СЕВЕРОАТЛАНТИЧЕСКАЯ ОСЦИЛЛЯЦИЯ И КМО

В.М. Федоров
Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Североатлантическая осцилляция (Atlantic multidecadal oscillation – АМО) – колебание в климатической системе Земли, отражающее периодическую изменчивость температуры поверхности океана в Северной Атлантике, была обнаружена в 1994 году М. Шлезингером и Н. Раманкутти (Schlesinger, Ramankutty, 1994). Эти колебания с периодом, в среднем около 65 – 70 лет подтверждаются историческими наблюдениями и модельными расчетами (Delworth, Mann, 2000; Sutton, Hodson, 2004; Knight et al., 2006; Chylek, Lesins, 2008). Однако, единства мнений относительно амплитуды и генезиса этого явления, пока не существует. Оценкой Североатлантической осцилляции является индекс АМО, представляющий собой аномалию температуры поверхности океана (ТПО) в этом районе относительно среднего значения за период с 1951 по 1980 гг. (http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/correlation/amon.us.long.data). Отмечается корреляция температуры воздуха, атмосферных осадков и активности ураганов с индексом Североатлантической осцилляции на большей части северного полушария, в особенности в Северной Америке, Северной Африке и в Европе (Enfield et al., 2001; Goldenberg et al., 2001; Shanahan et al., 2009; Teegavarapu et al., 2013). Моделирование и прогнозирование изменения климата требует знания пространственных и временных особенностей этой мультидекадной изменчивости и ее причин.

Проведенное сравнение рассчитанных и фактических значений аномалии ПТВ Земли и аномалии ТПО показывает, что существуют группы фактических значений аномалии (продолжительностью в среднем около 30 лет на интервале 1900 – 2016 гг.) расположенные либо выше рассчитанных значений аномалии, либо ниже (Прогноз аномалии ПТВ, рис.9; Прогноз аномалии ТПО, рис.8). Отмеченные для ПТВ и ТПО колебания происходят (в атмосфере и поверхностном слое океана), в общем, синхронно. Ряды значений расхождения фактических с расчетными значениями аномалии ПТВ и ТПО тесно связаны корреляционно. Значения R для рядов с 1900 по 2016 гг. составляет 0,820, для рядов с 1850 по 2016 гг. – 0,839. Так же из полученных результатов следует, что амплитуда колебания как для ПТВ так и для ТПО в северном полушарии выше, чем в южном полушарии. На интервале с 1900 по 2016 гг. среднее по модулю значения аномалии ПТВ в северном полушарии составляет 0,173°C и 0,113°C в южном полушарии. Среднее значения аномалии ТПО (на этом же интервале) в северном полушарии равно 0,147°C и 0,107°C в южном полушарии.

В связи с тем, что данные по мультидекадному колебанию представлены в архиве данных с 1856 г. (http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/correlation/amon.us.long.data) сравнение их с полученными нами расхождениями фактических и рассчитанных значений ТПО северного полушария проводилось в интервале с 1856 по 2016 гг. (рис. 1).

В связи с расширением интервала данных аномалии ТПО и АМО мы рассматривали другой вариант (но в пределах отмеченных нечетких границ фаз) временной локализации «теплых» и «холодных» фаз колебания расхождения фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО и индекса АМО (табл. 1) В этом варианте в каждой фазе в среднем 79,9% фактических значений находятся либо выше расчетных значений, либо ниже.

Средние по модулю значения аномалии ТПО на интервале с 1856 по 2016 гг. составляет 0,211°C. Среднее (по модулю) значение расхождения аномалии ТПО (c 1856 по 2016 гг.) составляет по всему массиву 0,159°C (75,4% от среднего модуля аномалии ТПО), для «теплых» и «холодных» эпох 0,150°C и -0,120°C соответственно.

Табл. 1 Характеристики "теплых" и "холодных" эпох ТПО северного полушария в диапазоне с 1856 по 2016 гг.

Средняя продолжительность выделяемых эпох в этом случае (на интервале с 1856 по 2016 гг.) составляет 34,5 лет. Для завершенных эпох (исключается эпоха 1856 – 1900 гг., данные по которой могут быть ненадежными и современная эпоха), средняя продолжительность составляет 31 год. Период колебания расхождения соответствующих фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО, таким образом, равен приблизительно 62 – 69 годам (в случае принятого варианта временной локализации фаз колебания). С учетом продолжительности эпох (и выбранной временной локализацией границ фаз) окончание текущей «теплой» эпохи можно ожидать в диапазоне 2025 – 2029 гг. Однако, напомним, что временные границы фаз колебания не являются четкими.

Полученное распределение расхождения фактических значений ТПО северного полушария и рассчитанных сравнивалось с распределением индекса АМО (рис. 2).

Сравнение полученного характера распределения расхождения фактических и расчетных значений аномалии ТПО северного полушария с распределением индекса АМО показывает их значительное сходство. Следует отметить, что некоторые различия могут быть связаны с тем, что аномалии ТПО рассчитываются относительно периода 1961 – 1990 гг., а индекс АМО относительно периода 1951 – 1980 гг. Кроме того, аномалии ТПО определяются для всего северного полушария, а индекс АМО только для Северной Атлантики.

Коэффициент корреляции расхождения фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО и индекса АМО составляет по всему ряду 0,835, с 1900 по 2016 гг. – 0, 842, с 1950 (наиболее достоверные метеоданные) – 0,877. Средние модули расхождения фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО и индекса АМО имеют довольно близкие значения: 0,159°C и 0,146°C соответственно. Начало и продолжительность «теплых» и «холодных» фаз индекса АМО в точности совпадает или отличается всего на год от соответствующих эпох, выделяемых (в принятом варианте границ фаз колебания) в распределении расхождения фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО. Таким образом, расхождение фактических значений аномалии ТПО с рассчитанными значениями по данным инсоляции и, значения индекса АМО, на интервале 1956 – 2016 гг., в общем, совпадают.

Для исследования физической природы мультидекадного колебания многолетняя изменчивость аномалии ТПО и индекса АМО сравнивалась с вариациями скорости осевого вращения Земли (рис. 3). Изменение скорости вращения Земли характеризуется безразмерной величиной:

где – длительность земных суток; – длительность стандартных (атомных или эфемеридных) суток, равная 86400 с; = – угловые скорости, соответствующие земным и стандартным суткам. Поскольку величина изменяется только в девятом – восьмом знаке, то значения имеют порядок 10^-9 – 10^-8 (Сидоренков, 2002).

Значения коэффициента корреляции между разностью фактических и расчетных значений аномалии ТПО и отклонением скорости осевого вращения по всему массиву данных (с 1856 г. по 2016 гг.) составляют 0, 506, с 1900 г. – 0,550, с 1950 г. – 0,684. Сходным образом изменяется значение коэффициента корреляции (R) между индексом АМО и величиной отклонения скорости осевого вращения Земли. По массиву данных с 1856 г. по 2016 г. значение R составляет 0,438, с 1900 г. – 0,551, с 1950 г. – 0,763. То есть, по мере увеличения достоверности данных (ближе к современности) связь становится более тесной. Повышение достоверности данных ТПО определяется увеличением числа станций и точности наблюдений. Повышение достоверности данных по отклонению скорости осевого вращения Земли связано с введением в практику наблюдений атомного времени (с 1955 г.). После сглаживания рядов методом 5-летнего скользящего среднего, значения R между вариациями скорости осевого вращения Земли и расхождением фактических и рассчитанных значений ТПО по всему массиву (с 1856 г.) становится равным 0,607, с 1900 г. 0,655, с 1950 г. 0,802. Значения R между значениями отклонения скорости осевого вращения Земли и индексом АМО по всему массиву (с 1856 г.) характеризуется значениями 0,546, с 1900 г. 0,697, с 1950 г. 0,900. Таким образом, эти явления тесно связаны между собой (рис. 4).

Сопоставление распределения аномалии ПТВ, ТПО рассчитанных на основе инсоляции, индекса АМО и отклонения скорости осевого вращения Земли за период с 1850 г. приведено на рис. 5 – 7. Значения разности фактических и рассчитанных значений аномалии ПТВ, ТПО и индекса АМО умножены на 1000.

Вариации скорости осевого вращения рассчитывались относительно среднего для 1961–90 гг. при сравнении с аномалией ПТВ и ТПО и относительно среднего за 1951–80 гг. при сравнении с индексом АМО (рис 5 – 7).

Таким образом, Североатлантическая осцилляция (индекс АМО) приблизительно соответствует расхождению фактических и рассчитанных (по широтному градиенту приходящей на земной эллипсоид, без учета атмосферы солнечной радиации), значений аномалии ТПО северного полушария. Алгебраическое сложение значений индекса АМО с соответствующими, рассчитанными по приходящей солнечной радиации, значениями аномалии ТПО (рис. 8) приводит к существенному увеличению R и сокращению значений расхождения между фактическими и рассчитанными значениями аномалии ТПО. Коэффициент корреляции между этими рядами c 1956 г. становится равным 0,903, с 1900 г. 0,917. Величина среднего (по модулю) расхождения между фактическими и соответствующими рассчитанными значениями ТПО с учетом индекса АМО оказывается равной 0,114°C для рядов с 1956 по 2016 г (0,094°C для периода с 1900 по 2016 гг.). Это значительно меньше величины среднего по модулю (0,159°C) расхождения между фактическими и рассчитанными значениями аномалии ТПО за период с 1856 по 2016 гг.

При этом, отклонения скорости осевого вращения Земли тесно связаны и, в общем, синхронны с разностью фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО в Северном полушарии, и с индексом АМО. Мультидекадное колебание (аномалии ТПО, ПТВ, индекса АМО и отклонения скорости осевого вращения Земли) может быть следствием закона сохранения количества движения в системе океан – атмосфера при нарушающем равновесие внешнем воздействии.

Вследствие того, что мультидекадное колебание соответствует разности фактических и рассчитанных (на основе данных инсоляции) значений аномалии ПТВ и ТПО, то физическая природа этого колебания не связана с инсоляционным фактором. Известно, что в макромире существуют два фундаментальных физических взаимодействия (электромагнитное и гравитационное). Поскольку, как показывают полученные результаты, природа мультидекадного колебания не связана с электромагнитным взаимодействием, то она может определяться гравитационным взаимодействием, связанным с перемещением масс как внутри геосфер, так и в недрах Земли (происходящих под действием внутренних и внешних гравитационных факторов). То есть, физическая природа АМО (и разности фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО, ПТВ и вариации скорости осевого вращения Земли), вероятно, является гравитационной (Федоров, 2000).

Корреляция значений аномалии ПТВ с отклонением скорости осевого вращения Земли по всему массиву данных слабее, чем связь аномалии ТПО с отклонением скорости осевого вращения Земли. Коэффициент корреляции аномалии ПТВ с отклонениями скорости осевого вращения составляет по ряду с 1900 г. по 2016 г. – 0,434 (для ТПО и скорости вращения 0,551), по ряду с 1950 г. по 2016 г. – 0,535 (для ТПО и скорости вращения 0,763). То есть, корреляционная связь аномалии ТПО (и индекса АМО) с отклонением скорости осевого вращения более тесная, чем связь аномалии ПТВ. Это указывает на то, что генерирующая роль колебания ТПО, АМО и ПТВ связана с океаном (отклонение скорости вращение – следствие закона сохранения количества движения в системе океан - атмосфера).

Обобщая результаты, полученные в разделах Прогноз аномалии ПТВ и Прогноз аномалии ТПО по колебанию разности фактических и рассчитанных по инсоляции значений аномалии ПТВ и ТПО можно отметить следующее:

1) В расхождении фактических значений аномалии ТПО и ПТВ с соответствующими рассчитанными по уравнениям регрессии на основе связи с инсоляцией значениями аномалии обнаруживаются мультидекадные колебания. Период колебания изменяется в диапазоне от 62 до 69 лет. В случае если начало текущей «теплой» фазы колебания приходится на 1987 г., начало следующей «холодной» фазы ожидается в период с 2018 по 2022 гг. Если же начало текущей «теплой» фазы приходится на 1994 г., то смена фаз мультидекадного колебания может произойти в интервале от 2025 г. до 2029 г. Средняя амплитуда (на интервале 1900 – 2016 гг.) составляет 0,137°C для аномалии ПТВ и 0,120°C для аномалии ТПО.

2) Мультидекадная периодичность проявляется в обоих компонентах системы океан – атмосфера, и имеет глобальное пространственное распространение. Поэтому это колебание правильнее называть КМО (Климатическая мультидекадная осцилляция или Climatic multidecadal oscillation – CMO)

В северном (континентальном) полушарии амплитуды этого колебания превышают амплитуды, полученные для Южного (океанического) полушария. Для аномалии ПТВ это превышение (на интервале 1900 – 2016 гг.) составляет 0,06°C, для аномалии ТПО – 0,04°C. Отмечаемое нами колебание, вероятно, соответствует выделяемой в климатической системе Земли В.И. Бышевым с коллегами ГАО – глобальной атмосферной осцилляции (Бышев и др., 2012). Границы фаз колебания нечеткие. Поэтому и характеристики колебания определяются только приблизительно (как и вариант смены текущей «теплой» фазы «холодной»).

3) Мультидекадная климатическая осцилляция в Североатлантическом регионе соответствует известным колебаниям – АМО. Коэффициент корреляции расхождения фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО и индекса АМО составляет по всему ряду 0,835, с 1900 по 2016 гг. – 0, 842, с 1950 (наиболее достоверные метеоданные) – 0,877. Средние модули расхождения фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО и индекса АМО имеют довольно близкие значения: 0,159°C и 0,146°C соответственно. Начало и продолжительность «теплых» и «холодных» фаз индекса АМО в точности совпадает или отличается всего на год от соответствующих эпох, выделяемых (в принятом варианте) в распределении расхождения фактических и рассчитанных значений аномалии ТПО. Таким образом, АМО – Североатлантическое региональное проявление КМО.

4) КМО синхронизирована с изменением осевой скорости вращения Земли. При этом увеличениям осевой скорости вращения Земли соответствуют периоды превышения фактических значений аномалии ТПО и ПТВ над рассчитанными значениями. При уменьшении скорости вращения фактические значения ТПО и ПТВ уступают рассчитанным значениям. То есть, движение теплых поверхностных водных масс из низких широт в высокие сопровождается увеличением скорости осевого вращения Земли и наоборот, движение поверхностных океанических вод из низких широт в высокие сопровождается уменьшением скорости осевого вращения Земли.

5) Корреляционная связь аномалии ТПО и индекса АМО с отклонением скорости осевого вращения Земли более тесная, чем связь аномалии ПТВ. Это указывает на то, что генерирующая роль КМО связана с Мировым океаном, а вариации скорости вращения Земли являются следствием закона сохранения количества движения в системе океан – атмосфера.

Рассмотрим возможные причины КМО.

Проявление колебаний со средним периодом около 60-ти лет известно во многих гидрометеорологических процессах. Это колебание, называемое нами в работе КМО, отмечается в процессах теплообмена в системе океан – атмосфера (Анисимов и др., 2012). КМО проявляется в изменении приповерхностной температуры воздуха (Scafetta, 2010; Груза, Ранькова, 2012) и, по мнению некоторых исследователей, в динамике площади морских льдов в Северном полушарии (Фролов и др., 2008, 2010). Как уже отмечалось, наиболее четко это колебание проявляется в Северной Атлантике. Предполагается космическая природа 60-ти летней периодичности (Фролов и др., 2008, 2010). Однако единства мнений относительно генезиса этого явления, пока не существует (Малинин, 2015).

Как отмечалось в разделах Прогноз аномалии ПТВ и Прогноз аномалии ТПО, КМО (с учетом в качестве поправки средних для отдельных фаз колебания значений разности между фактическими и рассчитанными значениями) объясняется 15,8% дисперсии аномалии ПТВ Земли, 21,0% дисперсии аномалии ПТВ в северном полушарии и 9,4% – в южном полушарии. МКО составляет 15,9% дисперсии аномалии ТПО Мирового океана, 21,8% дисперсии аномалии ТПО в северном полушарии и 8,4% – в южном полушарии. В связи с этим возникает необходимость рассмотреть возможные причины этой мультидекадной климатической осцилляции.

Из разделов Прогноз аномалии ПТВ и Прогноз аномалии ТПО следует, что природа этого колебания, вероятно, является гравитационной. То есть, КМО определяется гравитационным взаимодействием Земли с планетами Солнечной системы. Следовательно, в основе КМО должно быть, существующее в природе (в окружающем Землю космическом пространстве) обусловленное гравитационным взаимодействием колебание с периодом около 60-ти лет (гравитационный сигнал).

Известно, что планеты-гиганты Юпитер и Сатурн при движении вокруг Солнца образуют последовательные соединения (находятся на одной геоцентрической долготе) каждые 20 лет (Белецкий, 1972; Бакулин и др.. 1983; Федоров, 2000). Их приливное и возмущающее действие на Землю в эти периоды усиливается (в квадратуры ослабляется), по аналогии с сизигийными и квадратурными лунно-солнечными приливами. Соединения планет происходят в различных точках эклиптики. Но каждые 60 лет соединение Юпитера и Сатурна происходит в довольно узком секторе эклиптики. То есть периодически (каждые 60 лет) происходит приблизительное повторение конфигурации Юпитера и Сатурна относительно Земли и Солнца. С этой периодичностью может быть связана генерация 60-ти летней периодичности в окружающем землю пространстве (гравитационного сигнала).

Синхронизация определяется, как «свойство материальных объектов самой различной природы вырабатывать единый ритм совместного существования, несмотря на различие индивидуальных ритмов и на подчас крайне слабые взаимные связи» (Блехман, 1971). Явление синхронизации состоит в том, что несколько, например, природных объектов, совершающих при отсутствии взаимодействия колебательные или вращательные движения с различными частотами (угловыми скоростями), при наложении даже весьма слабых связей начинают двигаться с одинаковыми, кратными или находящимися в рациональных отношениях частотами (угловыми скоростями). Причем, устанавливаются определенные фазовые соотношения между колебаниями и вращениями. Явление синхронизации – это механический процесс, возникающий, например, при движении небесных тел в Солнечной системе и приводящий к появлению соизмеримости в средних движениях планет и резонансам (Гребеников, Рябов, 1978). В связи с этим, представляется возможной синхронизация приливных явлений в Мировом океане с генерируемым Юпитером и Сатурном 60-ти летним колебанием. Синхронизация может определяться наличием (и колебанием) слабых гравитационных связей Земли с Юпитером и Сатурном и регулярными (с периодом 60 лет) и бесконечно долгими повторениями их однотипных конфигураций относительно Земли и Солнца. Таким образом, генезис КМО может быть связан с явлением синхронизации. Также это колебание может усиливаться вследствие резонанса из-за соизмеримости в движениях небесных тел.

Из астрономии известно, что в параметрах движений планет (и их спутников) выдерживается ряд интересных соотношений вследствие наличия соизмеримостей и резонансов (Гребеников, Рябов, 1978). Периоды обращения планет-гигантов Юпитера и Сатурна равны приблизительно 12-ти и 30-ти годам соответственно, и, следовательно, отношение этих периодов близко к резонансу 2/5. Т.е. 2 оборота Сатурна вокруг Солнца происходят приблизительно за то же время, что и 5 оборотов Юпитера. Через 60 лет взаимные положения Юпитера и С атурна повторяются (соединения происходят в довольно узком секторе эклиптики). В таких случаях говорят, что между периодами обращения планет имеет место соизмеримость. Благодаря соизмеримости возникает нечто подобное явлению, которое в механике называется резонансом. Резонанс возникает тогда, когда на колеблющееся тело в такт его колебаниям действует дополнительная периодическая сила. Такая дополнительная сила, даже в том случае, если ее величина очень мала, приводит постепенно к большому увеличению размаха колебаний (Белецкий, 1972; Дубошин, 1975; Гребеников, Рябов, 1978).

Кроме этого, период парных соединений планет-гигантов Юпитера и Сатурна равен 19,86 лет. Период обращения лунных узлов (лунной орбиты) – 18,61 года (нутационный цикл – проявляется и в приходящей солнечной радиации из-за изменения наклона оси вращения). Учитывая, что

То есть в движениях парного соединения Юпитера и Сатурна и обращения лунной орбиты имеется соизмеримость (аналог резонанса в механике – орбитальный резонанс с резонансным числом 1/1). Колебания с периодом около 19-ти лет (связанные нутацией) проявляются в Мировом океане (Дарвин, 1965; Максимов и др. 1970; Foreman, Neufeld, 1991) и в атмосфере (Максимов, Абрамов, 1966). Из этого следует вероятность проявления в Мировом океане и зонального колебания с периодичностью около 60-ти лет. Одна («теплая») фаза колебания, возможно, отражает движение водных масс от экватора в сторону полюсов. Другая («холодная») фаза определяется движением водных масс в обратном направлении.

Еще одним эффектом, которым может усиливаться 60-ти летнее колебание может быть стохастический резонанс. Эффект стохастического резонанса проявляется в отклике бистабильной или метастабильной нелинейной системы на слабый периодический сигнал при шумовом воздействии определенной мощности (Анищенко и др., 1999, 2006; Lean et al., 2005). Океанические приливы характеризуются значительным «шумом», в связи с эти 60-ти летнее колебание, генерируемое Юпитером и Сатурном, может быть слабым периодическим сигналом, находящим отклик в приливной динамике Мирового океана.

Таким образом, КМО может быть результатом синхронизации и резонансного усиления 60-ти летней периодичности (слабо, но бесконечно долго действующей на Землю) генерируемой в окружающем Землю пространстве движением Юпитера и Сатурна вокруг Солнца. Вероятно, что КМО – это колебание которое возникает в океане из-за синхронизации с повторением конфигураций Юпитера и Сатурна относительно Солнца и Земли. Оно усиливается резонансом из-за соизмеримости с нутационным циклом (периодом обращения лунных узлов) и стохастическим резонансом. Это океаническое колебание воспринимается нижней атмосферой. Оно также проявляется в изменении скорости осевого вращения Земли вследствие закона сохранения количества движения в системе океан – атмосфера.

Проведем сопоставление дат смены фаз КМО с астрономическими конфигурациями Юпитера и Сатурна в интервале с 1900 по 2050 гг. Если за начало осцилляции принять даты смены «теплой» фазы КМО на «холодную» фазу, то окажется, что эти даты синхронны соединениям Юпитера и Сатурна в секторе, ограниченном геоцентрическими долготами от 283° до 301°. Отсчет геоцентрических долгот ведется от точки весеннего равноденствия, по ходу видимого движения Солнца. Согласно астрономическим эфемеридам эти соединения приходятся на 1901, 1961, 2020 годы. Даты перехода от «холодной» фазы КМО к «теплой» синхронизируются с квадратурой Юпитера и Сатурна (разность геоцентрических долгот равна 90°). Эти квадратуры Юпитера и Сатурна отмечаются в 1926 и в 1986 годах. Очередное соединение по данным астрономических эфемерид (http://ssd.jpl.nasa.gov), произойдет в 2020 году (смена «теплой» фазы КМО на «холодную») и с 2021 года ожидается начало «холодной» фазы КМО. В 2045 году будет образована квадратура Юпитера и Сатурна и с 1946 года, вероятно, начнется очередная «теплая» фаза. Однако в системе океан – атмосфера эти даты могут испытывать колебания относительно дат астрономических конфигураций в связи с нелинейностью, происходящих в океане и атмосфере процессов. При проведенном нами сопоставлении «теплая» и «холодная» фазы КМО имеют различную продолжительность. Продолжительность «холодных» фаз КМО составляет 25 – 26 лет, продолжительность «теплых» фаз составляет 34 – 35 лет. КМО в «теплые» фазы усиливает и в «холодные» фазы ослабляет общую тенденцию потепления современного климата.