Введение к работе
Актуальность проблемы. Вопрос причинности событий, являющийся главенствующим в акте познания механизма физических процессов вообще, а геофизических, в частности, до настоящего времени остается открытым и рассматривается практически на интуитивном уровне исследователя. Эта проблема прямо связана с согласованием обратимости времени в фундаментальных физических теориях (классической и квантовой физике, теории относительности) с вопиющей необратимостью времени реального мира. Вопрос связи причинности и направленности времени («стрелы времени») неоднократно поднимался выдающимися философами и физиками, практически, на всем протяжении развития науки. Если нет «стрелы времени», то нельзя говорить и о причинности. Правило состоит в том, что «причина» предваряет наблюдаемое следствие» (Л. Брюллюэн, 1966). Однако, понятия «причина» и «следствие» оставались неопределенными. Необходимость формализации этих понятий отчетливо прослеживается в работах многих ученых мирового сообщества (Л. Брюллюэн, 1966, И. Пригожий, 1985, Г. Рейхенбах, 1962, Д. Хейс, 1981, И. Б. Новик, А.Ш. Абдуллаев, 1991, М. Бунге, 1962, Н. А. Козырев, 1958, С. М. Коротаев, 1993 и др.).
Актуальность проблемы определяется тем, что при изучении физических процессов, в частности, геофизических, в том числе атмосферных, возникает вопрос объективной оценки их причинно-следственной обусловленности. Обычный путь решения этого вопроса, широко используемый в метеорологических исследованиях - корреляционный анализ. В общем случае при высоком значимом коэффициенте корреляции между рассматриваемыми характеристиками делается вывод о наличии между ними реальной зависимости, после чего вопрос о причинных связях решается на уровне физической интуиции, в лучшем случае дополняемой оценкой запаздывания. Однако запаздывание является необходимым, но недостаточным условием причинной связи: если процесс С порождает процессы А и В, то между А и В возможны высокая корреляция, запаздывание, но их связь не является причинной (С. М. Коротаев, 1993). С. М. Коротаевым (1989, 1993, 1995, 1997) разработана теория причинного анализа, позволяющая дать операциональное определение причинности. Отсутствие такого аппарата в ранее проводимых исследованиях по выявлению причинно связанных процессов, в частности, при изучении влияния солнечной активности на физические процессы в атмосфере, особенно на ее нижние слои, не позволяло дать однозначного ответа о наличии (отсутствии) этих связей. Возможность получения количественных оценок меры причинной зависимости позволяет сделать выбор между альтернативными моделями (гипотезами). Особую значимость
учет количественно определенных причинных связей имеет в прогностических моделях как статистических, так и гидродинамических. Таким образом, применение аппарата причинного анализа для выявления причинной обусловленности атмосферных процессов внешними факторами, представляется весьма актуальным.
Современная наука, принимая обратимость времени, свойство необратимости в силу неполноты описания системы приписывает самой системе. Если принять, что необратимость - это только свойство времени, то на основании теорем, определяющих фундаментальные законы сохранения (Э. Неттер, 1918), принятое,условие приводит к нарушению закона сохранения энергии. Если же рассматривать это нарушение как расширение рамок закона, то неизбежно энергия .появляется у самого времени. В результате, время из понятия реляционного (время-координата) становится понятием субстанциональным (обладает рядом физических свойств). Последнее положено в основу нового направления, названного причинной или несимметричной механикой (Н. А. Козырев, 1958). Эта механика в конце 50-х, начале 60-х годов вызвала большой интерес со стороны научной общественности, но в целом негативную реакцию. Однако в 90-х годах, ряд положений, предсказанных причинной механикой Н. А. Козырева, был успешно подтвержден экспериментально (М. М. Лаврентьев и др, 1990, 1991, 1992, Н. Hayasaka, S. Takeuchi, 1990, D. Savage, 1985, 1986, 1987). В рамках причинной механики особую актуальность приобретают ее геофизические следствия (М. Л. Арушанов, С. М. Коротаев, 1989, 1995, М. Л. Арушанов, 1999).
Цель исследования. Основной целью исследования является изучение геофизических следствий причинной механики, разработка численных алгоритмов причинного анализа, изучение вопроса наличия (отсутствия) причинной обусловленности физических процессов в атмосфере вариациями солнечной активности и оценки гидродинамических прогностических моделей с использованием аппарата причинного анализа.
При этом ставятся следующие задачи:
-
Анализ положений причинной механики с учетом полученных новых результатов в области экспериментальной и теоретической физики.
-
Теоретическая оценка геофизических эффектов причинной механики (применительно к Земле и атмосфере).
-
Выполнить на базе причинного анализа:
теоретические и эмпирические оценки физических процессов в атмосфере в связи с вариациями солнечной активности;
анализ и оценку существующих гипотез физических механизмов солнечно-атмосферных связей;
оценку (с акцентом в периоды усиления солнечной и геомагнитной
активности) точности гидродинамических моделей прогноза погоды.
Научная новизна. Впервые, используя положения причинной механики, обосновываются наблюденная по спутниковым данным форма Земли, механизм распределения температуры и атмосферного давления по земному шару; особенности формирования и положения внутритропической зоны конвергенции, гипотеза экваториального сдвига и S-образного деформирования структурных поясов. На базе теории информации и математической энтропии разработаны алгоритмы практической реализации аппарата количественного причинного анализа.
На основе аппарата причинного анализа по наблюденным данным за параметрами атмосферы и солнечной активности впервые:
дано обоснование гипотез, лежащих в основе солнечно-атмосферных связей;
получены количественные оценки причинной связи между параметрами солнечной активности и параметрами различных слоев атмосферы (давление, температура, энергетические характеристики, индексы циркуляции, площади завихренности и т.д);
показана роль шумообразующих факторов при вычислении энтропийных параметров, занижающая величину причинной связи между исследуемыми процессами;
на базе разложения эмпирических рядов по системе естественных ортогональных функций разработан алгоритм причинного анализа на главных компонентах оценки степени зашумленности изучаемых процессов;
разработан новый подход к оценке гидродинамических прогнозов метеорологических полей. Показано, что успешность прогноза должна оцениваться с использованием параметра причинности, на основе количественной оценке наличия (отсутствия) причинной связи между исходными и прогностическими метеорологическими полями. Тем самым определяется корректность комплекса факторов (системы дифференциальных уравнений), включенных в гидродинамическую модель прогноза;
установлена тенденция к ухудшению гидродинамических прогнозов погоды в летний период, вызванная изменением прочности причинных связей в зависимости от сезона года;
по оценкам значимого ухудшения гидродинамических прогнозов в периоды увеличения солнечной активности сделан вывод о необходимости включения в гидродинамические модели прогноза погоды и климата фактора солнечной активности;
показана неизбежность возникновения проблемы «предсказуемости» в
рамках детерминистского подхода в задачах долгосрочного прогноза
погоды и моделирования климата. Обоснована «искусственность» этой
проблемы за рамками классического детерминизма.
Аппарат причинного анализа является мощным средством при обработке эмпирических геофизических данных с целью установления причинно-следственных связей при построении моделей явлений или процессов. При построении регрессионных моделей он может выступать как оптимальный и объективный метод отбора предикторов в отличие, например, от известного метода «просеивания», где в качестве критериев отбора выступают статистические характеристики.
Реализация результатов работы. Алгоритмы машинной реализации аппарата причинного анализа были использованы при обработке геофизических данных (геологических, метеорологических, гидрологических, океанологических) в ряде международных проектов: «Геопол», «Нефте-газоносность болгарского шельфа Черного моря», «Строения и геодинамика литосферы Центральной и Восточной Европы», «БЕМС», «ЭМСЛАБ» и др. (Комитет по геологии Болгарии, Финский метеорологический институт, Финский университет Оулу), университет Упсала (Швеция), Тихоокеанский центр наук о Земле (Канада), Скриппсовский океанографический институт (США), Петербургский университет, Институт Геоэлекторомагнитных Исследований РАН (Москва), Институт геофизики Уральского отделения РАН . Алгоритмы и программы причинного анализа были ипользованы в Среднеазиатском научно-исследовательском гидрометеорологическом институте им. В. А. Бугаева для изучения причинной обусловленности гидрологических циклов внешними факторами.
Предмет защиты - обоснование принципа причинности и нового направления в обработке и анализе наблюденных геофизических данных; обоснование ряда геофизических эффектов, их географического расположения, необъясненных с обычных позиций; доказательство наличия причинной обусловленности атмосферных процессов (в том числе и в тропосфере) солнечной и геомагнитной активностью. Апробация результатов работы и публикации. Результаты работы докладывались или были представлены:
на Всесоюзной школе - семинаре по моделированию климата (Ташкент, 1976);
на конференции «Время в науке и философии. Конструкция понятия времени» (Пущино, 1987);
* Эти исследования выполнялись под руководством С. М. Коротаева в рамках научной тематики
института Геоэлектромагнитных исследований РАН.
на объединенном заседании Научного Совета «Проблемы прогнозирования сейсмической опасности» ИС АН РУз при Президиуме АН РУз и научного семинара по сейсмологии (1995);
на коллоквиуме «Узбекистан мустакдллиги - унинг фани ва техноло-гияларини ривожлантириш кафолати» (Ташкент, 12-13 ноября 1998г.).
на заседание Ученого Совета САНИГМИ (10 июня 1998г.)
на международном симпозиуме по геонакум и дистанционному зондированию (IGARS-99, Гамбург, 1999);
на заседание объединенного семинара физического (кафедра физики атмосферы) и географического (кафедра физической географии и гидрологии суши) факультетов ТашГу им. М. Улугбека (31 марта 1999г.);
на десятой международной конференции по изучению многоспектральной спутниковой информации для восстановления вертикальных профилей температуры (TOVS) (США, Колорадо, Боулдер, 4 июля 1998);
на заседание Объединенного метеорологического семинара Специализированного Совета К.128.10.01 при САНИГМИ им. В. А. Бугаева (27 апреля 1999г);
на Специализированном семинаре НПО «Кибернетика» АН РУз (14 мая 1999г.)
По мере выполнения работы и получения новых результатов, последние неоднократно докладывались на объединенном метеорологическом семинаре Среднеазиатского научно-исследовательского гидрометеорологического института им. В. А. Бугаева, института математики им. В. И. Романовского и Ташкентского Государственного университета (кафедра физики атмосферы).
Результаты исследований, приведенные в диссертации, изложены в 36 печатных работах автора. Основные из них перечислены в конце автореферата.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы. Работа изложена на 294 страницах, содержит 59 рисунков и 28 таблиц. Список литературы включает 305 источников.
Работа выполнена в Управлении связи и обработки информации Главгидромета при Кабинете Министров РУз.
Автор выражает глубокую признательность С. М. Коротаеву- главному идеологу и генератору идей по данной тематики, Ю. М. Денисову и А. М. Горячеву за плодотворное обсуждение различных аспектов работы, Р. Ньютону за представленные данные, В. Е. Чубу и Л. Н. Боровиковой за живое участие и помощь в публикации монографии, А. А. Мулюкову и О. А. Староватову за представленные материалы, В. Г. Коновалову и Б. К. Цареву за участие в проверке алгоритма причинного анализа на гидрологических данных.
Во введении ставится фундаментальный вопрос, связанный с отношением современной науки к понятию времени и принципу причинности, не нашедшие четкого отражения в существующей физики, несмотря на широкое повсеместное использование гипотез о причинных связях. Показано, что эта парадоксальная ситуация прямо связана с согласованием обратимости времени в фундаментальных физических теориях (классической и квантовой физике, теории относительности) с вопиющей необратимостью времени реального мира. Так, фундаментом классической механики является обратимость и детерминизм (известные начальные условия позволяют строжайшим образом предсказать траекторию). Направленность времени в ней не играет никакой роли, т.е. при строжайшем детерминизме она лишена причинности. Таким образом, вопрос причинности событий в фундаментальных науках до настоящего времени остается открытым и рассматривается практически на интуитивном уровне исследователя. Первая реальная попытка введения принципа причинности в теоретическую механику была предпринята астрофизиком с мировым именем, выдающимся естествоиспытателем, профессором Пулковской обсерватории Николаем Александровичем Козыревым. Созданная им механика основана не на симметрии (равенстве действия и противодействия) взаимодействующих сил, а на асимметрии и необратимости причин и следствий, связь между которыми устанавливается последовательностью во времени, его направленностью. Аксиоматическое построение причинной механики Н. А. Козырева (1958) требовало ее формализации. Тем не менее, самим автором причинной механики она выполнена не была, что явилось одной из причин критических замечаний в сторону новой механики. Изначально задуманная формализация аксиоматики причинной механики вылилась в теорию причинного анализа (М. Л. Арушанов, С. М. Коротаев, 1989), открывшего новую ступень в обработке натурных данных. Разработанная С. М. Коротаевым теория причинного анализа оказалась очень эффективной в решении экспериментальных задач, для которых широко известная теория корреляции не способна ответить на вопрос о причинных связях рассматриваемых явлений или процессов. При достаточно высокой корреляции исследуемой пары или множеств решение принимается на интуитивном уровне исследователя и, в конечном счете, является субъективным. Наличие количественной теории причинного анализа снимает принятие решения о причинных связях на субъективном уровне, тем самым выступает гарантом в правильности построения модели явления или ис-
следуемых процессов. При использовании регрессионных теорий для построения динамико-стохастических моделей количественный причинный анализ может выступать как эффективный инструмент отбора предикторов, в полной степени заменяющий, а с физической точки зрения бесспорно превосходящий, известные методы «просеивания».
Похожие диссертации на Исследование гелиогеофизических процессов на базе аппарата причинного анализа
