ГЕОДИНАМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ В ДАННЫХ ОБ ИНСОЛЯЦИИ ПОЛУОСТРОВА КРЫМ

GEODYNAMIC CYCLES INSOLATION THE DATA OF THE CRIMEAN PENINSULA

Galina Kurbasova

candidate of Sciences, Leading Researcher Crimean Astrophysical Observatory,

Russia, Crimea, Science

Alexander Vol'vach

dr. of Sciences, Head. laboratory of Radio Astronomy Crimean Astrophysical Observatory,

Russia, Crimea, Science

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются результаты анализа данных об инсоляции, падающей на землю полуострова Крым по спутниковым данным за 22 года. Установлено неравномерное распределение инсоляции по поверхности полуострова. Частотно-временной вейвлет-анализ обнаружил регулярные колебания инсоляции с периодами геодинамических процессов и характер изменения их амплитуд.

ABSTRACT

The article discusses the results of the data analysis of the insolation falling on the ground of the peninsula of Crimea satellite data in 22 years. It was found uneven distribution of insolation on the surface of the peninsula. Time-frequency wavelet analysis revealed regular oscillations with periods of exposure geodynamic processes and the nature of changes in their amplitude.

Ключевые слова: инсоляция; геодинамические циклы; вейвлеты.

Keywords: insolation; geodynamic cycles; a wavelets.

Введение. Периоды стабильных колебаний гелиогеофизических, биологических и других природных процессов зависят от физических, динамических и геометрических характеристик солнечной системы [2].

На амплитуды колебаний земных процессов оказывают влияние колебания солнечной активности [2; 9], лунно-солнечные приливы [1; 9], колебания скорости вращения Земли [8], а также взаимодействия геофизических процессов [12]. Гелиогеофизические процессы воздействуют на атмосферу и происходящие в ней динамические процессы [4–7].

Локальные климатические и геофизические характеристики полуострова Крым изменяются за последние десятилетия под влиянием усиливающейся энергетики внешних и внутри земных природных процессов [4; 11]. Для прогноза этих изменений необходимо наблюдать их связь с глобальными геодинамическими процессами (движение полюсов и вращение Земли, изменения параметров системы Земля-Луна, лунно-солнечные приливы), гравитационным взаимодействием планет Солнечной системы, солнечной активностью, параметрами геомагнитного поля.

Связь локальных климатических и геофизических характеристик с вращением Земли не подлежит сомнению. Однако её детали для каждого экономически важного пункта Крыма, в силу разнообразия ландшафта, техногенных условий и пр., должны находиться под контролем регулярных наземных и космических наблюдений.

Энергетически важным локальным параметром является инсоляция – поток прямой солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность земли. Нормирование и расчет инсоляции являются сейчас, пожалуй, наиболее острой светотехнической, экономической и социально-правовой проблемой. Не менее важны экологические проблемы распределения инсоляции по поверхности Земного шара: аномальная инсоляция поверхности земли может указывать на геофизические и атмосферные отклонения, которые влияют на формирование локальных геофизических и климатических характеристик в настоящем времени и может отрицательно сказаться на экологии в будущем. Для анализа распределения инсоляции падающей на поверхность земли Крымского полуострова нами использовались данные полученные из Космоса.

Характеристика исходных данных. Для поддержки научных и технических разработок по проблемам возобновляемой энергетики в NASA разработан и успешно функционирует в настоящее время проект прогноза энергетических ресурсов во всем мире (POVER – Prediction of Worldwide Energy Resource Project). В рамках этого проекта создана база данных параметров наземной метеорологии и солнечной энергии (SSE – Surface meteorology and Solar Energy) [14]. Эта база состоит из более 200 спутниковых параметров метеорологии и параметров солнечной энергии. Имеющийся в этой базе 22 – летний ряд климатологии (июль 1983 – июнь 2005) обеспечивает глобальный охват по поверхности Земли (на сетке один градус широты на один градус долготы) множества данных SSE.

В этом параграфе обсуждаются результаты анализа данных SSE (swv_ dwn) о средней инсоляции, падающей на поверхность земли полуострова Крым за период июль 1983 – июнь 2005 год.

Распределение инсоляции падающей на поверхность земли полуострова Крым. Локальные геологические особенности, техногенные факторы, а также региональная и глобальная активность эндогенных процессов Земли способствуют неравномерному распределению инсоляции, падающей на поверхность земли Крыма.

Рисунок .1 Средняя за период1883–2005 годы инсоляция, падающая на горизонтальную поверхность земли Крыма

Как следует из графика на рисунке 1, направление роста средней за 22 года инсоляции, падающей на поверхность земли полуострова Крым, юго-восточное. Средняя инсоляция горизонтальной поверхности земли существенно менше по сравнению с приходящей на поверхность атмосферы и распределена неравномерно. Выделяется участок с аномально высокой инсоляцией. Это прежде всего пункт Кара – Даг и его окружение. На рисунке 1 приведены координаты пункта наибольшей средней за 22 года инсоляции падающей на поверхность земли: X – северная широта, Y – восточная долгота, Z –максимальная инсоляция.

Можно предположить, что аномальный рост инсоляции пункта Кара-Даг связан с образованием особой геологической структуры, обусловленной извержением вулкана в далёком прошлом. Уже более века продолжается изучение геологии Кара-Дага. В конце XIX века начинают появляться первые сведения по геологии этой вулканической группы. Исследователями структуры Кара-Дага сделан вывод относительно его сложного строения. Установлено сходство с современным итальянским вулканом Везувий, окруженным остатком более древнего вулкана Сомма. Характер локальных изменений климатических и геофизических характеристик может служить одним из сигналов возможной активизации внутри земных процессов, либо установившейся особой локальной структуры теплообмена в недрах земли. В этом случае необходимо исследовать устойчивость этой структуры и характер вариаций климатических и геофизических характеристик на различных интервалах времени. В ходе анализа временных рядов наблюдений природных процессов важным этапом является обнаружение регулярных колебаний и характера изменения основных характеристик этих колебаний во времени. Это необходимо, прежде всего, для построения надёжного прогноза. С этой целью изучается спектральный состав анализируемых данных.

Спектральный состав анализируемых данных.

На графике периодограммы дискретного преобразования Фурье (рис. 2) достоверно выделяется единственное колебание с периодом 372.3 сут.

Визуальный анализ этого графика обнаруживает расширение пика у основания, что может указывать на недостаточную разрешимость метода Фурье при ограниченном наборе данных.

Рисунок 2. Периодограмма данных swv (Кара–Даг). Дискретное преобразование Фурье

Более полную информацию о частотах и их локализации на оси времени получим методом вейвлет-анализа [10].

Рисунок 3. Частотно-временная характеристика данных swv (Кара-Даг). Вейвлет-преобразование (вейвлеты’morl’)

Проведенный нами частотно-временной непрерывный вейвлет – анализ обнаруживает в спектральной структуре данных swv, по крайней мере, 5 регулярных колебаний. Периоды этих колебаний сопоставимы с периодами лунных и лунно–солнечных приливных волн. Период наиболее мощного из выделенных колебаний равен 345.3 суток, что совпадает с допустимой точностью с периодом движения узла лунной орбиты (драконический период). Амплитуда этого колебания существенно возрастает после 1995 года. Период следующего по мощности колебания равен 365 суток. Амплитуда этого колебания стабильна. Высокочастотные колебания, от которых зависит точность краткосрочных прогнозов, не устойчивы и имеют переменную фрактальную структуру. В области низких частот (больших периодов) намечаются следы регулярных колебаний, которые не могут быть достоверно определены из-за ограниченной длительности временного интервала определения данных и небольших амплитуд этих колебаний.

Энергетическое влияние на инсоляцию поверхности земли в пункте Кара-Даг со стороны лунно-солнечных приливных колебаний возросшее после 1995 года вызывает рост амплитуды колебаний инсоляции тогда как эффект долговременного линейного роста, по всей вероятности, связан с комплексным влиянием экзогенных и эндогенных процессов.

Выводы.

1. Многолетний (1983–2005) рост среднегодовой инсоляции падающей на горизонтальную поверхность земли и температуры земли на полуострове Крым наблюдается в юго-восточном направлении.
2. В спектре данных swv (Кара-Даг) преобразование Фурье выделяет единственное колебание с периодом 372.3 суток.

В то же время, в спектре непрерывного частотно-временного вейвлет-преобразования присутствует наиболее мощное колебание с периодом 345.3 суток, амплитуда которого существенно возрастает после 1995 года; кроме того, в этом спектре выделяются близкие по частоте регулярные колебания с периодом около 1 года.

Список литературы:

1. Авсюк Ю.Н. Приливные силы и природные процессы. – М.: Объединённый институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 1996. – 186 с.
2. Берри Б.Л. Синхронные процессы в оболочках Земли и их космические причины // Вестник МГУ. 1991. Сер. 5, № 1. С. 20–27.
3. Курбасова Г.С., А.Е. Вольвач Вейвлет-анализ наземных и космических измерений локальной инсоляции // Космическая наука и технология. 2014. Т. 20. № 4. С. 42–49.
4. Курбасова Г.С., Вольвач А.Е. Mноголетние изменения геомагнитного поля Крыма / Сб. ст. по материалам ХХVI МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ «Естественные и математические науки в современном мире». № 1 (25) . Новосибирск: Изд. «СибАК», 2015. С. 184–192.
5. Курбасова Г.С., Вольвач А.Е. Геомагнитное поле и климат Кара-Дага: когерентные колебания. / Сб. ст. по материалам XXVIII МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ «Eстественные и математические науки в современном мире» № 3 (27). Новосибирск: Изд. «СибАК», 2015. С. 84–90.
6. Курбасова Г.С., Вольвач А.Е. Время ГЛОНАСС: вейвлет-анализ данных С. 1. / Сб. ст. по материалам ХХIХ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ «Естественные и математические науки в современном мире». № 4 (28). Новосибирск: Изд. «СибАК», 2015. С. 62–69.
7. Курбасова Г.С., Вольвач А.Е., Корсакова С.П. Температура поверхности земли в «Никитском ботаническом саду». / Сб. ст. по материалам ХХХ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ «Естественные и математические науки в современном мире». № 5 (29). Новосибирск: Изд. «СибАК», 2015. С. 205–213.
8. Сидоренков Н.С. Атмосферные процессы и вращение Земли. – СПб.: Гидрометеоиздат. 2002, 200 с.
9. Сидоренков Н.С. Лунно-солнечные приливы и атмосферные процессы. // Природа, № 2, 2008, С. 23–31.
10. For use with MATLAB. User’s Guide // The MathWorks, Inc. – 2002. – [Электронный ресурс] – URL: http://www.mathworks.com.
11. Kurbasova G.S., Volvach A.E. The insolation anomalies on the Crimeanpeninsula with observations from space // CriMiCo2014, Conference Proceedings – Sevastopol: Weber Publishing. 2014. – Vol. 2. P. 1085–1086.
12. Kurbasova G.S., Korsun A.A., Rykhlova L.V., Rybalova M.N., Shlikar G.N. Statistical Correlations between 10 – Year Variations of Annual Mean Geodynamical, Geophysical, and Heliophysical Data. // Astronomy Reports. 1997. Vol. 41, № 1. P. 128–134.
13. Kurbasova G.S., Korsakova S.P., Rybalova M.N., Shlikar G.N. Correlations of Changes in the Earth’s Rotational Velocityand Some Climate Characteristics: Spectral Estimation in Two_Channel Autoregression Models. // Bulletin of the Crimean Astrophysical Observatory, 2011, Vol. 107, Р. 90–97.
14. Surface meteorology and Solar Energy – A renewable energy resource web site (release 6.0) sponsored by NASA's Applied Science Program in the Science Mission Directorate developed by POWER: Prediction of Worldwide Energy Resource Project. – 2015. – [Электронный ресурс] – Режим доступа. – URL: https://eosweb.larc.nasa.gov/sse/.