научная статья по теме ИЗМЕНЕНИЯ ЦИКЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ СОЛНЦА НА ДЛИТЕЛЬНЫХ ВРЕМЕННЫХ ШКАЛАХ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ИЗМЕНЕНИЯ ЦИКЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ СОЛНЦА НА ДЛИТЕЛЬНЫХ ВРЕМЕННЫХ ШКАЛАХ»

ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 6, с. 723-729

УДК 551.590.2

ИЗМЕНЕНИЯ ЦИКЛИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ СОЛНЦА НА ДЛИТЕЛЬНЫХ ВРЕМЕННЫХ ШКАЛАХ

© 2014 г. Ю. А. Наговицын

Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН, г. Санкт-Петербург

e-mail: nag@gao.spb.ru Поступила в редакцию 31.05.2014 г.

Проанализированы длительные изменения продолжительности циклов Швабе—Вольфа (~11 лет) и Зюсса (~200 лет) с использованием экспериментальных данных различных типов. Показано, что длительность цикла Швабе—Вольфа на двухтысячелетней временной шкале изменялась как монотонным (увеличиваясь в среднем), так и циклическим (с периодом несколько сотен лет) образом; в гистограмме встречаемости преобладают значения 10.4, 11.0 и 11.4 лет. Длительность цикла Зюсса за время голоцена изменялась в пределах 200—290 лет с тенденцией на увеличение в прошлое, что сопровождалось циклическими изменениями с периодом 2300—2500 лет, соответствующими циклу Холлстатта. Приведены аргументы в пользу предположения, что продолжительность цикла Зюсса за прошлые полмиллиарда лет уменьшилась больше чем в полтора раза. Это может свидетельствовать о долгосрочных изменениях характеристик вращения и параметров конвективной зоны в течение эволюции Солнца на главной последовательности.

DOI: 10.7868/S0016794014060133

1. ВВЕДЕНИЕ

Солнечная активность проявляет себя как процесс циклических изменений магнитного поля Солнца на различных временных масштабах. Кроме наиболее известного 11-летнего (цикла Швабе—Вольфа), существуют и долгопериодиче-ские циклы: 80—90 лет (цикл Гляйсберга), ~200 лет (цикл Зюсса), ~900 лет и больше. Теория динамо связывает цикличность поведения магнитного поля с двумя его глобальными конфигурациями: тороидальной и полоидальной, а также с двумя эффектами превращения одной конфигурации в другую: так называемыми ю- и а-эффектами. Оба последние эффекта определяются глобальной и локальной структурой поля скорости на Солнце, играющего основную роль в самовозбуждении магнитного поля в проводящей плазме.

В статье нас будут интересовать фактические данные о длительных изменениях характеристик цикличности, которые в той или иной мере должны быть связаны с медленными изменениями глобального поля скорости на Солнце.

Вначале о данных, лежащих в основе нашего исследования. Прямыми данными о солнечной активности мы обеспечены только начиная с первой половины XVII века, а прямыми и сравнительно регулярными — вообще только с 20-х гг. XIX века. Поэтому для реконструкции цикличности на более длительных интервалах мы должны, с одной стороны, привлекать косвенные источники данных, а с другой — использовать специальные подходы, позволяющие получить общую

непротиворечивую картину изменений солнечной активности.

В работах [Nagovitsyn et al., 2004; Наговицын и др., 2008] и др. предложен подход "временных шкал", выделяемых в соответствии с нашими возможностями использования для реконструкций того или иного наблюдательного материала. Всего мы выделяем следующие последовательные шкалы: а) шкала 100—150 лет — прямые регулярные наблюдения солнечной активности; б) шкала 400 лет — нерегулярные прямые ее наблюдения; в) шкала 1000—2000 лет — набор косвенных данных о солнечной активности (полярные сияния, пятна, замеченные невооруженным глазом; радионуклиды в природных архивах); г) шкала 10000 лет — косвенные данные (в англоязычной литературе называемые "proxies") о солнечной активности: данные по концентрации радиоуглерода и бериллия-10 в датированных образцах (кольцах деревьев, полярных льдах); д) шкала более 10000 лет — гипотетические данные (толщины варв, слойков глины), происхождение которых приписывается некоторыми авторами солнечной активности. Оправданность такого подхода вытекает, с одной стороны, из "логарифмической логики" исследования: для представления более продолжительных интервалов требуется более грубая информация, а с другой — каждая следующая по времени шкала опирается на предыдущую как на эталонную, что важно для последовательной калибровки реконструкций.

В этой работе мы рассмотрим изменение циклических характеристик солнечной активности на длинной (~2000 лет) и сверхдлинной (10000 лет и более) временных шкалах. Нас будут интересовать, главным образом, изменения текущих частот (периодов) 11-летнего и 200-летнего циклов. Заметим, что в применении к задачам реконструкции изменения частотных характеристик по сравнению с амплитудными почти всегда изучать проще: они в меньшей степени подвержены трендам и случайным ошибкам, искажающим информацию.

2. МЕТОД ИЗУЧЕНИЯ ВАРИАЦИИ ПЕРИОДОВ ЦИКЛОВ

Вейвлет-подход — метод изучения локального частотного поведения процессов циклического характера, позволяющий локализовать функцию по времени и по частоте одновременно, в отличие от Фурье-подхода, локализующего сигнал только по частоте. Техника разложения по вейвлетам — самоподобным хорошо локализованным функциям солитоноподобной формы — получила развитие в целом ряде задач, начиная с работ Grosmann and Morlet [1984]. Ортонормированный базис, по которому осуществляется разложение функции, строится с помощью линейных растяжений и трансляций базового вейвлета, так что вейвлет-преобразова-ние выступает в роли некоторого "математического микроскопа", шкалирующего сигнал по временным масштабам [Астафьева, 1996].

Для задач, требующих хорошей временной локализации сигнала, часто используют вещественный МНАТ-вейвлет

¥(0 = (1 -12)в- 2/2,

(1)

представляющий собой элемент семейства, образу-

емого = (-1)"

(m)

т-ой производной гауссианы у — епри т = 2. Для лучшего разреше-

дгт

ния в частотной области наиболее часто применяют вейвлет Морле

•2/2

(2)

у (г) = ехр(—г)е при т = 5 или 6.

Ортонормированный базис в смысле нормы

||р|| = (р, р)12, {р, #) = Г р(0д*(0<^ формируется

•—да

из базового вейвлета, как уд(?) = 2^2у(2^ - к).

Непрерывное вейвлет-преобразование исследуемой функции /(0 определяется формулой

[WJ\(a, b) = \а\

-1/2

I f w

* t—^dt,

(3)

где параметры a и b связаны соответственно с частотной и временной шкалами. Таким образом, выполняя вейвлет-преобразование (3), мы находим корреляцию между f(t) и анализирующим вейвлетом при его линейных масштабных преобразованиях ("dilation") и его перемещению по длине реализации ("translation").

Вычисление вейвлет-преобразования от синусоиды и построение т.н. "скелетона", очерчивающего изменения положения максимумов \Wyf ] (а, b), позволяют интерпретировать выражение (3) от f (t) в терминах локальных частот и амплитуд сигнала.

В этой работе для выделения циклов конкретной продолжительности мы первоначально будем с помощью МНАТ-вейвлета: 1) производить частотную фильтрацию временного ряда (приравнивая к нулю после прямого вейвлет-преобразова-ния все частотные компоненты, кроме требуемой, и выполняя затем обратное вейвлет-преобразова-ние; 2) с помощью скелетона вейвлета Морле 6-го порядка анализировать текущие изменения периодов.

3. ВАРИАЦИИ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ЦИКЛА ШВАБЕ-ВОЛЬФА НА 2000-ЛЕТНЕЙ ШКАЛЕ

Известно, что численность низкоширотных полярных сияний изменяется параллельно 11-летнему циклу солнечной активности [Schove, 1983] и хорошо коррелирует с геомагнитным аа-индексом [Pulkkinen et al., 2001]. Используем исторические сведения о них в качестве "proxy" длительности цикла, а в качестве источника данных — обширный каталог Сильвермана, доступный по адресу http ://nssdcftp.gsfc.nasa.gov/miscellaneous/aurora/cat_ ancient_auroral_obs_666bce_1951/, предварительно удалив из него события, наблюденные в высокоширотных, более 50° N, странах. Последнее необходимо, чтобы выделить наиболее геоэффективные события, профилирующие ход цикличности, (см. рис. 1а).

Как мы уже отмечали в работе [Наговицын, 2005], архивная историческая информация подвержена временному рассеиванию (потерям из рассмотрения). Это хорошо видно из рис. 1а: по мере углубления в прошлое вариации затухают. Попробуем скорректировать этот эффект. Пусть N (0, т) — истинное число полярных сияний в году т, а N(t, т) — их число, дошедшее до нас через время t после т. Тогда, в предположении регулярного рассеивания информации,

dN (t, т) dt

= -у N(t, т).

(4)

да

40

20

500

1000

1500

500

1000

1500

Год

Год

Рис. 1. Среднегодовое число полярных сияний из каталога Сильвермана: а — наблюденное; б — скорректированное по (4)—(5). По оси абсцисс — календарные годы.

а

0

0

0

Отсюда получаем

N(0, т) = N(t, x)exp(yt). (5)

Коэффициент рассеяния информации у можно найти по методу наименьших квадратов. Понятно, что процедура (4)—(5) корректирует рассеивание информации только в первом приближении: она не в силах учесть отдельные эпизоды тотальных потерь (таких, например, как варварское уничтожение рукописных источников, произошедших в Китае в III веке до Н.Э. при императоре Цинь Шихуанди, или в Александрии в VII веке Н.Э. при халифе Омаре). С другой стороны, если нас, как в этой статье, интересует именно частотная информация, монотонное непрерывное мультипликативное корректирование не изменяет частотную структуру в избранной полосе. Заметим также, что процедура (4)—(5) кажется перспективной для будущих исследований, касающихся реконструкции уровня солнечной активности.

Кроме полярных сияний, в этом разделе мы использовали традиционный ряд числа Вольфа и нашу "нелинейную версию" хода этого показателя, начиная с XI века [Наговицын, 1997].

Рисунок 2 иллюстрирует полученную картину изменения продолжительности 11-летнего цикла Tn на шкале 2000 лет. Мы видим, что она не является постоянной. За два тысячелетия имеется значимый (на уровне 3.7а) тренд, наблюдаются длительные — в несколько столетий — вариации. Если же мы построим гистограмму встречаемости

отдельных значений Тп, то увидим, что она бимодальная с максимумами вблизи 10.4, 11.0 и 11.4 лет (см. рис. 3), что находится в согласии с результатами работы [Гусева и Наговицын, 2012].

4. ВАРИАЦИИ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ЦИКЛА ЗЮССА НА ШКАЛЕ 10000 ЛЕТ

На интервалах более 2000 лет мы уже не располагаем приемлемыми "proxies" для изучения 11-летней цикличности. Однако для исследования более

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.

Показать целиком