ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2007, том 47, № 1, с. 66-70
УДК 550.38537
ПРОЯВЛЕНИЕ ФАЗ ЛУНЫ В БИОМЕТРИЧЕСКОМ ПОГЛОЩЕНИИ В ИОНОСФЕРНЫХ И В ГЕОМАГНИТНЫХ ПАРАМЕТРАХ
© 2007 г. С. Н. Самсонов, В. Ф. Смирнов, Д. Г. Баишев, А. А. Торопов, Н. Г. Скрябин
Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю Г. Шафера СО РАН, Якутск
e-mail: s_samsonov@ikfia.ysn.ru Поступила в редакцию 22.11.2005 г. После доработки 20.02.2006 г.
Исследовались вариации частоты появления риометрического поглощения, минимальной частоты отражения F-слоя, минимальной высоты и высоты максимальной электронной концентрации F-слоя ионосферы вблизи минимума солнечной активности. Применение метода наложения эпох позволило обнаружить эффект влияния фаз Луны на указанные параметры ионосферы. Этот эффект составил: в частоте появления риометрического поглощения 3 события в сутки, в минимальной частоте отражения F-слоя 0.056 МГц, а в изменении минимальной высоты и высоты максимума концентрации F-слоя 2.6 и 6.7 км соответственно. Приливное действие Луны изменяет проводимость ионосферы и этим самым влияет на токовые системы магнитосферы. Через изменения магнито-сферных токов эффект фаз Луны проявляется в Ap- и ^/-индексах и составляет 4.3 и 4.25 нТл.
PACS: 94.20.Ac
1. ВВЕДЕНИЕ
Известно, что существуют суточные приливы в атмосфере, они обусловлены, в основном, Луной [Stening, Fejer, 2001; Stening et al., 2002; Maus, Kuvshinov, 2004]. Кроме таких приливов существуют приливы, связанные с ее фазами (полнолуние, новолуние, четверти Луны и т.д.). Данная работа посвящена поиску того, как проявляется эффект влияния фаз Луны на систему ионосфера-магнитосфера.
Согласно работе [Хвостиков, 1954], эффект гравитационного прилива на высоте ~100 км имеет значение Ap/p (p - давление), равное ~0.1. Это приводит к "разбуханию" атмосферы, т.е. к увеличению ее высоты. В результате этого некоторые точки отражения частиц, колеблющихся с баунс-периодом между зеркальными точками северного и южного полушарий, окажутся "погруженными" в область более высокой плотности атмосферы, что приведет к высыпанию ранее захваченных частиц и повышению ионизации нижней ионосферы, контролируемой риометрами. При ионизации проводимость вещества увеличивается. Кроме того, будет увеличен эффект поглощения космического радиоизлучения, причем он будет претерпевать колебания в соответствии с фазами Луны, что связано с расположением Земли относительно Луны и Солнца. Вблизи новолуния, когда происходит суммарное воздействие гравитационных сил от Солнца и Луны на атмосферу Земли, ожидается максимальный эффект.
В системе ионосфера-магнитосфера земная магнитосфера непосредственно не подвержена
приливному воздействию Луны. Но если обратиться к рис. 1, на котором показана часть глобальной токовой системы (та часть, которая непосредственно замыкается на ионосферу), то можно заметить, что все ее ветви замыкаются на ионосферу. Рис. 1 представляет собой композицию рисунков, полученных из литературных источников. Так, согласно работам [Lyatsky and Maltsev, 1971; Yasuhara and Akasofu, 1975] существуют контуры токов II и III, а в работе [Fejer, 1961] имеются указания на существование токов в виде контура I. Как видно, некоторые части токовой системы, показанной на рис. 1 (точки 1-6), проходят (замыкаются) через ионосферу. Любое изменение проводимости (например, из-за приливов) между точками (1-2), (2-3), (3-4), (1-4) и (5-6) изменит токи в контурах I, II и III и в кольцевом токе тоже (на рис. 1 схематично показаны фазы Луны). При приливном воздействии участки (1-6) всех ветвей (I, II и III) токовой системы на рис. 1 будут периодически "погружаться" в среду с большей проводимостью. Это приведет к изменению силы токов в системе, показанной на рис. 1. Такие токи в свою очередь будут создавать небольшие магнитные поля, возмущающие общее магнитное поле Земли. В результате ожидаются изменения Ар-индекса и Dst-шриации в связи с расположением Луны.
Исходя из сказанного, в итоге ожидается влияние фаз Луны на риометрическое поглощение, на ионосферные и геомагнитные параметры и, вообще, на систему ионосфера-магнитосфера. Поскольку активность токовой системы, пока-
12ь ЦГ
18п ЦГ
0Ь LT
Рис. 1. Схема части глобальной токовой системы, ветви которой замыкаются через ионосферу, подробности в тексте.
занной на рис. 1, изменяется с циклом солнечной активности, то следует ожидать, что эффекты лунного влияния в системе ионосфера-магнитосфера также будут претерпевать изменения. Данная работа посвящена определению оценок такого влияния из экспериментального материала ПГО Тикси и данных по Ар-индексу и ^¿-вариации вблизи минимума солнечной активности.
2. ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА
Для анализа были выбраны данные наблюдений риометрического поглощения и ионосферного зондирования, полученные в Тикси с 1 января 1985 г. по 31 декабря 1987 г. Это соответствует объему массива по каждому виду суточных данных 1095 точек (1095 сут). Кроме того, использовались геомагнитные индексы (среднесуточные значения Ар и Dst) за этот же период. Биометрические данные представлены числом поглощений в сутки. Случаем риометрического поглощения считалось событие с длительностью не менее 10 мин и амплитудой более 0.3 дБ. Ионосферное зондирование представлено минимальной частотой отражения от ^-слоя, минимальной высотой отражения (И'К) и высотой максимальной концентрации (йрР2) ^-слоя ионосферы.
Синодический период Луны равен 29.53 сут (~30 сут). Прежде всего, ставится вопрос: существуют ли вариации с таким периодом. Для этого воспользуемся приемами спектрального анализа [Любарский, 1980].
На рис. 2а, как пример, показаны спектры мощности в зависимости от периода вариаций: для минимальной частоты отражения ^-слоя ионосферы - панель (¥*) в МГц, для минимальной высоты отражения и высоты максимальной концентрации электронов в ^-слое - панели (к'К) и (Ърр2) в км, для числа риометрических поглощений в сутки - панель (К) и для геомагнитных индексов (среднесуточные значения Ар-индекса и Dst-вариации в нТл) - панели (Ар) и (Dst). Как видно из рисунка, во всех случаях в большей или в меньшей степени проявляется 30-суточная вариация. Кроме того, на рис. 2 присутствуют 27-дневная, полугодовая, годовая и другие вариации и флуктуации, природа которых неизвестна.
Для выделения 30-суточных колебаний необходимо устранить полугодовую и годовую вариации, которые на 1-2 порядка больше рассматриваемых колебаний. С этой целью проведем фильтрацию первичного материала. Конструкция фильтра проста и представляет собой разность двух вероятностных трендов с периодами осреднения 8 и 44 суток, что соответствуют их параметрам с а = 2 и а = 11 сут [Любарский, 1980]. В итоге получаем материал, в котором значительно ослаблены вариации с периодами менее 8 и более 44 сут. Чтобы убедиться в эффективности фильтрации, проведем для отфильтрованного материала спектральный анализ. Для наглядности результаты его представлены на рис. 26. Как видно из рис. 26, сигнал в окрестности 30 сут после фильтрации усилился в ~10 раз, а "ненужные" вариации вне интервала 8-44 сут ослаблены более чем на 23 порядка, что обусловлено нормировкой обоих
100
Сутки
100
Сутки
Рис. 2. Спектры мощностей ионосферных и магнитосферных параметров, подробности в тексте.
спектров к единице. Применение фильтрации позволяет использовать метод наложения эпох, который будет свободен от влияния вариаций менее 8 и более 44 сут, которые не нужны для определения вида 30-суточной вариации.
За реперные точки возьмем даты полнолуний из Астрономических сборников [Астрономический ежегодник, 1985-1987 гг.]. Наложения будем проводить от реперных точек (от полнолуния, на рис. 3 отмечено пунктирными вертикальными линиями) на величину отрезка в 30 сут. На рис. 3 показаны результаты наложений (для наглядности показаны 2 периода). Сверху вниз: панель F - минимальная частота отражений от F-слоя в МГц, панели hpF2 и hF - высота максимальной концентрации и минимальная высота отражения от F-слоя ионосферы в км, панель R - количество поглощений >0.3 дБ в сутки и панели Ap, Dst - суммарное значение Ap-индекса за сутки и Dst-вариа-ция в нТл. Средние значения, подсчитанные из первичного материала, для всех указанных параметров (сверху вниз) соответственно равны 3.69 ± 0.02 МГц,
305.3 ± 2.5 км, 261.4 ± 0.95 км, 6.48 ± 0.21 поглощений/сутки, 13.57 ± 0.54 нТл и -13.26 ± 0.54 нТл.
Оценка величины эффекта, их ошибок и значимости, полученных методом наложения эпох, проводилась приемами, специально предназначенными для этих целей и опубликованными в работе [Джаминсон, Регал, 1982].
Максимальные величины эффектов (разность между максимальными и минимальными значениями), показанные на рис. 3, следующие (сверху вниз): 0.0560 ± 0.0049 МГц, 2.60 ± 0.21 км, 6.70 ± ± 0.24 км, 3.00 ± 0.21 поглощений/сутки, 4.3 ± ± 0.10 нТл и 4.25 ± 0.18 нТл. Эти же значения в процентах относительно средних, полученные из первичного материала, равны 1.52, 0.85, 2.56, 46.3, 30.0 и 32.1%. Амплитудные значения (половина разности между максимальными и минимальными значениями) будут в два раза меньше.
В работе [Джаминсон, Регал, 1982] отмечается, что если учетверенная ошибка будет меньше величины эффекта, то значимость результата, полученного методом наложения эпох, соответ-
ствует 95% (для амплитудных значений амплитуда должна быть больше удвоенной ошибки). Эффекты на рис. 3 получены в результате 36 наложений.
Для оценки влияния 27-дневных вариаций на полученные результаты поступим следующим образом. Построим синусоиду с периодом 27 суток на массиве 1095 точек. Далее проведем наложение полученных точек на отрезки 27, 28, 29 и 30 суток. В итоге получим, что амплитуда 27-дневных вариаций после наложения на эти отрезки примет значения 1.00, 0.25, 0.08 и 0.01. Отсюда следует, что метод наложения эпох имеет очень высокое разрешение и влияние 27-суточной вариации в 30-суточной будет ослаблено на 2 порядка.
3. АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Рассмотрим контур I (см. рис. 1). Он представляет последовательную схему из источника ЭДС, сопротивления ионосферы (К)
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.