Диссертация (1149666), страница 13
Текст из файла (страница 13)
3.18 представлен результат сглаживания диаграмм Бартельса значений восстановленной полярности Pi для Санкт-Петербурга с 1965-го по 1975-й год. Слева показаны результатывосстановления полярности до сглаживания, в центре — после. Справа изображена диаграммаБартельса суточной полярности межпланетного магнитного поля по данным спутниковых измерений.
До применения корректировки области одинаковой полярности различимы, но наблюдается достаточно большое число дней, полярность в которых не совпадает с доминирующейполярностью окружающих ячеек. Этим также вызвана размытость секторных границ. Сглажива59ние выравнивает диаграмму и “сомнительные” значения заменяются. Ячейки с одинаковой полярностью группируются вокруг больших значений Pi и секторная структура становится болееотчётливой и похожей на данные спутников. Также видно, что вблизи секторных границ скорректированные значения становятся меньше, отображая тем самым низкую вероятность верногоопределения полярности в эти дни.450300Pi , nT1500−150−300−450beforeafter50100150200day of year250300350Рисунок 3.17: Восстановленная полярность PiH по данным станции Воейково в 1970-м году,синим — до, красным — после выравнивания средних ампилитуд Pi .Описанная процедура сглаживания повышает точность результатов восстановления в среднем на ∼ 5%.
Но что более важно, в итоге получается более ясная и понятная картина развития секторной структуры. При этом, однако, теряется хоть и незначительная, но имеющаясякорреляция модулей восстановленной полярности Pi и спутниковых значений BY . Также из-засглаживания пропадает секторная структура более высоких порядков. Однако, это не вызываетбольших и принципиальных противоречий со спутниковыми данными, поскольку самые распространённые варианты — структуры, состоящие из двух и четырёх секторов, хорошо различимыв полученных результатах.Вся восстановленная полярность с 1844-го по 2008-й года представлена в форме диаграммБартельса в Приложении A.Подведём итог данный главы, кратко изложив структуру и порядок нашего метода:• Вычисляется среднее годовое распределение различий между характерными суточнымикривыми геомагнитного поля для положительной и отрицательной полярностей ММП.• На основе полученных диаграмм для всех станций и каждой компоненты формируетсянабор весовых коэффициентов, определяющий время, когда вариации используются длявосстановления полярности, а также указывающий на знак различий.60• Суточная кривая фонового геомагнитного поля определяется усреднением значений поляв интервале ∆N в периоды с тем же уровнем геомагнитной активности (±∆aa), что и висследуемое время.
Параметры ∆N и ∆aa определяются подбором отдельно для каждогомесяца, геомагнитной компоненты и станции.• Итоговые значения восстановленной полярности Pi одной станции вычисляются суммированием взвешенных отклонений для всех доступных геомагнитных компонент.• Средняя амплитуда отрицательных и положительных Pi выравнивается в окне 55 дней.• Полученные значения сглаживаются в диаграммах Бартельса.Pi , beforePi , afterBY − BX19701971197219731974197519761977197819791980−300−200−1000100200300−10010Рисунок 3.18: Диаграммы восстановленной по данным Санкт-Петербурга (H и D) полярности:до и после сглаживания; справа — полярность ММП по спутниковым данным (1970–1980).61Глава 4Проверка результатовВ этой главе приведены способы, с помощью которых можно оценить восстановленную полярность в прошлом. Также на основе известных закономерностей секторной структуры проверяется степень достоверности результатов в доспутниковый период.4.1 Определение полярности по спутниковым даннымВ первую очередь покажем, как определяется знак полярности межпланетного магнитного поля.
Плазма солнечного ветра обладает высокой проводимостью, что обеспечивает эффектвмороженности магнитного поля — движение силовых линий связано с движением частиц солнечного ветра. Это приводит к распределению ММП вдоль направления распространения солнечного ветра. Так как его скорость ограничена и Солнце вращается, ММП вытягивается вдольспирали Паркера [1, 44], кривой в общем случае именуемой спиралью Архимеда.Для анализа параметров ММП используются разные координатные системы, чаще всего GSMи GSE системы.
Они имеют общую ось X, направленную от Земли к Солнцу. Ось Z в GSM системе координат лежит в плоскости земного диполя и оси X. В GSE системе ось Z перпендикулярна плоскости эклиптики. Ось Y перпендикулярна плоскостям XZ в соответствии с правиломпостроения систем правосторонних координат. Реже используется GSEQ система координат —геоцентрическая солнечно-экваториальная система координат, ось X которой также направленана Солнце, ось Y лежит в плоскости параллельной гелиоэкватору, соответственно ось вращенияСолнца лежит в плоскости XZ. Именно в этой системе координат лучше всего исследовать ММПи солнечный ветер [45] и в ней мы определяли истинную полярность межпланетного магнитногополя.На расстоянии 1AU спираль Паркера составляет с осью X угол равный ∼45o или ∼135o(рис.
4.2), в зависимости от направления отсчета — по часовой стрелке или против соответственно. На рис. 4.1 показаны распределения угла φ (против часовой стрелки), образуемого BXYпроекцией в трёх системах за период с начала спутниковых наблюдений в 1963 по 2013 гг. Максимумы распределений наблюдаются для двух направлений ММП — вдоль спирали от Солнца сφ≈135o (положительная полярность) и вдоль спирали, к Солнцу, с φ≈315o (отрицательная поляр62ность).
Хорошо видно, что максимумы совпадают во всех координатных системах. Так как ММПраспределено вдоль спирали Паркера, границу разделения ММП по знаку полярности удобнеевсего установить под углом 45o к оси X. Это равносильно тому, что знак полярности соответствует знаку разности (BY − BX ). Грубо говоря, не имеет решающего значения в какой системеопределяется истинная полярность ММП.
Тем не менее, в работе [41] Рассэлл и Розенберг указа-ли на то, что в течение года угол между GSM и GSEQ системами может составлять до 40o , и присильном отклонении ММП от Паркеровской спирали, это может приводить к ошибочной оценкеполярности в GSM координатах. Так как на самом деле по геомагнитному эффекту определяется не знак полярности, а знак BY компоненты ММП в GSM координатах, несовпадение GSEQи GSM координат приводит к появлению верхнего предела точности методов восстановленияполярности по геомагнитным вариациям.4.5BXGSM,GSE,GSEQGSMB4GSEBXYBGSEQY3.5φ% of data32.521.510.5154575105135165195φ,o225255285315345Рисунок 4.1: Распределение углов φ между осью X и суточными значениями BXY в GSM, GSEи GSEQ координатных системах за 1963–2013 гг.Для нахождения этого предела Рассэлл и Розенберг сравнили знак BY компоненты ММП всистеме GSM и знак полярности в GSEQ системе за период 1966–1968 гг.
В таблице 4.1 представлены наши результаты, полученные аналогичным образом, но за более длительный интервалс 1963-го по 2013-й год. Сравнение проводилось для разных интервалов усреднения величин приусловии, что для каждого интервала доступно более половины значений (например, больше 12для 24-часового интервала). Таблица демонстрирует очевидный результат — на бо́льших интервалах высокочастотные отклонения от паркеровской спирали наблюдаются реже. Учитывая, чтокаждая станция чувствительна к геомагнитному эффекту BY GSM только некоторое время в те63Таблица 4.1: Совпадение знака BY GSM и знака полярности в GSEQ системе.Интервал Один. знакРазный знак1963–2013 1966–1968 [41]1ч2776424591485.8%85.4%3ч960431256788.8%86.8%6ч50060544090.2%88.4%12ч25700208792.5%90.2%24ч1312885993.9%91.1%чение дня, Рассэлл и Розенберг предположили, что 88% — максимально возможная точностьвосстановления полярности по геомагнитным вариациям.
Для её достижения необходимо использовать данные полярных станций, когда эффект Свальгарда-Мансурова максимален. Наши,оценки с гораздо бо́льшей выборкой, для 6-часового интервала дают более высокое значениепредела — 90%. Более того при использовании большого набора станций, на которых эффектмаксимален в разное время, можно говорить о верхнем пороге точности ∼94%.GSEQYX(BY-BX)>0СолнцеЗемля(BY-BX)<0Рисунок 4.2: Определения полярности ММП, распределённого вдоль спирали Паркера в GSEQсистеме.Авторы предыдущих методик при оценке результатов не учитывали периоды так называемой “смешанной” (mixed) полярности. ММП в это время сильно отклоняется от направленияспирали и лежит в областях [BX >0; BY >0] и [BX <0; BY <0] — на рис.
4.1 они соответствуют углам от 0 до 90o и от 180 до 270o . Смешанная полярность часто наблюдается в периодспорадических возмущений в солнечном ветре, а также вблизи секторных границ. В областизначений [BX >0; BY >0] поле смешанной полярности в действительности имеет либо ту, либодругую полярность, но в обоих случаях BY >0. Поэтому по геомагнитным вариациям такие дниможно определить только как дни положительной полярности. Соответственно, точность восстановления полярности в такие дни, предположительно, не может превышать 50%. По этойпричине авторы предыдущих методов не рассматривали данные периоды при определении точности метода. По статистике спутниковых измерений в GSEQ системе координат дни смешанной64полярности составляют ∼13% от общего числа (2034 из 15671 дней с конца 1963-го по 2013-йгод включительно).
Таким образом, оценки методов, полученные Свальгардом, Веннерстром иБерти, не вполне точны. То что ММП в определённый день имеет смешанную полярность можнопонять только по спутниковым данным. В доспутниковую эпоху идентифицировать такие дниневозможно. Для того чтобы получить достоверную оценку точности восстановленной полярности, необходимо учитывать все дни. В наших работах [46–48] мы приводили оценки без учетасмешанной полярности, чтобы была возможность сравнения наших результатов с предшествующими работами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
