ЛОКАЛЬНАЯ ГЕОДИНАМИКА: ЭФФЕКТЫ ГЛОБАЛЬНЫХ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ХАРАКТЕРИСТИКАХ КЛИМАТА КРЫМА

LOCAL GEODYNAMICS : EFFECTS OF GLOBAL GEODYNAMIC PROCESSES IN THE CLIMATE CHARACTERISTICS OF THE CRIMEA

Galina Kurbasova

candidate of Sciences, Leading Researcher Crimean Astrophysical Observatory,

Russia, Science, Crimea

Alexander Vol'vach

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

Russia, Science, Crimea

АННОТАЦИЯ

Решение проблемы прогноза катастрофических природных и техногенных явлений в Крыму связано с организацией комплексных наблюдений в сети локальных геодинамических полигонов.

В спектре частотно-временного вейвлет-анализа спутниковых данных об инсоляции падающей на поверхность земли в пункте Кара-Даг за период с 1983.5 по 2005.5 годы обнаружены эффекты регулярных геодинамических колебаний, и с 1999 года – колебание неизвестной природы.

ABSTRACT

Solving the problem of forecasting catastrophic natural and man-made phenomena in the Crimea it is connected with the organization of complex observations in a network of local geodynamic polygons.

In the spectrum of the time-frequency wavelet analysis of satellite data on insolation incident on the earth's surface at the point of the Kara- Dag in the period from 1983.5 at 2005.5 years found geodynamic effects of regular oscillations, and since 1999 – the oscillation of unknown nature.

Ключевые слова: инсоляция; геодинамические циклы; вейвлеты.

Keywords: insolation; geodynamic cycles; a wavelets.

Введение. Крымский полуостров расположен вблизи границы Евроазийской литосферной плиты. Деформации и движения этой плиты на длительном интервале времени оказывали и оказывают в настоящее время влияние на активизацию внутри земных процессов (землетрясения, вулканы, сели). Комплексное изучение планетарных, региональных и местных геодинамических процессов является необходимым условием прогноза любых катастрофических природных явлений [2].

Влияние внешних и внутри земных процессов на климат и экологию Крыма по-разному проявляется на различных масштабах времени. Поэтому описание долголетних изменений и прогноз геофизических и климатических характеристик полуострова возможен по непрерывным наземным наблюдениям в течение многих лет [7]. В то же время, большинство метеостанций создано лишь недавно, а самые старые, где накоплены многолетние наблюдения, расположены в больших городах, где с развитием энергетики стал формироваться особый микроклимат, существенно отличающийся от климата окружающих территорий. С конца 1970-х годов на помощь климатологам пришли спутники. Однако и они не решают всех проблем. В частности, им недоступны скрытые сплошной облачностью территории. Кроме того, спутниковые измерения выполняются дистанционно косвенными методами, и на их точность влияет множество трудно учитываемых факторов – от поглощения света в атмосфере до ошибок в калибровке бортовых приемников излучения. Поэтому данные космического мониторинга надо постоянно сверять с наземными измерениями [3]. Ещё большие трудности заключаются в сборе данных о магнитном поле, роли которого в формировании локальных климатических и геофизических характеристик в последнее время уделяется большое внимание [4; 5]. Решение проблемы прогноза локальных природных катастроф и экологически вредных техногенных факторов определяется работой сети непрерывно действующих локальных геодинамических полигонов оснащённых современным комплексным экспериментальным оборудованием [8].

Экспериментальная база геодинамических наблюдений. Для изучения возникающих и развивающихся деформационных процессов, движений литосферных плит создаются геодинамические полигоны, экспериментальное оборудование которых реализует проведение комплексных наблюдений методами радио интерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ), лазерной локации искусственных спутников (ЛЛС), спутниковых систем GPS и ГЛОНАСС. На рисунке 1 схематически показано полное оснащение и взаимосвязь узлов экспериментального оборудования геодинамического полигона. Комплексные высокоточные наблюдения в сети таких полигонов позволяют решать следующие задачи глобальной геодинамики:

• установление, поддержание и распространение высокоточных небесной и земной систем координат;
• определение параметров вращения Земли (координат полюса, углов процессии и нутации);
• установление, поддержание и распространение Всемирного времени; развитие и поддержание эталонной базы единой системы времени и эталонных частот, средств синхронизации [6];
• построение высокоточной динамической системы координат и ее реализация в виде теории движения тел Солнечной системы;
• определение параметров гравитационного поля Земли.

Рисунок 1. Комплексное оборудование геодинамического полигона

В Крыму создан и частично оснащён необходимой аппаратурой для комплексных наблюдений геодинамический полигон «Симеиз-Кацивели». В настоящее время проводимые на этом полигоне наблюдения участвуют в решении задач геодинамического и экологического мониторинга при международном взаимодействии [8].

Долговременные наблюдательные программы, в которых участвуют десятки стран и многие международные и национальные организации, основаны на достижениях Глобальной навигационной спутниковой системы ГНСС: GPS (США) и ГЛОНАСС (РФ).

На рисунке 2 приведена схема GPS-наблюдений, проведенных в рамках международного проекта исследования вертикальных движений земной коры Средиземноморья (проект Комиссии Европейского Сообщества SELF II) с участием полигона «Симеиз-Кацивели».

Движение континентальных плит незаметно: по данным космических наблюдений с помощью аппаратуры GPS в настоящее время составляет 5 сантиметров за год. Тем не менее, столкновение плит вызывает деформации, сопровождающиеся землетрясениями. До 80-х годов ХХ века основными методами измерения сейсмической активности были оптические и интерферометрические измерения. Появление ГНСС и РСДБ-технологий позволило ученым показать зависимость в возникновении подземных толчков от изменения векторов движения литосферных плит. Это был важный шаг в прогнозе сейсмических явлений.

Рисунок 2. Схема GPS-наблюдений с участием полигона «Симеиз-Кацивели», проведенных в рамках международного проекта SELF II

Проводимые на полигоне «Симеиз-Кацивели» наблюдения по согласованным международным программам в настоящее время служат для научных исследований. В то же время положение Крыма вблизи разлома Евроазийской плиты и усиленное освоение территории полуострова строительными комплексами требует создания комплексной сети локальных геодинамических станций, прогнозирующих возможности и экологическую безопасность для проведения геодезических, строительных и сельскохозяйственных работ. Изучение местных нерегулярных изменений фигуры Земли, гравитационных, магнитных и сейсмических полей, местных и общих деформаций земной коры необходимо для прогноза землетрясений путём выявления района с аномальными значениями этих параметров. Комплексное изучение планетарных, региональных и местных геодинамических процессов является необходимым условием прогноза катастрофических природных явлений [1].

Глобальные геодинамические циклы в характеристиках климата Крыма. Климатическая система Земли формируется при активном участии всех геосфер планеты: атмосферы, океаносферы, криосферы, поверхности континентов, литосферы, антропосферы [2]. На формирование климатической системы влияют внешние силы: радиационные, приливные, гравитационные, электромагнитные. При этом наиболее изученным индикатором климатической изменчивости признана температура (приповерхностная температура воздуха и температура поверхности земли и океана).

В последнее время резко возросла актуальность изучения геодинамических процессов, происходящих в приповерхностных геологических структурах на локальных территориях, которые характерны для городов и зон расположения крупных инженерных сооружений. При этом особое внимание в составлении долговременных локальных прогнозов уделяется использованию спутниковых климатических параметров подверженных гелио геодинамическим воздействиям [9; 10]. Анализ изменений в структуре долговременных непрерывных рядов наблюдений устанавливает присутствие аномалий.

Любые энергетические изменения в глобальных гелио геодинамических циклах сказываются на атмосферных процессах и влияют на климатические параметры [12; 13]. В настоящей работе обсуждаются возможности установления этой связи методом частотно-временного непрерывного вейвлет-анализа.

Для анализа изменений локальных геофизических и климатических характеристик Крыма под влиянием глобальных и региональных геодинамических процессов нами использовался имеющийся в базе данных параметров наземной метеорологии и солнечной энергии (NASA, SSE – Surface meteorology and Solar Energy) 22-летний ряд климатологии (июль 1983 – июнь 2005), который обеспечивает глобальный охват по поверхности Земли (на сетке один градус широты на один градус долготы) множества данных SSE [14].

Анализ данных SSE показал, что локальные геологические особенности, техногенные факторы, а также региональная и глобальная активность эндогенных процессов Земли способствуют неравномерному распределению инсоляции, падающей на поверхность земли Крыма [3; 11]. Авторы настоящей статьи ранее обнаружили по данным SSE аномальный рост инсоляции поверхности земли в пункте Кара-Даг [11]. Наглядное представление о спектральном составе этих данных даёт контурный график на рисунке 3.

Рисунок 3. Частотно-временной непрерывный вейвлет-анализ данных об инсоляции поверхности земли в пункте Кара-Даг (вейвлеты ‘paul’). Контурный график

На этом графике по оси абсцисс отложены последовательные интервалы времени, соответствующие смещениям в непрерывном вейвлет-анализе. По оси ординат отложены величины периодов, вычисленные по алгоритму, устанавливающему соотношения между частотами (периодами) Фурье и масштабами в непрерывном вейвлет-преобразовании [15]. Результаты анализа контурного графика на рисунке 3 обнаруживают присутствие в спектре данных регулярных колебаний, коррелирующих с основными геодинамическими процессами. В конце общего временного интервала (с 1999 года) подключается колебание неизвестной природы. Так как в других пунктах полуострова в данных об инсоляции поверхности земли подобное колебание не обнаружено, предположение о роли особой геологической структуры Кара-Дага, высказанное авторами в предыдущих публикациях [11], остаётся в силе.

Выводы.

1. Актуальность проблемы создания сети локальных геодинамических полигонов и единого центра обработки наземных и спутниковых наблюдений климатических, геодинамических и гелиогеофизических наблюдений необходимо, в связи с прогрессирующим нарастанием различного рода критических деформаций земной поверхности Крыма, а также сопровождающими эти деформации разрушениями различных объектов жизнеобеспечения людей и ухудшением экологической обстановки.
2. Комплексное изучение планетарных, региональных и местных геодинамических процессов является необходимым условием прогноза любых катастрофических природных явлений.
3. Предполагается связь внешнего источника генерации колебания, которое обнаруживается с 1999 года в данных об инсоляции падающей на поверхность земли, с особой геологической структурой Кара-Дага.

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 С1. / 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. Региональная система геодинамического и экологического мониторинга Крыма с использованием GNSS // Пояснительная записка Междисциплинарной проблемно-ориентированной программы. – Х., – К.: ГАО НАНУ, 2002. – 71 с.
9. Сидоренков Н.С. Атмосферные процессы и вращение Земли. – СПб.: Гидрометеоиздат. 2002, 200 с.
10. Сидоренков Н.С. Лунно-солнечные приливы и атмосферные процессы. // Природа, № 2, 2008, С. 23–31.
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/.
15. The MatWorks / Program Files/MATLAB/R2011b.