МНОГОЛЕТНИЕ  ИЗМЕНЕНИЯ  ГЕОМАГНИТНОГО  ПОЛЯ  КРЫМА

Курбасова  Галина  Сергеевна

канд.  физ.-мат.  наук,  ведущий  научный  сотрудник  Крымской  астрофизической  обсерватории,  РФ,  п.  Научный,  Крым

E -mail:  gskurb@gmail.com

Вольвач  Александр  Евгеньевич

д-р  физ.-мат.  наук,  зав.  лабораторией  радиоастрономии  Крымской  астрофизической  обсерватории,  РФ,  п.  Научный,  Крым

E-mail:  

LONG-TERM  CHANGES  OF  THE  GEOMAGNETIC  FIELD  OF  CRIMEA

Kurbasova  Galina

candidate  of  Sciences,  Leading  Researcher  Crimean  Astrophysical  Observatory,  Russia,  Science,  Crimea

Vol'vach  Alexander

Dr.  of  Sciences,  Head.  laboratory  of  Radio  Astronomy  Crimean  Astrophysical  Observatory,  Russia,  Science,  Crimea

АННОТАЦИЯ

В  статье  обсуждаются  результаты  анализа  среднегодовых  характеристик  геомагнитного  поля  в  Крыму.  Данные  для  анализа  вычислены  за  период  с  1900  по  2014  год  с  помощью  Международной  геомагнитной  модели  IGRF-11.  Сделан  вывод  о  возрастании  общей  напряжённости  геомагнитного  поля  в  Крыму  со  временем  в  северо-восточном  направлении.

ABSTRACT

The  paper  discusses  the  results  of  the  analysis  of  average  characteristics  of  the  geomagnetic  field  in  the  Crimea.  Data  for  the  analysis  were  calculated  for  the  period  from  1900  to  2014  through  the  International  geomagnetic  model  IGRF-11.  It  is  concluded  that  an  increase  in  the  total  intensity  of  the  geomagnetic  field  in  Crimea  with  time  in  a  northeasterly  direction.

Ключевые  слова:  магнитное  поле;  Крым.

Keywords:   magnetic  field;  Crimea.

Введение .  Возросший  за  последнее  время  интерес  к  изучению  магнитного  поля  Земли  объясняется  рядом  факторов,  из  которых  следует  отметить  такие  как:  ускоренное  движение  магнитных  полюсов,  убыль  напряжённости  магнитного  поля  и  вытекающая  из  этого  угроза  для  жизни  на  Земле,  возможность  изучения  процессов  в  ядре  Земли  с  помощью  измерений  характеристик  магнитного  поля,  многогранную  роль  магнитного  поля  в  обменных  процессах  происходящих  в  солнечно-земных  взаимосвязях. 

Математическим  описанием  изменений  параметров  геомагнитного  поля  является  созданная  в  настоящее  время  Международная  модель  —  результат  совместных  усилий  отдельных  исследователей  и  научных  организаций  по  изучению  магнитного  поля,  участвующих  в  сборе  и  распространении  данных  о  магнитном  поле  со  спутников  и  наземных  обсерваторий  по  всему  миру.

Для  анализа  структуры  и  пространственно-временных  изменений  геомагнитного  поля  в  4  крайних  точках  Крыма  и  п.  Кара-Даг  за  период  1900—2014  года  авторы  использовали  калькулятор  для  расчётов  магнитного  поля  в  заданном  пункте  по  Международной  геомагнитной  модели  (The  International  Geomagnetic  Reference  Field,  IGRF-11)  [8]. 

Кроме  определения  долговременных  пространственно-временных  изменений  характеристик  геомагнитного  поля  в  Крыму,  исследовалась  возможность  существования  связи  изменений  характеристик  геомагнитного  поля  с  глобальными  геодинамическими,  гелиофизическими  и  атмосферными  аномалиями.  Наряду  с  анализом  изменений  характеристик  геомагнитного  поля  в  крайних  пунктах  полуострова  (на  севере  —  п.  Перекоп,  на  юге  —  п.  Кара  Мрун,  на  востоке  —  п.  Фонарь,  на  западе  —  п.  Сарыч),  в  анализе  использовались  характеристики  геомагнитного  поля  п.  Кара-  Даг  [2;  5].

Локальные  геомагнитные  поля.   Включение  в  анализ  характеристик  геомагнитного  поля  п.  Кара-Даг  вызвано  обнаруженными  ранее  авторами  настоящей  работы  аномалиями  локальной  инсоляции.  Так  скорость  роста  инсоляции  п.  Кара-Даг  по  данным  22-х  летнего  тренда  за  период  1983—2005  годы,  составила  2,69  кВт*ч  /  м²  за  столетие,  что  более  чем  в  2  раза  превышает  темпы  роста  инсоляции  в  других  районах  Крыма.  Кроме  того,  обнаружены  противоположные  тенденции  изменения  температуры  воздуха  на  высоте  10  м  и  температуры  земли,  что  свидетельствуют  об  аномалиях  в  локальных  геофизических  и  атмосферных  процессах  п.  Кара-  Даг.

Анализ  графиков  составляющих  векторов  магнитного  поля  в  5  точках  Крыма  определяет  общие  тенденции  изменений  для  каждой  составляющей:  горизонтальные  и  северные  компоненты  магнитного  поля  убывают  со  временем,  а  восточные,  вертикальные  компоненты  и  общее  магнитное  поле  —  возрастают.  Для  анализа  использовались  данные  о  многолетних  изменениях  горизонтальной  составляющей  и  общего  магнитного  поля  в  виду  отсутствия  каких-либо  особенностей  в  изменениях  остальных  характеристик.  На  рисунке  1  приведены  графики  общего  геомагнитного  поля  и  горизонтальной  составляющей  в  5  пунктах  Крыма. 

Рисунок  1.  Графики  характеристик  геомагнитного  поля  в  5  пунктах  Крыма:  а)  —  напряжённость  общего  геомагнитного  поля  F ,  б)  —  горизонтальная  составляющая  геомагнитного  поля  H

Графики  на  рисунке  1,  выделенные  сплошной  линией,  относятся  к  геомагнитному  полю  в  п.  Перекоп  (крайний  северный)  и  п.  Сарыч  (крайний  южный),  расположенным  на  одной  и  той  же  долготе.  В  этих  пунктах  наблюдается  минимальная  (по  сравнению  с  остальными  пунктами)  горизонтальная  составляющая.  В  то  же  время,  горизонтальная  составляющая  в  п.  Кара-Даг  превосходит  все  остальные  (см.  рис.  1,  б)),  что,  по  всей  вероятности,  связано  с  особыми  локальными  геофизическими  условиями. 

Уже  более  века  продолжается  изучение  геологии  Кара-Дага.  В  конце  XIX  в.  начинают  появляться  первые  сведения  по  геологии  вулканической  группы  Кара-Дага.  Предположение  о  том,  что  она  является  крупным  размытым  слоистым  вулканом,  высказал  А.А.  Прозоровский-Голицын. 

Исследователями  структуры  Кара-Дага  сделан  вывод  относительно  его  сложного  строения. 

Установление  когерентных  связей.  В  анализе  спектрального  состава  исходных  данных  использовался  метод  спектральных  оценок,  обладающих  высокой  разрешающей  способностью  для  ограниченных  последовательностей  данных  [3].  В  постановку  задачи  входило  установление  когерентности  локальных  изменений  характеристик  геомагнитного  поля  и  таких  глобальных  процессов  как  вращение  Земли,  солнечная  активность,  глобальная  температура. 

Согласно  этому  методу,  установление  взаимной  корреляции  между  двумя  (одноканальными)  процессами  состоит  в  вычислении  функции  взаимной  (двухканальной)  спектральной  плотности  мощности  (СПМ),  которая  представляет  собой  дискретно-временное  преобразование  Фурье  взаимной  корреляционной  функции    в  виде

,  (1) 

где:    и  —  одноканальные  процессы, 

  —  частота, 

  —  интервал  времени.

Комплексное  безразмерное  выражение  функции  когерентности  имеет  вид

.  (2) 

Для  измерения  сходства  (как  функции  частоты)  двух  сигналов  вычисляем  квадрат  модуля  когерентности  (КМК)  в  виде

  (3) 

и  фазовый  спектр  когерентности

.  (4) 

Величина  КМК  (3)  заключена  между  0  (для  частот,  на  которых  отсутствует  когерентность  между  каналами)  и  1  (для  частот,  на  которых  каналы  полностью  когерентны).  Фаза  когерентности  (4)  характеризует  отставание  или  опережение  по  фазе  в  канале  X  по  отношению  к  каналу  Y  как  функцию  частоты. 

Проведём  анализ  результатов  применения  изложенного  выше  метода  для  обнаружения  когерентных  вариаций  характеристик  локального  геомагнитного  поля  в  Крыму  и  некоторых  параметров  глобальных  геодинамических,  гелиофизических  и  атмосферных  процессов.  В  качестве  исходных  данных  о  локальных  характеристиках  геомагнитного  поля  выберем  п.  Кара-Даг.  Как  следует  из  анализа  графиков  на  рисунке  1,  а),  тенденции  изменения  геомагнитного  поля  на  остальных  четырёх  пунктах  аналогичны. 

Одним  из  главных  глобальных  геодинамических  процессов,  влияющих  на  изменения  локальных  геофизических  и  атмосферных  характеристик,  является  вращение  Земли  вокруг  своей  оси  и  её  положение  на  орбите.  Для  установления  когерентных  колебаний  использовались  данные  о  геомагнитных  характеристиках  в  п.  Кара-Даг  и  среднегодовые  величины  отклонений  длительностей  суток  от  стандартных  (86400сек.)  LOD  (length  of  day),  публикуемые  Международной  службой  вращения  Земли  (IERS  —  International  Earth  Rotation  Service)  [7].

Анализ  графиков  на  рисунке  2,  б  позволяет  предположить  о  существовании  статистической  связи  между  вариациями  с  периодом  25  лет  в  данных  о  горизонтальной  составляющей  магнитного  поля  в  п.  Кара-Даг  Н  (рис.  1,  б)  и  отклонениями  длительностей  суток  от  стандартных  LOD  (рис.  2,  а).  Кроме  того,  установлена  когерентность  вариаций  с  периодом  66.7  год  в  данных  LOD  и  общего  магнитного  поля  F  в  п.  Кара-Даг.

Рисунок  2.  Графики:  а)  —  отклонения  длительности  суток  от  стандартных  LOD ;  б)  —  квадрат  модуля  когерентности  LOD  и  H;  в)  —  квадрат  модуля  когерентности  LOD  и  F

Современные  научные  гипотезы  не  отрицают  факт  существования  синхронных  колебаний  в  локальных  и  глобальных  процессах  [1].

Земля  непрерывно  получает  от  Солнца  почти  неизменный  поток  энергии,  обеспечивающий  наблюдаемый  уровень  освещённости  и  среднюю  температуру  её  поверхности.  Однако  количество  солнечной  энергии,  поступающей  на  поверхность  Земли,  распределяется  неравномерно  и  зависит,  прежде  всего,  от  положения  Земли  на  орбите,  скорости  её  вращения,  локальных  и  региональных  условий.  Колебания  земных  условий  существенно  зависят  от  солнечной  активности. 

Под  активностью  Солнца,  прежде  всего,  понимают  рост  числа  солнечных  пятен  и  процессы  его  сопровождающие.  В  цепочке  солнечно-земных  взаимодействий  влияние  солнечной  активности  на  внешние  и  внутри  земные  процессы  проявляется  в  событиях,  период  повторения  которых  составляет  в  среднем  11  лет.  Региональные  и  локальные  условия  влияют  на  результат  воздействия  солнечной  активности.  Проведенный  нами  анализ  обнаружил  высокую  когерентность  изменения  из  года  в  год  напряжённости  общего  магнитного  поля  в  п.  Кара-Даг  с  изменениями  из  года  в  год  числа  солнечных  пятен.  На  рисунке  3,  а)  приведен  график  КМК.  Максимальное  значение  КМК  соответствует  вариациям  с  периодом  10.5  лет.  Десятилетние  вариации  обнаружены  ранее  в  экспериментальных  данных  некоторых  геодинамических,  геофизических  и  гелиофизических  процессов  [6].  Их  когерентность  с  вариациями  в  данных  о  локальном  геомагнитном  поле  Крыма  обсуждается  впервые.

Связь  локальных  климатических  и  геофизических  характеристик  с  многолетними  изменениями  глобальной  температуры  Земли  в  настоящее  время  является  предметом  дискуссий.  Отсутствие  знаний  о  многолетнем  механизме  этой  связи  дополняется  гипотезами  и  анализом  эмпирических  данных.

Рисунок  3.  Квадрат  модуля  когерентности  данных  об  изменениях  из  года  в  год  общего  магнитного  поля  в  п.  Кара-Даг  и  а)  —  числа  солнечных  пятен  [9],  б)  —  среднегодовых  глобальных  аномалий  температуры  [10]

Анализ  данных  за  период  1900—2014  годы  обнаружил  высокую  когерентность  изменения  из  года  в  год  напряжённости  общего  магнитного  поля  п.  Кара-Даг  с  изменениями  из  года  в  год  среднегодовых  величин  глобальных  аномалий  температуры  (см.  рис.  3,  б)  для  вариаций  с  периодом  67лет.  Этот  результат  согласуется  с  выводами,  опубликованными  в  работе  [4],  о  едином  механизме  генерации  многолетних  вариаций  с  периодами  в  диапазоне  65—70  лет  в  глобальной  температуре,  изменениях  углового  момента  ядра  Земли,  скорости  вращения  Земли.  При  этом  предполагается,  что  геомагнитное  поле  может  поддерживать  этот  процесс. 

Многолетние  локальные  изменения  общего  геомагнитного  поля  в  Крыму  (см.  рис.  4)  определяют  общую  тенденцию  его  эволюции:  рост  со  временем  в  северо-восточном  направлении.  Исходные  данные  для  графика  вычислены  на  сетке  0,5^°х  0,5^°  с  последующей  интерполяцией.

Выводы. 

1.  Связь  локальных  климатических  и  геофизических  характеристик  с  вращением  Земли  не  подлежит  сомнению.  Однако  её  детали  для  каждого  экономически  важного  пункта  Крыма,  в  силу  разнообразия  ландшафта,  техногенных  условий  и  пр.,  должны  находиться  под  контролем  регулярных  наземных  и  космических  наблюдений. 

2.  Анализ  многолетних  изменений  геомагнитного  поля  в  п.  Кара-Даг  не  прояснил  причину  аномального  роста  инсоляции  и  температуры  земли  в  этом  пункте. 

В  то  же  время,  горизонтальная  составляющая  п.  Кара-Даг  превосходит  все  остальные  (см.  рис.  1,  б)),  что,  по  всей  вероятности,  связано  с  особыми  локальными  геофизическими  условиями. 

3.  Обнаруженные  долгопериодические  когерентные  колебания  характеристик  локального  геомагнитного  поля  и  глобальных  изменений  длительности  суток,  солнечной  активности,  аномалий  глобальной  температуры  подтверждают  гипотезу  о  существовании  общего  механизма  локальных  и  глобальных  колебаний.  Изучение  многолетних  связей  локальных  и  глобальных  природных  процессов  необходимо  для  построения  более  точных  экологических  и  климатических  прогнозов.

4.  Общая  напряжённость  геомагнитного  поля  в  Крыму  за  период  1900—2014  годы  возрастает  в  северо-восточном  направлении. 

Рисунок  4.  Общая  напряжённость  геомагнитного  поля  в  Крыму  за  период  1900—2014  годы

Список  литературы:

1.Берри  Б.Л.  Синхронные  процессы  в  оболочках  Земли  и  их  космические  причины  //  Вестник  МГУ.  —  1991.  —  Сер.  5,  —  №  1.  —  С.  20—27.

2.Курбасова  Г.С.,  А.Е.  Вольвач  Вейвлет-анализ  наземных  и  космических  измерений  локальной  инсоляции  //  Космическая  наука  и  технология.  —  2014.  —  Т.  20.  —  №  4.  —  С.  42—49.

3.Марпл  С.Л.  мл.  Цифровой  спектральный  анализ  и  его  приложения.  М.:  Мир,  1990.  —  584  с.

4.Dickey,  Jean  O.,  Steven  L.  Marcus,  Olivier  de  Viron  Air  Temperature  and  Anthropogenic  Forcing:  Insights  from  the  Solid  Earth.  //J.  Climate.  —  2011.  —  №  24  —  P.  569—574.

5.Kurbasova  G.S.,  Volvach  A.E.  The  insolation  anomalies  on  the  Crimean  peninsula  with  observations  from  space  //  CriMiCo2014,  Conference  Proceedings  Sevastopol:  Weber  Publishing.  —  2014.  —  Vol.  2.  —  P.  1085—1086.

6.Kurbasova  G.S.,  Korsun  A.A.,  Rykhlova  L.V.,  Rybalova  M.N.,  Shlikar  G.N.  Statistical  Correlations  between  10  Year  Variations  of  Annual  Mean  Geodynamical,  Geophysical,  and  Heliophysical  Data.  //Astronomy  Reports.  —  1997.  —  Vol.  41,  —  №  1.  —  P.  128—134.

7.IERS  Web  site  map,  Data  Products.  —  2014.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://hpiers.obspm.fr/

8.NGDC  Geomagnetic  Calculators.  —  2014.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://  www.ngdc.noaa.gov 

9.Table  Data:  SIDC   —  Solar  Influences  Data  Center.  —  2014.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://  www.sidc.be/silso/datafiles

10.Table  Data:  Global  and  Hemispheric  Monthly  Means  and  Zonal  Annual  Means.  —  2014.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://data.giss.nasa.gov/gistemp/tabledata