Прогнозирование изменений климатической системы земли по инструментальным измерениям и палеоданным в фазо-временной области, согласованных с изменениями барицентрических движений солнца. Часть 1

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Понимание процессов, происходящих в солнечно-земной системе, изменений климата и природных сред на Земле тесно связано с пониманием взаимодействий планет солнечной системы, в особенности, взаимодействием Солнца с крупными планетами системы. Энергия, получаемая элементами Земли от Солнца, определяется изменением расстояния между Землей и Солнцем, вариациями элементов орбиты Земли, в частности, угла наклона оси вращения Земли к плоскости эклиптики, эксцентриситета, климатической прецессии [1]. Изменение расстояния между центрами тяжестей Земли и Солнца и солнечной энергии, получаемой Землей, определяется барицентрическим движением Солнца, обусловленное влиянием крупных планет солнечной системы: Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна [2]. Энергия, излучаемая Солнцем в единицу времени, определяется его светимостью и активностью. Изменчивости солнечной активности, вулканических и тектонических процессов и климата на Земле, обусловленные барицентрическими движениями Солнца, вращением Земли, показаны в работах [3, 4, 6-9]. Эти результаты получены с использованием вейвлетного метода вычисления фазо-временных функций, фазо-частотных и фазо-временных характеристик исследуемых гелиокосмических и климатических переменных; на использовании одномерного непрерывного вейвлет-преобразования [5]:

(1) $Wƒ(a,b)=a^{-1/2}\underset{-R}{\overset{R}{\int }}ƒ\left(t\right)\psi \left(\right(t-b)/a)dt$ – вычисление матрицы комплексных вейвлет-коэффициентов анализируемой функции $ƒ\left(t\right)$; где R – область определения функции $ƒ\left(t\right)$ переменной времени b, a – задаваемый исследователем масштаб вейвлета $a=[1:k]$, зависящий от значения максимальной частоты сигнала $ƒ\left(t\right)$, $k$ – задаваемое значение масштаба вейвлета; $\psi (\cdot )$ – комплексный вейвлет ‘cgau5’; преобразований: ${\phi }_{ƒ}(a,b)=angle\left[Wƒ\right(a,b\left)\right]$ – вычисление матрицы фазо-временной функции сигнала $ƒ\left(t\right)$ реализацией формулы (1) в Matlab; $a1={\phi }_{ƒ}(a,\overline{b})=mean\left({\phi }_{ƒ}\right(a,b)\text{'})\text{'}$ и $a1={\phi }_{ƒ}(a,\overline{b})$ – вычисления векторов фазо-частотных и фазо-временных характеристик функции $ƒ\left(t\right)$ с знаками транспонирования (знак минус необходим для приведения соответствия знака преобразования $a2=-{\phi }_{ƒ}(\overline{a},b)$ с изменениями реального сигнала); $\overline{b}$ и $\overline{a}$ – знаки усреднений матрицы ${\phi }_{ƒ}(a,b)$ по столбцам и строкам соответственно. В преобразовании (1) выбор задаваемого исследователем значения $k$ масштаба $a$ вейвлета определяет полосу основных (информативных) частот сигнала $ƒ\left(t\right)$.

Статья является продолжением исследований автора, изложенных в [3, 4, 6-9], в которых изменение климата представляется как изменение взаимодействий множества гелиокосмических и климатических переменных в истории климата в частотной и временной областях (принцип множественности действующих факторов) влиянием барицентрических движений Солнца. Эти характеристики реализованы с использованием вейвлетного фазового метода, обработки результатов наблюдений $ƒ\left(t\right)$, как сигналов, с применением комплексного вейвлета ‘cgau5’ в функции одномерного непрерывного вейвлет-преобразования cwt [5] с последующими вычислениями усредненных векторных фазо-частотных $a1={\phi }_{ƒ}(a,\overline{b})$ и фазо-временных $a2=-{\phi }_{ƒ}(\overline{a},b)$ характеристик переменных. При этом изменение климата проявляется как изменение среднестатистических характеристик гелиокосмических и климатических переменных на воздействия множества действующих факторов, в которых барицентрические движения Солнца проявляется как управляющее движение.

Характерно то, что изменения гелиокосмических и климатических переменных эффективно обнаруживаются применением преобразований $a1={\phi }_{ƒ}(a,\overline{b})$ и $a2=-{\phi }_{ƒ}(\overline{a},b)$, построением графиков множества этих сравниваемых характеристик в двух системах координат, вычислением матриц корреляций (согласованностей изменений переменных) и коэффициентов k согласованностей k выбранного множества взаимодействующих переменных в заданном окне в скользящем режиме в интервале наблюдений c последующим построением графиков изменений этих коэффициентов.

В любой сфере планирования человеческой деятельности полезны и важны знания ожидаемых будущих значений результатов той или деятельности, динамики процессов, в особенности в эпоху глобального потепления климата с использованием доступных данных в современности, включая и исследования ледяных кернов в Антарктике. Изменения климата на Земле, его многочисленных составляющих, например, природных катастроф, вулканических извержений, землетрясений, уровня и температуры мирового океана, морских течений в океане и лесных пожаров, обусловлены изменениями множества гелиокосмических и климатических переменных в глобальном и региональном масштабах. Для решения этих задач представляется возможным использование вейвлетного фазового анализа наблюдаемых временных рядов, в которых наблюдения (измерения) с разными единицами измерения преобразуются в два множества с единицами измерений: (масштаб вейвлета (частота), время) и (фаза сигнала, время). В вейвлетном преобразовании (1) масштабу a вейвлета соответствует частота сигнала $ƒ\left(t\right)$ и получаемая числовая матрица ${\phi }_{ƒ}(a,b)$ есть ранжированная от большего (сверху) к меньшему множество частот исследуемого сигнала $ƒ\left(t\right)$, т. е. множество почти случайных разнопериодических циклических процессов, которые по отдельности сравнительно легко могут быть прогнозированы.

В прогнозировании изменений глобального климата, природных сред используются положения: 1) изменения любых гелиокосмических и климатических переменных в текущие моменты времени обусловлены их взаимовлияниями с разными интенсивностями, что выражается в изменении их частотных составов и временных характеристик в фазовых областях; 2) изменения гелиокосмических и климатических переменных в наблюдаемом и прогнозируемом интервале времени могут быть представлены конечным набором усредненных выбранных частот изменений фаз переменных в интервале ±π с высокой точностью; 3) согласованность изменений прогнозируемой переменной с изменениями множества взаимодействующих переменных определяется чувствительностью физической среды изменений исследуемой переменной к воздействиям множества взаимодействующих переменных в фазовых областях.

В работах [10-18] приводятся исследования по прогнозированию переменных, формирующих климат на Земле, солнечной активности с использованием нейронных сетей и временных рядов. Недостатком этих методов является то, что при этом решаются сложные оптимизационные задачи в пространстве многих переменных, осуществляется подбор весовых коэффициентов модели прогнозируемой переменной в результате анализа реальных значений этой переменной и минимизации рассогласования реальных значений переменной с ее моделью в целевой функции многих переменных, при использовании которых наблюдается рассогласование между реальными наблюдениями и обобщениями нейронных сетей, неадекватностью модели и реальных данных на длительных интервалах прогнозирования. В существующих методах прогнозирования гелиокосмических и климатических переменных не учитывается тот факт, что изменение каждого из них обусловлено взаимовлияниями групп гелиокосмических и климатических факторов, изменяющих частотный состав прогнозируемой переменной; результатом прогнозирования в известных методах прогнозирования является незначительный горизонт прогнозирования.

В работе результаты исследований, характеризующие цикличность и силу взаимовлияний многих факторов в климатических изменениях Земли, отражаются полученными многочисленными графиками.

Обусловленность изменчивости сложной климатической системы изменениями множества взаимодействующих факторов исследуются и в работах нобелевских лауреатов по климату, в которых не приводятся конкретные примеры прогнозирований, позволяющие оценить их эффективность [19].

Цель исследования: применение эффективного вейвлетного фазового метода анализа временных рядов [3, 4] для: 1) продолжения исследований о ведущем влиянии барицентрических движений Солнца на изменчивость гелиокосмических, климатических переменных, природных катастроф и пожаров; 2) прогнозирования изменений вейвлетных фазо-временных характеристик гелиокосмических и климатических переменных, глобальной температуры, вулканических извержений, уровня мирового океана, природных катастроф, морского течения Гольфстрим и региональных пожаров на продолжительный временной горизонт по данным инструментальных измерений на сотни лет; 3) прогнозирования палеоклиматических рядов, реконструированных по результатам изучения ледяных кернов со станции «Восток» в Антарктиде, донных отложений в Антарктике, орбитальных элементов Земли за последние 422 тыс. лет, на сотни тыс. лет; 4) вычисления коэффициентов согласованностей изменений заданных групп переменных в наблюдаемом и прогнозированном интервалах времени как колебательных контуров.

Исходные данные

Решение задачи производится с использованием графиков изменений гелиокосмических и климатических переменных, природных сред, природных катастроф и пожаров, приведенных в мировой научной литературе, включая и исследования ледовых кернов, характеризующих изменение глобального климата в историческом прошлом.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Выбор состава гелиокосмических и климатических переменных, определяющих климат на Земле по данным инструментальных измерений

В исследованиях [3, 4, 6-9] обнаруживается, что основными факторами, определяющими изменения климата на Земли, являются взаимообусловленные изменения гелиокосмических и климатических переменных: барицентрических движений Солнца (Baricentr) [20], солнечной активности (Sact) [21], многолетней солнечной инсоляции (Insol) [22], угла наклона Земли (Naklon) [22], вулканических извержений (Vulkan) [23], парниковых газов, из которых в исследованиях использованы изменения двуокиси углерода $C{O}_2$ [24], общее содержание озона (ОСО) в атмосфере [25], магнитного поля Солнца (MPS) и Земли [26], уровня мирового океана (YMO) [27], землетрясений (Z.Tres) [28], скорости вращения Земли (Vel.Zemly) [29], вариаций многодекадных Североатлантических колебаний (АМО) [30], морского течения Гольфстрим в океане [31], вариаций солнечного ветра (var.S.Veter) [32], вспышек плазмы Солнца, магнитных бурь (M.Bury) [33], солнечная радиация (Srad) [34], температуры поверхности океана (ТPO) [35] и приповерхностной температуры воздуха (TPV) [36], осцилляций Эль-Ниньо (E/N) [37], осадков в мире (Osadky) [38], теплосодержания океана в 700 метровом слое (Teplo.ocn) [39], температуры воздуха в Арктике (T.Arcticy) [40], глобальной температуры (T.global) [41], температуры в России (T.Rus) [42], температуры воздуха на северном и южном полушариях Земли (NH-Temp, SH-Temp) [43], ураганов (Uragan) [44], стихийных бедствий (Disasters) [45], аккумулированной энергии циклонов (Acc.En.Ciclonov) [46],

На графиках рисунка 1 приведены относительные изменения вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристик гелиокосмических и климатических переменных, характеризующих изменение климата на Земле по наблюдениям в 1900–2020 годы, обусловленных их взаимовлиянием как колебательных контуров. Переменные на графиках фазо-частотных характеристиках группируются по направленностям изменений фазовых характеристик на высоких периодах изменений, масштабах вейвлета и смешаны по частотам относительно друг друга. Эти особенности изменений переменных в частотной области отражаются на почти хаотических и сгруппированных периодических изменениях этих же переменных во временной области, приведенных на графиках с и d рисунка 1. На графиках b фазо-частотных характеристиках переменных выделены две группы. В нижней части графиков b рисунка 1 находятся изменения сильно согласованных друг с другом переменных (Baricentr, Insol, Vulkan, , MPS, MPZ, AMO,YMO, Golfsrim и вариаций скорости солнечного ветра (var.S.wind)). В верхней части графиков b рисунка 1 находятся изменения значительно согласованных температурных переменных (T.Rus, TNH, TSH, T.global, T.Arct), TPO, TPV, E/N, Teplo.ocn), Первая группа переменных согласована с изменениями второй группы, за исключением изменений температуры в южном полушарии (TSH) с k = -(0,21÷0,82). Изменения TSH существенно согласована с изменениями: Sact, MMP, Ap-index, OZON, YMO, Teplo.ocn, TPO, TPV, T.global, T.Rus, T.Arct c k = |0,13÷0,45|.

Рисунок 1. Графики изменений вейвлетных: a), b) фазо-частотных $a1\_\phi (a,\overline{b})$ и с), d) фазо-временных $a2\_\phi (\overline{a},b$ характеристик групп гелиокосмических и климатических переменных; e) и f) изменений коэффициентов корреляций k (согласованностей) вейвлетных фазо-временных характеристик групп гелиокосмических и климатических 28-и и 8-и переменных, соответственно: Baricentr, Vulkan, , MPZ, Golfstrim, температур в Арктике (T.Arct), России (T.Rus), северном (TNH) и южном (TSH) полушариях, на планете (T.global)) в интервалах времени 1900–2020 годы по наблюдениям 18, 20, 23 лет в скользящем режиме с параметрами (n1,n2), где n1-число переменных, n2 – число дискретнов в скользящем окне наблюдений; g) и h) фазо-частотных и фазо-временных характеристик: Baricentr, Sact, Naklon, NMPS, MPZ, Vulkan, $C{O}_2$, Tglobal и концентраций озонового слоя по наблюдениям над Арозой (OCO Aroza) и на широтах северного и южного полушарий по наблюдениям в 1970-2012 годы: global (60⁰S-60⁰N), NH (30⁰N-60⁰N), tropics (25⁰S-25⁰N), SH (60⁰-30⁰S), NH march (60⁰N-90⁰N), SH October (60⁰S-90⁰S); i) и j) согласованности изменений k озонового слоя в атмосфере над Арозой и на полушариях Земли на разных широтах (n=7 переменных) и согласованности изменений гелиокосмических переменных (Baricentr, Sact, Naklon, NMPS, MPZ, Vulkan, $C{O}_2$) озонового слоя в атмосфере в полушариях NH и SH Земли и глобальной температуры (n=15) по наблюдениям за переменными в 1970–2012 годы (графики получены коррелированием фазо-временных характеристик переменных в скользящем режиме по наблюдениям 4, 5 и 6 лет); k), l), m) и n), o), p) – графики изменений переменных Baricentr, Sact, Tprizemn (global) и их вейвлетных фазо-временных характеристик $a2=-{\phi }_{ƒ}(\overline{a},b)$, $2a2=-{\phi }_{a2}(\overline{a},b)$, $3a2=-{\phi }_{2.a2}(\overline{a},b)$ полученных по наблюдениям в 1900–2020 годы.

На графиках d рисунка 1 с фазо-временными характеристиками: Baricentr, Vulkan, , MPZ, Golfsrim, E/N, T.Rus, TNH, TSH, T.global, T.Arct, изменяющиеся в интервале наблюдений в 1900–2020 годы, наблюдается перемежаемость, сучайность изменений направлений, волны кривых в интервале 1900–2000 годы в почти периодическом режиме; то же самое наблюдается и на графиках c, h рисунка 1.

На графиках изменений вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристик гелиокосмических и климатических переменных отражаются их интенсивность изменений; отражается теснота связи между группами переменных в частотной и временной областях, обусловленность изменений климатических переменных изменениями гелиокосмических переменных, циклический рост согласованностей изменений переменных при приближении к современности; отражается теснота согласованности изменений озонового слоя в атмосфере в полушариях Земли c изменениями гелиокосмических переменных: барицентрических движений Солнца (Baricentr), солнечной активности (Sact), угла наклона Земли (Naklon), напряженности магнитного поля Солнца (NMPS), магнитного поля Земли (MPZ), вулканических извержений (Vulkan), парникового газа $C{O}_2$ в наблюдаемом интервале времени изменяется в интервале k = 0,65÷0.97. При этом на графиках d рисунка 1 наблюдается, что вейвлетные фазовые характеристики $a2=-{\phi }_{ƒ}(\overline{a},b)$, соответствующие интенсивности изменений температур в Арктике (T.Arct), России (T.Rus), в Северном полушарии (TNH), глобальной температуры (T.global) и в Южном полушарии (TSH) с начала 2000 годов, располагаются в ранжированном порядке от большей интенсивности изменений температур на территориях к меньшей, что обусловлено свойством самонастраивающейся многокомпонентной динамической климатической системы, географической структурой Земного шара, динамикой океанических течений, структурами магнитных полей Солнца и Земли, установившимися солнечно-земными связями.

На графиках е и f рисунка 1 отображаются динамики согласованностей изменений совокупностей гелиокосмических и климатических переменных по наблюдениям в 1900–2020 годы: на графиках e, – изменения коэффициентов корреляций k n=28 гелиокосмических и климатических переменных, на графиках f согласованности изменений n=11 переменных: Baricentr, вулканических извержений (Vulkan), $C{O}_2$, MPZ, Golftsrim, температурных переменных (T.Arct, T.Rus, TNH,T.global, TSH). На графиках коэффициенты корреляций изменяются в колебательном режиме с циклами около 35 лет. Росту коэффициента соответствует рост согласованности переменных, потепление; падению коэффициента корреляции между переменными соответствует похолодание. На графиках e наблюдается рост согласованности, взаимоусиление всех 28 наблюдаемых переменных с начала наблюдений 1900 года с k=0,39 до k=0,82 в 2010 г. по нелинейному закону.

На графиках f также отображается изменение, рост парникового эффекта к современности взаимодействием переменных: Vulkan, $C{O}_2$ и перечисленных температурных составляющих. Графики e и f рисунка 1 отображают то, что изменение климата на Земле является результатом взаимодействия множества гелиокосмических и климатических переменных, «притирающихся» друг другу многие миллионы лет влиянием главного действующего фактора; отражается изменчивость согласованностей множества климатообразующих переменность. Графики получены коррелированием исследуемых кривых фазо-временных характеристик $a2=-{\phi }_{ƒ}(\overline{a},b)$ переменных в интервалах корреляций 18, 20, 23 лет с вычислениями средних (mean) и максимума (max) в матрице корреляций между переменными в скользящем режиме (матрица корреляций между переменными в заданном окне наблюдений в Matlab вычисляется процедурой ‘corrcoef’).

Графики i и j рисунка 1 характеризуют цикличность согласованности изменений озонового слоя в атмосфере на разных широтах полушарий Земли влияниями факторов и рост согласованности изменений глобальной температуры с изменениями озонового слоя в атмосфере в полушариях при приближении к современности с периодичностью около 11 лет.

На графиках n, o, p рисунка 1 отображаются свойства переменных Baricentr, Sact, Tglobal после последовательных преобразований: $a2=-{\phi }_{ƒ}(\overline{a},b)$, $2a2=-{\phi }_{a2}(\overline{a},b)$, $3a2=-{\phi }_{2.a2}(\overline{a},b)$, детали и интенсивности изменений переменных в разных временных интервалах, дискретность, структурированность изменений частот переменных с единицами измерения (фаза, время), приведенных на графиках k, l, m рисунка 1 с разными единицами измерений, неуловимых обычным зрением. На графиках n, o, p обозначаются 1920–1925, 1980 годы с особенностями, которые трудно заметны на исходных графиках k, l, m рисунка 1, характеризующие климатические изменения.

Анализ согласованности изменений гелиокосмических и климатических переменных в фазо-временной области в разных интервалах наблюдений с изменениями барицентрических движений Солнца

Целью анализа является установление согласованности изменений многих физических процессов, наблюдаемых и измеряемых с использованием современных инструментов, в компонентах климатической системы Земли: атмосферы, гидросферы, криосферы, литосферы и биосферы, связанных с процессами, происходящими в недрах Солнца, волновой и лучистой энергии Солнца с барицентрическим движением Солнца (Baricentr). Такими измерениями (наблюдениями) являются, например: солнечная активность (Sact), инсоляция (Insol), радиация (Srad), вариации солнечного ветра (Var.S.veter) [32], скорости дрейфов магнитных полюсов Земли (северного (MPZN) и южного (MPZS)) [47], магнитное поле Земли (MPZ) [48], напряженность магнитного поля Солнца (NMPS) [49], геомагнитные бури (M.bury) [33], изменение магнитного момента Земли (MMZ) [48], вариации скорости солнечного ветра (V.S.veter) [26], реконструированной скорости изменений солнечного ветра (V.Recon.S) [49], изменение продолжительности суток (LOD), землетрясений (Z.Tres) [28], вулканических извержений (Vulkan), и других переменных в интервале наблюдений 1910–2012 годы; наблюдения Sact, Vulkan, $C{O}_2$, $C{H}_4$, $N_{2}O$, Temp, полученные в интервале 1610–2012 гг.

Анализ основан на вычислении вейвлетных фазо-частотных $a1={\phi }_{ƒ}(a,\overline{b})$ и фазо-временных $a2=-{\phi }_{ƒ}(\overline{a},b)$ характеристик множества наблюдаемых переменных ${ƒ}_i\left(t\right)$, $i=\mathrm{1,...,}n$ как наиболее информативных в изменении переменных, их отображении на изображениях при необходимости и графиков, в вычислении мер согласованностей их изменений в частотной и временной областях. Для удобства анализа разделим множество переменных на группы. В первую группу включены барицентрические движения Солнца (Baricentr) и переменные, характеризующие изменения, происходящие в недрах Солнца и Земли: солнечная активность (Sact), инсоляция (Insol), солнечная радиация (Srad), реконструкция скорости солнечного ветра (V.recontr.S), смещений (дрейфы) магнитных полюсов Земли (северного (MPZN) и южного (MPZS)), магнитное поле Земли (MPZ), магнитные бури (M.bury), напряженность магнитного поля Солнца (NMPS), магнитный момент Земли (MMZ), вариации солнечного ветра (V.S.Veter), землетрясения (Z.Tres), колебания длительности суток (LOD). На графиках a рисунка 2 представлены относительные изменения фазо-частотных характеристик перечисленных выше переменных по наблюдения в 1910–2010 годы.

Рисунок 2. Графики вейвлетных фазо-частотных характеристик (ВФЧХ) гелиокосмических и климатических переменных и согласованностей k указанных на графиках групп переменных в фазо-временной области в интервалах наблюдений: а) ВФЧХ движений Солнца и переменных, характеризующих активность Солнца и Земли (Baricentr, Sact, Insol, Srad, V.reconstr.veter, MPZN, MPZS, MPZ, M.bury, NMPS, MMZ, V.S.veter, Z.Tres, LOD), b) изменений коэффициента k n=14 переменных, перечисленных выше, с) изменений коэффициента k Baricentr и скоростей дрейфа магнитных полюсов Земли MPZN и MPZS; d) ВФЧХ переменных (Baricentr. Sact, Vulkan, $C{O}_2$, $C{H}_4$, $N_{2}O$, Tglobal) по наблюдениям в 1610–2012 годы [20, 23, 51, 52, 53]; изменений коэффициента k: e) Baricentr, Sact, f) Baricentr, Sact и Vulkan, g) парниковых газов $C{O}_2$, $C{H}_4$, $N_{2}O$, влиянием вулканических извержений Vulkan, h) Tglobal влияниями $C{O}_2$, $C{H}_4$, $N_{2}O$ (парниковый эффект); i) всех n=7 переменных, перечисленных в d влиянием переменной Baricentr; j) скорости вращения Земли V.Zemly, YMO, осадков на Земле (Osadky), льдов а Арктике (Led.Srct), наступающих льдов в полушариях (Lednicy,nast.NSH) Земли, морских льдов (Led.More) влиянием переменной Baricentr в интервале наблюдений 1900–2005 годы; k) Baricentr, концентрации озонового слоя в атмосфере в полушариях Земли (n=7), $C{O}_2$ по наблюдениям в 1970–2010 годы; l) Baricentr, изменения уровня Каспийского моря по наблюдениям в 1840–2018 годы; m) Baricentr, изменения интенсивности течения Гольфстрим; n) Baricentr, Vulkan, землетрясения Z.Tres; o) Baricentr, Vulkan, Z.Tres, LOD, dPOtkl по наблюдениям в 1910–2010 годы; p), q) вейвлетные фазо-временные и r), s) фазо-частотные характеристики изменений температуры воздуха в странах и территориях, расположенных на теплых и холодных районах Земли по наблюдениям в 1957–2010 годы: в Антарктиде, в пунктах Халли и Восток [54], Оймяконе [55] и Верхоянске [56], Якутии [57], в Арктических Хатанге [58] и Акюрейри [59], Афинах, Аргентине, Калифорнии, Бразилии, Ираке, Израиле, Мали, южной Африке, Сирии, Мехико, Ливии, Аляске, Канаде, Гренландии [60], а также изменений переменной Baricentr; t), u) изменений коэффициента согласованности k переменных: Baricentr, аккумулированной энергии циклонов (асс.En.Ciclon), магнитных полей Солнца и Земли (NMPS, MMZ, MPZ, Mbury, реконструированной скорости солнечного ветра (RSW) с изменениями приземных температур в южных и северных территориях Земли, приведенных на графиках p и q рисунка 2 соответственно.

В таблице 1 и на графиках рисунка 2а наблюдается значительная согласованность с k = |0,21÷0,93|изменений фаз переменных в частотной области, за исключением изменений солнечной радиации (Srad) с изменениями барицентрических движений Солнца в наблюдаемом интервале времени. В интервале наблюдений 1850–2050 годы переменные Srad и Baricentr в фазо-частотной области согласованы с k = - 0,15, в фазо-временной области с k = 0,39.

Таблица 1. Коэффициентов корреляций переменных, характеризующих вариацию солнечной активности, магнитных полей Солнца и Земли, землетрясений и вращение Земли в фазо-частотной области с изменениями Baricentr по наблюдениям в 1910–2012 годы

На графиках рисунка 2b отображается согласованность изменений группы 13 переменных, приведенных в таблице 1 с изменениями барицентрических движений Солнца (Baricentr) в фазо-временной области, на которых наблюдаются согласованный рост фаз изменений группы переменных с 1980 годов к современности.

На графиках рисунка 2с отображаются изменения скорости движений магнитных полюсов Земли: северного (MPZN) и южного (MPZS), согласованные с изменениями Baricentr в фазо-временной области; наблюдается снижение фаз изменений переменных, обусловленное снижением скорости движений магнитных полюсов при приближении к современности, отмеченное и в работе [50]. Графики b и c на рисунке 2 получены усреднением матрицы корреляций переменных $a2=-{\phi }_{ƒ}(\overline{a},b)$ в окнах 20, 22, 24 лет наблюдений в скользящем режиме.

На графиках е÷i рисунка 2 отображаются согласованности изменений n=7 второй группы переменных: Baricentr, Sact, Vulkan, $C{O}_2$, $C{H}_4$, $N_{2}O$, Tglobal по наблюдениям в 1610–2012 годы в фазо-частотном и фазо-временном областях. На графиках d кривые фазо-частотных характеристик Sact, Vulkan, $C{O}_2$, $C{H}_4$, $N_{2}O$, согласованы с изменениями Baricentr с k = |0,48÷0,77|, изменения глобальной температуры согласованы с изменениями Baricentr с k = - 0,13.

На приведенных графиках и числовых характеристиках согласованностей изменений гелиокосмических переменных, парниковых газов в атмосфере и глобальной температуры в продолжительное время проявляется ранжированность, обусловленность влияния групп переменных на изменение климата: активизация деятельности Солнца влиянием барицентрических движений Солнца, активизация вулканических извержений влиянием переменных Baricentr и Sact, изменчивость производства парниковых газов в атмосфере с изменениями вулканических извержений, активизация температурных изменений с изменениями концентрации в атмосфере парниковых газов, парникового эффекта. На графиках е÷i рисунка 2 наблюдаются значительные согласованности изменений сравниваемых переменных с V = 0,48÷0,62 изменениями барицентрических движений Солнца в продолжительном интервале наблюдений, проявляются особенности изменений солнечной активности и солнечной постоянной: минимумы в окрестностях 1700, 1800, 1900, 1960 годов, согласованные с изменениями переменной Baricentr.

В изменениях многочисленных гелиокосмических и климатических переменных в наблюдаемых интервалах времени влиянием барицентрических движений Солнца и взаимовлияний составляющих группы на графиках аппроксимаций второго порядка на рисунках обнаруживаются два типа изменчивости тесноты связи, – положительная и отрицательная согласованности между множествами переменных. При положительной тесноте связи наблюдается рост коэффициента согласованности между переменными при приближении к концу интервала наблюдения. На графиках рисунка 2 к такому типу связи между переменными относятся все графики, кроме графиков с и j. К отрицательному типу относятся падение скоростей движений магнитных полюсов Земли влиянием переменной Baricentr (графики с на рисунке 2), и изменения переменных (скорости вращения Земли (V.Zemly), YMO, Osadky, Led.Arct, наступательных составляющих ледников на полушариях Земли (Lednicy,nast.NSH), морских льдов (More.Led)) влиянием переменной Baricentr, – графики j на рисунке 2. На длительных интервалах наблюдений, например, на графиках рисунка 2, проявляются оба типа согласованностей изменений переменных.

Приведенные графики, уровни согласованностей изменений элементов системы, характеризуют отклики взаимодействий между гелиокосмическими и климатическими переменными в самоорганизующейся климатической системе Земли на воздействие барицентрических движений Солнца (Baricentr), вулканических извержений и парниковых газов в фазо-временной области в продолжительных интервалах вемени.

На графиках рисунка 2 проявляются закономерности: 1) изменения гелиокосмических и климатических переменных: солнечной активности, напряженности магнитных полей Солнца и Земли, инсоляции, вулканических извержений, землетрясений, парниковых газов и озонового слоя в атмосфере Земли, изменений температуры поверхности и уровня океана, аккумулированной энергии тропических циклонов и природных бедствий, глобальной температуры в фазо-временной области по наблюдениям в 1900–2020 годы значительно согласованы, с k=|0,51÷0,74| в среднем и обусловлены изменениями барицентрических движений Солнца; 2) в фазо-частотной области (графики a, b, g на рисунке 1), основной характеристики взаимообусловленностей изменений гелиокосмических и климатических переменных, согласованности изменений между гелиокосмическими переменными (Sact, Insol, Naklon, Vulkan, $C{O}_2$, Ozon, MPS, MPZ, Srad, YMO, TPV, TPO, En.Trop.Cicl, E/N) и переменной Baricentr значительны с k = |0,42-0,94|. Это означает, что частотные характеристики этих переменных и их изменения по фазе значительно согласованы с изменениями Baricentr в частотной области; имеется существенная согласованность и изменений климатических переменных (T.global, T.Arct, TNH, TSH), ураганов, природных катастроф (Uragan, Disasters) и Baricentr с k = ~|0,1-0,72| в фазо-частотной области; 3) изменения содержания наступающей составляющей горных ледников на полушариях Земли, интенсивность теплого течения Гольфстрим, уровня Каспийского моря, составляющих мирового водного баланса: стоков крупных рек, состояний ледников на полушариях, уровней морей и озер, уровней промерзаний почв [61], процессов, происходящих на Солнце [6], глобальное потепление [7], также обусловлены изменениями барицентрических движений Солнца; 4) на графиках i рисунка 2 по данным переменных Baricentr, Sact, Vulkan, $C{O}_2$, $C{H}_4$, $N_{2}O$, Tglobal в 1610–2012 годы наблюдается переломное время изменения современного климата, – это 1800 годы; в эти годы главные факторы климатической системы с фазы несогласованных изменений переходят в фазу согласованно возрастающих.

По наблюдениям в 1910–2020 годы интенсивность изменения теплого течения Гольфстрим согласована с изменениями Baricentr c k = 0,97 в фазо-частотной области и с k = 0,88 в фазо-временной области, согласовано изменение солнечной активности Sact с изменениями Baricentr с k = 0,77 в фазо-частотной области и с k = 0,81 в фазо-временной области по наблюдениям в 1610–2012 гг. Изменение уровня Каспия согласовано с изменениями Baricentr с k =- 0,97 в фазо-частотной области и с k =- 0,41 в фазо-временной области по наблюдениям в 1840–2016 гг.; изменение энергии тропических циклонов согласовано с изменениями Ваricentr с k = 0,90 и k = 0,61 в фазовых областях по наблюдениям в 1900–2020 годы, вулканических извержений с k =0,60 и k = 0,71 по наблюдениям в 1595–2014 гг., льдов в Арктике с k =0,68 и k = 0,28 к изменениям Baricentr по наблюдениям в 1900–2005 гг., соответственно.

Анализом графических изображений вейвлетных фазо-временных функций ${\phi }_{ƒ}(a,b)$ и ${\phi }_{a2}(a,b)$ по наблюдениям в 1002–2251 годы оценены периоды изменений барицентрических движений Солнца в годах: 500,5, 178,5, 97,1 (23,8), 80,1 (21,0), 54,5 (11,2), 41,2 (11,9), 37,8 (11,2), 22,7 (6,6), 12,3 (3,8), 6,3 (1,8) (в скобках указаны ско $C{O}_2$ в разрезах изображений при заданных значениях k масштаба вейвлета). Некоторые из этих периодов наблюдаются и на разрезах изображений вейвлетных фазо-временных функций всех гелиокосмических и климатических переменных. В изменениях солнечной активности $Sact$ по наблюдениям в 1610–2012 гг. обнаруживаются периоды в годах: 179,9, 53,5 (13,4), 39,6 (8,4), 21,3 (4,8), 12,1 (1,0), 6,2 (2,0), близкие к периодам изменений Baricentr; в изменениях $C{O}_2$ по наблюдениям в теже годы наблюдаются периоды: 176,9, 86,7 (23,0), 59,5 (10,7), 33,5 (4,8), 20,6 (3,0), 12,6 (3,0), 8,0 (2,9). Периоды изменений на графиках гелиокосмических и климатических переменных в окрестности 178 года, цикла Жозе [2], найдены также на разрезах изображений ${\phi }_{ƒ}(a,b)$ переменных: Sconst, $C{H}_4$, $N_{2}O$, реконструированного графика изменений солнечного ветра [49], явления Эль-Ниньо [37], уровня Каспийского моря [64], температуры в Гренландии (T.Grenl) [60], отклонениях угловой скорости вращения Земли от эталонной величины (dPotkl) [65] в изменениях фазо-временных характеристик $a2=-{\phi }_{ƒ}(\overline{a},b)$ переменных по наблюдениям в 1600–1968 гг. Период Жозе найден в графике изменений скорости снегонакопления с 1640 по 2014 гг. в Индоокеанском секторе Антарктиды, полученным геохимическим анализом ледяных шурфов и стратиграфических описаний снежных шурфов [66]; в спектре изменений имеются также периоды в годах: 170,4, 84,5, 67,7, 42,7, 30,7, 23,7, 20,9, 18,7, 12,3, 9,5, 4,4, некоторые из которых содержатся и в спектре периодов Baricentr. В интервале наблюдений графики ВФЧХ и ВФВХ скорости снегонакопления и Baricentr изменяются в противофазах и согласованы с k1 = - 0,25 и k2 = 0,04; в окрестностях 1765, 1820, 1912, 1998 годов на графиках ВФВХ $a2=-{\phi }_{ƒ}(\overline{a},b)$, $2a2=-{\phi }_{a2}(a,b)$ скорости снегонакопления наблюдаются перестройки в режиме изменений переменной, обусловленные изменениями Baricentr. В статье [62] обсуждается динамическая синхронизация колебаний климата океана с барицентрическим движением Солнца.

Получены значительные согласованные изменения барицентрических движений Солнца (Baricentr) с изменениями переменных, содержащих в своих изменениях ~178–летние циклы Жозе: Sact, Sconst, RSW, T.Grenl, E/N, Kaspy, $C{O}_2$, $C{H}_4$, $N_{2}O$, dPotkl и Vulkan, T.global по наблюдениям за переменными в 1600–1967,3 годы с k = |0,37÷0,96| в фазо-частотной области и с k = |0,39÷0,95| в фазо-временной области (с k = 0,04 c T.global); в наблюдаемом интервале времени изменения T.Grenl, Kaspy, Vulkan, T.global происходили в противофазе с изменениями основной группы переменных, с изменениями Baricentr, характерное в изменениях глобального климата.

Значительные согласованные изменения переменной Baricentr c резонансными изменениями гелиокосмических и климатических переменных, с изменениями процессов, происходящих на Солнце, в средах климатической системы в разных интервалах времени наблюдений в фазовых областях (частотном, временном), приведены в статьях [3, 4, 6-9]. Они показывает значительную согласованность изменений гелиокосмических переменных, изменений магнитных полей Земли и Солнца, энергии циклонов, изменений тепловой энергии океана, приповерхностной температуры над океанами, уровней мирового океана, озер и стоков рек, глубин оттаиваний вечных мерзлот, таяния ледников и многое другое с изменениями барицентрических движений Солнца с k ~|0,31-0,87| в фазо-частотной области.

В изменениях глобального климата в разных группах переменных наблюдаются противофазные изменения, но есть временные интервалы, в которых изменения большинства переменных в фазо-временной области происходят в одной фазе, согласованно, которые соответствуют глобальному потеплению, росту парникового эффекта. Такие рисунки наблюдаются на графиках c и d, e и f рисунка 1.

На графиках n и o рисунка 2 отображается глубокая циклическая связь грозных для людей процессов вулканических извержений Vulkan и землетрясений Z.Tres с k = 0,86, обусловленные вращением Земли, изменениями переменных LOD, dPOtkl, V.Zemly воздействием переменной Baricentr c k = 0,19–0,22 в фазо-частотной области по наблюдениям за переменными в 1900–2010 гг. В работе [67] указана связь изменений вулканических извержений, землетрясений и вращательных движений Земли, но не указана основная причина этих изменений, – гравитационное воздействие барицентрических движений Солнца.

Изменения вейвлетных фазовых характеристик температурных переменных в южных теплых и северных холодных регионах Земного шара по наблюдениям в 1957–2010 гг.

Известны различия изменений приземной температуры в теплых и холодных странах, населенные пункты с аномально, в среднем, высокими и низкими температурами. Целью исследований является установление характерных признаков, причин таких аномалий.

В исследованиях использованы графики изменений приземных температур в разных регионах, метеостанциях земного шара: жарких, холодных, с аномальными признаками. Анализированы графики изменений температур в: в среднем в Антарктиде (Antarctica), в пунктах Халли (Ant.Halley) и Восток Антарктики(Ant.Vostok), Оймяконе (Oymjakon) и Верхоянске (Verchojnsk) в Якутии, в Арктических Хатанге (Arct.Hatanga) и Акюрейри (Arct.Akurery), Афинах (Afina), Аргентине (Argentina), Калифорнии (Calisorny), Бразилии (Brazil), Ираке (Irak), Израиле (Izrail), Мали (Maly), южной Африке (S.Africa), Сирии (Siria), Мехико (Mexico), Ливии (Livia), T 0-90 Zona, Аляске (Alaska), Канаде (Canada), Гренландии (Grenlandy); анализированы также графики изменений Baricentr, NMPS, MMZ, MPZ, Mbuy, RSW, AccEnCiclon.

На графиках p и q рисунка 2 представлены графики относительных изменений фазо-временных характеристик температурных переменных стран, пунктов, принадлежащих к южным теплым и северным холодным регионам, соответственно. При этом изменения кривых на графиках коррелированы с k1 = (0,75 - 0,98) и k2 = |0,16 - 0,91|; кривые на графиках в интервале наблюдений согласованы с v1 = 0,74 и v2 =0,36. (Коэффициенты корреляций  значимы с вероятностью 0,95 по критерию Стьюдента [63]). По графикам изменений вейвлетных фазо-временных характеристик группы исследуемых температурных переменных на территориях наблюдается значительный разброс в изменениях переменных на северных холодных территориях по сравнению с изменениями переменных, полученных в южных теплых регионах, обусловленный изменениями переменной Baricent, магнитных полей Солнца и Земли.

Графики p и q являются яркими показателями отличий изменений климата на разных широтах земного шара влияниями комплекса гелиокосмических и климатических переменных системы, изменяемые движением Солнца относительно центра солнечной системы, влияниями планет-гигантов системы: Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. На этих графиках отражаются укоренный рост приземной температуры и хаотичность ее изменений на северных широтах по сравнению с ее изменениями в южных широтах.

Графики r и s на рисунке 2 характеризуют относительные изменения исследуемой группы тех же переменных в фазо-частотной области, не совпадающее с распределением переменных в фазо-временной области, они изменяются в противофазах. В этой области не наблюдается разделение переменных по региональным, теплым, холодным признакам. На графиках наблюдаются две группы распределений переменных в фазо-частотной области, образованные: 1) областью притяжения фазо-частотной характеристики (ФЧХ) изменения температуры а Антарктике (графики r), численные значения фаз низких частот переменных отрицательные; 2) областью притяжения ФЧХ изменений переменной Baricentr (графики s), численные значения фаз переменных на низких частотах положительные; наблюдается разделение второй группы на две составляющие. В составе переменных имеются составляющие, склонные к положительным изменениям фаз частот; к ним относятся изменения ФЧХ температур в Гренландии и Аляске.

Графики t и u на рисунке 2 отражают циклически разную согласованность приземных температурных изменений в теплых южных и прохладных северных регионах земного шара по наблюдениям за переменными в 1957–2010 годы влияниями барицентрических движений Солнца и аккумулированной энергии тропических циклонов; наблюдается существенная несогласованность, хаотичность с отношением d = 0,72/0,34 = 2,1, изменений температур на разных регионах в северной части, по сравнению с согласованными изменений температур в теплых (жарких) южных регионах. На графиках присутствуют 6, 10, 11, 16, 17, 19–летние циклы согласованных изменений температур воздуха на территориях.

Цикличность наблюдается в изменениях всех переменных климатической системы Земли с присутствием хаотической составляющей, обусловленной действиями и взаимодействиями как гелиокосмических, так и климатических, земных факторов, изменяющиеся барицентрическим движением Солнца, гравитационными силами.

Анализ согласованностей изменений природных пожаров, катастроф, ураганов, наводнений с изменениями гелиокосмических и климатических переменных и барицентрических движений Солнца

Представляют значительный интерес первопричины разрушительных природных явлений, таких как пожары, ураганы (смерчи, торнадо), половодья и наводнения и др. Заметим, что эти процессы также являются природными и возникают при взаимодействии воздушных потоков с океаном, водной средой при определенных температурных условиях; разряды молнии, трение деревьев, самовозгорания некоторых веществ при определенных условиях окружающей среды, при хранении торфяных пластов при определенных климатических и микробиологических условиях, многое другое, и конечно, человеческий фактор. Все это происходит в окружающей нас среде с определенными климатическими условиями.

Эти условия могут быть установлены вычислением, построением графиков и анализом изменений вейвлетных фазо-частотных $a1={\phi }_{ƒ}(a,\overline{b})$ и фазо-временных $a2=-{\phi }_{ƒ}(\overline{a},b)$ характеристик множества взаимодействующих переменных: природных катастроф, ураганов, пожаров, изменений стоков ${ƒ}_i\left(t\right)$, $i=\mathrm{1,...,}n$ с изменениями переменной Baricentr в соответствующих равных интервалах времени. На графиках рисунка 3 отражены относительные изменения групп исследуемых переменных в фазо-частотной области и согласованностей изменений этих групп в фазо-временностей области в наблюдаемых интервалах времени с изменениями гелиокосмических переменных, с изменениями главного фактора, – барицентрических движений Солнца.

Рисунок 3. Графики изменений вейвлетных фазо-частотных характеристик гелиокосмических, климатических переменных, наблюдений осадков, пожаров, природных катастроф, наводнений, стоков и уровней крупных рек и согласованность их изменений с изменениями Baricentr и других переменных в фазо-временной области: а) Baricentr, Insol, Naklon,Vulkan, $C{O}_2$, Srad1, OCO Aroza, явление Эль_Ниньо (E/N), магнитный момент Земли (MMZ [26]), магнитное поле Земли (MPZ) [49], число природных катастроф (N.Disaster) [68] и ураганов (N.Uragan [69], T.global, аккумулированная энергия тропических циклонов (En.Tr.Ciklon [70]) по наблюдениям в 1981–2018 гг.; b) Baricentr, количество (N) и площади (S) пожаров в частях света: Alaska.N, Alaska.S, Avstraly.S, Californy.S, Canada.S, Canada.N, Maly.S, Portugaly.S, Portugaly.N, Rus.N, Spain.S, Irkutsr.S, Irkutsk.N [71], ХМАО (X/M).S, En.Tr.Ciklon по наблюдения в 1985–2015 гг.; c) Baricentr, осадки, температуры в странах света: Azia Africa, Land, Avstraly, Evropa, N.America, S.America, Total, T.Irkutsk [72], X/M [73, 74], T.global, En.Tr.Ciklon по наблюдениям в 1981–2018 гг.; d) Baricentr, стоки (St) и уровни (Yr) морей, рек и озер, наводнений: наводнение в Краснодарском крае (Navodn Kr_dar) (побережье Черного моря), Kaspy [75], ресурс Волги (Res.Volgy [76]), St.Elba, St.Enisey, St.Jana, St.Lena, St.Oby, St.Ural, YMO, Yr.Amur [77], Yr.Neva, St.Neva [78] по наблюдениям в 1945–2014 гг.; графики коэффициентов k корреляций между переменными в фазо-временной области в 4, 5 и 6 лет в скользящем режиме в интервале времени 1981–2018 гг., e) переменных, приведенных на графиках рисунка 3 а; f) переменных Baricentr, MMZ, MMP приведенных на графиках а рисунка 3; g) переменных Baricentr, аккумулированной энергии тропических циклонов (En.Trop.Ciclon), числа природных катастроф (Disastes) и ураганов (Uragan), приведенных на графиках а рисунка 3; h) переменных Baricentr, Osadky n = 11, приведенных на графиках с рисунка 3; i) переменных Baricentr, лесных пожаров (количества и по площади охвата (Pogary)), n = 14 в странах света, приведенных на графиках b рисунка 3; j) переменных Baricentr, пожаров и температур в Иркутской области и ХМАО (Pg.Irkutsk, Temp); k) переменных Baricentr, стоков рек, уровней водоемов (Stoky rek, Uroven), приведенных на графиках d рисунка 3.

В изменениях вейвлетных фазо-частотных характеристик, представленных на графиках a ÷ d рисунка 3 и фазо-временных характеристиках групп гелиокосмических (G/k), климатических переменных, изменений осадков, пожаров, температур, природных катастроф, наводнений, стоков, уровней рек и морей в выбранных в странах света наблюдений в указанных интервалах времени, проявляются глубокая связь, взаимообусловленность, самонастройка колебательных контуров системы друг с другом в частотной и временной областях.

В изменениях переменных проявляются следующие закономерности с изменениями барицентрических движений Солнца: 1) в фазо-частотной области G/k переменные согласованы с $k_1$ = |0,23÷0,89|, пожары с $k_2$ = |0,18÷0,88|, осадки с $k_3$ = |0,48÷0,91|, природные катастрофы и ураганы с $k_4$ = 0,29÷0,92, температуры с $k_5$ = |0,20÷0,96|, стоки, уровни рек и морей, наводнения с $k_6$ = 0,80÷0,96; в фазо-временной области согласованности изменения этих же групп переменных с изменениями переменной Baricentr составили: G/k переменные с $k_1$ = |0,18÷0,60|, пожары с $k_2$ = |0,31÷0,81|, осадки с $k_3$ = |0,21÷0,67|, природные катастрофы и ураганы с $k_4$ = |0,12÷0,70|, температуры с $k_5$ = |0,12÷0,80|, стоки, уровни рек и морей, наводнения с $k_6$ = |0,12÷0,54|; 2) графики согласованности изменений групп переменны с изменениями Baricentr в наблюдаемых интервалах времени циклические с периодичностью около 11 лет; 3) при приближении к современности наблюдается рост согласованности всех групп переменных в Мире в фазо-временной области: осадков, температур, пожаров, стоков рек, морей, наводнений, природных катастроф, ураганов и других характеристик к единице. Это согласуется с тем, что в интервалах времени 1610–2012 и 1900–2018 гг. на графиках исследований наблюдается циклический рост согласованностей изменений гелиокосмических и климатических переменных, приближаясь к единице, рост парникового эффекта взаимодействия парниковых газов в атмосфере и глобальной температуры, рост уровня моря и теплосодержания океана, вулканических извержений на суше и в океане; наблюдается рост приземной температуры как ростом парникового эффекта в атмосфере, так и ростом теплосодержания океана, в том числе, скорее всего, и ростом вулканических извержений в океане; 4) по наблюдениям за переменными в 1980–2018 гг. наблюдается сильное влияние изменений барицентрических движений Солнца: на изменчивость гелиокосмических переменных с V = 0,54, на изменчивость MMZ и MMP с V = 0,57, на изменчивость осадков в странах света с V = ~ 0,60, на возникновение и распространение природных пожаров в странах с V = ~ 0,39, на изменение стоков крупных рек и уровней водоемов, наводнений в мире с V = ~ 0,48, на возникновение и распространение региональных пожаров (в Иркутской области и ХМАО) с V = ~ 0,48.

Исследованы согласованности изменений уровней рек Невы, Эльбы и Амура с изменениями напряженности магнитного поля Солнца (NMPS) и магнитного момента Земли (MMZ) по наблюдениям в 1895–1995 годы с построением графиков изменений; при этом средние значения коэффициентов согласованностей V рек составили: 0,60, 0,63, 0,58, соответственно. Изменения уровней этих рек с вариациями переменной Baricentr согласованы с V ~ 0,60.

Полученные результаты исследований позволяют уточнить принятое понятие климатической системы Земли [79], состоящей из пяти взаимодействующих компонентов: атмосферы, гидросферы, криосферы, литосферы и биосферы введением компоненты планетосферы и понятие активной среды системы [80]. В планетосферу входят Солнце и крупные планеты: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Земля солнечной системы, взаимодействующие и изменяющие траекторию движения Солнца (барицентр) в системе, элементы орбиты Земли (угол наклона, эксцентриситет и прецессия), инсоляцию и солнечную радиацию, скорость вращения Земли, продолжительность земных суток (LOD) и процессы, происходящие в неоднородных средах Солнца и Земли, гелио- и магнитосферу, океанические течения.

Климатическая система Земли как активная среда, автоволны, самоорганизация

Силы гравитации между планетами изменяют координаты центра масс Солнца в солнечной системе и процессы внутри неоднородной по структуре Солнца и Земли, изменяют орбитальные элементы Земли (эксцентриситет, наклон орбиты и климатическую процессию), изменяется энергия Солнца, получаемая Землей (инсоляция) пятью ее компонентами, взаимодействующие между собой. В солнечной системе солнечно-земные взаимодействия происходят в сложных циклических режимах.

В наблюдаемых неоднородных компонентах климата Земли происходят волновые, циклические процессы их изменений во времени, обусловленные изменениями элементов орбиты Земли, инсоляции и свойствами компонент климатической системы Земли, фиксируемые инструментальными датчиками во временных интервалах наблюдений (например, графики a, b, c, d, g, h на рисунке 1). Такими наблюдениями являются: T.global, T.Arct, Vulkan, Z.Tres, LOD, TPO, TPV,NMPS, MPZ. E/N, Osadky, M.bury и многие другие переменные, использованные в работе, в статьях автора [3, 4, 6-9], отражающие изменения в компонентах климатической системы, климат на Земле в соответствующих интервалах наблюдений.

Вычисленные и построенные графики вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристик множества переменных климатической системы на двух рисунках характеризуют их относительную изменчивость. На рисунках с графиками фазо-временных характеристик многих переменных (например, графики c, d, h рисунка 1, графики b рисунка 4), проявляется структура, на которой наблюдается изменчивость согласованности между кривыми (элементами) структуры, изменяется форма и объем структуры во времени, характеризующие изменения климатических компонентов системы, обусловленные изменениями инсоляции, барицентрических движений Солнца, изменениями климатических элементов орбиты Земли, магнитных полей Солнца и Земли и других факторов. Изменяющиеся структуры, автоволны, в динамических системах были обнаружены в реакциях Белоусова-Жаботинского взаимодействия химических реагентов в реакциях, в активных средах [80], в автоволновых процессах (АВП) химических реакций [81].

Активность среды климатической системы Земли обусловлена тем, что: а) компоненты системы: атмосфера, гидросфера, криосфера, литосфера и биосфера находятся в режиме постоянного получения солнечной энергии; б) режим получения энергии Солнца компонентами системы обеспечивается взаимодействием крупных планет солнечной системы: Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна и Земли, приводящий к непрерывному изменению координат Солнца в гелиоцентрической системе, изменению элементов орбиты Земли и других планет: эксцентриситета, наклона орбиты к плоскости отсчета и климатической прецессии, изменяющие единицы солнечной энергии, получаемой Землей во времени; в) разнопериодичностью процессов, происходящих в составляющих компонентов климатической системы.

Под активной средой понимается среда, способная усиливать электромагнитные волны определенной частоты в результате процессов вынужденного испускания на воздействия солнечной энергии [80]. В таких средах могут существовать автоволны, незатухающие волновые процессы, которые поддерживаются за счет постоянных источников. В активной среде обеспечивается распределенная энергия, источники. В климатической системе Земли таким источником является солнечная энергия, непрерывно получаемая ее компонентами. Под автоволновым процессом (АВП) принято понимать самоподдерживающийся в активной нелинейной среде волновой процесс, сохраняющий свои характеристики постоянными за счет распределенного в среде источника энергии. В климатической системе имеет место возникновение автоволновых структур, обусловленных за счет локальных взаимодействий компонентов климатической системы. Примерами таких структур являются графики c, d, h на рисунке 1 статьи, графики фазо-временных характеристик многих переменных, приведенных в работах [6-9], графики изменений коэффициентов k, характеризующих меру согласованности изменений геликосмических и климатических переменных с изменениями переменной Baricentr, изменениями парниковых газов и концентрации озона в атмосфере, обусловленные изменениями вулканических извержений, изменений глобальной температуры. приведенных на графиках 2 статьи. Такие структуры в активных средах любой физической природы называются турбулентными, они проявляются на графиках изменений вейвлетных фазо-временных характеристик множества гелиокосмических и климатических переменных, графиках изменений коэффициентов k согласованностей изменений переменных в соответствующих интервалах наблюдений.

На графиках e, f, i, j рисунка 1 отображаются усредненные согласованности элементов автоволновых структур, обусловленных локальным по времени взаимодействием компонентов (фазо-временных характеристик элементов компонентов) климатической системы, рост согласованности изменений переменных в современности, глобального потепления. Графики на рисунках 2, 3, 4 также отображают особенности локальных взаимодействий между элементами климатической системы, цикличность взаимодействующих составляющих, рост и изменчивость согласованности изменений переменных в эпоху глобального потепления и в глубоком палеоклимате в прошлом.

В компонентах климатической системы неравновесность и АВП поддерживаются за счет энергии Солнца и регулируются диффузией, теплопередачей, гидродинамическими потоками, конвекцией, испарениями, поверхностным натяжением в компонентах климатической системы Земли.

АВП являются одним из характерных проявлений самоорганизации, происходящей в распределенных, открытых и далеких от термодинамического равновесия системах [80], в климатической системе Земли. В этой системе, по причине разнопериодных взаимодействий между планетами, изменчивых (вероятностных) процессов на Солнце, солнечно-земных связях и взаимовлияний компонентов климатической системы Земли, на графиках обнаруживаются изменяющиеся по структуре автоволны, особенности самоорганизации климатической системы Земли; волны, изменяющиеся в интервале ± π в фазовой области, с переменными скоростями. Изменчивость скоростей автоволн в структурах компонентов климатической системы Земли отражается на графиках уравнений аппроксимаций, характеризующих согласованность изменений составляющих в компонентах климатической системы Земли, множеством наблюдений в соответствующих интервалах времени.

В климатической системе Земли, как в любой вероятностной системе, точность оценивания характеристик автоволн (направленность, скорость, ширина (объем) изменений), определяется мощностью множества наблюдений в климатических элементах, длительностью и точностью наблюдений за изменениями переменных, характеризующих изменчивость климата.

По причине распределенности в пространстве компонентов системы автоволновые структуры в климатической системе Земли наблюдаются только на экране компьютера, на представленных графиках, полученных при совместной обработке наблюдаемых данных на компонентах системы, которые проявляются в климатических изменениях.

Климатические автоволны, признаки самоорганизующейся климатической системе Земли, проявляются и прогнозируются и по палеонаблюдениям, исследований ледовых кернов в Антарктике [82], донных отложений в океане [83], изотопных изменений химических элементов в природе [84], раскрывающие природу, закономерности климатических изменений на Земле в продолжительных интервалах времени в прошлом. Климатическая система Земли является самоорганизующейся потому, что она является результатом взаимодействия планет самоорганизующейся солнечной системы, устойчивых солнечно-земных связей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

В работе приводятся результаты анализа множества взаимообусловленных переменных, характеризующих изменения климата на Земле в разных временных интервалах наблюдений. Показано, что самоорганизованные изменения множества переменных обусловлены самоорганизованными взаимодействиями планет солнечной системы, барицентрическим движением Солнца и солнечно-земными связями, влияющими на изменения гелиокосмических и климатических переменных Земли.

Установлено изменение климата на Земле, обусловленное взаимодействием планет солнечной системы, влиянием барицентрических движений Солнца (Baricentr) с гелиокосмическими и климатическими переменными Земли, установившимися солнечно-земными связями как колебательных контуров в элементах климатической системы Земли: атмосферы, гидросферы, криосферы, литосферы, биосферы Земли и планетосферы. Закономерности изменений гелиокосмических, климатических переменных, природных сред, вулканических извержений и парниковых газов, уровня океана и его энергетики, природных пожаров и катастроф также согласованы с изменениями Baricentr, выявленные анализом вейвлетных фазо-частотных и фазо-временных характеристик переменных по данным инструментальных измерений в 1955–2020, 1900–2020, 1621–2012 годы, палеоданным, полученным анализом ледяных кернов со станции «Восток» в Антарктике, донных отложений Антарктики, характеризующих историю климата Земли в 800 тысячелетии в прошлом.

В долговременных наблюдениях многих гелиокосмических, климатических переменных, переменной Baricentr в 1610–2012 гг., в вейвлетных фазо-временных характеристиках (ВФВХ) $a2=-{\phi }_{ƒ}(\overline{a},b)$, $2a2=-{\phi }_{a2}(a,b)$ найдены периоды Жозе в ~178 лет, с высокими корреляциями k = |0,64÷0,96| в фазо-частотной области; такие же корреляции получены и по наблюдениям групп переменных на малых интервалах времени.

Изменение климатической системы Земли представлено как проявление самоорганизации в активной среде взаимодействий атмо-, гидро-, крио-, лито-, биосферы Земли и планетосферы, обусловленной самоорганизованным взаимодействием планет солнечной системы и солнечно-земных связей, в которой изменяющаяся активность климатических сред Земли обусловлена наличием взаимодействий планет и солнечно-земных связей. При совместном анализе измерений климатических изменений в разных средах вейвлетным фазовым методом с построением графиков фазо-временных характеристик переменных на экране монитора наблюдаются автоволны с резонансно изменяющимися амплитудами в интервале ±π, характерное для самоорганизующихся колебательных систем.

На изображениях фазо-временных характеристик переменных проявляются два типа изменений частотных составов: «непрерывный» и «дискретный», характеризующие разнотипность изменений физико-химических состояний в изменяющихся средах Земли и Космоса.

Наблюдается значительное отличие в изменениях фазо-временных характеристик переменных, произведенных в южных, теплых и в северных, холодных широтах планеты. Отличие заключается в изменении согласованности изменений переменных на широтах, примерно в 2,1 раза, с большей хаотичностью изменений переменных в северных широтах, обусловленной влиянием переменной Baricentr, магнтиных полей Солнца и Земли к изменениям климатических переменных на разных широтах планеты в частотной области. Точности приведенных в работе количественных результатов соответсвуют точностям инстументальных измерений данных.

Об авторах

Валерий Иванович Алексеев

Автор, ответственный за переписку.
Email: v_alekseev_1941@internet.ru

доктор технических наук, независимый исследователь, Ханты-Мансийск

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рисунок 1. Графики изменений вейвлетных: a), b) фазо-частотных и с), d) фазо-временных характеристик групп гелиокосмических и климатических переменных; e) и f) изменений коэффициентов корреляций k (согласованностей) вейвлетных фазо-временных характеристик групп гелиокосмических и климатических 28-и и 8-и переменных, соответственно: Baricentr, Vulkan, , MPZ, Golfstrim, температур в Арктике (T.Arct), России (T.Rus), северном (TNH) и южном (TSH) полушариях, на планете (T.global)) в интервалах времени 1900–2020 годы по наблюдениям 18, 20, 23 лет в скользящем режиме с параметрами (n1,n2), где n1-число переменных, n2 – число дискретнов в скользящем окне наблюдений; g) и h) фазо-частотных и фазо-временных характеристик: Baricentr, Sact, Naklon, NMPS, MPZ, Vulkan, , Tglobal и концентраций озонового слоя по наблюдениям над Арозой (OCO Aroza) и на широтах северного и южного полушарий по наблюдениям в 1970-2012 годы: global (60⁰S-60⁰N), NH (30⁰N-60⁰N), tropics (25⁰S-25⁰N), SH (60⁰-30⁰S), NH march (60⁰N-90⁰N), SH October (60⁰S-90⁰S); i) и j) согласованности изменений k озонового слоя в атмосфере над Арозой и на полушариях Земли на разных широтах (n=7 переменных) и согласованности изменений гелиокосмических переменных (Baricentr, Sact, Naklon, NMPS, MPZ, Vulkan, ) озонового слоя в атмосфере в полушариях NH и SH Земли и глобальной температуры (n=15) по наблюдениям за переменными в 1970–2012 годы (графики получены коррелированием фазо-временных характеристик переменных в скользящем режиме по наблюдениям 4, 5 и 6 лет); k), l), m) и n), o), p) – графики изменений переменных Baricentr, Sact, Tprizemn (global) и их вейвлетных фазо-временных характеристик , , полученных по наблюдениям в 1900–2020 годы.

Скачать (1MB)

Метаданные

3. Рисунок 2. Графики вейвлетных фазо-частотных характеристик (ВФЧХ) гелиокосмических и климатических переменных и согласованностей k указанных на графиках групп переменных в фазо-временной области в интервалах наблюдений: а) ВФЧХ движений Солнца и переменных, характеризующих активность Солнца и Земли (Baricentr, Sact, Insol, Srad, V.reconstr.veter, MPZN, MPZS, MPZ, M.bury, NMPS, MMZ, V.S.veter, Z.Tres, LOD), b) изменений коэффициента k n=14 переменных, перечисленных выше, с) изменений коэффициента k Baricentr и скоростей дрейфа магнитных полюсов Земли MPZN и MPZS; d) ВФЧХ переменных (Baricentr. Sact, Vulkan, , , , Tglobal) по наблюдениям в 1610–2012 годы [20, 23, 51, 52,53]; изменений коэффициента k: e) Baricentr, Sact, f) Baricentr, Sact и Vulkan, g) парниковых газов , , , влиянием вулканических извержений Vulkan, h) Tglobal влияниями , , (парниковый эффект); i) всех n=7 переменных, перечисленных в d влиянием переменной Baricentr; j) скорости вращения Земли V.Zemly, YMO, осадков на Земле (Osadky), льдов а Арктике (Led.Srct), наступающих льдов в полушариях (Lednicy,nast.NSH) Земли, морских льдов (Led.More) влиянием переменной Baricentr в интервале наблюдений 1900–2005 годы; k) Baricentr, концентрации озонового слоя в атмосфере в полушариях Земли (n=7), по наблюдениям в 1970–2010 годы; l) Baricentr, изменения уровня Каспийского моря по наблюдениям в 1840–2018 годы; m) Baricentr, изменения интенсивности течения Гольфстрим; n) Baricentr, Vulkan, землетрясения Z.Tres; o) Baricentr, Vulkan, Z.Tres, LOD, dPOtkl по наблюдениям в 1910–2010 годы; p), q) вейвлетные фазо-временные и r), s) фазо-частотные характеристики изменений температуры воздуха в странах и территориях, расположенных на теплых и холодных районах Земли по наблюдениям в 1957–2010 годы: в Антарктиде, в пунктах Халли и Восток [54], Оймяконе [55] и Верхоянске [56], Якутии [57], в Арктических Хатанге [58] и Акюрейри [59], Афинах, Аргентине, Калифорнии, Бразилии, Ираке, Израиле, Мали, южной Африке, Сирии, Мехико, Ливии, Аляске, Канаде, Гренландии [60], а также изменений переменной Baricentr; t), u) изменений коэффициента согласованности k переменных: Baricentr, аккумулированной энергии циклонов (асс.En.Ciclon), магнитных полей Солнца и Земли (NMPS, MMZ, MPZ, Mbury, реконструированной скорости солнечного ветра (RSW) с изменениями приземных температур в южных и северных территориях Земли, приведенных на графиках p и q рисунка 2 соответственно.

Скачать (1MB)

Метаданные

4. Рисунок 3. Графики изменений вейвлетных фазо-частотных характеристик гелиокосмических, климатических переменных, наблюдений осадков, пожаров, природных катастроф, наводнений, стоков и уровней крупных рек и согласованность их изменений с изменениями Baricentr и других переменных в фазо-временной области: а) Baricentr, Insol, Naklon,Vulkan, , Srad1, OCO Aroza, явление Эль_Ниньо (E/N), магнитный момент Земли (MMZ [26]), магнитное поле Земли (MPZ) [49], число природных катастроф (N.Disaster) [68] и ураганов (N.Uragan [69], T.global, аккумулированная энергия тропических циклонов (En.Tr.Ciklon [70]) по наблюдениям в 1981–2018 гг.; b) Baricentr, количество (N) и площади (S) пожаров в частях света: Alaska.N, Alaska.S, Avstraly.S, Californy.S, Canada.S, Canada.N, Maly.S, Portugaly.S, Portugaly.N, Rus.N, Spain.S, Irkutsr.S, Irkutsk.N [71], ХМАО (X/M).S, En.Tr.Ciklon по наблюдения в 1985–2015 гг.; c) Baricentr, осадки, температуры в странах света: Azia Africa, Land, Avstraly, Evropa, N.America, S.America, Total, T.Irkutsk [72], X/M [73,74], T.global, En.Tr.Ciklon по наблюдениям в 1981–2018 гг.; d) Baricentr, стоки (St) и уровни (Yr) морей, рек и озер, наводнений: наводнение в Краснодарском крае (Navodn Kr_dar) (побережье Черного моря), Kaspy [75], ресурс Волги (Res.Volgy [76]), St.Elba, St.Enisey, St.Jana, St.Lena, St.Oby, St.Ural, YMO, Yr.Amur [77], Yr.Neva, St.Neva [78] по наблюдениям в 1945–2014 гг.; графики коэффициентов k корреляций между переменными в фазо-временной области в 4, 5 и 6 лет в скользящем режиме в интервале времени 1981–2018 гг., e) переменных, приведенных на графиках рисунка 3 а; f) переменных Baricentr, MMZ, MMP приведенных на графиках а рисунка 3; g) переменных Baricentr, аккумулированной энергии тропических циклонов (En.Trop.Ciclon), числа природных катастроф (Disastes) и ураганов (Uragan), приведенных на графиках а рисунка 3; h) переменных Baricentr, Osadky n = 11, приведенных на графиках с рисунка 3; i) переменных Baricentr, лесных пожаров (количества и по площади охвата (Pogary)), n = 14 в странах света, приведенных на графиках b рисунка 3; j) переменных Baricentr, пожаров и температур в Иркутской области и ХМАО (Pg.Irkutsk, Temp); k) переменных Baricentr, стоков рек, уровней водоемов (Stoky rek, Uroven), приведенных на графиках d рисунка 3.

Скачать (634KB)

Метаданные