ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2007, том 47, № 2, с. 147-159
УДК 523.7.745:523.1.165
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ГАЛАКТИЧЕСКИХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ
© 2007 г. В. И. Кафтан1, М. Б. Крайнев2
Центральный научно-исследовательский институт геодезии, аэросъемки и картографии,
Роскартография, Москва 2Физический институт Академии наук, Москва e-mail: kaftan@geod.ru Поступила в редакцию 12.12.2005 г. После доработки 28.03.2006 г.
Исследованы результаты наблюдений за солнечной активностью (среднемесячные значения международных чисел и площадей солнечных пятен, потока солнечного радиоизлучения на длине волны 10.7 см) и интенсивностью галактических космических лучей (ГКЛ) (среднемесячные значения скорости счета всенаправленного счетчика Гейгера в максимуме переходной кривой в районах Москвы и Мурманска и их разности). Основной целью исследований являлась оценка возможности использования рядов значений ГКЛ как дополнительного вида инструментальных наблюдений для прогнозирования солнечной активности. Результаты анализа позволили оценить степень взаимосвязи исследуемых временных рядов и тем самым подтвердить возможность использования ГКЛ при прогнозировании солнечной активности в комплексе с характеристиками пятнообразования и потока солнечного радиоизлучения на длине волны 10.7 см. Представлен прогноз развития текущего солнечного цикла. Предполагается, что его продолжительность будет выше средней.
PACS: 94.20.wq
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время все более возрастающее научное и социальное значение приобретают проблемы исследования космического пространства в связи с широкомасштабным его освоением и интенсивным развитием космических технических средств. Солнечная активность как важнейший индикатор внеземных влияний является объектом исследований многих научных отраслей. Результаты многолетних наблюдений за из-тельную фазу 23-го цикла солнечной активности.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ
В анализе были использованы временные ряды среднемесячных значений солнечной активности и интенсивности ГКЛ. Ряд международных индексов солнечной активности Ш с 1950.0 по 2004.3 гг. был получен на Интернет-сайте [Ы> tp://sidc.oma.be/index.php3]. Данные о солнечном радиоизлучении на волне 10.7 см в интервале 1950.0-2003.9 гг. были получены на Интернет-сайте [http://www.spaceweather.gc.ca]. Ряд среднемесячных значений площадей солнечных пятен данные 1957.0-2005.0 гг. получены из Интернет-сайта [http:/science.nasa.gov/ssl/PAD/SOLAR/greenwich.htm].
Ряд среднемесячных значений индексов ГКЛ был получен в результате стратосферных измерений интенсивности ГКЛ, проводимых с 1957.5
Физическим институтом им П.Н. Лебедева РАН [Bazilevskaya et al., 1991; Bazilevskaya and Svirzhevskaya, 1998; Stozhkov et al., 2001]. В настоящей работе исследуются среднемесячные значения скорости счета всенаправленного счетчика Гейгера в максимуме переходной кривой в районе
Мурманска N(жесткость геомагнитного обрезания Rc = 0.6 ГВ, регистрируются ГКЛ с энергией E > 180 МэВ для протонов), Москвы N^х (Rc = 2.3 ГВ, E > 1500 МэВ), а также разность этих двух характеристик N 1му"Mo. Она ведет себя аналогично интенсивности ГКЛ средних энергий, 100 < E < 500 МэВ/нуклон, измеряемых на космических аппаратах как в ближней, так и в дальней гелиосфере [Krainev and Webber, 2005]). Характеристики заключены во временном интервале 1957.5-2004.2 гг.
Данные наблюдений были подвергнуты корреляционному и регрессионному анализу, а также спектральному анализу с использованием численного метода последовательного анализа доминирующих гармоник, изложенного в работе [Кафтан и др., 2001]. Вычислительная процедура этого метода состоит из следующих основных этапов: 1) Определение и исключение из наблюдений трендовой (линейной) компоненты; 2) Последовательное выявление и исключение наиболее высокоамплитудных периодических компонент (гармоник), вдвое превышающих стандарты их определения.
После исключения трендовой компоненты ряд наблюдений аппроксимируется полиномом вида
У
£[ Mj + Aj sin (a jt + Ф j)],
(1)
j = i
где у - порядковый номер гармоники; к - общее число гармоник, участвующих в аппроксимации; М - среднее значение функции (ордината оси гармонической компоненты); А - амплитуда колебания; ю - частота гармоники; t - временная координата; ф - начальная фаза гармоники.
Ввиду того, что точные значения коэффициентов уравнений поправок априори неизвестны, нахождение параметров гармоник осуществляется с помощью итераций. Для первого приближения используются предварительные значения х, полученные путем визуального анализа графика функции у. Во втором приближении для этих целей используются результаты первого приближения и так далее. Процесс многократно повторяется до тех пор, пока два последовательных решения не будут отличаться друг от друга на некоторую пренебрежимо малую величину, значение которой
может быть, например, равным 10 7 от наименьшего разряда измеренной величины.
Для сравнительного анализа гармонических компонент разных изучаемых процессов целесообразно использовать значение начальной фазы, выраженное в единицах времени, ф' = ф0Т/2п. Прибавляя к нему начальный момент времени наблюдений ряда и прибавляя/вычитая определенное число периодов, получаем момент вступления волны, наиболее близкий к произвольно заданному моменту. Эту характеристику будем называть приведенной фазой, которая удобна для сравнения спектров временных рядов, наблюденных в течение разных временных интервалов.
Применяемый в данной работе метод является средством математико-статистического моделирования временных изменений наблюдаемых характеристик. Он может быть отнесен к методам периодограмм-анализа, общая теория которых описана, например, в работе [Уорсинг и Геффнер, 1953]. В отличие от большинства известных методов используемый метод не требует регулярности наблюдений. Его особенностью также является организованный по мере убывания амплитуд порядок выявления доминирующих синусоидальных компонент. Метод обеспечивает индивидуальную оценку точности определения искомых параметров доминирующих гармоник.
3. КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ И РЕГРЕССИОННЫЙ АНАЛИЗЫ ДАННЫХ
Первичное сравнение поведения солнечной активности и ГКЛ было осуществлено путем построения объединенных графиков, демонстрирующих изменение во времени анализируемых характеристик. При этом мы ограничились сопоставлением рядов изменений солнечной активности лишь с одним рядом по интенсивности ГКЛ (среднемесячные значения скорости счета всенаправленного счетчика Гейгера в максимуме переходной кривой в районе Мурманска), так как привлечение всех имеющихся в нашем распоряжении рядов ГКЛ для разведочного анализа практически не представляет дополнительной информации.
Визуальный анализ графиков солнечной активности и ГКЛ (N 1Му) демонстрирует интересные особенности протекания сопоставляемых процессов (см. рис. 1-3). Анализ графиков в очередной раз наглядно подтверждает известные предположения о модуляции ГКЛ солнечной активностью, обсуждаемые, например, в работах [Белов и др., 2002; Дорман, 1965]. Противофазные около 11-летние колебания наблюдаются как для пятнообразовательной деятельности, так и для радиоизлучения Солнца в сравнении с характером изменений интенсивности ГКЛ. Интересной особенностью является явно большее ко-
k
^ 250 х
(О
н «
с
* 2001 л х х
(О X
ч о о
о
ч
о
и
X о О X л
<и н и
о о X н
о
150-
1001-
50
1960
1970
1980 1990 2000 2010 Годы
Рис. 1. Сопоставление рядов среднемесячных значений относительных международных чисел солнечных пятен Ш (сплошная линия) и интенсивности ГКЛ (N; см-2 с-1) (штриховая линия).
300 г
о 250-
о X X о
^ 200
п со И
о
И
д
ей
а о
о
X
5 100
150
1980 1990 Годы
Рис. 2. Сопоставление рядов среднемесячных потока солнечного радиоизлучения на длине волны 10.7 см (с.е.п.) (сплошная линия) и ГКЛ (N; см-2 с-1) (штриховая линия).
личество локальных экстремумов и больший размах колебаний солнечной активности по сравнению с ГКЛ в высокочастотной части спектра. То есть изменения интенсивности космических лучей протекают более гладко, чем изменения солнечной активности. Это может свидетельствовать о том, что не все импульсы солнечной активности одинаково отражаются в изменениях ГКЛ. Возможно также, что эта особенность обусловлена регистрацией разных физических характеристик, связанных между собой опосредованно и имеющих
собственные колебательные компоненты не столь явно зависимые, как 11-летние.
Графики показывают также, что противофазные экстремумы одиннадцатилетней цикличности солнечной активности и ГКЛ не совпадают во времени. Наблюдается опережение их наступления у солнечной активности по отношению к космическим лучам. Эти фазовые сдвиги dфt более явно проявляются для эпох минимумов одиннадцатилетней солнечной цикличности. Для эпох, соответствующих максимумам солнечной активности, визуальная регистрация этих сдвигов затруд-
5000 г
4000-
и о
н «
с
й
х г <и и ч о о
л
и
ей &
о ч С
3000-
2000-
1000-
1960 1970 1980 1990 2000 Годы
Рис. 3. Сопоставление рядов среднемесячных значений площадей солнечных пятен (м.д.п.) (сплошная линия) и ГКЛ (N; см-2 с-1) (штриховая линия).
нена из-за вышеуказанной особенности более сложного характера колебаний в высокочастотной части спектра, наиболее характерных для эпох максимумов солнечной активности.
Определения разностей моментов наступления отождествляемых локальных экстремумов показали, что наступления минимумов околоодиннад-цатилетних циклов пятнообразовательной деятельности и солнечного радиоизлучения опережают наступления соответствующих максимумов ГКЛ в среднем на Дф' = 0.6 лет.
Для получения количественных оценок взаимосвязи исследуемых процессов были выполнены корреляционный и регрессионный анализы соответствующих временных рядов. Для двух сопоставляемых пар временных рядов вычислялись коэффициенты корреляции г и строились модели линейной регрессии у = а + Ьх. Для оценки степени значимости корреляционной связи использовалась формула Романовского [Романовский, 1947]
1
4п
2
О =
Таблица 1. Резул
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.