Введение к работе
Актуальность темы исследований и современное состояние проблемы.
Интерес к аналитическому моделированию геомагнитного поля, возросший в начале 70-х годов, сохранился до настоящего времени и определяется необходимостью использовать модели в разных областях современной науки (геофизика, космические исследования, навигация, геология). Аналитические модели геомагнитного поля, используя различные наземные данные (МО, ПВХ) и данные разновысотных съемок на аэростатах, самолетах и спутниках, позволяют вычислить значение поля в любой точке как на земной поверхности, так и вне Земли.
Но за последние десятилетие повысились требования к точности моделирования геомагнитного поля (ГМП) и его вековых вариаций, что связано с запросами фундаментальных исследований и практики магнитной картографии. Например, для проведения крупномасштабных магнитных съемок в геологоразведке необходима точность до единиц нТл, такая же точность требуется и для исследования геомагнитных джерков. Глобальные модели наиболее развиты и удобны в использовании, однако они дают усредненную точность по всей поверхности Земли, так как точность моделирования зависит от количества, качества исходных данных и равномерности их распределения в пространстве и времени. А на огромных океанских акваториях практически отсутствуют измерения на МО и ПВХ.
Для региональных моделей, на таких территориях как Европа, Северная Америка или Австралия, где имеется обширная сеть МО и ПВХ, существует возможность получить модель ГМП высокой точности, однако алгоритмы высокоточного регионального пространственно-временного' моделирования недостаточно разработаны.
В данной работе предлагается значительно улучшить точность пространственно-временного моделирования ГМП как на всей поверхности Земли, так и на отдельно взятом регионе с помощью применения статистического метода естественных ортогональных составляющих (МЕОС), который эффективно применялся в метеорологии при изучении количественных характеристик состояний атмосферных движений (более ранние работы -
Багров, 1959; Обухов, 1960), а затем получил распространение для анализа главного геомагнитного поля и его вариаций ( Вертлиб и др., 1970; Файнберг, 1975; Пушков,1976). Использование статистических особенностей метода позволяет значительно улучшить результаты как глобального, так и регионального моделирования изменений поля.
Цели исследования.
Основная цель настоящей работы - разработка пространственно-временных моделей, с высокой точностью описывающих изменения геомагнитного поля и их использование для изучения характеристик вековых вариаций в диапазоне характерных времен до 100 лет.
Решались следующие задачи : -разработка методики пространственно-временного моделирования с использованием одного из видов численных функций - естественных ортогональных составляющих для описания временных изменений геомагнитного поля;
- создание высокоточной глобальной пространственно-временной модели на
25 летнем временном интервале;
-разработка алгоритма регионального пространственно-временного моделирования на примере создания региональной модели на территории Канады;
- изучение статистических свойств вековых вариаций в диапазоне характерных
аремен до 100 лет посредством построения пространственно-временной
модели на 90-летнем интервале.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Глобальная пространственно-временная модель IZMST, построенная на
интервале с 1970г. по 1995г. имеет непрерывный, несглаженныи характер
описания геомагнитного поля с точностью до 10-15 нТл, что на порядок лучше
точности описания современными дискретными моделями международного
поля относимое (серии IGRF).
2. Высокоточная региональная пространственно-временная модель, разра
ботанная для территории Канады на 25-летнем временном интервале с 1971г.
по 1995г. описывает поле с точностью до единиц нТл, с использованием небольшого набора данных, имеет широкое прикладное значение. 3. Короткопериодные вековые вариации ГМП с характерным временем 60 лет не синхронны во времени и фазы этих вариаций случайным образом распределены по поверхности Земли.
Научная новизна и практическая значимость работы.
До настоящего времени не было предпринято попыток построения высокоточных пространственно-временных моделей на всей поверхности Земли с представлением временных изменений ГМП с помощью числовых, функций. Существующие современные глобальные дискретные модели не отвечают требованиям, предъявляемым к описаниям геомагнитных вариаций на длительном временном интервале.
Для описания вариаций ГМП на отдельной территории способ соединения
потенциального сферического секторного гармонического .анализа, с разло
жением на базисные естественные ортогональные функции г позволяет
получить высокоточную региональную модель, имеющую широкое
практическое применение. Сравнительный анализ с, существующими на
данный момент для территории Канады моделей CGRF95.5 и РОМ-
Канада 71/95 показал наглядное преимущество алгоритма, в котором для
пространственного описания применяется потенциальный ССГ анализ, а для
временного описания - метод ЕОС. . , ..,........
Использование для изучения свойств короткопериодных.вековых вариаций пространственно-временной модели, построенной с помощью разработанного алгоритма на 90-летнем временном интервале позволяет выявить новые особенности этого вида вариаций.
Реализация работы.
Работа выполнена в лаборатории Главного магнитного поля Земли Отделения "Магнетизм Земли и планет" ИЗМИРАН по плану научно-исследовательских работ, проводимых в рамках темы "Исследование пространственно - временной структуры вековых вариаций геомагнитного поля " ( № гос. per. 01.9.30 010015 ).
Апробация результатов и публикации.
Основные результаты исследований, приведенных в диссертации были доложены на 7 научной Ассамблее IAGA ( г.Боулдер, США, 1995г.), на 8 научной Ассамблее IAGA (г. Упсала, Швеция, 1997г.) на Российско-Индийском симпозиуме (Россия, 1997г.), а также на научных семинарах и Ученом Совете ИЗМИРАН. По теме диссертации опубликовано 8 работ.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, общим объемом 170 машинописных страниц, содержит 27 рисунка и 16 таблиц. В списке цитируемой литературы 96 наименований.
Диссертация выполнена под руководством доктора физико-мате-матических наук, профессора В.П.Головкова, которому автор глубоко признателен за постоянное внимание и неоценимую помощь на всех этапах работы. Хотелось бы также поблагодарить Т.Н.Бондарь и всех сотрудников лаборатории за ценные замечания и полезные советы во время работы над диссертацией. Автор также благодарит за помощь в оформлении диссертации Л.И. Яковлеву.