КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2008, том 46, № 4, с. 291-302
УДК 551.590.2
РЕКОНСТРУКЦИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КОСМИЧЕСКОЙ
ПОГОДЫ НА 400-ЛЕТНЕЙ ШКАЛЕ
© 2008 г. Ю. А. Наговицын, Е. В. Милецкий, В. Г. Иванов, С. А. Гусева
Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН, г. Санкт-Петербург nag@gao.spb.ru Поступила в редакцию 04.12.2007 г.
Главной целью этой работы является получение физически информативных комплексных данных о динамике солнечного магнитного поля, геомагнитного поля и межпланетного магнитного поля на больших временных масштабах. Приведены 400-летние реконструкции полного пятенного магнитного потока, аа- и /DV-индексов геомагнитной активности, напряженности ММП, диполь-октупольного индекса крупномасштабного магнитного поля Солнца, открытого магнитного потока, а также 150-летняя реконструкция П-индекса крупномасштабного полярного магнитного поля Солнца.
PACS: 96.60.qd; 91.25.Le
В самом общем смысле, "космическая погода" (КП) - это весь комплекс космических факторов, воздействующих на Землю. Наше исследование посвящено долгопериодическим тенденциям космической погоды. Это направление в рамках КП в последнее время приобрело специальное название -космический климат. Первая международная конференция, посвященная данной проблеме, прошла в 2004 г. в Оулу (Финляндия).
В плане изучения космического климата вообще наши основные цели мы видим следующими:
1. Получение физически информативных комплексных данных о динамике солнечного магнитного поля, геомагнитного поля и межпланетного магнитного поля (ММП) на больших временны х масштабах.
2. Количественный и качественный анализ эволюции солнечной активности (СА) на основе реконструкций поведения различных компонент СМП на длительных временах.
3. Исследование прогностических сценариев вариаций СА на интервале десятков - сотен лет.
4. Получение надежных данных о временных вариациях климата Земли в прошлом.
5. Исследование связи солнечной активности и климата Земли.
Эта статья будет посвящена, главным образом, целям п. 1.
1. ДЛИТЕЛЬНЫЕ РЕКОНСТРУКЦИИ
ВРЕМЕНИ Ь1X РЯДОВ ИНДЕКСОВ КОСМИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ: ПОДХОД ВРЕМЕННЫХ ШКАЛ
Необходимость рассмотрения поведения параметров КП в длительном аспекте вытекает из муль-тициклического характера процесса СА: кроме 11-летнего (цикла Швабе), по разным данным выявляются 80-90-летний и 200-летний циклы. Последние из таких циклов, называемые циклами Гляйссберга и Зюсса соответственно, образуют яркую картину глобальных максимумов и минимумов солнечной активности [1], сопровождаемую климатическими изменениями на Земле [2].
Основу нашего подхода составляет рассмотрение СА и солнечно-земных связей на основе "временных шкал", выделяемых в соответствии с возможностями использования для реконструкций тех или иных данных. В применении к СА могут быть выделены следующие шкалы:
а) шкала 100-150 лет - прямые регулярные наблюдения СА (геомагнитной активности и климатических параметров);
б) шкала 400 лет - нерегулярные прямые наблюдения СА;
в) шкала 1000-2000 лет - набор косвенных данных о солнечной активности (хроники полярных сияний, пятен, замеченных невооруженным глазом; радионуклиды в природных архивах; археомагнит-ные данные);
г) шкала 10000 лет - данные о концентрации радиоуглерода 14С и бериллия-10 в датированных образцах (кольцах деревьев, полярных льдах).
Особенности нашего подхода к задаче реконструкции параметров Космической погоды на длительных временах следующие:
- Переход - там, где это возможно - от традиционных статистических индексов (числа Вольфа, числа групп пятен и т.п.) к физическим параметрам (магнитный поток, напряженность поля и т.п.).
- Учет дифференциального характера связей между параметрами КП на различных временных масштабах. Для это ранее нами были предложены математические методы MSR и DPS (см. раздел 3), основанные на вейвлет-преобразовании и разложении по псевдофазовому пространству Такенса соответственно.
- Стремление к максимально полному описанию процессов КП с использованием всего комплекса имеющихся данных, а не данных какого-либо одного типа. Такой подход взаимной верификации имеющихся данных назван ранее "принципом свидетелей" [3].
Что касается реконструкций поведения СА для наиболее длительных шкал, то в [4] была предложена нелинейная математическая модель солнечной цикличности и на ее основе с использованием данных Д. Шоува по моментам экстремумов 11-летних циклов в прошлом [1] произведена полуэмпирическая реконструкция среднегодовых чисел Вольфа, начиная с XII века. Эта модель до сих пор остается единственной моделью СА на тысячелетней шкале со среднегодовой скважностью. Попытке создания синтетической картины развития СА в последние 1000 лет была посвящена работа, основанная на т.н. индуктивных методах реконструкций [5]. Недавно в [6] была предложена "синтетическая" реконструкция числа Вольфа за последние 2000 лет, основанная на данных о концентрации радиоуглерода в датированных образцах, пятнах, замеченных невооруженным глазом, и полярных сияниях с применением "принципа свидетелей". Реконструкция СА на временах несколько тысяч лет по радиоуглеродным данным приведена в [7]. В отличие от известной реконструкции Соланки и др. [8] она не приводит к выводу об уникальности нашей эпохи с точки зрения высокого уровня активности.
Акцент данной работы будет состоять в получении данных о физических параметрах, характеризующих космическую погоду в долговременном аспекте - космический климат, - на интервале 400 лет. Эта шкала является определяющей в наших знаниях о СА, поскольку именно столько времени ведутся прямые наблюдения Солнца. Однако, подобные наблюдения отнюдь не все это время описывали солнечную активность достаточно полно. Поэтому зафиксируем вначале наши возможности в плане имеющегося прямого наблюдательного материала о СА.
2. НАБЛЮДАТЕЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ РЕКОНСТРУКЦИЙ: ПРОДЛЕННЫЕ РЯДЫ ТРАДИЦИОННЫХ ИНДЕКСОВ
СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ И БАЗА ДАННЫХ КАТАЛОГА СОЛНЕЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
На первых этапах развития идеологии временны х шкал мы выполнили ряд исследований, посвященных продлению рядов традиционных (статистических) индексов СА. Эти ряды были далее размещены в электронной базе ESAI http://www.gao.spb.ru/data-base/esai. Описанию этой базы посвящена статья [3]. Имеющиеся данные о глобальной солнечной цикличности были дополнены версиями нескольких продолжительных временньи рядов индексов различных компонент солнечной активности, полученных с помощью реставрации ранних наблюдений разных авторов в XIX веке и компиляции их в базовые системы (в необходимых случаях серии были продлены на последние годы - см. ниже базу CSA). Всего в разное время было получено 6 новых продленных рядов:
а) ряд суммарных площадей солнечных пятен в гринвичской системе, 1821-1995 гг. (расширенный за счет обработки данных Швабе, Кэррингтона, Де-ларю, Шперера и Гневышевой);
б) ряд средних широт пятен в северном N и южном S полушариях Солнца, 1854-1989 гг.;
в) "синтетический" ряд чисел полярных факелов в системе Маунт-Вилсон, 1847-1999 гг. (привлекались данные обсерваторий Гринвич, Кодайканал, Лион, Токио, Кисловодск, Цюрих и затменные наблюдения полярных областей солнечной короны);
г) ряды северо-южной асимметрии этих индексов а)-в), характеризующие асинхронность развития активности в N- и S-полушариях Солнца. Таким образом, обычно используемые ряды были удлинены по времени на ~50%.
Параллельно с базой данных ESAI создавалась электронная база данных о солнечной активности в системе Пулковского "Каталога солнечной деятельности" CSA. Основу базы составляют данные о таких проявлениях солнечной активности, как группы солнечных пятен, фотосферные факелы, кальциевые флоккулы, протуберанцы и интенсивность свечения линий солнечной короны. К настоящему времени период наблюдений, представленных в этой базе, охватывает временной интервал в 5.5 одиннадцатилетних циклов солнечной активности, начиная с 17-го и заканчивая серединой 22-го (1932-1991 гг.). Интерактивным интерфейсом обеспечены все наиболее важные характеристики солнечной активности. Имеется специальный тип сервиса, который осуществляет выборку требуемых солнечных образований, присутствовавших на диске Солнца в данный день, и динамически формирует изображение диска, на котором отмечены местоположения этих образований.
Пулковская база данных CSA содержит дополнительные по отношению к Гринвичскому каталогу характеристики групп пятен, такие как площадь максимального пятна и (с 1938 года) число пятен в них ("населенность", n), что позволяет проводить расширенные статистические исследования.
В [9] акцентировалась проблема корректного продолжения классических рядов индексов солнечной активности: 133-летнего цюрихского ряда чисел Вольфа W и 102-летнего гринвичского ряда суммарных площадей S, прекращенных в 1981 и 1976 г. соответственно. Было показано, что до настоящего времени кисловодские данные, составляющие основу Пулковского "Каталога солнечной деятельности" и CSA, сохраняют систему наблюдений классических рядов, и именно они предпочтительны для их продолжения.
База данных CSA размещена на Web-сервере Пулковской обсерватории по адресу (http://www. gao.spb.ru/database/csa/).
3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ РЕКОНСТРУКЦИЙ: СВЯЗИ МЕЖДУ
ИНДЕКСАМИ КОСМИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ
НА РАЗЛИЧНЫХ ВРЕМЕНН Ь1X ШКАЛАХ
В общем виде проблема реконструкции в контексте нашей работы сводится к следующей задаче. Пусть X(t), Y(t) - два временных ряда, заданных на интервалах [t0, ta] и [tb, ta], 0 < b < a, соответственно. Последний интервал является общим для рядов. Предположим, что для этого интервала существует связь F(X, Y) = 0. Если F достаточно гладкая и одна из производных, например, Fy = dF/dy ф 0, то существует функция Y=f(X).
Реконструкция предполагает два этапа, первый из которых состоит в построении аппроксимации
/ ~ f на [tb, ta], а второй - в экстраполяции Y на интервал [t0, tb]. Заметим, что часто для построения аппроксиматора можно использовать лишь часть [t, tj] с [tb, ta], a < i < j < b общего интервала, поскольку другая часть необходима для верификации связи.
Простейший
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.