ГЛАВА 2. Данные о светящихся образованиях над Новосибирском
и методы их обработки

В составляемых программах исследований глобальных изменений окружающей среды процессы урбанизации являются первоочередными [21]. Озабоченность мировой общественности в последние годы нарастает и в глубину проблемы. Основными мотивами этой озабоченности служат [16, 20]:

- снижение потенциалов здоровья человеческой популяции;

- возрастание интенсивности и широты преобразования естественной среды биосферы и геолого-геофизического качества состояния планеты;

- появление и все более ширящееся развитие новообразованных процессов на стадии взаимодействия техногенных потоков и естественных потоков вещества и энергии.

Именно в связи с наращиванием частоты новообразованных процессов в урбанических зонах и обострилась проблема изучения аномальных явлений над техногенно измененной геологической средой территории городов [14, 21]. В этой главе мы ограничиваемся исследованиями аномальных явлений как светящихся образований, возникающих в атмосфере (включая и верхнюю) над территорией города Новосибирска.

2.1 Особенности наблюдательных данных

Имеющееся описание светящихся образований над территорией Новосибирска в широком пользовании называются по разному: "аномальные явления", "необычные явления", "НЛО" и др.

Здесь мы не будем давать классического определения наблюдаемому явлению, а приведем некоторое его содержательное наполнение. Подчеркнем, что в случае этих феноменов наблюдатель обычно сталкивается с эпизодом местного энергонасыщения среды, далеко выходящего за обычные (фоновые) содержания энергии. Как правило, данное, видимое простым глазом событие, проявляется разнообразно, особенно когда дело касается общего состава феноменов: электромагнитное излучение светящихся образований (в видимом и невидимом диапазоне), мощные акустические сигналы, кратковременные тепловые флуктуации, сгущение аэрозолей до плотной светящейся пелены и др. Аномальные явления могут регистрироваться как в ближнем космосе, так и в приземной атмосфере, литосфере, гидросфере (типа Эль-Нинье у Перуанского побережья — резкое возрастание температуры большого объема океанической воды на дни рождества Христова).

Причины, порождающие светящиеся образования, тоже весьма разнообразны. Для некоторых их видов эти причины все еще не установлены, даже в первом приближении. Как правило, полностью не поддающихся идентификации необычных явлений менее 8% от общего состава архивных данных. Большинство же наблюдательных материалов имеют моно- или полипричинную основу. Так довольно значительное число событий контролируется метеообстановкой (грозовая активность, температурные перепады, резкий перелом поля давлений атмосферы, смерчи и др.). Разнообразные виды явлений генерируются внезапными изменениями геофизической обстановки в верхнем полупространстве — атмосфере, ионосфере, магнитосфере (геоэффективные вспышки на Солнце, сильные геомагнитные бури и возмущения в ионосфере, всплески интенсивности импульсного электромагнитного поля Земли).

Как показали исследования, подавляющее число событий возникает в зонах вертикального энергоперетока в так называемых энергоактивных зонах. Здесь возникновение свечений может стимулироваться целым рядом геологических причин, которые зависят от качества геолого-геофизической среды как верхнего, так и нижнего полупространства. Особое значение имеет приуроченность территории к напряженным тектоно-физическим зонам, сейсмонагруженным участкам, шахтным полям, зонам разломов, рудным телам, ледникам, оползневым районам, знакопеременным магнитным аномалиям, местам аномалии электропроводности горных пород, максимально технонагруженным районам.

Над территорией Новосибирска свечения генерируются как суммой техногенных воздействий, так и состоянием геолого-геофизической среды, которая была охарактеризована в предыдущей главе. Из основных техногенных причин укажем на следующие [14, 19]:

1) Выработка, передача и потребление электричества в энергонасыщенных пунктах (вся система низко- и высоковольтных подземных и надземных электропередач); возникновение рядов событий с аномальными концентрациями теллурических электротоков;

2) Суммарный эффект теле- и радиоизлучателей по всему вещательному диапазону, включая и энергоемкие средства связи в радиодиапазоне [1,2];

3) Все виды постоянных и импульсных вибронагрузок на территории города (все виды транспорта, производственные системы генерации сотрясений, включая взрывы, забивки свай и др.).

Среди основных стимулов генерации свечений, связанных с качеством геолого-геофизической среды, основными являются:

4) Электрогенерация в горных породах на территории города (наличие упоров и сминающихся пород);

5) Наличие разломов и трещинообразования в кристаллическом основании города (особенно гранитов).

6) Наличие неотектонических движений и активной речной сети (гальванические сценарии электрогенерации с учетом жидких промышленных отходов).

Нередки случаи, когда определенные светящиеся образования в атмосфере возникают от комплексирования ряда причин (например: наличие промышленных аэрозольных пятен, грозовая обстановка, ионосферное возмущение, геомагнитная буря). Мы не будем здесь детально касаться сложных вопросов физики возникновения, существования и исчезновения светящихся атмосферных явлений. Только отметим, что все более настойчиво в отчетных материалах и печати (особенно по данным Томской школы исследований) появляются предположения и утверждения о наличии светящихся образований под общим названием — электромагнитные системы [17, 18].

2.2 Постановка задачи

В связи с тем, что выход на данную задачу производится впервые в отечественной и мировой практике, то уже на этапе постановки задачи возникают большие затруднения. Имеющийся задел по анализу данных регионов вне урбанических зон [6, 7] помогает осуществить общее направление движения исследования, но городская специфика и недостаточность изучаемой выборки (а также короткие временные ряды случайных наблюдений) резко наращивают трудоемкость отдельных шагов решения задачи и ветвят задачу по неожиданным вопросам. Тем не менее нужда в постановке и решении резко возрастает как с исследовательских, так и практических требований градосостояния, градостроительства и медико-биологических проблем.

Целесообразно рассмотреть общую схему постановки задачи, как первый этап ее решения (рис. 2.1). В соответствии с проблемной ситуацией и целеуказанием, задача в общем виде может формулироваться как: ИССЛЕДОВАНИЕ НЕОБЫЧНЫХ ЯВЛЕНИЙ (СВЕТЯЩИХСЯ ОБРАЗОВАНИЙ) В АТМОСФЕРЕ И БЛИЖНЕМ КОСМОСЕ НАД ТЕРРИТОРИЕЙ ГОРОДА НОВОСИБИРСКА И ПРИЛЕГАЮЩИХ ТЕРРИТОРИЙ ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЕ ОБЩИХ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИХ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И ОБНАРУЖЕНИЕ ВЗАИМОСВЯЗЕЙ С ТЕХНОГЕННОЙ И ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ СРЕДОЙ.

Такая формулировка задачи охватывает широчайший круг вопросов, связанных с физикой, геофизикой и техногенными процессами. Естественно, что исчерпывающих ответов на вопросы, содержащиеся в общей задаче, мы не получим. Но подразделение ее на ряд подзадач должно привести нас к результатам практического, теоретического и прогностического характера. Получение хотя бы предварительных результатов по новому геоэкологическому направлению крайне важно.

Согласно первому этапу решения (рис. 2.1) приходим к последовательности шагов решения подготовительного характера. Итогом весьма трудоемкого первого этапа является построение таблиц исходных данных для дальнейшего этапа по компьютерной и аналитической обработке данных. Конкретные правила и операции по препарированию мобилизованной информации кратко изложены в последующих разделах.

Второй этап решения задачи (рис 2.2) включает в себя основные моменты анализа временных пространственных и геофизических характеристик исследуемых событий. При исследовании временных особенностей проявления событий представилось возможным и полезным кроме обычных первоначальных статистических оценок провести анализ выделенных по совокупности критериев временныхрядов. Для этого потребовалось адаптировать и применить метод максимальной энтропии [3, 4] пригодный для коротких рядов наблюдений. При этом не обошлось без введения некоторых предположений и допущений. В плане анализа пространственных характеристик (размещение событий над территорией города) решались задачи картирования встречаемости событий с подразделением выборки на низкие и высокие. Подзадача, связанная с отслеживанием гео- и гелиофизических параметров нацелилась на, хотя бы, приближенное выяснение возможной природы наблюдаемых явлений. Этот раздел является наиболее проблематичным и в тоже время весьма информоемким. Получение сведений по этому направлению может сильно профильтровать дальнейшее исследование. Кроме того, в связи с учащением встречаемости новообразованных процессов гео- и гелиофизические данные могут определить комплексные энергетические вклады со стороны природных и техногенных процессов.

Третий этап решения можно условно назвать интерпретационным. Этот этап содержательно независим и экологоориентирован. Он включает в себя основной раздел по сейсмобезопасности и общей канве интерпретационного характера приводит к постановке очередных задач. Задачи эти связаны, с одной стороны проблемами отслеживания и анализа светящихся образований на территории города и, с другой стороны, сцеплены с проблемами сейсмического мониторинга, общего уровня вибрационного, акустического, электромагнитного загрязнения города и реакции геолого-геофизической среды на это загрязнение.

2.3. Мобилизация информации и вопросы классификации конкретных описаний

При мобилизации информации использовались наблюдательные данные как отдельных граждан города (или их групп), так и данные метеоцентра, геофизической обсерватории, гражданской авиации и других официальных и неофициальных источников. Собранная совокупность данных (n=211) была подвергнута анализу на предмет организации выборки, имеющей геофизическую или невыясненную природу своего происхождения. После процедуры отбраковки наблюдений, имеющих техногенную природу (запуски, технометеоры, летательные аппараты) и ошибочную диагностику (принятие за аномальный объект: планеты, отблеска Луны, грозовых свечений, шаровых молний, необычных облачных образований и др.) к картированию по территории города было оставлено 82 аномальных явления. Эта выборка и легла в основу дальнейших исследований. Конечно, мы представляем себе недостаточность величины выборки, но возможность обнаружения общего характера размещения событий по территории города и необходимость создания и проверки методик анализа исходных данных поощряет усилия в плане становления исследования аномальных явлений в урбанических условиях.

2.3.1. Фактический материал

Исходным фактическим материалом, мобилизованным для работы, послужили в основном письма очевидцев тех или иных явлений, происходивших на территории г.Новосибирска и Новосибирской области. Нами анализировались сообщения, присланные в Комиссию по аномальным явлениям (г.Москва) и Комиссию по метеоритам и космической пыли при Институте геологии и геофизики СО АН СССР (г.Новосибирск). Письма, как правило, содержат следующий набор параметров наблюдаемых явлений: внешний вид, место, время, скорость, длительность, высота и т.д., позволявших привлечь данные для различных видов математического анализа. Помимо организаций (станции Гидрометеослужбы, ПВО и др.) в архив данных поступали сообщения (чаще всего письма) от редакций газет города.

Социологическая справка контингента наблюдателей за малостью данных — весьма краткая. Из 89 наблюдателей мужчины составляют 61,8%, женщины — 38,2%. Возраст наблюдателей равномерно распределен в интервале от 10 до 70 лет. Характерной чертой анализируемой выборки является то, что среди наблюдавших и представивших письменные отчеты 74,4% людей с высшим образованием. Широк диапазон и профессиональной занятости, но в основном наблюдатели техно-физического профиля.

В силу существенных вариаций в описаниях, вызванных индивидуальными особенностями авторов, и вследствие различного характера самих явлений невозможно установить однородный список характеристических параметров для всех писем (многие описания, например, не содержали точного указания места и времени), поэтому выборки данных были существенно меньше общего объема писем. Они образовали взаимно пересекающие группы неодинакового объема. Кроме того, различные виды анализа требовали различной характеристики и степени достоверности разделения явлений на те или иные виды, в силу чего отбраковывались многие наблюдения с недостаточно выраженными признаками для заданной цели обработки данных.

К временному анализу привлекались те события, для которых была известна точная дата. Дата и время наблюдения (если время было известно более или менее точно) использовались для установления даты события в унифицированном, мировом времени (UT). Дополнительно мобилизовались данные по геомагнитной активности (индекс C9) и вычислялись земные сутки солнечного оборота учитывался и номер оборота Солнца (по Зосимович [11]). По данным комплексной геофизической обсерватории определялись нагруженные дни, которые характеризовались геомагнитными параметрами (H, Z, T) для конкретного выяснения геомагнитной ионосферной обстановки. Отметим также, что наиболее ранние наблюдения относятся к 60-м годам нашего века, наиболее поздние — к 1991 году.

2.3.2. Вопросы классификации исходных данных и конкретные примеры описаний

Из описаний следовало, что подавляющее число наблюдавшихся свечений относится к так называемым "непериодическим быстропротекающим явлениям в окружающей среде" или "аномальным явлениям". Для их исследования и интерпретации разработаны методы, позволяющие во многих случаях судить о природе этих феноменов, об особенностях геолого-геофизической обстановки, в которой они развиваются [5, 8, 18, 19].

Проведенные ранее исследования показывают, что для возникновения определенных видов светящихся преобразований требуются определенные сочетания условий природного или техноприродного состава [6, 7]. В частности, большое значение имеют активность Солнца, геомагнитные состояния, локальные процессы литосферной электрогенерации и др. [5, 8, 10]. Энергия, выделяемая при производственно-технической деятельности человека в виде тепла, вибраций, электромагнитных излучений, может стимулировать генерацию светящихся образований [1, 2, 9]. Она создает эффект умножения, особенно в тех местах, где геолого-геофизическая среда и без того сильно напряжена. Как раз те или иные виды свечений, как оказалось, могут служить индикаторами состояний последней [8, 10], а также характеризовать уровень техногенного давления на какие-то ее компоненты.

Для предварительной классификации было отобрано 120 событий. Было целесообразным совокупность событий разделить на два условных класса. Эта условность вытекала из того, что авторы не располагали точными данными о возможной природе явления. Поэтому границы выделенных классов являются размытыми, а основанием подразделения послужили признаки форм, динами и светимости (рис. 2.3).

1. Первый класс явлений — электромагнитные системы (ЭМС) подразделен на:

а) электромагнитные системы типа светящихся полос, лучей, вуалевидные и диффузные сияния типа полярных;

б) облакоподобные ЭМС — различные изометричные пятна на небе специфической формы и характер перемещения объекта, многозвездчатые структуры, цветной туман;

в) плазменные ЭМС — замагниченные образования из плазмы в виде шаров, светящихся облаков, колец, цилиндров, конусов, звезд с оболочками и т.п.

Достаточно типичную ЭМС, в тоже время отличную от шаровой молнии, наблюдали осенью 1970 г. в Академгородке. В течении 20-25 минут люди видели беловато-желтый шар с шлейфом в форме запятой, летящий со скоростью бегущего человека и вызывавший треск радиоприемника на средних волнах. Объект завис над Университетом, затем продолжал движение и исчез над горизонтом.

В декабре 1983 года в Новосибирске наблюдалась ЭМС другого типа — в форме спутанной веревки яркожелтого цвета. Свечение по величине было гораздо больше Луны, по словам очевидца — "с крупнопанельный" дом, продолжалось не менее 45 минут и с рассветом рассеялось (проверка на слив ракетного топлива и инжекцию паров металлов не подтвердилась).

Объект более сложной формы, который также можно отнести к электромагнитным системам, наблюдался в июне 1980 г. в Академгородке на реке Зырянка глубокой ночью. Два сильных огня, "как фары автомобиля", окруженные двумя овальными, один в другом, широкими голубыми ореолами быстро двигалось ниже облаков в полной тишине один за другим в течение 3-5 минут. При входе в неплотные облака ореолы светились сильнее.

Объекты, по своему проявлению сходные с вышеописанными, довольно часто наблюдаются над тектононапряженными территориями Горного Алтая. Характер их распространения на местности, в частности, трассировка ими глубинных разломов, позволяет в большинстве случаев дать им геолого-геофизическую интерпретацию. Надо отметить, что над Новосибирском такие светящиеся образования встречаются в большинстве случаев, в местах разломов гранитного массива. Однако, велик процент достаточно специфических нестандартных форм, что позволяет говорить о существовании особых, присущих городской среде, механизмов их генерации.

Основная сложность при классификации как раз и состояла в том, что существует большое разнообразие форм светящихся образований. Некоторые объекты способны в процессе своего проявления преходить из одного класса в другой, что размывает границы классов и говорит о их сложной физической природе. Случай с переменной принадлежностью к классу произошел в 1974-75 году на реке Обь в районе порта. Капитан небольшого грузового судна и его товарищ наблюдали шарообразную электромагнитную систему. Светящийся шар перемещался выше редких облаков поперек течения р.Оби. За три минуты он пересек реку и над кромкой воды у левого берега вдруг погас. Под местом исчезновения от облаков до воды протянулись странные лучики. Они располагались кольцом, образуя стенки полупрозрачного цилиндра, сквозь которые были видны огни города. В бинокль лучики выглядели как спицы, тонкие и яркие, причем явно не световые, т.к. не расширялись и не теряли яркости по длине. Они как бы "упирались" в воду, частью в берег и стоящую неподалеку от берега баржу, ничего при этом не освещая. Это длилось всего три секунды. Лучики исчезли, наверху снова "зажегся" шар и двинулся дальше, постепенно скрываясь в дымке.

Энергетически насыщенная среда индустриального города дает возможность проявления новых необычных явлений и взаимодействий. В 1978 году на ул. Олеко Дундича произошел интересный случай взаимодействия электромагнитной системы с объектом городского энергоснабжения. Оказавшийся около часа ночи на улице очевидец услышал резкий монотонный гул. Повернув голову, он увидел несущийся с большой скоростью светящийся объект, представляющий собой два как бы слипшихся друг с другом матовых шара с окружающим их овальным ореолом. По словам очевидца, матовые шары состояли из "силовых линий" (см. рис. 2.4). На концах угадывались два сгущения, на которых "замыкались" эти "силовые линии". Вдруг объект стал замедляться, снижаться и остановился над трансформаторной будкой. Здесь ореол начал "перетягиваться" посередине, разделяя систему напополам. После деления возникли два шара со спиральными линиями (матовыми) внутри. Один шар стал медленно угасать, а второй с гораздо большей скоростью (как у реактивного самолета) полетел дальше и скрылся за домом.

Факт привязки к объекту электроснабжения говорит о взаимодействии подобных образований с электромагнитными полями (и не только техногенной природы) и, в частности, о возможной энергетической "подпитки" этих структур в энергонасыщенных областях пространства, в данном случае около трансформаторной подстанции.

Электромагнитные системы способны принимать не только простые геометрические формы. В 1976 году над Домом офицеров была зафиксирована ЭМС в форме свастики. Она светилась бело0голубым огнем и вращалась, приподнимаясь и опускаясь на месте, рассыпая с концов снопы искр.

Были случаи выраженного биоэффективного воздействия некоторых светящихся объектов на человека и животных. Одно из таких явлений произошло в марте 1985 г. на Затулинском жилмассиве. Очевидец смотрел телевизор. Изображение на экране почему-то стало прыгать вверх-вниз. Подойдя к балконной двери, очевидец увидел на небе "экран" ярко гранатового цвета, который совершал колебательные движения вместе с "дерганиями" изображения на экране телевизора. На некотором расстоянии от углов "экрана" располагались как бы шарики, которые "прыгали" и вибрировали вслед за ним. В теле наблюдателя появилось ощущение, как будто по нему "протекал ток низкого напряжения". После наблюдения болела голова, навалился сон, очевидец заснул и проснулся к вечеру следующего дня.

В другом случае на появлении объекта — шарика бледносвинцового цвета со звездочкой в центре, диаметром около 5 сантиметров — отреагировали животные. Собаки и кошки целого квартала выли и кричали, пока объект не удалился.

Видно, что феномены, подобные вышеописанным, имеют сложное многофункциональное взаимодействие с окружающим миром, "многоприродность" своего состава. Наши знания о них требуют существенного расширения. "Обычная" шаровая молния, по-видимому, есть лишь частный случай плазменных электромагнитных систем-энергофоров.

II. Второй класс — "квазитехнические системы" представляют собой образования еще более условные. Собственно — это объекты с выраженной технической "аппаратной" феноменологией: игрой огней, лучами цвета, формой, привычно ассоциируются людьми с объектами технической природы, — их было немного, в пределах 6-8%. Основную же массу составили явления, обладающие лишь некоторыми "аппаратными" признаками: перемещения с остановками и изменением направления, миганиями, мгновенными перскоками при движении и т.д. Весьма вероятно, что многие из них, если не большинство, имеют электромагнитную природу, именно для отражения их отмеченного сложного поведения они были внесены в этот класс.

Второй класс разделен на подклассы более подробно6 поскольку объекты класса хорошо описываются независимыми наблюдателями как:

а) тарелкообразные объекты,

б) шары,

в) усложненные геометрические формы (для низких объектов),

г) неблизкие объекты, выглядящие как диски на небе,

д) звездообразные объекты со сложным поведением , усложненные звездообразные объекты(с кольцами, пучками и т.п.), группы огней.

Примером "квазитехнического" поведения может служить следующее наблюдение. В один из вечеров зимы 1974 гг. очевидец увидел медленно перемещающийся луч света, который появился над крышей соседнего дома. Обращала на себя внимание резкая очерченность границ луча. Через несколько минут стал виден источник этого странного света, показавшийся в проеме между домами. Это был круглый, серебристого цвета, искрящийся как снег, предмет, который двигался с той же скоростью, что и луч. Луч исчез, а предмет стал подниматься, удаляясь от очевидца и оставляя за собой винтообразный шлейф. Шлейф двигался за предметом, образуя 2-3 витка, в последний виток проглядывало небо.

Более сложное поведение демонстрировал светящийся объект, который наблюдали несколько человек в июле 1990 г. с балкона дома на улице Гоголя. Один или два огня, меняя цвета — то красный, то голубой — совершали "маневры" в вечернем небе. Они двигались зигзагами — вверх, вниз, в стороны, уходили в тучу, появлялись через несколько минут в другом месте. В течении полутора часов объект (или объекты) беспорядочно прыгали, скакали, мигали, изчезая и вновь появляясь. Иногда они "заскакивали" достаточно низко, так, что в видоискатель фотоаппарата, которым их пытались сфотографировать, были видны городские огни. После того, как тучи разошлись, на небе была видна звезда, более голубая, чем другие, которая удалялась в сторону Гусинобродского шоссе.

В мае 1980 г. в Академгородке наблюдался звездообразный объект со сложным поведением. Одна из звездочек на небе внезапно вытянулась в вертикальную линию вверх. Над этой линией зажглась другая звездочка, меньших размеров, но большей яркости, после чего линия погасла. Звездочка начала двигаться горизонтально, быстро угасая. По направлению движения звездочки появились 3 сильных световых вспышки — белая, голубая, розовая, с интервалом в 1 секунду. Далее по траектории движения повторились четыре серии вспышек, которые постепенно ослабевали.

В отличие от большинства явлений, данные феномены, очевидно, не будут поддаваться геолого-геофизической интерпретации, однако и эти наблюдения представляют большой естественный интерес и со временем, возможно, дадут ключи для понимания многих интереснейших проблем. В заключении раздела приведем примеры с развитой "аппаратной" феноменологией.

В апреле 1980 г. в Академгородке наблюдался оранжево-красный шар, размером чуть больше Венеры, который двигался чуть быстрее спутника. Когда шар был в зените, то справа, то слева по ходу движения появлялась оранжево-красная звездочка и на полторы секунды включился белый конус света, исходящий от шара. Конус имел четкие края. Далее, по ходу движения шар не был виден, но через некоторое время включался свет.

Два одинаковых явления произошли с интервалом приблизительно в год — в 1979 и 1980 годах в Академгородке. Оба раза со стороны Обского моря вдоль Морского проспекта двигался объект, похожий на уличный фонарь. Затем "фонарь" на некоторое время зависал над Домом ученых и резко взмывал вверх, удалялся, превращаясь в звездочку, и исчезал.

В письмах очевидцев имеются описание и классических "тарелок", которые наблюдались над Новосибирском. Осенью 1976 года было сделано очень интересное наблюдение в районе ул.Автогенной. Очевидец, оказавшийся на улице около 11 часов вечера, увидел в небе быстро и беззвучно приближающуюся тарелку. Посредине плоского диска возвышался светящийся купол голубовато-зеленого цвета. Тарелка зависла и развернулась. Стал виден ребристый вращающий край, из ребер диска как бы вырывались "выхлопные газы". На землю бил узкий луч "прожектора", который потом расширился, а окружающие предметы в нем выделились ярко и неестественно контрастно. Сначала тарелка вращалась в одну сторону, потом остановилась и стала вращаться в другую. Через некоторое время скорость вращения возросла, тарелка развернулась, превратилась почти в линию, и мгновенно удалилась.

Приведенные примеры отражают разнообразие явлений, происходящих в верхнем полупространстве Новосибирска, могут служить первоначальной основой для более детального изучения взаимодействия светящихся образований и городской среды.

2.4. Методические приемы обработки данных

Разрозненность и высокая неопределенность поступающих на анализ описаний светящихся образований накладывает особые трудности даже на этапе первичной обработки данных. Кроме того хорошо отработанные методы научного анализа информации зачастую не приспособлены к работе с массивами данных, которые описывают "объекты без названия". Поэтому в ряде случаев мы прибегали к простейшим методам подразделения объектов и вычисления руководствующего параметра.

Касаясь методического обеспечения, отметим, что основным подходом анализа данных был перечень логических и математических операций, разработанный для нужд геологического прогноза и разведки [12, 13, 15]. Кроме того, использовались возможности компьютерного картопостроения, а также был применен большой опыт работы по анализу аномальных явлений в атмосфере и ближнем космосе при решении ряда специальных и прикладных задач, связанных с энергоемкими процессами техногенного вида [1, 2, 9]. В методологическом плане данная работа выдержана в русле работ и направлений, развиваемых Томской и Новосибирской школами по изучению непериодических быстропротекающих процессов в природной и техногенных средах [17].

2.4.1. Общие требования и составление карт

Особое место в анализе массива данных по светящимся образованиям занимает картирование встречаемости событий на исследуемой территории. Метод картирования первоначально был разработан и применен в геоактивных и энергонасыщенных районах Горного Алтая и его обрамлении [8, 10]. Его применение к городским условиям потребовала ряда модификаций. Эти модификации связаны с требованиями большей детальности. В частности, оказалось важным подразделение событий на высоко- и низколокализуемые.

В плане регистрации событий имеются два источника информации:

- стохастический фиксатор стохастического события (наблюдатель — человек) и

- детерминированный фиксатор стохастического события (приборная регистрация события).

Характерно, что достоверность каждого случая фиксации святящегося образования может иметь высокое значение неопределенности в своей реальности, но анализ статистических выборок может вскрыть неожиданные закономерности проявления событий и навести на особые участки города высоких частот встречаемости. Геолого-геофизический опрос этих особых точек, как было установлено для горно-таежных условий, вскрывает аномальное поведение геофизических полей [8, 10]. Это подтверждает объективность фиксируемых событий и указывает на энергоактивные районы. В целом, метод исследования единичных событий и их статистических выборок обнаруживает "трехфазность" проявления светящихся образований: предшествующие события, проявления основного события, процессы развивающиеся после основного события. Менее всего изучены предшествующие события ("форфеномены"), в большей степени последующие события ("афтерфеномены"). Наличие устойчивых последующих процессов вслед основному событию является дополнительным критерием объективности аномальных явлений.

Не вдаваясь в методику конкретного исследования природы и эффективности воздействия светящихся образований на технические системы и живые среды, мы перейдем к изложению общих подходов к картированию событий в городских условиях.

По мере изучения размещения точек наблюдения светящихся объектов на плане города и выявление сгущений встречаемости событий, осуществлялся переход к картопостроению. Опыт картирования частот встречаемости событий и прогнозируемых объектов геологии и нефтегеологии (вплоть до конкретного места бурения скважин) был применен с соответствующими поправками. Построение сводилось к трем основным этапам работы:

- построение карты фактического материала, на которую наносились точки конкретных наблюдений, прошедших процедуру отождествления;

- по карте карте фактического материала составлялась прямоугольная числовая матрица, в которой отражалось число событий на определенной площади внутри города;

- производилось компьютерное картопостроение по числовой матрице исходных данных.

Карта фактического материала строилась путем вынесения точек наблюдения на план города согласно указанному адресу в наблюдательном отчете (письме, телеграмме, телефонограмме, радарному указанию и пр.). Далее карта расчерчивалась на квадратные ячейки (m*n=18*16, где число строк =n, а число столбцов матрицы =m). Производился подсчет точек наблюдения для каждой клетки и составлялась числовая матрица исходных данных (табл. 2.2). Операции картопостроения предшествовал визуальный анализ матрицы данных и выбор алгоритмов картопостроения. Использовались два метода построения в двух- и трехмерных случаях: разностный метод (квадрат или куб разности) и метод Крайгинга. Непосредственная рисовка карты осуществлялась по программе для персональной ЭВМ типа ЕТ системы IBM.

При анализе временных рядов и выявлении возможных периодов проявления событий по исследуемой территории, применялись методы минимальной энтропии, хорошо зарекомендовавшие себя при решении задач палинологического и климатического характера, связанных с проблемами прогнозом по Сибири [13]. Периодограммы строились для обнаружения периодичности по числу земных суток солнечного оборота и усредненных значениях общепланетарного геомагнитного показателя (C9). При обычной статистической обработке использовались обычные приемы гисто- и графопостроения для той или иной выборки, образованной согласно задаваемому целеуказанию.

Во многом применяемые методики для решения данной задачи имеют поисковый и опытный характер. Однако необходимость продвижения в решении проблемной ситуации с аномальными явлениями становиться все более настоятельной, а создание схем и методик научного учета и анализа трудноусваиваемого предмета исследований просто неизбежны. Имеющиеся опыты и подходы этих исследований как за рубежом, так и в нашей стране, находятся в зачаточном состоянии. Поэтому предлагаемый опыт решения задачи как по постановке, так и по методам анализа, является новым и, конечно, не лишенным изъянов и неточностей. Тем не менее, как показал ход решения некоторых шагов задачи, получен весьма интересный и экологозначительный материал для оценки состояния города.

В связи с тем, что вопрос периодизации процессов в геолого-геофизической среде представляет собой особую важность, мы дадим более подробные сведения о методе максимальной энтропии для поиска скрытых закономерностей поведения аномальных явлений во времени.

2.4.2. Сведения о методе максимальной энтропии

Спектральный анализ временных рядов позволяет на количественной основе установить, существует ли периодичность в исследуемом ряду наблюдений и какие периоды являются при этом доминирующими. В настоящее время имеется ряд методов спектрального анализа временных рядов, позволяющих выявлять скрытую периодичность.

В 1967 году Дж.П.Бургом [3, 4] предложен метод максимальной энтропии (maximum entropy method, МЕМ), который специалистами считается в настоящее время лучшим методом спектрального анализа временных рядов. Этот метод позволяет подавлять шум, различать тонкости спектрального распределения и применим как для коротких, так и для длинных временных рядов. Идея метода состоит в том, что выбрать неизвестные автоковариации p(M+1), p(M+2) и т.д. таким образом, чтобы энтропия H процесса была максимальной при каждом шаге K (K>M).

Задачу, решаемую с помощью метода максимальной энтропии для временного ряда, можно сформулировать следующим образом: требуется найти плотность вероятности p(X , ..., X ), которая имеет максимальную энтропию и одновременно удовлетворяет ограничениям, в которых заключена вся информация о временном ряде.

В настоящее время понятием энтропии широко пользуются в физике, биологии, теории информации. Оно определяет такую меру в пространстве распределения вероятностей, что распределение с большей энтропией более вероятно, чем с меньшей. Это утверждение исходит из того, что природные процессы всегда стремятся привести систему в равновесное состояние, в котором энтропия максимальна.

В теории случайных процессов энтропия используется в качестве критерия для оценивания частот в случайном эксперименте, о котором имеется неполная информация. "Принцип максимальной энтропии гласит: если мы делаем выводы на основе неполной информации, то должны опираться на такое распределение вероятностей, которое имеет максимальную энтропию, допускаемую нашей априорной информацией" [13]. Поэтому предсказание по методу максимальной энтропии являются наиболее надежными из тех, которые могут быть сделаны при данной информации. Максимизация энтропии защищает от предсказания ложных деталей, для которых в данных нет предпосылок.

Теорема о концентрации энтропии устанавливает фундаментальную роль энтропии как критерия для проверки на основе частных данных гипотез о любых систематических воздействиях. При анализе дискретных временных рядов X, ..., X обычно имеется информация о взаимном влиянии исходов h(X,X), относящихся к различным моментам времени. В общем случае при этом обязательно появляются систематические эффекты, приводящие к возникновению статической связи между последовательными исходами X, а распределение с максимальной энтропией, учитывающее это дополнительную информацию, выявит возникшую корреляцию.

Исходя из принципа максимальной энтропии, Дж.П.Бург в 1967 году впервые получил аналитическое выражение оценки спектральной плотности, которое приводится в работе [ ].

::

где k — число отрезков для m временных сдвигов (задержек), I — информационное множество, — множитель Лагранжа, f — частота.

Формула (I) дает количественную оценку явления концентрации энтропии при конечном числе N испытаний в случайном эксперименте. Оценка по методу максимальной энтропии способна обеспечить сколь угодно высокое разрешение, если данные содержат сведения о наличии острых максимумов в структуре вероятности распределения при заранее гарантированной точности значений корреляционной функции R.

Таким образом, если автокорреляционные данные о корреляционной функции R получены из конечной выборки X ... X, а в X присутствует синусоидальная составляющая, которая на интервале дискретизации 0 i T не имеет целого ряда периодов, то формула (I) является оптимальной оценкой спектральной плотности циклического процесса, у которого через регулярные интервалы (T+1) происходит скачок фазы. Решение (I) оценивает спектр определенного ряда X ... X, который порождает автокорреляционные данные о корреляционной функции.

По определению из [7, 8] спектральная плотность S(f) стационарного процесса X есть преобразование Фурье от автоковариационной функции p(k). Таким образом, исходя из принципа максимизации энтропии H можно получить оценки спектральной плотности S(f) по выражению, которое приведено в работе [25].

::::

где P =const; Y — коэффициенты автоковариаций, определяемые из матриц ковариацией; t — шаг дискретизации; f — циклическая частота; f = (2 t) — частота Найквиста.

Метод максимальной энтропии, как и любой другой метод спектрального оценивания, можно интерпретировать как решение задачи авторегрессионого оценивания. При этом оценка спектральной плотности сводится к оценке авторегрессионных коэффициентов процесса. В связи с этим утверждением покажем, что формулы спектральной плотности, полученные из максимума энтропии, и для линейного процесса авторегресии совпадают.

Процесс авторегресии м-го порядка имеет вид:

:::

где м — порядок авторегрессии; t=1, 2, .., N; a — белый шум с дисперсией.

Спектральная плотность процесса авторегрессии определяется преобразованием Фурье от обеих частей уравнения (#) и имеет вид:

::

где м — порядок авторегрессии, a — коэффициенты авторегресии м-го порядка, f — частота, — ошибка прогноза для авторегрессии м-го порядка.

Метод максимальной энтропии обладает рядом преимуществ перед остальными методами спектрального анализа. Спектр, полученный методом максимальной энтропии, характеризуется наибольшей детальностью. Основные преимущества этого метода таковы:

а) детальное распределение спектра позволяет точно установить период максимумов;

б) спектральная оценка очень выразительна, даже когда период сравним с длиной исходной последовательности;

в) длиннопериодная составляющая шума полностью устранена;

г) можно не проводить предварительное сглаживание ряда наблюдений, так как оно может проводится самим методом с помощью авторегрессионной модели.

Применение этого метода позволяет не только получать более достоверные результаты по сравнению с другими методами спектрального анализа, но, что не немаловажно, выделять периоды, равные длине исходной реализации (так, по методу Блекмана-Тьюки можно выделить периоды длительностью не более 1-3 ряда).

Метод максимальной энтропии особенно удобен при спектральном анализе процессов авторегрессии. При этом предполагается, что ряды содержат в себе периодические составляющие и что спектр должен иметь три-четыре максимума, а мы хотим оценить их расположение.

Наличие априорных сведений об исходной информации, перечисленные особенности и возможности метода определяют круг задач, решаемых с его помощью. Метод используется геофизиками, палеомагнитологами и специалистами других областей знаний.

Задача обнаружения периодичности возникновения светящихся образований может быть сформулирована в соответствии с [27], следующим образом. Имеется временной ряд динамики изменения исследуемого параметра (в нашем случае частоты наблюдений свечений). Требуется установить наличие периодичности, выявить ее структуру, закономерную составляющую и определить ее временную приуроченность.

Решение поставленной задачи исходит из того, что большинство природных процессов относятся к классу случайных стационарных процессов. Наиболее соответствующей реальности динамической моделью, описывающей природный процесс, может служить гармоническая модель в виде ряда Фурье:

::::

Каждая гармоническая составляющая этой модели характеризует колебательное движение с присущим только ему периодом T, амплитудой A и начальной фазой :. Следовательно, реализация периодического процесса, зафиксированная в виде временного ряда наблюдений, представляет собой сумму гармонических составляющих.

Этот суммарный может быть разложен на простые составляющие, каждая из которых представляет собой доминирующие колебания со своими параметрами — периодом, амплитудой и начальной фазой, т.е. тем самым будет выявлена скрытая периодичность. Такая задача решается методами анализа временных рядов, основное назначение которых — определение частотного спектра по одной из его реализаций. На основе спектральной оценке выявляются доминирующие периоды в исследуемом ряду наблюдений. Следовательно, решение задачи обычно сводится к оценке параметра динамической модели [3].

2.4.3. Вспомогательные процедуры

Исходным материалом служат дискретные ряды, составленные по наблюдениям за исследуемым параметром. При этом требования к исходной информации таковы:

1) ряд должен быть полным, без пропусков в наблюдении;

2) информация представлена с равномерным шагом по времени;

3) ряд обладает свойствами стационарности и эргодичности. Интервал отсчета t определяет максимальную частоту (минимальный период), которую можно различать при спектральном анализе данного ряда.

..................................

Стационарность функций предполагает приблизительно однородное протекание процесса во времени, а эргодичность — достаточность (представительность) одной реализации функции для его статистического описания.

Алгоритм исследования периодичности изучаемого временного ряда состоит из следующих процедур:

1. Проверка ряда на стационарность и эргодичность. При положительном результате проверки переходят к следующему этапу обработки.

2. Оценка спектра исходного материала методом максимальной энтропии. По наличию пиков в конфигурации спектра судят и присутствии в исследуемой совокупности значимых гармонических составляющих, а тем самым фиксируют доминирующие периоды и их число.

3. Определение параметров гармонических составляющих ряда (амплитуд и начальных фаз) на каждой частоте (периоде).

4. Вычисление и отрисовка гармоник доминирующих периодов в соответствии с их амплитудами и начальными фазами. Этот этап завершается расчетом и отрисовкой суммарной гармоники, которая, по существу, представляет собой закономерную составляющую ряда (тренд).

5. Проверка на правильность выделения тренда. Если полигармоническая функция действительно представляет закономерную составляющую ряда, то остаточный ряд обнаружит свойства случайной составляющей.

6. Определение место положения скрытых циклов периода T. Производиться это визуально путем интерпретации по графикам максимумов и минимумов соответствующих гармоник.

Выводы

По мере нарастания числа встречаемости светящихся образований в атмосфере и ближнем космосе над территорией Новосибирска возрастает и актуальность исследования этих событий. Проблема обостряется и тем, что ряд этих свечений являются техноэффективными и биоэффективными, поэтому дальнейшее пренебрежение данными фактами становится просто недопустимым с точки зрения и экобезопасности, а также необходимости введения этих явлений в рамки научного исследования для наращивания знания об окружающей среде и о последствиях техногенного давления на Природу.

1. Выявлен сложный видовой состав светящихся образований и вскрыта полипричинность их возникновения, с природными и техногенными вкладами. Создан архив исходных описаний и дана предварительная классификация событий по характеру их существования и локализации в пространстве.

2. Осуществлена постановка решения задачи по изучению коллективного поведения событий во времени и пространстве и построены схемы этапов решения задачи на уровне первого приближения. Представлен ряд конкретных описаний над и на территории Новосибирска, выявлен социальный состав наблюдателей давших отчет о виденном. Составлены и заполнены таблицы характеристик светящихся образований.

3. Введены условные подразделения светящихся образований на "электромагнитные системы" и "квазитехнические системы". Указаны биоэффективные и техноэффективные особенности образований и перечислены основные формы встречаемости объектов.

4. Выдвинуто и апробировано методическое обеспечение по исследованию событий. В частности, была разработана методика картопостроения (в двух- и трехмерном виде) для отображения пространственных особенностей встречаемости событий. Для изучения временных зависимостей применен адаптированный метод максимальной энтропии, позволяющий работу с короткими рядами событий и выявляющий скрытую периодизацию процессов.

В целом в наборе наблюдательных данных, мы усматриваем новый раздел научного поиска и исследований тесно связанных с окружающей человека реальностью, тем более, что эта реальность повсеместно усложняется интенсивной антропогенной активностью. На данном направлении исследований ожидаются неожиданные и глубокие результаты в дальнейшем развитии человеческого познавания и деятельности.

Литература

1. Арыков А.А., Борисов Н.Д., Лорин В.Ф. О возбуждении крупномасштабной прилипательной неустойчивости в нижней ионосфере под действием мощной радиоволны. Геомагнетизм и аэрономия, том 30, N 6, 1990. — с. 1003 — 1007.

2. Бирюков А.С., Григорян О.Р., Гаркуша В.И. и др. Источники низкочастотного излучения. Воздействия на радиационные пояса Земли. Обзор ВИНИТИ N 5204 — 388, М.: 1988. — 90 с.

3. Бокс Дж., Джекинс Г. Анализ временных рядов, прогноз и управление. М.: Мир, 1974. — 503 с.

4. Букреева Г.Ф. Алгоритмы выявления скрытой периодичности временных рядов методом максимальной энтропии // Моделирование при логико-математической обработке геологических данных. Новосибирск, 1990. — с. 36 — 54.

5. Дмитриев А.Н. Террокосмические сияния Горного Алтая. — Новосибирск. 1988. — 39 с. (Препр/ИГиГ СО АН СССР, N2)

6. Дмитриев А.Н. Новые проблемы исследования необычных явлений окружающей среды // Следы космических воздействий на Землю. — Новосибирск: Наука, 1990. — с. 3 — 22.

7. Дмитриев А.Н. Комплексное изучение аномальных явлений // Непериодические быстропротекающие явления в окружающей среде. Томск, 1990. — с. 24 — 29.

8. Дмитриев А.Н., Новиков Г.Н., Скавинский В.П. Локальные геофизико-геохимические исследования тектоно-физических районов Горного Алтая. Новосибирск, 1989. — 40 с. (Препр/ИГиГ СО АН СССР: N 20).

9. Дмитриев А.Н., Плаксин А.А., Семенов А.И., Шефов Н.Н. Экологический сдвиг в верхней атмосфере. Новосибирск, 1990. — 18 с. (Препр/ИГиГ СО АН СССР: N 22).

10. Дмитриев А.Н.. Скавинский В.П. О геолого-геофизических причинах свечений на Алтае. Новосибирск, 10989. — 35 с. (Препр/ИГиГ СО АН СССР, N 6).

11. Зосимович И.Д. Геомагнитная активность и устойчивость Корпускулярного поля Солнца. М: Наука, 1981. — 191 с.

12. Логико-математическая обработка геологической информации: Сб. науч. тр. ИГиГ СО АН СССР Новосибирск, 1976. — 152 с.

13. Математические методы в палинологии. Вып. 3. Исследование периодичности процессов изменения палеоклимата и палеорастительности методом максимальной энтропии:/ Составитель Г.Ф. Букреева. Новосибирск: Изд. ИГиГ СО АН СССР, 1989. — 123 с.

14. Методические основы оценки техногенных изменений геологической среды городов / Г.Л.Кофф, Т.Б.Минакова, В.Ф.Котов и др. — М.: Наука, 1990. — 196 с.

15. Моделирование при логико-математической обработке геологических данных: Сб. науч. тр./ИГиГ СО АН СССР. Новосибирск, 1990. — 129 с.

16. Наше общее будущее: Доклад Международной Комиссии по окружающей среде и развитию: М.: Прогресс, 1989. — 376 с.

17. Непериодические быстропротекающие явления в окружающей среде: Тез. докл. / Отв. ред. А.Г.Бакиров. Часть I. Томск: ТПИ, 1988. — 127 с. Часть II. Томск ТПИ, 1988. — 144 с.

18. Непериодические быстропротекающие явления в окружающей среде. Сб. докл. Второй Всесоюзной международной научно-технич. школы-семинара / Гл. ред. Ю.П.Похолков; Томск: ТПИ, 19907 — 351 с.

19. Никитин Д.П., Новиков Ю.В. Окружающая среда и человек. М.: Высш. школа, 1980. — 424 с.

20. Одум Г., Одум М. Энергетический баланс человека и природы. М.: Прогресс, 1978. — 279 с.

21. Урбоэкология — М.: Наука, 1990. — 240 с.