ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2015, том 55, № 3, с. 397-405
УДК 550.380
ДИНАМИКА ВЕКОВЫХ ВАРИАЦИЙ В ДИАПАЗОНЕ ДО 100 ЛЕТ
И ИХ ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
© 2015 г. В. В. Иванов, Т. Н. Бондарь
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН),
г. Москва, г.Троицк e-mail: ivv59@bk.ru, bondar@izmiran.ru Поступила в редакцию 29.05.2014 г. После доработки 29.07.2014 г.
Исследованы частотно-временные и пространственные характеристики вековых вариаций в диапазоне до 100 лет. Выявлено существование активизаций в проявлении вариаций и существенные различия в длительности интервалов между активизациями. Предложена физическая модель вековых вариаций в диапазоне до 100 лет, объясняющая данные особенности их динамики, учитывающая отличие от нуля вязкости внешнего ядра и малую разницу в плотности всплывающих структур и внешнего ядра, сравнимую с вариациями в плотностях всплывающих структур.
DOI: 10.7868/S0016794015020066
1. ВВЕДЕНИЕ
Актуальность выявления особенностей частотно-временных и пространственных характеристик вековых вариаций (SV) обусловлена тем, что знание их динамики способствует пониманию процессов, происходящих во внешнем ядре и, соответственно, механизмов генерации этих вариаций.
Данная работа является продолжением и развитием наших предыдущих работ [Иванов и др., 2005; Иванов и Бондарь, 2008; Bondar and Ivanov, 2007]. Целью работ является исследование динамики вековых вариаций геомагнитного поля в диапазоне до 100 лет и построение их модели, адекватной полученным экспериментальным результатам.
2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДИКА АНАЛИЗА
Исследование частотно-временных и пространственных характеристик вековых вариаций
в диапазоне до 100 лет выполнялось на сети обсерваторий, имеющих достаточно больную длительность записей и расположенных в различных географических регионах Земли. Общий временной интервал, для которого регистрировались особенности, наблюдаемые в SV, лежал в пределах с 1866 г. по 2000 г. Интервал дискретизации рядов данных составлял 1 г. Регионы, координаты и интервалы записей обсерваторий, данные которых использовались для анализа, представлены в табл. 1.
На рисунках 1 и 2 представлены видимые записи вариаций в X, Y и Z компонентах и картины их вей-влет-коэффициентов для обсерватории Niemegk. На рисунке 3 представлены картины вейвлет-коэф-фициентов для обсерваторий Chambon le Foret, VOejkovo, Hartland, Fridricksburg и Patrony.
В качестве инструмента анализа динамики рядов SV был выбран метод вейвлет-анализа с последующей статистической обработкой его результатов.
Таблица 1. Регионы, координаты и интервалы записей обсерваторий, данные которых использовались для анализа
Регион Обсерватория, Интервал записи, Географическая Географическая
название, сокращение годы долгота широта
Европа Chambon le Foret (CF) 1883-1999 2°16' 48°01"
Voejkovo (LN) 1869-1997 30°42' 59°57'
Hartland (HA) 1846-1999 355°31' 51°00'
Niemegk (NI) 1890-2000 12°41' 52°04'
Северная Америка Fridricksburg (FR) 1904-1999 282°38' 38°12'
Азия Patrony (PY) 1887-2000 104°27' 52°10'
£ я
40 30 20 10 0 10 20
-30 1890
1910
1930
1950
1970
1990 Годы
80
60
д о
> 40 Н Я
20
0
1890
1910
1930
1950
1970
1990 Годы
100
д о
1-е
ч н я
100
1890
1910
1930
1950
1970
1990 Годы
Рис. 1. Анализируемые ряды SVX(а), SVY(б) и SVZ(в) для обсерватории Niemegk.
Детальное описание теоретических основ вей-влет-анализа и его возможностей для анализа рядов данных различной физической природы и морфологии можно найти в работах [Астафьева, 1996; Астафьева и др., 1996; Бураков и др., 1998; Дре-мин и др., 2001; Чуи, 2001; Васильева и др., 2002; Дьяконов, 2002; Frick et al., 1997; Mallat, 1989; Daubechies, 1992; Meyer, 1992; Alexandrescu et al., 1995, 1996; Moreau et al., 1999]. Вопросы методики и эффективности вейвлет-анализа для исследования геомагнитного поля и его вариаций также рассматривались и авторами настоящей работы [Иванов и Ротанова, 2000; Иванов и Ковалев-
ская, 2005; Иванов и Бондарь, 2008, 2012; Иванов и др., 2001, 2002, 2005; Ротанова и др., 2002, 2003, 2004].
При проведении вейвлет-анализа наиболее сложным вопросом является конкретный выбор формы вейвлета. Данный вопрос также рассматривался в указанных выше работах. В работе нами использован MHAT-вейвлет, который хорошо отображает локальные особенности в исследуемых рядах данных. Выбор вейвлета был обусловлен желанием представить ряд 8У как последовательность локальных особенностей, с тем, чтобы далее оценить степень их периодичности.
а
в
40
30
20
10
40
30
20
10
1900
40
30
20
10
1920
1940 в
1960
1900 1920 1940 1960 1980
б
1980
80 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80 -100 -120
120 80 40
0
-40 -80 -120
120 80 40
0
-40 -80 -120
1900 1920 1940 1960 1980
Рис. 2. Картины вейвлет-коэффициентов компонент БУХ (а), (б) и БУ2 (в) для обсерватории Niemegk.
160
3. ДИНАМИКА ВЕКОВЫХ ВАРИАЦИЙ В ДИАПАЗОНЕ ДО 100 ЛЕТ
За рассматриваемый интервал времени на всех обсерваториях в различных компонентах было зарегистрировано 57 особенностей различных зна-
ков. Напомним, что проявление особенностей с характерным временем на картине вейвлет-коэф-фициентов отождествляется с наличием в анализируемом ряду БУ процессов с таким характерным временем в течение соответствующего вре-
а
а
а
а
a
25 20 15 10 5
1890 1930 1970 1910 1950 1990
70 50 30 10 -10 -30 -50 -70 -90
a
25 20 15 10 5
1890 1930 1970
1910 1950 1990
140
100 60 20 -20 -60 -100 -140
a 25 20 15 10 5
1890 1930 1970
1910 1950 1990
140
100 60 20 -20 -60 -100 -140 -180 -220
a
25 20 15 10 5
180 140 100 60 20 -20 -60 100 140 180
a
25 20 15 10 5
1870 1910 1950 1990 1890 1930 1970
1870 1910 1950 1990 1890 1930 1970
80 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80 -100 -120
a
25 20 15 10 5
120 80 40
0
-40 -80 -120 -160
a 25 20 15 10 5
1850 1890 1930 1970 1870 1910 1950 1990
1850 1890 1930 1970 1870 1910 1950 1990
120 80 40
0
-40 -80 -120
a
25 20 15 10 5
1910 1930 1950 1970 1990
400 300 200 100 0
-100 -200 -300 -400 -500
a
25 20 15 10 5
1910 1930 1950 1970 1990 д
a
25 20 15 10 5
189019101930195019701990
a
160 25 120 80 20 40
0
-40 10 -80 -120 -160
15 -
5 -
1890 1910 1930 1950 1970 1990
120 80 40
0
-40 -80 -120 -160
100 80 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80 -100 -120
25 20 15 10 5
1870 1910 1950 1990 1890 1930 1970
160 120 80 40
0
-40 -80 -120 160 -200 -240
a 25 20 15 10 5
IMklL
1850 1890
1870
1930 1970 1910 1950 1990
a 25
20
15
10
5
1910 1930 1950 1970 1990
a 25 20 15 10 5
189019101930195019701990
350
250
150
50
-50
-150
-250
-350
350
250
150
50
-50
-150
-250
-350
300 200 100 0
-100 -200 -300
Рис. 3. Картины вейвлет-коэффициентов X, Yи Zкомпонент для обсерваторий Chambon le Foret (а), VOejkovo (б), Hartland (в), Fridricksburg (г) и Patrony (д).
а
a
в
г
менного интервала. Соответственно, активизация проявления особенностей означает активизацию соответствующих процессов в БУ.
Практически на всех обсерваториях наблюдаются последовательности особенностей различных знаков. Однако временные интервалы между двумя последовательно проявившимися особенностями оказываются различными, как для различных обсерваторий, так и для различных компонент одной обсерватории, и, главное, для одной компоненты обсерватории. Явной синхронности в проявлении особенностей для этого диапазона характерных времен обнаружить не удается. Вместе с тем, явно выделяются интервалы "повышенной активности" - 1894-1897, 1919-1923, 1961-1966 и 1986-1990 годы, в течение которых количество наблюдаемых особенностей заметно увеличивается по сравнению с другими аналогичными по длительности интервалами. Временные промежутки между отмеченными интервалами "повышенной активности", таким образом, составляют 26 лет, 42 года и 25 лет, соответственно. В 1894-1897 годах отмечается 7 особенностей, в 1919-1923 гг. - 8, в 1961-1966 гг. - 10 и в 19861990 гг. - 8. Таким образом, в течение 20 лет, что составляет 14% от длительности общего проанализированного интервала в 135 лет, отмечается 33 особенности, что составляет 58% от общего числа.
Все проанализированные ряды БУ можно разделить на 4 группы. Для первой группы рядов БУ характерные времена последовательно проявляющихся на одной обсерватории особенностей близки и могут считаться приблизительно равными. Для второй группы характерные времена последовательно проявляющихся особенностей также близки, но в ряду наблюдается по одному скачку. Для третьей группы рядов БУ наблюдается заметный монотонный рост значений характерного масштаба особенностей. В четвертой группе изменение характерных времен последовательно проявляющихся особенностей не только значительно, но и не является монотонным.
Наряду с анализом стабильности значений масштабного коэффициента с течением времени, нами также исследовался вопрос о синхронности проявления особенностей в различных компонентах на одной обсерватории и соответствие временных масштабов для таких случаев синхронного проявления.
На представленных на рис. 2 картинах вейвлет-коэффициентов для обсерватории Niemegk для всех компонент явно наблюдается последовательность положительных и отрицательных особенностей. в диапазоне характерных временных масштабов а = 12-17 лет. Однако в Х-компоненте вариации этого характерного масштаба наблюдаются только в течение первых приблизительно 70 лет наблюдений (1890-1960 гг.) и все это время их масштаб остается практически постоянным, равным а = 15-16 годам. В У- и 2-компонентах
он просматривается в течение всего интервала наблюдений, но одновременно меняется в пределах а = 12-17. Это наглядно демонстрирует анизотропию вариаций, наблюдающихся на обсерватории Niemegk.
Результаты анализа вопроса о соответствии временных масштабов особенностей наблюдающихся синхронно в различных компонентах на одной обсерватории для остальных обсерваторий представлены в таблице 1. Здесь для 60% синхронно проявившихся особенностей характерные времена различаются в 1.5-2 раза. Синхронность проявления особенностей в различных компонентах на одной обсерватории в г
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.