Любительская астрономия

Трудная судьба астрометеорологического прогноза

А.К.Панкратов, В.Я.Нарманский

В Крыму уже три года работает неправительственная исследовательская организация 'Гелиоритм'. Одна из проблем, разрабатываемых профессиональными учеными этого объединения - вопросы солнечно-земных связей.

Вступление

Знаменитый адмирал Р.Фицрой, капитан 'Бигля', на котором путешествовал Ч.Дарвин, один из основателей синоптической метеорологии, назвал как-то астрометеорологию 'постыдной наукой, вводящей публику в заблуждение'. Астрометеорология - один из самых древних методов прогноза, в основе которого лежит предположение о связи вариаций атмосферных параметров с движением планет. В наши дни многие, вероятно, готовы тотчас же присоединиться к словам Фицроя: ведь о планетах мы ныне знаем достаточно, чтобы быть уверенными в невозможности их воздействия на земную тропосферу.

Между тем, ни суждение адмирала, ни распространеннное негативное отношение к упомянутой концепции, увы! - несправедливы и неверны. Вообще, оценивая те или иные старинные методы и рекомендации, уместно соблюдать осторожность. Мы уже привыкли судить о наших предках свысока и весьма категорично. Однако этот стереотип нашего мышления - явная аберрация: наши предки, как правило, мыслили столь же логично, как и мы. Наше превосходство в знаниях неоспоримо, но, отчужденные от Природы, мы, вероятно, значительно проигрываем им в наблюдательности. В итоге, нередко приходится сталкиваться с ситуацией, когда совершенно правильные и глубокие эмпирические обобщения наших предков сопровождаются наивными либо просто смешными 'объяснениями'. Но разве в наше время не происходит то же самое? В общем, модели приходят и уходят, а Природа остается...

Принцип 'максимальной резонансности'

Прежде чем приступить к объективному и непредвзятому рассмотрению основ астрометеорологии, уместно напомнить об одной замечательной гипотезе более чем четвертьвековой давности. Речь идет о гипотезе 'максимальной резонансности' Солнечной системы (А.М.Молчанов [1]). Среди астрономов она не получила (пока) единодушной поддержки, однако ее глубокое эвристическое значение ныне неоспоримо, а смысл органично вплетается в новейшую синергетическую идеологию. Физическая суть гипотезы проста: если имеется система слабо связанных маятников (осцилляторов), через некоторое время возникнет особый общий режим движения, в котором периоды всех осцилляторов окажутся связанными некоторыми резонансными соотношениями. Этого ультрастабильного режима движения, когда система может характеризоваться набором целых чисел, оказывается возможным достигнуть, подчеркнем, в результате эволюции, когда действует отбор - 'вымирают' менее устойчивые состояния. Солнечная система, согласно А.М.Молчанову, как раз и является такой долго эволюционирующей системой. Несколько позже к этой гипотезе было сделано важное (и естественное) дополнение: в общий синхронный режим движения Солнечной системы должно быть вовлечено и Солнце (прежде всего - автоколебания солнечной активности; В.П.Козелов [2]). В рамках этой теоретической схемы можно говорить о существовании Универсального спектра периодов Солнечной системы, отвечающего ее единому колебательному режиму [3].

Множество важных наблюдательных закономерностей в Солнечной системе можно понять без дополнительных предположений, приняв гипотезу Молчанова-Козелова. Например то, что для Солнечной системы можно применять элементы математического аппарата квантовой механики: еще Н.Г.Четаевым было показано, что устойчивые орбиты образуют множество, описываемое уравнением типа уравнения Шредингера. Или то, что в вариациях солнечной активности обнаруживаются практически все планетные частоты, их гармоники и комбинации (включая годовой период). Для Юпитера и Сатурна характерна столь точная синхронизация между периодами их осевого вращения и орбитальными периодами спутников, что возможно уточнение соответствующих 'твердотельных' 'спиновых' периодов.

Все эволюционно зрелые системы должны быть 'максимально резонансны'. Возможно, что наблюдаемая планетная система - вокруг пульсара PSR 1257+12 - как раз такова.

рис. 1 Разности гелиоцентрических долгот Урана и Нептуна L78 (сплошная линия) и Сатурна и Нептуна L68 (пунктирная линия)

Тотальная синхронизация в Солнечной системе может наблюдаться, понятно, многими способами. Один из примеров показан на рис. 1. Здесь по осям отложены разности гелиоцентрических долгот Урана и Нептуна L₇₈ и Сатурна и Нептуна L₆₈ (здесь и ниже нижние индексы означают номер планеты в порядке удаления от Солнца). Большими и малыми кружками нанесены соответственно максимумы и минимумы солнечной активности с начала XVII века [4]. Направление движения по диаграмме - тонкие линии с наклоном вправо - снизу вверх. Из рассмотрения графика видно, что максимумы и минимумы занимают разные полосы (отмечены жирными прямыми линиями), причем полоса минимумов вдвое уже полосы максимумов. Здесь можно усмотреть и некоторые другие закономерности, но сейчас важно подчеркнуть основное - ритмика солнечной активности и положение планет на диаграммах типа представленной на рис. 1 - связаны. Подобная связь позволяет трактовать взаимные положения планет как некоторый обобщенный показатель солнечной активности. Этот показатель можно предвычислить и, следовательно, построить некоторый алгоритм прогноза солнечной активности. Один из таких алгоритмов был предложен киевским астрономом П.Р.Романчуком и при испытании дал, между прочим, неплохие результаты.

Ураган Мэрилин, 15 сентября 1995 года (спутник GOES-9)

Наличие вездесущей синхронизации заставляет нас с особой осторожностью отнестись к слову 'связь'. Обычное словоупотребление предполагает оттенок смысла 'причинная связь'. Но в данном случае нет ни малейшей необходимости возвращаться к уже давно отброшенным идеям о планетных приливах на Солнце как 'причине' солнечной активности. Движение планет и вариации солнечной активности - это синхронно протекающие явления. В таком смысле, как заход Солнца и стрелка часов, приближающаяся к моменту времени солнечного захода.

Динамика планет и атмосферные явления

Существует обширная литература о влиянии солнечной активности на процессы в нижней атмосфере. Сам факт такого воздействия в настоящее время не подлежит сомнению. Бесспорно и то, что это влияние весьма сложно. Но, может быть, картина станет несколько проще, если использовать обсуждавшийся выше обобщенный индекс солнечной активности? Так, возникает искушение исключить из цепочки 'движение планет - солнечная активность - тропосферные явления' промежуточное звено в виде 'солнечной активности' и попытаться отыскать связь непосредственно между движением планет и метеоявлениями. Начальный этап поставленной задачи - поиск доказательств непосредственной связи метеоявлений и движения планет (читатель, конечно, помнит какой именно смысл придается здесь словам 'непосредственная связь'!).

В качестве исходных данных для последующего анализа были взяты среднесуточные температуры воздуха в Симферополе за 1913-1988 гг. Предварительно из исследуемого ряда был исключен средний за 75 лет сезонный ход. При этом оказалась вычтенной и постоянная составляющая (+10,4њ). Частотное распределение отклонений от нулевого уровня получилось вполне симметричным с шириной +8,0њ. Симметрия нарушается для крыльев распределения. Поэтому, чтобы уравнять число анализируемых случаев нормальных 'потеплений' - 'похолоданий', пришлось для них выбрать разные пороги: tњ- <tњ> < -11њ и tњ- <tњ> >+10њ (число случаев, соответственно, 315 и 285). Затем температурные аномалии были нанесены на уже знакомые читателю диаграммы вида L₃-L_i, где L₃ - гелиоцентрическая долгота Земли на день аномалии, а L_i - соответственно, долгота i-ой планеты, i=1,2,4,5. Оказалось, что практически все похолодания-потепления выбранной амплитуды встречаются только во временной полосе с октября по апрель (период 'неустойчивой погоды' в Симферополе). В мае-сентябре число таких температурных отклонений примерно в 100 раз меньше. Период 'устойчивой погоды' сокращается до 1/3 года, если порог температурных аномалий понизить до 8,0њ. Из рассмотрения диаграмм, примеры которых представлены на рис. 2 и 3, хорошо видно, что температурные аномалии разного знака образуют высокоупорядоченную картину: если в некоторой части диаграммы располагаются похолодания выбранной амплитуды, то потеплений в этом месте практически нет. Случаи похолоданий группируются в 'пятна' самой разной формы, количество 'пятен' на разных диаграммах может достигать 20. То, что температурные аномалии разного знака на рис. 2 и 3 не находятся в состоянии 'полного перемешивания', и означает, что появление не предусмотренных сезоном похолоданий-потеплений в Симферополе тесно связано с положением планет. Но ведь это и есть базовая идея, лежащая в основе астрометеорологического прогноза.

Здесь важно обратить внимание на то, что отмеченная закономерность относится к одному пункту наблюдений, является локальной. Если повторить этот анализ для другого географического пункта, картина рис. 2 и 3 изменится. Это проявление весьма общей закономерности - временная упорядоченность всегда сопровождается пространственной организацией. Для традиционных индексов солнечной активности и геомагнитной возмущенности эта фундаментальная особенность солнечно-тропосферных связей была сформулирована в ясной форме сравнительно недавно (Р.В.Смирнов, Э.В.Кононович [15]). Итак, астрометеорологический прогноз по самой своей сути - прогноз локальный. За пределами некоторого региона, в котором прогностический алгоритм 'работает', необходима переделка алгоритма. Это кажется очень неудобным, но в стародавние времена предсказание погоды представляло интерес только для своего места обитания.

Ритмика Солнечной системы в вариациях температуры в данном пункте

Если рассматриваемые вариации действительно связаны с движением планет, то в этих вариациях обязательно должны присутствовать определенные периоды. Вот почему результат рис. 2 и 3 необходимо дополнить выяснением набора периодов в анализируемых вариациях. Спектр мощности (построенный с помощью стандартного алгоритма с предварительным исключением сезонного хода) оказался весьма богатым. Замечательно, что даже большинство тех периодов, мощность которых не достигала обычного критичного уровня значимости (отношение сигнал/шум > 3), оказались близки, либо совпадали с комбинациями планетных периодов. Для доминирующих пиков практически нет исключений. Период 287,4^d+2,5^d близок к 1/2ћT₂₃ (здесь, как обычно, 1/Т₂₃=1/Т_венеры-1/Т_земли). Или 167,2^d+2,0^d совпадает с 1/2ћТ₂₄. Имеется период 29,36^d+0,03^d неотличимый от 1/3ћТ₁₈. Этот же период, хорошо известный из анализа вариаций геомагнитной активности и близкий к лунному синодическому месяцу, очень близок к периоду вариаций одной из динамических переменных при движении Солнца относительно барицентра Солнечной системы - 29,52^d [6]. Периоды более года для Симферополя (1913-1988) перечислены в таблице 1 (2-я колонка). Здесь же ниже для сравнения представлены аналогичные данные для среднегодовых 100-летних рядов измерений в Москве (1881-1984) [7] и Саратове (1881-1985) [7] (в скобках указаны значения периодов со значимостью ниже принятой). В последней колонке указаны возможные отождествления полученных периодов в тех же обозначениях. Из табл. 1 видно, что для разных пунктов измерений спектры, понятно, различаются, хотя некоторые периоды присутствуют во всех трех рядах - например, 2,80^a (у таких периодов должны быть различные фазы). В общем, ожидаемые комбинационные планетные периоды либо кратные им значения обнаруживаются в вариациях температуры с полной определенностью.

Итоги

Итак, вариации локальной среднесуточной температуры и динамика планет Солнечной системы несомненно связаны. Оказывается, что основная идея астрометеорологического прогноза является следствием весьма общих закономерностей, присущих Солнечной системе. Феноменологически эта связь выглядит как 'влияние' конкретной планеты (или соединения планет) на погоду. В литературе совсем нетрудно отыскать публикации с попытками построить модель такого 'влияния'. Между тем, это просто синхронно протекающие явления, предположение о 'влиянии' - пока излишне. В общих чертах понятно как нужно строить астрометеорологический прогноз. В простейшем случае следует отыскать год с такими же координатами планет на конкретную дату, как и в текущем (прогнозируемом) году. Должны повториться основные аномалии погоды. Однако интервал ожидаемого повторения координат основных планет относительно велик (=180^a) - больше продолжительности метеоизмерений. В таком случае приходится каталогизировать типовые синоптические ситуации с последующей их 'привязкой' к взаимным положениям планет. Очень важно, что астрометеорологический прогноз - локальный и характерная протяженность региона, видимо, должна быть разной для разных местностей и разных эпох. Этот непростой вопрос должен быть предметом специального изучения. Зато региональная ограниченность астрометеорологического прогноза искупается его долговременностью. В общем, в век компьютеров астрометеорологический прогноз вполне может пережить второе рождение...

Таблица 1 Корреляции периодичности погоды и некоторых планетных периодов