Выпуски

 / 

2024

 / 

Январь

  

Методические заметки


Работа А.Н. Колмогорова 1934 г. — основа для объяснения статистики природных явлений макромира

 
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, Пыжевский пер., 3, Москва, 109017, Российская Федерация

Работа А.Н. Колмогорова 1934 г. [1] "Случайные движения", далее АНК34, использует уравнение типа Фоккера—Планка для шестимерного вектора с полной, а не частной производной по времени и с лапласианом в пространстве скоростей. Коэффициентом диффузии при этом является ε, скорость генерации/диссипации энергии. Уравнение Фоккера—Планка получается при задании ускорений частиц ансамбля марковскими процессами, т.е. случайными процессами, δ-коррелированными по времени и между собой. Фундаментальное решение этого уравнения было указано ещё в [1] и было использовано А.М. Обуховым [2] в 1958 г. для описания турбулентного потока в инерционном интервале [3]. Уже недавно [4, 5] было замечено, что уравнение типа Фоккера—Планка, написанное Колмогоровым в [1], содержит в себе описание статистики других случайных природных процессов, землетрясений, морского волнения и пр. [5]. Данное уравнение заменой переменных с масштабами для скоростей и для координат сводится к автомодельному виду, не содержащему явно коэффициента диффузии [6]. Численный счёт подтверждает наличие таких масштабов в системах с числом N событий, в ансамблях начиная с N=10. При N = 100 эти масштабы практически точно совпадают с теорией АНК34. Теория, в принципе уже содержащая результаты 1941 г., проложила путь и к более сложным случайным системам, содержащим достаточное количество параметров, для того чтобы образовать внешний параметр подобия. Это приводит к изменению характеристик случайного процесса, например, к изменению наклона временнóго спектра, как в случае землетрясений и в ряде других процессов (морское волнение, спектр энергии космических лучей, зоны затоплений при наводнениях и т.д.). Обзор конкретных случайных процессов, изученных экспериментально, даёт методику, как следует поступать при сравнении экспериментальных данных с теорией АНК34. Таким образом, эмпирические данные иллюстрируют справедливость фундаментальных законов теории вероятности. Статья является многократным сокращением монографии автора, где впервые идеи работы АНК34 применялись для объяснения в вероятностном смысле многих экспериментальных закономерностей, десятилетиями рассматривавшихся чисто эмпирически.

Текст pdf (475 Кб)
English fulltext is available at DOI: 10.3367/UFNe.2023.05.039355
Ключевые слова: случайные движения, уравнение Фоккера—Планка—Колмогорова, вторые моменты распределения вероятностей для координат и скоростей, теория подобия и размерностей, статистические законы природы
PACS: 05.40.−a, 91.30.−f, 92.60.−e (все)
DOI: 10.3367/UFNr.2023.05.039355
URL: https://ufn.ru/ru/articles/2024/1/g/
2-s2.0-85186571332
2024PhyU...67...80G
Цитата: Голицын Г С "Работа А.Н. Колмогорова 1934 г. — основа для объяснения статистики природных явлений макромира" УФН 194 86–96 (2024)
BibTexBibNote ® (generic)BibNote ® (RIS)MedlineRefWorks

Поступила: 16 февраля 2023, 11 мая 2023

English citation: Golitsyn G S “A N Kolmogorov's 1934 paper is the basis for explaining the statistics of natural phenomena of the macrocosmPhys. Usp. 67 80–90 (2024); DOI: 10.3367/UFNe.2023.05.039355

Список литературы (55) ↓ Похожие статьи (20)

  1. Kolmogoroff A Ann. Math. 35 116 (1934), перевод на русск. яз. трудов А.Н. Колмогорова см. во многих изданиях с 1983 г.
  2. Obukhov A M Advances in Geophysics Vol. 6 (Eds H E Landsberg, Van Mieghem) (New York: Academic Press, 08) p. 113
  3. Монин А С, Яглом А М Статистическая гидромеханика. Механика турбулентности Т. 2 (М.: Наука, 1967); Пер. на англ. яз., Monin A S, Yaglom A M Statistical Fluid Mechanics: Mechanics of Turbulence Vol. 2 (Cambridge, MA: MIT Press, 1975)
  4. Голицын Г С Метеорология и гидрология (3) 5 (2018); Golitsyn G S Russ. Meteorol. Hydrol. 43 135 (2018)
  5. Голицын Г С Вероятностные структуры макромира: землетрясения, ураганы, наводнения (М.: Физматлит, 2022)
  6. Гледзер Е Б, Голицын Г С Докл. РАН 433 466 (2010); Gledzer E B, Golitsyn G S Dokl. Phys. 55 369 (2010)
  7. Баренблатт Г И Автомодельные явления - анализ размерностей и скейлинг (Долгопрудный: Интеллект, 2009); Barenblatt G I Scaling (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2003)
  8. Баренблатт Г И, Зельдович Я Б Успехи математических наук 26 (2) 115 (1971); Barenblatt G I, Zel'dovich Ya B Russ. Math. Surv. 26 (2) 45 (1971)
  9. Barenblatt G I, Zeldovich Ya B Annu. Rev. Fluid Mech. 4 285 (1972)
  10. Toba Y J. Phys. Oceanogr. 8 494 (1978)
  11. Toba Y J. Oceanogr. Soc. Jpn. 29 (3) 209 (1973)
  12. Bird P Geochem. Geophys. Geosyst. 4 (3) 1027 (2003)
  13. Golitsyn G S Russ. J. Earth Sci. 17 ES5001 (2017)
  14. Emanuel K A Annu. Rev. Earth Planet Sci. 31 75 (2003)
  15. Голицын Г С Докл. РАН 354 535 (1997); Golitsyn G S Dokl. Earth Sci. 354 633 (1997)
  16. Rasmussen E A, Turner J (Eds) Polar Lows: Mesoscale Weather Systems in Polar Regions (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2003)
  17. Голицын Г С Докл. РАН 346 536 (1996); Golitsyn G S Dokl. Earth Sci. 346 166 (1996)
  18. Kasahara K Mechanics of Earthquakes (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1981)
  19. Schubert G, Turcotte D L, Olson P Mantle Convection in the Earth and Planets (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2001)
  20. Golitsyn G S Comput. Seismol. (32) 138 (2001)
  21. Смирнов В Б, Исполинова С И Докл. РАН 342 809 (1995)
  22. Volant P, Grasso J-R J. Geophys. Res. 99 21879 (1994)
  23. Николаев А В, Галкин И Н (Отв. ред.) Наведенная сейсмичность: государственная научно-техническая программа России "Глобальные изменения природной среды и климата" (М.: Наука, 1994)
  24. Cheng B et al Nature 382 518 (1996)
  25. Голицын Г С Письма в Астрон. журн. 24 827 (1998); Golitsyn G S Astron. Lett. 24 716 (1998)
  26. Березинский В С и др Астрофизика космических лучей (Под ред. В Л Гинзбурга) 2-е изд. (М.: Физматлит, 1990); Пер. на англ. яз., Berezinskii V S et al Astrophysics of Cosmic Rays (Ed. V L Ginzburg) (Amsterdam: North-Holland, 1990)
  27. Malkov M A, Diamond P H Phys. Plasmas 8 2401 (2001)
  28. Карелин А В и др ЖЭТФ 146 513 (2014); Karelin A V et al J. Exp. Theor. Phys. 119 448 (2014)
  29. Голицын Г С Письма в Астрон. журн. 31 500 (2005); Golitsyn G S Astron. Lett. 31 446 (2005)
  30. Голицын Г С УФН 178 753 (2008); Golitsyn G S Phys. Usp. 51 723 (2008)
  31. Komen G J et al Dynamics and Modelling of Ocean Waves (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1994)
  32. Hasselmann K et al Ergänzung Deutsch. Hydrogr. Z. A 8 (12) 1 (1973)
  33. Голицын Г С, Троицкая Ю И, Байдаков Г А Изв. РАН. Физика 57 (1) 67 (2021); Golitsyn G S, Troitskaya Yu I, Baydakov G A Izv. Atmos. Ocean. Phys. 57 60 (2021)
  34. Gagnaire E, Benoit M, Badulin S I J. Fluid Mech. 669 178 (2011)
  35. Guillaume A et al J. Atmos. Sci. 75 2187 (2018)
  36. von Savigny C et al Geophys. Res. Lett. 38 L02806 (2011)
  37. Mandelbrot B Fractals, Form, Chance and Dimension (San Francisco: W.H. Freeman and Co., 1977)
  38. Lovejoy S Science 216 185 (1982)
  39. Golitsyn G S, Chkhetiani O G, Vazaeva N V Izv. Atmos. Oceanic Phys. 58 645 (2022)
  40. Oort A H Mon. Weather Rev. 92 (11) 483 (1964)
  41. Голицын Г С Изв. РАН. Физика атмосферы и океана 44 579 (2008); Golitsyn G S Izv. Atmos. Ocean. Phys. 44 537 (2008)
  42. Golitsyn G S Adv. Atmos. Sci. 26 585 (2009)
  43. Голицын Г С Изв. РАН. Физика атмосферы и океана 48 391 (2012); Golitsyn G S Izv. Atmos. Ocean. Phys. 48 350 (2012)
  44. Munk W et al Proc. R. Soc. Lond. A 456 1217 (2000)
  45. Митягина М И, Лаврова О Ю Исследование Земли из космоса (5) 72 (2009)
  46. Андрианов С А и др Изв. РАН. Физика атмосферы и океана 39 (1) 3 (2003); Andrianov S A et al Izv. Atmos. Ocean. Phys. 39 1 (2003)
  47. Kaula W M Theory of Satellite Geodesy; Applications of Satellites to Geodesy (Waltham, MA: Blaisdell Publ. Co., 1966)
  48. Turcotte D L Fractals and Chaos in Geology and Geophysics 2nd ed. (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1997)
  49. Rexer M, Hirt C Surv. Geophys. 36 803 (2015)
  50. Gledzer E B, Golitsyn G S Russ. J. Earth Sci. 19 ES6007 (2019)
  51. Гледзер Е Б, Голицын Г С Докл. РАН 485 493 (2019); Gledzer E B, Golitsyn G S Dokl. Earth Sci. 485 391 (2019)
  52. Голицын Г С Статистика и динамика природных процессов и явлений (Синергетика: от прошлого к будущему, № 68) (М.: КРАСАНД, 2012)
  53. Smith K, Ward R Floods: Physical Processes and Human Impacts (Chichester: Wiley, 1998)
  54. Голицын Г С Водные ресурсы 45 (4) 380 (2018); Golitsyn G S Water Resources 45 503 (2018)
  55. Голицын Г С, Чернокульский А В, Вазаева Н В Докл. РАН 513 (1) 134 (2023); Golitsyn G S, Chernokulsky A V, Vazaeva N V Dokl. Earth Sci. 513 (Pt. 1) 1211 (2023)

© Успехи физических наук, 1918–2024
Электронная почта: ufn@ufn.ru Телефоны и адреса редакции О журнале Пользовательское соглашение