CC BY
34
МНОГОЛЕТНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ КРЫМА
Курбасова Галина Сергеевна
канд. физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник Крымской астрофизической
обсерватории, РФ, п. Научный, Крым E-mail: gskurb@gmail. com Вольвач Александр Евгеньевич д-р физ.-мат. наук, зав. лабораторией радиоастрономии Крымской астрофизической обсерватории, РФ, п. Научный, Крым
E-mail: volvach@meta. ua
LONG-TERM CHANGES OF THE GEOMAGNETIC FIELD OF CRIMEA
Kurbasova Galina
candidate of Sciences, Leading Researcher Crimean Astrophysical Observatory,
Russia, Science, Crimea Vol'vach Alexander
Dr. of Sciences, Head. laboratory of Radio Astronomy Crimean Astrophysical
Observatory, Russia, Science, Crimea
АННОТАЦИЯ
В статье обсуждаются результаты анализа среднегодовых характеристик геомагнитного поля в Крыму. Данные для анализа вычислены за период с 1900 по 2014 год с помощью Международной геомагнитной модели IGRF-11. Сделан вывод о возрастании общей напряжённости геомагнитного поля в Крыму со временем в северо-восточном направлении.
ABSTRACT
The paper discusses the results of the analysis of average characteristics of the geomagnetic field in the Crimea. Data for the analysis were calculated for the period from 1900 to 2014 through the International geomagnetic model IGRF-11. It is concluded that an increase in the total intensity of the geomagnetic field in Crimea with time in a northeasterly direction.
Ключевые слова: магнитное поле; Крым.
Keywords: magnetic field; Crimea.
Введение. Возросший за последнее время интерес к изучению магнитного поля Земли объясняется рядом факторов, из которых следует отметить такие как:
Created by DocuFreezer | www.DocuFreezer.com |
ускоренное движение магнитных полюсов, убыль напряжённости магнитного поля и вытекающая из этого угроза для жизни на Земле, возможность изучения процессов в ядре Земли с помощью измерений характеристик магнитного поля, многогранную роль магнитного поля в обменных процессах происходящих в солнечно-земных взаимосвязях.
Математическим описанием изменений параметров геомагнитного поля является созданная в настоящее время Международная модель — результат совместных усилий отдельных исследователей и научных организаций по изучению магнитного поля, участвующих в сборе и распространении данных о магнитном поле со спутников и наземных обсерваторий по всему миру.
Для анализа структуры и пространственно-временных изменений геомагнитного поля в 4 крайних точках Крыма и п. Кара-Даг за период 1900— 2014 года авторы использовали калькулятор для расчётов магнитного поля в заданном пункте по Международной геомагнитной модели (The International Geomagnetic Reference Field, IGRF-11) [8].
Кроме определения долговременных пространственно-временных изменений характеристик геомагнитного поля в Крыму, исследовалась возможность существования связи изменений характеристик геомагнитного поля с глобальными геодинамическими, гелиофизическими и атмосферными аномалиями. Наряду с анализом изменений характеристик геомагнитного поля в крайних пунктах полуострова (на севере — п. Перекоп, на юге — п. Кара Мрун, на востоке — п. Фонарь, на западе — п. Сарыч), в анализе использовались характеристики геомагнитного поля п. Кара- Даг [2; 5].
Локальные геомагнитные поля. Включение в анализ характеристик геомагнитного поля п. Кара-Даг вызвано обнаруженными ранее авторами настоящей работы аномалиями локальной инсоляции. Так скорость роста инсоляции п. Кара-Даг по данным 22-х летнего тренда за период 1983— 2005 годы, составила 2,69 кВт*ч / м2 за столетие, что более чем в 2 раза превышает темпы роста инсоляции в других районах Крыма. Кроме того, обнаружены противоположные тенденции изменения температуры воздуха на
высоте 10 м и температуры земли, что свидетельствуют об аномалиях в локальных геофизических и атмосферных процессах п. Кара- Даг.
Анализ графиков составляющих векторов магнитного поля в 5 точках Крыма определяет общие тенденции изменений для каждой составляющей: горизонтальные и северные компоненты магнитного поля убывают со временем, а восточные, вертикальные компоненты и общее магнитное поле — возрастают. Для анализа использовались данные о многолетних изменениях горизонтальной составляющей и общего магнитного поля в виду отсутствия каких-либо особенностей в изменениях остальных характеристик. На рисунке 1 приведены графики общего геомагнитного поля и горизонтальной составляющей в 5 пунктах Крыма.
Рисунок 1. Графики характеристик геомагнитного поля в 5 пунктах Крыма: а) — напряжённость общего геомагнитного поля Г, б) — горизонтальная составляющая геомагнитного поля Н
Графики на рисунке 1, выделенные сплошной линией, относятся к геомагнитному полю в п. Перекоп (крайний северный) и п. Сарыч (крайний южный), расположенным на одной и той же долготе. В этих пунктах наблюдается минимальная (по сравнению с остальными пунктами) горизонтальная составляющая. В то же время, горизонтальная составляющая в п. Кара-Даг превосходит все остальные (см. рис. 1, б)), что, по всей вероятности, связано с особыми локальными геофизическими условиями.
Уже более века продолжается изучение геологии Кара-Дага. В конце XIX в. начинают появляться первые сведения по геологии вулканической группы Кара-Дага. Предположение о том, что она является крупным размытым слоистым вулканом, высказал А.А. Прозоровский-Голицын.
Исследователями структуры Кара-Дага сделан вывод относительно его сложного строения.
Установление когерентных связей. В анализе спектрального состава исходных данных использовался метод спектральных оценок, обладающих высокой разрешающей способностью для ограниченных последовательностей данных [3]. В постановку задачи входило установление когерентности локальных изменений характеристик геомагнитного поля и таких глобальных процессов как вращение Земли, солнечная активность, глобальная температура.
Согласно этому методу, установление взаимной корреляции между двумя (одноканальными) процессами состоит в вычислении функции взаимной (двухканальной) спектральной плотности мощности (СПМ), которая представляет собой дискретно-временное преобразование Фурье взаимной корреляционной функции гху в виде
к
Ру (У) = Т XГу[к]ехр(-]2фТ), (1)
к=-о>
где: х и у — одноканальные процессы,
У — частота,
Т — интервал времени.
Комплексное безразмерное выражение функции когерентности имеет вид
Ру (У) = Ру (У) / ТРГ (У(У). (2)
Для измерения сходства (как функции частоты) двух сигналов вычисляем квадрат модуля когерентности (КМК) в виде
KMK (f) = F if ]2 (3)
и фазовый спектр когерентности
0(f) = arctg [Im F (f)}/ Re fo (f)}\. (4)
Величина КМК (3) заключена между 0 (для частот, на которых отсутствует когерентность между каналами) и 1 (для частот, на которых каналы полностью когерентны). Фаза когерентности (4) характеризует отставание или опережение по фазе в канале X по отношению к каналу Y как функцию частоты.
Проведём анализ результатов применения изложенного выше метода для обнаружения когерентных вариаций характеристик локального геомагнитного поля в Крыму и некоторых параметров глобальных геодинамических, гелиофизических и атмосферных процессов. В качестве исходных данных о локальных характеристиках геомагнитного поля выберем п. Кара-Даг. Как следует из анализа графиков на рисунке 1, а), тенденции изменения геомагнитного поля на остальных четырёх пунктах аналогичны.
Одним из главных глобальных геодинамических процессов, влияющих на изменения локальных геофизических и атмосферных характеристик, является вращение Земли вокруг своей оси и её положение на орбите. Для установления когерентных колебаний использовались данные о геомагнитных характеристиках в п. Кара-Даг и среднегодовые величины отклонений длительностей суток от стандартных (86400сек.) LOD (length of day), публикуемые Международной службой вращения Земли (IERS — International Earth Rotation Service) [7].
Анализ графиков на рисунке 2, б позволяет предположить о существовании статистической связи между вариациями с периодом 25 лет в данных о горизонтальной составляющей магнитного поля в п. Кара-Даг Н (рис. 1, б) и отклонениями длительностей суток от стандартных LOD (рис. 2, а). Кроме того,
установлена когерентность вариаций с периодом 66.7 год в данных ЬОЭ и общего магнитного поля Б в п. Кара-Даг.
Рисунок 2. Графики: а) — отклонения длительности суток от стандартных ЬОБ; б) — квадрат модуля когерентности ЬОБ и Н; в) — квадрат модуля когерентности ЬОБ и Г
Современные научные гипотезы не отрицают факт существования синхронных колебаний в локальных и глобальных процессах [1].
Земля непрерывно получает от Солнца почти неизменный поток энергии, обеспечивающий наблюдаемый уровень освещённости и среднюю температуру её поверхности. Однако количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли, распределяется неравномерно и зависит, прежде всего, от положения Земли на орбите, скорости её вращения, локальных и региональных условий. Колебания земных условий существенно зависят от солнечной активности.
Под активностью Солнца, прежде всего, понимают рост числа солнечных пятен и процессы его сопровождающие. В цепочке солнечно-земных взаимодействий влияние солнечной активности на внешние и внутри земные процессы проявляется в событиях, период повторения которых составляет в среднем 11 лет. Региональные и локальные условия влияют на результат
воздействия солнечной активности. Проведенный нами анализ обнаружил высокую когерентность изменения из года в год напряжённости общего магнитного поля в п. Кара-Даг с изменениями из года в год числа солнечных пятен. На рисунке 3, а) приведен график КМК. Максимальное значение КМК соответствует вариациям с периодом 10.5 лет. Десятилетние вариации обнаружены ранее в экспериментальных данных некоторых геодинамических, геофизических и гелиофизических процессов [6]. Их когерентность с вариациями в данных о локальном геомагнитном поле Крыма обсуждается впервые.
Связь локальных климатических и геофизических характеристик с многолетними изменениями глобальной температуры Земли в настоящее время является предметом дискуссий. Отсутствие знаний о многолетнем механизме этой связи дополняется гипотезами и анализом эмпирических данных.
Рисунок 3. Квадрат модуля когерентности данных об изменениях из года в год общего магнитного поля в п. Кара-Даг и а) — числа солнечных пятен [9], б) — среднегодовых глобальных аномалий температуры [10]
Анализ данных за период 1900—2014 годы обнаружил высокую когерентность изменения из года в год напряжённости общего магнитного поля п. Кара-Даг с изменениями из года в год среднегодовых величин глобальных
аномалий температуры (см. рис. 3, б) для вариаций с периодом 67лет. Этот результат согласуется с выводами, опубликованными в работе [4], о едином механизме генерации многолетних вариаций с периодами в диапазоне 65—70 лет в глобальной температуре, изменениях углового момента ядра Земли, скорости вращения Земли. При этом предполагается, что геомагнитное поле может поддерживать этот процесс.
Многолетние локальные изменения общего геомагнитного поля в Крыму (см. рис. 4) определяют общую тенденцию его эволюции: рост со временем в северо-восточном направлении. Исходные данные для графика вычислены на сетке 0,5°х 0,5° с последующей интерполяцией.
Выводы.
1. Связь локальных климатических и геофизических характеристик с вращением Земли не подлежит сомнению. Однако её детали для каждого экономически важного пункта Крыма, в силу разнообразия ландшафта, техногенных условий и пр., должны находиться под контролем регулярных наземных и космических наблюдений.
2. Анализ многолетних изменений геомагнитного поля в п. Кара-Даг не прояснил причину аномального роста инсоляции и температуры земли в этом пункте.
В то же время, горизонтальная составляющая п. Кара-Даг превосходит все остальные (см. рис. 1, б)), что, по всей вероятности, связано с особыми локальными геофизическими условиями.
3. Обнаруженные долгопериодические когерентные колебания характеристик локального геомагнитного поля и глобальных изменений длительности суток, солнечной активности, аномалий глобальной температуры подтверждают гипотезу о существовании общего механизма локальных и глобальных колебаний. Изучение многолетних связей локальных и глобальных природных процессов необходимо для построения более точных экологических и климатических прогнозов.
4. Общая напряжённость геомагнитного поля в Крыму за период 1900— 2014 годы возрастает в северо-восточном направлении.
Рисунок 4. Общая напряжённость геомагнитного поля в Крыму за период
1900—2014 годы
Список литературы:
1. Берри Б.Л. Синхронные процессы в оболочках Земли и их космические причины // Вестник МГУ. — 1991. — Сер. 5, — № 1. — С. 20—27.
2. Курбасова Г.С., А.Е. Вольвач Вейвлет-анализ наземных и космических измерений локальной инсоляции // Космическая наука и технология. — 2014. — Т. 20. — № 4. — С. 42—49.
3. Марпл С.Л. мл. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1990. — 584 с.
4. Dickey, Jean O., Steven L. Marcus, Olivier de Viron Air Temperature and Anthropogenic Forcing: Insights from the Solid Earth. //J. Climate. — 2011. — № 24 — P. 569—574.
5. Kurbasova G.S., Volvach A.E. The insolation anomalies on the Crimean peninsula with observations from space // CriMiCo2014, Conference Proceedings Sevastopol: Weber Publishing. — 2014. — Vol. 2. — P. 1085—1086.
6. Kurbasova G.S., Korsun A.A., Rykhlova L.V., Rybalova M.N., Shlikar G.N. Statistical Correlations between 10 Year Variations of Annual Mean
Geodynamical, Geophysical, and Heliophysical Data. //Astronomy Reports. — 1997. — Vol. 41, — № 1. — P. 128—134.
7. IERS Web site map, Data Products. — 2014. [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http: //hpiers. obspm. fr/
8. NGDC Geomagnetic Calculators. — 2014. [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http:// www.ngdc.noaa. gov
9. Table Data: SIDC — Solar Influences Data Center. — 2014. [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http:// www.sidc.be/silso/datafiles
10. Table Data: Global and Hemispheric Monthly Means and Zonal Annual Me ans. — 2014. [Электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://data. giss.nasa. gov/gistemp/tabledata
