ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 5, с. 724-726
УДК 524.1
ВАРИАЦИИ ПОТОКА КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ И ИХ СВЯЗЬ С ГЛОБАЛЬНЫМИ ЗНАЧЕНИЯМИ ТЕМПЕРАТУРЫ ТРОПОСФЕРЫ И СТРАТОСФЕРЫ ЗЕМЛИ НА ПРОТЯЖЕНИИ 23 И 24 СОЛНЕЧНЫХ ЦИКЛОВ (2002-2014 гг.) © 2015 г. В. А. Дергачев, П. Б. Дмитриев
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе Российской академии наук, Санкт-Петербург E-mail: v.dergachev@mail.ioffe.ru
Исследована взаимная корреляция вариации потока космических лучей со среднесуточными глобальными значениями температуры различных слоев тропосферы и стратосферы Земли в период со второй половины 23-го цикла солнечной активности по настоящее время, значения которой находятся в пределах от —0.21 до —0.5 в зависимости от высоты над поверхностью Земли. При помощи метода построения комбинированной спектральной периодограммы была изучена временная структура выше упомянутых данных и обнаружены "общие" группы квазигармонических компонентов с периодами от нескольких дней до полугода.
DOI: 10.7868/S0367676515050208
ВВЕДЕНИЕ
Поток космических лучей (КЛ), регистрируемый наземной сетью нейтронных мониторов (НМ), может быть использован для изучения влияния КЛ на климат Земли, поскольку галактические и солнечные космические лучи такой энергии являются источником ионизации атмосферы Земли вплоть до уровня ее тропосферы. С другой стороны, благодаря радиометру Advanced Microwave Sounding Unit (AMSU), установленному на спутнике "Aqua" (первоначальное название "EOS PM-1"), доступны данные глобальных параметров атмосферы Земли (температуры, влажности и ее облачного покрова), охватывающие период измерений с 26 июня 2002 года по настоящее время. Следовательно, для этого периода времени существует возможность проверить, в какой степени вариации потока КЛ влияют на температурные вариации различных слоев тропосферы и стратосферы Земли (от ее поверхности до высоты 45 км), а следовательно, и на ее климат. Причем задача заключается не в том, чтобы найти причину этого взаимодействия, а только установить на основе имеющихся экспериментальных данных, связаны ли в какой-нибудь степени изменения данных одного типа с изменениями данных другого.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Исходные данные, частично перекрывающие период спада 23-го и период роста и максимума 24-го циклов СА (09.08.2002-27.04.2014), которые используются для изучения влияния КЛ на температурные вариации слоев тропосферы и стратосферы Земли, представляют собой
1. скорректированные за счет атмосферного давления среднесуточные данные Московского ней-
тронного монитора 24NM-64 (имп./мин) c жесткостью геомагнитного обрезания 2.43 ГВ (г. Троицк, сервер ИЗМИРАН'а: http://cro.izmiran.rssi.ru); и
2. среднесуточные глобальные значения яр-костной температуры (°K) десяти различных слоев тропосферы и стратосферы Земли высотой до 45 км, температуры слоя атмосферы, примыкающего к поверхности Земли (~1 км), и температуры поверхности моря, восстановленные из измерений радиометра Advanced Microwave Sounding Unit (AMSU-A), установленного на спутнике "Aqua" с солнечно-синхронной орбитой. Данные находятся на сервере: http://ghrc.nsstc.nasa.gov/amsutemps/.
МЕТОД И РЕЗУЛЬТАТЫ
ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
Обработка выше перечисленных данных состояла из следующих этапов. При помощи метода построения комбинированной спектральной периодограммы (КСП) были исследованы их спектральные характеристики с целью обнаружения одинаковых ("общих") временных структурных групп — квазипериодических компонентов, которые и должны обусловливать взаимно корреляционные связи рассматриваемых временных рядов. Суть данного метода (кратко) заключается в следующем. Выборочная оценка нормированной спектральной плотности [1] для исходных временных рядов вычисляется в зависимости не от частоты, а от пробного периода. Помимо этого исходные временные ряды подвергаются предварительной высокочастотной фильтрации [2] с наперед заданной частотой "среза" фильтра на половине мощности сигнала, которой во временной области соответствует величина "разделительного"
ВАРИАЦИИ ПОТОКА КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ
725
Таблица 1. Значения параметров линейного тренда температуры тропосферы и стратосферы Земли в зависимости от высоты к над ее поверхностью и перепад температуры тренда ЛТ в течение временного периода с 09.08.2002 по 27.04.2014. В нижней части таблицы для сравнения приведены значения параметров линейного тренда и перепад его значений ЛКЛ среднесуточных данных Московского НМ за этот же промежуток времени
h, км А ± ста, К°/сут В ± ств, К А T, К°
0 -0.0000190 ± 0.0000032 294.2887 ± 0.0060 -0.0609
~1 0.000124 ± 0.000039 259.411 ± 0.044 0.240
~4.4 0.0000086 ± 0.0000099 252.956 ± 0.022 0.0331
~7.5 -0.0000261 ± 0.0000052 237.495 ± 0.013 -0.111
~11 -0.0000057 ± 0.0000039 226.2442 ± 0.0096 -0.0246
~14 -0.0000070 ± 0.0000031 217.5502 ± 0.0077 -0.0299
~17 -0.0000019 ± 0.0000027 210.3365 ± 0.0067 -0.00826
~21 -0.0000448 ± 0.0000024 214.0661 ± 0.0058 -0.192
~ 25 -0.0000840 ± 0.0000050 221.317 ± 0.012 -0.359
~31 -0.0001192 ± 0.0000093 229.883 ± 0.023 -0.510
~36 -0.000139 ± 0.000012 239.964 ± 0.030 -0.594
~41 -0.000133 ± 0.000012 251.449 ± 0.030 -0.568
Поток КЛ, имп/мин А ± Ста, (имп./мин)/сут В ± ств, имп./мин ДКЛ, имп./мин
0.192 ± 0.050 8653±12 822
Примечание. 0 км — уровень поверхности моря.
периода Пр. Затем для каждого отфильтрованного со своим конкретным значением параметра Пр высокочастотного компонента (в нашем случае его значения были следующими: 7, 19, 31, 53, 79, 113, 173 сут) снова вычисляется оценка нормированной спектральной плотности от периода и все эти оценки, вычисленные для различных значений параметра Пр, накладываются друг на друга на одном и том же поле графика, образуя КСП. Все преимущества и недостатки этого метода по сравнению с классическим построением спектра мощности более полно рассмотрены в работах [3, 4]. Анализ вычисленных КСП показал, что для временного хода значений температуры атмосферных слоев существенную роль играет годовая осцилляция 365 сут и два ее обертона 182 и 122 сут, которые отсутствуют в КСП КЛ, и что для КСП КЛ и температурных данных существуют как "общие" группы осцилляций вокруг центров величиной: 27, 58, 88 и 138 сут; так и совпадающие одиночные квазипериоды: 8, 23 и 71 сут; что и обусловливает взаимно корреляционные связи этих временных рядов.
Далее перед вычислением взаимно корреляционных функций (ВКФ) потока КЛ с каждым из температурных рядов из исходных данных был удален тренд: сначала из каждого временного ряда линейный, затем из температурных рядов и квазигармонический, содержащий годовую гармонику и ее первых два обертона. Аппроксимация параметров трендов проводилась методом МНК для решения избыточной системы условных линейных уравнений [5]. В табл. 1 приведены значения параметров линейного тренда: У(1) = А1 + В (где ? — время в сутках, а У(1) — поток КЛ или температура) изучаемых данных, из которых следует, что на рассматриваемом
промежутке времени с линейным ростом потока КЛ происходит линейный спад значений яркостной температуры на уровне моря и почти всех слоев атмосферы Земли, за исключением приземного (~1 м) и самого нижнего слоя тропосферы (~4.4 км). Следует заметить, что этот результат говорит не в пользу гипотезы о "глобальном потеплении Земли".
Затем для исследования возможности существования упомянутого выше влияния КЛ на атмосферу Земли была выполнена оценка ВКФ среднесуточного ряда потока КЛ Московского НМ со значениями яркостной температуры каждого из перечисленных выше слоев атмосферы Земли и на уровне моря и проведена проверка гипотезы: полностью ли не кор-
Таблица 2. Значения вероятности n/N, которые должны быть больше 5%, гипотезы существования взаимосвязи между потоком КЛ и яркостной температурой тропосферы и стратосферы на высоте h над поверхностью Земли, и величины ВКФ(Д?) эффекта запаздывания At изменения значений температуры на высоте h от вариации потока КЛ
h, км n/N, % вкф(дО At, сут
0 65 -0.033 5
~1 81 -0.394 4
~4.4 76 -0.205 4
~7.5 79 -0.237 5
~11 80 -0.267 5
~14 87 -0.304 6
~17 89 -0.340 0
~21 87 -0.289 0
~25 83 -0.340 15
~31 83 -0.439 16
~36 84 -0.466 16
~41 88 -0.488 16
726
ДЕРГАЧЕВ, ДМИТРИЕВ
ВКФ
-1825 -1095 -365 365 1095 1825 -1460 -730 0 730 1460
Временной сдвиг, сут
Рис. 1. Значения ВКФ потока КЛ Московского НМ и среднесуточной яркостной температуры приповерхностного слоя атмосферы Земли (~1 км), вычисленные с вычетом тренда из исходных данных: для НМ из данных удален линейный тренд, а из температурного ряда удален линейный и квазигармонический тренд, который обусловлен годовой осцилляцией 365 сут и ее обертоном 182 сут. Штриховыми линиями указан 95%-ный уровень значимости проверки гипотезы существования взаимосвязи между этими рядами данных.
КВК
0.1 0 -
0 6 Г| I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I
0 5 10 15 20 25 30 35 40
к, км
Рис. 2. Значение КВК потока КЛ Московского НМ и значений яркостной температуры различных слоев земной атмосферы в зависимости от высоты к над уровнем земной поверхности для временного интервала с 09.08.2002 по 27.04.2014 с вычетом тренда: линейного из данных НМ, линейного и квазигармонического, обусловленного годовой осцилляцией 365 сут и ее обертонами величиной в 182 и 122 сут, из значений яркостной температуры различных слоев земной атмосферы.
релированы между собой соответствующие пары рядов данных, т.е. являются ли они "белым шумом", по методике, изложенной в работах [6, 7]. Если гипотеза верна, то число вычисленных значений ВКФ п этих пар рядов, превышающих уровень значимости 95% (2а), не должно превышать 5% от общего числа N всех значений ВКФ. Эти оценки для взаимной корреляции соответствующих пар данных приведены в табл. 2 и в среднем составили от 65% до 89% при справедливости гипотезы существования взаимосвязи между ними на уровне значимости 95%, что дает серьезное обоснование утверждать о возможности существования влияния КЛ на атмосферу Земли. На рис. 1 в качестве примера приведена ВКФ потока КЛ и ср
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.