Algorithms for analyzing time series of changes in Earth heliocosmic and climatic variables in a new era based on their wavelet wave functions

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

В современной науке и технике все наблюдаемые, измеряемые данные с использованием современных датчиков представляются в виде временных рядов, случайных процессов f(t) и изображений F(x, y). Модели и структуры таких данных описаны в [14]. Измерения f(t) и F(x, y) являются источниками информации, объектами исследований, первичными «квантами информации» об исследуемом или управляемом объекте и по принципу дополнительности Н. Бора могут быть представлены в виде волн с применением корпускулярно-волновых технологий, высокочувствительных квантовых сенсоров, основанных на волновых методах анализа данных. Это обусловлено и тем, что вся окружающая нас материя имеет волновую природу [15].

Связующим звеном перевода источников, «квантов информации» f(t), F(x, y) исследуемых объектов материального мира к волновой природе являются вейвлетные преобразования dwt2 и cwt [6] с последующими вычислениями векторов: фазо-частотных a1 = φ(a, b̅ ) и фазо-временных (пространственных) a2 = φ(a̅ , b) волновых функций [1], где комплексные матрицы φ(a, b), – выходы вейвлетных преобразований cwt. Кроме того, в матрицах φ(a,b), представленных в виде изображений, при задаваемых значениях масштаба M = a(k), частот исследуемых сигналов f(t) и F(x, y) могут быть вычислены пилообразные волновые функции типа а2. Они используются для прогнозирования временных рядов, в частности прогнозирования глобального климата [3].

Волновые функции а1 и а2 изменяются в интервале (-π÷π) радиан с соответствующими полярностями переменных, см. рисунки из работы [2], и взаимосогласованными изменениями этих переменных определяются региональный и глобальный климат на Земле.

Целью исследования является разработка высокоэффективных алгоритмов и пакета программ для анализа данных климатических и гелиокосмических переменных, представленных в виде временных рядов f(t) с использованием вейвлетных волновых функций а1 и а2, характеризующих особенности изменений множеств наблюдаемых, исследуемых временных рядов f(t) в частотной и временной областях по наблюдениям около 2000 лет, характеризующих изменения глобального климата на Земле.

Характеристики а1 и а2 исследуемых переменных получены при выбранных разных масштабах вейвлета, от а = 1:1400 до а = 1:2700 в вейвлет-преобразовании cwt, зависящих от интервалов наблюдений.

В статье проведен анализ согласованности изменений вейвлетных волновых функций а1 и а2 множества временных рядов f(t) в интервалах наблюдений 22–2000, 1000–2000, 1400–2000, 1610–2000 и 1850–2020, 1900–2000 годы группы парниковых газов CO₂, N₂O, CH₄ и барицентрических движений Солнца (Baricentr) c изменениями: 1) глобальной температуры Temp. gl. [18] и уровня Мирового океана [19; 20]; 2) колец деревьев в Северной Евразии: в Гренландии, на Ямале и Таймыре [23]; 3) характеристик состава кернов кораллов в трех районах Фиджи (Korally A, C, D) [17]; 4) составляющих магнитного поля Земли по интенсивности, наклонению, склонению [7]; 5) вулканических извержений [16]; 6) уровня Каспийского моря [10].

Характеристики изменений температуры поверхности Тихого океана получены анализом кернов кораллов в трех точках Тихого океана геохимическим анализом отношений изотопов Sr/Ca кернов: KorallyA – юго-западная часть Фиджи, KorallyС – юго-западная тропическая часть Фиджи, KorallyD – от 10° до 22° ю.ш., от 150° до 180° в.д. Изменения колец деревьев получены в трех северных областях Евразии [23] с координатами: Fennoscandia (62,5° N, 22,5° E) (F. Skandy), Jamal (62,5° N, 67,5° E), Avam-Taimyr (62,5° N, 105,5° E) (Taimyr).

При этом климатические изменения происходят за счет взаимодействия многих энергетических источников: барицентрического движения Солнца (Baricentr), солнечной активности и радиации, магнитного поля Земли и Солнца, вулканических извержений, парниковых газов, уровня моря и глобальной температуры, изменений приповерхностной температуры воздуха TPV и океана TPO [12] с изменениями исследуемых характеристик природных объектов, например: температуры океанов, континентов, мерзлоты и т. п. Эти взаимодействия происходят в фазо-частотной а1 и фазо-временной а2-областях.

Вейвлетные преобразования функций временных рядов f(t) в волновые функции a1 = φ(a, b̅ ), a2 = φ(a̅ , b)

Полезная информация, содержащаяся в изменениях многочисленных наблюдений f(t) гелиокосмических и климатических переменных в частотной и временной областях, извлекается путем преобразования временных рядов f(t) в два типа волновых функций а1 и а2: фазо-частотных и фазо-временных характеристик наблюдений. Эти преобразования возможны при использовании одномерного непрерывного вейвлет-преобразования cwt [6] с комплексным вейвлетом и получением комплексной матрицы W(a, b) с последующими вычислениями двух волновых функций а1 и а2. На графиках анализа волновых функций отражаются климатические изменения на Земле в интервале двух тысячелетий.

Матрица W(a, b) вейвлет-коэффициентов многомасштабной декомпозиции сигнала f(t), в которой a = (1:k) – задаваемый исследователем масштаб (уровень) используемого вейвлета, b – временной или пространственный интервал в одномерном непрерывном вейвлет-преобразовании cwt:

$W(a,b)={\int }_{R}f\left(t\right)a^{-\frac{1}{2}}\psi \left(\frac{t-b}{a}\right)dt,$ (1)

где $\psi \left(\frac{t-b}{a}\right)$ – комплексный вейвлет ‘cgau5’, необходимый для вычисления фаз (направленностей) изменений сигнала по частотам и в пространстве в каналах наблюдений, f(t) – одномерная функция времени гелиокосмических и климатических переменных.

Волновые фазовые характеристики а1 и а2 в Matlab вычисляются по формулам:

$\phi (a,b)=angle\left[W\left(a,b\right)\right], a1=\phi \left(a,\overline{b}\right), a2=-\phi \left(\overline{a},b\right)$ (2)

со знаками усреднений a̅ и b̅ [1]; знак минус в преобразовании a2 = –φ(a̅ , b) поставлен для сохранения направленности изменений f(t) и а2. В матрице φ(a, b) столбцы ранжированы по масштабам α вейвлета. Масштабам α вейвлета соответствуют частоты исследуемых f(t), b – время в f(t).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Анализ изменений глобального климата по наблюдениям в интервалах с 22, 1000, 1400, 1610 по 2000 г. и в индустриальное время за изменениями гелиокосмических и климатических переменных в Южном и Северном полушариях Земли с вычислениями их волновых функций а1 и а2

Исследованы относительные и согласованные изменения групп волновых функций а1 и а2 переменных, носителей информации об изменениях гелиокосмических и климатических переменных в фазо-частотной а1 и фазо-временной а2 областях в Южном и Северном полушариях Земли в продолжительное время наблюдений: парниковых газов CO₂, N₂O, CH₄ [18]; изменений колец деревьев в Северной Евразии [23] в новой эре; изменений изотопов Sr/Ca кернов кораллов на островах Фиджи в 1400–1983 гг. (Korally A, C, D) [17]; наблюдений составляющих магнитных полей Земли по интенсивности, наклонению и склонению [7] (MPZ); уровня моря и глобальной температуры влияниями вулканических извержений, парниковых газов в новой эре и Baricentr в 1000–2250, 1610–2000 годы.

Характеристики а1 и а2 исследуемых переменных получены при выбранных масштабах вейвлета М=1:2700 и М=1:1400 в вейвлет-преобразовании cwt, зависящих от интервалов наблюдений. Фазовые характеристики переменных в индустриальное время развития получены при М=1:1400. При этом выбор масштаба М вейвлета в преобразовании cwt (x, M,' cgau5'), где x – входной сигнал f(t) – должен быть таким, чтобы в выбранном интервале 1:M содержались все частоты исследуемой функции f(t).

Из перечисленных выше интервалов наблюдений характерны интервалы начиная с 1610 годов, так как автору известны графики изменений вулканических извержений с этих лет.

На графиках a и b рисунка 1 представлены относительные изменения фазовых характеристик а1 и а2 гелиокосмических и климатических переменных: Baricentr, солнечной активности (Sact), вулканических извержений (Vulkan), парниковых газов CO₂, N₂O, CH₄, уровня моря (yr. More) и глобальной температуры (Temp. gl.) в интервале наблюдений 1610–2000 годы. При этом изменения солнечной активности и вулканических извержений коррелированы с изменениями Baricentr со значениями 0,97, -0,60 в области а1 и с 0,80, 0,44 в области а2; парниковые газы коррелированы с изменениями Baricentr c коэффициентами 0,96, 0,49, 0,98 в области а1 и со значениями 0,92, 0,81, 0,94 в области а2; уровень моря и глобальная температура согласованы с изменениями Baricentr со значениями -0,08, -0,77 в области а1 и с коэффициентами 0,66, 0,02 в области а2.

Рисунок 1. a) и b) – графики относительных изменений фазо-частотных а1 и фазо-временных характеристик а2, волновых функций гелиокосмических и климатических переменных в интервале 1610–2000 годы; (c, e, g, i, k) и (d, f, h, j, l) – корреляции в бегущем окне интенсивности изменений групп переменных в фазовых областях а1 и а2 соответственно

Аналогично высоко согласованы изменения парниковых газов, уровня моря и глобальной температуры с коэффициентами │0,03÷0,96│ в области а1 и с коэффициентами │0,01÷0,96│ в области а2 с изменениями солнечной активности и вулканических извержений. В исследуемом интервале времени слабо согласованы изменения CH₄ и вулканические извержения, уровень моря и Sact в области а1, глобальная температура и Vulkan в области а2. В изменениях волновых характеристик а1 и а2 множества переменных наблюдается их запутанность, изменение их взаимовлияний в интервалах длительных наблюдений; согласованность и изменчивость групп переменности в частотной области в интервале выбранного масштаба М вейвлета.

Наименования сравниваемых групп приведены в названиях графиков. При этом группы коррелируют в окнах по 300 отсчетов в области а2 и в окнах по 200 отсчетов в области а1; в матрице корреляций Rcorr вычисляются средние mean по столбцам и максимумы max в строке Rcorr(mn(mx(A))), A – матрица исходных данных в заданном окне. На графиках рисунка выведены уравнения регрессии второго порядка – аппроксимации интенсивности влияния одних переменных на изменения других.

Установление закономерности относительных изменений групп переменных в интервалах наблюдений в фазовых областях производится вычислением корреляций между группами сравниваемых переменных в некотором окне в бегущем режиме. Графики относительных наиболее активных взаимодействий переменных из исследуемых в фазо-временной области а2 приведены на графиках d, f, h, j, l рисунка 1; на графиках c, e, g, i, k рисунка 1 приведены соответствующие взаимодействия между переменными в фазо-частотной области а1. Графики k и l получены при взаимодействии всех переменных из исследуемого множества в интервале 1610–2000 гг., значительно влияющих на изменения парниковых газов в атмосфере.

На графиках c ÷ l рисунка 1 отражена последовательность взаимодействий групп переменных: Baricentr – вулканы, вулканы – парниковые газы, парниковые газы – глобальная температура и уровень моря в областях а1 и а2.

Из графиков следует, что основными активными источниками выбросов парниковых газов в атмосферу, приводящими к росту глобальной температуры, являются естественные вулканические извержения на суше и дне океанов, взаимодействие вулканических извержений и атмосферной температуры с водами Мирового океана, а также активные взаимодействия солнечной активности и составляющих магнитных полей Земли по интенсивности, наклонению и склонению с вулканическими извержениями, уровнем моря и глобальной температурой.

Кривые аппроксимаций, регрессий взаимодействий групп переменных характеризуют интенсивность взаимодействий между группами переменных в областях а2 и а1, изменяющихся во временной и частотных областях, и описываются уравнениями регрессии второго порядка y = ±ax² ∓kx + c. В этом уравнении коэффициент k характеризует интенсивность взаимодействий групп переменных со знаками ±. Знак «минус» означает рост одной группы переменных при влиянии другой, знак «плюс» означает обратное влияние.

Значимость коэффициента k в уравнении регрессии проверяется с использованием F-критерия Фишера – Снедекора [6], при этом числа наблюдений n1 и n2 в бегущих окнах наблюдений равны: n1=200, n2=300.

На графиках фазовых характеристик а1 и а2 переменных, приведенных на рисунке 1 и в других статьях автора, отображаются согласованность и запутанность их изменений. Они характеризуют изменения переменных, сильно согласованных с изменениями барицентрических движений Солнца с положительными и отрицательными знаками, взаимовлияния, изменчивость согласованности переменных в областях а1 и а2, наблюдаемые на графиках с: l.

На графиках согласованности изменений групп переменных рисунка 1 отображается: а) что взаимодействие между разными группами в солнечно-земных связях в области а1 происходит по сформированным полосам частот с изменяющейся интенсивностью по частотам; наиболее интенсивные взаимодействия наблюдаются при взаимодействии вулканических извержений с изменениями уровня моря и глобальной температуры; б) в области фазо-временных характеристик а2 на графиках отображаются временные интервалы циклических убываний и роста одной группы переменных при изменении другой группы: рост вулканических извержений влиянием Baricentr, рост концентрации парниковых газов в атмосфере с изменениями вулканических извержений (Vulkan), активных влияний роста Vulkan и парниковых газов, солнечной активности и магнитных полей Земли на изменения уровня моря и глобальной температуры.

Анализом взаимодействия фазовых характеристик а2, приведенных на графиках рисунка 1, обнаруживается несимметричность климатических изменений в полушариях Земли, обусловленная взаимодействием планет Солнечной системы. На графиках рисунка 2 приведены результаты корреляционного взаимодействия главных энергетических характеристик климатической системы Земли и климатических характеристик Земли в разных полушариях: изменение температур, химических характеристик кораллов на островах Фиджи в Тихом океане [17] и динамики изменений колец деревьев в Северной Евразии: в Гренландии, на Ямале и Таймыре [23].

Рисунок 2. a) : h) – графики интенсивности корреляций энергетических характеристик климатической системы Земли: Baricentr, солнечной активности Земли Sact и составляющих магнитного поля Земли MPZ по наклонению и склонению с температурными изменениями кораллов на островах Фиджи Тихого океана и изменениями колец деревьев, температуры в Северной Евразии: Гренландии, на Ямале и Таймыре по наблюдениям в 1610–2000 годы

На графиках наблюдаются более интенсивные температурные изменения в Северной Евразии по сравнению с изменениями в Южном полушарии – на коралловых островах Фиджи Тихого океана. Эти отличия наиболее значительны при воздействии барицентрических движений Солнца в 4,67 раза, обусловленном взаимодействием планет Солнечной системы с Солнцем, определяющем движение Солнца в системе координат Солнечной системы.

Во взаимодействиях изучаемых переменных в области а2 наблюдаются интенсивные изменения уровней Мирового океана и Каспийского моря влияниями изменений Baricentr, солнечной активности, парниковых газов и глобальной температуры; графики таких изменений приведены на рисунке 3.

Рисунок 3. a), b) – графики интенсивности корреляции энергетических характеристик климатической системы Земли: Baricentr, солнечной активности (Sact), вулканических извержений (Vulkan), парниковых газов (PG): CO2, N2O, CH4 и глобальной температуры (Temp. gl.) с изменениями уровня моря (yr. More) и Каспийского моря (yr. Kaspy) соответственно c коэффициентами k1= -0,053 и k2= -0,049

На графиках рисунка 3 проявляются высокие следования изменений уровня Каспийского моря изменениям уровня Мирового океана и глобальной температуры при изменениях Baricentr, Sact, парниковых газов (PG).

На графиках рисунка 4 представлена интенсивность изменений температуры в Гренландии, на Ямале и Таймыре при изменениях парниковых газов (PG), трех составляющих магнитного поля Земли, изменений уровня моря и глобальной температуры по наблюдениям за этими переменными в 30–2000 годы с коэффициентами интенсивности k1= -0,0011, k2= -0,0006, k3= -0,0003, характеризующими различную интенсивность роста температуры в Северной Евразии влияниями разных природных факторов: парниковых газов, магнитного поля Земли, глобальной температуры и уровня моря соответственно.

Рисунок 4. Интенсивность изменений температуры в Северной Евразии (в Гренландии, на Ямале и Таймыре) влияниями изменений парниковых газов CO2, N2O, CH4, составляющих магнитного поля Земли, по интенсивности, наклонению и склонению, а также глобальной температуры и уровня Мирового океана по наблюдениям за переменными в 30–2000 годы

На графике а рисунка 4 рост температуры в Северной Евразии, вызванный изменениями парниковых газов в атмосфере, наблюдается с 1400-х годов. На графиках наблюдается различная интенсивность изменений температуры в Северной Евразии под влиянием парниковых газов, составляющих магнитное поле Земли, а также изменений уровня моря и глобальной температуры по данным наблюдений за переменными с 30-х годов новой эры по 2000-е годы (наиболее значительно влияние парниковых газов (PG)).

В изменении климата на Земле значительны влияния изменений Baricentr, Sact, Srad и MPZ на вулканические извержения Vulkan.

В таблице 1 приведены коэффициенты k интенсивности взаимодействия фазо-временных характеристик а2 вулканических извержений Vulkan [16] c изменениями характеристик а2 переменных Baricentr, Sact, Srad, MPZ и MMZ; парниковых газов, выбросов углекислого газа (CO₂A) и атмосферного CO₂ (CO₂B) [22] – с изменениями вулканических извержений; уровня моря [19; 20] и глобальной температуры – с изменениями Vulkan [16], парниковых газов, выбросов углекислого газа и атмосферного CO₂ [22]. В таблице 1 отражается глубокая связь изменений гелиокосмических переменных: Baricentr, Sact, Srad, MPZ, MMZ с изменениями вулканических извержений, парниковых газов в атмосфере, уровня моря и глобальной температуры; вулканических извержений (Vulkan) с изменениями группы парниковых газов CO₂, N₂O, CH₄ глобального выброса углекислого газа CO₂A и атмосферного CO₂B по наблюдениям за переменными в 1900–2000-е годы.

Таблица 1. Интенсивность взаимодействий гелиокосмических переменных, вулканических извержений, парниковых газов, углекислого газа, уровня моря и глобальной температуры по наблюдениям за переменными в 1900–2000 годы

При этом коэффициенты интенсивности взаимодействий Baricentr, Sacr, Srad, MPZ с изменениями парниковых газов CO₂, N₂О, CH₄ глобальных выбросов углекислого газа и атмосферного CO₂ меньше k = -0,248. Это означает, что главным источником парниковых газов в атмосфере являются вулканические извержения. Характерно то, что в наблюдаемом интервале времени все коэффициенты интенсивности изменений переменных отрицательные – продолжается относительный рост переменных.

В таблице 1 также приводится значительный рост уровня моря и глобальной температуры под влиянием роста вулканических извержений и концентрации парниковых газов в атмосфере.

Значительны влияние магнитного момента и магнитного поля Земли на интенсивность вулканических извержений. Влияние последних на выбросы углекислого газа и рост его концентрации в атмосфере способствуют росту уровня моря и глобальной температуры. Эти взаимосвязанные изменения приведены на графиках рисунка 5. Интенсивность этих взаимодействий приведена в уравнениях аппроксимаций, регрессий кривых взаимовлияний. Рост кривых интенсивности взаимодействия между группами на графиках a, b, c рисунка 5 начинается с 1950, 1952, 1962 годов.

Рисунок 5. Графики: а) изменений вулканических извержений влияниями магнитного момента и магнитного поля Земли; b) выбросов углекислого газа и атмосферного углерода влияниями вулканических извержений; c) роста уровня моря и глобальной температуры влияниями выбросов CO2 и атмосферного углекислого газа в интервале 1900–2000 годы

На графиках проявляются запаздывания роста концентраций парниковых газов в атмосфере росту вулканических извержений под влиянием магнитосферы Земли, запаздывание роста уровня моря и глобальной температуры росту концентрации парниковых газов в атмосфере под влиянием вулканических извержений.

На графиках отображаются изменения интенсивности взаимодействия двух пар климатических переменных: барицентрических движений Солнца и вулканических извержений, а также вулканических извержений и теплосодержания Мирового океана в наблюдаемом интервале времени. Значения коэффициентов k1 = 0,906 и k2 = -1,005 в уравнениях аппроксимаций кривых отражают средние значения изменений интенсивности взаимодействий переменных.

Характерным в изменениях интенсивности взаимодействия климатических переменных, полученных по наблюдениям с 1900-х годов, по сравнению с характеристиками, полученными на графиках рисунка 1, с 1610-х годов до современности является то, что коэффициенты интенсивности взаимодействия между переменными становятся значительными, что является характеристикой климатических изменений во времени.

В таблице 2 заметны отличия, значимости и неравномерные влияния факторов действия на изменчивость главных переменных в климатических изменениях. Отличаются высокие отклики Южного и Атлантического океанов на воздействия солнечной радиации, вулканические извержения, CO₂, магнитных полей Земли и изменений температур TPV и TPO, в отличие от откликов Мирового, Индийского и Тихого океанов на те же действующие факторы. Наблюдаются значительные отклики всех пяти океанов на воздействие солнечной активности и барицентрические движения Солнца. Все эти показатели обусловлены установившимися солнечно-земными связями в системе климатических изменений Земли.

Таблица 2. Характеристики интенсивности температурных изменений до 700 метров поверхности океанов влияниями гелиокосмических и климатических переменных по наблюдениям за переменными в 1970–2012 годы

Примечание: знак «минус» в таблице означает рост температуры океана влиянием фактора, знак «плюс» – уменьшение температуры.

В таблице 3 представлены интенсивные изменения координат Северного полюса Земли и скорости изменения магнитного полюса Земли, а также землетрясений и вулканических извержений под влиянием гелиокосмических и климатических переменных. Эта же интенсивность изменений пар или групп переменных может быть пояснена взаимовлиянием групп переменных. Например, рост интенсивности вулканических извержений и землетрясений под влиянием изменений координат Северного полюса Земли и скорости движения магнитного полюса Земли G(1:2).

Таблица 3. Интенсивность изменений географических координат северного полюса Земли, скорости движения магнитного полюса (G(1:2)), землетрясений и вулканических извержений под влиянием гелиокосмических и климатических переменных

Взаимовлияние интенсивности изменений пар и групп переменных, землетрясения и вулканические извержения обусловлены изменениями барицентрических движений Солнца, солнечной активности и радиации, вулканическими извержениями с соответствующими выбросами углекислого газа CO₂A, атмосферного CO₂B, магнитных полей Земли MPZ (1:3), глобальной температуры и уровня моря и многих других связующих факторов, возникающих в солнечно-земных связях.

Характерна интенсивность взаимовлияния потоков, накапливаемых в природных средах энергии в полушариях Земли по наблюдениям в 1900–2000 годы.

На графиках в интервале 1911–1942 годы наблюдаются изменения температуры в кораллах Тихого океана в Южном полушарии и Северной Евразии в противофазах, более интенсивные изменения температуры в Северной Евразии, обусловленные разными влияниями гелиокосмических и климатических переменных, расположением крупных планет и Земли относительно Солнца на температурные изменения в разных широтах Земли. Такие же закономерности климатических изменений в полушариях Земли получены и по продолжительным наблюдениям климатических переменных в полушариях.

В таблице наблюдается мозаичность изменений температур на континентах влияниями действующих факторов, обусловленная установившимися солнечно-земными связями; значительны влияния всех факторов, приведенных в таблице, менее значимы изменения приповерхностной температуры воздуха TPV и температуры поверхности океана TPO по сравнению с изменениями других переменных.

Таблица 4. Интенсивность взаимодействия температур на континентах с изменениями гелиокосмических и климатических переменных по наблюдениям в 1900–2000 годы

На графиках также наблюдается запутанность изменений переменных с переходом их изменений в синхронный режим на графиках изменений температур на континентах после 1980-х годов, а также следование изменений всех переменных изменениям барицентрических движений Солнца.

Следует заметить, что вычислением интенсивности взаимовлияний пар или групп переменных в фазо-частотном а1 и фазо-временной а2 областях могут быть оценены силы взаимовлияния сравниваемых групп переменных по их наблюдениям во временном интервале, а также оценена полоса частот и интенсивность взаимодействий переменных в частотной области.

Рисунок 6. Графики интенсивности изменений вулканических извержений влиянием переменной Baricentr и теплосодержания океана в 700-метровом слое влиянием вулканических извержений в фазо-временной области а2 по наблюдениям в 1955–2010 гг. Вейвлет-характеристики а2 переменных получены при масштабе M = 800 вейвлета ‘cgau5’

Рисунок 7. Графики интенсивности изменений температуры кораллов на островах Фиджи Тихого океана и Северной Евразии (в Гренландии, на Ямале и Таймыре) изменениями глобальной температуры и уровня моря по наблюдениям в 1900–2000 годы; приведены уравнения аппроксимаций с коэффициентами интенсивностей k1 = -0,80 и k2 = -0,93

Рисунок 8. Графики фазо-временных характеристик а2 изменений температур поверхностей океанов в интервале времени 1970–2012 годы и температур на континентах в интервале времени 1900–2000 годы, а также Baricentr и глобальной температуры Temp. gl.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Вычислением вейвлетных фазо-частотных а1 и фазо-временных а2 характеристик, волновых функций гелиокосмических и климатических переменных в частотной и временной областях, полученных по наблюдениям в 30–2000, 1000–2250, 1610–2000 годы и в индустриальное время наблюдений, вычислением коэффициентов интенсивности взаимовлияния сравниваемых пар или групп переменных получены следующие результаты:

1. Траектории множеств направленных изменений вейвлетных волновых функций а1 и а2, фазовых характеристик исследуемых переменных в наблюдаемом интервале времени в интервале ±π являются результатом взаимодействия множества гелиокосмических и климатических переменных. Изменения этих траекторий во временной области характеризуют изменение глобального климата.
2. Взаимодействие групп переменных происходит формированием полос частот взаимодействующих факторов по интенсивности и ширине частот. При этом в фазо-временной области а2 в наблюдаемом интервале времени наблюдается изменение интенсивности взаимодействующих переменных. В уравнении регрессии второго порядка аппроксимации кривой взаимодействий отражается коэффициент k интенсивности процесса.
3. При температурных изменениях в Северной Евразии и на островах Фиджи Тихого океана с изменениями, например, барицентрических движений Солнца, коэффициент интенсивности k2 между изменениями температуры Северной Евразии и Baricentr превышает значение k2 интенсивности изменений температур в кораллах и изменений Baricentr в несколько раз. Аналогично согласованы изменения температуры в северном и южном полушариях, в Арктике и Антарктиде с изменениями Baricentr, подтверждающие более интенсивные процессы, происходящие в северном полушарии по сравнению с процессами, происходящими в южном полушарии, обусловленные строением Солнечной системы.
4. Наблюдаются значительные связи изменений вулканических извержений и землетрясений, изменений географических полюсов Земли и скорости изменений магнитных полюсов Земли с изменениями гелиокосмических переменных: Baricentr, солнечной активности и радиации, магнитного поля Земли, изменениями глобальной температуры и уровня моря, с изменчивостью скорости вращения Земли; значительна интенсивность выбросов парниковых газов и их концентрации в атмосфере с вулканическими извержениями, влияниями тех же гелиокосмических факторов и факторов, происходящих на Земле.
5. Наблюдается рост теплосодержания океана в 700-метровом слое и общего содержания озона (ОСО) в атмосфере, обусловленный ростом интенсивности вулканических извержений, гелиокосмических и климатических переменных, характеризующих множественные связи между переменными.
6. Установлены глубокие связи температурных изменений мировых океанов и континентов, обусловленных изменениями скорости вращения Земли, движениями Baricentr, изменениями Sact. Srad, магнитного поля Земли и Солнца, концентраций в атмосфере парниковых газов, уровня моря и глобальной температуры, множества солнечно-земных связей.
7. Реализовано представление наблюдений климатических и гелиокосмических переменных в две волновые функции в частотной и временной областях, позволяющее установить интенсивность изменений одной части сравниваемых переменных под влиянием другой в частотной и временной областях и в географических координатах. Это позволяет установить глубокие взаимосвязи и различия в множественных изменениях гелиокосмических и климатических переменных по времени и в пространстве, обусловленные строением солнечной системы.

About the authors

Valery I. Alekseev

Author for correspondence.
Email: v.alekseev.vi@mail.ru

Doctor of Engineering Science, independent researcher

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Figure 1. a) and b) – plots of relative changes in phase-frequency (a1) and phase-time (a2) characteristics of the wave functions of heliospace and climate variables over the period 1610–2000; (c, e, g, i, k) and (d, f, h, j, l) – moving-window correlations of the intensity of changes in variable groups within phase domains a1 and a2, respectively.

Download (659KB)

Indexing metadata

3. Figure 2 (a–h): Plots showing the strength of correlations between energy characteristics of the Earth's climate system—specifically the Earth's barycenter, solar activity ($S_{act}$), and Earth's magnetic field components (inclination and declination)—and temperature variations derived from corals on the Fiji Islands (Pacific Ocean) and tree-ring and temperature data from Northern Eurasia (Greenland, Yamal, and Taymyr) based on observations from 1610 to 2000.

Download (482KB)

Indexing metadata

4. Figure 3. a), b) – graphs showing the correlation intensity between the energy characteristics of the Earth's climate system—barycenter (Baricentr), solar activity (Sact), volcanic eruptions (Vulkan), and greenhouse gases (PG: CO2, N2O, CH4)—and global temperature (Temp. gl.) versus changes in global sea level (yr. More) and the level of the Caspian Sea (yr. Kaspy), respectively, with coefficients k1 = -0.053 and k2 = -0.049.

Download (117KB)

Indexing metadata

5. Figure 4. Rate of temperature change in Northern Eurasia (Greenland, Yamal, and Taymyr) driven by changes in greenhouse gases (CO2, N2O, CH4), Earth's magnetic field components (intensity, inclination, and declination), global temperature, and global sea level, based on observational data from 30 to 2000 AD.

Download (154KB)

Indexing metadata

6. Figure 5. Graphs showing: a) changes in volcanic eruptions influenced by the Earth's magnetic moment and magnetic field; b) carbon dioxide and atmospheric carbon emissions resulting from volcanic eruptions; c) the rise in sea level and global temperature driven by CO2 and atmospheric carbon dioxide emissions during the period 1900–2000.

Download (118KB)

Indexing metadata

7. Figure 6. Plots showing the intensity of changes in volcanic eruptions as influenced by the ‘Baricentr’ variable and ocean heat content in the 700-meter layer, within the phase-time domain a2, based on observations from 1955–2010. The a2 wavelet characteristics of the variables were obtained using the ‘cgau5’ wavelet at a scale of M = 800.

Download (94KB)

Indexing metadata

8. Figure 7. Graphs showing the rate of coral temperature changes in the Fiji Islands (Pacific Ocean) and Northern Eurasia (Greenland, Yamal, and Taymyr) in relation to global temperature and sea-level changes based on observations from 1900 to 2000; approximation equations are provided with intensity coefficients k1 = -0.80 and k2 = -0.93.

Download (114KB)

Indexing metadata

9. Figure 8. Plots of phase-time characteristics (a2) for ocean surface temperature changes (1970–2012) and continental temperature changes (1900–2000), as well as for Baricentr and global temperature (Temp. gl.).

Download (170KB)

Indexing metadata