- Артикул:00004200
- Автор: Найденов В.И.
- ISBN: 5-02-032910-Х
- Обложка: Твердый переплет
- Издательство: Наука (все книги издательства)
- Город: Москва
- Страниц: 318
- Формат: 60х90/16
- Год: 2004
- Вес: 474 г
Развернуть ▼
В монографии нашли отражение проблемы многолетних колебаний уровня бессточных и проточных водоёмов. Рассмотрены нелинейные тепловые механизмы взаимодействия поверхности суши и водной поверхности с атмосферой; процессы тепло- и массопереноса в водной среде; особенности динамики многолетних колебаний речного стока, а также хаотической динамики гидросферных и климатических процессов. Большое внимание уделено решению проблемы многолетних колебаний уровня Каспийского моря, основанному на законах нелинейной термодинамики взаимодействия водной поверхности и атмосферы.
Для широкого круга специалистов в области гидрологии, гидрогеологии, гидрохимии, гидрофизики и экологии.
Развитие термодинамической теории необратимых процессов, теории нелинейных динамических систем и классической механики привело к качественно новому пониманию сложных явлений природы. Несомненно, что новые идеи оказали влияние на развитие различных областей естествознания. В связи с этим исследователями стало осознаваться, что такая сложная и неоднородная система, как наша планета, развивается по нелинейным законам. Это в полной мере относится и к ее гидросфере, так как физические процессы, происходящие в природных водах, существенно нелинейны.
Динамические системы можно условно разделить на два типа. В системах первого типа траектории движения устойчивы и значительно не изменяются вследствие малых возмущений. Эти системы предсказуемы, так как для определения их будущего достаточно знать уравнения движения и задать начальные условия. Небольшие изменения начальных условий повлекут малую ошибку прогноза. Многие задачи небесной механики решаются с использованием представлений о данном типе динамических систем: солнечные затмения предсказывают с высокой точностью, нетрудно предсказать смену времен года, а также дня и ночи.
К другому типу относятся динамические системы, поведение которых неустойчиво, так что любые сколь угодно малые возмущения быстро (в масштабе времени, характерном для этой системы) приводят к кардинальному изменению траектории. Еще А. Пуанкаре в отношении таких систем отмечал, что совершенно ничтожная причина, ускользающая от нас по своей малости, вызывает значительное действие, которое мы не можем предусмотреть. Предсказание становится невозможным, мы имеем перед собой явление случайное.
Данная монография посвящена исследованию динамических систем второго типа. Рассмотрены актуальные проблемы нелинейной динамики поверхностных вод суши, которые не могут быть решены в рамках линейных представлений о гидрологических процессах.
Прогноз изменения уровня Каспия и других бессточных водоемов (Аральского моря, озер Балхаш, Чаны, Чад и т.д.) является одной из фундаментальных проблем современной гидрологии и без ее решения невозможна разработка мероприятий по предотвращению и ликвидации негативных последствий современного подъема уровня моря.
Уровенный режим моря определяется водным балансом самого моря (атмосферными осадками на акваторию, речным стоком, испарением и стоком морской воды в залив Кара-Богаз-Гол) и водным балансом его речного бассейна. Эти важнейшие гидрологические величины сильно и непредсказуемо меняются во времени, так что формирование климата водосборного бассейна моря выглядит случайным процессом. Математически водный баланс моря и его бассейна можно описать системой нелинейных стохастических дифференциальных уравнений с соответствующими начальными и граничными условиями. Нелинейность уравнений принципиальна, так как площадь зеркала испарения и слой испарения зависят от уровня моря, а сток речных вод и испарение с поверхности бассейна сильно и нелинейно зависят от влагозапасов суши.
Уже первые попытки исследовать простые нелинейные задачи, связанные с водным балансом моря, привели к неожиданному результату. Оказалось, что решение уравнений Фоккера-Планка-Колмогорова для плотности вероятности уровня моря имеет негауссовскую форму: во-первых, для уровня моря характерно несколько наиболее вероятных состояний; во-вторых, вероятность резких переходов от одного устойчивого равновесного уровня к другому значительно выше, чем в линейных задачах.
На основании результатов теоретических исследований выдвинута гипотеза о том, что слой испарения с поверхности моря уменьшается с ростом его уровня, а слой испарения с поверхности водосбора уменьшается с ростом его влагозапасов. Это происходит потому; что эффективная теплоемкость моря и его бассейна уменьшается с ростом увлажненности, так как значительная часть солнечной энергии будет затрачиваться не только на испарение, но и на нагрев увеличивающегося объема воды.
Анализ водного баланса моря и его бассейна, выполненный с учетом зависимости испарения (как с акватории моря, так и с поверхности бассейна) от увлажненности, привел к следующему результату. Оказалось, что одной и той же среднемноголетней величине осадков, выпадающих на поверхность моря и его бассейна, соответствуют три уровня моря - низкий, высокий и средний. Годовой водный баланс бассейна Волги составляет: осадки -0,642 м, испарение- 0,466 м, сток- 0,176 м; Урала- 0,450 м, 0,300 м, 0,150 м соответственно. Годовой сток рек в Каспий является разностью больших величин (осадков и испарения), поэтому его значение чрезвычайно чувствительно к небольшим изменениям испарения.
Низкий уровень моря (-28,22 м абс.) соответствует большому расходу выпавших осадков на испарение, так как малый объем вод Северного Каспия (400 км3) в весенне-летний период сильно нагревается, что способствует повышенному испарению воды. То же происходит и с влагозапасами водосборного бассейна.
Высокий уровень моря (-25,56 м абс.) соответствует малому расходу выпавших осадков на испарение; воды Северного Каспия (объем вод на этой отметке равен 660 км3) труднее прогреть, температура ниже и, следовательно, меньше испарение. По этой же причине меньше испарение и с водосборного бассейна.
Средний уровень моря (-26,90 м абс.) соответствует промежуточному состоянию; этот уровень неустойчив.
Анализ динамики колебаний уровня моря показал, что под воздействием сильных случайных колебаний осадков возникают случайные переходы от низкого уровня к высокому и обратно, причем устойчивые уровни реализуются гораздо чаще, чем неустойчивые. Отметим, что стационарным колебаниям осадков в бассейне моря соответствуют резкие и нестационарные колебания уровня моря, причиной которых является нелинейная зависимость испарения от увлажненности.
Современный подъем уровня Каспийского моря обусловлен избыточным количеством осадков в теплый период и повышенными зимними температурами в бассейне моря, а также малыми величинами испарения, что привело к резкому увеличению притока речных вод в море. Уменьшается испарение и с акватории Северного Каспия.
Таким образом, для уровня Каспийского моря характерна не только внешняя непредсказуемость, создаваемая климатическими изменениями, но и внутренняя, обусловленная неустойчивой нелинейной динамикой водного баланса.
В монографии предложена новая физическая концепция глобального потепления климата Земли, основанная на существенно нелинейных зависимостях теплофизических свойств суши (альбедо, коэффициентов теплопроводности, температуропроводности и теплоемкости) от влажности.
Рассмотрена нелинейная модель глобального климата Земли, содержащая четыре переменные: глобальную температуру воздуха, концентрацию диоксида углерода в атмосфере, влагозапас суши и речной сток в Мировой океан. Модель состоит из четырех нелинейных уравнений: двух уравнений динамики теплового и водного баланса Земли и двух уравнений динамики глобального речного стока в Мировой океан и концентрации диоксида углерода в атмосфере. Использование предположения о постоянстве количества воды на Земле позволило исключить из рассмотрения водный баланс океана.
Такая модель климата принадлежит к классу нелинейных динамических систем, которые в настоящее время вызывают большой интерес у исследователей-климатологов. Выполнен анализ устойчивости ее решений, показавший, что эти простые уравнения имеют очень сложные и неустойчивые решения.
Физический механизм неустойчивости заключается в том, что скорость накопления влагозапасов суши за счет осадков превосходит скорость их уменьшения за счет речного стока, а повышение увлажненности суши вызывает снижение альбедо Земли. Положительная обратная связь данных явлений ведет к неустойчивости климата. По существу это означает, что Земля постоянно переохлаждается (ледниковые эпохи, похолодание климата) или перегревается (потепление и увлажнение климата, усиленное развитие растительного покрова - режим "влажной и зеленой" Земли).
Неустойчивость климата Земли возникает, когда планетарное альбедо и испарение уменьшаются с ростом влажности, а количество осадков увеличивается с повышением температуры. Другие тепловые обратные связи могут только снизить критический порог неустойчивости, но не отменить ее. Стабилизация неустойчивости возможна за счет обратных связей, например, рост испарения и речного стока снижают влагозапас в почве и не дают уменьшаться альбедо.
Предложенная модель климата не только демонстрирует его неустойчивость, но и может иметь сложные периодические (с периодом в сотни лет) решения с небольшой амплитудой изменения таких параметров, как температура (1-2 °С), влагозапас суши и речной сток. Другими словами, возможно не только глобальное потепление, но и глобальное похолодание климата, обусловленные совершенно естественными природными процессами.
В качестве индикаторов водного механизма глобального потепления климата можно назвать следующие процессы: рост испарения с поверхности Мирового океана, увеличение количества осадков, выпадающих на сушу; рост влагосодержания почвы и объемов подземных вод. Неизбежно уменьшение амплитуды сезонного изменения температуры над сушей вследствие увеличения ее влагозапасов.
Действительно, за последние 10 лет испарение с поверхности Мирового океана возросло на 4% по сравнению с предыдущим уровнем наблюдений, в целом количество атмосферных осадков на сушу увеличилось на 4%; скорость роста объема подземных вод за период с 1985 по 1990 г. составляла 593 км3/год. Анализ данных о влагосодержании почвы, полученных в Государственном гидрологическом институте, показал, что для Европейской территории России влагозапас метрового слоя почвы увеличивается со скоростью от 1 до 3 см за 10 лет.
Таким образом, глобальное потепление климата Земли реально, и, по нашему мнению, оно является следствием естественных природных процессов, а не результатом антропогенной деятельности (в частности, сжигания природного топлива). Уменьшение выбросов диоксида углерода в атмосферу, к которому призывают некоторые ученые, вряд ли приведет к заметному понижению глобальной температуры воздуха.
Автором данной монографии предпринята попытка ответить на фундаментальный вопрос Клемеша [Klemes, 1974] о физическом механизме эффекта Харста.
В монографии показано, что речной сток представляет собой суперпозицию различных случайных гидрологических процессов с широким диапазоном времен релаксации, и именно такие процессы приводят к низкочастотной расходимости спектра. Предложены нелинейные стохастические модели многолетних колебаний речного стока, которые объясняют возникновение циклов Брикнера.
Очевидно, что катастрофические наводнения представляют собой нелинейное гидрологическое явление. Для России характерен рост числа катастроф, особенно в последние годы. Так, по данным МЧС России с 1990 по 1999 г. было зарегистрировано 2877 событий чрезвычайного характера, связанных с опасными природными процессами [Осипов, 2001]. Катастрофические явления, обусловленные наводнениями, составляют 19% от общего числа катастроф. Ежегодно по стране затопляются обширные территории (в среднем около 50 тыс. км2), на которых находятся более 300 городов, десятки тысяч населенных пунктов, множество хозяйственных объектов, сельскохозяйственные угодья (40% затапливаемых площадей). Установлено, что частота катастрофических наводнений подчиняется распределению Парето (которое характеризуется медленным уменьшением числа редких событий) - степенному распределению с "тяжелым хвостом". Для такого распределения вероятность катастрофических наводнений на порядок больше вероятности, вычисленной на основании гаммараспределения или распределения Крицкого-Менкеля, как рекомендуют СниП 2-01.14-83.
Гидрологи пока не могут объяснить физический механизм возникновения распределения Парето, и тем самым ответить на фундаментальный вопрос: почему катастрофические наводнения происходят так часто? Распределения вероятностей случайных величин (процессов), характеризующих наводнения (уровни воды в реке, объемы стока за половодье, максимальные расходы воды и т.п.), являются распределениями с "тяжелыми хвостами". В терминах оценки безопасности и риска "хвост" распределения соответствует так называемым гипотетическим наводнениям, возможность которых на практике пока не учитывается. Наличие степенного закона распределения вероятностей в корне изменяет наше представление о возможных масштабах бедствия.
Анализ гидрофизических процессов на водосборе показал, что при расчете обеспеченности максимальных расходов или уровней воды в реках необходимо использовать распределение Пирсона типа V. Если случайный процесс, имеющий этот закон распределения, реализуется во времени, периодически возникают большие превышения среднего многолетнего максимального расхода, что собственно и является катастрофическим наводнением. Характерная особенность этого распределения заключается в том, что повторяемость наводнений, рассчитанная с его помощью, гораздо чаще, чем это принято в гидрологии.
На основе исследований распределения Пирсона типа V установлены новые эмпирические вероятностные закономерности катастрофических наводнений. Предложены возможные физические механизмы, ответственные за эти закономерности. Показано, что уравнение водного баланса речного бассейна при учете нелинейной зависимости стока от влагозапаса может быть преобразовано в стохастическое дифференциальное уравнение с мультипликативным белым шумом. Найдено, что стационарное решение уравнений Фоккера-Планка-Колмогорова, записанное для плотности вероятности распределения стока, степенным образом зависит от величины стока, что и объясняет степенную статистику катастрофических наводнений. Установлено, что степенной закон распределения вероятностей является промежуточной асимптотикой и перестает быть справедливым для условий большой увлажненности речных бассейнбв. Проведены расчеты вероятностей максимальных расходов и уровней для рек различных регионов мира.
Таким образом, катастрофические наводнения не являются редкими событиями, а имеют достаточно большую вероятность, которую необходимо учитывать, чтобы уменьшить их негативные последствия.
Гидрология - наука социальная. Результаты исследований в этой области естествознания должны быть известны общественности. Именно поэтому автор в приложениях рассказал о возможных подходах к решению наиболее актуальных проблем гидрологии и климатологии.
Автор благодарен Российскому фонду фундаментальных исследований, выделившего средства для финансирования работ этого направления (проекты № 96-05-65043, № 99-05-64905 и №02-05-64123). Автор особенно благодарен старшему научному сотруднику ИВП РАН кандидату географических наук В.И. Швейкиной, без активного участия которой эта монография, возможно, не вышла бы в свет
Рекомендуем
Артикул 00-01037591
