книги из ГПНТБ / Дружинин, И. П. Космос - Земля. Прогнозы

а) установление неслучайности появления предпола­ гаемого следствия вслед за предполагаемой причиной, то есть появление его в большинстве случаев, но не обя­ зательно всегда, и б) раскрытие механизма связи. Толь­ ко выполнение обоих условий может обеспечить полный успех.

На первом этапе задача сводится к тому, чтобы вы­ числить частоты переломов в годы солнечных реперов и в другие годы и сделать соответствующие оценки слу­ чайности или неслучайности различий их распределе­ ния. Возьмем для примера переломы и перерывы мно­ голетнего хода планетарного индекса активности земно­ го магнитного поля Ар и сопоставим их с резкими изменениями солнечной активности — всем без исключе-

А р

2 0 -

10 -

-^Р^=Ц*1ЦТ-Гтгд :к _г1 Г к г

Рис. 21. Многолетние колебания земного магнитного поля

I — планетарный индекс магнитной активности Ар (стрелками показаны переломы и перерывы его хода); I I — условная линейка знаков прира­ щений, показывающая переломы н перерывы (нх номера обозначены числами 1—19) многолетнего хода, в том числе точно в годы солнечных реперов (темные прямоугольники)

ния солнечным реперам (на рис. 21 показаны стрелками и черными прямоугольниками) совершенно точно соот­ ветствуют переломы и перерывы (нулевой перелом, когда приращение равно нулю) многолетнего хода ин­ декса. Это дает основание утверждать, что временной сдвиг между предполагаемыми причиной и следствием — менее года.

Если резкие изменения солнечной активности оказы­ вают предполагаемое воздействие на земной процесс, то их проявления должны концентрироваться вблизи сол­ нечных реперов, что должно отразиться на относитель­ ной.частоте переломов многолетнего хода процесса. По рис. 21 мы можем установить, что частота переломов и перерывов в годы солнечных реперов— 100%, в следу­ ющие за ними годы — около 56%, а во все остальные

100

го д ы о к о л о 42%. Разница частот настолько велика, что не остается никакого сомнения в том, что действи­ тельно переломы концентрируются в годы солнечных реперов.

Аналогичный вывод получается и во всех других рас­ смотренных случаях, где разница частот не всегда столь большая, но она выявляется достаточно четко (табл. 8). Всего нами рассмотрено 738 процессо-пунктов с сум­ марной длительностью рядов натурных наблюдений бо­ лее 37 400 лет, и соответствующие частоты оказались равными 79 и 63%. При этом частота переломов в годы солнечных реперов, как правило, больше, чем в следу­ ющие за реперами годы, через один и через два года от них.

Таким образом, можно сделать заключение, что воз­ действия резких изменений солнечной активности на ход земных процессов, видимо, проявляются в большинстве случаев именно в годы ^солнечных реперов, но все же иногда наблюдается сдвиг на один год в сторону запаз­ дывания. А в некоторые годы, когда изменения солнеч­ ной активности очень велики (1935, 1945, 1955, 1960, 1966 и др.), возможно и опережение солнечнообусловлениыми переломами хода земных процессов солнечных реперов на один год. Это объясняется тем, что солнеч­ ные реперы, установлены пока по формальному призна­ ку, а не по характеристике их геоэффективности. На первом этапе исследований это, видимо, единственно целесообразный путь, но в будущем, возможно, будет весьма полезным и уточнение реперов.

С учетом изложенного целесообразно ввести еще одну количественную характеристику рассматриваемой разновидности солнечно-земных связей, которая учиты­ вала бы как запаздывающие, так и опережающие солнечнообусловленные переломы. Назовем ее степенью со­ ответствия ожидаемых и наблюдавшихся солнечнообусловленных переломов многолетнего хода природных' процессов на Земле. Для отмеченных выше индексов магнитной активности она равна 100%. так как за рас­ сматриваемый период времени (1932—1962 гг.) можно было бы ожидать девять солнечнообусловленных пере­ ломов, и в действительности их оказалось столько же. Для всех рассмотренных 738 процессо-пунктов эта сте­ пень соответствия оказалась равной 96%. Иными сло­ вами, из каждых ста ожидавшихся переломов многолет­

101

него хода природных процессов на Земле в действитель­ ности наблюдалось не менее 96!

Эта величина весьма красноречива сама по себе, но кроме нее может быть дана еще одна объективная оцен­ ка, позволяющая судить, случайно пли не случайно выявленное совпадение. Она производится на основа­ нии проверки так называемой нулевой гипотезы, то есть путем оценки вероятности того, что сопоставляемые ка­ чественные признаки независимы (рассматриваемая связь отсутствует). Если эта вероятность мала (менее 1%), то обычно названная гипотеза отвергается и связь признается значимой (реальной); если она велика (бо­ лее 5%), то нулевая гипотеза не отвергается и связь признается не доказанной. Если она находится в преде­ лах 1—5%, то имеющихся данных не достаточно ни для принятия, ни для отказа от нулевой гипотезы. Эти веро­ ятности (5%, 1%, 0,1%, 0,05% и др.) принимаются в качестве нормативов (уровней значимости), которым соответствуют определенные величины числовых крите­ риев.

Если в реальных условиях величина критерия ока­ залась, скажем, больше, чем соответствующая вероят­ ности 1% (то есть больше однопроцентного уровня зна­ чимости), то вероятность того, что нулевая гипотеза вер­

ступили а'2 раз и не наступили у2 раз. Нужно проверить, одинаковы ли вероятности переломов в этих двух се­ риях.

Иными словами, нужно проверить гипотезу, что веро­ ятность переломов в обоих случаях одинакова. Значе­ ние этой вероятности нам неизвестно.

Для проверки этой гипотезы рекомендуется вычис­ лить «критерий различия вероятностей», в качестве ко­ торого может быть использована статистика.

102

~9-21-19-11 ~

Ои оказался больше 1%-ного уровня значимости, кото­ рый при одной степени свободы равен 6,63. Следователь­ но, вероятность того, что вероятности переломов хода индекса в годы солнечных реперов и в другие годы от­ личаются друг от друга лишь в результате влияния слу­ чайных факторов, меньше 1%. Ниже эта величина име­ нуется «вероятностью случайности различия частот (вероятностей) переломов». Эта вероятность весьма ма­ ла, что и позволяет достаточно уверенно (с вероятно­ стью больше 99%) отвергнуть проверяемую гипотезу о равенстве вероятностей переломов в рассматриваемые годы. А это дает основание утверждать, что данные на­ турных наблюдений не противоречат сделанному нами предположению о возможном влиянии резких изменений солнечной активности на рассматриваемый процесс.

Во многих случаях (особенно при длинных рядах наблюдений) более уверенной оказывается оценка зна­ чимости концентрации переломов около лет с наиболее резкими изменениями солнечной активности, если ис­ пользовать более подробную характеристику распреде­ ления частот переломов около солнечных реперов. С этой целью выделяются не две, а три категории лет: годы солнечных реперов, следующие за ними годы, другие годы [80].

Аналогичным образом производятся соответствующие статистические оценки и в других случаях. Наиболее на­ дежными они получаются по длинным рядам натурных наблюдений (некоторые примеры приведены ниже) и по группам процессов. Например, в табл. 9 приведены час­ тоты переломов, критерии значимости и вероятности случайности различия вероятностей переломов в годы солнечных реперов и в другие годы для некоторых групп рек, расположенных на различных континентах. Как вид­ но из таблицы, относительные частоты переломов как

103

Таблица 9

Частоты переломов многолетнего хода годового стока рек

ипсевдослучайных выборок

инекоторые статистические оценки

в годы солнечных реперов, так и в другие годы оказы­ ваются достаточно устойчивыми, а разница между ними хотя и меньше, чем в рассмотренном выше примере, но весьма существенна. Критерий различия вероятностей переломов во всех случаях достаточно велик, а вероят­

104

ность случайности ее, как правило, очень мала. Эти дан­ ные также свидетельствуют о реальности анализируемой связи резких изменений солнечной активности и части переломов многолетнего хода годового стока рек.

Следует отметить, что при вычислении критериев зна­ чимости по формуле (1) учитываются лишь переломы, точно совпадающие с солнечными реперами, а имеющие­ ся сдвиги как в сторону опоздания, так и в сторону упреждения не принимаются во внимание. Последнее существенно занижает величину критерия, но зато по­ лучающиеся оценки исключительно надежны.

Но не будут ли аналогичными результаты, если вместо данных о природных процессах использовать выборки, заведомо не зависящие от солнечной актив­ ности? Теоретически этот вопрос не представляет за­ труднений, так как имеются в виду заведомо независи­ мые выборки. Иное положение с экспериментальным доказательством. И главное при этом — отыскание по­ следовательностей чисел, не связанных с солнечной ак­ тивностью. Здесь, видимо, могут выручить лишь табли­ цы случайных чисел.

Случайные выборки из этих таблиц можно пред­ ставить имитирующими ход природного процесса в за­ данных календарных границах и получить оценки, ана­ логичные приведенным выше; они и покажут реальность пли нереальность «воздействий» резких изменений сол­ нечной активности.

В эксперименте выборки из таблиц случайных чисел были расположены в тех же календарных границах, что и данные о стоке рек. Допустимые ошибки при опреде­ лении переломов и перерывов хода принимались одина­ ковыми. Вероятность случайности различия частот пере­ ломов для псевдослучайных выборок оказалась в пре­ делах 23—60%, тогда как для стока рек — менее 0,01% (табл. 9).

Полученные данные свидетельствуют о принципи­ альном различии оценок по реальным процессам и псевдослучайным выборкам, коренном отличии их свойств в отношении временного совпадения части пере­ ломов с резкими изменениями солнечной активности и пригодности предлагаемой методики для решения пос­ тавленной задачи.

После доказательства неслучайности рассматривае­ мой связи резких изменений солнечной активности и

105

части переломов многолетнего хода того или иного зем­ ного процесса, проводимого в жестких условиях (без учета опережений и опоздании), обычно появляется це­ лесообразность сделать более оптимистичную н более реальную оценку тесноты этой связи с учетом возмож­ ных запаздываний (а в отдельных случаях и опереже­ ний) некоторых солнечнообусловленных переломов по сравнению с солнечными реперами на один год. Как отмечалось выше, для этих целей может быть использо­ ван показатель в виде степени совпадения ожидаемых и наблюдавшихся солнечнообусловленных переломов. Другой прием оценки тесноты качественных связей предложен [24] в виде так называемого показателя связи, часто используемого в климатологии [76]:

сматриваться лишь как внешние воздействия по отно­ шению ко всей Земле в целом. Поэтому их влияние дол­ жно сказываться на ходе многих процессов и практи­ чески на всем земном шаре одновременно. С учетом сказанного установление планетарного характера рас­ сматриваемых связей имеет большое значение, и нам пришлось вести исследование одновременно по двум направлениям: а) «по вертикали», то есть переходя от процессов планетарного масштаба к более мелким, вплоть до отдельной точки земной поверхности или от­ дельного экземпляра (например, дерево); б) «по гори­ зонтали», то есть проводя анализ в региональном и гло­ бальном планах и охватывая большие территории или весь земной шар.

В качестве одного из планетарных процессов могут быть рассмотрены изменения скорости вращения Земли.

Как известно, скорость вращения Земли вокруг своей оси непостоянна. Ее вариации обычно делят на три груп­

106

пы: вековое замедление, нерегулярные, скачкообразные изменения и изменения с годичным периодом. Много внимания в специальной литературе уделяется скачко­ образным изменениям. Проведенный нами анализ по данными [148, 186] за 1821—1950 н 1951—1957 гг. пока­ зал, что единственным исключением из 45 ожидаемых солнечнообусловлениых переломов оказался 1906 год. Точное соответствие переломов и солнечных реперов на­ блюдалось в 40 случаях (88,9%), со сдвижкой на один год в сторону запаздывания — три (1876, 1910, 1929 гг.) и в сторону опережения — один (1914 г.). Вероятность того, что отмеченное совпадение части переломов много­ летнего хода скорости вращения Земли и резких измене­ ний солнечной активности не случайно, пока может быть оценена величинами от 97,5 до 99,9%- Вероятность ошибочности рассматриваемой гипотезы весьма мала (от 0,1 до 2,5%), что и позволяет весьма уверенно при­ нять .ее. Частоты переломов показаны в табл. 8. Этот пример представляется весьма интересным не только как пример процесса планетарного масштаба, но и в связи с его способностью влиять на атмосферную цир­ куляцию [189].

Примером влияния резких изменений солнечной ак­

ния (Исландская депрессия), обладающего постоянст­ вом во все сезоны года. Ниже, на рис. 23, показаны среднегодовые значения широт центра Исландского минимума атмосферного давления [1]. Как видно из рисунка, 26 раз подряд переломы и перерывы хода ши­ рот оказались точно в годы солнечных реперов. И нет ни одного исключения. Столь изумительное соответствие, конечно, нельзя считать случайным. Возможно, что это один из наиболее чувствительных индикаторов воздей­ ствий резких изменений солнечной активности. Весьма показательны частоты переломов: в годы солнечных реперов — 100%, в другие годы — 64%. Разница их оче­ видна. Вероятность случайности этой разницы частот —

меньше 0,01%.

На рис. 22 приведена кривая годовых сумм осадков в бассейне озера Виктория. Точно в годы солнечных ре­ перов наблюдалось 16 переломов из 17 ожидаемых (опережение на один год в 1935 г.). Частоты переломов

107

в годы солнечных реперов — 94% (16/17), а в другие го­

аналогичному анализу [80] многие другие процессы планетарного масштаба, метеорологические элементы, гидрологические процессы и процессы живой природы во многих точках земной поверхности, относящихся, как правило, ко всем материкам земного шара, кроме Юж­ ной Америки. Обобщенные результаты представлены в табл. 10.

Рис. 22. Атмосферные осадки в бассейне оз. Виктория. Стрел­ ками показаны переломы, соответствующие солнечным репе­ рам

Как видно из этой таблицы, частоты переломов в годы солнечных реперов существенно (на 7—23%) пре­ вышают частоты в другие годы. Вследствие этого весьма высокими (от 7,1 до 212) оказались статистические кри­ терии «хи-квадрат» и соответственно очень малыми (от 1,0 до 0,01% и меньше) вероятности случайности раз­ личия частот переломов в годы с резкими изменениями солнечной активности и в другие годы. Последнее поз­ воляет очень уверенно (с вероятностями от 99,0 до 99,99% и больше) утверждать неслучайность концент­ рации части переломов многолетнего хода в первые годы.

Весьма высокими оказались степень соответствия ожидаемых и наблюдавшихся переломов (в среднем 96%), коэффициенты связи (в среднем 0,88) и доля солнечнообусловленных переломов (47%).

Полученный результат, по нашему мнению, вполне логичен. Он соответствует представлению о диалекти­ ческом единстве, взаимной связанности и взаимной обус­ ловленности многих событий, явлений и процессов в

108

Таблица 10

Частоты переломов многолетнего хода природных процессов на Земле и статистические оценки связи переломов с резкими изменениями солнечной активности

о

<О