Файл: Ковалевский В.С. Условия формирования и прогнозы естественного режима подземных вод.pdf

подразделить на четыре принципиально различные по генезису подгруппы: космогенные, эндогенные, биогенные и искусствен­ ные. Однако, учитывая, что космогенные факторы, определяе­ мые деятельностью Солнца, Луны или других планет солнеч­ ной системы, а также вращением Земли вокруг Солнца и вок­ руг своей оси, воздействуют на режим подземных вод часто не непосредственно, а через атмосферу и гидросферу, которые су­ щественно трансформируют эти воздействия, нами помимо соб­ ственно космогенных или планетарных факторов выделены так­ же метеорологические и гидрологические.

По типу воздействия режимообразующих факторов на под­ земные воды наблюдаемые изменения в режиме подземных вод могут быть подразделены на две группы:

а) связанные с изменениями количества и качества подзем­ ных вод (в результате естественного или искусственного их пи­ тания и расходования, а также их подпора);

б) связанные лишь с изменениями упругого состояния водо­ носного горизонта или его упругим режимом (в результате из­ менений атмосферного давления, под воздействием резких по­ рывов ветра, притяжения Луны и Солнца, увеличения или сня­ тия нагрузок на поверхность Земли проходящим поездом, выемкой пород и т. д.).

Роль отдельных режимообразующих факторов и условий в формировании режима подземных вод рассматривалась в ряде работ («Режим подземных вод», 1938; Альтовский, 1954; Коноплянцев, Ковалевский, Семенов, 1963), поэтому здесь мы кратко охарактеризуем особенности и механизм воздействия этих фак­ торов на подземные воды с учетом последних данных в этой об­ ласти.

КОСМОГЕННЫЕ ФАКТОРЫ

Одним из наиболее мощных внешних факторов, определяю­ щим особенности суточных, годовых и многолетних изменений в режиме подземных вод, является деятельность Солнца, вызы­ вающая изменения в режиме атмосферной циркуляции, гидро­ сферы и биологической деятельности на Земле. Как известно (Эйгенсон, 1957 и др.), одним из показателей солнечной актив­ ности является периодически изменяющееся число солнечных пятен и факелов в наиболее нижней, доступной для непосред­ ственных наблюдений, оболочке Солнца — фотосфере. Процесс роста и уменьшения числа пятен и факелов, вызываемый, повидимому, радиоактивным распадом во внутренней части Солн­ ца, имеет довольно четкую закономерность, получившую около ста лет назад название «11-летнего цикла солнечной активности».

Механизм солнечно-земных связей еще в достаточной мере не изучен, несмотря на многочисленные и многолетние иссле­ дования в этой области. Обычно различают два типа солнечного излучения — волновое, или электромагнитное, и корпускулярное.

Наиболее изменчивыми во времени являются короткопери­ одные электромагнитные излучения — рентгеновские и ультра­ фиолетовые, которые непосредственно воздействуют на атмос­ феру путем изменения ее ионизации н тем самым активизиру­ ют ее циркуляцию. Излучения в «оптическом»— световом — диапазоне волн оказывают влияние лишь на биосферу Земли, а эффект радиоизлучения в земных проявлениях не зафиксиро­ ван вообще. Изменчивость последних видов излучения не пре­ вышает 0,6% от их абсолютной величины, поэтому данные из­ лучения получили название солнечной постоянной.

Корпускулярные излучения (потоки заряженных частиц) подразделяются на непрерывные излучения «невозмущенного» Солнца — солнечный ветер (частицы низких энергий) и вспышечные излучения, представляющие собой плазменные облака и космические лучи,— частицы высоких энергий (протоны).

Вариации солнечной активности помимо чисел Вольфа вы­ ражаются и другими индексами, характеризующими различ­ ные стороны видимых проявлений деятельности Солнца. К ним относятся индексы площадей солнечных пятен и продолжитель­

их учета — а2) ; в — средняя продолжительность жизни повторя­ ющихся групп пятен, выраженная в оборотах Солнца; То — средняя продолжительность существования группы пятен в сут­ ках, а также индекс Ю. Бартельса аР , характеризующий кор­ пускулярное излучение Солнца, и индекс КР, связанный с низлкоширотным расположением солнечных пятен и определяющий геомагнитную возмущенность Земли (планетарную). Подробно данные вопросы рассматривались Л. А. Вительсом, И. В. Мак­ симовым, А. И. Олем, Б. А. Слепцовым-Шевлевичем, Б. М. Рубашевым, Е. С. Рубинштейн и> Л. Г. Полозовой, М. С. Эйгенсоном и другими исследователями.

Важной чертой солнечной деятельности является ее циклич­

Н. П. Смирновым (Максимов, 1970), установлено также нали­ чие циклов 6,1 и 15,1 лет. А. И. Олем вскрыты 5,5-или 5-6-лет- ние циклы в геомагнитной возмущенное™. При этом им уста­ новлено, что вспышечные корпускулярные потоки синхронны с солнечными пятнами, а рекуррентные потоки (спокойного Солн­ ца) имеют второй максимум через 5-6 лет после максимума 11-летней цикличности. Таким образом, геомагнитные индексы несут в себе одновременно черты и 11-летнего, и 5—6-летнего циклов. Б. А. Слепцов-Шевлевич после сглаживания различных

индексов площадей н продолжительности жизни солнечных пя­ тен по трехлеткам и вычитания сглаженных рядов из фактиче­ ских установил наличие четких 2-летних циклов в солнечной деятельности.

Изменения волновой радиации и корпускулярного излучения Солнца оказывают воздействие прежде всего на атмосферу, усиливая интенсивность ее циркуляции, изменяя барические ее поля и тем самым определяя режим переноса тепла и влаги в атмосфере. Наличие 2-, 5-6- и 11-летних солнечнообусловленных циклов было прослежено в различных природных процессах (в колебаниях температур воздуха и выпадения атмосферных осад­ ков, периодичности появления катастрофических засух, в уров­ нях озер н рек, в кольцах деревьев, в скоростях океанических течений, ледовитое™ северных морей, и т. д.). Аналогичная цикличность отмечалась неоднократно и в подземных водах (Басов, 1948; Шнитников, 1949; Дугинов, Коробейников, 1957; Коноплянцев, 1970 и др.).

Сопоставление данных наблюдений за режимом подземных вод с 11-летней цикличностью солнечной активности, выражен­ ной в рядах Вольфа, показывало в отдельных случаях при корот­ ких рядах наблюдений хорошую сходимость их колебаний рис. 1,п, в и г). Однако установить стабильные во времени свя­ зи между режимом уровней подземных вод и числами Вольфа пока не удалось. В частности, до 30-х годов нашего столетия меж­ ду уровнями грунтовых вод по шурфу 2 (Каменная степь) и чис­ лами Вольфа отмечалась связь близкая к прямой. В 30-х годах эта связь сменилась на обратную, а в 50—60-х годах — вновь на прямую (рис. 1, б). Удовлетворительных объяснений таких инверсий знака связей пока не найдено. Одной из гипотез это­ го явления, отмеченного не только в подземных водах, являет­ ся выдвинутое М. С. Эйгенсоном (1957) предположение о нало­ жении в указанные переломные моменты двух разных по фазе солнечных циклов— 11-летних и 6-летиих.

В частности, в колебаниях уровней грунтовых вод по шурфу 1 (Каменная Степь) автокорреляционным методом вскрывается наиболее четкий 16-летний цикл, который, по-видимому, об­ разовался за счет сложения 11- и 5,5-летнего солнечных циклов, не совпадающих по фазе.

В связи с этим более перспективным представляется сопо­ ставление колебаний уровней подземных вод с геомагнитным ин­ дексом /<Р, несущим в себе суммарные черты различных солнеч­ ных циклов и в целом отражающим сравнительно хорошо прог­ нозируемую гелиофизиками 11-летнюю цикличность солнечной деятельности, что является особенно важным^ Произведенная нами увязка колебаний среднегодовых уровней грунтовых вод по отдельным скважинам США и СССР с длинными рядами наблюдений показывает высокую сходимость этих колебаний (рис. 2).

Вместе с тем, массовый корреляционный анализ режима уровней подземных вод с различными индексами солнечной активности, включая числа Вольфа, показал наличие в целом низких корреляционных связей. Лишь изредка коэффициенты

Кр

>

этих связей достигают 0,69. Сравнительно лучшие связи уста­ навливаются с индексами Кр и магнитными бурями. В различ­ ных регионах, а иногда и в пределах локальных районов уста­ навливаются как прямые, так и обратные связи с солнечной ак­ тивностью за один и тот же промежуток времени, что свидетель­ ствует о значительной трансформации связей Солнце — подзем­ ные воды, возникающей в атмосфере.

В режиме подземных вод 5-6-летние циклы наблюдаются зна­ чительно чаще, чем 11-летние, и выражаются они более сущест­ венными амплитудами колебаний уровней подземных вод (до 50% и более от всей многолетней амплитуды). Природа этих колебаний сложная. Помимо 5-6-летних циклов, отмеченных

М.С. Эйгенсоном в солнечной активности, И. В. Максимовым и

Н.П. Смирновым (1965) были вскрыты 6-летние (в среднем