научная статья по теме ПРОЯВЛЕНИЕ ЦИКЛИЧЕСКОЙ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ В ПАЛЕОКЛИМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРАХ 100 150 МЛН ЛЕТ НАЗАД Геофизика

Текст научной статьи на тему «ПРОЯВЛЕНИЕ ЦИКЛИЧЕСКОЙ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ В ПАЛЕОКЛИМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРАХ 100 150 МЛН ЛЕТ НАЗАД»

ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2015, том 55, № 5, с. 579-586

УДК 551.590.2

ПРОЯВЛЕНИЕ ЦИКЛИЧЕСКОМ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ В ПАЛЕОКЛИМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРАХ ~100—150 МЛН ЛЕТ НАЗАД

© 2015 г. В. А. Дергачев1, |О. М. Распогов|2, М. И. Тясто2, П. Б. Дмитриев1, В. С. ИсМагилов2, Е. Э. Благовещенская2

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, Санкт-Петербург 2Санкт-Петербургский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН, Санкт-Петербург e-mail: v.dergachev@mail.iojfe.ru,

e-mail: mtyasto@mail.ru Поступила в редакцию 07.05.2015 г.

Проведено исследование палеоклиматических данных с высоким временным разрешением (изменение ширины ежегодного прироста колец ископаемых окаменевших деревьев) на временном интервале до сотен миллионов лет с целью выявления квазипериодических изменений в значениях параметров климатических процессов. Показано, что обнаруженные периодичности схожи во многих случаях с цикличностью солнечной активности, наблюдаемой в настоящее время. Это обстоятельство свидетельствует о влиянии солнечной активности на климатические процессы и окружающую среду безотносительно к тому, менялись или оставались постоянными климатические условия в течение рассматриваемого интервала времени.

DOI: 10.7868/S0016794015050053

1. ВВЕДЕНИЕ

Особенности климатических изменений в последние десятилетия побуждают искать механизмы влияния солнечной активности на климат Земли с целью его прогнозирования и стимулируют интерес исследователей к изучению изменений климата в прошлом.

В настоящее время палеоклиматическая информация, которую можно получить из данных ширины колец ежегодного прироста ископаемых деревьев или из данных ежегодных слоистых отложений, является важным источником для исследования не только изменений климата прошлых эпох, но и эволюции солнечной активности в древности. В ряде работ было показано, что в палеоклиматических данных часто выявляются периодичности, которые можно сопоставить с современной цикличностью солнечной активности [например, Дергачев, 2006; Дергачев и др., 2007; Распопов и др., 2013: Яа8ророу й а1., 2010; Яа8ророу, 2011].

В данной работе проводится исследование по поиску скрытых периодичностей в вариациях ширины колец радиального прироста ископаемых окаменевших деревьев, обнаруженных в Антарктиде, которые произрастали ~100—150 млн лет назад. Эти ископаемые окаменевшие деревья были найдены в районе Антарктического полуост-

рова и острова Александра у западного побережья Антарктиды. Их время роста относится к средне-меловому и ранне-третичному периодам [Howe, 2003; Frances, 1980].

2. КЛИМАТИЧЕСКИЕ ВАРИАЦИИ

В АНТАРКТИКЕ ~100 МЛН ЛЕТ НАЗАД

Источником информации о палеоклиматических вариациях послужила ширина колец прироста ископаемых окаменевших деревьев, которые были обнаружены в осадочных породах мелового периода (74—144 млн лет назад) на острове Александра в Антарктиде (Triton Point Formation, Fossil Bluff Group), причем отдельные деревья были найдены в первоначальном вертикальном положении, которое они занимали в период роста [Howe, 2003]. Остров Александра расположен у западного побережья Антарктического полуострова.

На рисунке 1 (верхний рисунок) показано положение Антарктического континента и острова Александра, расположенного вблизи западного побережья Антарктического полуострова на широте ~70° S и долготе ~70° W, а на нижнем рисунке приведена реконструкция палеографии южного полушария в ранне-меловой период (119 млн лет назад), показывающая положение острова Александра и Антарктического полуострова на палео-

✓ Antartic v''

Peninsula

-L

/ ' ■ East

/ ( , Antartica

Alexander , - Ellsworth land

island j • a e\ M

/ 1 )4 /

/ \ S

Thurston ¿у, >,

island

60° W

деревьев, папоротников, ангиосперм, кустарников и трав. То, что температура окружающей среды была достаточной для роста растительного сообщества свидетельствует, в частности, размер и морфология ископаемых листьев. Для роста деревьев в полярных широтах, кроме тепла, необходимы еще такие свойства, как фотопериодичный экотип, более высокая скорость камбиальной активности во время летнего сезона роста и соответствующая структура кроны для оптимального перехвата солнечной радиации, когда Солнце находится низко над горизонтом [Howe, 2003: Frances, 1986]. То обстоятельство, что в ископаемых деревьях сохранилась четкая кольцевая структура, показывает, что окружающая среда была благоприятной для роста деревьев, климат был сезонным, достаточно влажным и теплым. Следует отметить, что условия в полярных областях являются основополагающими для глобальных процессов в атмосфере и океане, т.е. для всей глобальной системы климата. Поэтому особую актуальность в настоящее время принимает исследование кольцевой структуры образцов ископаемых деревьев, найденных в области пиков юго-восточной части острова Александра и в районе Антарктического полуострова.

3. МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ПАЛЕОДАННЫХ

Поиск скрытых периодичностей во временной структуре исходных данных осуществляется в рамках классической постановки задачи о выявлении скрытой периодичности [Серебренников и Первозванский, 1965], в которой предполагается, что исходный сигнал состоит их полигармонического и шумового компонентов:

Рис. 1. а — Антарктический континент и остров Александра, западное побережье Антарктического полуострова (верхний рисунок); б — реконструкция палеографии южного полушария в ранне-меловой период (119 млн лет назад), показывающая положение острова Александра на палеошироте ~70° 8 (нижний рисунок) согласно ^а^ет е! а1., 1985]).

широте 70° S. В настоящее время Антарктический полуостров покрыт льдом, в то время как в средне-меловой и ранне-третичный период климат был значительно теплее, чем сейчас [Howe, 2003; Frence, 1986]. Среднегодовая температура, например, в Альбский век в конце ранне-мелового периода (~100 млн лет назад) оценивается между 10 и 20°C [Parrish et al., 1998; Howe, 2003; Frence, 1986]. В это время леса в Антарктике росли в условиях глобального потепления на палео-широтах 69°—75° S. Эти леса состояли из разнообразной растительности, в том числе из хвойных

k=1

X(t) = £ Ak cosl 11 + Bk sinl ^t | + n(t)

Tk

2n

Tk

или X(t) = £ Rk cos I t - 9k | + n(t)

k=1

2 к.

Tk

- где Як = д/АI + Б2к, фк = аг^(Бк/Ак), а под и(0 обычно подразумевают "белый" шум. В этом случае целью исследования становится нахождение значений 3v неизвестных параметров: Ак, Вк, Тк, где к = 1, 2, 3,..., V; которое осуществляется в два этапа: на первом определяется величина V — число квазипериодов, и их значения Тк (выполняется методом построения комбинированной спектральной периодограммы (КСП) [Дмитриев и др., 2006; Распопов и др. 2013]), а на втором, при известном числе V, осуществляется оценка амплитуд Ак, Вк и их доверительных интервалов путем решения избыточной системы условных линейных уравнений методом наименьших квадра-

а

V

V

тов [Агекян, 1972]. Затем значения параметров Ak, Bk и их стандартов для удобства физической интерпретации результатов пересчитываются по приведенным выше тригонометрическим формулам и выражению для переноса ошибок к значениям параметров Rk, фк и их стандартов.

Суть КСП метода кратко заключается в следующем: выборочная оценка нормированной спектральной плотности [Дженкинс и Ваттс, 1972] для исходного временного ряда вычисляется в зависимости не от частоты, а от "пробного" периода. Затем исходный ряд подвергается высокочастотной фильтрации [Alavi and Jenkins, 1965] с заданной частотой "среза" фильтра на половине мощности сигнала, которой во временной области соответствует величина "разделительного" периода Тф, и для каждого отфильтрованного со своим конкретным значением параметра Тф высокочастотного компонента (ВЧК) снова вычисляется выборочная оценка нормированной спектральной плотности от периода.

В нашем случае в зависимости от длины ряда данных (числа экспериментальных точек одного образца) для высокочастотной фильтрации используется два набора значений параметра Тф: для коротких временных рядов полагается Тф = 5, 7, 11, 13 лет, для более длинных Тф = 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23 года. Все эти оценки, вычисленные для различных значений параметра Тф, накладываются друг на друга на одном и том же поле графика, образуя КСП. Преимущества и недостатки этого метода по сравнению с классическим построением спектра мощности более полно рассмотрены в работах [Дмитриев и др., 2006; Драневич и др., 2009], здесь же кратко можно отметить, что этот метод позволяет исследовать стабильность положения выявленного периода на периодограмме за счет устранения из исходного ряда тренда и более мощных низкочастотных составляющих, которые дают основной вклад в дисперсию сигнала. Достоверность выявленных периодов определяется на втором этапе обработки данных по доверительным оценкам соответствующих амплитуд и фаз полигармонической модели сигнала, т.е. ее достоверностью.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Рассмотрим, какие значения скрытых перио-дичностей и их доверительных интервалов можно обнаружить при применении выше описанной методики обработки временных рядов в вариациях ширины колец радиального прироста ископаемых окаменевших деревьев, произраставших в Антарктиде ~100—150 млн лет назад.

На рисунке 2 представлены вариации ширины колец окаменевших деревьев из юго-восточной

Таблица 1. Значения параметров и их стандартов полигармонической модели сигнала, вычисленные для вариаций ширины колец пяти образцов ископаемых окаменевших деревьев, обнаруженных в осадочных породах мелового периода (74—144 млн лет назад) в Антарктиде на острове Александра (первые три образца) и на Антарктическом полуострове, расположенном у западного побережья (последние два образца)

Образец Период, R ± t OR Ф ± =

год мм град. дуги

KG 4937.1 5 0.33 ± 0.11 38 ± 19

15 0.79 ± 0.11 28.0 ± 8.2

KG 4940.19 6 0.29 ± 0.15 175 ± 31

20 0.68 ± 0.15 235 ± 13

KG 1702.6 4 0.14 ± 0.11 314 ± 47

7 0.18 ± 0.11 255 ± 36

34 0.18 ± 0.11 164 ± 36

4774 7 0.199 ± 0.052 130 ± 15

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком