Геодинамические причины декадных изменений климата
Н.С.Сидоренков
Постановка вопроса
Летом 2010 г. на европейской территории России (ЕТР) наблюдалась небывалая по продолжительности и интенсивности катастрофически жаркая погода. В июле 2010 г. я написал статью, в которой на основе открытых ранее закономерностей [7 - 9, 13] показал, что жара наступила из-за 35 летнего биения амплитуды годовых колебаний температуры и всех других гидрометеорологических характеристик. Это биение происходит из-за сложения солнечного годового (365,24 сут) и лунного годового (355 сут) циклов.
О 35 летних колебаниях климата писал уже в 1625 г. Френсис Бэкон [10] «There is a toy which I have heard, and I would not have it given over, but waited upon a little. They say it is observed in the Low Countries (I know not in what part) that every five and thirty years the same kind and suit of years and weathers comes about again; as great frosts, great wet, great droughts, warm winters, summers with little heat, and the like; and they call it the Prime. It is a thing I do the rather mention, because, computing backwards, I have found some concurrence». приливной синоптический метеорологический климат
В 1741 г. академик Г. Крафт, изучив старинные хроники и другие исторические источники, пришел к выводу, что особенно суровые, зимы повторяются каждые 33--35 лет [12].
В 1890 г. Эдуард Брикнер переоткрыл многолетнее колебание климата, выражающееся в переходе от холодных и влажных лет к тёплым и сухим на протяжении в среднем 35-летнего периода [11]. Он нашёл, что цикл имеет планетарный характер, и, в частности, установил его в колебаниях уровня Каспийского моря, в ходе осадков, в отступании и надвигании ледников ряда горных систем. С тех пор колебания климата с характерными временами от 25 до 50 лет называют Брикнеровым циклом [2, 4].
В настоящее время в работах специалистов по солнечной активности природу Брикнерова цикла связывают с солнечной активностью, поскольку он почти равен утроенному 11 летнему циклу солнечных пятен [4]. В работах климатологов природа Брикнерова цикла и более долгопериодных (до тысячи лет) изменений климата либо вообще не обсуждается, либо приписывается солнечной активности. При обсуждении причин жаркого летнего сезона 2010 г., также как и 1972 г., считалось, что жара возникает из-за блокирующих антициклонов. Почему же блокирующие антициклоны имеют тенденцию возникать примерно через 35 лет никто не обсуждает. Поэтому доклад ставит целью выяснение причин декадных колебаний климата, включая Брикнеров цикл.
Использованные методы
Мы использовали физико-математические и статистические методы исследования, включающие:
а) Теоретические расчеты временных рядов приливных колебаний скорости вращения Земли, отражающие взаимные движения Земли, Луны и Солнца, вращения больших осей их орбит, перемещение узлов. Сравнение хода приливных колебаний с чередованием естественных синоптических процессов (по каталогу форм циркуляции Г.Я.Вангенгейма), с изменениями метеорологических характеристик (на примере Москвы).
б) Подготовку и анализ многолетних рядов компонентов момента импульса атмосферы, температуры, количества общей облачности, продолжительности солнечного сияния, притока солнечной радиации, океанических наблюдений.
в) Численное моделирование колебаний гидрометеорологических характеристик и сравнение результатов модельных расчетов с данными наблюдений.
г) Построение непротиворечивой физической концепции декадных колебаний климата путем обобщения результатов анализа рядов наблюдений, эмпирических фактов,
знаний в области теории колебаний, астрономии, долгосрочных прогнозов погоды, климатологии и океанологии.
Полученные результаты
Синоптические процессы развиваются не непрерывно, а скачкообразно. Выделяются однотипные интервалы эволюции, которые Б.П. Мультановский в 1915 г. назвал естественными синоптическими периодами (е.с.п.). Учение о е.с.п. являлось ключевым в синоптических методах долгосрочных прогнозов погоды, развивавшихся до семидесятых годов в СССР С.Т. Пагавой, Г.Я. Вангенгеймом, А.А. Гирсом, Б.Л.Дзердзиевским и др. Природа е.с.п. почти сто лет оставалась неизвестной.
Мониторинг приливных колебаний скорости вращения Земли, эволюции синоптических процессов в атмосфере, режимов атмосферной циркуляции и вариаций гидрометеорологических характеристик во времени показал, что большая часть типов синоптических процессов в атмосфере меняется синхронно с приливными колебаниями вращения Земли. На ретроспективных данных мы проверили, как часто экстремумы угловой скорости (рис. 1) совпадают с моментами перестроек элементарных синоптических процессов (ЭСП) по типизации Г.Я. Вангенгейма [6]. Статистический анализ показал, что в 76% случаев моменты экстремумов угловой скорости совпадают в пределах 1 сут с датами перестроек ЭСП. В 24% случаев моменты экстремумов отличались на два и более дня от ближайших дат перестроек ЭСП [6].
Многолетний мониторинг изменений метеорологических характеристик в Москве с ходом приливных колебаний скорости вращения Земли (рис. 1) отчетливо подтверждает вывод о совпадении погодных вариаций с квазинедельными экстремумами (минимумами или максимумами) .
Таким образом, мы установили, что изменения синоптических процессов в атмосфере синхронизованы с приливными колебаниями скорости вращения Земли . Приливные колебания обусловлены лунно-солнечными приливами, поэтому напрашивается предположение, что естественные синоптические периоды обусловлены колебаниями приливных сил, а их смена связана с изменениями знаков приливных сил, которая происходит через каждые 5-8 дней. Вариации длительности е.с.п. обусловлены частотной модуляцией приливных сил из-за движения перигея лунной орбиты.
Для проверки этого вывода были вычислены спектры экваториальных компонент момента импульса атмосферы и , которые четко показали полное преобладание гармоник лунно-солнечных приливов [7 - 9, 13]. Более того, когда мы вычислили спектр среднесуточных значений экваториального компонента , оказалось, что основной максимум спектральной плотности отмечается не на периоде солнечного года 365 сут, а на периоде лунного года 355 сут (рис.3) [9, 13]. Этот факт свидетельствует о доминирующем влиянии лунных приливов на формирование меридиональной циркуляции атмосферы вдоль Атлантического и Тихого океанов (большого круга меридианов 0° и 180°).
Период - это период наибольшей автокорреляции временного ряда приливных колебаний скорости вращения Земли (рис. 1) [9, 13], так как максимум максиморум автокорреляционной функции отмечается при сдвиге 355 сут (13 сидерических или 12 синодических месяцев) (рис. 2).
Рис. 1. Приливные колебания скорости вращения Земли в 2012 г.
Рис 2. Автокорреляционная функция временного ряда приливных колебаний скорости вращения Земли при сдвиге от 0 до 600 суток
Найдены тесные связи между лунно-солнечными приливами и вариациями метеорологических характеристик. Например, когда мы провели спектральный анализ ряда аномалий температуры воздуха в Москве за 1960-2003 гг., то обнаружили хорошо выраженные составляющие с периодами лунного года 355 сут, лунного периода 206 сут, четверти лунного года 87 сут и лунного сидерического месяца 27 сут (рис. 4).
Цикл 206 сут возникает из-за вращения большой оси лунной орбиты относительно большой оси земной орбиты. Перигей лунной орбиты совершает один оборот за 8.85 года, а перигелий земной орбиты за 1 год. Перигей встречается с перигелием через каждые 412 сут. Но оси лунной и земной орбит становятся коллинеарными через каждые 206 сут. Описанная цикличность взаимных конфигураций двух орбит воздействует на лунные и земные процессы. Например, продолжительность лунного аномалистического месяца (то есть промежутка времени между двумя последовательными прохождениями Луны через перигей) изменяется с этим периодом 206 сут от 28,5 до 24,8 сут [1]. Земля в своем движении вокруг барицентра зеркально отражает все движения Луны. Поэтому она имеет такие же вариации скорости месячного обращения вокруг барицентра с периодом 206 сут.
Рис. 3. Спектр среднесуточных значений экваториального компонента момента импульса атмосферы
Рис. 4. Периодограмма аномалий температуры воздуха в г. Москве
Естественно, что погода генерируется Солнцем с годовым периодом 365,24 сут. Но установленные выше факты свидетельствуют о наличии другого источника изменений погоды, связанного с лунно-солнечными приливами, а точнее, с месячным обращением Земли вокруг барицентра системы Земля + Луна. Эти геодинамические изменения погоды имеют период 355 суток (13 сидерических или 12 синодических месяцев), который называется лунным годом.
Из-за взаимодействия солнечно обусловленных годовых колебаний гидрометеорологических элементов с лунными циклами возникают биения. Биения - это периодическое изменение амплитуды результирующего колебания. Когда фазы колебаний совпадают, амплитуды суммируемых колебаний складываются, и амплитуда результирующего колебания становится максимальной. Затем фазы колебаний постепенно расходятся, и амплитуда результирующего колебания уменьшается. Минимальной она становится, когда разность фаз достигает 180°, так как тогда амплитуды суммируемых колебаний вычитаются.
Частота биений равна разности частот суммируемых колебаний. При сложении солнечного 365 суточного колебания с лунным 355 суточным колебанием период биений равен 35,2 лет (1/355,16 - 1/365,24 = 1/12869 сут. = 1/35,2 лет).
В Москве по климатическим данным среднесуточная температура достигает минимума -10° в январе, а максимума +20° в июле, то есть амплитуда её солнечного годового (365 сут.) колебания равна примерно (20°-(-10°))/2=15°, а среднегодовая температура равна: (-10°+20°)/2=5°. В 2010 г. среднемесячные аномалии температуры составили в январе -6°, а в июле +8° (амплитуда 7°). В 1972 г. эти аномалии были в январе -6°, а июле +4° (амплитуда 5°). Основной вклад в эти аномалии вносит лунное 355-суточное колебание. Допустим, что его амплитуда равна 5°. Построим график суммы этих двух колебаний
,
где 5° - среднегодовая температура в Москве, - время в сутках, отсчитываемое от 1 января 1972 года. Этот момент принят за начальный потому, что в 1972 г. однозначно (без повторений) наблюдалось аномально жаркое лето и холодная зима, то есть фазы солнечного и лунного годовых колебаний совпадали. Рис. 5 изображает результирующее колебание с 1937 по 2012 г.
Рис. 5. Модель биений температуры воздуха (Т) с двумя гармониками:
Рис. 6. Модель биений температуры воздуха Т с четырьмя гармониками:
.
В 1972 г. фазы «солнечного» (365 сут.) и «лунного» (355 сут.) годовых колебаний температуры Т совпали, поэтому амплитуды этих двух колебаний сложились 15°+5°=20°, и амплитуда результирующего колебания Т составила примерно 20°. Поскольку среднегодовая величина Т равна 5°, постольку среднесуточная температура в июле достигала 25°, а в январе опускалась до -15°. Поэтому лето 1972 г. на ЕТР было аномально жарким, а зима холодной. В последующие годы фазы колебаний Т расходились, и амплитуда результирующего колебания Т постепенно уменьшалась. В 1990 г. разность фаз достигла 180°, и амплитуда уменьшилась до минимума 15°-5°=10°. Зимы стали теплыми, а летние сезоны прохладными. С 1991 по 2007 г. фазы колебаний Т сходились, амплитуда постепенно увеличивалась и в 2007 г. она снова достигла максимального значения 20°.
Мы провели исследования, проанализировали столетние ряды наблюдений температуры воздуха на метеостанциях ЕТР с суточной дискретностью (по данным ВНИИГМИ МЦД (http://aisori.meteo.ru/ClimateR) и нашли, что холодные зимы и жаркие летние сезоны наблюдались в центре ЕТР в годы близкие к 2002/2010 г., 1972 г., 1936/1938 г. и 1901 г. Найденная последовательность аномально жарких летних сезонов и холодных зим, подтверждает существование квази 35 летних биений температуры воздуха. Однако возникает вопрос, почему амплитуда годовых колебаний флуктуирует от года к году.
В спектре колебаний температуры имеется большой пик на периоде - 206 сут. Он взаимодействует с полугодовым солнечным периодом 182,6 сут, в результате возникают биения с периодом 4,4 года (сут=1/4,4 г.). Из-за таких биений 35 летний цикл изменения амплитуды годового колебания температуры сильно затушевывается (рис. 6). Вместо постепенного изменения амплитуды Т (рис. 5) наблюдается разброс лет с жаркими и холодными сезонами. Так, наряду с 1972 г., умеренно жаркие летние сезоны были также в 1975 г, 1979 г., 1981 г., а холодные зимы наблюдалась в 1969 г., 1972 г., 1976 г. и 1978/79 г. При приближении нового момента совпадения фаз около 2007 г. снова участились жаркие и засушливые летние сезоны (2002 г., 2007 г., 2010 г., 2011 г.) и холодные зимы (2002 г., 2006 г., 2010 - 2012 г.). На первый взгляд может создаться впечатление, что экстремумы Т на рис. 6 меняются не периодически, а случайным образом. Так возникают «двойники» типа экстремумов в 1936 г. и 1938 г., вместо 1937 г, и в 2002 г. и 2010 г., вместо 2007 г.
Итак, при сближении фаз солнечного и лунного годовых колебаний Т результирующая амплитуда Т увеличивается, а при расхождении фаз - уменьшается. Из-за такого хода температуры в тридцатые, семидесятые годы ХХ века и в первое десятилетие XXI века на ЕТР часто отмечались холодные зимы и жаркие летние сезоны (склонность к «континентальному» климату), а в пятидесятые и девяностые годы XX века серьезные морозы и жаркие летние сезоны происходили реже обычного (склонность к «морскому» климату).
Механизм формирования 35 летних колебаний климата
За счет чего же холодное небесное тело, Луна может влиять на температуру воздуха и приводить к изменениям климатических условий от «континентальных» до «морских» при неизменности физико-географических условий местности? Дело в том, что приливы влияют на количество облачности в атмосфере. От амплитуды и фазы лунного прилива зависит балл облачности в месте наблюдения.
При ясной погоде днем атмосфера разогревается солнечной радиацией, а ночью выхолаживается за счет инфракрасного излучения. Летом день длится существенно дольше ночи, максимальна и полуденная высота Солнца над горизонтом. Поэтому летом при ясной погоде атмосфера ото дня ко дню разогревается солнечной радиацией, и в итоге наблюдаются положительные аномалии температуры. Зимой день короткий, ночь длится очень долго, а полуденная высота Солнца над горизонтом минимальна. Поэтому зимой при ясной погоде атмосфера ото дня ко дню выхолаживается за счет инфракрасного излучения и, как следствие, наблюдаются отрицательные аномалии температуры.