CC BY
29
ОСОБЕННОСТИ ДОЛЕВЫХ ТЕНДЕНЦИЙ В ИЕРАРХИИ ДИНАМИКИ ВРЕМЕННОГО РЯДА СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ
А.Б. Шутов, преподаватель
Сочинский государственный университет
(Россия, г. Сочи)
DOI: 10.24411/2500-1000-2019-10544
Аннотация. В динамике месячных данных солнечной активности за период в 262 года, были выделены три уровня иерархии. На каждом уровне иерархии методом долевых тенденций было установлено, что накопительный итог амплитуд имеет свои отличительные характеристики, которые зависят от воздействия внешних космических факторов и факторов внутри солнечной системы.
Ключевые слова: солнечная активность, гравитационные влияния, динамика взаимодействий, накопительный принцип, уровни иерархии, амплитуды рядов, долевая тенденция.
В эволюции Солнца, период жизни которого составляет примерно 10 млрд. лет, начало и конец очень стремительны. Вначале «рождения» Солнце представляло собой часть молекулярного облака, перешедшего затем в состояние протозвезды. Настоящий период эволюции насчитывает 4,57 млрд. лет. Через 1,1 млрд. лет Солнце станет светить ярче на 11% и жизнь на Земле, возможно, уйдет на полярные области. На закате эволюции Солнце, пройдя состояние красного гиганта и планетарной туманности, станет белым карликом [11].
Имея огромные запасы топлива, Солнце по эллипсоидной орбите вращается вокруг центра Галактики. Раз в 176 миллионов лет оно вместе со своей планетной семьей приближается к центру Галактики. Проходя через пространство более насыщенное звездами и межзвездной материей, гравитационное поле Солнца подвергается воздействию галактического ядра. Путь во Вселенной в составе Галактики так же накладывает гравитационные влияния на солнечную активность, что в свою очередь, опосредованно, изменяет и климат на нашей планете [12, 17].
Реконструкция климата на Земле за прошедшие 420 млн. лет позволила выявить 4 ледниковых периода и 5 периодов потепления [13, 16]. Каждый цикл повторяется примерно через 110 млн. лет. Для каждого цикла характерна своя размерность, но отличительной особенностью для них всех является наличие асимметрии, сопровождающееся вначале активным потеплением с последующим затем постепенным похолоданием (рис. 1).
Изучение физики Солнца показало, что излучение Солнца испытывает колебания, имеющие свои периоды, ритмы и циклы [2, 3, 14]. В солнечной активности наиболее изученным является динамика солнечных пятен, которые измеряются числами Вольфа [10]. Солнечные пятна являются областями выхода в фотосферу сильных магнитных полей. Число пятен определяет величину солнечной энергии поступающей к верхней границе атмосферы Земли [15, 19]. Силу этой энергии определяет солнечная постоянная. Было доказано, что пятно-образовательная активность Солнца имеет высокую корреляцию с циклическими вариациями солнечной постоянной [1].
ёсо ЬО ГО rvj с*
- еееоее^
о о о о о в о е
оооооооо
Years BP
Рис. 1. Реконструкция климатических условий на Земле.
В 11-ти летних циклах солнечной активности (СА) тоже наблюдается асимметрия. Главным формирующим фактором этих циклов являются гравитационные влияния планет солнечной системы [14, 18].
В предыдущих наших исследованиях временной ряд динамики солнечной активности был представлен уровнями иерархии [4, 5, 8]. Ряд натуральных величин и гармоники являются 1 и 2 уровнем, а выделенные из гармоник положительные и отрицательные амплитуды представляли 3-й уровень иерархии (рис. 2). За период с 1700 по 1993 год между положительными и отрицательными рядами определялась величина сопряжения. Определялась также сопряжение динамики амплитуд с тенденцией динамики ряда гармоник. В динамике
ряда положительных амплитуд сопряжение с рядом гармоник оказалась значительно выше, чем у ряда отрицательных амплитуд [4].
Для изучения причин вызывающих асимметрию были взяты 22-й и 23-й одиннадцати летний цикл СА, которые были разделены на фазу подъема и спуска. На фазах подъема и спуска изучались кумулятивные тенденции в динамике различных уровней иерархии. Для оценки кумулятивных тенденций использовались характеристики накопления, представляющие собой форму прогнутых и выпуклых дуг [5]. Было выявлено, что на фазе подъема характер кумулятивных тенденций пассивен, а на спуске характер тенденций приобретает активную форму.
1- Натуральные величины
2 - гармоники
3 - выделенные амплитуды из гармоник
Рис. 2. Уровни иерархии в динамике временного ряда солнечной активности
Причем характеристики активности на фазе снижения оказались в разы выше, чем на фазе подъема. На фазе подъема сопряжение положительных амплитуд тенденциям гармоник оказалось в два раза выше, чем на спуске. Этими показателями объясняется тот факт, что на уровне гармоник
происходит активное затухание процесса альфа-омега динамо Солнца и в результате связь амплитудной динамики с тенденцией ряда гармоники ослабевает [5].
В дальнейших работах изучалась динамика тенденций на фазе спуска, которая была разделена на две части [6]. Оказа-
лось, что в первой половине тенденции положительных амплитуд более активны. Во второй половине наоборот, повысилась активность отрицательных амплитуд, которая в 20 раз превысила активность положительных амплитуд. Возможно, эти изменения связаны со значительным уменьшением гравитационной связи между Солнцем и «парадом» планет [18]. На Земле в этом периоде нами было выявлено повышение сейсмической активность [6].
Чтобы установить, что солнечная активность влияет на сейсмическую активность Земли, исследования долевых тенденций динамики Солнца и Земли были продолжены [9]. В этой работе для изучения использовались проиндексированные долевые тенденции положительных и отрицательных амплитуд Солнца и Земли. Сопряжение в проиндексированных рядах между солнечной и сейсмической активностью оказалось достаточно высоким. Характерной особенностью здесь явилась асимметричная связь между положительными и отрицательными амплитудами
Солнца и Земли, произошедшая именно во второй половине снижения 23 -го цикла.
В исследованиях влияний Солнца и климата на древесную растительность была выявлена главная особенность в сопряжении разных уровней иерархии. Было установлено, что каждый из трех изученных нами уровней имеет свои отличительные характеристики долевых тенденций. Исследования показали, что высокая связь в тенденциях между объектами возможна на любом из уровней иерархии. Каждый из уровней в динамике влияющих и реагирующих объектов имеет свою определенную долю участия [8].
Методы исследования. В данной работе число пятен на Солнце представлено ежемесячными данными в числах Вольфа [10] за период с 1749 по 2009 год (рис. 3 б)).. В динамике солнечной активности (СА) были выделены 3 уровня иерархии (рис. 2). Первый уровень иерархии представлен динамикой долевых тенденций (рис. 4).
а) измерения СА по годам
б) измерения СА по месяцам
Рис. 3. Солнечная активность в числах Вольфа с 1749 по 2011 год [10]
Гармоники амплитудной динамики долевых тенденций представляют второй уровень иерархии (см.Рис.4). Амплитуды в гармониках определены из разницы последующего от предыдущего показателя: Л± = С^ — С1+1 .
Положительные (Л+) и отрицательные (Д_) амплитуды, выбранные из амплитудной динамики, представляют динамические ряды третьего уровня иерархии (см.Рис.5). Подуровень третьего уровня иерархии мы получаем в результате удаления условной долевой тенденции амплитудного ряда. Подуровень представляет индекс долевого прироста (ИДП) в динамике положительных и отрицательных амплитуд [8]:
ИДП = Ву (±) - Ву (ор),
(1)
где Ву (±) - условная долевая тенденция выбранного амплитудного ряда, Ву(ор) - условная долевая тенденция общего амплитудного ряда. Чтобы получить динамику условной долевой тенденции (Ву; Ву(ор)) показателей, возрастающий тренд И ) выбирается:
By
hs
B„
(2)
В исследованиях используются так же статистические методы накопления частоты показателей амплитудной динамики, а так же тригонометрические преобразования сторон прямоугольных треугольников и их перемещений в системе координат
[7]:
В = (р.+1 + р. ) хя/Агс соъАа (3)
где В1 - долевая тенденция. Показателя резерва динамического сопряжения (РДС) позволяет определить связь в кумулятивных тенденциях между различными уровнями иерархии:
РДС =, , (4)
где, ДУУу = Ву + Ву+1, а ВУ - выбранный амплитудный ряд, Д УУ - доля условного участия (в тексте - накопительный итог).
Показатель кумулятивной емкости (КЕ), отражает характеристики кумулятивных тенденций [6,9]:
КЕ = Д уу * Д уа,
(5)
Дуа = Ä' - доля условной актив-
где, ности.
Результаты исследований и их обсуждение. На результаты исследований СА большое влияние оказывает выбор изначальных данных. Уже из графиков на пис. 3 а) и б) мы видим различия и в тенденциях, и в размерах, следовательно, и данные показателей долевых тенденций будут иметь огромные различия, поскольку в месячных данных имеется дополнительная информация об особенностях динамики, которой нет в данных за год.
Динамика долевых тенденций первого уровня иерархии (Рис.4), значительно отличаются от долевых тенденций ряда гармоник второго уровня.
-0,35
Рис. 4. Долевые тенденции натуральных и амплитудных (гармоники) величин
В динамике первого (натур.) и второго (амплит.) уровней видны гармоники волн
11- летних циклов. Предположительно, что на характер тенденций первого уровня
большее влияние оказывают внешние факторы (гравитационные: поля, волны). В характере тенденций второго уровня появились дополнительные влияния, которые можно связать с планетарными влияниями. В таблице 1 эти различия в показате-
лях тенденций характеризует показатель кумулятивной емкости. Отрицательный знак характеризует пассивный накопительный итог, а положительный - активный [5, 9].
Таблица 1. Показатели кумулятивной емкости (КЕ) с 1749 по 2011 год
Данные ряда Уровни иерархии
первый второй третий под уровень (ИДП)
натур. амплит. + — + —
КЕ -35,70 -6,62 -7,57 -6,48 -0,032 0,001
Отрицательный знак показателя КЕ ( 1-й уровень - 35,70, 2-й уровень - 6,62) связан с пассивным характером накопления информации, содержащейся в размерах амплитуд данных уровней иерархии (рис. 2).
Долевые тенденции нижних уровней иерархии, более чувствительны к амплитудным изменениям, чем верхние уровни. Так, например, диапазон амплитудных изменений на подуровне третьего уровня
выражен дробными числами (КЕ = - 0,032 и 0,001), что значительно меньше первого и второго уровней.
Удаленная тенденция из динамики второго уровня иерархии (см. формулу 1), позволяет более отчетливо рассмотреть все изменения в 11 -ти летних циклах солнечной активности (см.Рис.5). На графике мы видим, что в некоторых циклах итога в рядах положительных и отрицательных амплитуд.
Рис.5. Динамика проиндексированных амплитуд (ИДИ) на подуровне третьего уровня
Кроме того, в междурядье постепенно увеличивается размах. Для того, что бы установить может ли такая информация обладать прогностическими данными, нужны дополнительные исследования в избирательных циклах СА.
Отрицательный знак кумулятивной емкости (КЕ) положительных амплитуд на подуровне характеризует пассивную тенденцию нарастающего итога [5] амплитуд ряда (табл. 1). Таким образом, на подуровне мы получили дополнительную характе-
ристику о тенденциях, которую мы не видим на втором уровне иерархии.
Из таблицы 2 мы видим, что показатели сопряжения между 2-м и 3-м уровнями иерархии отличаются от показателей сопряжения между 1-м и 2-м уровнями: ряд отрицательных амплитуд имеет большую связь с общим рядом гармоник (РДС=0,579), чем ряд положительных амплитуд (РДС=0,179). Если проводить подобный анализ с данными измерения СА по годам, то данные, в этом случае будут противоположные [4].
Таблица 2. Данные резерва динамического сопряжения (РДС) между уровнями иерар-
хии с периода 1749 по 2011 год
Уровни иерархии Структурные данные Данные РДС
1-й и 2-й натур. и ампл. 0,010
2-й и 3-й ампл. и + 0,179
2-й и 3-й ампл. и - 0,579
3-й + и - 0,195
подуровень(3-го уровня) ИДП (+ и -) 0,195
Выводы: летних циклов, где выявлено отличие свя-
1. Разделение временного ряда на уров- зи положительных и отрицательных ам-ни иерархии позволяет выделить тот при- плитуд с общим для них рядом гармоник чинный фактор, который может вызывать (см. РДС 0,179 и 0,579). Такое различие в те или иные изменения в уровневой дина- показателях РДС за весь исследуемый мике солнечной активности. временной период может быть вызвано
2. На динамику первого уровня, пред- лишь планетарными влияниями на сол-положительно, оказывают галактические нечную активность.
гравитационные влияния. Связь между 4. Для динамики долевых тенденций на
первым и вторым уровнями (см. РДС подуровне 3-го уровня характерны перио-0,010) показывает, что на втором уровне ды взаимозаменяемости рядов состоящих космические влияния ослабевают. из положительных и отрицательных ам-
3. Ряд гармоник второго уровня харак- плитуд (рис. 5). теризует изменения в тенденциях 11 -ти
Библиографический список
1. Абдусаматов Х.И. Солнце диктует климат Земли. - СПБ.: Изд-во "Logos", 2009. -197 с.
2. Ишков В.Н. Периоды «пониженной» и «повышенной» солнечной активности: наблюдательные особенности и ключевые факты // Сб. «Солнечная и солнечно-земная физика - 2013», под ред. Ю.А. Наговицина, Изд. ВВМ, Санкт- Петербург, 2013, с. 111 - 114, -URL: http://www.gao.spb.ru/russian/publ-s/conf_2013/conf_2013.pdf
3. Тобоев В.А. Неортогональный амплитудно-частотный анализ сложных сигналов (НАЧАСС): динамика и тонкая структура солнечной активности // Приволжский научный вестник. - 2014. Ч. 1, №8(36). С. 9-20.
4. Шутов А.Б. Преобладание доли участия отрицательных амплитуд в тенденциях динамики солнечной активности // Приволжский научный вестник. 2013. №7 (23). С. 5-12.
5. Шутов А.Б. Причины асимметрий в динамике одиннадцати летних циклов солнечной активности // Научно-Образовательное Содружество «Evolutio». 2017. № 8 С. 70-77.
6. Шутов А.Б. Солнечная доминанта в динамике землетрясений за период 2004-2010 год. // Международный журнал гуманитарных и естественных наук. 2018. - №2. - С. 125133.
7. Шутов А.Б., Битюков Н.А. Применение метода долевых тенденций в анализе динамики климатических факторов буковых и дубравных зон Причерноморья // Известия СГУ. 2013. №2 (25). С. 156-161.
8. Шутов А.Б., Мацканюк А.А. Значение долевой тенденции в исследованиях динамики показателей временного ряда радиального прироста у пихт. // сборн. науч. трудов Междунар. Науч.- практ.конф., « Современные тенденции развития естествознания и технических наук». - Белгород: ООО АПНИ, 30 августа 2018. - С. 10-18.
9. Шутов А.Б., Мацканюк А.А. Роль индекса долевого прироста в определении связи между землетрясениями и солнечной активностью в периоде 11 -ти летнего цикла. //
сборн. науч. трудов Междунар. Науч.- практ.конф., « Современные тенденции развития естествознания и технических наук» - Белгород: ООО АПНИ, 29 марта 2018. - С. 56-64.
10. Солнечная активность. Табл. 7.17. W (числа Вольфа). - URL: http://www. astronom 2000.info
11. Герцшпрунг-Рассел. Этапы «жизни» Солнца. - URL: astromaniya.at.ua/publ/solnechnaja_sistema/ obshhie_dannye/ehvolj ucij a_solnca
12. Гравитационное взаимодействие во Вселенной. - URL: montirey. org/books/ sotcium_140. html
13. Пушкин А.А., Римкевич В.С. Влияние галактик местной группы и Солнца на Землю. - URL: https://research-journal.org/earth/
14. Федоров В.М. Синодическая вариация в межгодовой изменчивости солнечной постоянной. - URL: https://solar-climate.com/sc/sino.htm
15. Влияние солнечных и магнитных бурь. - URL:vestishki.ru/content/влияние-солнечных-и-магнитных-бурь-на-биосферу-и-литосферу-земли
16. Млечный Путь влияет на климат. - URL:https://www.sunhome.ru/journal/120711
17. Циклы и ритмы Вселенной. Философские концепции в развитии естественных наук. С.50. -URL: https://studopedia.su/13_42822_ritmi-galaktiki.html
18. Stefani F., Giesecke A., Weber N., Weier T. Synchronized Helicity Oscillations: A Link Between Planetary Tides and the Solar Cycle? //Solar Physics,October 2016, Volume 291. -URL: https://scientificrussia.ru/articles/
19. Raymond Bradley, доклады NRC и группы экспертов ООН по изменению климата (IPCC). - URL:https://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2013/08jan_sunclimate/Solar Variability and Terrestrial Climate
FEATURES OF SHARE TENDENCIES IN HIERARCHY OF DYNAMICS TIME OF
SOME SOLAR ACTIVITY
A.B. Shutov, lecturer Sochi state university (Russia, Sochi)
Abstract. In dynamics of monthly data of solar activity for the period in 262 years, three levels of hierarchy have been allocated. At each level of hierarchy by a method of share tendencies it has been established, that the memory result of amplitudes has the distinctive characteristics which depend on influence of external space factors and factors inside of solar system.
Keywords: Solar activity, gravitational influences, dynamics of interactions, memory principle, levels of hierarchy, amplitude of numbers, the share tendency.
