книги из ГПНТБ / Ковалевский В.С. Условия формирования и прогнозы естественного режима подземных вод

Наиболее изменчивыми во времени являются короткопери­ одные электромагнитные излучения — рентгеновские и ультра­ фиолетовые, которые непосредственно воздействуют на атмос­ феру путем изменения ее ионизации н тем самым активизиру­ ют ее циркуляцию. Излучения в «оптическом»— световом — диапазоне волн оказывают влияние лишь на биосферу Земли, а эффект радиоизлучения в земных проявлениях не зафиксиро­ ван вообще. Изменчивость последних видов излучения не пре­ вышает 0,6% от их абсолютной величины, поэтому данные из­ лучения получили название солнечной постоянной.

Корпускулярные излучения (потоки заряженных частиц) подразделяются на непрерывные излучения «невозмущенного» Солнца — солнечный ветер (частицы низких энергий) и вспышечные излучения, представляющие собой плазменные облака и космические лучи,— частицы высоких энергий (протоны).

Вариации солнечной активности помимо чисел Вольфа вы­ ражаются и другими индексами, характеризующими различ­ ные стороны видимых проявлений деятельности Солнца. К ним относятся индексы площадей солнечных пятен и продолжитель­

их учета — а2) ; в — средняя продолжительность жизни повторя­ ющихся групп пятен, выраженная в оборотах Солнца; То — средняя продолжительность существования группы пятен в сут­ ках, а также индекс Ю. Бартельса аР , характеризующий кор­ пускулярное излучение Солнца, и индекс КР, связанный с низлкоширотным расположением солнечных пятен и определяющий геомагнитную возмущенность Земли (планетарную). Подробно данные вопросы рассматривались Л. А. Вительсом, И. В. Мак­ симовым, А. И. Олем, Б. А. Слепцовым-Шевлевичем, Б. М. Рубашевым, Е. С. Рубинштейн и> Л. Г. Полозовой, М. С. Эйгенсоном и другими исследователями.

Важной чертой солнечной деятельности является ее циклич­

Н. П. Смирновым (Максимов, 1970), установлено также нали­ чие циклов 6,1 и 15,1 лет. А. И. Олем вскрыты 5,5-или 5-6-лет- ние циклы в геомагнитной возмущенное™. При этом им уста­ новлено, что вспышечные корпускулярные потоки синхронны с солнечными пятнами, а рекуррентные потоки (спокойного Солн­ ца) имеют второй максимум через 5-6 лет после максимума 11-летней цикличности. Таким образом, геомагнитные индексы несут в себе одновременно черты и 11-летнего, и 5—6-летнего циклов. Б. А. Слепцов-Шевлевич после сглаживания различных

индексов площадей н продолжительности жизни солнечных пя­ тен по трехлеткам и вычитания сглаженных рядов из фактиче­ ских установил наличие четких 2-летних циклов в солнечной деятельности.

Изменения волновой радиации и корпускулярного излучения Солнца оказывают воздействие прежде всего на атмосферу, усиливая интенсивность ее циркуляции, изменяя барические ее поля и тем самым определяя режим переноса тепла и влаги в атмосфере. Наличие 2-, 5-6- и 11-летних солнечнообусловленных циклов было прослежено в различных природных процессах (в колебаниях температур воздуха и выпадения атмосферных осад­ ков, периодичности появления катастрофических засух, в уров­ нях озер н рек, в кольцах деревьев, в скоростях океанических течений, ледовитое™ северных морей, и т. д.). Аналогичная цикличность отмечалась неоднократно и в подземных водах (Басов, 1948; Шнитников, 1949; Дугинов, Коробейников, 1957; Коноплянцев, 1970 и др.).

Сопоставление данных наблюдений за режимом подземных вод с 11-летней цикличностью солнечной активности, выражен­ ной в рядах Вольфа, показывало в отдельных случаях при корот­ ких рядах наблюдений хорошую сходимость их колебаний рис. 1,п, в и г). Однако установить стабильные во времени свя­ зи между режимом уровней подземных вод и числами Вольфа пока не удалось. В частности, до 30-х годов нашего столетия меж­ ду уровнями грунтовых вод по шурфу 2 (Каменная степь) и чис­ лами Вольфа отмечалась связь близкая к прямой. В 30-х годах эта связь сменилась на обратную, а в 50—60-х годах — вновь на прямую (рис. 1, б). Удовлетворительных объяснений таких инверсий знака связей пока не найдено. Одной из гипотез это­ го явления, отмеченного не только в подземных водах, являет­ ся выдвинутое М. С. Эйгенсоном (1957) предположение о нало­ жении в указанные переломные моменты двух разных по фазе солнечных циклов— 11-летних и 6-летиих.

В частности, в колебаниях уровней грунтовых вод по шурфу 1 (Каменная Степь) автокорреляционным методом вскрывается наиболее четкий 16-летний цикл, который, по-видимому, об­ разовался за счет сложения 11- и 5,5-летнего солнечных циклов, не совпадающих по фазе.

В связи с этим более перспективным представляется сопо­ ставление колебаний уровней подземных вод с геомагнитным ин­ дексом /<Р, несущим в себе суммарные черты различных солнеч­ ных циклов и в целом отражающим сравнительно хорошо прог­ нозируемую гелиофизиками 11-летнюю цикличность солнечной деятельности, что является особенно важным^ Произведенная нами увязка колебаний среднегодовых уровней грунтовых вод по отдельным скважинам США и СССР с длинными рядами наблюдений показывает высокую сходимость этих колебаний (рис. 2).

Вместе с тем, массовый корреляционный анализ режима уровней подземных вод с различными индексами солнечной активности, включая числа Вольфа, показал наличие в целом низких корреляционных связей. Лишь изредка коэффициенты

Кр

>

этих связей достигают 0,69. Сравнительно лучшие связи уста­ навливаются с индексами Кр и магнитными бурями. В различ­ ных регионах, а иногда и в пределах локальных районов уста­ навливаются как прямые, так и обратные связи с солнечной ак­ тивностью за один и тот же промежуток времени, что свидетель­ ствует о значительной трансформации связей Солнце — подзем­ ные воды, возникающей в атмосфере.

В режиме подземных вод 5-6-летние циклы наблюдаются зна­ чительно чаще, чем 11-летние, и выражаются они более сущест­ венными амплитудами колебаний уровней подземных вод (до 50% и более от всей многолетней амплитуды). Природа этих колебаний сложная. Помимо 5-6-летних циклов, отмеченных

М.С. Эйгенсоном в солнечной активности, И. В. Максимовым и

Н.П. Смирновым (1965) были вскрыты 6-летние (в среднем

6,6 лет) циклы в ритмах перемещения полюса вращения Земли, приводящие к изменениям скорости океанических течений, осо­ бенно направленных по меридиану, и в том числе Гольфстри­ ма, определяющего режим температур северных морей и тепло­ вой баланс прилегающих территорий суши. В связи с этим 5-7- летние (в среднем 6 лет) циклы довольно четко выделяются в режиме подземных вод Прибалтики, находящейся в зоне отеп­ ляющего эффекта Гольфстрима. Однако 6-летние циклы имеют место и в других районах СССР (Прмкаспий, Дальний Восток и пр.), где их появление связывается, видимо, с соответствую­ щими циклами солнечной активности, находящей отражение в аналогичной (в среднем с периодом 6,6 лет) цикличности атмос­ ферной циркуляции (рис. 3).

Помимо 2-, 5-6- и 11-летних циклов рядом гелиофизиков вы­ деляется еще 22-летний цикл, находящий выражение в смене более высоких 11-летних циклов чисел Вольфа низкими, Эта за­ кономерность проявляется не очень четко, что вызывало сомне­ ние в самостоятельности данной цикличности. Более того, про­ веденное нами сглаживание чисел Вольфа и других индексов (Бартельса, Капецкого и др.) по 11-леткам и последующая ав­ токорреляция показали наличие 106-летнего цикла; все циклы, кратные 11-летним, при этом пропали. Однако рядом исследо­ вателей установлено, что наиболее отчетливо 22-летний цикл выявляется в смене полярности магнитных полей солнечных пя­ тен при переходе от одного 11-летнего цикла к другому. Такой двойной цикл состоит из четного (первого) и нечетного (второ­ го) 11-летних циклов (по цюрихской нумерации).

В настоящее время 22-летние циклы установлены в различ­ ных проявлениях климата Земли. Однако наиболее интересной является отмеченная Б. А. Слепцовым-Шевлевичем и И. М. Мак­ симовым (Максимов, 1970) четкая смена знаков связи Солнце — барическое поле Земли с обратного в четные циклы (с 12-го цикла по 17-й цикл) на прямой в нечетные циклы. Данная за­ кономерность представляется одной из основных причин сме­ ны знаков связей между солнечной активностью и режимом под­ земных вод.

земных вод, режим их расходования в результате транспирационной деятельности растительности, определяемой световой и тепловой деятельностью Солнца, и т. д. Наиболее четко фикси­ руемый во всех элементах режима подземных вод (в уровнях, температурах и химическом составе) годовой цикл определяет­ ся также планетарными факторами — вращением Земли вокруг Солнца и изменением соотношения поглощаемого и отраженно­ го солнечного тепла земной атмосферой.

Однако довольно четкие многолетние колебания в режиме подземных вод (синхронные или асинхронные с солнечной ак­ тивностью) наблюдаются не всегда. Это вызывается прежде всего различными осложнениями данного процесса, возннкаю-

т

1970

Рис. 3. Колебания уровнен грунтовых вод по отдельным скважи­ нам Ленинградской (б), Куйбышевской (в), Саратовской (г) и Волгоградской (д ) областей в сопоставлении с различными типа­ ми атмосферной циркуляции (а) н нутационными колебаниями полюса Земли (е)

щими в атмосфере, ее циклонической деятельностью, а также сочетанием взаимосвязей различных факторов, определяющих режим подземных вод. В режиме уровней подземных вод от­ дельных скважин или групп скважин, расположенных на опре­ деленных территориях, наряду с циклами, обусловленными ге­

лиогеофизическими факторами, наблюдаются часто циклы как бы «незакономерные» (например, 7-8-, 14-15-, 17-, 25-летние), не имеющие аналогов в солнечных циклах. Ограниченность наб­ людений за режимом подземных вод, к сожалению, не позволя­ ет в настоящее время доказать «случайность» появления таких циклов, так как нередко они зафиксированы всего по одному разу.

В большинстве случаев в режиме подземных вод можно вы­ делить солиечнообусловленные 5-6 и 11-летние циклы, а также намечающиеся по единичным скважинам 30—35-летний и веко­ вой (83— 106-летний) циклы.

Помимо эффекта воздействия светового и электромагнитно­ го излучения Солнца, приводящего к количественным и качест­ венным изменениям в ресурсах подземных вод, в режиме их отмечаются изменения, вызываемые силами притяжения Солн­ ца и Луны. Такое воздействие проявляется главным образом в гидросфере Земли и определяет океанические и земные прили­ вы. Наиболее известны океанические приливы, регулярно наб­ людаемые, чаще всего два раза в сутки, с максимумами их эф­ фекта в точках Земли, ближе всего расположенных к Луне как со стороны, прямо обращенной к ней, так и с противоположной, и соответствующих верхней и нижней кульминациям Луны. Наиболее интенсивны приливно-отливные явления в момент, (Когда силы притяжения Луны и Солнца совпадают по направ­ лению.

Подъем уровней воды в океанах во время приливов дости­ гает иногда значительных величин: у юго-западных берегов

заливе Фандп на севере Канады — 18 м. Наибольших размеров приливно-отливные колебания достигают обычно на восточных побережьях континентов, так как здесь они усиливаются силаімн Кариолиса. В Атлантическом океане приливная волна расщространяется со скоростью 300 миль в час. Достигнув конти­ нента, она резко поднимает уровень вод океана. На островах в открытом океане приливы гораздо меньше (0,8 м на о. Святой Елены, 1,8 м на Азорских островах). Во внутренних морях при­ ливы почти не проявляются. В Черном море у берегов Турции величина прилива достигает 7—8 см, в Балтийском море у Ки­ ля—7 см, в Финском заливе у Ленинграда—5 см.

Учитывая почти строгую ритмичность приливов и отливов, хорошо аппроксимируемую синусоидой, колебания уровней под­ земных вод со свободной поверхностью, вызываемые подпором морских вод в прибрежных зонах океанов и открытых морей, могут быть рассчитаны по известному уравнению Форхгеймера

где h — отклонение от среднего уровня подземных вод в мо­ мент времени t на расстоянии х от берега океана;

ho —отклонение от среднего уровня воды в океане; р. — водоотдача пород;

k — коэффициент фильтрации;

hçp — средняя мощность водоносного горизонта;

/0 — половина периода колебаний уровня воды в океане.

а время запаздывания наступления максимума в грунтовых во­ дах по сравнению с максимумом в прибрежной части океана — через

ний уровней грунтовых вод по мере удаления от берега затуха­ ет, время подъемов и спадов уровня сдвигается при сохранении длины периода колебаний.

В напорных водах, имеющих или не имеющих непосредствен­ ной гидравлической связи с океаном, приливо-отливные явле­ ния воздействуют на водоносный горизонт путем увеличения и снятия нагрузки, изменяя тем самым упругое состояние водо­ носного горизонта. Изменение давления на напорный пласт, рас­ положенный в пределах океана, вызывает передачу давления в пределах водоносного горизонта в сторону суши. Соотношение изменений напора водоносного горизонта А/г, произошедшего под воздействием изменения давления на пласт под влиянием изменения уровня воды в океане Ар, называется приливной эф­ фективностью С:

связана с барометрической эффективностью В следующим соот­ ношением:

Перераспределение напоров в глубь берега под влиянием океанических приливов и отливов может быть рассчитано по аналогии с грунтовыми водами по уравнениям (1), (2) и (3), в которых водоотдача р, заменяется на упругую водоотдачу р*, а средняя мощность Ііср на мощность напорного пласта т. При

этом упругая водоотдача пласта может быть определена по уравнению

Аналогичным является механизм воздействия сгонно-нагон­ ных явлений на напорные воды, когда под воздействием силь­ ных или даже ураганных ветров уровни воды в морях, заливах

тяжение Лупы приводит к некоторому растяжению земной ко­ ры в точках, соответствующих ее верхней и нижней кульмина­ циям, что приводит к уменьшению давления в водоносных го­ ризонтах, увеличению порового пространства и, следовательно, к снижению уровней подземных вод. Амплитуды колебаний уровнем подземных вод в таких случаях обычно невелики и до­ стигают всего 3— 10 см.

Графики колебаний уровня напорных вод, происходящих под влиянием притяжения Луны, имеют пилообразный цикли­ ческий характер (Robinson, 1939; Nilson, 1968) с двумя подъе­ мами в сутки, совпадающими с прохождением Луны верхнего и нижнего кульминационных ее положений (рис. 4) со сдвигом периода колебаний на 50 мин/сут, соответствующим аналогично­ му сдвигу цикла прохождения Луны. Периоды наибольших ко­ лебаний уровней подземных вод, так же как и размеры океани­ ческих приливов, совпадают с периодами полнолуния и новолу­ ния (особенно в периоды полнолуния, когда силы притяжения

.Чумы и Солнца действуют в одном направлении), а наименьшие колебания — с периодами первой и третьей четвертей Луны, ког­ да эти силы действуют перпендикулярно друг другу.

Таким образом, изменения приливно-отливных воздействий на подземные воды формируют в их режиме еще один (27-28- ідневный) лунный цикл.

Кроме указанных малых лунных циклов, И. В. Максимовым (1970) установлен также 19-летний лунный приливный цикл, приводящий к деформациям океанической поверхности с перио­ дом многолетних колебаний от 17 до 21 г. (в среднем 18,6 лет) и получивший название лунного деклинацнонного цикла.

Этот цикл связан с изменением наклона лунной орбиты к плоскости вращения Земли. Наибольшие приливы наблюдают­ ся в периоды, когда плоскость лунной орбиты совпадает с ор­ битой вращения Земли вокруг Солнца.

Сложение 6-летних нутационных колебаний полюса враще­ ния Земли, обозначенных И. В. Максимовым индексом RN, и 19-летних колебаний лунного прилива, обозначенных индексом Rp, позволило И. В. Максимову (1966) выявить суммарный 19-летний цикл, определяющий периодические изменения накло­ на уровня океана от экватора к полюсу, изменения скоростей океанических течений и ритмичность в переносе ими тепла и передаче его в атмосферу. Эта цикличность подтверждена соот­ ветствующей цикличностью температур в северной Атлантике и циклами атмосферной циркуляции, которые в свою очередь отражаются в количествах переносимой влаги и величинах пи­ тания подземных вод. Примеров четких 19-летних колебаний в режиме подземных вод пока немного, но такие колебания, тем не менее, имеют место (рис. 5).

Помимо приливных сил Луны и Солнца, не исключается воз­ можность воздействия на подземные воды притяжения, вызван­ ного другими планетами солнечной системы, в частности Мар­ сом. Если среднее расстояние между Землей и Солнцем состав­ ляет 150 млн. км, то минимальное расстояние между Землей и Марсом изменяется от 100 до 55 млн. км. В периоды минималь­ ной удаленности Земли и Марса, повторяющихся через каждые 2 года 50 дней, приливные силы Марса достигают максималь­ ных значений.

На расстоянии 55 млн. км от Земли Марс оказывается во время так называемых «великих противостояний», которые пов­ торяются через каждые 15— 17 лет. В нашем столетии такие пе­ риоды были в 1909, 1924, 1939, 1956 и 1971 гг. Интересно отме­ тить, что минимальные за многолетие уровни грунтовых вод по ряду скважин в США, по шурфу 1 в Каменной степи и дру­ гих были отмечены именно в 1924— 1925, 1939 и 1956 гг. (см. рис. 5).

Природа векового цикла солнечной активности, имеющего средний период в 80—90 лет с возможными вариациями от 70 до 100 лет, еще недостаточно изучена. Одной из гипотез его проявления предполагаются возможные воздействия на Солнце также приливных сил планет солнечной системы (Э. Броун,

В.Б. Шостакович, Т. Суда и др.).

Всоответствии с гипотезой Э. Броуна (Максимов, 1970) при­

ливные силы планет солнечной системы могут определять цик­ личность всей солнечной деятельности. В частности, приливные силы Юпитера могут определить 6- и 12-летнюю цикличность, Сатурна— 15- и 30-летнюю; Урана—42- и 84-летнюю и Непту­

пе, так и особенно по прямой) вызывает резкое увеличение чис­ ла хромосферных вспышек и генерацию протонов высоких энер­ гий на Солнце.

Резюмируя все вышеприведенное, можно отметить, что пла­ нетарные, или космогенные, факторы определяют серию взаимо-