Страница:
В 1965 г. американский астроном П. Джозе отметил, что центр тяжести Солнечной системы не совпадает с центром Солнца. По его расчетам получилось, что Солнце должно обращаться вокруг центра Солнечной системы с периодом 178,77 года. Ранее тот же самый 178-летний период был найден для цикличности солнечной активности при обработке всех имеющихся данных о солнечной активности (индексов Вольфа). А вскоре, в том же 1965 г., английские ученые Р. Вуд и К. Вуд, сопоставив уравнения, описывающие движения планет вокруг нашего светила, с уравнениями, отражающими их гравитационное воздействие на поверхность Солнца, обнаружили все тот же отчетливый 11-летний цикл. Его точное значение - 11,08 года. При этом они учли влияние не только внешних больших (Юпитер, Сатурн и др.) планет, как это сделал П. Джозе, но и внутренних (Меркурий, Венера, Земля и Марс).
Они показали, что в результате вращения планет центр тяжести Солнечной системы непрерывно смещается, а Солнце неустанно стремится к нему. В результате несогласованных "действий" планет Солнце испытывает рывкинджерки ("jerk"), которые должны приводить к возникновению вспышек на Солнце и образованию пятен. Этот анализ дал возможность прогнозировать ближайшие вспышки на Солнце, причем точность прогноза оказалась поразительной. С помощью электронно-вычислительной машины американский исследователь Д. Кинг-Хили произвел более точные вычисления возмущающих влияний планет на Солнце и дал прогноз солнечной активности (предсказал значение индексов Вольфа) почти на два десятилетия вперед. Если этот прогноз осуществится - а пока он сбывается, - скептикам придется согласиться, что положение планет играет большую роль в ходе природных процессов на Земле.
Каким же образом карлики планеты способны управлять гигантом Солнцем? Безусловно, образование центров активности на поверхно-сти Солнца не обусловлено возмущающими воздействиями планет. Но в условиях неоднородности работы солнечной "машины", резкой неравномерности выноса энергии с различных участков поверхности Солнца там складывается обстановка неустойчивого динамического равновесия. При таком положении и незначительные возмущения от планет могут становиться дополнительным фактором, вызывающим изменения и создание нового, несколько отличного от прежнего динамического равновесия.
Приливы и климатические катаклизмы
Вспомним о приливах. Даже человек, никогда не бывавший на берегах океана, все равно много слышал и читал о приливах. Приливы проявляются не только в водах морей и океанов, приливы захватывают и верхнюю твердую оболочку Земли - литосферу, а также ее воздушную оболочку. На широте Москвы Земля под нашими ногами каждый день поднимается почти на 40 сантиметров, а мы этого даже не замечаем. Другое дело на побережье морей и океанов. Здесь зачастую условия судоходства контролируются ходом приливов и отливов.
Уже в глубокой древности было замечено, что время наступления приливов связано с положением Луны на небосводе, а их сила - с ее фазами. Теперь мы знаем, что приливы на Земле вызываются силой притяжения Луны и Солнца, то есть существуют лунный к солнечный приливы. Луне нужен почти месяц, чтобы совершить один оборот вокруг Земли. И дважды за это время Луна, Земля и Солнце оказываются почти на одной прямой (то есть плоскости орбиты Луны и Земли расположены под небольшим углом друг к другу). Тогда приливные волны от Солнца и Луны складываются и приливы в морях и океанах бывают максимальными. Такие приливы называют сизигийными. А дважды в месяц, когда Солнце и Луна расположены по отношению к Земле почти под прямым углом, приливы в океанах минимальны, так как солнечный прилив вычитается из лунного, как бы частично его гасит.
Но и сами слагаемые, то есть приливные волны, вызываемые Солнцем и Луной, постоянно изменяются, поскольку Луна и Земля вращаются не по круговым, а по эллиптическим орбитам. Когда Луна находится к Земле ближе всего, в точке перигея, лунный прилив усиливается на 40 процентов. Наклон плоскости лунной орбиты по отношению к плоскости орбиты Земли изменяется, и каждые 18,6 года эти плоскости совпадают, а прилив усиливается. При таком положении солнечные и лунные затмения случаются гораздо чаще. Еще в Древнем Египте тайна цикличности солнечных затмений была разгадана, период вращения в 18,6 года был назван "Сарос". Это позволило египетским жрецам составить календарь затмений на много лет вперед и предсказывать их наступление с большой точностью.
Наконец, через каждые 1800 - 1900 лет Луна, Земля и Солнце входят в полосу "сверхсароса". В это время не только совпадают орбиты Луны и Земли, но Луна находится на своей орбите ближе всего к Земле, а Земля - ближе всего к Солнцу. И тогда наступает эпоха наиболее сильных приливов.
Таким образом, приливы дают прекрасный пример многослойной ритмичности с полусуточным, двухнедельным, 18,6-летним и 1850-летним периодами. Но что любопытно, с такими же периодами на Земле имеется и множество других ритмически повторяющихся природных процессов.
Рис. 3 (Razum04.gif). Схема ритмов увлажненности материков Северного полушария (по Г. К. Тушинскому).
Выше уже упоминалось о "Саросе" - периоде в 18,6 года для ритмично повторяющейся череды солнечно-лунных затмений. Исследования советских географов, и в первую очередь А. В. Шнитникова, позволили выявить резкие колебания в увлажненности, динамике многих компонентов ландшафтной оболочки, происходящие с периодом в 1850 лет. Именно с таким периодом 8 раз за последние 15 тысяч лет наступали и отступали горные ледники. Как выявилось, наступление ледников контролируется не столько отрицательными температурами (усилием морозов), сколько повышением увлажненности. Колебания увлажненности с периодом около 2000 лет (1850 лет) проявились не только в горах, но и имели глобальный характер. Профессор Г. К. Тушинский приводит целый ряд любопытных и неожиданных сведений о колебаниях климата в Африке, Европе и Азии на основании изучения летописей, наскальных рисунков и других остатков былых цивилизаций (рис. 3). Цветущие оазисы на протяжении истории человека неоднократно превращались в пустыни (Сахара, Средняя Азия), а другие оазисы жизни погребались наступающим ледником (Гренландия).
А. В. Шнитников нарисовал стройную картину причинных взаимосвязей, обусловивших ритмическую миграцию границ ландшафтно-географических зон с периодом в 1850 лет. Она включает колебание приливообразующих сил, внутренних волн океанов, температурного режима океана, ледовитости Арктики, атмосферной циркуляции, температурного режима и увлажненности материков (стока рек, уровня озер, увлажненности торфяников, подземных вод, горных ледников, вечной мерзлоты).
Одним из самых больших стихийных бедствий являются землетрясения. Мы не только не в силах пока их предотвращать, но не умеем даже достаточно уверенно предсказывать их наступление. Любопытно, что и в этом случае фазы Луны помогают делать удачные прогнозы. Как показали исследования бакинского ученого Г. П. Тамзаряна, гораздо более часто землетрясения происходят в дни новолуния или полнолуния, то есть когда Луна, Земля и Солнце находятся на одной прямой и приливные воздействия в твердой оболочке Земли от Луны и Солнца складываются [Сейсмические толчки - лунотрясения, как показали записи сейсмографов, установленных американскими космонавтами на Луне, характеризуются той же периодичностью.]. Статистически достоверно устанавливаются периодические изменения в сейсмичности на Земле, обусловленные приливными колебаниями с суточным, годовым и 18,6-летним периодами. Конечно, и в этом случае землетрясения происходят не от колебаний напряжений внутри земной коры, вызванных приливными воздействиями. Но слабые дополнительные приливные усилия могут, видимо, приводить к разрядке интенсивных эндогенных полей напряжения, охватывающих литосферу. Таким образом, приливные воздействия можно сравнить с искрами или детонаторами, которые, не обладая собственной большой силой, могут воспламенять заряды и вызывать огромные разрушительные взрывы.
В последнее время выяснилось, что суточная, сезонная и многолетняя ритмичность, обусловленная приливными эффектами, ощущается и в более слабых проявлениях активности недр, например в виде горных ударов и выбросов газа в рудниках и шахтах. Есть и другие случаи нарушения тонкого динамического равновесия напряженного состояния горных пород в активных сейсмических зонах ничтожными проявлениями дополнительных внешних возмущающих сил. Примером могут служить землетрясения, спровоцированные инженерной деятельностью человека (строительством и заполнением горных водохранилищ), а также колебаниями солнечной активности (числа пятен на Солнце), механизмы которых пока остаются не разгаданными до конца.
Приливы изменяют ритмичность
В повторности, периодичности природных процессов, явлений так и видится некая неизменность, закостенелость. Но ведь диалектика утверждает, что все изменяется. И диалектика права - изменяется даже ход процессов, имеющих на первый взгляд строго периодический, циклический характер.
Рассмотрим для примера такие, казалось бы, фундаментальные, неизменные величины, как продолжительность суток или года. Земля совершает один оборот вокруг своей оси, и на нее приходят новые сутки, еще оборот - опять сутки. И так без изменений до бесконечности? Нет. Исследователи, интересующиеся точным временем, знают, что даже на протяжении года Земля вращается неравномерно - в августе сутки самые короткие, в марте - самые длинные. Кроме того, продолжительность суток возрастает от года к году, так как скорость вращения Земли вокруг оси прогрессивно замедляется. Замедляется вследствие опять же приливных эффектов в системе Луна - Земля - Солнце.
Рис. 4 (Razum05.gif). Приливные силы замедляют суточное вращение Земли и ускоряют орбитальное вращение Луны, вследствие чего орбита Луны приобретает вид раскручивающейся спирали. Суточное вращение Земли - С, приливное взаимодействие Земли и Луны - П, орбитальное вращение Луны - О.
Земля вращается вокруг своей оси гораздо быстрее, чем Луна вокруг Земли. Поэтому Земля стремится сдвинуть приливной "горбик" на Луне вперед по ходу вращения Луны, тем самым несколько ускоряя ее движение. Напротив, Луна как бы пытается задержать продвижение приливного "горбика" на Земле, тем самым слегка затормаживая вращение Земли (рис. 4). Вот почему со временем вращение Земли вокруг оси все замедляется и замедляется, а Луна, подталкиваемая Землей, движется по слегка раскручивающейся спирали, все более удаляясь от Земли. Чем же это все может кончиться и что было раньше?
Впервые такой вопрос поставил и дал на него довольно обоснованный ответ Д. Дарвин, сын знаменитого натуралиста Ч. Дарвина. Он рассчитал, что "раскручивание" Луны Землей будет продолжаться до тех пор, пока период оборота Земли вокруг оси не сравняется с периодом вращения Луны вокруг Земли. Произойдет это через много миллионов лет, когда сутки на Земле будут длиться 1320 часов (по уточненным подсчетам американского ученого Дж. П. Койнера - 1200 часов) - столько же, сколько и лунный месяц, а Луна станет видна только одному полушарию Земли.
Воздействие солнечного прилива на Землю имеет двойной эффект. С одной стороны, вращение Земли вокруг оси слегка подтормаживается, а с другой вращение Земли по орбите вокруг Солнца постепенно ускоряется, и Земля переходит на все более высокую орбиту. Получается, что продолжительность земного года, как и лунного месяца, должна неуклонно возрастать со временем. Однако этого не происходит. Изучение кораллов, живших в девонском периоде (370 миллионов лет назад), показало, что тогда год на Земле длился 400 суток. А через несколько десятков миллионов лет, в начале каменноугольного периода, продолжительность года уменьшилась до 390 суток. Но, несмотря на то что количество суток в году постепенно уменьшалось, абсолютная продолжительность года на Земле возрастала, с избытком компенсируясь увеличением длительности суток.
Таким образом, на этих примерах можно еще раз видеть, как слабые воздействия (приливные эффекты) приводят к значительным изменениям изменениям самой ритмичности ряда природных процессов, которые в свою очередь могут вызвать изменения в ритмичности других природных явлений (например, различных климатических факторов).
Год длиною в 200 миллионов лет
Если малозаметные приливные воздействия планет способны в значительной степени регулировать солнечную активность, а приливные воздействия в системе Луна - Земля - Солнце резко сказываются на климате, продолжительности суток и года на Земле, тем более серьезные изменения для Солнечной системы должны проистекать из-за перемещения Солнца в пределах Галактики.
Астрономы установили, что Солнце находится недалеко от плоскости симметрии нашей спиралевидной Галактики и, двигаясь со скоростью 240 км/сек., совершает один оборот вокруг центра Галактики примерно за 200 миллионов лет. Этот период называется галактическим годом. Взаимодействие Солнца с окружающими его звездами не остается неизменным во времени: во-первых, на разном удалении от центра Галактики звезды вращаются вокруг него с разной угловой (и линейной) скоростью. Во-вторых, многие из них имеют собственные движения. Так, у Солнца скорость собственного движения составляет 20 км/сек. И наконец, орбита движения Солнца -в Галактике имеет эллиптический характер, а ее плоскость наклонна к плоскости симметрии Галактики.
Таким образом, при своем движении Солнце дважды в ходе галактического года попадает в области с большей концентрацией звезд (вблизи плоскости симметрии) и, кроме того, находится то ближе к центру Галактики (в перигее), то удаляется от него. Все это должно сильно отражаться на активности Солнца, создавая ритмичность крупного масштаба, мегаритмичность, которую ни отдельный человек, ни все человечество не могут заметить непосредственно. Время существования человеческой цивилизации - это лишь миг по отношению к галактическому году протяженностью в 200 миллионов лет. Мы, наши предки и наши потомки живем, жили и будут жить в галактическом декабре.
А насколько отличаются между собой сезоны галактического года и сказываются лк они серьезно на изменениях лика Земли?
Геологи уже давно установили, что наиболее серьезные изменения на Земле происходили с периодом 180 - 220 миллионов лет. Именно с таким периодом на Земле сменяли друг друга крупнейшие эпохи горообразования каледонская, герцинская, альпийская, происходило вымирание больших групп фауны и флоры в конце палеозоя и мезозоя, крупнейшие трансгрессии и регрессии (наступление и отступление) океана, резкие климатические изменения (сказывающиеся на характере накопления осадков), изменение интенсивности магматической деятельности и т. п. Многие геологи связывают эту ритмичность с ходом галактического года. И в этом случае ритмичность геологических событий оказывается логично увязанной с очень постепенно происходящей, но тем не менее впечатляющей сменой галактических сезонов.
Прогнозы каверзных стихий
С тех пор как стало ясно, что солнечные и лунные затмения связаны с взаимным положением Солнца, Земли и Луны, их оказалось нетрудно предсказать на десятки и сотни лет вперед. Как показано в предыдущих разделах, многочисленные геофизические параметры и процессы также находятся в тесной зависимости от колебаний приливных воздействий, от взаимной конфигурации планет. Почему же в таком случае не попробовать на основе расположения планет прогнозировать колебания погоды и климата, стихийные метеорологические бедствия (ураганы, засухи, наводнения), "козни Плутона" (фазы активизации вулканов, крупные землетрясения)? Оказывается, такие прогнозы делались уже неоднократно и часто оправдывались.
Вот несколько примеров. Английские астрономы более чем за год предсказали мощную протонную вспышку на Солнце 12 ноября 1966 г. Они же предсказали магнитные бури,
полярные сияния и перебои в радиосвязи 3 и 23 июля, 5 и 26 августа и 15 сентября 1967 г. Французский вулканолог Ф. А. Перрет дал удачный прогноз резкого усиления извержения Этны 27 июля 1923 г. Азербайджанский геолог Г. П. Тамразян в 1955 г. опубликовал прогноз активности грязевых вулканов на 1957 - 1960 гг. Девять крупных извержений за этот период случилось в "запланированные" сроки.
На основании ритмичности в изменении солнечной активности даны и долгосрочные прогнозы глобальных изменений климата Земли в ближайшем будущем. Так, американский метеоролог К. Уиллет предсказал, что в ближайшие 25 лет на Земле произойдет значительное похолодание. В средних широтах будет меньше продолжительных засух, а в северных широтах будут преобладать периоды с недостаточным количеством осадков, в частности в Канаде и Северной Америке. Десятилетний засушливый период ожидает Африку и Азию. По мнению К. Уиллета, повышение температуры на Земле следует ожидать с 2000 по 2030 г. Затем температура вновь заметно снизится, а с 2100 по 2140 г. наступит "мини-ледниковый период".
Данные по периодичности солнечной активности были использованы А. Л. Чижевским для прогноза вспышек эпидемий и эпизоотии. Зависимость хода многих болезней, осложнения их течения, учащения смертельных исходов в связи с пертурбациями магнитного поля ставит в повестку дня организацию служб прогноза и оповещения больных о резких неблагоприятных изменениях геофизических и метеорологических параметров в связи с колебаниями солнечной активности. Подобная служба уже действует в Польше. : Биологи и врачи установили ритмические колебания самочувствия человека с разными периодами. Еще в конце прошлого века была выдвинута теория биоритмов, согласно которой в жизни каждого человека проявляются три цикла: изменение физического состояния с периодом в 23 дня, эмоционального - 28 дней и интеллектуального (колебаний творческой активности) - 33 дня. Критические дни, проявляющиеся в снижении физической и творческой трудоспособности, развитии эмоциональных депрессий проявляются в каждом цикле. Но особенно неблагоприятны те сутки, в которых периодически совладают двойные и особенно тройные критические дни. Необходимость считаться с последствиями подобных биоритмов несомненна для контроля надежности работы специалистов тех профессий, срывы в которых могут повлечь за собой катастрофы с человеческими жертвами (водители, летчики, операторы сложных установок) .
Человек может не только познать ритмику интересующих его процессов природы, но и в нужных случаях активно изменять их ход. Врачи уже сейчас дают рекомендации спортсменам для перестройки их месячных и суточных биоритмов, чтобы максимальный, рекордный результат был достигнут именно в день и час ответственных соревнований. Активно вмешиваться и влиять на биоритмы необходимо не только в случаях болезни (например, при расстройствах сна), но и при подготовке к работе в специфических условиях, при использовании новых методов обучения и т. д.
Несмотря на значительные успехи в изучении ритмичности природных процессов, следует отметить, что во многих случаях еще не удается дать уверенный, точный прогноз динамики (ритмики) тех же процессов в будущем. И связано это, как уже отмечалось, с тем, что для большинства природных процессов свойственна многослойная ритмика, с разной амплитудой и с изменяющимся периодом. С помощью гармонического анализа подобные ритмические изменения можно разложить на несколько правильных гармонических колебаний со свойственными им амплитудами и периодом. Таким путем можно вскрыть иерархию .периодических процессов, в колебаниях которых в чистом виде отражаются конкретные воздействия отдельных факторов окружающей среды, оказывающих регулирующее воздействие на изучаемый процесс. Однако суммарный эффект от наложения всех воздействий во взаимодействующих системах с учетом обратных связей оказывается настолько сложным, что порой не поддается точному прогнозу. Вот почему и предсказания, основанные на изучении ритмичности, часто носят статистический характер: например, указывается, что опасность землетрясения или урагана в определенные дни месяца, сезона года значительно возрастает. Но когда речь идет о предостережении людей от таких катастрофических явлений, интерес представляет только абсолютный прогноз.
Ритм пронизывает не только явления естественной природы. Он характерен для динамики и некоторых других явлений. О значении ритма в музыке, поэзии говорить излишне. Пока до конца еще неясно, почему одни мелодии, одни сочетания звуков вызывают в человеке радость, другие боль и гнев, а третьи - расслабляют и угнетают. Время от времени в специальной литературе появляются заметки о чувствительности к музыке, ритму не только человека, но и растений. Ритм проявляется и в пространстве, когда оказывается как бы увековеченным и застывшим в виде конкретных форм. Его нетрудно обнаружить в повторах, чередованиях определенных комплексов, слагающих разрезы горных пород, их обнажения или в закономерном сочетании характерных деформаций складок, разрывов. Ритм легко обнаруживается в творениях архитекторов, начиная с планировки городов и кончая деталями (например, колоннады) шедевров мирового зодчества.
Что же такое ритм? Какие существенные черты, свойства реальных явлений и процессов находят в нем отражение?
Ритм связан с закономерностями движения и развития материальных систем и отражает относительную повторяемость в их движении (как отражение динамики их взаимодействия). В нем отражается взаимодействие различных материальных объектов, которое в философии рассматривается в качестве основного закона - закона единства и борьбы противоположностей. Взаимосвязь и взаимодействие природных процессов может выражаться в ритмичном изменении либо только количественных параметров, либо и качественного состояния рассматриваемых систем. Таким образом, ритм является важнейшей особенностью, категорией развития как чисто эволюционных количественных этапов, так и резких, взрывных, революционных потрясений в существовании разнообразных проявлений неорганического и живого мира. И поэтому именно изучение ритмичности может вскрыть трудноуловимые, интимные, но, однако, самые важные взаимосвязи, казалось бы, невзаимосвязанных явлений и процессов.
В последнее время люди начали понимать, что нельзя бездумно и резко нарушать естественный ход природных процессов на Земле, так как печальные последствия таких действий хотя и не сразу, но тем не менее резко проявляются по принципу обратной связи. Вспомним загрязнение рек, озер и атмосферы промышленными отходами. Хотя Земля и велика, но она не бесконечна. Даже беглое исследование показывает тесную и часто неожиданную взаимосвязь многих ее природных процессов.
* * *
Таким образом, от осознания и изучения механизмов глобальной взаимосвязи природных процессов мы сейчас переходим к пониманию взаимосвязей в космических, галактических масштабах. И несомненно, интенсивное изучение космического пространства, проводимое советскими учеными и исследователями других стран, даст много нового и неожиданного для познания и земных процессов.
Уже сейчас изучение ритмичности природных процессов носит отнюдь не абстрактный, академический характер. Прогноз многих природных процессов и явлений, начиная от стихийных бедствий и кончая стоком рек или ледовитостью морей, может сэкономить не только многие миллионы рублей, но и спасти многие человеческие жизни. А такие прогнозы в значительной мере могут базироваться на познании и понимании механизмов ритмики природных процессов.
М. И. Будыко,
член-корреспондент АН СССР, лауреат Ленинской премии
Можно ли преобразовать климат!
За последние десятилетия, особенно в последние годы, мы много слышим и говорим о том, что развитие техники оказывает большое и часто губительное действие на окружающую среду: происходит загрязнение воздушного и водного бассейнов, исчезают леса, мелеют реки, заболачиваются озера, сокращаются рыбные запасы, находятся под угрозой исчезновения многие виды диких животных. С другой стороны, известно, что при соблюдении необходимых мер предосторожности современная цивилизация может мирно "сосуществовать" с окружающей средой, в чем, между прочим, наглядно проявляется факт, что человек постепенно учится властвовать над стихийными природными процессами.
Что же касается климатических условий, то еще недавно казалось бесспорным, что человеческая деятельность не оказывает сколько-нибудь заметного влияния на среднегодовые температуры, характерные для того или иного района, на количество выпадающих в течение года осадков, на число солнечных дней и т. п. Однако сейчас на вопрос: "Происходят ли в климате изменения, которые могут быть объяснены деятельностью человека?" - уже можно дать утвердительный ответ: да, происходят, правда еще в сравнительно небольших пределах.
Всем, например, хорошо известно: в нашей власти изменить "климат" внутри дома - согреть комнаты в самую лютую стужу или охладить воздух в квартире с помощью кондиционера в жару. Установлено также, что в больших городах за счет сжигания больших количеств топлива и некоторых других факторов происходит изменение микроклимата - в них становится несколько теплее, чем в близлежащих районах. Изменения же среднегодовых температур оказывает в свою очередь определенное влияние на число пасмурных дней, на количество выпадающих осадков. Впрочем, тут действует и еще один фактор, а именно резкое возрастание количества пыли и дымовых частиц в воздухе над городами.
Они показали, что в результате вращения планет центр тяжести Солнечной системы непрерывно смещается, а Солнце неустанно стремится к нему. В результате несогласованных "действий" планет Солнце испытывает рывкинджерки ("jerk"), которые должны приводить к возникновению вспышек на Солнце и образованию пятен. Этот анализ дал возможность прогнозировать ближайшие вспышки на Солнце, причем точность прогноза оказалась поразительной. С помощью электронно-вычислительной машины американский исследователь Д. Кинг-Хили произвел более точные вычисления возмущающих влияний планет на Солнце и дал прогноз солнечной активности (предсказал значение индексов Вольфа) почти на два десятилетия вперед. Если этот прогноз осуществится - а пока он сбывается, - скептикам придется согласиться, что положение планет играет большую роль в ходе природных процессов на Земле.
Каким же образом карлики планеты способны управлять гигантом Солнцем? Безусловно, образование центров активности на поверхно-сти Солнца не обусловлено возмущающими воздействиями планет. Но в условиях неоднородности работы солнечной "машины", резкой неравномерности выноса энергии с различных участков поверхности Солнца там складывается обстановка неустойчивого динамического равновесия. При таком положении и незначительные возмущения от планет могут становиться дополнительным фактором, вызывающим изменения и создание нового, несколько отличного от прежнего динамического равновесия.
Приливы и климатические катаклизмы
Вспомним о приливах. Даже человек, никогда не бывавший на берегах океана, все равно много слышал и читал о приливах. Приливы проявляются не только в водах морей и океанов, приливы захватывают и верхнюю твердую оболочку Земли - литосферу, а также ее воздушную оболочку. На широте Москвы Земля под нашими ногами каждый день поднимается почти на 40 сантиметров, а мы этого даже не замечаем. Другое дело на побережье морей и океанов. Здесь зачастую условия судоходства контролируются ходом приливов и отливов.
Уже в глубокой древности было замечено, что время наступления приливов связано с положением Луны на небосводе, а их сила - с ее фазами. Теперь мы знаем, что приливы на Земле вызываются силой притяжения Луны и Солнца, то есть существуют лунный к солнечный приливы. Луне нужен почти месяц, чтобы совершить один оборот вокруг Земли. И дважды за это время Луна, Земля и Солнце оказываются почти на одной прямой (то есть плоскости орбиты Луны и Земли расположены под небольшим углом друг к другу). Тогда приливные волны от Солнца и Луны складываются и приливы в морях и океанах бывают максимальными. Такие приливы называют сизигийными. А дважды в месяц, когда Солнце и Луна расположены по отношению к Земле почти под прямым углом, приливы в океанах минимальны, так как солнечный прилив вычитается из лунного, как бы частично его гасит.
Но и сами слагаемые, то есть приливные волны, вызываемые Солнцем и Луной, постоянно изменяются, поскольку Луна и Земля вращаются не по круговым, а по эллиптическим орбитам. Когда Луна находится к Земле ближе всего, в точке перигея, лунный прилив усиливается на 40 процентов. Наклон плоскости лунной орбиты по отношению к плоскости орбиты Земли изменяется, и каждые 18,6 года эти плоскости совпадают, а прилив усиливается. При таком положении солнечные и лунные затмения случаются гораздо чаще. Еще в Древнем Египте тайна цикличности солнечных затмений была разгадана, период вращения в 18,6 года был назван "Сарос". Это позволило египетским жрецам составить календарь затмений на много лет вперед и предсказывать их наступление с большой точностью.
Наконец, через каждые 1800 - 1900 лет Луна, Земля и Солнце входят в полосу "сверхсароса". В это время не только совпадают орбиты Луны и Земли, но Луна находится на своей орбите ближе всего к Земле, а Земля - ближе всего к Солнцу. И тогда наступает эпоха наиболее сильных приливов.
Таким образом, приливы дают прекрасный пример многослойной ритмичности с полусуточным, двухнедельным, 18,6-летним и 1850-летним периодами. Но что любопытно, с такими же периодами на Земле имеется и множество других ритмически повторяющихся природных процессов.
Рис. 3 (Razum04.gif). Схема ритмов увлажненности материков Северного полушария (по Г. К. Тушинскому).
Выше уже упоминалось о "Саросе" - периоде в 18,6 года для ритмично повторяющейся череды солнечно-лунных затмений. Исследования советских географов, и в первую очередь А. В. Шнитникова, позволили выявить резкие колебания в увлажненности, динамике многих компонентов ландшафтной оболочки, происходящие с периодом в 1850 лет. Именно с таким периодом 8 раз за последние 15 тысяч лет наступали и отступали горные ледники. Как выявилось, наступление ледников контролируется не столько отрицательными температурами (усилием морозов), сколько повышением увлажненности. Колебания увлажненности с периодом около 2000 лет (1850 лет) проявились не только в горах, но и имели глобальный характер. Профессор Г. К. Тушинский приводит целый ряд любопытных и неожиданных сведений о колебаниях климата в Африке, Европе и Азии на основании изучения летописей, наскальных рисунков и других остатков былых цивилизаций (рис. 3). Цветущие оазисы на протяжении истории человека неоднократно превращались в пустыни (Сахара, Средняя Азия), а другие оазисы жизни погребались наступающим ледником (Гренландия).
А. В. Шнитников нарисовал стройную картину причинных взаимосвязей, обусловивших ритмическую миграцию границ ландшафтно-географических зон с периодом в 1850 лет. Она включает колебание приливообразующих сил, внутренних волн океанов, температурного режима океана, ледовитости Арктики, атмосферной циркуляции, температурного режима и увлажненности материков (стока рек, уровня озер, увлажненности торфяников, подземных вод, горных ледников, вечной мерзлоты).
Одним из самых больших стихийных бедствий являются землетрясения. Мы не только не в силах пока их предотвращать, но не умеем даже достаточно уверенно предсказывать их наступление. Любопытно, что и в этом случае фазы Луны помогают делать удачные прогнозы. Как показали исследования бакинского ученого Г. П. Тамзаряна, гораздо более часто землетрясения происходят в дни новолуния или полнолуния, то есть когда Луна, Земля и Солнце находятся на одной прямой и приливные воздействия в твердой оболочке Земли от Луны и Солнца складываются [Сейсмические толчки - лунотрясения, как показали записи сейсмографов, установленных американскими космонавтами на Луне, характеризуются той же периодичностью.]. Статистически достоверно устанавливаются периодические изменения в сейсмичности на Земле, обусловленные приливными колебаниями с суточным, годовым и 18,6-летним периодами. Конечно, и в этом случае землетрясения происходят не от колебаний напряжений внутри земной коры, вызванных приливными воздействиями. Но слабые дополнительные приливные усилия могут, видимо, приводить к разрядке интенсивных эндогенных полей напряжения, охватывающих литосферу. Таким образом, приливные воздействия можно сравнить с искрами или детонаторами, которые, не обладая собственной большой силой, могут воспламенять заряды и вызывать огромные разрушительные взрывы.
В последнее время выяснилось, что суточная, сезонная и многолетняя ритмичность, обусловленная приливными эффектами, ощущается и в более слабых проявлениях активности недр, например в виде горных ударов и выбросов газа в рудниках и шахтах. Есть и другие случаи нарушения тонкого динамического равновесия напряженного состояния горных пород в активных сейсмических зонах ничтожными проявлениями дополнительных внешних возмущающих сил. Примером могут служить землетрясения, спровоцированные инженерной деятельностью человека (строительством и заполнением горных водохранилищ), а также колебаниями солнечной активности (числа пятен на Солнце), механизмы которых пока остаются не разгаданными до конца.
Приливы изменяют ритмичность
В повторности, периодичности природных процессов, явлений так и видится некая неизменность, закостенелость. Но ведь диалектика утверждает, что все изменяется. И диалектика права - изменяется даже ход процессов, имеющих на первый взгляд строго периодический, циклический характер.
Рассмотрим для примера такие, казалось бы, фундаментальные, неизменные величины, как продолжительность суток или года. Земля совершает один оборот вокруг своей оси, и на нее приходят новые сутки, еще оборот - опять сутки. И так без изменений до бесконечности? Нет. Исследователи, интересующиеся точным временем, знают, что даже на протяжении года Земля вращается неравномерно - в августе сутки самые короткие, в марте - самые длинные. Кроме того, продолжительность суток возрастает от года к году, так как скорость вращения Земли вокруг оси прогрессивно замедляется. Замедляется вследствие опять же приливных эффектов в системе Луна - Земля - Солнце.
Рис. 4 (Razum05.gif). Приливные силы замедляют суточное вращение Земли и ускоряют орбитальное вращение Луны, вследствие чего орбита Луны приобретает вид раскручивающейся спирали. Суточное вращение Земли - С, приливное взаимодействие Земли и Луны - П, орбитальное вращение Луны - О.
Земля вращается вокруг своей оси гораздо быстрее, чем Луна вокруг Земли. Поэтому Земля стремится сдвинуть приливной "горбик" на Луне вперед по ходу вращения Луны, тем самым несколько ускоряя ее движение. Напротив, Луна как бы пытается задержать продвижение приливного "горбика" на Земле, тем самым слегка затормаживая вращение Земли (рис. 4). Вот почему со временем вращение Земли вокруг оси все замедляется и замедляется, а Луна, подталкиваемая Землей, движется по слегка раскручивающейся спирали, все более удаляясь от Земли. Чем же это все может кончиться и что было раньше?
Впервые такой вопрос поставил и дал на него довольно обоснованный ответ Д. Дарвин, сын знаменитого натуралиста Ч. Дарвина. Он рассчитал, что "раскручивание" Луны Землей будет продолжаться до тех пор, пока период оборота Земли вокруг оси не сравняется с периодом вращения Луны вокруг Земли. Произойдет это через много миллионов лет, когда сутки на Земле будут длиться 1320 часов (по уточненным подсчетам американского ученого Дж. П. Койнера - 1200 часов) - столько же, сколько и лунный месяц, а Луна станет видна только одному полушарию Земли.
Воздействие солнечного прилива на Землю имеет двойной эффект. С одной стороны, вращение Земли вокруг оси слегка подтормаживается, а с другой вращение Земли по орбите вокруг Солнца постепенно ускоряется, и Земля переходит на все более высокую орбиту. Получается, что продолжительность земного года, как и лунного месяца, должна неуклонно возрастать со временем. Однако этого не происходит. Изучение кораллов, живших в девонском периоде (370 миллионов лет назад), показало, что тогда год на Земле длился 400 суток. А через несколько десятков миллионов лет, в начале каменноугольного периода, продолжительность года уменьшилась до 390 суток. Но, несмотря на то что количество суток в году постепенно уменьшалось, абсолютная продолжительность года на Земле возрастала, с избытком компенсируясь увеличением длительности суток.
Таким образом, на этих примерах можно еще раз видеть, как слабые воздействия (приливные эффекты) приводят к значительным изменениям изменениям самой ритмичности ряда природных процессов, которые в свою очередь могут вызвать изменения в ритмичности других природных явлений (например, различных климатических факторов).
Год длиною в 200 миллионов лет
Если малозаметные приливные воздействия планет способны в значительной степени регулировать солнечную активность, а приливные воздействия в системе Луна - Земля - Солнце резко сказываются на климате, продолжительности суток и года на Земле, тем более серьезные изменения для Солнечной системы должны проистекать из-за перемещения Солнца в пределах Галактики.
Астрономы установили, что Солнце находится недалеко от плоскости симметрии нашей спиралевидной Галактики и, двигаясь со скоростью 240 км/сек., совершает один оборот вокруг центра Галактики примерно за 200 миллионов лет. Этот период называется галактическим годом. Взаимодействие Солнца с окружающими его звездами не остается неизменным во времени: во-первых, на разном удалении от центра Галактики звезды вращаются вокруг него с разной угловой (и линейной) скоростью. Во-вторых, многие из них имеют собственные движения. Так, у Солнца скорость собственного движения составляет 20 км/сек. И наконец, орбита движения Солнца -в Галактике имеет эллиптический характер, а ее плоскость наклонна к плоскости симметрии Галактики.
Таким образом, при своем движении Солнце дважды в ходе галактического года попадает в области с большей концентрацией звезд (вблизи плоскости симметрии) и, кроме того, находится то ближе к центру Галактики (в перигее), то удаляется от него. Все это должно сильно отражаться на активности Солнца, создавая ритмичность крупного масштаба, мегаритмичность, которую ни отдельный человек, ни все человечество не могут заметить непосредственно. Время существования человеческой цивилизации - это лишь миг по отношению к галактическому году протяженностью в 200 миллионов лет. Мы, наши предки и наши потомки живем, жили и будут жить в галактическом декабре.
А насколько отличаются между собой сезоны галактического года и сказываются лк они серьезно на изменениях лика Земли?
Геологи уже давно установили, что наиболее серьезные изменения на Земле происходили с периодом 180 - 220 миллионов лет. Именно с таким периодом на Земле сменяли друг друга крупнейшие эпохи горообразования каледонская, герцинская, альпийская, происходило вымирание больших групп фауны и флоры в конце палеозоя и мезозоя, крупнейшие трансгрессии и регрессии (наступление и отступление) океана, резкие климатические изменения (сказывающиеся на характере накопления осадков), изменение интенсивности магматической деятельности и т. п. Многие геологи связывают эту ритмичность с ходом галактического года. И в этом случае ритмичность геологических событий оказывается логично увязанной с очень постепенно происходящей, но тем не менее впечатляющей сменой галактических сезонов.
Прогнозы каверзных стихий
С тех пор как стало ясно, что солнечные и лунные затмения связаны с взаимным положением Солнца, Земли и Луны, их оказалось нетрудно предсказать на десятки и сотни лет вперед. Как показано в предыдущих разделах, многочисленные геофизические параметры и процессы также находятся в тесной зависимости от колебаний приливных воздействий, от взаимной конфигурации планет. Почему же в таком случае не попробовать на основе расположения планет прогнозировать колебания погоды и климата, стихийные метеорологические бедствия (ураганы, засухи, наводнения), "козни Плутона" (фазы активизации вулканов, крупные землетрясения)? Оказывается, такие прогнозы делались уже неоднократно и часто оправдывались.
Вот несколько примеров. Английские астрономы более чем за год предсказали мощную протонную вспышку на Солнце 12 ноября 1966 г. Они же предсказали магнитные бури,
полярные сияния и перебои в радиосвязи 3 и 23 июля, 5 и 26 августа и 15 сентября 1967 г. Французский вулканолог Ф. А. Перрет дал удачный прогноз резкого усиления извержения Этны 27 июля 1923 г. Азербайджанский геолог Г. П. Тамразян в 1955 г. опубликовал прогноз активности грязевых вулканов на 1957 - 1960 гг. Девять крупных извержений за этот период случилось в "запланированные" сроки.
На основании ритмичности в изменении солнечной активности даны и долгосрочные прогнозы глобальных изменений климата Земли в ближайшем будущем. Так, американский метеоролог К. Уиллет предсказал, что в ближайшие 25 лет на Земле произойдет значительное похолодание. В средних широтах будет меньше продолжительных засух, а в северных широтах будут преобладать периоды с недостаточным количеством осадков, в частности в Канаде и Северной Америке. Десятилетний засушливый период ожидает Африку и Азию. По мнению К. Уиллета, повышение температуры на Земле следует ожидать с 2000 по 2030 г. Затем температура вновь заметно снизится, а с 2100 по 2140 г. наступит "мини-ледниковый период".
Данные по периодичности солнечной активности были использованы А. Л. Чижевским для прогноза вспышек эпидемий и эпизоотии. Зависимость хода многих болезней, осложнения их течения, учащения смертельных исходов в связи с пертурбациями магнитного поля ставит в повестку дня организацию служб прогноза и оповещения больных о резких неблагоприятных изменениях геофизических и метеорологических параметров в связи с колебаниями солнечной активности. Подобная служба уже действует в Польше. : Биологи и врачи установили ритмические колебания самочувствия человека с разными периодами. Еще в конце прошлого века была выдвинута теория биоритмов, согласно которой в жизни каждого человека проявляются три цикла: изменение физического состояния с периодом в 23 дня, эмоционального - 28 дней и интеллектуального (колебаний творческой активности) - 33 дня. Критические дни, проявляющиеся в снижении физической и творческой трудоспособности, развитии эмоциональных депрессий проявляются в каждом цикле. Но особенно неблагоприятны те сутки, в которых периодически совладают двойные и особенно тройные критические дни. Необходимость считаться с последствиями подобных биоритмов несомненна для контроля надежности работы специалистов тех профессий, срывы в которых могут повлечь за собой катастрофы с человеческими жертвами (водители, летчики, операторы сложных установок) .
Человек может не только познать ритмику интересующих его процессов природы, но и в нужных случаях активно изменять их ход. Врачи уже сейчас дают рекомендации спортсменам для перестройки их месячных и суточных биоритмов, чтобы максимальный, рекордный результат был достигнут именно в день и час ответственных соревнований. Активно вмешиваться и влиять на биоритмы необходимо не только в случаях болезни (например, при расстройствах сна), но и при подготовке к работе в специфических условиях, при использовании новых методов обучения и т. д.
Несмотря на значительные успехи в изучении ритмичности природных процессов, следует отметить, что во многих случаях еще не удается дать уверенный, точный прогноз динамики (ритмики) тех же процессов в будущем. И связано это, как уже отмечалось, с тем, что для большинства природных процессов свойственна многослойная ритмика, с разной амплитудой и с изменяющимся периодом. С помощью гармонического анализа подобные ритмические изменения можно разложить на несколько правильных гармонических колебаний со свойственными им амплитудами и периодом. Таким путем можно вскрыть иерархию .периодических процессов, в колебаниях которых в чистом виде отражаются конкретные воздействия отдельных факторов окружающей среды, оказывающих регулирующее воздействие на изучаемый процесс. Однако суммарный эффект от наложения всех воздействий во взаимодействующих системах с учетом обратных связей оказывается настолько сложным, что порой не поддается точному прогнозу. Вот почему и предсказания, основанные на изучении ритмичности, часто носят статистический характер: например, указывается, что опасность землетрясения или урагана в определенные дни месяца, сезона года значительно возрастает. Но когда речь идет о предостережении людей от таких катастрофических явлений, интерес представляет только абсолютный прогноз.
Ритм пронизывает не только явления естественной природы. Он характерен для динамики и некоторых других явлений. О значении ритма в музыке, поэзии говорить излишне. Пока до конца еще неясно, почему одни мелодии, одни сочетания звуков вызывают в человеке радость, другие боль и гнев, а третьи - расслабляют и угнетают. Время от времени в специальной литературе появляются заметки о чувствительности к музыке, ритму не только человека, но и растений. Ритм проявляется и в пространстве, когда оказывается как бы увековеченным и застывшим в виде конкретных форм. Его нетрудно обнаружить в повторах, чередованиях определенных комплексов, слагающих разрезы горных пород, их обнажения или в закономерном сочетании характерных деформаций складок, разрывов. Ритм легко обнаруживается в творениях архитекторов, начиная с планировки городов и кончая деталями (например, колоннады) шедевров мирового зодчества.
Что же такое ритм? Какие существенные черты, свойства реальных явлений и процессов находят в нем отражение?
Ритм связан с закономерностями движения и развития материальных систем и отражает относительную повторяемость в их движении (как отражение динамики их взаимодействия). В нем отражается взаимодействие различных материальных объектов, которое в философии рассматривается в качестве основного закона - закона единства и борьбы противоположностей. Взаимосвязь и взаимодействие природных процессов может выражаться в ритмичном изменении либо только количественных параметров, либо и качественного состояния рассматриваемых систем. Таким образом, ритм является важнейшей особенностью, категорией развития как чисто эволюционных количественных этапов, так и резких, взрывных, революционных потрясений в существовании разнообразных проявлений неорганического и живого мира. И поэтому именно изучение ритмичности может вскрыть трудноуловимые, интимные, но, однако, самые важные взаимосвязи, казалось бы, невзаимосвязанных явлений и процессов.
В последнее время люди начали понимать, что нельзя бездумно и резко нарушать естественный ход природных процессов на Земле, так как печальные последствия таких действий хотя и не сразу, но тем не менее резко проявляются по принципу обратной связи. Вспомним загрязнение рек, озер и атмосферы промышленными отходами. Хотя Земля и велика, но она не бесконечна. Даже беглое исследование показывает тесную и часто неожиданную взаимосвязь многих ее природных процессов.
* * *
Таким образом, от осознания и изучения механизмов глобальной взаимосвязи природных процессов мы сейчас переходим к пониманию взаимосвязей в космических, галактических масштабах. И несомненно, интенсивное изучение космического пространства, проводимое советскими учеными и исследователями других стран, даст много нового и неожиданного для познания и земных процессов.
Уже сейчас изучение ритмичности природных процессов носит отнюдь не абстрактный, академический характер. Прогноз многих природных процессов и явлений, начиная от стихийных бедствий и кончая стоком рек или ледовитостью морей, может сэкономить не только многие миллионы рублей, но и спасти многие человеческие жизни. А такие прогнозы в значительной мере могут базироваться на познании и понимании механизмов ритмики природных процессов.
М. И. Будыко,
член-корреспондент АН СССР, лауреат Ленинской премии
Можно ли преобразовать климат!
За последние десятилетия, особенно в последние годы, мы много слышим и говорим о том, что развитие техники оказывает большое и часто губительное действие на окружающую среду: происходит загрязнение воздушного и водного бассейнов, исчезают леса, мелеют реки, заболачиваются озера, сокращаются рыбные запасы, находятся под угрозой исчезновения многие виды диких животных. С другой стороны, известно, что при соблюдении необходимых мер предосторожности современная цивилизация может мирно "сосуществовать" с окружающей средой, в чем, между прочим, наглядно проявляется факт, что человек постепенно учится властвовать над стихийными природными процессами.
Что же касается климатических условий, то еще недавно казалось бесспорным, что человеческая деятельность не оказывает сколько-нибудь заметного влияния на среднегодовые температуры, характерные для того или иного района, на количество выпадающих в течение года осадков, на число солнечных дней и т. п. Однако сейчас на вопрос: "Происходят ли в климате изменения, которые могут быть объяснены деятельностью человека?" - уже можно дать утвердительный ответ: да, происходят, правда еще в сравнительно небольших пределах.
Всем, например, хорошо известно: в нашей власти изменить "климат" внутри дома - согреть комнаты в самую лютую стужу или охладить воздух в квартире с помощью кондиционера в жару. Установлено также, что в больших городах за счет сжигания больших количеств топлива и некоторых других факторов происходит изменение микроклимата - в них становится несколько теплее, чем в близлежащих районах. Изменения же среднегодовых температур оказывает в свою очередь определенное влияние на число пасмурных дней, на количество выпадающих осадков. Впрочем, тут действует и еще один фактор, а именно резкое возрастание количества пыли и дымовых частиц в воздухе над городами.