Введение к работе
Актуальность проблемы. Исследования многолетних вариаций магнитных полей системи Земля-Солнце стало актуальним только и Ії)80-е годи. Этому способствовали следующие фактори: І) накоплены ряди геофизических, голиофизичесішх, астрометрических наблюдений, соответствующих но своей точности решаемой задаче, 2) накоплены ряды спутниковых измерений параметров межпланетной среди, а такие виработаны представления об основних структурах магнитосферы и солнечного ветра, условиях обтека-нич магнитосферы солнечных ветром и взаимодействия с ней, 3) появились репрезентативные ряды наблюдений новых характеристик Солнца: поток выоокоэнергичных нейтрино из ядра и крупномасштабное магнитное поле, а также понимание различного поведения по времени крупномасштабного магнитного поля Солнца и локальных магнитных полей пятен, 4) внедрены в анализ более точные методы обработки экспериментальной информации, 5) усилился интерес общества к многолетним вариациям окружающего мира п связи с обострившимися вопросами экологии и проблемами долгосрочного планирования, что, в частности, нашло отражение в международной геосферпо-биосферной программе "Глобальные изменении" (1990-2005 гг. и далее).
Анализ состояния изученности многолетних вариаций магнитных нолей и системе Земля-Солнце, проведенный в начале 1980-х годов, показал отсутствие четких представлений о вариациях в этом диапазоне частот, их свойствах и связях, структурах спектров, противоречивость точек зрения об их источниках. Отсюда_ паиболее_важнрй и актуалы1оИ_задачей_исследрыщил на_данном ovaiie стала заплача_выявлени^_и_количественного_описания самих многолетних мг2иаций_магнитных_полей_этой системы,_поиск_ис-точіїйков_таких_варияций,_разработка Цель работы. Целью исследований, котопые приведены в диссертации, было получение по прямым и косвенным экспериментальным давним количественных характеристик, во-гирвнх, пара- метров многолетних вариаций магнитных полей Земли, межпланетного пространства, Солнца, во-вторых, их связей, а также выработка представлений об источниках и механизмах генерации таких вариации. При этом сталились следующие задачи. Обор и систематизация исходной информации по параметрам физических полей, использованиях в рассмотрении. Анализы погрешностей рядов, при необходимости выбраковка и коррекция данных. ВиПор математического аппарата анализа, адэкзатного поставленной задаче и ого исследование. Шработка мер, способствующих уменьшению вклада помех и шума в пндслешше вариации. Обоснование достоверности выделенных вариации. Анализ частотного состава вариаций, изменения их амплитуды и фазы во времени (для геомагнитного поля - и по поверхности земного шара) в кладом из диапазонов частот. Критический анализ и коррекция существующих представлении, разработка новых эвристических гипотез об источниках и физических механизмах генерации, разных у разных вариаций. Научная новизна. Все приведенные результаты являются новыми: часть из них уточняет данные и гипотезы,,по лученные ранее другими исследователями; большая часть дает описание впервые выделенных вариаций, причем описание многих из них в гелиофизике, в геофизике и в данных по суточному вращению Земли, потоку нейтрино, параметрам межпланетной плазмы остается до сих пор уникальным в миро пой литературе. Однако часть из них с указанными свойствами уже имеет и находит подтверждение (например, вариация напряженности геомагнитного поля с Т4, * 25 лет внутриземного происхождения, квазидвухлетнля вариация с Т<*ІЬЗ мес того же поля и скорости солнечного ветра, г.орма GO летной вариации длины суток). Гіг:гід автора. Все результаты, изложенные в диссертации, получены в значительной мере (см. список литературы) самостоятельно, в ряде работ при моем непосредственном участии и руководстве. Ма работ, где я был соавтором, в диссертацию включены только те материалы, в получении и интерпретации которых я принимал непосредственное творческое участие на' всех этапах работы. Общие замечания. В диссертации во избежание ее перегрузки нет отдельной главы с обзором литературы. Однако все наиболее важные работы по каждому из рассмотренных вопросов даны в ходе обсуждения. Попытка составить такую главу привела к увеличению объема диссертации примерно вдвое, что резко усложняет ее восприятие. Спектральный анализ временных рядов в основном проводился на базе представлений об отличии исследуемых процессов от квазигаршнических за счет существования у них амплитудной или фазово-частотной модуляции несущей частоты. Отсюда основной упор делался на выделение в спектре полосы частот, отвечающей процессу. При таком подходе задача сводилась к необходимости более точного (для данного интервала) описания структуры спектра, что обеспечивалось проведением Фурье-преобразо-шшш о дробными гармониками. Этот путь анализа оказался удобным и потому, что разложение в ряд Фурье, дополненное синтезом по отдельным значимым полосам частот спектра (т.е. пара преобразований Фурье), использовано как узконолоснын фильтр. Такой фильтр не приводит к потерям временного ряда, что важно при анализе коротких рядов. Оценки искажений, которые вносятся и полосу частот за счет ограниченности интервала разложения (при анализе и при синтезе), проводились путем моделирования и разложения на разных по продолжительности интервалах. Однако фильтр в виде пары преобразований Фурье - это лишь один из ряда других, использованных в обработке, основанных на совершенно иных преобразованиях, фильтров. На.учшш и практическая значимость. По данным каталога Кинга показано, что додекадные вариации параметров межпланетной среды проявляются в основном в изменениях величины скорости солнечного ветра. В напряженности магнитного поля их амплитуда меньше погрешности получения. Выделен новый класс вариаций напряженности геомагнитного поля (активности) - фоновые изменения магнитосферного кольцевого тока, которые относятся к додекадным вариациям/" . Распределение амплитуды таких вариаций в пространстве для трех ортогональных компонент F , а также соотношение фаз между компонентами в нервом приближении описываются как поле диполя, изменяющееся в горизонтальной компоненте Н в противо- фазе с соответствующими изменениями солнечной активности, что отвечает в основном полю 2)Я -тока. Важной отличительной чертой механизма генерации таких вариаций по сравнению с более короткопериодными является отсутствие зависимости усиления их активности от знака Вг -компоненты ММП, обусловленность в основном изменениями скорости солнечного ветра. Такие свойства вариаций позволяют предположить, что в основе их появления в магнитосфере Земли лежитТмеханизм пересоединения магнитных полей Земли и Солнца, а механизм типа вязкого трения. Анализ временной и пространственной структур ДЦКВ геомагнитного поля на рассматриваемом интервале позволил сделать вывод об отсутствии в этом диапазоне Т вариаций, которые обусловлены процессами в области границы жидкого ядра с мантией, что уточняет в спектре многолетних вариаций F область перекрытия частот, относящихся к внешним и внутренним источникам, отодвигает границу со стороны коротких периодов от Т^ 4 года (Кюри) к Т 10 лет. По данным сети магнитных обсерваторий мира впервые выделены в магнитном поле Земли И-летняе вариации, обусловленные процессами в гидком ядре Земли {DTV). Временные и пространственные характеристики 3TV принципиально отличаются от близких к ним по периоду 10-летнпх вариаций J Я -тока, обусловленных солнечной активностью. Предложен и апробирован на фоновых вариациях ЪЯ новый метод сверки магнитных обсерваторий, точность которого много выше применяющихся. Дано доказательство реальности И- и 2-летних вариаций потока высокоэнергичных нейтрино Солнца (по данным детектора Р.Дэвиса), их значимой корреляции в противофазе с соответствующими изменениями чисел Вольфа W , разного соотношения амплитуд в спектрах потока и W , менее значимой корреляции таких вариаций потока с соответствующими вариациями геомагнитной активности и скорости солнечного ветра. По данным мировой сети магнитных обсерваторий впервые показан сложный частотный состав 20-летних вариаций напряженности геомагнитного поля. В 20 веке основной вклад в эти вариации принадлежал флуктуациям с Та25 лет. Анализ изменений амплитуды флуктуации во времени и на поверхности Земли по -pa!/, ортогональній.: кс;д:очента.м /- позволил заключить автору л Ь.ІІЛ'иловкову, ч'-С <л-гуі-;туаці:л генерируются процессами в і:вд-;.>х, лдре ссг'лп (чолЛ-зрлденс позл'.е Л.Олдридкем). Іі.'.есте с теыг :.і.іС!:с:: іш.л/чс;л: і л:: лллдллї-іальнле дашіие которые позволили : :ідь:л;угь л;::/: :л : ;:л -л:::;сд гсліс^Л!;::: '.аклд флуктуєш-^ л ллш:о... ,:,j:.!.-- :. :: _..- у :,т;:тг лоздсл.ст:-:;:: ;v :тс:л 'лгнпчпого долі: -.Л'ЛНЦ-.'. іл;с:лз указані':;,. .. . . .,, / ;lv.c: !:с , затула;" ;,:: .:: ,л'с-і о:: :олсі:л:.с ;с::аЕ : . . с: ;....л/л; лл.л.ллл.л ± '/: "л. ,/ '. ічлл, ігнлтіюл ,' лїлдло'ЛЛ. . '., р.:...:'п -/""л.зс'. г::..л::д: :-.-.-.-.-.::.... ' ., рііац.Ц!с ко'і'о.и .. :. .дх/-/ллл :.-1/:^ обусловлен-; піл..//: л' :;.-етилам Солнца .-. :. л...:,.:. .,ух '-:::лл, ; ;здо;л;о --:л...с сул '.:-аило вариацл;: с :, /- :.: . м. ::/-/ длл :-;;нс:с . лл.і/' :/: до: л'іі ьо Hpt.f.'.oiu. л л'.: ///- > . л хх.х по..ода дп"'очл. ... ''' ... .Л II Г.І',/!.! "Л : . v : а } '--... .: //сь..' ;і„. ....лого л^лл: . .:.: лл/і- :/л. ' [:їі.:!.огліЛ: :. -. : -.. ._: :л : .' і...-.; г - :::л:-":;. дллд.л/ /corn іюслагл-ллсл; : . л , сі .. ;.і,. :.." : ::"'.- лі:::" /о-:о/;л~ >.шв !шрекршл:::л:я : юл :/ -и.: : о лес:. ::сл-лл - /////гге/дул--туи дидадлі/л ілдл:а:лллс пксо ие/ил/лт/с /уделллало датпіл-і':::;-:- разделешл - ... лц.,л _іа^шг: дсточд-: л:, і: Сласпс*';: полосе:, сил' (прл шлгьллдся оі'р-дниче.ч'':::: ю дідлекд радах насл/де-:;::;,)- пилет привел;?!; :: і:олал:еш:л г:* люготицш: сведет:: п ::с-чоч;лл;оь /лдолеппкх дарлацл!.. .'. Анализ й!;саси:л:снга.:і;!л.- . дли:: но кгллпепдп ело/дот:; t.yj очного віхі-денля Ззгли; сіл/У. / ДД поте/лоск./ нозлолдл получить доказательство е.уа^стдсшіиго от.д.чдя д/длац.д: длдчл: суток с Т^-60 лет от КБазлгарлонлчссдсг'с, ixoiycczi л/ ілітєр-лале последних~300 лет ота вариация представляет co/'oL зату-даюдее гармоническое колейанке, которое возникло после середины прошлого века и затухает к концу 20 века. Возникновение стоп вариации по времени совпадает со столь ке уникальна:.* нарушением, стационарности магнитного пола Солнце (см. иске), :-,-0 дало основание гипотезе аЕторл сС іліоі.: і/.елаїшзме генера-- х. таквх вариации, чем резокадскід, г.ххангз:.^ предложенный ..д.Калшшньш к В.1,1.Киселевы:.:. ;0„ Шервие получено представлешх 22- и 30-летних вари-и.л. зу.иііи суток во временной область. Показано, что до 1820 г. для них отношение (сигнал/шум) < I. Ранее такие вариации Вя/л выделялись только в спектрах (Джин а Томас, Моррпсон) или путем подгонки параметров аппроксимирующих моделей (Брагинскил СИ.). Генерация 22-летней периодичности дл/Л с&чзывается с тем же механизмом, что к генерация вариации с Т«60 лет. Генерация квазигармонического колебания с Т^ЗО лет, по-видимому, определяется процессами в ядре, но более точно идентифицировать источник и механизм затруднительно, Вместе с тем нельзя исключить пока полностью предположение о возможности генерации таких вариаций процессами в верхних оболочках Земли (атмосфера, океан). В результате анализа наиболее точных данных по дл/Л (атомная шкала времени) за ~ 20 лет показана малая значимость в них 11-летней цикличности, преобладание в спектре квазигармонических вариаций с Т^б лет. Отсутствие в изменениях длини суток значимой Н-летней цикличности снижает уровень экспериментальной обоснованности, распространенного в геофизике резонансного механизма воздействия Солнца на процессы в жидком ядре Земли (в том числе и вблизи границы ядра с мантией). Впервые при анализе экспериментальных данных обращено внимание на ухудшение согласованности, которая лежит в основе теории механизмов электромагнитного сцепления ядра и-мантии Земли, синфазных изменений (со сдвигом фазы ~ 15 лет) напряженности геомагнитного поля и длины суток с Т^бО лет послз середины 20 века. Также впервые расширен частотный диапазон исследования таких связей, указано на возможность привлечения к анализу сцепления ядро-мантия согласованных изменений амплитуд 20-летних вариаций "Эл/Я и F (в противофазе) и невозможность рассмотрения вариаций с Т- 10 лет, что также должно найти отражение в указанной теории. В модуляции амплитуды И-летних циклов чисел Вольфа W на интервале *> 300 лет' впервые методом узкополосной фильтрации выделены вариации с Т^ 20-30 лет. Исходя из анализа погрешностей получения данных и свойств вариацийW в разных диапазонах частот, сделан вывод, что на этом интервале \и амплитудные изменения превышают случайные погрешности изменений, но могут частично содержать систематические. Показан?, сложная частотная структура таких изменений (наличие кроі/.з - ЇО - магнитного цикла с Та 22 года вариаций с Т^ 29-30 лет), их нестационарное изменение во времени. Обнаружена перестройка режима прохождения таких вариаций с цикла № 10. В результате анализа по ряду Шов за последние п, 500 лет показано их отсутствие в минимум Маувдера, а также уникальность последней системы бициклов по своей мощности для всего интервала. Впервые для выяснения возможности генерации активностью Солнца квазидвухлетней вариации в тропосфере и атмосфере Земли использован вывод о различном изменении во времени соответствующих вариаций солнечной активности по индексам геомагнитной активности и числам Вольфа, что способствует более направленному поиску механизма генерации таких вариаций. Предложена феноменологическая модель воздействия магнитного поля Солнца на жидкое ядро Земли. Модель учитывает не только квазистационарное изменение магнитных циклов Солнца, но и наличие скачкообразной перестройки их поведения. Предположено, что именно последним фактором обусловлено появление в конце прошлого и в течение нашего века наиболее мощных многолетних изменений геомагнитного поля и скорости суточного вращения Земли. Полезно также отметить, что в Международный центр данных В-2 передан "Каталог среднемесячных значений напряженности геомагнитного поля обсерваторий Европы", составленный под моим руководством и участии. Кроме того, методические аспекты обработки экспериментальных данных, использованной в работе, неоднократно обсуждались с сотрудниками ИЗМИРАН, других научных учреждений и рекомендованы к применению. Полученные результаты могут быть использованы в научных учреждениях, где проводятся исследования временных изменений магнитных полей Земли и Солнца, межпланетной среды, скорости суточного вращения Земли, физики солнечных нейтрино: ИЗМИРАН, ГАИШ, ОибИЗШР, Л0 ИЗМИРАН, ИКИ, ИФЗ, ФИАЛ, НИФИ ЛГУ, НИИЯФ МГУ, ГАО (Пулково), ГАО АН Украины, КрАО, Ш1Г, ФТИ, АО КГУ и др. Характер результатов диссертации. Предлагаемая к защите работа посвящена в основном анализу экспериментальных данных (которые получены трудом нескольких поколений гелиофизиков, астрометристов и других специалистов), извлечению из них ин- - IT - формации, относящейся к многолетним вариациям электромагнитных полеЯ в системе Солнце-Земля, построению на базе такой информации феноменологических моделей механизмов генерации многолетних вариаций этих полей, а также эвристических гипотез об их источниках. Поскольку такие анализы несут информацию о фундаментальных законах природы, выявляют свойства и связи физических полей, дают новые представления об источниках и механизмах таких связей, открывают по сути новую область исследований на стыке гелиофизики, геофизики, солнечно-земной физики и ряда других направлений, представляется, что можно классифицировать их как разработку_теоетических_поло-жений,совокупность которых явлчется_купн_достяжением_в_ развитии_перспективного направления ш^тжв^оочжтстъуквщх. паук__ С другой стороны, выделение в диссертации указанных выше исследований в отдельную научную проблему, поиск и описание закономерностей воздействия таких полей из космоса и ядра Земли на область обитания человечества,, создание основы для будущих прогнозов такого воздействия,, а также возможности решения и других прикладных задач позволяют определить характер диссертации как Еешение научной проблемы^ имеющей важное_наро-дохозяйственное, начение_5_ Публикации и апробация работы. Результаты работы изложены в 52 публикациях, в том числе в одной монографии (см.[46])* Основные результаты работы докладывались и были представлены на съездах по геомагнетизму (Тбилиси, 1981; Ялта, 1986), на всесоюзной конференции "Исследование гиюонов и нейтршю в больших водных объемах" (Алма-Ата, 1983), на симпозиумах КАПГ по солнечно-земной физике (Сочи, 1984; Самарканд, 1989), на всесоюзной конференции "Наблюдательные и физичесюіе основы гелио-геофизического прогнозирования" (Калуга, 1986), на школе по космической физике (Рига,' 1984), на ассамблее МАГА (Зксетер, 1989), на всесоюзном семинаре "Главное геомагнитное поле и его вековые вариации" (Звенигород, 1989). Структура и объем диссертации. Диссертация состоит Ио предисловия, пяти глав,, Заключения и библиографии. Объем дкс-сертационноп работы составляет 274 страницы, включающих ЕГ рисунков и 10 таблиц. Библиограф,:?, содержит 188 гЬг.;:.'еноьан:'.г~:,