УДК 550.380 + 550.383 + 550.384
ВЕКОВЫЕ ВАРИАЦИИ ГЛАВНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ В РАМКАХ ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЕГО ИСТОЧНИКОВ
© 2008 г. И. М. Демина, Л. В. Никитина, Ю. Г. Фарафонова
С.-Петербургский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн
им. Н.В. Пушкова РАН, С.-Петербург e-mail: irina_demina@mail.ru Поступила в редакцию 20.10.2006 г. После доработки 05.02.2007 г.
На основе разрабатываемой авторами динамической модели источников главного магнитного поля Земли рассмотрено влияние источников разного уровня на пространственную структуру вековых вариаций. Получено, что развитие 13-ти наиболее мощных диполей лишь в общих чертах определяет глобальные аномалии векового хода, причем каждая из этих аномалий представляет собой результат суперпозиции динамики нескольких источников. Проведено сравнение векового хода, вычисленного по модели, с данными обсерваторий; получено, что без учета динамики источников третьего порядка малости по сравнению с главным диполем невозможно описать локальные аномалии векового хода, наблюдаемые в обсерваториях. Высказано предположение, что физическими источниками, определяющими диполи третьего порядка, могут быть топографические вихри, возникающие вокруг неоднородностей границы ядро—мантия.
PACS: 91.25.Le
1. ВВЕДЕНИЕ
Пространственная структура векового хода главного магнитного поля Земли (ГМПЗ) характеризуется наличием как глобальных (так называемые фокусы векового хода), так и локальных аномалий с разным временем жизни. Большое число исследований посвящено анализу пространственной структуры и миграции фокусов вековой вариации. Рядом исследователей решалась задача определения параметров источников отдельных аномалий, и высказывались предположения об их физической природе [Яременко и др., 1989; Мак-симчук и др., 1995; Рузмайкин и др., 1989].
Авторы настоящей работы в течение ряда последних лет развивают динамическую модель источников главного поля, существующих и непрерывно изменяющихся на протяжении 100 лет. Это позволяет рассмотреть не только возможности модели по аппроксимации пространственного распределения компонент главного поля для каждой отдельно взятой эпохи, но и ее возможности по описанию пространственно-временных особенностей вековых вариаций.
Модель представляет собой набор диполей, каждый из которых определяется шестью параметрами: три координаты местоположения диполя, величина магнитного момента и два угла, задающие направление его вектора. Основное отличие разрабатываемого авторами подхода от широко известных работ, в которых выполнялось подобное моделирование, состоит в том, что на-
бор диполей существует и развивается на протяжении длительного времени и остается "открытым" в отношении как добавления новых, так и распада ранее включенных в модель источников. Это достигается за счет решения задачи разделения вкладов диполей разного уровня. Полученные первичные оценки их параметров в дальнейшем уточняются в ходе итерационного процесса, на каждом шаге которого снижается уровень шума при определении параметров рассматриваемого диполя за счет исключения вклада остальных источников. Подробно методика описана в работе [Демина и Фарафонова, 2004].
К настоящему моменту времени модель охватывает период с 1900 по 2005 гг. и содержит источники разного уровня как по величине магнитного момента, так и по времени жизни. В работе [Демина и др., 2006] было показано, что модель, включающая 13 источников, хорошо аппроксимирует пространственное распределение компонент поля, вычисленных по ЮЯР-коэффициентам. В то же время в остатках от аппроксимации на протяжении нескольких десятков лет проявляются схожие локальные аномалии. В данной работе рассмотрены возможные источники локальных аномалий и роль диполей разного уровня в формировании пространственно-временных особенностей векового хода ГМПЗ.
-180 -120 -60 0 60 120 180 -180 -120 -60 0 60 120 180 Долгота, град Долгота, град
-180 -120 -60 0 60 120 180 -180 -120 -60 0 60 120 180 Долгота, град Долгота, град
Рис. 1. Влияние динамики 13-ти наиболее мощных источников на пространственную структуру векового хода главного поля: а — Z-компонента вековой вариации, вычисленная по коэффициентам ЮКЕ7; б — то же, вычисленное по модели, включающей только 13 наиболее мощных источников; изолинии проведены через 100 нТл: штриховая линия — отрицательные, сплошная линия — положительные; цифры слева — разности эпох, к которым относятся карты изолиний.
2. ВЕКОВОЙ ХОД, ОПРЕДЕЛЯЕМЫЙ ДИНАМИКОЙ ДИПОЛЕЙ ПЕРВОГО И ВТОРОГО ПОРЯДКА
С точки зрения пространственной структуры векового хода компонент ГМПЗ в XX веке можно выделить три периода: от начала века до 1940 г., с 1940 г. по 1960 г. и с 1960 г. по настоящее время. Для начала века характерно наличие глобальных аномалий векового хода. Далее его пространственная структура принципиально меняется: глобальные аномалии распадаются на многочисленные локальные. В течение следующих 20-ти лет вновь формируются глобальные аномалии. На данном этапе развития дипольной модели рассматривать период с 1940 по 1960 гг. не представляется возможным, поскольку количество включенных в нее источников существенно меньше, чем число сформировавшихся локальных аномалий векового хода, и его пространственная структура лишь в общих чертах может быть передана динамикой модели.
Для проведения сравнительного анализа нами были выбраны два периода. Из ранних эпох рассматривается вековой ход за 1935—1930 гг., по-
скольку пространственное распределение векового хода компонент ГМПЗ за этот период отражает все особенности, характерные для начала века. Из ближайших к нам выбран период 1990—1985 гг. Поскольку, с одной стороны, для этого периода верно приведенное выше утверждение, но касательно конца века, а с другой стороны, ЮИР-коэф-фициенты для эпох 1985 и 1990 гг. не подвергались пересмотру на 1А0А-2005 (www.ngdc.gov/IA-ОАДтоё^г!:Ы;т1). Пространственная структура векового хода вертикальной ^-компоненты ГМПЗ, вычисленного по ЮЯБ-коэффициентам для выбранных разностей эпох, представлена на рис. 1а.
На примере ^-компоненты можно видеть, что пространственное распределение векового хода в начале и конце века характеризовалось наличием нескольких глобальных аномалий. Существенное отличие между этими периодами состоит в формировании в конце века мощной доминирующей аномалии в западном полушарии, получившей название "Бразильская аномалия" (рис. 1а, 1990— 1985 гг.). Можно было бы предположить, что формирование этой аномалии связано в первую очередь с развитием наиболее мощных источников.
1985 1990
50
- 50
Н
50
-150 -100 -50 0 50 100 150
0
- 50 =
-150 -100 -50 0 50 100 150
50
0
-50
-150 -100 -50 0 50 100 150
50
0
-50
-150 -100 -50 0 50 100 150
Рис. 2. Сравнение остатков от аппроксимации моделью, включающей 13 источников, компонент главного поля, вычисленных по коэффициентам ЮЯР, для двух последовательных эпох. Z-, Н-вертикальная и горизонтальная компоненты соответственно; 1985, 1990 — сравниваемые эпохи; изолинии для Z-компоненты проведены через 500 нТл: штриховая линия — отрицательные, сплошная линия — положительные; изолинии для Н-компоненты проведены через 200 нТл; в блоке 1900 г. треугольниками показано положение, цифрами — условные номера источников третьего порядка малости; в блоке 1985 — положение и трехбуквенный код обсерватории, с которой проводилось сравнение. По вертикальной оси отложена широта, по горизонтальной — долгота в градусах.
Поэтому первоначально для перечисленных выше эпох вековой ход был вычислен по модели с учетом только 13-ти наиболее мощных источников. Результат представлен на рис. 1б. Хорошо видно, что полученная за счет изменения во времени параметров наиболее мощных источников пространственная структура векового хода только в общих чертах отражает вековой ход, вычисленный по ЮЯР-коэффициентам. Полученный при сравнении блоков "а" и "б" результат, на первый взгляд, кажется парадоксальным — недостаточное число включенных в модель источников может приводить не только к тому, что часть локальных аномалий векового хода не передается за счет изменения параметров этих источников, но и к тому, что на фоне крупных аномалий появляется ряд локальных аномалий, которые отсутствуют в вековом ходе, вычисленном по ЮЯР-коэффици-ентам. Напрашивается вывод, что каждая из наблюдаемых аномалий в пространственной структуре векового хода главного поля не определяется динамикой какого-то одного из источников, а представляет собой результат суперпозиций изменений нескольких источников. Полученный результат позволил нам пересмотреть вопрос о
расширении модели и включении в нее источников следующего порядка малости.
3. ЛОКАЛЬНЫЕ АНОМАЛИИ ГЛАВНОГО ПОЛЯ И ИСТОЧНИКИ, ИХ ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ
Модель, включающая 13 источников, отражает все глобальные особенности пространственного распределения компоненты ГМПЗ и, как мы видели выше, общую структуру векового хода. В то же время ряд локальных особенностей не описывается такой ограниченной моделью. Если рассмотреть разности между распределением компонент поля, вычисленным по ЮЯР-коэффициен-там и суммарным полем 13-ти источников модели, то на протяжении нескольких эпох в разностях (остатках от аппроксимации) по всем компонентам проявляются повторяющиеся локальные аномалии. В качестве примера, на рис. 2 представлено пространственное распределение соответствующих разностей вертикальной Z- и горизонтальной Н-компонент для 1985 и 1990 гг. Отчетливо видно, что в остатках проявляются схожие по местоположению и форме аномалии. Стабильность прояв-
250 200
£
В 150
m
is 100
50 0
1900 1920 1940 1960 1980 2000
26000
£ 25000
к
ьч 24000
23000
22000
39000
ч 38000
н X 37000
36000
35000
34000
33000
1900 1920 1940 1960 1980 2000
Я 43000 Н
х
Nf 42000 41 000
1900 1920 1940 1960 1980 2000 Год
39000
38500
£ X 38000
37500
37000
36500
19000
18000
£ X 17000
16000
15000
14000 1
26000
£ 25000
1900 1920 1940 1960 1980 2000
х
^ 24000
23000 43000
42000Ь
^ 41000
40000
39000
38000
1900 1920 1940 1960 1980 2000
2500046000 г
ч
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.