Книга: Современное состояние биосферы и экологическая политика

11.2. Виды геофизических воздействий на природные процессы

11.2. Виды геофизических воздействий на природные процессы

Еще Эйлером было показано, что сжатие Земли является причиной возникновения колебаний мгновенной оси ее вращения (Максимов и др., 1970, с. 138–139) – нутации. Следствием данного феномена является изменение уровня Мирового океана, порождающего «полюсный прилив». Этот вид прилива не имеет никакого отношения к действию приливообразующих сил Луны и Солнца. Явление «полюсного прилива» связано с небольшими, но глобальными изменениями океанических течений и циркуляции атмосферы. Периодические колебания полюсного прилива способны увеличить или уменьшить скорость течения Гольфстрим, по оценкам Н. А. Багрова с соавторами (1985, с. 60–61), на 10–15 см/с, что по сравнению с эталонной, т. е. 100 см/с, представляет ощутимую величину.

Данный фактор способен вызвать значительные аномалии в изменении траекторий движения атмосферных струй (Рудяев, 1984, с. 120–126) и океанических течений, обуславливая их периодические, долгопериодные колебания.

Аналогичное (как и полюсный прилив) воздействие на атмосферно-океаническую циркуляцию оказывают вариации ротационного режима планеты. Согласно оценкам (Сидоренков, Свиренко, 1983, с. 20–24; 1991, с. 93–100; и др.), с l955 по 1972 гг. регистрировалось замедление скорости вращения Земли, достигшее к 1972 г. своего минимального значения, когда длительность суток увеличилась на 0,0025 сек. (Рябов, 1977, с. 161–162; и др.). В это же время повторяемость форм западной циркуляции (Ж-западная форма) уменьшилась, но возросло количество периодов с устойчивой формой меридиональной циркуляции, т. е. форм Е и С (Николаев, Колтанов, 1983, с. 14–18).

Долгопериодные изменения скорости вращения Земли приводят к перераспределению воздушных и водных масс Мирового океана от экваториальных областей к полярным, формируя в последнем случае области повышенного давления (Рудяев, 1984, с. 120–126). Явление смещения дополнительных масс воздуха и воды к высоким широтам способно углубить замедление вращения планеты

Изменения скорости вращения Земли приводят к периодическим сменам форм атмосферной циркуляции, что подтверждается и лабораторными экспериментами. Так, при увеличении угловой скорости сосуда до некоторой критической величины движение водной массы в нем нарушается и заменяется квазигоризонтальным движением, напоминающим режим Россби в умеренных широтах, т. е. меридиональная форма движения переходит в зональную (Витвицкий, 1980, с. 66–67).

Изменение ротационного режима Земли и порождаемые этим явлением периодические смены форм атмосферной циркуляции не проходят для многих природных явлений бесследно.

Следует отметить, что в период замедления вращения Земли (СВЗ) с 1955 по 1972 гг. активизируется циклоническая деятельность. Примером служат факты роста числа тайфунов, смещающихся в Тихий океан: от 19 случаев в 1959 г. до 39 в 1970 г. (Третьякова, 1975, с. 39–65). В Японии преобладало число случаев с необычно низкими среднемесячными значениями температур и осадков (Борисенко, 1982, с. 32–37). Однако для этого процесса не четко прослеживается механизм, вызывающий долгопериодные изменения СВЗ.

Приведем один из возможных сценариев

Как отмечалось выше, не до конца выяснен физический механизм, обусловливающий 18-летние (и более) колебания СВЗ. Имеются достоверно установленные факты, которые нельзя игнорировать, а именно: склонение Луны, равное в среднем 23 27' не остается постоянным, а изменяется от 28 35' до 18 19' (и обратно) в течение 18 лет с лишним (Максимов и др., 1970, с. 82–83). Аналогичный период обнаружен в колебании (нутация) земной оси фактора, оказывающего прямое влияние на нарушение ротационного режима планеты. Общепризнанно, что сезонные и короткопериодные колебания СВЗ возникают за счет воздействия особенностей атмосферной циркуляции (Сидоренков, 2004, с. 5–20), перераспределения масс воды (Куликов, 1985, с. 140–143) и т. д. Если считать нашу планету замкнутой системой, то полный момент ее импульса должен оставаться постоянным. Поэтому объяснить многолетние колебания СВЗ за счет влияния внутренних сил не представляется возможным. Согласно данным Н. С. Сидоренкова, «эти противоречия устраняются, если предположить, что существует третья причина, которая одновременно влияет и на процессы в земном ядре, и на процессы в климатической системе. Такой причиной может быть гравитационное взаимодействие Земли с Луной, Солнцем и планетами. В частности, как показал Ю. В. Баркин, притяжение Луной, Солнцем и планетами несферичных, неоднородных оболочек Земли, занимающих эксцентричные положения, приводит к относительным смещениям и колебаниям их центров масс, к вынужденным перемещениям масс. Весь комплекс возникающих при этом в земных оболочках явлений можно назвать для краткости обобщенными приливами» (2004, с. 5–20).

Приведем один из современных сценариев, объясняющий замедление СВЗ (Колесник, 2001, с. 52–56) и несколько уточненный позже (Колесник, 2006, с. 139–141).

Пусть в какой-то момент времени t происходит смещение склонения Луны по отношению к Земле в северном направлении.

Выразим в приближенной форме момент вращения (М_ВР) Земли или момент импульса (L) (Шебалин, 1981, с. 62–65).

(17)

где М_З, г² и – соответственно масса, радиус Земли и ее угловая скорость. Выбрав за начало координат центр Земли и направив ось OX к центру Луны, определим центр масс Земля – Луна (X_C), как (Шебалин, 1981, с. 4546):

(18)

где Х_С, М_Л, М_З и R – координаты центра масс, массы Луны и Земли и расстояние между ними.

Сопоставим формулы (17)и(18)по массе Земли, после ряда преобразований найдем уравнение изменения угловой скорости вращения планеты в зависимости от центра масс (Колесник, 2002):

(19)

где r² – радиус Земли и ₀ – стационарная угловая скорость вращения Земли.

В формуле (19), в правой части равенства (в числителе) присутствует выражение, имеющее размерность кгм/с (аналог единицы мощности), а в знаменателе – кгм (аналог единицы работы) (Зельдович, 1968, с. 487488). Следовательно, при неизменном положении центра масс угловая скорость равна мощности, деленной на работу и имеющей размерность t^-1. Однако при смещении склонения Луны между новым положением оси OX центр масс будет располагаться ближе к оси вращения Земли (в силу уменьшение радиуса Земли). Следовательно, угловая скорость вращения планеты должна уменьшиться. Пусть искомая закономерность имеет вид X₀cos(ft), где ? – частота колебания центра масс (2П/18,6 = 0,33), t – время и Х₀ – расстояние от центра Земли до центра масс. Подействуем на оператором d/dt. Имеем:

(20)

где

– угловая скорость вращения Земли.

Предположим, что момент внешних сил, воздействующих на вращение Земли, остается без возмущений. Решение (20) с использованием математического пакета Maple имеет вид (рис. 1):

Рис. 1. Изменение скорости вращения Земли за 18 лет

Расчеты подтверждают предположение о том, что угловая скорость вращения планеты не остается постоянной и для нее присущи, как и для многих других природных явлений, циклические колебания. Так как эти колебания порождаются внешними условиями (изменение склонения Луны, а, следовательно, и перераспределение пары сил Солнце-Луна и т. д.), то аналогичные колебания многих природных явлений (цикличность в океанологических и синоптических процессах, биоты) на Земле являются проявлением данных внешних сил – фактора, влияющего на вибрацию всей климатической и биотической систем нашей планеты. Естественно, что для полного понимания влияния Луны на СВЗ необходимо решать задачу с учетом обращений системы «Земля – Луна» около общего барицентра, а также нашего спутника вокруг Земли и т. д. Решение подобной задачи в общем виде имеет более сложную природу и требует отдельного анализа.

Подводя итог, необходимо подчеркнуть следующее.

1. Существует весьма обширная литература, где можно найти необходимые сведения о природе и периодичности колебаний многих явлений, показатели которых близки к космическим.

2. Описанные черты многолетней изменчивости атмосферных явлений и гидрологического режима не могут не сказаться на функционировании экосистем и в конечном счете на воспроизводстве биоресурсов каждого региона, а значит и на их приспособительных (внутрипопуляционных), экосистемных перестройках. Это выводит исследования проблемы на новый, более актуальный уровень.

3. Узловыми вопросами солнечно-земных связей следует считать поиски механизмов, порождающих солнечную активность, а также способов воспроизведения ее сигналов (сообщений) природными явлениями, совпадающих с ходом чисел Вольфа или индексов Кр и др.