атмосферы. Расчеты силы q оказались в хорошем согласии с прямыми ее измерениями, выполненными Н. А. Козыревым (1971). Последние, в частности, показали существование критической параллели срк=73°03±5', где q меняет знак. Формула (24) дает теоретическое значение ф-к,=70,3°, что является, учитывая принятые упрощения (dcp=0, р=р(г), т.е. g=const при r=const) хорошим совпадением (рис. 2).

Таблица 1

Энтропийные параметры составляющих радиационного баланса системы Земля-атмосфера

Энтропийные параметры

а Р 1у|х Ixly Т

0,541 0,421 0,616 0,792 0,777

В физике Земли и атмосферы вертикальные и горизонтальные силы играют различную роль. Поэтому были рассмотрены отдельно горизонтальная <Зф и вертикальная <3Г компоненты силы причинности :

г> юг

^2

0,5|Ял2ф|--

Coscp;

(14)

о ®г

0,5|й«2ф|--

Sirup.

(15)

2 -

О-КУи/м3

ф"

ф'

Рис. 2. Зональное распределение силы причинности по Земле (р=1кг/м3).

-90 -70 -50 -30 -10 0 10 30 50 70 90

В геологическом масштабе времени результат действия этих сил можно выразить через их дивергенции:

где знак «+» для северного полушария, «-» - для южного.

Выделение в процессе дифференциации вещества мантии более легкой гранитоидной фракции, контролируемое в основном реакцией Л^БЮз-^Л^БЮ^ЗЮг (В. Н. Жарков, 1983) идет быстрее при уменьшение давления, т.е. в условиях вертикального растяжения (сКуС^О). Следовательно, зоны, где сНуС^О являются более благоприятными для формирования коры материкового типа, чем зоны, где с11у(Зг<0. В свою очередь, зоны с сНуС>г<0 более благоприятны для обратного процесса - ба-зификации. Данные теоретические предположения наиболее просто могут быть подтверждены сопоставлением кривых распределения суши и сНург. Эти кривые приведены на рис. 3. Как видно, эти кривые качественно достаточно близки. Учитывая их нетривиальный вид, с большой вероятностью можно говорить, что именно «поле» силы причинности, влияя на процессы дифференциации, оказало решающее влияние на формирование зонального распределения типов коры. Безусловно, наиболее строгим доказательством данной гипотезы было бы установление подобного распределения на других планетах класса Земли.

Выражение для сНу(Зг позволяет дать физическое обоснование ранее морфологически выделенным признакам антисимметрии Земли отно-

(16)

(17)

сительно экватора: кругам антисимметрии полярных стран (±71°), северному эпейрогеническому (+62°) и южному талассогеническому (-62°) кругам (Г. Н. Каттерфельд, 1962).

Поскольку сила причинности является перманентным фактором, можно ожидать концентрации подвижных материковых масс в зонах конвергенции горизонтальной силы (сПуОф<0) и дефицита в зонах дивергенции (сИу(Зф>0). Зависимость сНу(2ф от широты показана на рис. 3, где действительно материковые зоны качественно соответствуют зонам конвергенции горизонтальной компоненты силы, океанические - зонам дивергенции.

До настоящего времени нет однозначного мнения о физическом механизме образования орогенических поясов и зон глубинных разломов. С

этой точки зрения рассмотрен ротор силы С):

- со 2

2|5'/иф|Со5ф + |&'жр|Со.у2ф - — Сояф

л

(18)

где положительное направление вектора го1(^ - на восток (рис. 4). Ротор силы определяет интенсивность сдвиговых деформаций и, следовательно, экстремальным значениям ротора, как функции широты, должны на Земле соответствовать орогенические пояса или зоны глубинных разломов. Рис. 4

показывает, что экстремумы п^С} действительно соответствуют, в частности, известным критическим параллелям ±35° и экватору: первая на материках является орогеническим поясом, вторая выражена зоной разломов (Г. Н. Каттерфельд, 1962, Д. К. Краузе, 1970).

Следующим важным геофизическим следствием эффектов причинной механики является гипотеза, что вертикальная составляющая ()г должна быть ответственна за деформацию равновесной фигуры Земли. Эта кривая (рис. 3) описывает фигуру, обратную геодезической. Наиболее точные определения ундуляций геоида выполнены по анализу движения искусственных спутников Земли. Оказывается, что геоид является несимметричным относительно экватора в направлении север-юг (У. Кога1,1969). Асимметрия поля тяготения Земли вызывает аномалии .1, которые проявляются в движении ИСЗ. Для расчета потенциальной энергии точечной массы по измерениям отклонений ИСЗ от их эллиптических орбит, нами использовалось разложение гравитационного потенциала в ряд по полиномам Лежандра (Т. ТэиЬо!, 1982)

I 3

~~ <р) 7 Р (С05(р) ■

Г г

Рис. 3. Зональное распределение суши (3), вертикальной составляющей (1), дивергенции вертикальной (1) и горизонтальной (2) составляющих, потенциала (1) силы причинности.

гоЮЮ^/м4

Рис. 4. Зональное распределение ротора силы причинности в литосфере при § ~ г (1) и атмосфере при g=const, р=1кг/м3 (2).

В табл. 2 приведены результаты расчеты коэффициентов J в сравнении с расчетами выполненными Ё.Кодзай (У. КогаЦ969). Как видно из таблицы

коэффициент 13 при несимметричном относительно направления север-юг полиноме Рз(Со50) отрицателен и не слишком малый. Таким образом, в разложении (30) член при коэффициенте 13 входит со знаком плюс и зависит от 8 так же, как Р3(Со50): на северном полюсе (9=0) потенциал V за счет этого члена несколько увеличивается, а на южном (8= л) уменьшается, т.е. приобретает форму, близкую к кардиоиде.

Таблица 2

Коэффициенты Л в разложении гравитационного потенциала _по полиномам Лежандра_

Авторы J 2 J3

Ё. Кодзай (1969) 0,0010826 -0,0000024

М. Арушанов (1997) 0,0010821 -0,0000023

Если <3Г описывает фигуру, обратную геодезической (в силу того, что за фигуру Земли принимается потенциал силы тяжести), то потенциал и силы <3Г:

1 С0Г2

U = —

3 С,

g Р

57'жр,

(20)

совпадает по знаку с геодезической кардиоидой (рис. 3). Таким образом действительно вертикальная составляющая силы причинности может быть ответственна за деформацию равновесной фигуры Земли в геологическом масштабе времени.

Следующая серия исследований посвящена вопросам геофизических следствий причинной механики в приложении к атмосфере.

Факт тепловой асимметрии полушарий был зафиксирован по наблюденным многолетним данным крупнейшими метеорологами мира (А. С. Монин, 1969, 1972, Э. Пальмен, Ч. Ньютон, 1973, и др.) - северное полушарие теплее южного ® на 3° и тепловой экватор смещен относительно географического к северу и на 10°. Однако факт тепловой асимметрии полушарий не получил удовлетворительного объяснения. Рассмотрим явление тепловой асимметрии

полушарий с позиций причинной механики. Ротор силы Q в атмосфере:

"3 3 1 (21) — |Л'и2ф|Солф + |tS7mp|Co.v2cp--Сглуф

-2 л g=const

определяет интенсивность меридиональной циркуляции. Из кривой зависимости rot QA от широты (рис. 4) видно, что в целом в атмосфере преобладают положительные значения. Это означает существование интегрального

со

rotQ.i = --—-gP

переноса из южного полушария в северное в нижних слоях атмосферы и обратного в верхних. В результате приземная температура в северном полушарии должна быть выше, чем в южном.

Другой факт, не нашедший в метеорологии убедительного объяснения -это наличие внутритропической зоны конвергенции (ВЗК), в среднем за год, несколько смещенной в северное полушарие (И. Блютген, 1973). На рис. 3 можно видеть, что дивергенция сНуС),, горизонтальной составляющей силы причинности С2оПатерпит разрыв на экваторе и отрицательна для атмосферы в зоне от 0° до 24° с.ш. С позиций постоянно действующей асимметричной силы в механизме общей циркуляции атмосферы такое распределение сПуОф объясняет как само существование ВЗК, так и некоторое ее смещение относительно экватора.

Окончательный ответ на выводы, полученные в данной главе, могут дать модельные эксперименты с введением силы причинности в уравнения гидротермодинамики, описывающие модели климата.

Глава 3. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРИИ ПРИЧИННОСТИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В АТМОСФЕРЕ И ИХ СВЯЗИ С СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТЬЮ

В вопросах влияния на атмосферные процессы внешнего (неземного) источника остается много нерешенных проблем, из которых первичной является решение вопроса, связанного с самим актом влияния. Решение этой проблемы усложняется нестабильностью солнечно-земных связей в пространстве и во времени. Существующие методы математической статистики лишены критериев, позволяющих сделать объективный вывод о наличии (отсутствии) причинной связи между вариациями солнечной активности и характеристиками состояния атмосферы. Оппоненты солнечно-атмосферных связей, в одних случаях, результаты их исследования относят «к удачным опытам самовнушения» (А. С. Монин, 1969) в других-«бессознательной манипуляцией данными» (С. Дж. Гоулд, 1982). Нами решение поставленного вопроса выполнено на базе усовершенствованных традиционных методов математической статистики параллельно с аппаратом причинного анализа. В «классическом» подходе использовались тренд-анализ (Ю. М. Денисов, 1993), корреляционный и спектральный анализы на основе разработанного автором численного алгоритма (М. Л. Арушанов, 1985), максэнтропийный спектральный анализ, функции распределения и плотностей вероятности заданных эмпирических последовательностей. В связи с ограниченностью выборок корректная оценка последних представляет наиболее сложную задачу. Нами она решена в постановке Т. Джейнса (ТЛаупез,1968): «какая из выборок последовательности {Рк} наиболее

вероятна?», с той разницей, что для ответа на поставленный вопрос максимизировалось не выражение N!

(22)

= тах.

где гП|=Л'р,-число появлений каждого их исходов (¡=1,2, ..., М) в предположении выполнения закона больших чисел, а его натуральный логарифм, используя формулу Стирлинга 1п(л!)=я1гш. В результате показано, что при оценке распределения в условиях неполноты данных наиболее вероятным распределением является то, которое характеризуется максимальной энтропией и удовлетворяет имеющимся данным. Окончательно получено,

что искомая оценка распределения вероятностей всегда является

экспотенциальной функцией:

к

-1+Ц + 2>к/(*,*)

Р, = ехр

к=\

(23)

где ц, ХК - множители Лагранжа, от которых зависит точное решение. Последние находятся подстановкой выражения (23) в ограничения

Пр. =1.

Т./№)р. = /к, к=1,2,...,К.

И 1п )р. = й < оо (условие неотрицательности величин).

(24)

В качестве характеристик солнечной активности рассмотрены числа Вольфа за период 1749-1996 годов. В работе исследована их временная статистическая структура. Получены периоды роста и падения чисел Вольфа, из которых следует, что продолжительность роста солнечной активности значимо меньше продолжительности падения.

Характер изменчивости центральных моментов, вычисленных для восходящих и нисходящих ветвей солнечной активности, указывает на устойчивость параметров функции распределения чисел Вольфа, т.е. на репрезентативность выборки.

Во временном тренде средних и дисперсий чисел Вольфа за рассматриваемый период обнаруживаются три волны с длиной около 80 лет с ярко выраженным положительным значением тренда (рис. 5).

Получено аналитическое выражение функции распределения чисел Вольфа \у в виде экспотенциальной зависимости:

Р(>У[)=С\У \ ехр(с,\уг<^у ~), где С -нормирующий множитель. (25)

Из класса функций, удовлетворяющих свойствам корреляционных, для корреляционной функции чисел Вольфа от аргумента т получена аналитическая аппроксимация на основе эмпирических данных в результате решения 4-х параметрической задачи (М. Л Арушанов, 1989):

Я(т)=ехр(-0,55|т|Соз(0,63|т|-0,32)-0,0873Бт(0,63|т|-0,7). (26)

Характер поведения эмпирической временной корреляционной функции чисел Вольфа до сдвигов т и 80 лет подобен затухающим гармоническим колебаниям.

Наиболее вероятным механизмом солнечно-атмосферных связей принято считать тригерный, т.е. когда возмущение термодинамических параметров происходит в основном за счет энергетических ресурсов самой атмосферы, а внешние источники импульсивно вызывают разрешение атмосферной неустойчивости. В диссертационной работе вопрос наличия (отсутствия) причинной связи «Солнце-атмосфера» исследовался с привлечением энергетических характеристик атмосферы, интегральных индексов циркуляции атмосферы, индекса барических образований, индексов площади завихренности в связи с пересечением секторной границы межпланетного магнитного поля (ММП).

Вариации полезной потенциальной энергии (ППЭ):

Х.Т-Т -

ьЧср-—1Ч (27)

1 + X

обусловлены внешними притоками, что явилось определяющим в выборе этой энергетической характеристики для решения поставленной задачи. Предварительно был выполнен корреляционный и спектральный анализы ППЭ за период 1932-1992 годов в зимней сезон в области 45-70° с. ш. Характер изменчивости временных корреляционных функций в рассматриваемой зоне весьма схож. Учитывая главную особенность ППЭ, можно говорить об идентичности реакции атмосферы на внешней источник независимо от географического положения метеорологической станции. Это утверждение находится в противоречии с принятой рядом исследователей гипотезой об избирательности влияния вариаций солнечной активности на атмосферные процессы. Наша гипотеза подтверждается результатами максэнтропийного спектрального анализа, где в спектрах колебаний ППЭ независимо от географических координат обнаруживаются значимые максимумы с периодом, близким к 11 годам, т.е. к длине основного цикла солнечной активности.

а)

Условные обозначения:

---- 1 - Временной ход среднегодовых значений чисел Вольфа с 1749-1996гг.. ;

2 - Тренд среднегодовых значений чисел Вольфа , 1

ММ

-- 250

с»)

160 —;

б)

МК(0]

Условные обозначения: 1 - Нременной ход дисперсий срслпс! одопых чначспий чисел Нольфа

Рис. 5. Временной ход средних (а)и дисперсий (б)чисел Вольфа (1) и их тренд- анализ (2) за период с 1749 по 1996гг.

Для выяснения причинной обусловленности «солнечная активность =>ППЭ» выполнен причинный анализ между числами Вольфа и ППЭ непосредственно по исходным рядам и на главных компонентах. Результаты приведены в табл. 3. Как видно из таблицы, для всех метеорологических станций, расположенных в зоне 45-70° с.ш. параметр причинности Т<1, что указывает на причинную обусловленность вариаций ППЭ вариациями чисел Вольфа. Особенность полученного результата - явно выраженный широтный ход Т. Эта особенность при объективно установленном влиянии солнечной активности на энергетику атмосферы указывает, что механизм этого влияния далеко не простой. Такая особенность широтного хода параметра причинности дает основание для проведения модельных экспериментов, учитывающих изменение интенсивности зональной циркуляции,

обусловленной «земными» факторами с включением в модель различных индексов солнечной активности, в том числе, и индексов межпланетного магнитного поля.

Исследование влияния солнечной активности на циркуляцию атмосферы ограничивалось рассмотрением слоя атмосферы до ЮОгПа включительно. В качестве характеристики атмосферной циркуляции рассмотрен индекс Блиновой 1000а/со, за период 1949-1975 годов, характеризующий угловую скорость атмосферы относительно Земли при Шбср^О (й/оф - температурный градиент). Анализ корреляционных матриц между индексом Блиновой на изобарических поверхностях 700, 500, 300 гПа и числами Вольфа, тренда среднего для соответствующих элементов, показал значимую прямую связь выше уровня 700 гПа между индексом зональной циркуляции и числами Вольфа и обратную для тренда среднего. Корреляционный и спектральный анализы среднегодовых индексов зональной циркуляции и чисел Вольфа, выполненные в области волновых чисел ш=0,1,..., 12, обнаружили значимый максимум с волновым числом ш=2, соответствующий периоду 11 лет. Таким образом, полученные оценки статистической связи «индекс зональной циркуляции=>числа Вольфа» указывают на возможную причинную обусловленность первых вторыми. Выполненный причинный анализ для соответствующей пары действительно подтвердил существование причинной связи между солнечной активностью и вариациями зональной циркуляции в слое 700-300 гПа (табл.4). Значения параметра причинности Т<1 однозначно указывает, как и в случае ППЭ, на причинную связь колебаний зональной циркуляции с циклами солнечной активности. Однако характер этой связи различен для разных сезонов года-уменьшается от зимы к лету и увеличивается отлета к зиме (рис.б(а) ),при этом чем выше слой атмосферы,

Рис.6. Годовой ход параметра причинности между числами Вольфа и индексом Блиновой (а) на изобарических поверхностях 100 (1), 300 (2), 500 (3), 700 (4) гПа и его изменение с высотой (б) в осенне-зимний (5) и весенне-летний (6) сезоны.

тем сильнее причинная связь (рис. 6 (б)). Этот результат подтверждается измерениями, выполненными с ИСЗ, и ракетными измерениями, свидетель-

стиующими о том, что энергетическое состояние верхней атмосферы существенно зависит от солнечной активности (Л. Р. Ракнпова, 1975, J.K. Angell, J. Korshover, 1978, А. М. Brever, A. W. Wilson, 1965).

Сезонный ход параметра причинности соответствует эффекту, полученному H.A. Козыревым (1971) при проведении опытов с различными детекторами по определению величины дополнительной силы (6): в зимний период порог возбуждения существенно выше, чем в летний. С аналогичным эффектом, выраженным в макроскопических флуктуациях объектов различной природы столкнулись ученые биофизики в Пущине (С.Э. Шноль, Н.В. Удальцова, В.А. Коломбет, 1987).

Этот эффект - совпадение переменности во времени реакции процессов различной природы на внешний возбудитель, прямо указывает на существование некоторого внешнего «Х-процесса», имеющего тот же сезонный ход, либо строго противоположный. В первом случае, применительно к паре

Таблица 3

Энтропийные параметры реакции ППЭ на солнечную активность

Название станции Энтропийные параметры по данным эмпирических рядов ППЭ и чисел Вольфа

□ □ □□□□□□□□□□□Х|У пу|х т

Терней Екатерино-Никольск Экимчан Беринга Корф Аннет Кефлавик 0,869 0,755 0,510 0,413 0,868 0,862 0,734 0,317 0,417 0,852 0,867 0,736 0,356 0,420 0,849 0,859 0,741 0,368 0,427 0,863 0,870 0,740 0,356 0,419 0,851 0,873 0,732 0,353 0,421 0,839 0,871 0,750 0,368 0,428 0,861

Номер ГК Энтропнйные параметры поданным причннного анализа на ГК ППЭ и чисел Вольфа

1 2 3 0,756 0,521 0,479 0,695 0,690 0,837 0,639 0,462 0,606 0,763 0,841 0,695 0,576 0,697 0,827

«числа Вольфа=>индекс зональной циркуляции» гипотетический «Х-про-цесс» выступает как своеобразный усилитель солнечно-атмосферных связей, во втором - как шум. Разложение по системе е.о.ф. позволяет уменьшить влияние интегральной шумовой составляющей, что не позволяет этим методом выделить гипотетический «Х-процесс».

Таблица 4

Энтропийные параметры реакции индексов зональной циркуляции на _ вариации солнечной активности_

Энтропийные Поверхность, гПа

параметры

700 500 300

а 0,100 0,311 0,129

(3 0,071 0,221 0,091

iyli 0,684 0,627 0,672

ч, 0,968 0,884 0,958

т 0,798 0,771 0,702

Таким образом, в диссертационной работе выдвинута гипотеза о существовании некоторого «Х-процесса» природа которого в рамках классического подхода остается неизвестной. С позиций причинной механики этим «процессом» может быгь физический ход времени, характеризуемый универсальной константой С2. Однако доказательство правомерности последнего предположения требует глубоких исследований, поставленных на принципиально новой теоретической и экспериментальной базе, основы которой заложены в причинной или несимметричной механике (Н. А. Козырев, 1958).

В цикле работ (R. Markson, 1969, J. М. Wilcox, 1977, С. О. Hiñes, 1977, Р. В. Смирнов, Э. В. Кононович, 1984) было установлено эмпирически, что секторная структура межпланетного магнитного поля (ММП) оказывает влияние на циркуляцию атмосферы. В этих работах зависимость от геомагнитной активности областей с депрессиями исследовалась на базе индекса площади завихренности (VAI), предложенного В. О. Робертсом и Р. Олсоном (1982). Учитывая, что для центра депрессии лапласиан давления -положительная величина (V2p >0), используя выражения для завихренности в геострафическом приближении Qgz=g//(V2p), в реферируемой работе, был выведен индекс, аналогичный VAI, и названный ARC (aria ciclón):

N ,

ARC = Y S¡e Q„, > e для всех к. > 0 е 9?, (28)

j-f ' & s дп У J

где г -заданная величина завихренности (е=20- 10~5с~'), S,- i-ая площадь с циклонической завихренностью, ^-кривизна линии тока, 9? - исследуемая область. Индекс ARC вычислялся по специально разработанному алгоритму, в котором изогипсы аппроксимировались кубическим сплайном. Для расчета ARC был использован архивный материал полей давления и геопотенциала за 30 летний период (1946-1976гг.), а данные о полярности секторов ММП взяты по JI. Свалгаарду. По этим данным отбирались случаи прохождения

секторной границы ММП Землю. В качестве секторной границы принималась та, которой предшествовала, как минимум, в течение 4-х суток полярность одного знака и в течение последующих 4-х суток - поле другого знака. В результате количество отобранных единиц полей геопотенциала изобарических поверхностей 500 и 300 гПа в зоне 20-70о с.ш. по полушарию составило 243 (дни со знакопеременной полярностью не рассматривались). На рис.7 приведен результат анализа методом наложенных эпох зависимости индекса ARC в сравнении с результатом, полученным по значительно меньшей выборке для индекса VAI В. А. Робертсом и Р. Олсоном (1982). На представленном графике ордината - средняя величина ARC для тех суток, когда секторная граница ММП проходит Землю и для дней до и после таких пересечений (min=±4 дня) секторных границ. Как видно из рисунка минимум планетарных индексов ARC и VAI приходится на следующие сутки после пересечения секторной границы Землю.

Аналогичный результат был получен для индекса ARC, вычисленного через каждые 12ч для района Центральной Азии и области зарождения южных циклонов, прорывающихся на территорию Узбекистана. Индекс ARC вычислялся для областей пониженного давления, движущихся, в среднем, с юго-запада на северо-восток от долготы 30° в.д. Вся рассматриваемая область ограничивалась 30-50°с.ш. и 30-70°в.д. Общий объем выборки составил 297 случаев (1961-1993гг., зимний сезон). Эта выборка была разбита на под-выборки в соответствии со знаком полярности ММП когда областям пониженного давления при долготе ^>30° в.д. соответствовало ММП, направленное от Солнца - 150 последовательностей, к Солнцу - 147. На рис. 8 приводится временной ход средней площади пониженного давления после пересечения областью меридиана 30°в.д. и результат, полученный П. Б. Даф-фи (1977) для залива Аляска. Индекс ARC, рас- считанный для территории Центральной Азии и прилегающих к ней районов, как и индекс VAI, рассчитанный для области пониженного давления, движущейся к заливу Аляска, выше у областей пониженного давления в те периоды времени, когда сектор межпланетного магнитного поля положителен - (направлено от Солнца). Такая идентичность результатов очень важна с точки зрения реакции атмосферы на внешней возбудитель независимо от географического положения.

Таким образом, полученные результаты солнечно-атмосферных связей при пересечении секторной структурой ММП дают фазовую информацию о начале («нулевой» день) влияния солнечной, а как следствие, геомагнитной активности на атмосферу Земли. Важным является установленный факт, что эти связи носят планетарный характер, как это и должно быть в случае воздействия внешнего источника. Однако здесь возникает та же проблема с гипотетическим «Х-процессом», играющим роль «усилителя». Дело в том,

Рис. 7. Анализ методом наложенных эпох зависимости индексов площади завихренности ARC (а, б) и VAI (в) для северного полушария в зимний сезон на поверхностях 500 и ЗООгПа от числа дней, отсчитываемых от «нулевого» дня пересечения секторной границы ММП Землю.

Рис. 8. Временной ход средней площади пониженного давления для района Центральной Азии (а) после пересечения областью меридиана 30° в.д. и залива Аляска (б) после пересечения областью меридиана 180° при положительной (1) и отрицательной (2) направленности ММП.

что маловероятно, что токовый слой в силу его ничтожно малой энергетики способен сам по себе дать заметный эффект. Этого же мнения придерживаются ряд метеорологов и гелиофизиков (Дж. М. Уилкокс, (1982), В.О. Роберте и Р. Олсон (1973) и др.). Поэтому эффекты, связанные с гелиосферным токовым слоем, являясь, наиболее вероятно, косвенным проявлением влияния неизвестного механизма, не открывают путь к выяснению физической сути солнечно-атмосферных связей. Однако использование гелиосферного токового слоя дает совершенно определенные преимущества в исследовании этих связей: очевидна солнечная природа явления, время прихода которого к Земле можно точно диагностировать; эта ярко выраженная физическая структура, связанная с магнитными полями на Солнце, более информативна в оценке активности Солнца, чем число солнечных пятен; прохождение границ секторов, при которых наблюдаются особенно активные явления, приводит к большому влиянию на области депрессий; весьма вероятно, что полученные эффекты имеют наибольшую амплитуду среди других солнечно-атмосферных эффектов.

Для выяснения вопроса обусловленности вариаций областей низкого давления вариациями ММП был привлечен аппарат причинного анализа. Здесь пришлось решать проблему, связанную с выбором физически измеряемого параметра, характеризующего интенсивность ММП. В рамках рассматриваемого нами вопроса такие характеристики, как числа Вольфа или площади солнечных пятен не являются информативными в силу их не линейной связи с солнечным ветром, являющимся генератором ММП. Линейную связь с напряженностью ММП обнаруживает планетарный индекс геомагнитной возмущенности Кр, вычисляемый как среднесуточное значение индекса К, осредненное по данным 12 среднеширотных обсерваторий мира, выполняющих измерения 8 раз в сутки. В качестве параметра, характеризующего интенсивность циклогенеза, использовался модернизированный нами в плане вычислительной процедуры индекс барической возмущенности, предложенный Б.И. Сазоновым (1966). На рис. 9 представлен временной ход индекса Вп вычисленный в широтной зоне 30-55° с.ш. для четырех месяцев 1962г-начала спада солнечной активности в 11-летнем цикле. Уже беглый анализ представленных кривых указывает на их близость. Для количественной оценки неслучайности их близости был выполнен пространственно-временной причинный анализ между парами «ЛЛС=>КР», «5у=>А^р» по данным из серии последовательных дней изменения геопотенциальных высот на уровнях 500 и 300 гПа в областях пониженного давления северного полушария за ±5 дней относительно дня пересечения секторной границы ММП (243 последовательности). Соответственно этим данным выбирались значения индекса геомагнитной активности Кг В табл. 5

приведены энтропийные параметры причинной обусловленности вариаций депрессий вариациями напряженности ММП.

1 - временной ход планетарного индекса Bv

Рис. 9. Временной ход индекса возмущенности Bv (1) в средней тропосфере и индекса геомагнитной активности Кр (3) за период сентябрь-декабрь 1962г. Примечание: (2), (4)- сглаженные полиномом кривые (1) и (3) соответственно.

Параметр причинности Т<1 в интервале временных сдвигов до 4-х суток, т.е. находится в области «нормальной причинности». Его изменение от временного сдвига Дт показано на рис. 10. Качественно эта зависимость полностью совпадает с результатом, полученным на основе метода наложенных эпох. Однако рис. 10 несет большую информацию о влиянии ММП на циркуляцию атмосферы: впервые на основании объективного критерия установлена причинная связь «ММП=>тропосфера» и, что чрезвычайно важно, влияние ММП не носит импульсного характера, а продолжается в течение относительно длительного периода, равного, как минимум, 3 суткам (Т=0,79 на поверхности 500 гПа; Т=0,78 - на поверхности 300 гПа для Дт=3).

Аналогичный, выше описанному, результат был получен для пары BV=>KP, отличающимся лишь более высокими значениями параметра Т, оставаясь до сдвига Дт=4 меньше единицы.

В ряде работ (R.J. Reiter, 1976,1977, Р. М. Kelly, 1982, В. В. Михневич, 1984, Р. В. Смирнов, 1985) выдвинуто предположение, что возмущения верхних слоев атмосферы, вызванные вариациями ММП, передаются в нижние слои до приземного. Очевидно, что исследование этого вопроса на базе индексов ARC и Bv применительно к приземному слою не корректно, т.к. точность их вычисления из-за эффектов турбулентного обмена низка. Поэтому была использована такая характеристика, как межсуточная изменчивость давления на уровне моря. При этом в целях идентичной трактовки результатов для слоя атмосферы была рассмотрена межсуточная изменчивость Д/=£ | Д/| /п геопотенциальных высот изобарических поверх-

ностей 500, 300 и 100 гПа. Выбор этого параметра основывался на гипотезе «акцентации барических полей» (Б. И. Сазонов, 1964), согласно которой влияние солнечной активности равновероятно на изменение давления любого знака. Межсуточная изменчивость давления на уровне моря, геопотенциальных высот изобарических поверхностей 500, 300 и 100 гПа рассчитывались как среднее по 47 индивидуальным случаям, выбранным из архивного материала за период 1951-1973 годы (холодный период) в соответствии с датами наиболее сильных геомагнитых возмущений (Кр>7) и ±6-8 относительно спокойных дней до и после магнитной «вспышки». Оказалось,

что межсуточная изменчивость ДР, ДН500,ДН300, ДН100 неоднородна в течении рассматриваемого интервала времени. Характер кривых изменчивости для рассматриваемых уровней близок к кривой временного хода индекса геомагнитной активности Кр (рис. 11). Выполненный причинный анализ между индексом геомагнитной активности и изменчивостью давления (геопотенциальных высот) с временным сдвигом от Лт=0 до Дт=6 суткам показал на их причинную связь (табл. 6). Здесь отличительная особенность состоит в том, что максимальный отклик вариаций напряженности ММП в приземном слое атмосферы происходит с запаздыванием в двое суток, в то время как в вышележащих слоях атмосферы - с запаздыванием в сутки. Аналогичный результат на основе метода наложенных эпох ранее был получен Э. Мустелем. Как видно из табл. 7 причинная связь между рассматриваемыми характеристиками сохраняется в течении 4-х дней от «нулевого» дня. Этот период близок к периоду генерации кинетической энергии в тропосфере т=(ЭЕ/Э1)"1Е'1® бсуток.

В заключительной части 3-ей главы рассматриваются возможные механизмы солнечно-атмосферных связей. Анализ потока литературы показал, что существующие гипотезы механизма солнечно-атмосферных связей можно разделить на два подхода: «прямой»-когда рассматривается непосредственное воздействие внешнего агента на среднюю и нижнюю тропосферу; «косвенный» - когда этот механизм носит опосредованный характер, где «посредником» выступает верхняя атмосфера. Полученный нами результат в большей части опровергает гипотезу «косвенного» механизма. В табл. 7 приведены результаты причинного анализа, выполненного между различными слоями тропосферы по тем же выборкам, которые использовались при выявлении причинной зависимости Кр=> А/ .

Хотя параметр причинности Т<1 для всех пар уровней, но он близок к единице, т.е. основной источник изменчивости давления и геопотенциальных высот воздейтвует на все рассматриваемые уровни одновременно, являясь, наиболее вероятно, внешним. При этом статистическая связь между парами рассматриваемых уровней высока. Таким образом, не исключая взаимное

Таблица 5

Оценка причинной обусловленности планетарного индекса ARC ___вариациями геомагнитной активности К„_

Энтропийн ы е па papa метры

Ат а Р «х|у ¡ylx Y

500 гПа

0 0,976 0,836 0,761 0,659 0,857

1 0,679 0,408 0,694 0,417 0,601

2 0,843 0,640 0,858 0,652 0,760

3 0,972 0,767 0,563 0,444 0,790

4 0,971 0,927 0,791 0,755 0,955

5 0,984 0,981 0,866 0,863 0,997

6 0,909 0,909 0,708 0,708 1,000

7 0,939 0,939 0,658 0,658 1,000

8 0,941 0,941 0,845 0,845 1,000

9 0,987 0,987 0,870 0,870 1,000

300 гПа

0 0,971 0,806 0,761 0,631 0,830

1 0,672 0,402 0,694 0,415 0,599

2 0,838 0,618 0,858 0,633 0,738

3 0,961 0,757 0,563 0,444 0,788

4 0,973 0,924 0,791 0,751 0,950

5 0,899 0,896 0,866 0,863 0,997

6 0,941 0,939 0,708 0,708 0,998

7 1,142 1,142 0,651 0,651 1,000

8 0,924 0,924 0,837 0,837 1,000

9 0,987 0,987 0,870 0,870 1,000

Рис. 10. Изменение параметра причинности между индексом геомагнитной активности Кр и планетарным индексом площади завихренности ARC, как функция временного сдвига At.

Рис. 11. Временной ход среднего по выборке индекса Кр (1), межсуточной изменчивости давления (2) и геопотенциальных высот 500 гПа (3), ЗООгПа (4) и 100 гПа (5).

влияние уровней и помня, что разделение атмосферы на отдельные слои является удобным соглашением, обеспечивающим упорядоченное производство исследований атмосферных процессов в соответствии с особенностями распределения метеорологических параметров с высотой, вариации солнечной активности являются причиной возмущения во всей толще тропосферы. Возможны два механизма воздействия: «бомбардировка» в периоды активизации солнечной активности слоев атмосферы частицами высоких энергий; полевая природа воздействия. Полевая природа не исключает, а скорее предполагает, наличие неизвестного «существующей физике» механизма, основная особенность которого может заключаться в мгновенном воздействии, что находится в глубоком противоречии с базовым положением теории относительности, но в полном согласии с теоретическими и экспериментальными результатами причинной механики. Спутниковые измерения и, отчасти, теоретические выкладки показывают, что усиление солнечной активности приводит к расширению атмосферы за счет увеличения ее внутренней энергии. Эти данные вместе с результатами, полученными в реферируемой работе, позволяют, опираясь на классические представления о взаимодействиях, построить механизм влияния солнечной активности на процессы в тропосфере. При расширении атмосферы за счет увеличения внутренней энергии дополнительный момент сил относительно ее оси вращения отсутствует, а значит сохраняется момент количества движения. Используя это положение, рассмотрев соотношение потенциальной и кинетической энергий, получено условие, когда возможен механизм воздействия солнечной активности типа «бомбардировки», приводящий к расширению атмосферы. Однако, у нас нет ответа на ряд

Таблица 6

Оценка причинной обусловленности межсуточной изменчивости давления на уровне моря и геопотенциальных высот изобарических поверхностей 500,300 и ЮОгПа вариациями геомагнитной _активности (Кр)_

Сдвиг, сутки а Р •х|у 'у|х Т

Р»

0 0,560 0,491 0,751 0,659 0,878

1 0,334 0,286 0,850 0,898 0,857

2 0,876 0,650 0,841 0,624 0,743

3 0,534 0,481 0,852 0,768 0,902

4 0,872 0,799 0,787 0,662 0,917

500 гПа

0 0,575 0,460 0,468 0,375 0,801

1 0,432 0,302 0,702 0,492 0,701

2 0,212 0,189 0,802 0,705 0,880

3 0,855 0,779 0,669 0,610 0,912

4 0,729 0,671 0,709 0,652 0,920

300 гПа

0 0,492 0,393 0,193 0,154 0,799

1 0,447 0,312 0,252 0,176 0,698

2 0,369 0,323 0,728 0,639 0,878

3 0,765 0,689 0,863 0,777 0,901

4 0,906 0,831 0,793 0,728 0,918

100 гПа

0 0,565 0,449 0,535 0,826 0,794

1 0,388 0,268 0,590 0,408 0,691

2 0,391 0,334 0,609 0,521 0,856

3 0,407 0,371 0,793 0,723 0,911

4 0,544 0,507 0,942 0,879 0,933

принципиальных вопросов. Например, имея ввиду корпускулярное излучение Солнца, какой классический механизм может объяснить путь трансформации его энергии в атмосферу? Каким образом оно проникает даже до высот 30-40 км, не говоря уже о нижней тропосфере? В рамки классического представления укладывается инфракрасное излучение, полный поток энергии которого, направленный из верхней атмосферы к поверхности Земли, составляет 2-Ю27 эрг. Но и здесь, имея ввиду импульсное воздействие, возникают непреодолимые трудности. Единственным механизмом с позиций

классических представлений мог бы быть «полевой». Тем не менее, оценки «полевой» энергетики Солнца, проникающей в атмосферу, ничтожно малы в сравнении с энергетикой атмосферных процессов, что собственно и является главным аргументом оппонентов солнечно-атмосферных связей.

Таблица 7

Матрицы параметров причинности и взаимных коэффициентов корреляции межсуточной изменчивости давления на уровне моря н _геопотенциальных высот 500,300 и ЮОгПа_

Уровни Параметр причинности Т Коэффициент корреляции R

Ро Н500 Н300 Нюо Ро Н500 Н300 Нюо

Ро Н500 HjDO Нюо 1 0,989 0,991 0,998 1 0,993 0,995 1 0,996 1 1 0,823 0,614 0,476 1 0,880 0,510 1 0,743 1

Глава 4. ОЦЕНКА ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОГНОЗОВ И ВЛИЯНИЯ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ НА ИХ ТОЧНОСТЬ НА БАЗЕ ПРИЧИННОГО АНАЛИЗА

Успешность гидродинамической модели прогноза метеорологических элементов зависит от степени точности приближения описываемой моделью физического изменения характеристик атмосферы во времени к реально воспроизведенной в будущем. Для оценки успешности прогноза используется набор статистических параметров, позволяющий дать комплексную оценку точности спрогнозированной величины в точке пространства относительно его фактического значения. Таким образом, существующие методы оценки гидродинамических прогнозов сводятся к точечным оценкам отклонения спрогнозированной величины от фактической, при этом оценка может быть выполнена только после наступления срока прогноза по мере поступления информации о состоянии атмосферы. Поэтому представляется весьма важной возможность получения информации об успешности прогноза не post factum, a apriori. Очевидно, такая возможность позволила бы выполнять коррекцию прогноза в реальном режиме времени.

В качестве исходной физической предпосылки явилось положение, согласно которому состояние атмосферы в будущем (хотя бы на период генерации кинетической энергии синоптических процессов, имеющий порядок недели) причинно зависит от ее состояния в настоящем. При такой постановки задачи в качестве «оценочного» параметра естественным образом

выступает параметр причинности Т. На рис. 12 приведены кривые параметра причинности как функции времени между полями давления, геопотенциальных высот поверхностей 700, 500, 300 гПа со сдвигом в сутки (Atmax= 10 суток). Как видно из рисунка, во всем диапазоне временных сдвигов параметр Y<1, т.е. на энтропийной диаграмме попадает в область «нормальная причинность», при этом оценка Y достаточно надежна до сдвигов 6-8 суток. Последние совпадают с временем генерации кинетической энергии в атмосфере. Сказанное в большой степени подтверждается данными табл. 8, где приведены среднегодовые энтропийные параметры обусловленности состояния атмосферы в будущем ее состоянием в настоящем.

Оценки точности гидродинамических прогнозов выполнялись для модели, основанной на полных уравнениях и предназначенной для обеспечения прогнозами Азиатский регион (A.M. Горячев, А. Д. Спекторман, 1992) и полусферной модели Европейского Цетра среднесрочных прогнозов (ЕЦППС). Оценивались поля давления Р0, геопотенциальных высот 700, 500 300 гПа, температуры Т у поверхности Земли (для полусферной модели на АТ-850) и на соответствующих изобарических поверхностях за период 1989г. Здесь основной результат состоит в обнаруженной сезонной вариации точности гидродинамических прогнозов (рис. 13). Эта точность наименьшая в летней период, т.е. в период когда, при прочих равных факторах, она должна быть наиболее высокой в силу большой инертности процессов (по крайней мере, на территории среднеазиатского региона). Анализ возможной причины уменьшения точности гидродинамических прогнозов показал, что этот феномен полностью соответсвует эффектам макроскопической флуктуации процессов различной природы, где результаты измерений имели сезонный ход и летом отли-чались на 50-100%, при методической ошибке-1,5-2% (С. Э. Шноль и др., 1958, 1980, 1987), а так же сезонным эффектам вариации

коэффициента прочности причинных связей, обнаруженных Н. А. Козыревым (1978). Принимая во внимание, что в качестве прогностической рассмотрена детерминированная гидродинамическая модель, очевидно, что

0.6

Рис. 12. Кривые параметра причинности давления у Земли (1), геопотенциальных высот 700 (2), 500 (3) и 300 (4) гПа, как функции временных сдвигов (станция Ташкент).

0123456789 10

интерпретация полученного результата как случайного полностью исключается. Сезонный ход точности гидродинамических прогнозов обусловлен неучетом в прогностической модели некоторого влияющего фактора, временной ход которого косвенно выражается через временной ход среднеквадратичной ошибки, представленной на рис. 13. Наибольшее влияние внешнего фактора, неучтенного в уравнениях гидротермодинамики, проявляется в летний период, что и приводит к заметному снижению точности прогнозов. Ослабление причинных связей в другие сезоны года уменьшает значимость неучтенного в модели фактора. Природа этого фактора, обозначенного в работе как «Х-процесс», с большой вероятностью связана с квантовой нелокальностью, получившая в последнее десятилетие развитие в работах физиков-теоретиков (Н. Д. Мермин,С. М. Рой, В.Сингх, 1991, Д.Хом, А. С. Маюмдар, 1995).

Следующий аспект задач определялся результатами, полученными в третьей главе и состоял в выявлении возможного влияния вариаций солнечной активности на точность гидродинамических прогнозов. В главе 3 было показано, что существует статистическая и причинная связь между индексом завихренности (ARC, УАГ) и пересечением секторных границ межпланетного магнитного поля. На рис.14 по оси ординат отложен средний за весь период рассматриваемых прогнозов коэффициент корреляции между предсказанными и фактическими полями геопотенциала на среднем уровне, а по оси абцисс -дни до и после пересечения секторных границ ММП. Начало отсчета (нулевой день)-момент пересечения. Всего за указанный период рассмотрено 62 случая. Из рис. 13 следует, что минимум корреляции между фактическими и прогностическими на 24ч полями Н500 приходится на следующие сутки после пересечения секторной границы ММП. Этот минимум совпадает с минимумом индекса площади завихренности. Важность полученного результата состоит в том, что он прямо указывает на существование источника энергии, связанного с секторной структурой ММП, оказывающего прямое воздействие на тропосферу. Данное утверждение подтверждается результатами выполненного причинного анализа для пары «числа Вольфа-среднеквадратичная погрешность прогнозов» (табл. 9). Параметр причинности для всех уровней, кроме Р0, значимо меньше единицы, т.е. увеличение ошибок прогноза, при прочих равных факторах, причинно обусловлено солнечной активностью. Оцениваемые в данной работе численные модели прогноза метеоэлементов не учитывают этого влияния, что и приводит к ухудшению точности прогноза. В процентном отношении уменьшение точности гидродинамических прогнозов варьирует в диапазоне 5-12%.

Таблица 8

Среднегодовые энтропийные параметры обусловленности состояния атмосферы в будущем ее состоянием в настоящем

Метеоэлемент

Сдвиг, сутки

ЭнтропиГше параметры

Р

Т

Т па ГК

1 ГК

2 ГК

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0,971 0,979 0,973 0,981 0,945 0,934 0,978 0,899 0,901 0,983

0,941 0,952 0,945 0,949 0,924 0,915 0,951 0,880 0,882 0,965

0,730 0,721 0,717 0,717 0,722 0,728 0,720 0,728 0,715 0,719

0,702 0,696 0,691 0,699 0,699 0,707 0,695 0,711 0,699 0,701

0,970 0,973 0,972 0,978 0,978 0,980 0,972 0,979 0,980 0,982

0,711 0,744 0,759 0,761 0,778 0,831 0,849 0,880 0,898 0,927

0,821 0,829 0,848 0,852 0,866 0,891 0,911 0,919 0,942 0,951

Н

500

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0,801 0,823 0,901 0,848 0,721 0,874 0,989 0,898 0,917 0,748

0,769 0,792 0,869 0,819 0,697 0,848 0,963 0,874 0,894 0,731

0,730 0,717 0,720 0,721 0,722 0,728 0,717 0,719 0,728 0,715

0,702 0,691 0,695 0,696 0,699 0,707 0,699 0,701 0,711 0,699

0,961

0,963

0,965

0,966

0,968

0,971

0,974

0,974

0,976

0,977

0,701

0,740

0,749

0,756

0,768

0,823

0,866

0,879

0,888

0,917

0,810 0,822 0,838 0,844 0,856 0,886 0,901 0,913 0,922 0,941

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0,915 0,980 0,978 0,881 0,912 0,956 0,944 0,858 0,904 0,798

0,897 0,957 0,965 0,871 0,897 0,931 0,923 0,849 0,894 0,784

0,656 0,652 0,642 0,642 0,647 0,657 0,652 0,641 0,647 0,654

0,644 0,637 0,634 0,635 0,637 0,640 0,638 0,635 0,640 0,643

0,981 0,977 0,987 0,989 0,984 0,974 0,978 0,990 0,989 0,983

0,699 0,719 0,739 0,776 0,789 0,823 0,876 0,889 0,902 0,927

0,812 0,832 0,838 0,864 0,856 0,891 0,911 0,923 0,942 0,953

Примечание: ГК -главные компоненты.

" 1 ЮООгПа

■

5

♦ /о'; \ ! "

Г' " , /г . V. °

"Н

\

1 : 3 « 5 6 7 8 9 10 П 12

6 о ,

т.,

850

о- 'I ~ +- *

м + СК--0 . .

" " «-8=0 " 0

7 • р - '

« ,а _ - -

23 4 56 7« 9 10 11 12

Месяцы года

\ ь-.

I .А'« .

-

л' I О

1 6 7 1 9 10 II

Месяцы года

Условные обозначения:

---1 - прогноз на 24 часа

-ф- - 2 - прогюз на 48часов ■ ■ -3-прюгнозна72часа -Д- -4 -прогноз на 96 часов ^ - 5 ■ прюгноз на 120 часо(

Рис.13. Годовой ход среднемесячной средневадратичной ошибки гидродинамических прогнозов геопотенциальных высот и температуры на 24 (1), 48 (2), 72 (3), 96 (4) и 120 (5) часов по полусферной схеме ЕЦППС.

0,8-

I <иН

3

к

0.4-

"2 о 2 6 10

Дни до и после пересечения СГ ММП

Рис.14. Коэффициент корреляции (по 62 случаям) между прогнозируемыми на сутки и фактическими полями геопотенциала изобарической поверхности 500 гПа для дат пересечения (до и после) секторной границы ММП.

.V

10

зо - —

1-3 50

+ ♦

Таблица 9

Причинная обусловленность точности гидродинамических прогнозов солнечной активностью

Метеоэлемент, Энтропийные параметры

уровень атмосферы

ос ß ¡у|х Uly Y

Региональная модель САНИГМИ

Ро 0,957 0,948 0,570 0,564 0,991

Н700 0,962 0,848 0,841 0,743 0,883

Н500 0,986 0,757 0,918 0,705 0,768

Н300 0,832 0,634 0,898 0,685 0,763

Полусферная модель ЕЦППС

Ро 0,981 0,823 0,544 0,456 0,839

Н500 0,959 0,679 0,749 0,531 0,709

Teso 0,972 0,798 0,608 0,499 0,821

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выполнен анализ положений причинной механике H.A. Козырева, на основании которого произведены ряд уточнений, связанных с определением псевдоскаляра С2 и аксиального вектора ¡С2.

2. Поставлена проблема введения фундаментального свойства времени -его необратимости, а вместе с тем и принципа причинности, в существующую физику.

3. Разработан алгоритм практической реализации аппарата причинного анализа.

4. На базе теории причинного анализа обоснован подход к описанию геофизических процессов для исследования их причинной обусловленности.

5. Теоретически и на эмпирических данных обосновн ряд геофизических фактов, ранее необъясненных: зональное распределение типов коры; морфологически выделенные признаки антисимметрии Земли относительно экватора - круги антисимметрии полярных стран (±71°), северный эпейрогенический (+62°) и южный талассогенический (-62°) круги; орогенические пояса и зоны глубинных разломов; кардиоидальность фигуры Земли; тепловая асимметрия полушарий; факт наличия и экваториальный сдвиг внутритропической зоны конвергенции.

6. На базе теории причинного анализа показана причинная обусловленность тропосферы вариациями солнечной активности, а именно: на эмпирическом материале доказана причинная зависимость энергетических харак-

теристик атмосферы, индексов зональной циркуляции, индекса площади завихренности, индекса барических образований от состояния солнечной активности и прохождения секторных границ межпланетного магнитного поля.

7. Предложен принципиально новый подход к оценке гидродинамических прогнозов метеоэлементов и установлена причинная зависимость их точности от состояния солнечной активности. Поставлен вопрос о необходимости введения в гидродинамические прогностические модели членов, учитывающих вариации солнечной активности и ее производных.

8. Обнаружен сезонный ход точности гидродинамических прогнозов. Показано, что уменьшение точности гидродинамических прогнозов в летний период обусловлено внешним фактором, природа которого с большой вероятностью связана с квантовой нелокальностью.

9. Существует принципиально новый тип взаимодействия между процессами любой природы, идущими с изменением энтропии .

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих

публикациях:

1. Восстановление вертикальных токов по данным об общем количестве облачности с помощью естественных ортогональных составляющих// Тр. САРНИГМИ.-1974,-Вып. 17(98), с. 37-43.

2. К вопросу об особенностях распределения полей облачности в январе и июле, полученные по данным метеорологических спутников над югом среднеазиатского региона// Тр. САРНИГМИ.-1975.-Вып. 33(114). С. 50-61 (совместно с Белоруссовой И.О., Крамаренко Л.С.)

3. Распределение статистических выборочных моментов полей облачности, полученных по данным метеорологических спутников в зимний период над южной территорией среднеазиатского региона// Тр. САРНИГМИ,-1975,-Вып. 33(114).- С.72-83 (совместно с Абрамовой Л. П., Бурковой М. В.)

4. Сравнительная оценка информативности телевизионных и инфракрасных снимков облачности и наземных наблюдений за облаками//Тр. САНИГМИ.-1975.-Вып. 33(114), с. 113-121.

5. Предварительная оценка точности данных дистанционного зондирования атмосферы со спутника//Тр.ГМЦ.-1976.- Вып. 177, с.71-76.

6. Сравнение данных дистанционного и аэрологического зондирования атмосферы//Тр. ГМЦ.-1977, - Вып.192, с.51-66.

* Это вывод не является новым, но он еще раз подтвержден полученными в работе результатами.

7. Пространственно-временная статистическая структура крупномасштабных облачных полей над среднеазиатским регионом.-Тр. ГМЦ//1978,- Вып. 204, с. 31 -44.

8. К вопросу о влиянии индийского муссона на режим ледников Памира//Материалы гляциологический исследований, N36, 1979.-С. 143149. (совместно с Царевым Б.К. и Щетинниковым А.С.)

9. Исследование пространственно-временной статистической структуры поля облачности над южной территорией среднеазиат-ского региона//Тр. САНИИ,- 1983.-Вып. 85(166), с. 24-38.

10. Поток времени как физическое явление//Философские науки//Деп. ВИНИТИ N7598-B89, 1989. - 42с. (совместно с С.М. Коротаевым).

11. Causal analysis and its application for studies of electromagnetic indaction in the sea. -EGS General Assambly, Wiesbaden, 1991, p. 184-199. (совместно с С. M. Коротаевым)

12. Применение причинного анализа к естественным электромаг-нитным процессам// В кн. «Магнитные и электрические поля твердой Земли. Ч. 1. Владимир- Суздаль, 1991, с.107-118. (совместно с С.М. Коротаевым, О.А. Хачай, С.В. Шебелянским).

13. Причинный анализ и его применение для изучения физических процессов в атмосфере//Метеорология и гидрология. -1994. N6, с.15-22 (совместно с С. М. Коротаевым)

14. Простая модель географической привязки сканерных снимков малого разрешения, обеспечивающая высокую точность //Исследование Земли из космома.-1994, № З.-С. 41-46.

15. От реляционного времени к субстанциональному,- Из-во отдела САНИГМИ, Ташкент, 1995, 238с. (совместно с Коротаевым С.М.)

16. Geophisical effects of causal mechanics.-B кн. «On the way to Understanding the time phenomenon. The Construction of Time in Natural Scince»//World Scientific, Singapore, New Jersey, London, 1995.-C.101-107

(совместно с С.М. Коротаевым).

17. Processing Technology of Multispektral information from meteorological Earth Satellites for Assesment of vegetative mass, Grain Crop and Harvest forecasting// Final Report on the Tashkent Workshop, 19-20 june, 1996.-C. 99102 (совместно с Алексеевым E.H., Канаш И. Н., Мартемьяновым В. И.).

18. Technology for automatic assesment of areal extent of snow cover for flat terrain by use of satellite information// Final Report on the Tashkent Workshop, 19-20 june, 1996.-C. 99-102 (совместно с Алексеевым E.H., Мартемьяновым В. И.).

19. Практические вопросы использования причинного анализа в метеорологии// Тр. УСОИ,- 1999,-Вып 1. - С. 111-122.

20. Исследование причинной обусловленности физического состояния атмосферы солнечной активностью// Тр. УСОИ.- 1999.-Вып 1.- С. 123130.

21. Необратимость времени и причинность - фундаментальные проблемы современной науки//Узбекистон Республикаси Вазирлар Махкамаси хузуридаги Олий Аттестация Комиссияси. Узбекистан мустак.иллигиуинг фани ва технологияларини ривожлантириш кафолати. Учинчи республика илмий коллоквиуми 1998 иил 12-13 ноябр.-С. 268-273.

22. Межпланетное магнитное поле и атмосферная циркуляция//Тр. УСОИ,-1999.-Вып 1.-С. 177-195.

23. О диагностике факторов опустынивания//Проблемы освоения пус-тынь,-

1998, №6,-С. 73-76.

24. Новый взгляд на формирование фигуры Земли и особенности распределения некоторых геофизических характеристик //Экологический вестник Узбекистана-2000, №1,- С. 12-21.

25. К вопросу о причинной обусловленности колебаний урожайности вариациями геомагнитной активности//Сельское хозяйство Узбе-кистана.-1999, №4,- С. 14-17.

26. От симметрии законов в классической механике к асимметрии в причинной механике Н. А. Козырева//ДАН АН РУз .-2000, №2,- С.22-28.

27. Автоматизированная технология диагноза и прогноза облачных образований синоптического масштаба по данным спутниковой информации(АРМ «Спутник»)//Тр.УСОИ.-1999.-Вып 1.-С. 96-106. (совместно с Алексеевым E.H.)

28. Технология автоматизированной тематической обработки цифровой спутниковой информации для решения диагностических ресурсных задач, как компонента АРМ «Спутник»//Тр. УСОИ.- 1999.-Вып 1, с. 107116.

29. Оценка состояния почвенно-растительных объектов по данным НОАА -AVHRR// Тр. УСОИ,- 1999,-Вып 1. -С. 117-122.

30. Сравнительный анализ результатов оценки площадей заснежен-ности, полученных на базе двух- и трехмерной модели рельефа,- Тр. УСОИ//

1999,-Вып 1.-С. 164-168.

31. Трехмерная модель автоматизированного расчета заснеженное™ бассейнов горных рек по данным многоспектральной спутниковой информации//Тр. УСОИ,- 1999.-Вып 1 .-С. 142-163.

32. Современное состояние, проблемы и перспективы развития информационных технологий приема, обработки и архивации гидрометеорологической и спутниковой информации в УСОИ Главгидромета РУз// Тр. УСОИ.- 1999,-Вып 1,- С. 5-22.

33. Совершенствование методов исследования скрытых периодичностей распределения оруденения//Труды Среднеазиатского научно-иссследова-тельского и проектного института цветной металлургии,-1994.-С.42-48.

34. От симметрии законов классической механики к причинной или несимметричной механике Н. А. Козырева//ДАН.-2000, N1.-С. 12-18.

35. Моделирование формирования фигуры Земли и некоторых геофизических полей на основе положений причинной механики//Известия АН.-1999,Ы7.-С. 23-29.

36. Возможность коррекции моделей гидродинамических прогнозов в реальном времени//Узбекистанский журнал Проблемы информации и энергетики. - Т.: Фан.-2000.-№1,- С. 12-19.

By the basic purpose of activity M. L. Arushanov's «The Research gelyogeophysical of processes on the basis of the vehicle of the causal analysis» is development of rules(situations, positions) and formalising of an axiomatics of a causal mechanics, analysis of its geophysical corollaries, analysis of a problem of presence of the causal conditionally of physical processes in atmosphere variations of solar activity and estimation of hydrodynamic prognostic models with usage of the vehicle of the causal analysis. The following outcomes are obtained:

1. The analysis of rules to a causal mechanics N. A. Kozyrev's is executed, on the basis of which are made a number of refinements, bound with definition of a pseudoscalar C2 and axial vector iC2.

2. The problem of introduction of fundamental property of time - its irreversibility, at the same time and principle of a causality, in present physics is put.

3. The theory of the causal analysis is designed, on the basis of which the formalising of an axiomatic to a causal mechanics is executed(made): three main(basic) axioms to a causal mechanics are shown to one, in which the discretization of time-space distinctions (obvious in kozyrev's to treatment) is not required.

4. On the basis of the theory o the causal analysis the approach to the description of geophysical processes for research of their causal conditionally is justified.

5. Theoretically and on empirical dates a number(series) of the geophysical facts, before not explained is justified: zone distribution of types of a bark; morphological isolated tags of an antisymmetry of the Earth concerning equator - circles of an antisymmetry of polar countries (±71°), northern epeyro-genichescy (+ 62°) and southern talassogenychescy (-62°) circles; orogenic belts and zones of depth faults; cardyoidalnost of a figure of the Earth; thermal asymmetry of hemispheres; the fact of presence and equatorial shift of an intertropical convergence zone.

6. On the basis of the theory of the causal analysis the causal conditionally of a troposphere by variations of solar activity, namely is exhibited: on an empirical material the causal relation of the power characteristics of atmosphere, indexes of zone circulation, index of the area of a voracity, index of barometric derivations from a condition of solar activity and passing of sector boundaries of an interplanetary magnetic field is proved.

7. The new approach to an estimation of the hydrodynamic forecasts meteorological devices is offered in essence and the causal relation of their accuracy to a condition of solar activity is established. The problem on necessity of introduction in hydrodynamic prognostic models of terms taking into account variation of solar activity and its derivative is put

8. The seasonal course of accuracy of the hydrodynamic forecasts is detected. Is exhibited, that the reduction of accuracy of the hydrodynamic forecasts in years period is stipulated by the external factor, which nature is connected to a high probability with quantum not localisation

9. There is in essence new type of interaction between processes of any nature going with the change entropy. Energy of interaction is directly connected to production of an entropy and is inverse to a square of distance. The interaction

r>nn rtrt xtnfVi o napitnfo 7orn ond «ttittiofn^ol ttonqfiira fotv»r\rtratni 1r\rr