Связь суточного вращения Земли с солнечным ветром и секторной структурой межпланетного магнитного поля

Определенно ясно, что статистическую связь (если таковая имеет место) между суточным вращением Земли и параметрами солнечного ветра с вмороженным в него межпланетным магнитным полем можно выявить либо в пределах достаточно длинных интервалов времени (порядка нескольких десятилетий и больше), либо методом наложенных эпох на более коротких интервалах. Связано это с тем, что и в суточном вращении

Земли, и в переменной части солнечного излучения присутствуют близкие периодичности (цикличности), обусловленные внутренними собственными процессами в геооболочках и в солнечной атмосфере. В качестве примера можно привести приблизительно месячную цикличность в вариациях характеристик солнечной активности и скорости вращения Земли. Первая из них связана с периодом обращения Солнца вокруг своей оси, а вторая - с периодом обращения Луны вокруг Земли. И таких совпадений цикличностей в Солнечной системе множество, что в свое время стимулировало Дж. Гриббина и С. Плейжмена написать книгу под названием «Эффект Юпитера» [246], которая вызвала немало критики, а самое главное, предсказанные в [246] катастрофические события на нашей планете не произошли. Эти события (типа резкого повышения сейсмической активности Земли) авторы [246] приурочивали к так называемому «параду планет» в 1980 году.

Как отмечено в гл. 3, работа [243] была одной из первых, в которой представлены и проанализированы среднегодовые значения скорости солнечного ветра, полученные по результатам измерений на КА в период 1962-1974 годы, т. е. в 20-м цикле солнечной активности. Естественно, что мы немедленно обратили внимание на результаты, представленные в [243], и сопоставили их с нерегулярными вариациями продолжительности суток [79; 80]. Как следует из рис. 4.6, корреляция между среднегодовыми значениями скорости солнечного ветра V и вариациями бР* высокая. Коэффициент корреляции по 13 парам значений равен -0,88 при надежности вывода, большей 0,999.

Вариации от года к году скорости солнечного ветра V (сплошная кривая) и нерегулярной части продолжительности суток дР* (пунктирная кривая)

Рис. 4.6. Вариации от года к году скорости солнечного ветра V (сплошная кривая) и нерегулярной части продолжительности суток дР* (пунктирная кривая)

Еще раз следует обратить внимание на то, что максимумы скорости V приходятся на ветви спада и роста чисел Вольфа W в 11-летнем цикле (см. рис. 3.8). Тогда можно предположить, что скорость солнечного ветра (по крайней мере, в 11-летнем цикле) коррелирует скорее не с числами Вольфа W, а с производной по времени от них, т. е. с величиной dW/dt. Если следовать рассуждениям П.Ф. Крымского [108], представленным в п. 3.7, то внешний вращательный момент Ме, действующий со стороны межпланетной среды на Землю, пропорционален скорости солнечного ветра (уравнение (3.11)). Следовательно,

Отсюда, переходя от производных к приращениям, получаем, что

т. е. должна иметь место отрицательная корреляционная связь между вариациями чисел Вольфа и изменениями продолжительности земных суток. Это и продемонстрировано в предыдущем разделе.

Как показано в и. 3.8, расширение ряда среднегодовых данных о скорости солнечного ветра в прошлое (за пределы интервала инструментальных измерений в межпланетном пространстве) возможно на основе регрессионных моделей связи V и планетарного индекса геомагнитной активности аа. При этом, если следовать логике предыдущих рассуждений, необходимо исключить 11-летний цикл, т. е. рассматривать вариации скорости солнечного ветра, сглаженные последовательно 3-, 5- и 11-летними скользящими средними (рис. 3.13). На рис. 4.7 представлены низкочастотные вариации скорости солнечного ветра и нерегулярные вариации продолжительности земных суток в интервале 1876-2004 годы.

Коэффициент корреляции между кривыми V3>5fll(t) и SP*(t) во всем рассмотренном интервале 1876-2004 годы равен г = —0,55; в интервале 1876-1970 годы -г — —0,88; в интервале 1970-2004 годы - г = +0,83. Другими словами, как и в случае сопоставления с низкочастотными изменениями чисел Вольфа приблизительно с 1970 года меняется знак корреляции. До 1970 года рост скорости солнечного ветра приводил к ускорению в суточном вращении Земли, с 1970 года имеет место противоположный эффект.

Обратимся теперь к другой характеристике солнечной активности, в явном виде проявляющейся на орбите Земли, а именно к секторной структуре межпланетного магнитного поля. По-видимому, первым, кто попытался рассмотреть связь секторной структуры ММП с изменениями суточного вращения Земли, был О. Буркард [220]. Однако он в качестве характеристики суточного вращения использовал значение невязки между Всемирным и Атомным временем АТ и методом наложения эпох проанализировал изменения АТ при переходе Земли из сектора одной полярности в сектор другой полярности. Изменения АТ были аппроксимированы методом наименьших квадратов линейной функцией, что согласно (1.24) не дает никаких изменений в суточном вращении Земли. В то же время из рисунка работы [220] видно, что изменения невязки АТ в секторах с радиальной компонентой ММП, направленной от Солнца (назовем их А-секторы), необходимо было аппроксимировать параболой выпуклостью вниз, а в секторах с радиальной компонентой, направленной к Солнцу (назовем их Т-секторы), - параболой выпуклостью вверх. В этом случае получается, что скорость изменений бР в секторах ММП разной полярности различна по знаку, т. е. имеется зависимость вращения Земли от секторной структуры ММП, что в [220] замечено не было.

Изменения от года к году скорости солнечного ветра V (сплошная кривая) и нерегулярные вариации продолжительности суток SP* (пунктирная кривая) в 1876- 2004 годах

Рис. 4.7. Изменения от года к году скорости солнечного ветра V3i5i11 (сплошная кривая) и нерегулярные вариации продолжительности суток SP* (пунктирная кривая) в 1876- 2004 годах

Это было продемонстрировано в нашей работе [93], причем исследование О. Буркарда в то время нам было неизвестно. Данные о полярности ММП на каждый день были взяты из [337], значения бР за 1968-1974 годы были вычислены по бюллетеням «Всемирное время» (отв. ред. Д.Ю. Белоцерковский) отечественной службы времени. Несмотря на то, что представленные в бюллетенях «Всемирное время» невязки АТ уже были сглажены в результате обработки, спектральный анализ вычисленных по формуле

(1.24) значений б Р показал наличие гармоник не только с полумесячными и месячными периодами, которые связаны с лунными и солнечными приливами, но и 5-6-суточной гармоники, причем последняя имела наибольшую амплитуду (до 2-3 мс и больше в отдельные годы). Наличие 5-6-суточной гармоники в вариациях 6Р отмечал Г.П. Пильник [139-141]. Для исключения этой гармоники в работе [93] была использована процедура сглаживания значений бР последовательно 3-, 5- и 7-дневными скользящими средними.

Зависимость суточного вращения Земли от секторной структуры ММП в [93], как и в работе [220], исследовалась методом наложения эпох, т. е. были определены средние изменения продолжительности земных суток отдельно в А- и Т-секторах в зависимости от времени, отсчитываемого от начала сектора. В интервале 1968-1974 годы для анализа было отобрано 55 секторов типа А и 62 сектора типа Т, суммарная продолжительность которых составила около 50 % дней рассмотренного интервала. Выборка секторов произведена таким образом, что были приняты во внимание только те секторы, которые имели продолжительность существования не менее 7 суток и начинались не менее чем после 5 суток устойчивого существования сектора противоположной полярности. Тем самым, как нам представляется, были отобраны только случаи хорошо сформированных секторов ММП и исключены случаи неустойчивых отдельных струй в солнечном ветре. С другой стороны, такая выборка удовлетворяет условиям однородности, случайности, независимости и массовости.

Метод наложения эпох был использован для того, чтобы исключить из рассмотрения приливные и случайные вариации в изменениях продолжительности суток ото дня ко дню, амплитуда которых в исходных данных значительно превосходила «полезный» сигнал. Этот методический прием выделения «полезного» сигнала на фоне значительных помех, сводящийся к суммированию входных сигналов, повсеместно используется в прикладной геофизике, в частности при обработке данных сейсмических записей.

В работе [93] вычислены средние изменения 6Р в А- и Т-секторах для разных времен запаздывания отклика суточного вращения Земли на пересечение границ секторов. Показано, что с запаздыванием в 6 суток скорость вращения Земли увеличивается, если она находится в секторе с ММП с радиальной компонентой, направленной от Солнца (в А-секторе), и уменьшается, если Земля находится в секторе с ММП противоположной полярности (в Т-секторе). Такая задержка вполне приемлема с той точки зрения, что промежуточным звеном между изменениями характеристик межпланетной среды и скоростью вращения Земли является атмосфера.

Известно, что характерное время крупномасштабных атмосферных процессов составляет 5-7 суток [41].

Скорости изменения продолжительности суток A(6P)/At получились равными — 0,74 • 10“5 с/сут для А-секторов и +0,52 • 10-5 с/сут для Т-секторов. Различие в скоростях A(6P)/At для А- и Т-секторов вряд ли имеют какой-то физический смысл, а обусловлено, скорее всего, ошибками вычислений. Выявленный эффект, если речь вести об изменении продолжительности суток в одном секторе ММП, чрезвычайно мал. За 10 дней пребывания Земли в секторе определенной полярности продолжительность суток может измениться на величину всего порядка 0,05-0,1 мс, в то время как изменения 6Р за счет приливов могут составить 1 мс и даже больше за то же время. Тем не менее полученный в [93] результат значим и отражает реальную ситуацию, что и будет показано ниже.

Статистически более надежными представляются результаты сопоставления среднегодовых значений 6Р и индекса ММП Kh определенного уравнением (3.14), вариации которого в 1947-2010 годах показаны на рис. 3.16. Еще раз следует подчеркнуть, что ни о каком вековом ходе индекса Kj как характеристики времени пребывания Земли в секторе ММП той или иной полярности речи идти не может. Вариации Kj имеют характерное время, сравнимое с 11-летним циклом солнечной активности [83; 91]. Это можно видеть и из рис. 3.16. Поэтому для сопоставления среднегодовых значений Kj и изменений от года к году продолжительности суток из последних необходимо выделить высокочастотную составляющую. В работах [83; 91], в которых анализировались данные за 1947-1975 годы, это было сделано путем вычитания из исходных значений линейного тренда, которым в рассмотренном интервале можно аппроксимировать одновременно и приливные, и вековые нерегулярные вариации 6Р. Результат получился впечатляющим: в интервале 1954-1973 годы коэффициент корреляции между высокочастотными нерегулярными вариациями и изменениями индекса А"; оказался равным г = —0,84.

Обратимся к данным последних лет. В более чем 60-летнем интервале (1947-2010 годы) короткопериодные нерегулярные вариации продолжительности суток получить невозможно посредством простого вычитания из исходных линейного тренда. Дело в том, что в этом интервале заметную роль играют и так называемые 60-летние вариации 6Р, связанные с электромагнитным взаимодействием мантии и ядра (и. 2.4), и приливное замедление во вращении Земли, и, наконец, вековые изменения 6Р, обусловленные изменениями солнечной активности. В силу статистического характера всех этих факторов, за исключением разве что приливного замедления, невозможно представить их в виде заданной функции времени. Поэтому нерегулярные короткопериодные вариации (обозначим их, как и выше, символом 8Р*) получим как результат полосовой фильтрации, а именно 8Р* = 8Р3 5 — 6P3f5|11 (см. приложение).

На рис. 4.8 для 1950-2005 годов представлены вычисленные таким образом вариации 8Р* и сглаженные последовательно 3- и 5-летними скользящими значения индекса Kj. Кривые 8P*(t) и K7(t) до 1974 года практически полностью идентичны тем, что представлены в наших работах [83; 91]. Соответственно и коэффициент корреляции между вариациями 6Р*(0 и К/(О в 1950-1974 годах равен г = —0,78.

Расширение же данных до 2005 года (фильтрация привела к сокращению исходных рядов, которые заканчивались 2010 годом) привело к тому же эффекту, который был продемонстрирован при сопоставлении низкочастотных вариаций 8Р* с соответствующими вариациями чисел Вольфа W (рис. 4.5) и с изменениями скорости солнечного ветра V (рис. 4.7). Эффект этот заключается в том, что примерно в 1970-1975 годах сменился знак корреляционной связи между рассмотренными характеристиками солнечной активности (W, V и Kj) и нерегулярными вариациями продолжительности земных суток. В частности, согласно результатам, представленным на рис. 4.8, коэффициент корреляции между Kj и * в 1974-2005 годах равен г = +0,69. Во всем же интервале 1950-2005 годы коэффициент корреляции между Kj и 8Р* достаточно низкий и равен г = +0,23.

Изменения индекса (сплошная кривая) и нерегулярные короткопериодные вариации продолжительности суток 8Р* (прерывистая кривая) в 1950-2005 годах

Рис. 4.8. Изменения индекса (сплошная кривая) и нерегулярные короткопериодные вариации продолжительности суток 8Р* (прерывистая кривая) в 1950-2005 годах

Результаты статистического сопоставления изменений от года к году индекса Kj и 8Р*, например в интервале 1950-1974 годы, хорошо согласуются с вычислениями изменений продолжительности суток внутри сектора одной полярности. Действительно, для изменений 5Р* и К7 от года к году можно записать уравнение регрессии

где нижними индексами «0» отмечено, что величины, входящие в формулу (4.2), центрированы. Коэффициент регрессии q равен произведению коэффициента корреляции на отношение стандартных отклонений 5Р* и Kj [153], т. е.

Для сглаженных по трем и пяти точкам данных 1950-1974 годов о = 0Д1 мс, ак = 0,086, г = —0,78. Тогда q « — 1 мс.

Из уравнения регрессии (4.2) следует, что

Отсюда, полагая N = А + Т = const, получаем для А-секторов и для Т-секторов

т. е. с учетом того, что q < 0, продолжительность земных суток в 1950— 1974 годах уменьшалась в А-секторах (скорость суточного вращения увеличивалась) и увеличивалась в Т-секторах (скорость суточного вращения уменьшалась).

Чтобы вычислить скорость изменения 8Р в секторе определенной полярности, положим А (А) = А (Г) = 1 сут, N = 360 сут и q = — 1 мс. В результате имеем |A(5P*)/dt| = 0,56 • 10-5 с/сут, что совпадает с оценками работы [93].

Аналогичные расчеты легко провести и для интервала 1974—2005 годов, которые дают примерно такую же скорость изменения продолжительности суток в секторе той или иной полярности. Другое дело, что в этом интервале скорость вращения Земли увеличивалась в секторах типа Т и уменьшалась в секторах типа А.

Следует еще раз обратить внимание на то, что с характеристиками межпланетной среды коррелирует не ускорение сШ/dt, что казалось бы естественнее всего из физических соображений, а интеграл от dCi/dt, т. е. изменения угловой скорости вращения 5П или продолжительности суток 8Р. Скорее всего, это свидетельствует о том, что связь между различными проявлениями солнечной активности и суточным вращением Земли носит принципиально статистический характер, и эта связь имеет место только для усредненных по времени величин и отсутствует для мгновенных значений. Точно так же, как изменения температуры термодинамической системы пропорциональны средней кинетической энергии молекул, но не коррелируют с изменениями энергии одной молекулы.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >