НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

ФГБОУ ВПО «МГСУ»

mcxmgsu@mail.ru

vvpoduval@mail.ru

В настоящее время проблема аэродинамической устойчивости строительных конструкций зданий и сооружений, как в России, так и за рубежом, существенно обостряется не прогнозируемым ранее ростом интенсивности аварийно опасных аэродинамических процессов, которые являются причиной реализации новых и малоизученных ранее и, как следствие, ненормированных сверхпроектных ветровых нагрузок и воздействий на здания и сооружения.

Глобальные изменения климата на Земле требуют постоянного уточнения нормативно-технической документации в части учета технических последствий новых аэродинамических рекордов в летний и зимний периоды, включая изменение методологических подходов и нормативов как по детальности климатического обоснования проектов нового строительства, так и по расчету остаточного ресурса надежности при обследовании объектов существующей застройки.

Требуемая глубина прогноза ожидаемой эволюции  интенсивности ветровых нагрузок и их влияния на деградацию надежности строительных объектов должна соответствовать глубине градостроительного планирования (до 100 лет), но не менее проектного срока их безопасной эксплуатации.

Настоящая статья является второй из серии публикаций по представлению научной общественности уникальных междисциплинарных результатов исследований авторов в этой области, касающихся неизвестных или малоизученных ранее явлений глобальной активации колебаний ветровых аэродинамических нагрузок на Земле гравидинамическими возмущениями в околоземном космическом пространстве, имеющими ярко выраженный резонансный или циклический характер, и дополняющими существующие в мировой науке представления о механизмах и космо-земных причинно-следственных связях в эволюции интенсивности природных процессов на нашей планете.

В статье рассматриваются основные материалы исследований авторов в области обнаружения, классификации, интерпретации и верификации спектральных закономерностей глобальных (планетарного масштаба) колебаний интенсивности ветровых нагрузок согласно формуле открытия неизвестного ранее явления космогенной эволюции интенсивности глобальных колебаний среднесуточной скорости ветра на урбанизированных территориях в результате действия гравидинамических возмущений в околоземном космическом пространстве.

Для верификации этого явления, а также в целях идентификации  причинно-следственных связей и гравидинамического механизма его реализации, авторами был применен метод спектрального вариометрического анализа эволюционных процессов по данным метеорологических наблюдений вариаций среднесуточной скорости ветра в ряде географически разнесенных городов Земли (Москва, Лондон, Анкоридж, Буэнос-Айрес, Канберра, Токио и др.), в периоды: до и после взрыва кометы Шумейкера-Леви на Юпитере. Такое сопоставление, «до и после», было выбрано в целях обнаружения влияния всплеска гравитационного возмущения в результате взрыва кометы на Юпитере (с 16 по 22 июля 1994 года) в пределах солнечной системы на активацию космо-земных связей и ожидаемое последующее «возбуждение» природных аэродинамических процессов на Земле или отсутствие такого влияния.

Для постановки задачи исследования была сформулирована гипотеза, в результате обоснования которой была разработана схема (рис.1) предполагаемого механизма влияния гравитационного возмущения на вариации интенсивности колебаний среднесуточной скорости ветра в приповерхностном слое атмосферы, достоверно регистрируемые сетью метеорологических станций.

Рис.1. Схема предполагаемого механизма влияния гравитационного возмущения на вариации интенсивности колебаний среднесуточной скорости ветра в приповерхностном слое атмосферы Земли

Операционная схема, отражающая один из вариантов при менения метода спектрального вариометрического анализа эволюции интенсивности колебаний среднесуточной скорости ветра в приповерхностном слое атмосферы Земли, представлена блок-схемой алгоритма его реализации на рисунке 2, согласно которой в первом блоке операций формируется массив данных метеонаблюдений среднесуточной скорости ветра V(t) за период [t₁,t₂], во втором – выделяются и нормируются по максимальному значению за период наблюдений вариации этого параметра, на третьем – вычисляется спектральный образ этих вариаций.

Рис.2. Блок-схема алгоритма реализации спектрального вариометрического анализа эволюции среднесуточной скорости ветра в периоды [t₁,t₂] и [t₃,t₄]

Далее, на четвертом этапе, формируется теоретическая гипотеза или интерпретация механизма, причинно-следственных связей и закономерностей реализации исследуемого процесса, спектральный образ математической модели которого М_V(f), полученный путем обратного преобразования Фурье его нормированных вариаций, сопоставляется (операция «5») со спектрами нормированных вариаций данных наблюдений. В случае совпадения нормировыанных спектров модельных и натурных вариаций теоретическая модель может быть верифицирована, как адекватная наблюдаемому явлению космогенной эволюции интенсивности глобальных колебаний амплитуды аэродинамических ветровых нагрузок на урбанизированных территориях в результате действия гравидинамических возмущений в околоземном космическом пространстве.

Сопоставление спектров (2-1) и (2-1а) позволит выявить новые или рост активности учтенных ранее причинно-следственных связей космогенной эволюции интенсивности колебаний среднесуточной скорости ветра в приповерхностном слое атмосферы Земли в период [t₃,t₄], после взрыва кометы, по сравнению с более ранним периодом наблюдений до взрыва [t₁,t₂].

Показателем адекватности теоретической модели в спектральной области будет значение коэффициента кросскорреляции или свертки спектральных образов наблюдаемого и моделируемого по гипотезе исследуемого процесса (рис.3).

Рис.3. Вариант блок-схемы алгоритма операций по спектральной верификации теоретической модели космогенной эволюции вариаций среднесуточной скорости ветра в приповерхностном слое атмосферы

Вариометрический анализ эволюции вариаций среднесуточной скорости ветра в приповерхностном слое атмосферы, проведенный авторами по данным метеорологических наблюдений в ряде географически разнесенных городах Земли (Москва, Лондон, Анкоридж, Буэнос-Айрес, Канберра, Токио и др.) показал, что эволюция интенсивности вариаций среднесуточной скорости ветра во всех городах, также как и для температурных процессов, как правило, содержит две компоненты: одна из них носит глобальный характер и наблюдается во всех перечисленных городах, а вторая представляет собой отражение локальных природных и техногенных проявлений климатических и орографических особенностей прилежащей к городам территории и подлежит климатическому районированию по ветровым нагрузкам, например, на предмет выделения или идентификации их доминирующих локальных циклических (спектральных) компонент.

Например, для конкретного j-го города или конкретной j-ой урбанизированной территории эволюция интенсивности вариаций среднесуточной скорости ветра в спектральном отображении будет представлена в виде спектральной функции эволюции , то тогда глобальная составляющая  может быть выделена в результате кросскорреляции в спектральной области эволюционных спектральных функций по всем исследуемым городам или территориям, то есть

где J – количество локальных точек (районов) наблюдения вариаций интенсивности среднесуточной скорости ветра.

В свою очередь, составляющая локальных проявлений местных (локальных) закономерностей эволюции вариаций интенсивности среднесуточной скорости ветра в спектральном отображении для конкретного j-го города или конкретной j-ой урбанизированной территории может быть представлена выражением:

.

Рассмотренные версии алгоритмов спектрального вариометрического анализа вариаций интенсивности среднесуточной скорости ветра позволяют сформировать для каждой территории собственные спектральные «эталоны» резонансных и/или циклических климатических проявлений глобальных и локальных природных и техногенных процессов, оказывающих доминирующее влияние на формирование местных аэродинмических условий, а, следовательно, ветровых нагрузок на здания и сооружения. В инициативном порядке участниками научной школы академика РААСН Теличенко В.И. был разработан пакет программ «Evolution-V» для анализа эволюции ежесуточной средней скорости ветра при решении проектных задач оценки начального и текущего состояния остаточного ресурса аэродинамической устойчивости строительных конструкций и запаса геодинамической устойчивости систем типа «объект-основание».

Рассмотрим последовательность аналитических операций по обнаружению и верификации спектральных закономерностей влияния всплеска гравитационного возмущений в результате взрыва кометы на Юпитере на эволюцию интенсивности вариаций среднесуточной скорости ветра (Meanwindspeed)áV(t)ñпо официальным данным метеорологических наблюдений в городах: Лондон, Анкоридж, Буэнос-Айрес и Канберра. 

Для исследования и верификации, в случае подтверждения гипотезы, рассматриваемого явления были использованы данные метеорологических наблюдений среднесуточной скорости ветра в указанных выше городах в период с января 1973 года по август 2009 года включительно.

При построении спектров колебаний и вариаций среднесуточной скорости ветра использовались два массива данных: до ([t₁,t₂] - с января 1973 года по декабрь 1993 года, включительно) и после падения кометы Шумейкера - Леви на планету Юпитер ([t₃,t₄] - с августа 1994 года по август 2009 года включительно). Количество суток первого периода составляет 7670, что соответствует при спектральном анализе минимальной выделяемой частоте f_min=1,50900575*10^-9 Гц, а количество суток второго периода составляет 5488, что соответствует при спектральном анализе минимальной выделяемой частоте f_min=2,10897851*10^-9 Гц. Учитывая нерегулярный характер выборок среднесуточной скорости ветра, верхняя граничная частота спектрального анализа была понижена до f_mах =2.89*10^-6 Гц, что соответствует 4 суткам по периоду цикла.

Основные частоты гравитационных возмущений, вызванных движением планет солнечной системы и Луны, соответствующие периодам обращения, радиальным гравидинамическим резонансам и их основным линейным и комбинированным гармоникам были взяты из таблицы 1 первой статьи данной серии публикаций, в диапазоне спектрального преобразования (f_min-f_mах), то есть от 2,1*10^-9 до 2,89*10^-6 Гц, что соответствует периодам от 4 до 5488 суток.

Учитывая отсутствие в данных метеонаблюдений по Москве и Токио многосуточных фрагментов записей среднесуточной скорости ветра, в настоящем исследовании будут рассмотрены только данные по Лондону, Буэнос-Айресу, Канберре и Анкориджу.

На рис.4 - рис.7 приведены спектры вариаций среднесуточной скорости ветра в городах Лондоне, Анкоридже, Буэнос-Айресе и Канберре (синяя или нижняя огибающая спектра - по данным с января 1973 года по декабрь 1993 года, красная или верхняя - с августа 1994 года по август 2009 года включительно)

На рис.8 приведены кросскорреляционные спектры вариаций среднесуточной скорости ветра в городах Лондоне, Анкоридже, Буэнос-Айресе и Канберре (синяя или нижняя огибающая спектра - по данным с января 1973 года по декабрь 1993 года, красная или верхняя - с августа 1994 года по август 2009 года включительно)

В отличие от спектров вариаций среднесуточных и максимальных суточных температур в кросскорреляционном спектре глобальных вариаций среднесуточной скорости ветра (по данным метеонаблюдений в Лондоне, Анкоридже, Буэнос-Айресе и Канберре) более рельефно представлены циклы и резонансы гравитационных возмущений в околоземном космическом пространстве, в том числе, в порядке убывания интенсивности аэродинамических проявлений в приповерхностном слое атмосферы Земли:

   вторая гармоника радиального гравидинамического резонанса Юпитера, с периодом -1531,57 суток;

   комбинационная гармоника разности частот обращения Земли и радиального гравидинамического резонанса Юпитера, с периодом - 414,7 суток;

   комбинационная гармоника разности частот обращения Земли и Венеры, с периодом - 583,9 суток;

   комбинационная гармоника разности частот обращения и гравидинамического радиального резонанса Земли, с периодом - 881,8 суток;

   частота обращения Марса, с периодом - 686,68 суток.

В области более высоких частот или малых периодов циклов и резонансов термы спектров ветровых проявлений имеют достаточно высокую плотность, обусловленную смешанными аэродинамическими и термодинамическими проявлениями комбинационных гармоник частот обращений и радиальных гравидинамических резонансов планет, Земли и Луны, включая комбинационные гармоники частот гравидинамических возмущений Солнца.

Таким образом, спектры вариаций среднесуточной скорости ветра в Лондоне, Анкоридже, Буэнос-Айресе и Канберре в периоды до и после взрыва кометы Шумейкера-Леви на Юпитере, а также их кросскорреляционные спектры, подтверждают гипотезу о существовании неизвестного ранее явления космогенной эволюции интенсивности глобальных колебаний ветровых нагрузок на урбанизированных территориях гравидинамического происхождения. Доминирующие циклы эволюционных космогенных вариаций среднесуточной скорости ветра также, как и температурные, имеют частоты отличные от сезонного годичного цикла, вызывая, тем самым, не только рост интенсивности ветровых нагрузок, но и смещение их сезонных проявлений в спокойные периоды отсутствия всплесков гравитационных возмущений в околоземном космическом пространстве.

Наряду с этим сравнительный анализ спектров вариаций среднесуточной скорости ветра и сетки гравидинамических резонансов планет солнечной системы и их гармоник, подтверждает о существенной роли, в том числе, этих резонансов в эволюции аэродинамических процессов в приповерхностных слоях атмосферы, как важной составляющей условий безопасной жизнедеятельности человека и биосферы в целом, а также одним из доминирующих факторов потенциального снижения аэродинамической устойчивости и надежности строительных объектов в условиях глобального изменения климата.

Литература

1.    Теличенко В.И., Король Е.А., Хлыстунов М.С. Детальные исследования и анализ мало изученных причинно-следственных связей и механизмов подготовки и реализации аварий на строительных объектах. - Москва-Иваново: Вестник отделения строительных наук РААСН, том 2, 2010, стр.324

2.    Хлыстунов М.С., Орешкин Д.В., Пустовгар А.П. и др. Проведение поисковых научно-исследовательских работ в области моделирования, разработки, прогнозирования, исследования эффективности, надежности энергоресурсосберегающих конструкций и материалов (4 этап). НТО № 01200964415 по ГК № 02.552.11.7074. –М.: МГСУ, 2010

3.    Теличенко В.И., Завалишин С.И., Хлыстунов М.С. Глобальные риски и новые угрозы безопасности ответственных строительных объектов мегаполиса. –М.: АСВ, Научно-технический журнал «Вестник МГСУ» Периодическое научное издание, Спецвыпуск №2, 2009, с.4

4.    Теличенко В.И. , Король Е.А., Хлыстунов М.С. Грависейсмометрический мониторинг высотных зданий. –М.: Журнал «Высотные здания», №1, 2008

5.    Хлыстунов М.С., Прокопьев В.И., Могилюк Ж.Г. и др. Исследование причинно-следственных связей и закономерностей влияния грависейсмических процессов на долговременную надежность систем типа «объект-основание»» НТО по проекту № 7185 аналитической ведомственной целевой программы “Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)”. –М.: МГСУ, 2009

6.    Джанибеков В.А., Подувальцев В.В., Хлыстунов М.С. Влияние геоэкологической эффективность природных и техногенных процессов на безопасность промышленных объектов и инженерных коммуникаций. IV Всероссийская научная конференция «Физические проблемы экологии (Экологическая физика)». Сб. трудов. –М.: ИПМ РАН –МГУ им.Ломоносова М.В., 2004

7.    Завалишин С.И., Подувальцев В.В., Хлыстунов М.С. Космогенные процессы деградации геотехнической надежности промышленных объектов  и техносферы мегаполисов. IV Всероссийская научная конференция «Физические проблемы экологии (Экологическая физика)». Сб. трудов. –М.: ИПМ РАН –МГУ им.Ломоносова М.В., 2004

8.    NikitskiyV.P., KhlystunovM.S. Гравитационная модель катастроф. –М.: "Aerospacecourier", January –February, 1999

9.    Хлыстунов М.С., Фролов В.А., Душечкин В.И., Гафурова М.Ф. Элементы системного анализа и современная формулировка актуальных проблем экологической безопасности России. –М.: НКЭБ РФ-МГСУ, НТО инв.№731,  2000

10.Хлыстунов М.С. Гравидинамическая теория стихийных бедствий. Сборник трудов IV Всероссийского экологического семинара. - М.: ЮНЕСКО-ЦПК им.Ю.А.Гагарина, 2000

11.Nikitskiy V.P., Khlystunov M.S. A problem of the control of a level of a microgravitation onboard a space station and international problem of global debacles. Theses " International aerospace congress IAC "94" –М-H.: NASA, Org. committee IAC " 94, 1994