Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ВЕКТОРА НАПРЯЖЕННОСТИ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ОТ ГЕОГРАФИЧЕСКИХ КООРДИНАТ ТОЧКИ НАБЛЮДЕНИЯ

Маркарян Н.Р. 1 Алексанян Г.К. 1 Кревченко Ю.Р. 1
1 ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»
В статье представлены результаты исследования закономерностей изменения характера вектора напряженности (ВН) геомагнитного поля (ГМП) в зависимости от географического положения точки измерения. Были получены временные ряды значений ВН ГМП для четырнадцати обсерваторий, находящихся в разных точках Земли. Вычислены значения постоянной составляющей напряженности ГМП и их средние квадратические отклонения. Получен временной ряд, представляющий собой периодическую составляющую вектора напряженности ГМП. С применением метода сезонной декомпозиции получены временные ряды средних значений для каждого месяца (январь - декабрь) солнечно-суточных вариаций (SDV) вектора напряженности ГМП для всех обсерваторий. Были определены максимальные значения пиков главных гармоник солнечно-суточных вариаций. Рассчитаны сдвиги фаз SDV вектора напряженности, характеризующие разность географических долгот между обсерваториями. С применением факторного анализа произведена классификация SDV в зависимости от широты точки наблюдения.
географическая долгота
географическая широта
постоянная составляющая
вектор напряженности
геомагнитное поле
метод сезонной декомпозиции
солнечно-суточные вариации
1. Алексанян Г.К. Определение структуры математической модели горизонтальной составляющей геомагнитного поля / Г.К. Алексанян, М.В. Ланкин [и др.] // Моделирование. Теория, методы и средства : материалы XI Междунар. науч.-практ. конф., Новочеркасск, 31 марта 2011 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : ЮРГТУ, 2011. – С. 31–36.
2. Бочкарев Н.Г. Магнитные поля в космосе. - Изд. 2, доп. - 2011. - 216 с.
3. Бреус Т.К. Магнитные бури: медико-биологические и геофизические аспекты / Т.К. Бреус, С.И. Рапопорт. – М. : Советский спорт, 2003. – 192 с.
4. ГОСТ 8.207-76. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. – М. : Изд-во стандартов, 1977. – 10 с.
5. Короновский Н.В. Магнитное поле геологического прошлого Земли // Соросовский образовательный журнал. - 1996. - № 5.
6. Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул : учеб. пособие для втузов. – М. : Высш. шк., 1988. – 239 с.
7. Проект «Приборы МАГИК: индикаторы магнитной бури» [Электронный ресурс]. - URL: http://pribory-magic.narod.ru/business50.html (дата обращения: 21.03.2013).
8. IZMIRAN Geomagnetic Data Archive [Электронный ресурс] // Учреждение Российской академии наук, Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн ИЗМИРАН [сайт]. [2007]. - URL: http://serv.izmiran.ru/webff/magdb_all.html.
9. Электронный учебник по статистике // StatSoft. [Москва, 2001]. - URL: http://www.statsoft.ru/home/textbook/default.htm (дата обращения: 20.03.2013).
10. Яновский Б.М. Земной магнетизм. – Л. : Изд-во Ленингр. ун-та, 1978. – 592 с.

Введение

Проблема изучения электромагнитных полей (ЭМП) и их влияния на биологические и технические системы выходит на новый уровень и является одним из перспективных направлений развития современной науки [5]. Одной из новых областей исследования ЭМП является изучение магнитного поля Земли (МПЗ) как одного из естественных факторов электромагнитного воздействия [2]. Особое внимание следует уделять случайным возмущениям ГМП, возникновение которых оказывает негативное влияние на многие области жизнедеятельности человека [3].

В настоящее время существуют устройства и способы индикации и прогнозирования геомагнитных возмущений. Однако они имеют ряд недостатков, среди которых невозможность функционирования в бытовых условиях при наличии промышленных помех и электромагнитного смога, а также отсутствие свойств портативности и носимости [7]. В этой связи существует необходимость разработки новых методов и устройств индикации и прогнозирования геомагнитных возмущений, предназначенных для измерения окружающего ГМП и информирования о возрастании геомагнитной активности.

При реализации мобильного устройства прогнозирования геомагнитных возмущений необходимо использовать измерение трех составляющих вектора напряженности ГМП, т.к. пространственное положение прибора во время измерения будет носить произвольный характер. Известно [10], что напряженность ГМП изменяется от экватора к полюсам, поэтому для разработки такого устройства, показания и точность которого не будут зависеть от его географического положения на земном шаре, необходимо исследовать значения полного ВН ГМП, взятые в разных точках поверхности Земли.

Цель работы: исследование зависимости SDV вектора напряженности ГМП от географических координат точки наблюдения для создания портативных (мобильных) устройств индикации и прогнозирования геомагнитных возмущений.

Материал и методы исследования. Статистическая обработка материала и вычисления проводились с использованием пакета прикладных программ MS Excel 2003, statistica 6.0 [9].

В качестве исходных данных использовались измерения горизонтальной и вертикальной составляющих напряженности ГМП с интервалом t = 1 мин на четырнадцати непрерывно функционирующих обсерваториях за период времени Q с 1995 по 2012 г. [8]: ADDIS ABAB (AAE, Эфиопия), ARGENTINE (AIA, Аргентина), BANGUI (BNG, Африка), CAMBRIDGE (CBB, Англия), CANBERA (CNB, Австралия), HARTLAND (HAD, США), LUNPING (LNP, Тайвань), MBOUR (MBO, Франция), PORT AUX F (PAF, Франция), FRIDERICKSBURG (FRD, США), COLLEGE (CMO, США), ESKADALEMUIR (ESK, Великобритания), HARTLAND (HAR, Великобритания), LERWICK (LER, Великобритания).

Результаты и обсуждение

Из исходных данных по формуле (1) [6] были найдены значения ВН ГМП для перечисленных обсерваторий:

, (1)

где - горизонтальная составляющая ВН ГМП, - вертикальная составляющая напряженности ВН ГМП.

На первом этапе из временного ряда значений ВН ГМП была исключена постоянная составляющая для каждого месяца за период Q. При этом сначала для каждой обсерватории создавалось 12 таблиц, характеризующих каждый из месяцев года (январь - декабрь), в которых столбцы содержали временные ряды значений напряженности за каждый год из Q. Из временных рядов каждого месяца по формуле (2) [1] было рассчитано среднее арифметическое значение напряженности ГМП для каждого момента измерения для каждой обсерватории за все годы:

, (2)

где - среднее арифметическое значение напряженности ГМП на i-й минуте за период Q; О – обсерватория наблюдений; М – месяц; - значение напряженности на i-й минуте в j-м году; n – количество лет в интервале Q; i – порядковый номер минуты (максимальные значения для месяцев, содержащих 31 день, =44640 - для месяцев, содержащих 30 дней =43200 - для февраля =40320).

По формуле (3) [6] были рассчитаны значения постоянной составляющей в каждом году для каждого месяца из Q:

, (3)

где - значение постоянной составляющей ВН ГМП в j-м году; - значение напряженности в i-й момент измерения; - количество измерений.

Затем было найдено среднее значение постоянного ГМП в каждом месяце для указанных обсерваторий.

Результаты вычислений постоянной составляющей ГМП за год для всего периода Q на четырнадцати обсерваториях и границ доверительных интервалов и (при уровне значимости α = 0,05), а также расчет среднего квадратического отклонения σ приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Постоянная составляющая напряженности ГМП

Обсер-ватория

, нТл

σ

Обсер-ватория

, нТл

σ

AAE

36107

8,8

36086

36128

MBO

32200

5,6

32187

32213

AIA

38898

26,0

38836

38959

PAF

46279

12,0

46251

46307

BNG

33308

5,5

33295

33321

FRD

53057

38,4

52966

53148

CBB

59325

14,2

59291

59359

CMO

56591

6,6

56575

56607

CNB

58119

8,0

58100

58138

ESK

49380

8,1

49361

49399

HAD

48198

8,4

48178

48218

HAR

48270

7,5

48252

48288

LNP

45105

5,4

45092

45118

LER

50477

6,0

50463

50491

Проверка на нормальность закона распределения величины проводилась согласно [4] по критерию ω2.

Затем был получен временной ряд , представляющий собой переменную составляющую ГМП (ПГМП), по формуле 5 [6]:

. (5)

Далее, используя пакет прикладных программ STATISTICA 6.0 и метод сезонной декомпозиции с шириной окна 24 часа для аддитивной модели, были получены временные ряды средних значений для каждого месяца SDV ГМП для всех обсерваторий. Результаты приведены на рисунке 1.

а  б  в  г

д  е  ж  з

и  к  л  м

н  о

Рисунок 1 – Солнечно-суточные вариации ВН ГМП для обсерваторий (а - AAE, б - BNG, в - MBO, г - CBB, д - CNB, е - CMO, ж - AIA, з - HAD, и - PAF, к - FRD, л - ESK, м - HAR, н - LNP, о - LER)

Из рисунка видно, что амплитуда и форма SDV вектора напряженности ГМП зависят от географических координат.

Экспериментально определены максимальные и минимальные значения напряженности для SDV ВН ГМП, и выявлены соответствующие им временные значения и и сдвиг фаз δ . Получены типы SDV для всех обсерваторий с учетом географической широты. Результаты приведены в таблице 2.

В столбце 9 таблицы 2 приведены значения сдвига фаз SDV, рассчитанные как разность максимальных по абсолютной величине значений пиков основной гармоники. В столбце 10 таблицы 2 приведен схематически график SDV – по оси абсцисс отложено время 24 часа, по оси ординат – напряженность, нТл.

Таблица 2 - Солнечно-суточные вариации ВН ГМП

№ п/п

Об-серва-тория

Широта,

φ°

Долгота,

λ°

, мин

, мин

, нТл

, нТл

Сдвиг фаз δ, °

График SDV

1

2

3

4

5

6

7

8

9

11

1

AAE

1,2

110,7

509

1077

57,4

-21,1

0

2

BNG

-2,3

90,4

601

1216

37,9

-17,0

-20,3

3

MBO

3

58

705

1316

30,2

-11,5

-52,7

4

LNP

18,4

193,2

1312

629

5,1

-7,1

82,5

5

CNB

-45,4

226,9

402

106

3,6

-8,9

116,2

6

HAD

47,5

74,7

1133

728

11,5

-20,2

-36

7

FRD

48,9

358

1309

963

9,5

-18,7

247,3

8

AIA

50,4

9,4

1384

955

12,3

-21,6

-101,3

9

HAR

51

355,5

1140

780

10,7

-18,5

244,8

10

ESK

55,3

356,8

1140

720

14,0

-15,1

246,1

11

PAF

-58,6

122,3

955

55

15,5

-16,0

11,6

12

LER

60,1

358,8

1080

120

27,9

-20,3

248,1

13

CMO

65,1

264,8

235

1002

29,5

-32,2

154,1

14

CBB

77

310,1

903

1362

61,0

-74,8

199,4

Полученные SDV корректировались по сдвигу фаз и к полученным временным рядам применялась процедура факторного анализа, по результатам которой была проведена классификация SDV в зависимости от широты точки наблюдения. Результаты факторного анализа приведены на рисунке 2.

Рисунок 2 – Факторный анализ временных рядов SDV для 14 обсерваторий

В зависимости от широты SDV были разделены на три группы: 1) околополюсные, 2) околоэкваторные и 3) среднеширотные.

Таким образом вычислены значения вектора напряженности геомагнитного поля на четырнадцати непрерывно функционирующих обсерваториях. Из временного ряда значений ВН ГМП каждой обсерватории исключена постоянная составляющая для каждого месяца за период Q гг. Получен временной ряд, представляющий собой переменную составляющую ГМП. С применением метода сезонной декомпозиции получены временные ряды средних значений для каждого месяца солнечно-суточной составляющей ВН ГМП для всех обсерваторий. Рассчитаны сдвиги фаз солнечно-суточных вариаций. С применением факторного анализа получена классификация SDV в зависимости от географической широты обсерватории наблюдения.

Математическая модель вектора напряженности геомагнитного поля, учитывающая влияние географических координат точки наблюдения, позволит оптимизировать портативные устройства индикации и прогнозирования геомагнитных возмущений.

Результаты работы получены при поддержке Минобрнауки РФ в рамках государственного задания на проведение НИОКР, шифр заявки № 8.2935.2011

Рецензенты:

Кириевский Е.В. д.т.н., профессор кафедры «Информационные и измерительные системы и технологии» ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)», г. Новочеркасск.

Гречихин В.В. д.т.н., доцент кафедры «Информационные и измерительные системы и технологии», ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)», г. Новочеркасск.


Библиографическая ссылка

Маркарян Н.Р., Алексанян Г.К., Кревченко Ю.Р. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ВЕКТОРА НАПРЯЖЕННОСТИ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ОТ ГЕОГРАФИЧЕСКИХ КООРДИНАТ ТОЧКИ НАБЛЮДЕНИЯ // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 3. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=9410 (дата обращения: 23.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074