ВЕКОВЫЕ ВАРИАЦИИ ГЕОМАГНИТНОГО СКЛОНЕНИЯ В ПУНКТЕ КАРА-ДАГ

TEMPORARY VARIATIONS OF GEOMAGNETIC EMISSION IN THE KARA-DAG POINT.

Galina Kurbasova

 сandidate of  Sciences, Leading Researcher   Crimean Astrophysical Observatory,

Russia, Crimea, Science

Alexander Vol'vach

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

Russia, Crimea, Science

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются результаты анализа вековых вариаций  склонения геомагнитного поля в пункте Кара – Даг (Крым). Для анализа использованы данные, вычисленные авторами на калькуляторе 12-ой модели Международного геомагнитного стандартного поля (The International Geomagnetic Reference Field – IGRF-12). Вычислены параметры глобальной модели изменений вековых вариаций геомагнитного склонения в пункте Кара-Даг за период 1900 – 2017 годы. Установлены когерентные вариации.  Обсуждаются изменения общей тенденции вековых вариаций геомагнитного склонения в пункте Кара - Даг за последние годы. 

ABSTRACT

The article considers the results of the analysis of secular variations of the declination of the geomagnetic field at the point Kara - Dag (Crimea). For the analysis, the data computed by the authors on the calculator of the 12th model of the International Geomagnetic Reference Field (IGRF-12) was used. The parameters of the global model of variations of secular variations of geomagnetic declination in the Kara-Dag point for the period 1900 - 2017 are calculated. Coherent variations are established. Changes in the general trend of secular variations of the geomagnetic declination at the Kara - Dag point in recent years are discussed.

Ключевые слова: геомагнитное поле; вековые вариации; Кара-Даг.

Keywords: geomagnetic field ; secular variations; Kara-Dag.

Введение. Проблема зарождения и развития опасных и катастрофических процессов в геосистемах чрезвычайно широка и сложна для всестороннего исследования и обсуждения. В этой связи исключительно важным является понимание причин нестабильности в геосистемах, которые инициируются, как внешними (космическими)  так и внутри земными воздействиями.

На амплитуды колебаний глобальных и локальных климатических и геофизических процессов оказывают влияние колебания солнечной активности [2,11], лунно-солнечные приливы [1,12] , колебания скорости вращения Земли [11], а также взаимодействия геофизических процессов. Гелиогеофизические процессы воздействуют на атмосферу и происходящие в ней динамические процессы [3-7].

Геомагнитное поле изменяется в зависимости от положения пункта на поверхности Земли. Эти изменения варьируют  на временных масштабах, начиная от нескольких секунд до нескольких десятилетий, до тысячелетий. Влияние изменений геомагнитного поля на здоровье, безопасность и экономическое благосостояние общества не подлежит сомнению.

Геомагнитное поле, наряду со связанными с ним явлениями, может, как помочь, так и ухудшить навигацию и проведение изыскательских работ; может влиять на современные системы связи, космические аппараты, и многое другое.

Общие сведения и историческая справка о геомагнитном поле Земли.

Геомагнитное поле, измеренное в любой точке земной поверхности является совокупностью нескольких магнитных полей, генерируемых различными источниками. Эти поля накладываются и взаимодействуют друг с другом. В святи с особенностями генерации принято различать два вида магнитных полей: геомагнитное и магнитное и соответствующие им геомагнитные и магнитные полюса. Более 90% измеряемого поля генерируется внутри планеты и в земной коре. Эта часть геомагнитного поля часто называется главным магнитным полем. В первом приближении главное магнитное поле это диполь, магнитная ось которого составляет угол около 11,5 градуса с осью вращения Земли. Наклон между геомагнитной и географической осями в настоящее время сокращаются со временем и составляет около 9,7 ° в 2015 году и прогнозируется на уровне 9,4 ° в 2020 году [18, стр.16]. Геомагнитная ось проходит на расстоянии примерно 490 километров от центра Земли (по данным 1980 года) в направлении Тихого океана (21 градус северной широты и 147 градусов восточной долготы). Точки пересечения этой магнитной оси с поверхностью Земли называют геомагнитными полюсами. Координаты геомагнитных полюсов: в Северном полушарии 78,5 градуса северной широты и 70 градусов западной долготы; в Южном полушарии 78,5 градуса южной широты и 110 градусов восточной долготы. Магнитными полюсами Земли называют точки на ее поверхности, в которых вектор индукции магнитного поля Земли направлен вертикально: вниз на Северном полюсе и вверх на Южном. Координаты магнитных полюсов: в Северном полушарии 75 градусов северной широты и 100 градусов западной долготы (Северная Канада) в Южном полушарии 68 градусов южной широты и 145 градусов восточной долготы (французская полярная станция Дюмон-Дюрвиль). Полярность магнитного поля Земли в текущую эпоху такова, что в Северном полушарии находится южный геомагнитный и магнитный полюса, а в Южном полушарии - северные. Однако, полюса общепринято называть в соответствии с полушарием, в котором каждый из них находится.

Так как геомагнитное поле представляет собой векторное поле, необходимо как минимум три элемента (компоненты) чтобы представить поле.

Рисунок 1. Элементы земного магнетизма [8]

Элементы, характеризующие направление поля -  склонение D и наклон I. D и I измеряются в единицах угловых градусов. D - угол между горизонтальной составляющей H и направлением на географический северный полюс. I - угол между горизонтальной плоскостью и вектором интенсивности F общего поля. Элементы, характеризующие напряженность поля -  общая интенсивность (F), горизонтальная составляющая (Н), вертикальная составляющая (Z), а также направленные  на север (X) и восток (Y) составляющие горизонтальной интенсивности. Следующие основные уравнения связывают компоненты поля:

                          ( 1 )

В начале XVIII века Эдмунд Галлей отметил, что прямая линия, линия нулевого склонения D на графике склонений, медленно движется на запад. С тех пор было точно установлено, что некоторые особенности возрастных вариаций дрейфуют на запад со средней скоростью около 0,2 ° в год. Однако, западный дрейф не везде одинаков. Он сильнее в Атлантическом океане, чем в Тихом, и меньше, чем средний дрейф в Северной Америке за последние150 лет [17].

Главное магнитное поле меняется медленно во времени и может быть описано такими математическими моделями как (The International Geomagnetic Reference Field – IGRF) - международная геомагнитная рекомендуемая модель, (WMM) - Глобальная магнитная модель [9].

Международная ассоциация геомагнетизму и аэрономии (The International Association of Geomagnetism and Aeronomy - IAGA) выпустила Международное геомагнитное стандартного поля 12-го поколения - новую версию стандартного математического описания основного магнитного поля Земли, широко используемого при изучении глубинных процессов Земли, ее коры, ионосферы и магнитосферы. Коэффициенты для этой основной модели поля до 13 степени были завершены рабочей группой IAGA в декабре 2014 года. IGRF является продуктом совместной работы между отдельными учеными и институтами, которые занимаются сбором и распространением данных магнитного поля с спутников и из обсерваторий по всему миру.

Математическое описание IGRF [9, стр.2] представляет собой серию математических моделей главного геомагнитного поля и его изменений из года в в год (вековых вариаций). Магнитное поле на поверхности Земли и над ней определяют в терминах шкалы магнитного потенциала так что.

,      (2)

где r обозначает радиальную расстояние до центра Земли; = 6371.2 км является геомагнитный средний сферический радиус Земли; - геоцентрическая широта; - восточная долгота.

Вековые вариации геомагнитного поля в пункте Кара-Даг.  

Под вековыми вариациями геомагнитного поля подразумеваются изменения его составляющих из года в год. Их величины в любом пункте Земли на требуемую епоху могут быть вычислены с помощью калькулятора IGRF -12.

Вековые вариации геомагнитного поля не только медленно меняются, но и склонны к кратковременным скачкам. Это явление было впервые обнаружено группой французских исследователей [13,14]. Они заметили, что на многих магнитных обсерваториях тенденция в возрастнии вековых вариаций до 1969 года заметно отличается от тенденции после 1969 года. Эта тенденция наиболее заметна в Восточной составляющей магнитного поля на европейских обсерваториях, но была обнаружена на многих обсерваториях мира [17].  

С помощью калькулятора IGRF-12 нами вычислены вариации геомагнитного склонения в пункте Кара – Даг (dD) и построен график нелинейной тенденции  их  изменений. На  графике данных (dD) рисунка 2 обнаруживается скачок в 1969 году. В то же время, наиболее резкие изменения геомагнитного склонения наблюдаются в 1944-1945 и 1974-1975 годах (показано на рис.2 стрелками).

Рисунок 2. Графики данных об изменении геомагнитного склонения в пункте Кара-Даг (dD) и нелинейного тренда (Т)

Глобальная модель нелинейного тренда Т имеет вид

Т(x) = a*x^2+b*exp(n*x), х = t - t₀, t₀ = 1900, t – текущий год.    Коэффициенты модели (с 95% доверительными интервалами):

       a = 3.734e-005 (2.136e-005, 5.333e-005),

       b =  -0.001156  (-0.005868, 0.003556),

       n =    0.04928  (0.01899, 0.07956).

При сопоставлении графиков на рисунке 2 и графика данных об изменении северной составляющей скорости геомагнитного полюса в Северином полушарии на рисунке 3 обнаруживаются сходные тенденции.

Рисунок 3. Северная составляющая скорости геомагнитных дипольных полюсов в северной (шары) и южной (крестики) полушариях, оценена на сфероиде WGS84 [18, стр.17]

При сопоставлении графиков на рисунке 2 и графика данных об изменении северной составляющей скорости геомагнитного полюса в Северином полушарии на рисунке 3 обнаруживаются сходные тенденции.

Установление когерентных связей. В анализе спектрального состава исходных данных использовался метод спектральных оценок, обладающих высокой разрешающей способностью для ограниченных последовательностей данных [10]. В постановку задачи входило установление когерентности вековых вариаций склонения геомагнитного поля в пункте Кара-Даг и таких глобальных процессов как вариации длительности суток [15] из года в год и вариации из года в год числа солнечных пятен [19].

Из анализа графиков на рисунке 4 следует: а - между вековыми вариациями геомагнитного склонения в пункте Кара-Даг и изменениями длительности суток из года в год существует статистическая связь колебаний с периодом 36.4 года (квадрат модуля когерентности равен 0.62); b - между вековыми вариациями геомагнитного склонения в пункте Кара – Даг и изменениями числа солнечных пятен из года в год существует статистическая связь колебаний с периодом 10.5 год (квадрат модуля когерентности равен 0.86).

Рисунок 4. Квадрат модуля когерентности между вековыми  вариациями геомагнитного склонения в пункте. Кара-Даг и изменениями из года в год а) – длительности суток, б) – числа солнечных пятен

Выводы.

1. Связь геомагнитного поля с вращением Земли не подлежит сомнению. Однако её особенности в различных точках Земного шара варьируют. Скачки магнитного поля могут возбудить не предвиденные реакции в зоне неустойчивых, экологически опасных процессов.

2. График нелинейного тренда на рисунке 2 демонстрирует тенденцию изменения вековых вариаций геомагнитного склонения в пункте Кара-Даг схожую с тенденцией изменения северной составляющей скорости северного геомагнитного полюса: достигнув максимального значения около 2000 года, знак тенденций меняется на противоположный.

3. 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.          Анализ графика на рисунке 4,а позволяет предположить о существовании статистической связи между вариациями с периодом 36.4 года в вековых вариациях геомагнитного поля в п. Кара-Даг и изменениях из года в год длительности суток.

4. 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.  Проведенный нами статистический анализ обнаружил высокую когерентность изменения вековых вариаций  склонения геомагнитного поля в п. Кара-Даг с изменениями из года в год числа солнечных пятен: квадрат модуля когерентности вариаций с периодами 10.5 лет равен 86%

Список литературы:

1. Авсюк Ю.Н. Приливные силы и природные процессы. М.: Объединённый институт физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН. 1996. - 186 с.
2. Берри Б. Л. Синхронные процессы в оболочках Земли и их космические причины // Вестник МГУ. 1991. Сер. 5, №1. С. 20-27.
3. 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.
4. Курбасова Г.С., Вольвач А.Е. Многолетние изменения геомагнитного поля Крыма. / Сб.ст. по материалам ХХVI МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ «Естественные  и математические науки в современном мире». №1(25) . Новосибирск: Изд. «СибАК», 2015. С. 184-192.
5. Курбасова Г.С., Вольвач А.Е. Геомагнитное поле и климат Кара-Дага: когерентные колебания.  / Сб.ст. по материалам XXVIII МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ «Eстественные и математические науки в современном мире» № 3 (27). Новосибирск: Изд. «СибАК», 2015.С. 84-90
6. Курбасова Г.С., Вольвач А.Е.  Геодинамические циклы в данных об инсоляции полуострова Крым / Сб.ст. по материалам ХХXIII МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ «Наука вчера, сегодня, завтра». Новосибирск: Изд. «СибАК», 2016. №4(26). С. 79 –
7. Курбасова Г.С., Вольвач А.Е. ЛОКАЛЬНАЯ ГЕОДИНАМИКА: эффекты глобальных геодинамических процессов в характеристиках климата Крыма / Сб.ст. по материалам ХХVI МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ «Наука вчера, сегодня, завтра». Новосибирск: Изд. «СибАК», 2016. №5(27). С. 62-70.
8. Мировой Центр Данных по физике. [электронный ресурс] – Режим доступа. - URL: http://www.wdcb.ru (дата обращения 03.05.2017)
9. Международное геомагнитное стандартное поле 12-го поколения.[электронный ресурс] – Режим доступа. - URL: http://www.ngdc.noaa.gov/IAGA/vmod/igrf.html (дата обращения 03.05.2017)
10. Марпл С.Л. мл. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1990. 584с.
11. Сидоренков, Н. С. Атмосферные процессы и вращение Земли. –СПб.: Гидрометеоиздат. 2002, 200 с.
12. Сидоренков Н.С. Лунно – солнечные приливы и атмосферные процессы.//Природа,№2, 2008, С.23 – 31.
13. Courtillot, V. and Le Mouël, J.-L., Geomagnetic secular variation impulses. Nature, 311, 709-716, 1984.
14. Courtillot, V., Ducruix, J. and Le Mouël, J.-L., Sur une accélérations récente de la variation séculaire du champ magnétique terrestre. C.R. Acad. Sci. Paris, D287, 1095-1098. (1978)
15. IERS Web site map, Data Products. - 2017. [электронный ресурс] – Режим доступа. - URL: http://hpiers.obspm.fr/ (дата обращения 03.05.2017)
16. 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, No. 1. P.128-134.
17. Secular variation. Natural Resources Canada. Data modified: 2017-02-04.     [электронный ресурс] – Режим доступа. - URL: http://geomag.nrcan.gc.ca/mag_fld/sec-en.php (дата обращения 03.05.2017)
18. Thйbault et al. Earth, Planets and Space. – 2015.  Р. 67-79. DOI 10.1186/s40623-015-0228-9. [электронный ресурс] – Режим доступа. - URL:https://earth-planets-space.springeropen.com/articles/10.1186/s40623-015-0228-9 (дата обращения 03.05.2017)
19. Table Data: SIDC - Solar Influences Data Center. – 2017. [электронный ресурс] – Режим доступа. - URL: http:// www.sidc.be/silso/datafiles. (дата обращения 03.05.2017)