Болезни Военный билет Призыв

Периодичное движение является. Периодические движения в географической оболочке

Периодическими процессами называются такие изменения состояния системы, при которых она многократно, через некоторые промежутки времени, возвращается в одно и то же состояние. Простейшее периодическое движение - это вращение тел; к ним относятся также многократно повторяющиеся движения тел по любым замкнутым кривым, например движения планет по эллиптическим орбитам и т. д. Периодическими процессами являются также колебательные процессы, когда система последовательно отклоняется от своего положения равновесия - то в одну, то в противоположную сторону. Простейшим примером колебательного движения является движение точечной массы ту подвешенной на нити или пружине, около положения равновесия - точки О (рис. 1.36).

Периодические процессы характеризуются последовательностью состояний, через которые проходит система в течение одного периода. Если эта последовательность точно повторяется через равные промежутки времени, то колебания называются незатухающими. При нарастающих или затухающих колебаниях периодически повторяются только определенные состояния системы, например прохождение колеблющегося тела через положение равновесия и т. п.

Среди множества различных незатухающих колебаний простейшим является гармоническое колебательное движение, описываемое функцией синуса или косинуса:

где колеблющаяся величина (смещение, скорость, сила время, и некоторые постоянные величины. Величина называется амплитудой, аргумент синуса или косинуса фазой колебания, а величина начальной фазой. фаза колебания определяет значение колеблющейся величины в данный момент времени. Начальная фаза определяет значение х в начальный момент времени: для синусоидального колебания при Если, изучая колебательное движение, начинать - отсчет времени при то окажется равным нулю.

Во всех случаях, когда рассматривается одно колебание, можно выбрать начало отсчета времени так, чтобы однако при одновременном существовании нескольких колебаний (например, при сложении колебаний) начальные фазы каждого колебания отличаются друг от друга и лишь в частных случаях эти фазы могут одновременно равняться нулю.

Формула (4.1) описывает гармонические колебательные движения, происходящие вдоль какой-нибудь линии - отрезка прямой или кривой. В этом случае для определения положения колеблющегося тела достаточно задать только расстояние х от тела до положения равновесия. Колебательные системы, в которых возможно только одно

колебательное движение (вдоль одной линии), изображены на рис. 1.37; их называют колебательными системами с одной степенью свободы. Простой маятник (см. рис. 1.36, а) может совершать два независимых друг от друга колебания в двух взаимно перпендикулярных направлениях, поэтому его относят к колебательным системам, обладающим двумя степенями свободы. Пружинный маятник, изображенный на рис. 1.36, б, может колебаться в трех независимых направлениях и поэтому является колебательной системой с тремя степенями свободы.

Для описания колебательного движения сплошного твердого тела (рис. 1.38, а) удобнее измерять углы поворота а от равновесного состояния; углы, отсчитываёмые по одну сторону от , принимаются положительными, по другую сторону - отрицательными. Аналогичное правило знаков выбирается и для тел, совершающих так называемые крутильные колебания (рис. 1.38, б). Гармонические колебания для углов поворота имеют вид где амплитуда угла поворота.

ПЕРИОДИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ

В механике: неравномерное движение, в котором, по прошествии известного промежутка времени, возобновляются прежние обстоятельства.

  • - выращивание микроорганизмов на несменяемой среде от инокуляции до окончания роста клеток вследствие исчерпания питательных субстратов или накопления вредных веществ...

    Словарь микробиологии

  • - лунная слепота, поражает радужную оболочку ресничного тела и сосудистую оболочку глаз лошадей. Воспаление проходит через 8-14 дней, но повторяется снова, переходит в катаракту и заканчивается слепотой...

    Сельскохозяйственный словарь-справочник

  • - прямолинейное движение материальной точки, закон к-рого выражается действительной условно периодической функцией...

    Математическая энциклопедия

  • - вид печатных изд. Часть тиража П. и. поступает в розничную продажу, др. - экспедируется, т. е. сортируется, перевозится и доставляется подписчикам почтой...

    Большой филателистический словарь

  • - по определению Закона РФ "О средствах массовой информации" от 27 декабря 1991 г. "газета, журнал, альманах, бюллетень, иное издание, имеющее постоянное название, текущий номер и выходящее в свет не реже одного раза в год"...

    Большой юридический словарь

  • - периодическое издание Географического отдел. Императорского общества любителей естествознания, антропологии и этнографии...
  • - содружественное К. с периодическим отклонением косящего глаза...

    Большой медицинский словарь

  • - общественное обслуживание, удовлетворяющее регулярно возникающие потребности населения и осуществляемое в центрах городов и жилых районов - периодично обществено обслужване - občanské vybavení pravidelné potřeby...

    Строительный словарь

  • - сериальное издание, выходящее: - через определенные промежутки времени; - постоянным для каждого года числом номеров...

    Финансовый словарь

  • - указание дебитора своему банку о ПЕРИОДИ- ЧЕСКОМ ПЕРЕЧИСЛЕНИИ на счет кредитора квот согласно условиям погашений кредита...

    Финансовый словарь

  • - "...под периодическим печатным изданием понимается газета, журнал, альманах, бюллетень, иное издание, имеющее постоянное наименование, текущий номер и выходящее в свет не реже одного раза в год;.....

    Официальная терминология

  • - "...: техническое обслуживание, выполняемое через установленные интервалы времени..." Источник: " Системы измерений количества и показателей качества нефти, светлых нефтепродуктов и жидких углеводородов...

    Официальная терминология

  • - ...
  • - газета, журнал, альманах, бюллетень, иное издание, имеющее постоянное название, текущий номер и выходящее в свет не реже одного раза в...

    Энциклопедический словарь экономики и права

  • - см. Глазные болезни домашних животных...

    Энциклопедический словарь Брокгауза и Евфрона

  • - Если субъект повторно подвергается приступам душевного расстройства большей или меньшей продолжительности, так из этого еще не следует, что он одержим П. помешательством...

    Энциклопедический словарь Брокгауза и Евфрона

"ПЕРИОДИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ" в книгах

5.3.6. Периодическое планирование и управление стратегическими задачами

автора Ансофф Игорь

5.3.6. Периодическое планирование и управление стратегическими задачами Как явствует из предыдущих замечаний, управление стратегическими задачами состоит в том, чтобы заполнить пробел в регулярно осуществляемом планировании, а не в том, чтобы подменить собой это

5.4.13. Периодическое планирование и управление в условиях сильных и слабых сигналов

Из книги Стратегическое управление автора Ансофф Игорь

5.4.13. Периодическое планирование и управление в условиях сильных и слабых сигналов Как уже отмечалось, помимо реакции на кризисную ситуацию, существуют ещё два варианта ответа на внешние обстоятельства: обычная реакция на основе системы регулярно осуществляемого

23. Движение. Движение как способ существования материи. Становление, изменение, развитие. Основные формы движения

Из книги Шпаргалки по философии автора Нюхтилин Виктор

23. Движение. Движение как способ существования материи. Становление, изменение, развитие. Основные формы движения Движение в философии - это всякое изменение вообще.В это понятие входят:1. Процессы и результаты взаимодействий любого рода (механические, квантовые,

автора Законы РФ

Статья 138. Периодическое временное декларирование российских товаров 1. При вывозе с таможенной территории Российской Федерации российских товаров, в отношении которых не могут быть представлены точные сведения, необходимые для таможенного оформления, в соответствии с

Из книги Таможенный кодекс РФ автора Дума Государственная

Статья 138. Периодическое временное декларирование российских товаров 1. При вывозе с таможенной территории Российской Федерации российских товаров, в отношении которых не могут быть представлены точные сведения, необходимые для таможенного оформления, в соответствии с

Из книги Таможенный кодекс Российской Федерации. Текст с изменениями и дополнениями на 2009 год автора Автор неизвестен

СТАТЬЯ 138. Периодическое временное декларирование российских товаров 1. При вывозе с таможенной территории Российской Федерации российских товаров, в отношении которых не могут быть представлены точные сведения, необходимые для таможенного оформления, в соответствии с

Последующее периодическое перемещение сексуальной энергии в голову

Из книги Совершенствование мужской сексуальной энергии автора Чиа Мантэк

Последующее периодическое перемещение сексуальной энергии в голову Периодическое перемещение сексуальной энергии вверх является наиболее важной практикой после внешнего запирания. Метод трех пальцев препятствует убеганию большого количества энергии, но сам по себе

автора Ван Лин

Движение третье Поворот туловища и облакоподобное движение рук 1. Постепенно поворачивайте туловище влево до направления на юг с незначительным отклонением к востоку. Медленно согните левую ногу в колене и перенесите на нее центр тяжести, постепенно приподнимите пятку

Из книги Тайцзицюань. Искусство гармонии и метод продления жизни автора Ван Лин

Движение первое Поворот туловища и облакоподобное движение рук 1. Выполните небольшой поворот туловища вправо до направления на юг с незначительным отклонением к западу. Постепенно перенесите вес тела на правую ногу, слегка поднимите пятку левой ноги.2. Одновременно

Движение третье Поворот туловища и облакоподобное движение рук

Из книги Тайцзицюань. Искусство гармонии и метод продления жизни автора Ван Лин

Движение третье Поворот туловища и облакоподобное движение рук Данное движение аналогично третьему движению предыдущей части формы.Перейти к

Движение первое Поворот туловища и облакоподобное движение рук

Из книги Тайцзицюань. Искусство гармонии и метод продления жизни автора Ван Лин

Движение первое Поворот туловища и облакоподобное движение рук Данное движение аналогично первому движению предыдущей части формы.Перейти к

Движение третье Поворот туловища и облакоподобное движение рук

Из книги Тайцзицюань. Искусство гармонии и метод продления жизни автора Ван Лин

Движение третье Поворот туловища и облакоподобное движение рук Данное движение аналогично третьему движению части (1) данной формы.Перейти к

Периодическое сотворение

Из книги Билейские основы современной науки автора Моррис Генри

Периодическое сотворение Среди евангельских христиан распространен популярный семантический вариант теистической эволюции, носящий название прогрессивного креационизма. Многие христиане-интеллектуалы чувствуют, что принимать полностью эволюционистскую точку

§ 12. Женщина и произрастание. Сакральное пространство и периодическое обновление мира

Из книги История веры и религиозных идей. Том 1. От каменного века до элевсинских мистерий автора Элиаде Мирча

§ 12. Женщина и произрастание. Сакральное пространство и периодическое обновление мира Первым и, может быть, важнейшим следствием открытия земледелия является кризис ценностей палеолитического охотника: на смену отношениям религиозного порядка с животным миром пришло

2. Периодическое голодание (ПГ) и белковый цикл (бесплатно)

Из книги Совершенное тело за 4 часа автора Феррис Тимоти

2. Периодическое голодание (ПГ) и белковый цикл (бесплатно) А что если для долгой и счастливой жизни бедному Канто посты требуются лишь от случая к случаю? В конце концов, постоянный дефицит калорий сопряжен со определенным риском. Одного только снижения выработки половых

Рассмотрим замкнутую систему со многими степенями свободы, совершающую финитное (по всем координатам) движение. Предположим при этом, что задача допускает полное разделение переменных в методе Гамильтона - Якоби. Это значит, что при соответствующем выборе координат укороченное действие представляет собой сумму

функций, каждая из которых зависит только от одной из координат.

Поскольку обобщенные импульсы

то каждая из функций может быть представлена в виде

Эти функции неоднозначны. В силу финитности движения каждая из координат может пробегать значения лишь в определенном конечном интервале. При изменении в этом интервале «вперед» и «назад» действие получает приращение

где есть интеграл

взятый по указанному изменению .

Произведем теперь каноническое преобразование аналогично тому, как это было сделано в § 50 для случая одной степени свободы. Новыми переменными будут «переменные действия» и «угловые переменные»

где производящей функцией снова является действие, выраженное через координаты и величины ; уравнения движения в этих переменных

(52,6)

(52,7)

Мы найдем также аналогично (50,7), что полному изменению координаты («вперед» и «назад») отвечает изменение соответствующего на :

Другими словами, величины являются неоднозначными функциями координат, которые при изменении последних с возвращением к первоначальным значениям могут изменяться на любое целое кратное от . Это свойство можно сформулировать также и как свойство функции (выраженной через координаты и импульсы) в фазовом пространстве системы. Поскольку сами величины если их выразить через и q, являются однозначными функциями этих переменных, то, подставив мы получим функцию которая при обходе по любой замкнутой кривой в фазовом пространстве может измениться на целое кратное от (либо на нуль).

Отсюда следует, что всякая однозначная функция состояния системы будучи выражена через канонические переменные, является периодической функцией угловых переменных с периодом по каждой из них. Ее можно поэтому разложить в кратный ряд Фурье вида

( - целые числа). Подставив же сюда угловые переменные как функции времени, найдем, что временная зависимость F определяется суммой вида

Каждый из членов этой суммы есть периодическая функция времени с частотой

представляющей собой сумму целых кратных от основных частот

Но поскольку все частоты (52,10) не являются, вообще говоря, целыми кратными (или рациональными частями) какой-либо одной из них, то вся сумма в целом не является строго периодической функцией. Это относится, в частности, и к самим координатам q и импульсам системы.

Таким образом, движение системы является в общем случае строго периодическим ни в целом, ни по какой-либо из координат. Это значит, что если система прошла через какое-либо состояние, то она не пройдет через него повторно ни через какое конечное время. Можно, однако, утверждать, что по истечении достаточно большого промежутка времени она пройдет сколь угодно близко от этого состояния. Это свойство имеют в виду, называя такое движение условно-периодическим.

В различных частных случаях две (или более) из основных частот могут оказаться соизмеримыми (при произвольных значениях величин ). В таких случаях говорят о наличии вырождения, а если все s частот соизмеримы, то движение системы называют полностью вырожденным.

В последнем случае, очевидно, движение строго периодично и тем самым траектории всех частиц - замкнуты.

Наличие вырождения приводит, прежде всего, к уменьшению числа независимых величин , от которых зависит энергия системы. Пусть две частоты связаны соотношением

(52,12)

где - целые числа. Отсюда следует, что величины входят в энергию лишь в виде суммы .

Весьма важной особенностью вырожденных движений является увеличение числа однозначных интегралов движения по сравнению с их числом в общем случае невырожденной системы (с тем же числом степеней свободы). В последнем случае из полного числа всех интегралов деижения однозначными являются всего s функций состояния системы; их полный набор составляют, например, s величин h. Остальные интегралов можно представить в виде разностей

(52,13)

Постоянство этих величин непосредственно следует из формулы (52,7), но ввиду неоднозначности угловых переменных они не являются однозначными функциями состояния системы.

При наличии же вырождения положение меняется. Так, ввиду связи (52,12) интеграл

(52,14)

хотя и является неоднозначным, но его неоднозначность сводится к прибавлению любого целого кратного . Поэтому достаточно взять тригонометрическую функцию этой величины, для того чтобы получить новый однозначный интеграл движения.

Примером вырожденного движения является движение в поле (см. задачу к этому параграфу). Именно это обстоятельство приводит к появлению нового, специфического однозначного интеграла движения (15,17), помимо двух (рассматриваем движение сразу как плоское) обычных однозначных интегралов, - момента М и энергии Е, - свойственных движению в любом центральном поле.

Отметим также, что появление дополнительных однозначных интегралов приводит в свою очередь еще к одному свойству вырожденных движений - они допускают полное разделение переменных при различных, а не при одном определенном выборе координат.

Действительно, величины в координатах, осуществляющих разделение переменных, являются однозначными интегралами движения. Но при наличии вырождения число однозначных интегралов превышает s, и потому становится неоднозначным выбор тех из них, которые мы хотим получить в качестве величин

В качестве примера снова упомянем кеплерово движение, допускающее разделение переменных как в сферических, так и в параболических координатах.

В предыдущем параграфе было показано, что при одномерном финитном движении переменная действия является адиабатическим инвариантом. Это утверждение остается в силе и для систем со многими степенями свободы. Оно доказывается в общем случае прямым обобщением способа, изложенного в начале § 51.

Для многомерной системы с переменным параметром уравнения движения в канонических переменных дают для скорости изменения каждой из переменных действия выражение, аналогичное (50,10):

где по-прежнему усреднение этого равенства надо производить по промежутку времени, большому по сравнению с основными периодами системы, но малому по сравнению со временем изменения параметра . При этом снова выносится из-под знака усреднения, а усреднение производных производится так, как если бы движение происходило при постоянном к и потому было условно периодическим. Тогда А будет однозначной периодической функцией угловых переменных и средние значения ее производных обращаются в нуль.

В заключение сделаем некоторые замечания по поводу свойств финитного движения замкнутых систем со многими степенями свободы в наиболее общем случае, не предполагающем разделимости переменных в соответствующем уравнении Г амильтона - Якоби.

Основным свойством систем с разделяющимися переменными является однозначность интегралов движения число которых равно числу степеней свободы. В общем же случае систем с неразделяющимися переменными набор однозначных интегралов движения ограничивается теми, постоянство которых есть выражение свойств однородности и изотропии пространства и времени, т. е. законами сохранения энергии, импульса и момента.

Фазовая траектория системы проходит по тем областям фазового пространства, которые определяются заданными постоянными значениями однозначных интегралов движения. Для системы с разделяющимися переменными с ее s однозначными интегралами этими условиями определяется -мерное многообразие в фазовом пространстве. В течение достаточно долгого времени траектория системы покроет это многообразие сколь угодно плотно.

У системы же с неразделяющимися переменными, с ее меньшим (при том же s) числом однозначных интегралов фазовая траектория может заполнять собой в фазовом пространстве области (многообразия) большего числа измерений.

Наконец, укажем, что если гамильтонова функция системы отличается от функции, допускающей разделение переменных, лишь малыми членами, то и свойства движения близки к свойствам условно-периодических движений, причем степень этой близости гораздо выше, чем степень малости дополнительных членов в функции Гамильтона.

Задача

Вычислить переменные действия для эллиптического движения в поле .

Решение. В полярных координатах в плоскости движения имеем:

Периодическое движение

Среди всевозможных совершающихся вокруг нас механических движений часто встречаются повторяющиеся движения. Любое равномерное вращение является повторяющимся движением: при каждом обороте всякая точка равномерно вращающегося тела проходит те же положения, что и при предыдущем обороте, причем в такой же последовательности и с такой же скоростью.

В действительности не всегда и не при всяких условиях повторение совершенно одинаково. В одних случаях каждый новый цикл очень точно повторяет предыдущий, в других случаях различие между следующими друг за другом циклами может быть заметным. Отклонения от совершенно точного повторения очень часто настолько малы, что ими можно пренебречь и считать движение повторяющимся вполне точно, т.е. считать его периодическим.

Периодическим называется повторяющееся движение, у которого каждый цикл в точности воспроизводит любой другой цикл.

Продолжительность одного цикла называется периодом. Очевидно, период равномерного вращения равен продолжительности одного оборота.

Свободные колебания

В природе, и особенно в технике, чрезвычайно большую роль играют колебательные системы, т.е. те тела и устройства, которые сами по себе способны совершать периодические движения. «Сами по себе» - это значит не будучи принуждаемы к этому действием периодических внешних сил. Такие колебания называются поэтому свободными колебаниями в отличие от вынужденных, протекающих под действием периодически меняющихся внешних сил.

Всем колебательным системам присущ ряд общих свойств:

У каждой колебательной системы есть состояние устойчивого равновесия.

Если колебательную систему вывести из состояния устойчивого равновесия, то появляется сила, возвращающая систему в устойчивое положение.

Возвратившись в устойчивое состояние, колеблющееся тело не может сразу остановиться.

Маятник; кинематика его колебаний

Маятником является всякое тело, подвешенное так, что его центр тяжести находится ниже точки подвеса. Молоток, висящий на гвозде, весы, груз на веревке - все это колебательные системы, подобные маятнику стенных часов.

У всякой системы, способной совершать свободные колебания, имеется устойчивое положение равновесия. У маятника это положение, при котором центр тяжести находится на вертикали под точкой подвеса. Если мы выведем маятник из этого положения или толкнем его, то он начнет колебаться, отклоняясь то в одну сторону, то в другую сторону от положения равновесия. Наибольшее отклонение от положения равновесия, до которого доходит маятник, называется амплитудой колебаний. Амплитуда определяется тем первоначальным отклонением или толчком, которым маятник был приведен в движение. Это свойство - зависимость амплитуды от условий в начале движения - характерно не только для свободных колебаний маятника, но и вообще для свободных колебаний очень многих колебательных систем.

Прикрепим к маятнику волосок и будем двигать под этим волоском закопченную стеклянную пластинку. Если двигать пластинку с постоянной скоростью в направлении, перпендикулярном к плоскости колебаний, то волосок прочертит на пластинки волнистую линию. Мы имеем в этом опыте простейший осциллограф - так называются приборы для записи колебаний. Таким образом волнистая линия представляет собой осциллограмму колебаний маятника.

Амплитуда колебаний изображается на этой осциллограмме отрезком AB, период изображается отрезком CD, равным расстоянию, на которое передвигается пластинка за период маятника.

Так как мы двигаем закопченную пластинку равномерно, то всякое ее перемещение пропорционально времени, в течении которого оно совершалось. Мы можем сказать поэтому, что вдоль оси x в определенном масштабе отложено время. С другой стороны, в направлении, перпендикулярном к x волосок отмечает на пластинке расстояние конца маятника от его положения равновесия, т.е. путь пройденный концом маятника от этого положения.

Как мы знаем, наклон линии на таком графике изображает скорость движения. Через положение равновесия маятник проходит с наибольшей скоростью. Соответственно этому и наклон волнистой линии наибольший в тех точках, где она пересекает ось x. Наоборот, в моменты наибольших отклонений скорость маятника равна нулю. Соответственно этому и волнистая линия в тех точках, где она наиболее удалена от оси x, имеет касательную параллельную x , т.е. наклон равен нулю

Выше были рассмотрены основные циклы движения в географической оболочке, различающиеся прежде всего по характеру материального носителя. Циклы различаются также по характеру динамических режимов, под которыми понимают типы изменения во времени параметров систем. Одним из таких динамических режимов является периодический. В этом случае система через равные промежутки времени приходит в одно и то же состояние. В физико-географических явлениях строгой периодичности не существует, поэтому правильнее говорить о «квазипериодичности» (квази - почти).

Периодичность в географической оболочке проявляется во многих процессах: тектонических, магматических, осадконакоплении, климатических, гидрологических и множестве других.

Многочисленные факты свидетельствуют о колебаниях климата, которые обусловлены периодическими изменениями параметров земной орбиты, солнечной активности, приливообразующей силы и многих других факторов. Об этом достаточно надежно свидетельствуют геологические, гляциологические, археологические данные, а также наблюдения за исторический период. Хорошо, например, прослеживаются климатические колебания, имеющие продолжительность в 35 лет (этот цикл колебаний впервые установил известный климатолог Брикнер) и 1800 лет. Последний зафиксирован в развитии природы Сахары, где неоднократно чередовались эпохи влажного и аридного климата.

Периодичность характерна для тектоно-магматических процессов: поднятий и опусканий, землетрясений, складчатых движений, интрузивного и эффузивного вулканизма. Тектоно-магматические эпохи разделены периодами относительного тектонического покоя в 50-150 млн. лет. Наблюдается сокращение продолжительности периодов между эпохами тектонической активности - темп геотектонических движений растет в ходе развития Земли.

Периодичность прослеживается в разрезах геологических отложений. Четко она заметна в терригенно-карбонатных и озерно-ледниковых формациях. В терригенно-карбонатных отложениях (главным образом каменноугольного и пермского возраста) наблюдается чередование по разрезу известняков, доломитов, глин, мергелей, песчаников, алевролитов и других отложений. Ритмичность этих отложений связывают с периодическими колебательными движениями земной коры и изменениями уровня моря, а также с колебаниями климата.

В приледниковых озерах образуется ленточная слоистость. Летом, когда ледник тает, в озеро приносится более крупнозернистый материал, зимой отлагается тонкий глинистый осадок. Пара таких слоев соответствует, таким образом, одному году.

Многочисленные свидетельства повторяемости явлений обнаружены в биосфере, ледниках, рельефе.

Вынужденные колебания. Периодичность явлений связана с воздействием внешних факторов (вынужденные колебания) и внутренними закономерностями развития географической оболочки (автономные колебания, автоколебания).

К внешним факторам, вызывающим периодические явления, относят положение Солнечной системы на орбите в нашей Галактике, колебания эксцентриситета орбиты Земли, изменения наклона ее оси и др. В течение галактического года Солнечная система проходит через пространства с различной плотностью вещества (пылевой материи). На протяжении галактического года меняется величина гравитационного поля в связи с изменением положения масс относительно друг друга. Изменение плотности пылевой материи приводит к изменению величины солнечной постоянной, а величины гравитационных сил - к колебаниям в системе атмосферной и океанической циркуляции, изменению сжатия эллипсоида вращения, положения поверхности геоида, что, в свою очередь, влияет и на конфигурацию суши и моря, и на процессы осадконакопления и т. д. Классическим примером вынужденных колебаний могут служить годовые и суточные ритмы. Они связаны с режимом изменения интенсивности солнечной радиации, который зависит от планетарно-астрономических факторов - вращения Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси и наклона земной оси к плоскости орбиты. Так как солнечная радиация - один из самых сильных факторов, воздействующих на природные процессы, суточная и годовая ритмика свойственны практически всем физико-географическим явлениям. Вследствие четкой повторяемости сутки и год служат естественными единицами измерения времени в физической географии.

Изменения времени наступления равноденствий, наклона оси вращения к эклиптике и эксцентриситета земной орбиты соответствуют периодам около 21 тыс. лет, 40 тыс. лет и около 92 тыс. лет. Эти периоды были исследованы югославским ученым Миланковичем с точки зрения воздействия на распределение на земной поверхности солнечной радиации. Изменения перечисленных характеристик очень слабые, однако их совместное влияние, наблюдающееся в периоды совпадения фаз колебаний, довольно велико и может служить причиной климатических колебаний.

Вынужденные колебания создаются также под воздействием и таких планетарно-астрономических факторов, как приливообразующие силы. Возникают ритмы продолжительностью 1,2; 8,9; 18,9; около 111 и 1800-1900 лет (Калесник С. В., 1970).

Возникновение периодичности во многих случаях является отражением изменения пространственного положения системы. Например, сезонная и суточная периодичность в поступлении солнечной радиации связана с изменением положения Земли относительно Солнца. Колебания величины приливообразующей силы с периодом 1800 лет, вызывающие колебания климата, связаны с изменением расположения Солнца, Земли и Луны относительно друг друга. В данном случае проявляется неразрывное единство пространства и времени: временные характеристики - ритмы, периоды - возникают как отражение перемещений объектов в пространстве.

Автономные колебания. Кроме колебаний, вызываемых внешними факторами, географической оболочке свойственны автономные колебания. Последние вообще характерны для систем, имеющих не менее двух инерционных звеньев. Инерционными называются такие объекты, которые при мгновенном изменении внешних по отношению к каждому из них воздействий изменяют свои параметры не мгновенно, а постепенно, в результате переходного процесса. Чем длительнее переходный процесс, тем более инерционен объект. Строго говоря, инерционны все географические объекты. Однако инерционность многих из них невелика, она измеряется минутами, часами, сутками. В то же время такие системы географической оболочки, как океан и материковые льды, при воздействии на них внешних сил перестраиваются гораздо медленнее. Например, океан медленно охлаждается и так же медленно нагревается. Он до сих пор сохраняет холод, накопившийся в плейстоценовую ледниковую эпоху. Наступание и отступание материковых ледников совершается в течение десятков тысяч лет.

В теории автоматического регулирования (один из разделов кибернетики) доказывается, что в системе, содержащей две или более инерционные подсистемы, взаимодействующие по схеме отрицательной обратной связи (см. раздел III.4), могут возникать автоколебательные явления. Причем колебания возникают даже при постоянных внешних воздействиях. Поэтому их и называют автономными, т. е. возникающими независимо от внешних сил.

Автоколебательный характер имели изменения климата и оледенения в плейстоцене (о плейстоценовом оледенении и его роли в развитии природы земной поверхности см. в разделе IV. 6). В. Я. Сергин и С. Я. Сергин (Системный анализ проблем больших колебаний климата и оледенения Земли. Л., 1978) построили математические модели системы «ледники - океан - атмосфера». На рис. III.26 представлено графическое отображение системы уравнений, связывающих все элементарные процессы тепло- и влагообмена на земной поверхности. Такие схемы называют функциональными. Они позволяют представить систему взаимодействия элементов исследуемого объекта и являются основой для построения математической модели.

Исследование моделей на ЭВМ показало, что системе ледники - океан - атмосфера свойственны автоколебания, которые возникают вследствие перекачки массы и энергии между двумя большими инерционными системами: океаном и материковыми льдами. Инерционные свойства океана связаны с большой теплоемкостью его вод, а ледников - с малой скоростью накопления и таяния ледниковых покровов. Эти инерционные системы объединены нелинейными прямыми и обратными связями. Колебания возникают при постоянном притоке солнечной радиации на Землю. Задавая внешние возмущения, в том числе изменение широтного и годового распределения солнечной радиации и тектонически обусловленное изменение площади суши, авторы получили теоретические кривые ледниковых колебаний (рис. III. 27). Период колебаний варьирует от 20 до 80 тыс. лет. Размах колебаний средней многолетней температуры северного полушария составляет примерно 15°, южного - около 7 °С. Объем материкового оледенения изменяется на 20 млн. км3 в северном и на 18-28 млн. км3 в южном полушариях. Исследование на модели позволило также установить несимметричность в изменениях массы ледников, температуры и влажности земной поверхности. Изменения температуры земной поверхности по отношению к изменению массы льда отстают. В позднеплейстоценовую эпоху это отставание могло составлять 1-3 тыс. лет. Таким образом, нельзя говорить, будто оледенение контролируется температурой.

Наблюдается асимметричность ледниковых циклов и по отношению к влажности: межледниковья и начала оледенений характеризуются относительно влажным климатом, а сами оледенения и начала межледниковий - относительно сухим.

Автоколебательный характер имеют, по всей видимости, и изменения погоды. Они не связаны с колебаниями интенсивности электромагнитного излучения Солнца, а обусловлены взаимодействием атмосферы с океаном, материками и ледниками. Значительную роль играют такие факторы, как облачность и различия в термодинамических характеристиках атмосферы и океана. Облачность - эффективный преобразователь постоянного потока солнечной радиации в поток теплоты, распределение которого неравномерно в пространстве и времени. В то же время облачность зависит от потока теплоты.

Инерционность океана, т. е. его более медленная (по сравнению с атмосферой) реакция на внешние воздействия (например, на изменения притока солнечной радиации), обусловливает сдвиг всех его термодинамических характеристик во времени. Океан оказывается своего рода «запоминающим устройством», хранящим информацию о состояниях и процессах за более ранний промежуток времени. Таким образом, существование и взаимодействие таких объектов, как атмосфера, океан, ледники, обладающих различными характерными временами, независимо от внешних воздействий неизбежно приводит к возникновению колебательных движений.

Сочетание колебаний, связанных с внешними воздействиями, и автоколебаний приводит к усложнению периодичности. Однако строго отделить вынужденные и автономные колебания чаще всего невозможно. Суперпозиция колебаний разной частоты и длительности приводит к возникновению сложных ритмов.

После окончания полной фазы ритма земная поверхность и ее отдельные подсистемы не возвращаются в первоначальное состояние. Каждая фаза ритма приносит что-то новое. В результате система изменяется, эволюционирует. Развитие системы осуществляется на основе тех необратимых изменений, которые накапливаются в течение большого промежутка времени.

Периодичность природных явлений и их прогнозы. Выявление ритмики природных явлений имеет важное значение для их прогнозирования. Ритмика - это повторение явлений во времени, и если выяснены достаточно устойчивые повторения явлений в прошлом, то велика вероятность, что они будут повторяться и в будущем. Основа прогноза развития природной среды - знание ее предшествующих состояний. Прошлое - ключ к познанию будущего. Анализ прошлого позволяет установить устойчивые тенденции развития природных процессов и во многих случаях произвести экстраполяцию - перенести установленные тенденции на будущее.

Примеров прогнозов, основанных на знании ритмов природных явлений, много: прогнозирование общего характера годового хода погодных условий, а вместе с ними и характера внутригодового изменения речного стока, развития растительного покрова и других явлений. Так же уверенно прогнозируют суточную динамику явлений. Особенно успешно прогнозирование движения планет, Солнца, солнечных и лунных затмений. Четкая ритмичность движений небесных тел позволяет предсказывать их взаимное положение на десятки и даже сотни лет вперед.

Однако движения небесных тел - это механические, а не физико-географические явления, закономерности движения которых более сложны, а ритмика выражена далеко не так отчетливо. Даже в суточной и годовой ритмике физико-географических явлений, имеющей планетарно-астрономическую природу, обнаруживаются значительные искажения. Например, ночью может быть теплее, чем днем. Летом могут наблюдаться заморозки, а зимой оттепели. Эти особенности возникают вследствие наложения на суточную и годовую ритмику, связанную с радиационными факторами, атмосферной циркуляции, имеющей сложную и еще недостаточно исследованную природу.