Влияние солнечной и геомагнитной активности на суточные вариации NmF2 зимой в средних широтах

Марков Александр Витальевич; Абдуллаев Алишер Рашитович; Клименко Максим Владимирович

4. Иванов А. И., Иванов А. А. К расчету спектров ядерного магнитного резонанса // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. 2015. Вып. 4.

5. Jelezko F., Gaebel T., Popa I. et al. Observation of coherent oscillation of single nuclear spin and realization of a two-qubit conditional quantum gate // Phys. Rev. Lett. 2004. Vol. 93. P. 130501.

Об авторах

60

Александр Алексеевич Иванов — асп., Балтийский федеральный университет им. И. Канта, Калининград. E-mail: aivanov023@gmail.com

Алексей Иванович Иванов — д-р физ.-мат. наук, проф., Балтийский федеральный университет им. И. Канта, Калининград. E-mail: AIvanov@kantiana.ru

About authors

Aleksander Ivanov — PhD student, I. Kant Baltic Federal University, Kaliningrad.

E-mail: aivanov023@gmail.com

Prof. Aleksey Ivanov — I. Kant Baltic Federal University, Kaliningrad. E-mail: AIvanov@kantiana.ru

УДК 550.338

А. В. Марков, А. Р. Абдуллаев, М. В. Клименко

ВЛИЯНИЕ СОЛНЕЧНОЙ И ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ НА СУТОЧНЫЕ ВАРИАЦИИ NmF2 ЗИМОЙ В СРЕДНИХ ШИРОТАХ

Представлены результаты проведенного исследования зависимости дневных <NmF2>27на различных долготах от солнечной и геомагнитной активности в январе 2012 — 2015 гг. Рассмотрена зависимость суточных вариаций NmF2 от уровня солнечной активности. Показано, что зависимость NmF2 от солнечной активности носит линейный характер, отличающийся на различных станциях.

The paper presents the results of the study according to day <NmF2>27 at different longitudes by solar and geomagnetic activity in January 2012-2015. The dependence of the daily variations of NmF2 of the level of solar activity. It is shown that the dependence of NmF2 and solar activity is linear in nature, different at different stations.

Ключевые слова: солнечная активность, широтные зоны, электронная концентрация, ионосфера.

Key words: solar activity, latitudinal zones, electronic concentration, ionosphere.

Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта.

Сер.: Физико-математические и технические науки. 2016. № 4. С. 60—67.

Введение

Электронная концентрация в максимуме ¥2-слоя, дневных <Ыт¥2>27, возрастает с уровнем солнечной активности пропорционально числу солнечных пятен или индексу Р10.7 [1]. Во всех широтных зонах, суточно-сезонные вариации электронной концентрации в ионосфере вызваны изменениями скорости ионообразования, пропорциональной косинусу зенитного угла Солнца. Нейтральный состав контролируется глобальной термосферной циркуляцией и нейтральной температурой, а перенос плазмы связан с нейтральными ветрами [2]. Зависимость суточно-сезонных вариаций параметров ¥ области ионосферы от солнечной активности над станциями восточно-сибирского региона детально исследована в [3]. Показано, что для Иркутска и Норильска рост солнечной активности приводит к наибольшему увеличению электронной концентрации в максимуме ¥2-слоя в дневное время вблизи зимнего солнцестояния. В наименьшей степени зависимость Ыт¥2 от солнечной активности проявляется в ночной зимней ионосфере, которая в наибольшей мере контролируется потоками плазмы из плазмосферы. В работе [4] было показано, что полуденные значения дневных <Мга¥2>27 в Миллстоун Хилле в зимние время года хорошо описываются линейной зависимостью от индекса солнечной активности ¥10.7.

61

1. Данные наблюдений и обработка результатов

Для выявления зависимости от солнечной активности значений дневных <Мя¥2>27 на средних широтах в январе 2012 — 2015 гг. нами использовались данные индекса солнечной активности ¥107, взятые с сайта http://lasp.colorado.edu/lisird/tss/noaa_radio_flux.html, и индекса геомагнитной активности Ар с сайта http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/kp/ index.html. По этим данным проведены усреднения индексов солнечной и геомагнитной активности. В таблице 1 приведены 27-дневные и 81-дневные усреднения индексов солнечной (¥107) и геомагнитной (Ар) активности за рассматриваемый период времени. Индексы геомагнитной активности <Ар>27 и <Ар>81 показали, что рассматриваемые периоды были геомагнитно-спокойными. Для нахождения зависимости электронной концентрации в ¥2-слое ионосферы от солнечной активности мы использовали <¥10 7>27, поскольку, как видно из таблицы 1, значения

<¥Ю.7>27 и <¥Ю.7>81 близки друг к другу.

Для выявления зависимости от солнечной активности дневных значений Ыт¥2 на средних и субавроральных широтах для 19 января 2012 — 2015 гг. нами были взяты данные Ыт¥2 семи среднеширотных и субавроральных ионозондов из мировой сети станций с сайта http://spidr.ngdc.noaa.gov. и данные ионозондов Калининград и Иркутск, обработанные вручную в интерактивном режиме. В таблице 2 приведены координаты всех используемых станций.

Таблица 1

27- и 81- дневные усредненные значения Р10.7 и Ар индексов для 19 января 2012—2015 годов

62

Год <Fl0.7>27 <F10.7>81 <Ap>27 <Ap>81

2012 128 124 7,3 6,5

2013 122 110 5,4 4,7

2014 149 154 4,7 6,8

2015 132 139 9,3 10,2

Таблица 2

Список используемых станций

Станция Широта, градусы Долгота, градусы

Port Stanley - 51,7 - 57,8

Jeju 33,5 126,5

I-Cheon 37,1 127,5

Boulder 40,0 - 105,3

Rome 41,8 12,5

Pruhonice 50,0 14,6

Irkutsk 52,5 104,0

Kaliningrad 54,0 20,0

Moscow 55,5 37,3

Нами была проведена дополнительная ручная обработка данных с сайта http://spidr.ngdc.noaa.gov ввиду различных технических аспектов записи данных. Были получены 27-дневные медианные (с серединой 19 января) суточные вариации ЫтР2 над 9 станциями для 2012— 2015 гг. Суточные вариации ЫтР2 были получены по мировому времени ИТ и переведены в местное время ЬТ.

2. Содержательная часть

Анализ суточных вариаций ЫтР2 для девяти среднеширотных и субавроральных ионозондов показывает, что наибольшее влияние солнечная активность оказывает на дневные значения ЫтР2.

По полученным суточным вариациям ЫтР2 над всеми станциями для 2012 — 2015 гг. имел место следующий парадокс: в январе 2014 г., когда значения индекса солнечной активности <Ра0.7>27 были больше, чем в 2015 г., дневные значения ЫтР2 оказались меньше. Затем мы усреднили дневные значения ЫтР2 за четыре часа (10:00 — 14:00 ЬТ) для каждой выбранной станции. Таким образом, были получены среднедневные январские медианные значения <МгаР2>27 для каждого года.

На основе значений <Ыт¥2> и <Рш.7>27 за: 1) 2012, 2013, 2015; 2) 2012 — 2014; 3) 2012 — 2015 были получены линейные регрессии дневных

<^ш¥2>27 = Й0 + Й1 X (<Рю.7> -70).

В таблице 3 представлены коэффициенты линейной регрессии.

Таблица 3

Коэффициенты линейной регрессии для различных временных интервалов

Коэффициент Коэффициент Коэффициент

линейной линейной линейной

Станция регрессии для 2012, регрессии для 2012, регрессии

2013, 2015 2013 , 2014 для 2012-2015

ao a1 a0 a1 a0 a1

Boulder - 7,654 0,306 6,88 0,038 7,73 0,034

I-Cheon - 4,159 0,239 6,26 0,046 7,02 0,043

Irkutsk - 3,728 0,237 7,35 0,035 7,84 0,031

Jeju 0,329 0,172 6,28 0,062 6,69 0,059

Kaliningrad - 4,867 0,236 4,85 0,053 5,77 0,049

Moscow - 4,671 0,236 5,13 0,053 5,88 0,049

PortStanley 11,682 - 0,06 6,83 0,028 6,80 0,028

Pruhonice - 9,441 0,322 5,21 0,049 6,32 0,043

Rome - 7,196 0,284 4,54 0,064 5,47 0,060

63

На рисунке 1 даны графики зависимости данных <Ыт¥2> от солнечной активности и результаты линейных регрессий. Видно, что:

(1) при построении линейной регрессии без учета данных за 2014 г. происходят наибольшие изменения линейной зависимости <Ыт¥2> от уровня солнечной активности по сравнению с линейной регрессией, построенной по данным 2012 — 2015 гг.;

(2) наибольшие отклонения от линейной регрессии, построенной за 2012 — 2015 гг., наблюдаются по данным за 2015 г. Кроме того, при построении линейной регрессии за 2012, 2013, 2015 гг. для значений <р1о.7>27 = 70 получаются отрицательные значения <Ыт¥2>, чего не наблюдается в регрессиях за 2012 — 2014 и 2012 — 2015 гг.

Все это свидетельствует о том, что январь 2015 г. является аномальным с точки зрения зависимости среднедневных <МгаР2>27 от солнечной активности. Проанализировав наибольшие отклонения Ыт¥2 от их линейных регрессий и значения <Ар>27 и <Н0.7>27 для четырех лет, мы выяснили, что завышение линейной регрессии в 2015 г. соответствует повышенной геомагнитной активности в этот год. На основе этого сделан вывод о положительном вкладе геомагнитной активности в дневные январские значения <ЫтР2>27.

64

Рис. 1. Зависимость дневных ЫтР2 от солнечной активности на различных станциях, полученных методом линейной регрессии данных (представленных кругами) для 19 января:

(1) 2012, 2013, 2015 (пунктирная линия);

(2) 2012, 2013, 2014 (штриховая линия);

(3) для всех рассмотренных лет (сплошная линия)

Для более детальной проверки данного факта мы построили двойную линейную регрессию <NmF2>27 от <Рм.7>27 и <Ар>27

<ЫтР2>27 = Ь0 + &1 х (<Б10.7>27 - 70) + ^ X (<Ар>27 - 4)

и увеличили количество рассматриваемых лет. Для исследования использовались данные ионозондов в Калининграде, Иркутске и Москве, обработанные вручную в интерактивном режиме для 15 января 2008 — 2015 гг. (табл. 4).

Сравнение двойной линейной регрессии с данными наблюдений и линейной регрессией (рис. 2) выявило меньшие отклонения двойной линейной регрессии от исходных данных, что подтверждает вывод о положительном вкладе геомагнитной активности в дневные январские значения <NmF2>27.

В таблицах 5 и 6 приведены коэффициенты и среднеквадратичные ошибки линейной и двойной линейной регрессии для всех станций по

<^10.7>27 и <Рю.7>81.

Таблица 4

27- и 81-дневные усредненные значения ¥10.7 , 7-дневныеусредненные значения индекса Ар и N„¥2 над Иркутском, Калининградом и Москвой для 15 января 2008 — 2015 годов

Год <Рю.7>27 <Рю.7>81 <Ар>27 Дневные (10 — 14ЬТ) <N^>27

Ирк Клд Мск

2008 72 71,88 8,4 3,69 2,76 —

2009 67,7 66,8 4 3,3 2,44 2,91

2010 79,4 79 3,1 3,81 2,96 3,25

2011 81 85 5,9 4,61 4,28 4,19

2012 131 124 7,2 9,77 7,41 8,09

2013 126,5 111,2 5,3 8,59 7,65 8,18

2014 153 154,5 5,5 9,78 9,10 9,42

2015 130 137,3 9,6 10,94 10,44 10,57

65

Рис. 2. Зависимость полуденных значений <ЫтР2>27 для 15 января от солнечной

активности <Рю.7>81 на трех выбранных станциях по данным наблюдений (светлые кружки) и по результатам линейной (по <Рю.7>81 — сплошные линии) и двойной линейной (по <Рю.7>81и <Ар>27 — темные кружки) регрессий, полученных на полном массиве данных за 2008 — 2015 гг.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Таблица 5

Коэффициенты и среднеквадратической ошибки (MSE) для линейной и двойной линейной регрессии для всех лет, полученных с помощью <Р10.7>27 индекса

Станция Линейная регрессия Двойная линейная регрессия

ao a1 MSE bo b1 b2 MSE

Калининград 2,837 0,091 1,02 3,664 0,082 0,323 0,60

Москва 3,093 0,09 0,79 2,911 0,071 0,510 0,19

Иркутск 3,535 0,093 0,78 3,080 0,088 0,325 0,38

Таблица 6

Коэффициенты и среднеквадратической ошибки (MSE) для линейной и двойной линейной регрессии для всех лет, полученных с помощью <Р10.7>81 индекса

Станция Линейная регрессия Двойная линейная регрессия

ao a1 MSE bo b1 b2 MSE

Калининград 2,802 0,092 0,75 2,497 0,086 0,223 0,57

Москва 3,132 0,091 0,75 3,086 0,074 0,405 0,42

Иркутск 3,629 0,094 0,89 3,336 0,088 0,233 0,70

Заключение

В результате рассмотрения зависимости суточных вариаций NmF2 и среднедневных январских значений NmF2 от солнечной активности показано, что зависимость NmF2 носит линейный характер, отличающийся на различных станциях. Был получен следующий парадокс: в январе 2014 г., когда значения индекса солнечной активности <Fi0.7>27 были больше, чем в 2015 г., дневные значения NmF2 оказались меньше.

Таким образом, подтверждается версия о положительном вкладе геомагнитной активности в январские дневные значения NmF2. Сравнение среднеквадратичных ошибок с использованием <F107>27 и <F10.7>81 показывает, что:

1) результат двойной линейной регрессии значительно лучше описывает значения дневных <NmF2>27, чем результат линейной регрессии;

2) не выявлено преимуществ использования <F107>27 или <F107>81 для построения линейной регрессии;

3) для двойной линейной регрессии использование <F107>27 приводит к меньшим MSE, чем использование <F107>81.

Список литературы

1. Брюнелли Б. Е., Намгаладзе А. А. Физика ионосферы. М., 1988.

2. Rishbeth H., Mtiller-Wodarg I. C. F. Vertical circulation and thermospheric composition: a modelling study / / Ann. Geophysic. 1999. Vol. 17. P. 794 — 805.

3. Ratovsky K. G., Oinats A. V., Medvedev A. V. Similitaries and differences between regular variations of F2-layer parameters of the polar and midlatitude ionosphere in East Siberian sector // Solar-Terrestrial Physics. 2015. Vol. 1, № 2. P. 70 — 79.

4. Lei J., Liu L., Wan W. and Zhang S.-R. Variations of electron density based on long-term incoherent scatter radar and ionosonde measurements over Millstone Hill // Radio Sci. 2005. Vol. 40. RS2008.

5. Karpenko A. L., Manaenkova N. I. Nonlinear time series analysis of the ionospheric measurements // GeologisheRundshau. 1996. Vol. 85, № 1. P. 124 — 129.

6. Khmyrov G. M., Galkin I. A., Kozlov A. V. et al. Exploring digisondeionogram data with SAO-X and DIDBase // Proc. AIP Conf. Radio Sounding and Plasma Physics. 2008. Vol. 974. P. 175—185.

7. Reinisch B. W., Galkin I. A., Khmyrov G. et al. Automated collection and dissemination of ionospheric data from the digisonde network // Adv. Radio Sci. 2004. Vol. 2. P. 241—247.

Об авторах

Александр Витальевич Марков — магистрант, Балтийский федеральный университет им. И. Канта, Калининград.

E-mail: aleksandr_markov_94@mail.ru

Алишер Рашитович Абдуллаев — магистрант, Балтийский федеральный университет им. И. Канта, Калининград.

E-mail: alish3@mail.ru

Максим Владимирович Клименко — канд. физ.-мат. наук, доц., Балтийский федеральный университет им. И. Канта, Калининград.

E-mail: maksim.klimenko@mail.ru

67

About authors

Aleksandr Markov — undergraduate, I. Kant Baltic Federal University, Kaliningrad. E-mail: aleksandr_markov_94@mail.ru

Alisher Abdyllaev — undergraduate, I. Kant Baltic Federal University, Kaliningrad. E-mail: alish3@mail.ru

Dr Maksim Klimenko — Ass. Prof., I. Kant Baltic Federal University, Kaliningrad. E-mail: maksim.klimenko@mail.ru

УДК 378.4

И. В. Врублевская, А. В. Пец

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ЦИФРОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ КАК МЕТОД РАСШИРЕНИЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО РЕСУРСА ПРАКТИКУМА ПО ОБЩЕЙ ФИЗИКЕ

Рассматриваются проблемы, связанные с использованием цифровых технологий в лабораторном практикуме по атомной физике. Введено понятие внутреннего и внешнего интеллекта пользователя компьютерных программ. К интеллектуальным цифровым технологиям отнесены системы компьютерной алгебры, виртуальных измерительных приборов. Приведены примеры модернизации двух лабораторных работ по атомной физике. В первой из них изучается движение электронов в магнитном поле по винтовой линии. Во второй — объединяются пре-

Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. Сер.: Физико-математические и технические науки. 2016. № 4. С. 67—73.

Influence of solar and geomagnetic activity on the diurnal variations of NmF2 in winter in the middle latitudes

Текст научной работы на тему «Влияние солнечной и геомагнитной активности на суточные вариации NmF2 зимой в средних широтах»