22660 (К вопросу об учете эффектов причинной механики в геофизических задачах)

К вопросу об учете эффектов причинной механики в геофизических задачах

Арушанов Михаил Львович, Горячев Анатолий Михайлович

Учет эффектов причинной механики [12,13] в геофизических задачах позволяет объяснить ряд феноменов, не нашедших объяснения с классических позиций. На основании учета эффектов причинной механики в гидродинамических моделях дано строгое объяснение особенностям распределения геофизических полей, неподдающиеся физическому обоснованию в рамках классической механики.

Впервые в мировой практике показано, что введение силы причинности в простую баротропную гидродинамическую модель прогноза погоды приводит к результатам, которые, с одной стороны, в принципе не могут быть описаны с позиций классической гидротермодинамики, с другой стороны, к реально существующей в природе картине.

Предисловие

Гидрометеорология, и в целом геофизика, как один из разделов прикладной физики, концептуально всецело зависит от идеологии, сложившейся в результате теоретических и экспериментальных исследований в фундаментальной физике. Обратное влияние почти отсутствует, в результате исследователи-геофизики рассматривают свой круг задач только, как частные применения давно устоявшихся (в случае гидрометеорологии – более ста лет назад) физических теорий в конкретной естественной обстановке. Вся геофизическая специфика сводится к сложности естественных систем, неполноте информации о них и, как правило, к невозможности активного эксперимента, т.е. в замене эксперимента, в физическом понимании этого слова, пассивным наблюдением. Отсутствие обратной связи приводит к большой инерционности геофизики к восприятию круга новых общих концепций фундаментальной физики. Конечно, не всякая новая общефизическая идея должна обязательно оказать какое-либо влияние на геофизику. Тем не менее, трудно дать универсальный, отрицательный ответ, не проведя в каждом конкретном случае работу по проверке того, что дает некоторая новая (обычно не общепринятая, а иногда неудовлетворительно формализованная) физическая идея в конкретных, геофизических условиях.

С другой стороны, во многих разделах геофизики, и в гидрометеорологии в частности, сложился определенный набор фактов, не поддающихся объяснению в рамках принятой парадигмы. Простой пример, – почему Северное полушарие теплее Южного? Этот и другие подобные вопросы обычно “обходят” в триумфальном марше гидрометеорологии, основанном на технологическом, но отнюдь не идейном прогрессе. На упомянутый вопрос, либо не отвечают вообще, либо делают невнятную ссылку на нелинейность взаимодействия океан-атмосфера. Между тем, учет этой нелинейности ведет к выводу о том, что океаническое (Южное) полушарие должно быть теплее континентального (Северного) – в диаметральном противоречии с наблюдаемым фактом. В сравнении с другими разделами прикладной физики – астрофизикой, биофизикой и др., именно в геофизике общеупотребительная парадигма наиболее консервативна и, как следствие, все чаще не способна ответить на вызовы современности. Предполагаемая вниманию работа представляет важный шаг по выходу на новый уровень понимания атмосферных процессов за счет приложения идей нового физического направления – причинной механики к Земле, как естественной диссипативной гироскопической системе.

Судьба самой причинной механики, как и ее основателя – российского астрофизика Николая Александровича Козырева сложилась драматично. Ее идеи возникли в поисках ответа на коренные проблемы астрофизики и затрагивают наиболее фундаментальную физическую проблему природы времени. Замечательно, что эти идеи не остаются умозрительными, а приводят к вполне конкретным, проверяемым в эксперименте, следствиям. Но первой государственной наградой их автору были 10 лет лагерей, причем, к стандартным для всех порядочных людей обвинениям в антисоветской деятельности, было еще добавлено “вредительство в области звездной астрономии”.

Н. А. Козырев оказался единственным из оказавшейся в сталинских застенках, плеяды пулковских астрофизиков, сумевших выжить. Выжить не сломленным, защитившим через 2 месяца (!!!) после освобождения докторскую диссертацию, посвященную, по существу, астрофизическому введению в причинную механику. После этого им были построены основы теории причинной механики, основной постулат которой прост – наблюдаемая асимметрия времени есть свойство самого времени, а не частных систем. Из теории следовало, как одно из самых простых следствий, существование в диссипативной гироскопической системе сил, направленных вдоль оси вращения, которые были названы силами причинности. Серия лабораторных экспериментов подтвердила существование этих сил и позволила Н. А. Козыреву далее поставить исследование более сложных следствий теории, касающихся принципиально нового типа взаимодействия диссипативных процессов.

В данной работе рассматривается из множества явлений, предсказываемых причинной механикой, только сила причинности. Это совершенно оправдано, поскольку именно этот эффект допускает ясную полуклассическую трактовку, не вызывающую принципиальных затруднений в приложении к достаточно сложной естественной системе. Результаты оказываются важными, как для понимания физики атмосферы, так и для практических прогностических приложений. Авторам удалось получить ответы на ряд принципиальных вопросов формирования атмосферной циркуляции и климата, показать, каким образом сила причинности включается в систему уравнений гидродинамики и в модели численного прогноза. Получен вывод, что такое расширение уравнений практически наиболее важно именно для долгосрочных прогнозов погоды. Есть все основания думать, что развитие этих работ сыграет серьезную роль, как в теоретической, так и в практической метеорологии. С другой стороны, полученные результаты представляют интерес и для исследователей в фундаментальной физике, представляя хороший пример проверки новых физических идей в условиях натурного эксперимента.

Все это касается результатов приложения лишь одной из граней причинной механики. В целом же, в последние годы обнаружена удивительная конвергенция результатов трех физических направлений, зародившихся и долгие годы развивавшихся независимо: причинной механики, теории прямого межчастичного взаимодействия и квантовой нелокальности. Предельно коротко намечающая картина такова. Необратимость (диссипативность) процессов может не только вести к декогеренции и разрушению квантовых нелокальных корреляций, но в определенных условиях, напротив, играть конструктивную роль. В этом случае квантовые корреляции выходят на макроуровень, проявляясь, как новый тип взаимодействия диссипативных процессов. Это взаимодействие принципиально отличается от всех известных, именно нелокальностью, отличается настолько, что в англоязычной литературе вместо термина interaction предпочитают иной термин – transaction. У этого взаимодействия отсутствуют локальные переносчики (бозоны), его осуществляет комбинация запаздывающего и опережающего полей прямого межчастичного взаимодействия. Асимметрия времени (основной постулат причинной механики) выражается через асимметрию поглощения запаздывающего и опережающего полей: запаздывающее поглощается полностью, опережающее – нет. В итоге, опережающее поле неконтролируемых (естественных) диссипативных процессов – источников, оказывается, наблюдаемо через опережающую реакцию пробных диссипативных процессов. Этот вывод недавно был подтвержден в эксперименте. В частности, наблюдалась реакция пробных процессов – детекторов на процессы синоптической активности с опережением до 3 месяцев. Поэтому, будущие приложения причинной механики в метеорологии могут быть еще более важны.

Думается, что данная работа послужит стимулом для новых идей и исследований.

Заведующий лабораторией Института геоэлектромагнитных исследований РАН, доктор физикоматематических наук, профессор С. М. Коротаев.

Несмотря на современный высокий научный и технический потенциал в геофизике определился довольно обширный ряд фактов, не объясненных с обычных позиций. Действительно, геоид в третьем приближении имеет вид кардиоидального эллипсоида со впадиной на Южном полюсе и поднятием на Северном. Коэффициент асимметрии h ~ 105 [25]. Математически этот факт формулируется следующим образом. В разложении гравитационного потенциала (по данным траектории полета искусственных спутников Земли) в ряд по полиномам Лежандра

, (1)

где G–постоянная, входящая в закон всемирного тяготения, M–масса Земли, r–радиус круга с центром в начале координат, дополнение до широты, коэффициент J3 при несимметричном относительно направления северюг полиноме P3 оказывается отрицательным и не слишком малым (J2=10826· 107; J3= 24· 107 – E. Кодзай, 1969 [27]; J2=10821· 107; J3 = 23· 107– М. Л. Арушанов, 2000 [3]).

На Северном полюсе ( ) потенциал V за счет этого члена несколько увеличивается, а на Южном ( =p) уменьшается. Таким образом, геоид несимметричен относительно плоскости экватора. Вряд ли это можно объяснить случайной концентрацией масс в северном полушарии, так как после обнаружения асимметрии в фигурах других планет [12] стало ясно, что она вызывается некоторыми закономерными асимметричными силами, действующими вдоль оси вращения. При этом оказалось, что коэффициент асимметрии прямо связан со скоростью вращения планеты. Однако в классической механике отсутствуют связанные с вращением асимметричные силы.

Зональное распределение суши и моря также асимметрично [22] и характеризуется кардиоидой обратной геодезической. Известно [9], что это распределение несмотря на процессы дрейфа материков и перемещения полюса при осреднении за период времени порядка сотен млн. лет, в целом сохранилось.

В атмосфере наблюдается тепловая асимметрия полушарий: северное полушарие на » 3о теплее южного [21], асимметрия внутритропической зоны конвергенции (ВЗК) и другие показатели асимметрии.

В конце 50х годов вышла книга крупнейшего астрофизика Н. А. Козырева “Причинная или несимметричная механика в линейном приближении” [12]. Механика Н.А. Козырева вызвала большой резонанс в научных кругах, но, в целом, из-за ряда положений, неукладывающихся в рамки парадигмы существующей физики, негативную реакцию. Однако в конце 80х, начале 90х годов ряд положений причинной механики был успешно подтвержден экспериментально М. М. Лаврентьевым с сотрудниками [16,17,18] и японскими [24] физиками. Один из основных выводов причинной механики, подтвержденный экспериментально – это то, что в гироскопической системе при определенных условиях возникает дополнительная сила, действующая вдоль оси гироскопа и названная Козыревым силой причинности [12,13]:

, (2)

где u – линейная скорость вращения гироскопа, угол между ортом , определяющим направление силы действия одной материальной точки на другую в гироскопической системе и ортом вращения гироскопа , С2 = ac, где a постоянная тонкой структуры Зоммерфельда, с скорость света в вакууме.

В работе [23], рассматривая планету как гироскопическую систему, нами получено выражение для козыревской силы применительно к Земле и атмосфере, зависящей от широты:

. (3)

В соответствии с теорией причинной механики, рассматриваемая сила имеет противоположный знак для причин и следствий. Качественные соображения указывают, что причину и следствие можно определить по направлению потока свободной энергии: поток энергии всегда направлен от причины к следствию. Твердое тело Земли отдает тепло в окружающее пространство. Следовательно, его можно считать находящимся в “области причин”. Рассматривая же систему, Земля атмосфера, аналогичным образом приходим к выводу, что атмосфера находится в “области следствий”. Эти качественные соображения были подтверждены количественно с использованием аппарата причинного анализа [1,2,14]. Для этого был рассмотрен радиационный баланс системы Земля-атмосфера, а именно, эффективное излучение Земли и собственное излучение атмосферы в направлении земной поверхности. Результаты причинного анализа (энтропийные параметры) “излучение Земли–противоизлучение атмосферы” (a=H(Y)/H(X)=0,541; b=H(Y/X)/H(X/Y) =0,421; ix½ y= H(X/Y)/H(X) =0,616; iy½ x=H(Y/X)/H(Y)=0,792; ¡ =iy½ x/ix½ y=0,777, где H(Y), H(X), H(Y/X), H(X/Y) – безусловные и условные энтропии процессов X, Y соответственно) показывают, что параметр причинности ¡ эффективного излучения земной поверхности и противоизлучения атмосферы меньше единицы, т.е. попадает на энтропийной диаграмме [1,2,14] в область “нормальной причинности”. Этот результат совпадает с феноменологическим представлением о направленности причинно-следственной зависимости в системе Земля – атмосфера. Таким образом в (3) берется со своим знаком для Земли и обратным для атмосферы.

Расчеты силы по формуле (3) оказались в хорошем согласии с прямыми ее измерениями, выполненными Н. А. Козыревым [12,13].

В физике Земли и атмосферы вертикальные и горизонтальные силы играют различную роль. Поэтому были рассмотрены отдельно горизонтальная Qj и вертикальная Qr компоненты силы причинности :

(4)

(5)

В геологическом масштабе времени результат действия этих сил можно выразить через их дивергенции:

, (6)

(7)