¹ 12, 2000 ã.
¹ 12, 2000 ã.
© À.Â. Áÿëêî, À.Ã. ÃàìáóðãöåâÑòàòèñòèêà ïîãîäû
À.Â. Áÿëêî,
äîêòîð ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ íàóê
Èíñòèòóò òåîðåòè÷åñêîé ôèçèêè ÐÀÍÀ.Ã. Ãàìáóðãöåâ,
äîêòîð ãåîëîãî-ìèíåðàëîãè÷åñêèõ íàóê
Îáúåäèíåííûé èíñòèòóò ôèçèêè Çåìëè ÐÀÍÑòðåìëåíèå óçíàòü, ÷åãî æäàòü îò ïîãîäû, ïîíÿòíî, âåäü ìíîãîå â æèçíè çàâèñèò îò íåå. Ê ñîæàëåíèþ, ìíîãîâåêîâîé îïûò íàðîäíûõ ïðèìåò è äåñÿòèëåòèÿ íàó÷íûõ ïðåäñêàçàíèé ïîêàçûâàþò: ïðîãíîç áîëåå ÷åì íà íåäåëþ íåíàäåæåí.
×òî æå ïîðîæäàåò ýòó íåîïðåäåëåííîñòü?
Ñîëíå÷íûå ëó÷è ïîãëîùàþòñÿ ãëàâíûì îáðàçîì íå àòìîñôåðîé, à îêåàíîì è ñóøåé. Íàãðåâ çåìíîé ïîâåðõíîñòè âûçûâàåò êîíâåêöèþ: âîñõîäÿùèå ïîòîêè òåïëîãî âîçäóõà çàìåùàþòñÿ íèñõîäÿùèìè ïîòîêàìè õîëîäíîãî. Ïðè êîíäåíñàöèè ïàðîâ âîäû â âîñõîäÿùèõ ïîòîêàõ âîçíèêàåò îáëà÷íîñòü. Èç-çà âðàùåíèÿ ïëàíåòû íà äâèæóùèåñÿ âîçäóøíûå ìàññû äåéñòâóþò ñèëû Êîðèîëèñà.  Ñåâåðíîì ïîëóøàðèè îíè çàêðó÷èâàþò âîñõîäÿùèå ïîòîêè ïðîòèâ ÷àñîâîé ñòðåëêè, îáðàçóÿ öèêëîíû, à íèñõîäÿùèå ïîòîêè (àíòèöèêëîíû) - ïî ÷àñîâîé. Íàïðàâëåíèÿ âðàùåíèÿ â Þæíîì ïîëóøàðèè îáðàòíûå. Êîíâåêöèÿ îõâàòûâàåò âñþ çåìíóþ òðîïîñôåðó, íà åå âåðõíåé ãðàíèöå ÷àñòü òåïëîâîé ýíåðãèè óõîäèò â êîñìîñ â âèäå èíôðàêðàñíîãî èçëó÷åíèÿ ñ ìàêñèìóìîì íà ìèëëèìåòðîâûõ äëèíàõ âîëí. Âûñîòà, íà êîòîðîé àòìîñôåðà ñòàíîâèòñÿ ïðîçðà÷íîé äëÿ òåïëîâîãî èçëó÷åíèÿ (èíûìè ñëîâàìè, òîëùèíà òðîïîñôåðû), ìåíÿåòñÿ îò 4 êì îêîëî ïîëþñîâ äî 12 êì ó ýêâàòîðà. Êîíêðåòíûå çíà÷åíèÿ çàâèñÿò îò âëàæíîñòè (êîíöåíòðàöèè âîäÿíûõ ïàðîâ), à òàêæå îò ñîäåðæàíèÿ äðóãèõ ãàçîâ, ïîãëîùàþùèõ èíôðàêðàñíîå èçëó÷åíèå, â ïåðâóþ î÷åðåäü äèîêñèäà óãëåðîäà è ìåòàíà.
Âåðòèêàëüíûé ïîòîê ýíåðãèè, ñóùåñòâóþùèé ïîâñåìåñòíî, äîïîëíÿåòñÿ áîëåå ìåäëåííûì ïåðåíîñîì òåïëà îò òðîïèêîâ ê ïîëþñàì, ïîñêîëüêó íà ýêâàòîðå îñâåùåííîñòü ïëàíåòû ñîëíå÷íûìè ëó÷àìè ìàêñèìàëüíà. Íà êàæäîé øèðîòå ïëàíåòû îíà ðåãóëÿðíî èçìåíÿåòñÿ ñ ãîäè÷íûì ïåðèîäîì. Âñëåä çà íåé ìåíÿåòñÿ è ïîãîäà.
Ïîãîäà îïðåäåëÿåòñÿ ìíîãèìè ïàðàìåòðàìè (äàâëåíèåì è âëàæíîñòüþ âîçäóõà, ñêîðîñòüþ è íàïðàâëåíèåì âåòðà, ñîñòîÿíèåì îáëà÷íîñòè), íî âàæíåéøèé èç íèõ - òåìïåðàòóðà çåìíîé ïîâåðõíîñòè. Îíà íàäåæíî èçìåðÿåòñÿ óæå áîëåå ñòîëåòèÿ ïî âñåé ïëàíåòå.
Ñðåäíÿÿ, ïî ìíîãîëåòíèì äàííûì, òåìïåðàòóðà äëÿ êàæäîãî âðåìåíè ãîäà - äîâîëüíî óñòîé÷èâàÿ õàðàêòåðèñòèêà êëèìàòà. Ãîäîâîé õîä ñðåäíåé òåìïåðàòóðû ïðèìåðíî íà ìåñÿö îòñòàåò ïî ôàçå îò ñèíóñîèäû îñâåùåííîñòè âñëåäñòâèå òåïëîâîé èíåðöèè ñóøè è îêåàíà.
Äàëåå, îòâëåêàÿñü îò ýòèõ ðåãóëÿðíûõ ñåçîííûõ èçìåíåíèé òåìïåðàòóð, ìû ïðîàíàëèçèðóåì õàðàêòåð èõ îòêëîíåíèé îò ñðåäíèõ çíà÷åíèé, èíà÷å ãîâîðÿ - ïîãîäíûå ôëóêòóàöèè òåìïåðàòóðû îòíîñèòåëüíî åå êëèìàòè÷åñêîãî ñðåäíåãî. Ñòàòèñòè÷åñêàÿ îáðàáîòêà òåìïåðàòóðíûõ âàðèàöèé ïðåïîäíîñèò íåìàëî ñþðïðèçîâ.
Ðÿäû ñðåäíåìåñÿ÷íûõ òåìïåðàòóð
Ñáîð è óòî÷íåíèå äàííûõ ïî ñðåäíåìåñÿ÷íûì òåìïåðàòóðàì çåìíîé ïîâåðõíîñòè, êàê òåêóùèì, òàê è ïîëó÷åííûì ðàíåå, ïðîâîäèò Èíñòèòóò êîñìè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé èì.Ãîääàðäà (Goddard Institute of Space Science, ÑØÀ), ðåãóëÿðíî îáíîâëÿÿ ñâåäåíèÿ íà ñâîåì ñàéòå â Èíòåðíåòå. Íåäàâíî íà ýòîì ñàéòå ïîÿâèëèñü ïîäðîáíûå äàííûå ïî ñðåäíåìåñÿ÷íûì òåìïåðàòóðíûì îòêëîíåíèÿì îò ñåçîííîãî êëèìàòè÷åñêîãî õîäà äëÿ âîñüìè øèðîòíûõ ïîÿñîâ - ïî ÷åòûðå äëÿ Ñåâåðíîãî è Þæíîãî ïîëóøàðèé: òðîïè÷åñêîãî 0-23.6°, ñóáòðîïè÷åñêîãî 23.6 - 44.4°, óìåðåííîãî 44.4 - 64.2° è ïîëÿðíîãî 64.2 - 90°. Ðÿäû òåìïåðàòóðíûõ îòêëîíåíèé íà÷èíàþòñÿ ñ 1880 ã. äëÿ âñåõ ïîÿñîâ, êðîìå þæíîãî ïîëÿðíîãî, òàì èçìåðåíèÿ ñòàëè ïðîâîäèòüñÿ ñ 1903 ã. Êëèìàòè÷åñêèé ãîäîâîé õîä òåìïåðàòóðû ïîëó÷åí óñðåäíåíèåì íàèáîëåå äîñòîâåðíûõ äàííûõ ïîñëåäíèõ 50 ëåò è â ïðåäñòàâëåííûõ ðÿäàõ âû÷òåí èç òåêóùèõ çíà÷åíèé.
Ðèñ.1. Îòêëîíåíèÿ ñðåäíåìåñÿ÷íûõ òåìïåðàòóð
îò êëèìàòè÷åñêè ñðåäíèõ çíà÷åíèé
â óìåðåííîì (44.4-64.2°ñ.ø., à)
è òðîïè÷åñêîì (0-23.6°ñ.ø., á)
øèðîòíûõ ïîÿñàõ Ñåâåðíîãî ïîëóøàðèÿ.
Öâåòíûå êðèâûå - àïïðîêñèìàöèè
ïîëèíîìàìè ÷åòâåðòîé ñòåïåíè.Ýòî îáñòîÿòåëüñòâî íåòðóäíî ïîíÿòü: ïîñêîëüêó ïîòîêè òåïëà â àòìîñôåðå è îêåàíå íàïðàâëåíû îò òðîïèêîâ ê ïîëþñàì, â ýòèõ æå íàïðàâëåíèÿõ âîçðàñòàþò è âàðèàöèè òåìïåðàòóð. Îäíàêî êîëè÷åñòâåííîå ñðàâíåíèå äèñïåðñèé ýòèõ îòêëîíåíèé áûëî áû íå ñîâñåì ïðàâîìåðíî, òàê êàê äàííûå äëÿ ðàçíûõ ïîÿñîâ ïîëó÷åíû óñðåäíåíèåì ïî ðàéîíàì ñ ðàçíîé ïëîòíîñòüþ ìåòåîñòàíöèé. Êðîìå òîãî, è ïëîùàäè ýòèõ ïîÿñîâ ðàçëè÷íû (îíè ñîîòíîñÿòñÿ êàê 4:3:2:1). Åñëè æå îáðàòèòüñÿ ê âðåìåííÎìó õîäó äèñïåðñèè (ðàññ÷èòûâàÿ åå, íàïðèìåð, ìåòîäîì áåãóùåãî ñðåäíåãî), òî îêàæåòñÿ, ÷òî îíà èìååò ìèíèìóì â ñåðåäèíå ÕÕ â.
Îäíàêî öåííîñòü ýòîãî çàêëþ÷åíèÿ íå âåëèêà: ñ íà÷àëà âåêà ÷èñëî ìåòåîñòàíöèé ñòàëî áûñòðî âîçðàñòàòü, îáåñïå÷èâàÿ âñå áîëåå ïðåäñòàâèòåëüíûå âûáîðêè, äëÿ êîòîðûõ äèñïåðñèÿ åñòåñòâåííî óáûâàåò. Âñå æå ïðèðîñò àìïëèòóäû ïîãîäíûõ ôëóêòóàöèé â ïîñëåäíþþ ÷åòâåðòü ÕÕ â. íå àðòåôàêò, è íàâåðíîå, êàæäûé ñîãëàñèòñÿ ñ ýòèì, îòìå÷àÿ âîçðàñòàþùèé óùåðá îò óðàãàíîâ è íàâîäíåíèé. Êîíå÷íî, çäåñü òðåáóåòñÿ íàó÷íîå îáúÿñíåíèå.
Ïîãîäà è 11-ëåòíèé ñîëíå÷íûé öèêë
Òåìïåðàòóðíûå äàííûå ïîçâîëÿþò êîå-÷òî ïðîÿñíèòü â âàæíîì âîïðîñå î âëèÿíèè ñîëíå÷íîé àêòèâíîñòè íà òðîïîñôåðó Çåìëè. Êàê èçâåñòíî, âîççðåíèÿ íà ýòîò ñ÷åò âåñüìà ïðîòèâîðå÷èâû (îñîáåííî â íàøåé ñòðàíå). Ïîýòîìó ìû ïîñòàâèëè çàäà÷ó ïðîàíàëèçèðîâàòü ýòè äàííûå ñ öåëüþ óñòàíîâèòü íàëè÷èå (èëè îòñóòñòâèå) â íèõ îòêëèêà íà 11-ëåòíèé ñîëíå÷íûé öèêë. Ïðåäñòàâëåííàÿ èíôîðìàöèÿ îõâàòûâàåò áîëåå 10 öèêëîâ àêòèâíîñòè Ñîëíöà, è ýòîãî âïîëíå äîñòàòî÷íî äëÿ óâåðåííîãî îòâåòà íà ñôîðìóëèðîâàííûé âîïðîñ. Ïîñêîëüêó ñóùåñòâóåò ìíåíèå, ÷òî âîçäåéñòâèå ñîëíå÷íîé àêòèâíîñòè ìîæåò íåðåãóëÿðíî ìåíÿòüñÿ îò öèêëà ê öèêëó è ïðîÿâëÿòüñÿ âûáîðî÷íî â îòäåëüíûõ êëèìàòè÷åñêèõ ïîÿñàõ, ìû èçáðàëè äëÿ èçó÷åíèÿ ïðîáëåìû ìåòîä ñïåêòðàëüíî-âðåìåííÎãî àíàëèçà (ÑÂÀÍ).
 ýòîì ìåòîäå ñïåêòðû âàðèàöèé âû÷èñëÿþòñÿ íà ñêîëüçÿùèõ âðåìåííÛõ îòðåçêàõ è èçîáðàæàþòñÿ â âèäå ÑÂÀÍ-äèàãðàìì. Ïðîäîëæèòåëüíîñòü ñêîëüçÿùåãî îòðåçêà â íàøåì ñëó÷àå áûëà âûáðàíà ðàâíîé òðåòè ïîëíîãî ïåðèîäà, ò.å. ñîñòàâèëà 40 ëåò. Ïî ýòîé ïðè÷èíå ÑÂÀÍ-äèàãðàììû îõâàòûâàþò âðåìåííîé îòðåçîê îò 1900 äî 1978 ã.
Ñïåêòð âàðèàöèé åñòü íàáîð àìïëèòóä ãàðìîíè÷åñêèõ ñîñòàâëÿþùèõ, êîòîðûå ïîëó÷àþòñÿ ñïåêòðàëüíûì ðàçëîæåíèåì ôëóêòóèðóþùåé âåëè÷èíû íà êîíêðåòíîì âðåìåííîì îòðåçêå (îêíå). Ïåðèîäû ãàðìîíèê (èëè îáðàòíûå èì âåëè÷èíû - ÷àñòîòû) íà ÑÂÀÍ-äèàãðàììàõ îòêëàäûâàþò íà âåðòèêàëüíîé îñè; âðåìÿ, îòâå÷àþùåå ñåðåäèíå îêíà, - íà ãîðèçîíòàëüíîé. Ãëóáèíà òîíà (ñòåïåíü çà÷åðíåííîñòè) îòâå÷àåò ñîîòâåòñòâóþùåé àìïëèòóäå. Ïîñòðîåííûå êâàçèòðåõìåðíûå êàðòèíû íîñÿò íàçâàíèå ÑÂÀÍ-äèàãðàìì; ñàì ìåòîä óæå èñïîëüçîâàëñÿ äëÿ àíàëèçà ìíîãèõ âðåìåííû˜õ ðÿäîâ. (Ñì., íàïð.: Àòëàñ âðåìåííû˜õ âàðèàöèé ïðèðîäíûõ, àíòðîïîãåííûõ è ñîöèàëüíûõ ïðîöåññîâ:  2 ò. Ì., 1994; Òî æå. 2-å èçä. 1998.)
Ïîëíîñòüþ ðåçóëüòàòû àíàëèçà áóäóò îïóáëèêîâàíû â 3-ì òîìå óêàçàííîãî â ñíîñêå Àòëàñà, çäåñü æå îòìåòèì íàèáîëåå èíòåðåñíûå ðåçóëüòàòû, êàñàþùèåñÿ ãàðìîíèê ñ ïåðèîäàìè îò 3 äî 30 ëåò.
 ñïåêòðàõ ãàðìîíèêè ñ ïåðèîäàìè îêîëî 11 ëåò âûÿâëÿþòñÿ òîëüêî â âàðèàöèÿõ òåìïåðàòóðû çåìíîé ïîâåðõíîñòè, îòâå÷àþùèõ íà÷àëüíîìó ïåðèîäó íàáëþäåíèé, ãäå òî÷íîñòü äàííûõ íåâåëèêà. Áîëåå òîãî, ìàêñèìóì ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòè ñîîòâåòñòâóåò òàì ïåðèîäó 12, à íå 11 ëåò. À âîò öèêëè÷íîñòü â 5-7 ëåò â âàðèàöèÿõ ïðèçåìíîé òåìïåðàòóðû (à çíà÷èò, è ïîãîäû) âèäíà íà âñåõ ÑÂÀÍ-äèàãðàììàõ, íî ñ ðàçíîé èíòåíñèâíîñòüþ â ðàçíûå îòðåçêè âðåìåíè äëÿ ðàçíûõ øèðîòíûõ ïîÿñîâ. Ýòè ãàðìîíèêè ïîãîäíûõ âàðèàöèé ÿâíî ñîîòâåòñòâóþò êîëåáàíèÿì Ýëü-Íèíüî - Þæíîé îñöèëëÿöèè, êîòîðûå â ñâîþ î÷åðåäü ôèçè÷åñêè ñâÿçàíû ñ ÷àíäëåðîâñêèìè êîëåáàíèÿìè çåìíîé îñè (Ñèäîðåíêîâ Í.Ñ. Âëèÿíèå Þæíîãî êîëåáàíèÿ Ýëü-Íèíüî íà âîçáóæäåíèå ÷àíäëåðîâñêîãî äâèæåíèÿ ïîëþñà // Àñòðîí. æóðí. 1997. Ò.74. ¹5. Ñ.92-95; Îí æå. Ìåæâåêîâûå êîëåáàíèÿ ñèñòåìû àòìîñôåðà-îêåàí-Çåìëÿ // Ïðèðîäà. 1999. ¹7. Ñ.26-34.).
Ïî-âèäèìîìó, è îòìå÷åííûé 12-ëåòíèé ïåðèîä âîçíèêàåò êàê óäâîåííûé 6-ëåòíèé ïåðèîä Ýëü-Íèíüî. Òàêèì îáðàçîì, ìû ïðèõîäèì ê âûâîäó, ÷òî 11-ëåòíèé öèêë ñîëíå÷íîé àêòèâíîñòè, áåçóñëîâíî âëèÿþùèé íà âåðõíèå ñëîè àòìîñôåðû, ôàêòè÷åñêè íå âîçäåéñòâóåò íà êëèìàòè÷åñêèå è ïîãîäíûå ÿâëåíèÿ çåìíîé òðîïîñôåðû.Ðèñ.2. Ñïåêòðàëüíî-âðåìåííÛå äèàãðàììû (ÑÂÀÍ-äèàãðàììû) ðÿäîâ òåìïåðàòóðíûõ îòêëîíåíèé äëÿ óìåðåííîãî (à) è òðîïè÷åñêîãî (á) øèðîòíûõ ïîÿñîâ Ñåâåðíîãî ïîëóøàðèÿ. Òîíàëüíàÿ øêàëà çàäàåò àìïëèòóäû ñïåêòðàëüíûõ ãàðìîíèê. Íàèáîëåå çàìåòíûå êâàçèïåðèîäè÷åñêèå âàðèàöèè òåìïåðàòóð, ïðîÿâëÿþùèåñÿ âî âñåì èíòåðâàëå íàáëþäåíèé, îòâå÷àþò ïåðèîäàì îò 5 äî 7 ëåò. Ýòè êîëåáàíèÿ åñòü îòêëèêè êëèìàòè÷åñêîé ñèñòåìû ïëàíåòû íà ýôôåêò Ýëü-Íèíüî - Þæíàÿ îñöèëëÿöèÿ.Ðàñïðåäåëåíèå ïîãîäíûõ ôëóêòóàöèé
Äàííûõ ïî òåìïåðàòóðíûì âàðèàöèÿì òàêæå äîñòàòî÷íî, ÷òîáû ñ õîðîøèì ðàçðåøåíèåì ïîñòðîèòü ãèñòîãðàììû, ïîêàçûâàþùèå, êàê ÷àñòî â òîì èëè èíîì êëèìàòè÷åñêîì ïîÿñå òåìïåðàòóðà îòêëîíÿëàñü îò ñðåäíå-êëèìàòè÷åñêîé íà çàäàííóþ âåëè÷èíó. Òàê ìû ïîëó÷èì îöåíêó ôóíêöèè ðàñïðåäåëåíèÿ òåìïåðàòóðíûõ ôëóêòóàöèé (ðèñ. 3).
Ðèñ. 3. Íîðìèðîâàííûå ãèñòîãðàììû òåìïåðàòóðíûõ âàðèàöèé äëÿ ðàçíûõ øèðîòíûõ ïîÿñîâ: 1 - ïîëÿðíîãî, 2 - óìåðåííîãî, 3 - ñóáòðîïè÷åñêîãî, 4 - òðîïè÷åñêîãî. Öâåòíûå êðèâûå - àíàëèòè÷åñêèå ðàñïðåäåëåíèÿ, àïïðîêñèìèðóþùèå ýòè ãèñòîãðàììû.
 ñèëó çíà÷èòåëüíîé ñèììåòðèè äàííûõ ïî Ñåâåðíîìó è Þæíîìó ïîëóøàðèÿì ìîæíî ïîëüçîâàòüñÿ îáúåäèíåííîé ñòàòèñòèêîé. Òî÷íîñòü ïîëó÷åííûõ ãèñòîãðàìì, åñòåñòâåííî, ïàäàåò ñ ðîñòîì òåìïåðàòóðíîãî îòêëîíåíèÿ, ïðèâîäÿ ê çàìåòíîìó ðàçáðîñó íà êðûëüÿõ ýòèõ ãðàôèêîâ. Äëÿ óäîáñòâà ñðàâíåíèÿ ãèñòîãðàììû áûëè íîðìèðîâàíû.  ýòîì âèäå îíè ïðåäñòàâëÿþò ïëîòíîñòè âåðîÿòíîñòè, èíà÷å íàçûâàåìûå ôóíêöèÿìè ðàñïðåäåëåíèÿ. Âñå îíè îêàçàëèñü ïî÷òè ñèììåòðè÷íûìè (÷òî àïðèîðè íå áûëî î÷åâèäíî). Íî ñàìûé èíòåðåñíûé ôàêò - èõ îòëè÷èå îò íîðìàëüíûõ (ãàóññîâñêèõ) ðàñïðåäåëåíèé, êîòîðûì, êàê èçâåñòíî, îòâå÷àåò ôóíêöèÿÍà íàøèõ ãèñòîãðàììàõ ïðè áîëüøèõ çíà÷åíèÿõ îòêëîíåíèé ëîãàðèôì ôóíêöèè ðàñïðåäåëåíèÿ ñïàäàåò íå êâàäðàòè÷íî, à ïî÷òè ëèíåéíî. Íàèáîëåå ïðîñòàÿ àíàëèòè÷åñêàÿ ôóíêöèÿ, îïèñûâàþùàÿ òàêîå ïîâåäåíèå è íîðìèðîâàííàÿ íà åäèíèöó, åñòü fN(x) = (2ps2)-1/2 exp(-x2/2s2).
fñ(x) = a/p ch(ax).
Ñòàíäàðòíîå îòêëîíåíèå äëÿ äëÿ òàêîãî ðàñïðåäåëåíèÿ s = (<x2>)1/2 = p/2a = 1.57/a. Àïïðîêñèìàöèè ãèñòîãðàìì ôóíêöèÿìè fñ(x) ñ ðàçíûìè çíà÷åíèÿìè ïàðàìåòðà a ïîêàçàíû íà ðèñ.3 öâåòíûìè ëèíèÿìè.
Îòëè÷èå ðàñïðåäåëåíèé òåìïåðàòóðû îò íîðìàëüíûõ âûçûâàåò íåêîòîðîå íåäîóìåíèå. Ñîãëàñíî öåíòðàëüíîé ïðåäåëüíîé òåîðåìå òåîðèè âåðîÿòíîñòåé, ñóììà áîëüøîãî ÷èñëà íåçàâèñèìûõ ñëó÷àéíûõ äàííûõ äîëæíà ïîä÷èíÿòüñÿ ãàóññîâñêîìó çàêîíó. Âåäü èìåííî òàê è ïðîâîäèòñÿ óñðåäíåíèå òåìïåðàòóð ïî äíÿì âíóòðè ìåñÿöåâ è ïî ïëîùàäÿì âíóòðè øèðîòíûõ ïîÿñîâ. Îäíàêî íàäî ïîìíèòü, ÷òî óïîìÿíóòàÿ òåîðåìà ïðèìåíèìà ê ñóììå íåçàâèñèìûõ âåëè÷èí, êàæäàÿ èç êîòîðûõ èìååò êîíå÷íóþ äèñïåðñèþ.  íàøåì ñëó÷àå, ïî-âèäèìîìó, ýòî íå ñîâñåì òàê: âàðèàöèè òåìïåðàòóð íà êàæäîé îòäåëüíî âçÿòîé ìåòåîñòàíöèè âåëèêè, à äàííûå áëèçêî ðàñïîëîæåííûõ ñòàíöèé ñèëüíî ñêîððåëèðîâàíû, ïîýòîìó èõ âðÿä ëè ìîæíî ñ÷èòàòü íåçàâèñèìûìè.
Êîíâåêöèÿ ëàáîðàòîðíàÿ è àòìîñôåðíàÿ
Îòìåòèì, ÷òî ñõîäíûé õàðàêòåð îáíàðóæèâàåòñÿ â ðàñïðåäåëåíèè ôëóêòóàöèé òåìïåðàòóðû ïðè êîíâåêöèè, èçó÷àåìîé ëàáîðàòîðíî. Íàïîìíèì, ÷òî ðåæèì ñâîáîäíîé êîíâåêöèè â ãèäðî- è ãàçîäèíàìèêå îïðåäåëÿåòñÿ çíà÷åíèÿìè äâóõ áåçðàçìåðíûõ êðèòåðèåâ òåîðèè ïîäîáèÿ: ÷èñëà Ðåëåÿ
Ra = gh4Gb/nc
è ÷èñëà Íóññåëüòà
Nu = q/kG.
Çäåñü ìû ïðèìåì äëÿ îöåíîê ñëåäóþùèå çíà÷åíèÿ: g = 9.8 ì/ñ2 - óñêîðåíèå ñèëû òÿæåñòè; h = 8 êì - âûñîòà òðîïîñôåðû; T = 300 Ê - õàðàêòåðíàÿ òåìïåðàòóðà; G = dT/dz = 6.7 Ê/êì- òåìïåðàòóðíûé ãðàäèåíò; b = 1/T = 3.3·10-3 Ê-1 - êîýôôèöèåíò òåïëîâîãî ðàñøèðåíèÿ âîçäóõà; n = 1.5·10-5 ì2/ñ - êèíåìàòè÷åñêàÿ âÿçêîñòü; c = 1.8·10-5 ì2/ñ - òåìïåðàòóðîïðîâîäíîñòü; k = 0.026 Âò/ì·Ê - òåïëîïðîâîäíîñòü è q = 1300 Âò/ì2 - ïîòîê ñîëíå÷íîé ýíåðãèè. Äàííûå ñîîòâåòñòâóþò ïàðàìåòðàì çåìíîé àòìîñôåðû; îöåíêà ÷èñåë Ðåëåÿ è Íóññåëüòà ïî ïîðÿäêó âåëè÷èíû äàåò î÷åíü áîëüøèå çíà÷åíèÿ: Ra = 3·1021; Nu = 4·106.
Èíòåíñèâíàÿ òóðáóëåíòíàÿ êîíâåêöèÿ, ïðîòåêàþùàÿ ïðè òàêèõ áîëüøèõ ÷èñëàõ Ðåëåÿ è Íóññåëüòà, â ïîñëåäíåå âðåìÿ ïðèâëåêàåò ïðèñòàëüíîå âíèìàíèå òåîðåòèêîâ è ýêñïåðèìåíòàòîðîâ. Õàðàêòåð êîíâåêöèè, èíà÷å - ñîáñòâåííî ïðîöåññ òåïëî- è ìàññîïåðåíîñà, îïèñûâàåòñÿ çàêîíîì: Nu = f(Ra).  îäíîé èç ïîñëåäíèõ ðàáîò (Niemela J.J., Skrbek L., Sreenivasan K.R., Donnelly R.J. // Nature. 2000. V.404. ¹6780. P.837-840) áûëà ïîëó÷åíà ýêñïåðèìåíòàëüíàÿ ñâÿçü ìåæäó ýòèìè ÷èñëàìè ïðè èññëåäîâàíèè êîíâåêöèè ãåëèÿ â ëàáîðàòîðíîé óñòàíîâêå â øèðîêîì äèàïàçîíå èçìåíåíèé Ra = 106-1017:
Nu = 0.124 Ra0.309.
Êîíå÷íî, àòìîñôåðíàÿ êîíâåêöèÿ íå äîëæíà òî÷íî ïîâòîðÿòü ëàáîðàòîðíóþ, ïîñêîëüêó íàãðåâ çåìíîé àòìîñôåðû íåîäíîðîäåí ïî øèðîòå. Íî ëåãêî óáåäèòüñÿ, ÷òî ñîîòíîøåíèå ÷èñåë Ðåëåÿ è Íóññåëüòà â àòìîñôåðå ïðèìåðíî ñîîòâåòñòâóåò ñòåïåííîé çàâèñèìîñòè, ïîëó÷åííîé â îïûòàõ. Áîëåå òîãî, ïîñòðîåííûå íàìè ãèñòîãðàììû âàðèàöèé òåìïåðàòóð êà÷åñòâåííî ñîîòâåòñòâóþò ýêñïåðèìåíòàëüíî íàáëþäàåìûì ðàñïðåäåëåíèÿì (ðèñ.4), êîòîðûå òîæå ñèëüíî îòëè÷àþòñÿ îò ãàóññîâñêèõ. Ïðè áîëüøèõ ÷èñëàõ Ðåëåÿ ñõîäñòâî ðàñïðåäåëåíèé, ïðåäñòàâëåííûõ íà ðèñ.3 è 4, î÷åâèäíî.
Ðèñ. 4. Íîðìèðîâàííûå ãèñòîãðàììû òåìïåðàòóðíûõ ôëóêòóàöèé, ïîëó÷åííûå â ýêñïåðèìåíòàõ ïî êîíâåêöèè ãåëèÿ ïðè ðàçíûõ ÷èñëàõ Ðåëåÿ (Niemela J.J. et al., 2000); ïðè î÷åíü áîëüøèõ ÷èñëàõ Ðåëåÿ ãèñòîãðàììà áëèçêà ê ðàñïðåäåëåíèþ ïîãîäíûõ âàðèàöèé çåìíîé àòìîñôåðû. Íà âðåçêå - çàâèñèìîñòü ñðåäíåêâàäðàòè÷íîãî îòêëîíåíèÿ òåìïåðàòóðû îò ÷èñëà Ðåëåÿ.
Ïî äàííûì ýêñïåðèìåíòîâ, àâòîðû öèòèðóåìîé ðàáîòû îïðåäåëèëè òàêæå çàâèñèìîñòü õàðàêòåðíîé âåëè÷èíû òåìïåðàòóðíûõ ôëóêòóàöèé îò ÷èñëà Ðåëåÿ: <dT>/DT = = 0.37Ra-0.145 (ãäå DT = Gh - õàðàêòåðíûé âåðòèêàëüíûé ïåðåïàä òåìïåðàòóð, âûçûâàþùèé êîíâåêöèþ). Êàê óæå îòìå÷àëîñü, âáëèçè ïîëþñîâ òîëùà òðîïîñôåðû h îùóòèìî ìåíüøå, ÷åì ó ýêâàòîðà, ñëåäîâàòåëüíî, çíà÷åíèÿ Ra óáûâàþò ñ øèðîòîé, à ôëóêòóàöèè òåìïåðàòóðû çàìåòíî âîçðàñòàþò. Äåéñòâèòåëüíî, èìåííî òàêàÿ çàâèñèìîñòü îòìå÷àëàñü ïðè ñðàâíåíèè êîëåáàíèé ïîãîäû â ðàçíûõ øèðîòíûõ ïîÿñàõ Çåìëè (ñì. ðèñ.1 è 3).Êà÷åñòâåííîå ñîãëàñèå ðåçóëüòàòîâ íàáëþäåíèé ñ âûâîäàìè ãèäðîäèíàìè÷åñêîé òåîðèè ïîäîáèÿ ìîæåò îêàçàòüñÿ ïîëåçíûì êàê äëÿ ïðîãíîçà ïîãîäíûõ àíîìàëèé ïðè ïîòåïëåíèè êëèìàòà, òàê è äëÿ ïëàíåòîëîãè÷åñêèõ ïðèëîæåíèé. Îíî ïîçâîëèò ýêñòðàïîëèðîâàòü îöåíêè ôëóêòóàöèé, ïîëó÷åííûå äëÿ çåìíîé àòìîñôåðû, íà äðóãèå ïëàíåòû Ñîëíå÷íîé ñèñòåìû ñ ìîùíûìè àòìîñôåðàìè (Âåíåðó, Þïèòåð, Ñàòóðí).
 Äåêàáðü 2000 |
