Динамика проявлений солнечной активности и солнечного излучения в межпланетной среде и некоторых областях земной техносферы тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

Министерство путей сообщения Российской Федерации Иркутский институт инженеров железнодорожного транспорта

На правах рукописи

ЛЯХОВ Николай Николаевич

1ИНАМИКА ПРОЯВЛЕНИЙ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ И СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В МЕЖПЛАНЕТНОЙ СРЕДЕ И НЕКОТОРЫХ ОБЛАСТЯХ ЗЕМНОЙ ТЕХНОСФЕРЫ

Специальность 01.03.03 - гелиофизика и физика

солнечной системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ИРКУТСК- 199 6

Работа выполнена в Иркутском институте инженеров железнодорожного транспорта.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук

Касинский В.В.

Официальные оппоненты:

- доктор физ.-мат. наук, зав. лабораторией солнечной активности ИСЗФ СО РАН

- кандидат технических наук, доцент

Ведущее учреждение - Научно-исследовательский при Санкт-Петербургском университете

Защита состоится " "_ 1996 г. в часов на заседании диссертационного совета Д.003.24.01 Института солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской Академии Наук по адресу: 664033 Иркутск ул. Лермонтова 126

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института солнечно-земной физики.

Автореферат разослан " "_ 199 6 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Галкин А.И.

Куклин Г.В. Шаманов В.И.

институт физик государственно

Общая характеристика работы

Предметом кандидатской диссертации является исследование изменчивости Солнца как источника электромагнитного и корпускулярного излучений в сопоставлении с параметрами межпланетной плазмы, оптическими свойствами земной атмосферы и неблагоприятными воздействиями на человека и некоторые области его технической деятельности (на примере железнодорожного транспорта); разработка методики и количественное сопоставление солнечной активности, выраженной через новый, эволюционный индекс кальциевых флоккулов, с параметрами солнечного ветра (СВ) и межпланетного магнитного поля (ММП); исследование связи гелиогеофизических факторов с аварийностью и травматизмом на железнодорожном транспорте; предложение технических решений, ограничивающих воздействие солнечного инфракрасного излучения на приборы железнодорожной автоматики.

Актуальность проблемы

Влияние Солнца, его излучения и активных процессов в солнечной атмосфере на Землю и пространство ее окружающее, в том числе на среду обитания человека, является весьма актуальной задачей, как с точки зрения предсказания результатов этого влияния (прикладной аспект), так и конкретных физических механизмов, ответственных за передачу этого влияния (фундаментальный аспект).

Солнечный ветер (СВ) как одно из звеньев в цепи солнечно-земных связей отличается устойчивостью потоков в пространстве и времени, выражением чего является 27-дневная повторяемость (рекуррентные потоки). Так как на Солнце происходят постоянные эволюционные (медленные) изменения (рождение и умирание пятен, флоккулов), встает вопрос: как эти изменения связаны с солнечным ветром. Несмотря на относительную изученность этой проблемы существуют противоречивые точки зрения. Первая попытка Снайдера и Нейгебауер сопоставить вариации потока плазмы солнечного ветра с флоккулами дала отрицательный результат. В то же время, согласно Э. Мустелю источником плазменных "струй" являются именно кальциевые флоккулы - "гипотеза активных областей". Согласно более детальным исследованиям, проведенным Коваленко, скорость плазмы СВ V, как и плотность 1М, понижены над биполярными группами пятен. Существенное расхождение выводов по связи солнечной активности с солнечным ветром обусловлено, на наш взгляд, неполным учетом эволюционной составляющей активности Солнца как в кратковременном , меньше 27 суток, так и в более долговременном аспекте ( от оборота к обороту). При последовательном учете эволюционного и динамического фактора, с применением новых методов обработки солнечных данных, предложенных автором, в рамках модели СВ Е.Паркера удается выяснить роль активных областей в формировании особенностей СВ и ММП.

Анализ уровня солнечной активности в пространстве и во времени с применением метода диаграмм долгота-время к индексам солнечной активности и параметрам СВ и ММП сохраняет свою актуальность при построении моделей взаимодействия СВ и явлений в сол-

нечной атмосфере с учетом пространственной (распределение солнечной активности по долготе ) и временной составляющей.

Другими звеньями,трансформирующими воздействие Солнца на земные процессы, являются магнитосфера и атмосфера Земли. Здесь формируется группа гелиогеофизических факторов - физических агентов, которые существенно зависят от уровня солнечной активности. Вопрос о воздействии этих факторов на физические системы и человека как участника технологического процесса активно обсуждается в настоящее время, по еще далек от своего разрешения. Исследование связи гелиогеофизических факторов с аварийностью и травматизмом в частности на железнодорожном транспорте является актуальной прикладной задачей. С одной стороны прогноз неблагоприятного воздействия солнечно-геофизических факторов может быть использован непосредственно при планировании работы служб охраны труда и безопасности движения, с другой - связь природных (солнечных) и техногенных процессов дает основу для прогноза периодов повышенной опасности для других сложных технических систем.

Более детальный анализ причин сбоев в работе некоторых систем железнодорожной автоматики выявляет большую группу случаев, в которых основной причиной является неблагоприятное воздействие инфракрасной составляющей спектра солнечного излучения. Исследование возможности ограничения этого воздействия без существенного снижения уровня контролируемого сигнала и предложение соответствующих технических решений - актуальная и неотложная задача.

Цель работы состоит в исследовании пространственной и динамической составляющей проявлений солнечной активности, выражаемой через различные индексы, в межпланетной среде и солнечно-земных связях;' влияния солнечнообусловленных геофизических факторов и солнечного (инфракрасного) излучения на аварийность и травматизм на железнодорожном транспорте; роли динамики солнечного излучения вследствие изменчивости оптических свойств земной атмосферы в ограничении неблагоприятного воздействия солнечного излучения на некоторые системы железнодорожной автоматики. В соответствии с этой целью решались следующие конкретные задачи:

1) Количественное выражение эволюционных изменений солнечной активности (СА), поиск индексов СА, физически наиболее связанных с параметрами СВ и ММП, исследование поведения этих индексов в цикле СА;

2) Разработка методики сопоставления солнечной активности с параметрами межпланетной плазмы и установление с ее помощью влияния на СВ и ММП долговременной (от оборота к обороту Солнца) и кратковременной (менее 27 сут) предыстории развития активных областей;

3) исследование 13-14-суточной периодичности в солнечно-межпланетных связях;

4) исследование воздействия гелиогеофизических факторов на безопасность движения на железнодорожном транспорте;

5) выявление возможности и разработка способов ограничения неблагоприятного воздействия солнечного излучения на устройства автоматического дистанционного контроля подвижного состава же-

лезных дорог (ПОНАБ).

Научная новизна работы определяется следующими положениями:

- Предложена методика учета эволюции солнечной активности при сопоставлении с параметрами СВ и ММП с помощью долготно-вре-менных диаграмм и впервые введенного эволюционного индекса активности кальциевых флоккулов, учитывающего яркость, площадь и факт рождения или возраст флоккула (динамический фактор эволюции) .

- Впервые обнаружены проявления активности кальциевых флоккулов в параметрах СВ и ММП: 13-14-суточная модуляция скорости и плотности СВ; связь северо-южной асимметрии флоккулов с секторной структурой и кратковременными возмущениями некоторых компонент ММП.

- Впервые использована методика измерения сигнала магнитного поля в интегральном световом пучке для исследования поведения магнитного поля активной области или комплекса активных областей и обнаружены кратковременные изменения сигнала магнитного поля от АО в целом с характерным временем около 2 часов.

- С использованием методов корреляционного периодограммана-лиза по спектрам мощности Са11-индекса обнаружено периодическое изменение периода рекуррентности кальциевых флоккулов с характерным временем один год.

- Исследованы способы защиты болометров ПОНАБ от помехооб-разующего солнечного излучения и впервые показано, что наиболее универсальным способом являются специальные инфракрасные фильтры, сформулированы требования к таким фильтрам, учитывающие динамику оптических свойств земной атмосферы; создана теоретическая основа для анализа эффективности ИК-фильтров.

- Исследована на математической модели эффективность ИК-фильтров различных модификаций в сочетании с другими элементами оптической схемы (объектив,защитные пленки) в зависимости от динамики оптических свойств земной атмосферы. Доказана более высокая эффективность фильтров, впервые изготовленных по рекомендациям автора данной работы.

- Исследовано влияние гелиогеофизических факторов на аварийность и травматизм на железнодорожном транспорте в 1986-1993 гг. Впервые отмечено принципиальное отличие в ритмике аварий по собственно техническим причинам и аварийности, обусловленной человеческим фактором (ошибками персонала), показано проявление 27-дневной рекуррентности в аварийности; обнаружено, что наибольший уровень аварийности наблюдается в эпохи роста и спада цикла солнечной активности.

Научная и практическая ценность работы определяется тем, что её результаты носят как фундаментальный, так и прикладной характер. Они могут быть использованы для разработки в дальнейшем прогнозов состояний межпланетной среды с учетом эволюции активных областей (магнитных полей) с одной стороны. С другой стороны, ряд прикладных результатов используется на Восточно-Сибирской железной дороге. При проектировании и эксплуатации уст-

ройств дистанционного контроля технического состояния подвижного состава учтены рекомендации по применению солнцезащитных ИК-фильтров. Прогноз неблагоприятного воздействия солнечно-геофизических факторов использован при планировании работы службы Главного ревизора по безопасности движения. Подготовлена база для создания системы оперативного оповещения подразделений ВСЖД о неблагоприятных по гелиогеофизическим показателям периодах.

Достоверность и обоснованность, полученных в работе результатов определяется приведением оценок точности полученных результатов, привлечением больших массивов данных , повторяемостью периодов в ММП и межпланетной плазме, полученных с привлечением различных методик ( коррелопериодограмманализа, спектрального и кросс-корреляционного анализа), привлечением данных мировой сети и спутниковых измерений параметров межпланетной плазмы, что исключает селекцию материала и элемент случайности данных. Кроме того, ряд результатов, опубликованных в работах автора, получили свое подтверждение и развитие в работах других авторов.

Автор выносит на Защиту:

1. Метод двумерных долготно-временных диаграмм и новый индекс кальциевых флоккулов, учитывающий три фактора: площадь, яркость и возраст флоккула. Их использование позволяет более полно учитывать эволюционно-динамическое воздействие солнечной активности на солнечный ветер (плотность, поток плотности) и ММП; обнаружить регулярную модуляцию плотности и потока плотности СВ с периодом 13-14 суток источниками на Солнце на уровне флоккулов, связанных с антиподальними активными долготами.

2. Результаты исследования проявлений солнечной и геомагнитной активности 'в аварийности и травматизме на Восточно-Сибирской железной дороге и доказательство возможности прогнозирования периодов повышенной опасности.

3. Результаты исследования способов защиты болометров автоматизированной системы контроля буксовых узлов в поездах от по-мехообразующего солнечного (инфракрасного) излучения и доказательство возможности уменьшения этого воздействия при помощи специального ИК-фильтра с учетом динамики оптических свойств земной атмосферы.

Апробация работы. Основные результаты работы прошли публичную апробацию в виде статей, опубликованных в научной и научно-технической литературе, докладов на совещаниях, конференциях и семинарах, в том числе в виде докладов (тезисов докладов) на:

1. Симпозиуме по физике геомагнитосферы (Иркутск, июнь 1977

2. Конференциях молодых ученых СибИЗМИРа (апрель 1977 и апрель 197 9 гг)

3. Всесоюзной конференции "Прогнозирование, состояния магнитосферы" (Иркутск, 14-16 октября 1980 г.)

4. На Пленуме секции "Солнце" Астрономического Совета АН СССР (Киев, 17-21 апреля 1984 г.)

5. V Симпозиуме КАПГ (Самарканд, октябрь 1989)

6. III Международной конференции "Циклы природы и общества" (Ставрополь, октябрь 1995)

7. Всесоюзной научно-технической конференции "Транссиб-91" (Новосибирск, май 1991)

8. На научно-технических конференциях Иркутского института инженеров железнодорожного транспорта

9. На семинарах СибИЗМИР и ИЗМИРАН

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем составляет 140 страниц: 122 страница основного текста с 40 рисунками и 18 страниц списка литературы из 230 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы изучения проявлений солнечной активности в параметрах СВ , ММП и солнечно-земных связях. Указывается на пробелы, имеющиеся в анализе влияния эволюционных факторов СА на параметры межпланетной среды, на недостаточность надежных методик детального учета эволюционных факторов. Отмечается актуальность и дискуссионность общего состояния проблемы влияния солнечной активности и солнечного излучения на параметры СВ и земную техносферу. Формулируются цель и конкретные задачи исследования, излагаются положения, выносимые на защиту, и отмечается то новое, что внесено автором в решение проблемы.

3 главе 1 рассмотрены явления активности на разных уровнях солнечной атмосферы и их роль в формировании некоторых особенностей СВ и ММП: несжатых увеличений плотности, высокоскоростных потоков СВ, секторных границ и возмущений северо-южной компоненты ММП. Поскольку перенос массы и магнитных полей осуществляется посредством солнечного ветра, то и встает.основной вопрос: как сказываются солнечные граничные условия (пятна, флоккулы) на- параметрах СВ у Земли и в солнечно-земных связях. Необходимость адекватного учета постоянно меняющихся в процессе эволюции граничных условий на Солнце ставит задачу разработки соответствующего метода или модели. Дается краткий обзор существующих моделей взаимодействия АО и комплексов активности с СВ. Высказывается идея о необходимости рассмотрения картины взаимодействия активных образований на Солнце и межпланетной плазмы в динамике, т.е. с учетом всей предыстории развития АО, а не только и не столько ее абсолютного уровня.

Рассматриваются методические вопросы. Обсуждается влияние динамических явлений (исчезновение волокон, рождение активных областей, импульсный характер их эволюции) на вынос массы и магнитного поля в межпланетное пространство. Обосновывается выбор кальциевых флоккулов как индикатора СА, отражающего распределение слабого магнитного поля и в известной степени характеризующего уровень магнитной активности Солнца. Кратко рассматриваются методы сопоставления фоновых магнитных полей на Солнце со структурой ММП, а также методы прямых измерений среднего солнечного магнитного поля. Автором реализована собственная методика.и схема солнечной установки для одновременной регистрации сигнала магнитного поля в интегральном световом пучке и фотосферного

патруля. С использованием этой методики обнаружены кратковременные изменения сигнала магнитного поля с характерным временем около двух часов, носящие импульсный характер. Последние могут играть определенную роль в модуляции параметров СВ.

Лредложен и обоснован новый метод двумерных долготно-вре-менных диаграмм солнечных индексов, позволяющий изучать одновременно пространственные и временные характеристики эволюции СА и сопоставлять их с параметрами СВ. В отличие от одномерных диаг рамм или синоптических карт,которые позволяют отслеживать только изменения "от оборота к обороту" предложенный метод имеет суточное разрешение в сравнительно узких интервалах гелиодолгот, что дает возможность адекватно учесть фактор эволюции солнечных образований в параметрах плазмы и ММП.

Обосновывается введение модифицированного (эволюционного) флоккульного индекса, учитывающего не только площадь и яркость флоккула, но и его возраст к моменту наблюдения через так называемый эволюционный коэффициент. Экспоненциальная зависимость коэффициента от времени позволяет отделить вклад и усилить влияние молодых флоккулов по сравнению со старыми в суммарном индексе .

Солнечный ветер хотя и содержит очень малую долю энергии, излучаемой Солнцем, играет важную роль в передаче к Земле возмущений, обусловленных явлениями солнечной активности. Геомагнитное поле и атмосфера эффективно изолируют биосферу от .космической среды, и поверхности Земли достигают лишь компоненты солнечного излучения малой интенсивности. Несмотря на зто, многие эффекты солнечной активности обнаруживаются на Земле, и обнаруживаются именно потому, что в самом экране, т.е. в магнитосфере и атмосфере, протекает сложный комплекс явлений, тесно связанный с явлениями на Солнце. Именно в этих слоях происходит преобразование эффектов солнечной активности в ее земные проявления. Наиболее важным фактором внешней среды является естественное электромагнитное поле Земли, проявляющее себя в различных явлениях в широком диапазоне частот: от спокойных короткопериодических колебаний (КПК) до периодов возмущений, т.е. магнитных бурь, когда происходит глобальное возмущение КПК, длящееся много часов подряд на всем земном шаре.

Высокая насыщенность земной техносферы чувствительными электронными и электронно-оптическими системами автоматики, открытыми для воздействий солнечнообусловленных геофизических факторов, делает проблему предсказания этого воздействия актуальной прикладной задачей. Тем более это актуально для протяженных транспортных систем, где современная автоматика сочетается с высокой профессиональной подготовкой человека: машинист, диспетчер, оператор, космическое воздействие на которых не исключается. Рассматриваются общие принципы решения задачи о воздействии гелиогеофизических факторов на человека и сферу его технической деятельности. Дается описание используемых данных по аварийности и травматизму на ВСЖД. Обосновывается методический принцип -раздельное рассмотрение аварий, связанных с механическими поломками и случаев, явно связанных с ошибками персонала.

Формулируется общая методика возможного ограничения кебла-

гоприятного воздействия прямого солнечного ИК-излучения на электроннооптические приборы с учетом динамики оптических свойств земной атмосферы в ИК-диапазоне.

В главе 2 приведены количественные оценки и обсуждаются результаты сопоставления уровня солнечной активности с параметрами СВ и ММП по методике, изложенной в первой главе. Так для эпохи максимума CA (1968 г.) сопоставление проводилось на основе данных о СВ по трем независимым источникам: ЙСЗ "Explorer-35" и межпланетным станциям "Pioneer-6", "Pioneer-7", значительно разнесенных по гелиодолготе. ИСЗ "Explorer-35" обеспечивал данные в области центрального меридиана, a "Pioncer-6" и "Pioneer-7" около 100° к западу и около 40° к востоку от центрального меридиана соответственно. Показано, что в "статическом" приближении, хотя и имеется некоторая тенденция к понижению скорости СВ с увеличением степени развитости АО, тем не менее, общая картина остается достаточно сложной.

Картина значительно упорядочивается, если перейти от сравнения "скорость СВ - уровень АО" (статика) к сравнению "изменение скорости С.В - изменение уровня АО", то есть учесть динамику и предысторию развития АО. Коэффициент ассоциативной связи оказывается достаточно высоким (R = 0,64 ±0,11), чтобы говорить об уверенной положительной связи между названными характеристиками.

Для дальнейшего исследования роли динамики CA в качестве показателя активности были взяты кальциевые флоккулы. В качестве характеристики CA на данной широте и гелиодолготе были выбраны площадь и яркость флоккулов из Solar Geophysical Data. Как известно, кальциевые флоккулы отражают распределение слабого магнитного поля напряженностью 10-50 Гс, то есть кальциевые индексы в известной степени характеризуют уровень магнитной активности. Солнца. В качестве характеристик СВ использовались ряды среднесуточных значений скорости V и плотности И по данным ИСЗ "Explorer-35" за 1968 год. Путем перемножения N и V получались ряды потока (NV) и плотности энергии (NV2) СВ.

Для исследования эволюции флоккулов в каждом долготном интервале был подсчитан ежедневный флоккульный индекс по формуле:

Ф =YS IK (i) .

где п - номер долготного интервала, 1 - номер флоккула в данном интервале, Б - площадь в миллионных долях полусферы, I -интенсивность центра яркости, К - коэффициент, принимающий значения: 1 - для старого флоккула, эволюционирующего на диске; 10 - для-флоккула, зародившегося на солнечном диске (в день его появления) . Задавая различные значения К, мы преследовали цель отразить неодинаковую роль новых и старых флоккулов. На долгот-но-временной диаграмме прослеживалось изменение флоккульного индекса до и после прохождения центрального меридиана. Время запаздывания рассчитывалось с учетом увеличения скорости СВ с гелиоцентрическим расстоянием по модели Паркера.

Из сопоставления "высокого" и "низкого" уровней параметров СВ со спокойным ( ДФ /Ф « 0) или "активным" (ДФ/Ф> 0) уровнем динамики индекса флоккулов следует, что активность коррелирует с плотностью и потоком плотности СВ, в то время как скорость показывает отрицательную корреляцию, а связь с плотностью энергии отсутствует вовсе. Интерпретируя этот результат в рамках физической картины, можно предположить, что рождение нового флоккула (вынос нового магнитного потока), равно как и увеличение площади и (или) яркости старых флоккулов, приводит к увеличению плотности и потока плотности СВ на тех же гелиографических долготах. При этом соответствующая скорость СВ понижается..

Задавая значения эволюционного коэффициента К в формуле (1) в виде экспоненциальной зависимости от возраста флоккула [ К = = ехр(-аЪ), где а=1/27=0,04] мы получили возможность более плавно отделить вклад молодых флоккулов от старых.. С помощью построенного таким образом эволюционного флоккульного индекса удалось исследовать северо-южную асимметрию активности флоккулов и установить тесную ее связь с секторной структурой и кратковременными возмущениями ММП. Индексы вычислялись отдельно в северном и южном полушариях для периода 1967-1968 гг. Исследования проводились на долготно-временной диаграмме вычисленных индексов, которая сопоставлялась с параметрами ММП. Знак асимметрии, определяемой как Дф = фм -Ф5 , сопоставлялся с данными по ММП, приведенными к Солнцу. Показано, что преобладание Фм над Фх связано с отрицательным знаком ММП и наоборот (коэффициент ранговой корреляции 0,83). В результате проведенного рассмотрения можно заключить, , что северо-южная асимметрия активности кальциевых флоккулов, и, в первую очередь, рождение новых в определенных интервалов гелиодолгот, вероятно, очень тесно связана с формированием ММП. Устойчивое преобладание флоккульной активности одного полушария Солнца ( по площади, яркости, рождению новых флоккулов) над другим сопровождается устойчивым знаком ММП. Если же такое преобладание активности - неустойчиво (происходит смена знака асимметрии индекса в узких долготных интервалах). то такое состояние в большинстве случаев связано со значительными возмущениями X и Ъ - компонентов ММП.

Установив качественный характер влияния индекса флоккулов на параметры СВ, мы провели количественное исследование корреляции соответствующих величин. Сглаженные функции флоккульного индекса попарно сопоставлены со сглаженными рядами параметров солнечного ветра и построены соответствующие кросс-корреляционные функции (ККФ).

Анализ графиков коэффициентов корреляции индекса Ф и скорости СВ V показывает отсутствие статистически значимой связи при времени запаздывания меньше 42 сут ( около двух оборотов Солнца). Наоборот, корреляция Ф и плотности N имеет отчетливый статистически значимый максимум при сдвиге 3 и 15 суток. Наблюдается также четкая повторяемость максимумов коэффициента корреляции Ф с N с периодом около 14 суток. • Аналогичные особенности просматриваются и в отношении корреляции потока Ж? и Ф-индекса. Для индекса, полученного суммированием по всем долготным интер-

валам, видимым на диске в данный день, корреляция с параметрами СВ остается малозначимой при временных сдвигах до 60 суток. Полученные результаты подтверждают важность рассмотрения эволюции флоккулов в сравнительно узком долготном интервале. Автокорреляционный анализ сглаженных временных рядов скорости и плотности показывает, что плотность солнечного ветра имеет ярко'выраженный период повторяемости 14 суток. Автокорреляционная функция скорости солнечного ветра изменяется с таким же периодом, но максимумы её сдвинуты на 1 сутки.

Периодическая повторяемость ККФ и АКФ свидетельствует о существовании устойчивых образований на поверхности Солнца (возможно, существенно разной мощности) , разнесенных примерно на

180° по долготе (антиподальных) и оказывающих модулирующее воздействие на параметры солнечного ветра. Антиподальность так называемых активных долгот хорошо прослеживается по крайней мере в семи циклах солнечной активности. Эти образования, по-видимому, обеспечивают формирование устойчивых структур в ММП и СВ. Вращение антиподальных активных структур на Солнце (флоккулов) будет приводить к модуляции параметров СВ на орбите Земли с периодом 13-14 суток. Наиболее сильно,как показано нами, такая модуляция сказывается на плотности.

Скопление пятен и флоккулов в активных долготах (АД), а, следовательно, и образование закрытых магнитных конфигураций при условии вмороженности магнитного поля, будет приводить к повышенной плотности плазмы в области АД. Таким конфигурациям соответствует пониженные скорости солнечного ветра. Проводя количественную оценку явлений в замкнутых магнитных конфигурациях над активными долготами, мы показали, что изменения условий гидростатического равновесия при выходе нового магнитного потока в основании конфигурации приводит к дополнительному выносу плазмы с СВ. Иначе говоря, увеличение плотности СВ может достигаться за счет выноса магнитного поля активной области. Также показано, что повышения плотности плазмы СВ над флоккулами и АД обнаруживают определенную связь с границами секторов или кратковременными изменениями знака ММП, а динамика флоккулов будет прежде всего сказываться в плотности СВ в области долгот, где концентрация флоккулов повышена. Сделан вывод, что наиболее вероятными источниками низкоскоростного СВ с повышенной плотностью являются АО и АД, среди которых выделяются антиподальные АД. Антиподальные АД таким образом тесно связаны с СВ и ММП, что составляет сущность 13-14-суточной периодичности в солнечно-земных связях.

В связи с этим возникает и вопрос о наиболее выраженных рекуррентных периодах вращения магнитного поля, различных индексов солнечной активности, периодах повторяемости некоторых явлений в солнечно-земных связях и когерентности колебаний индексов солнечной активности и параметров межпланетной плазмы. Наиболее твердо установлена только рекуррентность с характерным временем около 27 дней. Нами также обнаружена 14-суточная повторяемость. В работах Степанян; Обридко и Куклина; Григорьева и Пещерова было также замечено, что период повторяемости около 27 дней фоновых магнитных полей, магнитного поля Солнца как звезды, сектор-

/

ной структуры МИП не остаётся постоянным в цикле солнечной активности. 27-дневная периодичность испытывает расщепление как минимум на две моды - около 27 и 30 суток во вращении фоновых магнитных полей и среднего магнитного поля .

В качестве исходного материала был взят временной ряд ежедневных значений Са11-индекса с 1967 по 1973 гг. по каталогу МЦД-Б2. Обработка производилась методом корреляционного периодограмма нализа (КГ1ГА) для реализаций длительностью в полгода и год с пробными периодами от 5 до 120 сут с шагом в 1 сутки. При рассмотрении результатов обращает на себя внимание следующий факт. Если для реализаций продолжительностью по полгода на кор-релопериодограммах в районе 27 сут имеется только один пик 27-28 сут - в первом полугодии, и 29-30 сут - во втором, то для всего года четко видно расщепление на два пика, хотя и разной значимости, 27 - 30 суток. При анализе периодограмм по полугодовым реализациям можно также отметить, что изменение пробного периода, соответствующего наибольшей корреляции, носит характер колебаний около среднего. Особенно заметно это на примере 1972-1973 гг.Прослеживая как изменялся этот основной период (пики на периодограммах) в рассматриваемые эпохи максимума и спада солнечной активности, мы отметили, что для первых полугодий 1967-1973 гг. зависимость период - время показывает более или менее плавный ход с минимальным значением 25 суток в 197 0 г. Это соответствует наибольшей скорости вращения структур Call -флоккулов. Для вторых же полугодий изменения неоднозначны и нерегулярны. При этом следует заметить, что зависимость "период - время" для первых полугодий качественно совпадает с аналогичной зависимостью периода вращения секторной структуры ММП, полученной Обридко и Куклиным, что подтверждает важную роль флоккульных индексов для ретроспективного анализа солнечно-межпланетных связей .

В главе 3 рассмотрены некоторые прикладные вопросы проявления воздействия солнечных и геофизических факторов на человека и сферу его технической деятельности. Исследуются вопросы безопасности движения на Восточно-Сибирской железной дороге (ВСЖД) -аварийность и травматизм за 198 6-1993 гг, а также сбои в работе систем автоматизированного контроля буксовых узлов в поездах (ПОНАБ).

Средняя аварийность за каждый год, приведенная к единице грузооборота, сравнивалась с солнечным фактором (среднегодовым значением абсолютных dW/dt и относительных dW/Wdt флуктуации месячных значений числа Вольфа). Обнаружено, что наибольший уровень аварийности наблюдается на фазах роста и спада цикла СА и хорошо коррелирует с быстротой относительных изменений числа Вольфа. Из проведенного рассмотрения поведения временных рядов аварийности в цикле солнечной активности следует вывод о более сильных проявлениях в техносфере именно динамических (флуктуаци-онных) характеристик солнечной активности по сравнению с абсолютным ее уровнем, что важно при долго- и среднесрочном прогнозе неблагоприятных периодов.

Проведена оценка влияния 27-дневного фактора на данные по

аварийности на ВСЖД. Для этого ежесуточная аварийность пересчи-тывалась в систему солнечного 27-суточного календаря и далее суммировалась за весь период по методу "наложенных эпох". В результате получалась 27-суточная волна, соответствующая одному обороту Солнца. Особенно отчетливо 27-дневная вариация выражена на бартельсовском календаре ряда МЕСН, на котором выявлены "активные долготы" в виде повышений аварийности над фоном на 7-8, 12-13, 19-20 и 24-26 дни. Проявляется у этих "долгот" и антипо-дальность, отражающая 13-суточную периодичность в техносфере (7-8 и 19-20; 12-13 и 24-26 дни) . Проведенный анализ свидетельствует о проявлении факторов солнечного происхождения в аварийности и травматизме на ВСЖД. Причем эти проявления существенно различны в аварийности по механическим причинам и аварийности, обусловленной ошибками персонала, что в свою очередь диктует различный подход к ним при прогнозировании неблагоприятных периодов.

Для исследования геофизической обусловленности аварийности был проведен корреляционный анализ временного ряда VSGD и геомагнитной возмущённое™ N- полушария аа(N) за 1986-92 гг. Преобразованные временные ряды аварийности VSGD и геомагнитной возму-щенности N-полушария aa(N) подобны в своей динамике с коэффициентом корреляции 0,55. При этом геомагнитная активность опережает аварийность примерно на один солнечный оборот. Квазипериодический характер кросс-корреляционной функции указывает на присутствие в сопоставляемых рядах периодических компонент, для определения которых используются методы спектрального анализа. Показано, что исследуемые процессы имеют сходный спектральный состав. Проведенный спектральный и корреляционный анализ позволяет сделать следующие выводы: во-первых, аварийность контролируется как геомагнитными факторами так и солнечными, во-вторых, названные ряды могут быть представлены конечным числом периодических компонент и,следовательно, являются принципиально прогнозируемыми .

Общий временной ряд аварийности (VSGD) представлен как сумма двух рядов - аварийность, связанная с механическими причинами (МЕСН) и аварийность, обусловленная ошибками персонала, т.е. человеческим фактором (MAN). Спектры этих рядов оказываются более простыми по составу и существенно различными между собой. В результате применения метода наложенных эпох показано, что случаи летального травматизма как особо тяжелой формы травматизма происходят на переломе хода индекса геомагнитной возмущенности Ар от понижения к повышению и наоборот и обнаруживают отчетливую 27-дневную рекуррентность и, следовательно, с большой вероятностью имеют солнечную обусловленность.

Рассмотрены возможности использованной Клочеком Н. ¡ИСЗФ СО РАН) прогностической модели на основе Фурье-синтеза выделенных периодических компонент для прогноза периодов повышенной опасности для сложных технических систем и в частности для служб ВСЖД. Показано ее удовлетворительное согласие с реальным процессом в 1993 году, для которого сделан прогноз на основе этой модели. Но перспективная задача должна состоять в переходе к прогнозированию периодов повышенной опасности на основе корреляции с солнечной и геомагнитной активностью.

При анализе случаев сбоев в системах ПОНАБ выявлено большое число весьма специфических случаев (ложных срабатываний), причиной которых является чрезвычайно большая мощность регистр'ирумого солнечного излучения в ИК-диапазоне по сравнению с излучением контролируемого объекта. Проведенный сравнительный анализ возмож ных способов защиты болометров ПОНАБ от помехообразующего солнечного излучения (выбор подходящего участка пути с учетом движения- Солнца по небесной сфере; применение специальных теневых щитов) показывает, что их реализация не всегда возможна.

На основе количественного сравнения излучения контролирумо-го нагретого тела (корпуса вагонной буксы) с солнечным ИК-излу-чением показано, что применение отрезающего ИК-фильтра с коротковолновой границей отрезания с учетом оптических свойств земной атмосферы позволяет уменьшить величину сигнала помехи до величины полезного сигнала и меньше. Сформулированы требования к таким фильтрам и приведены оптические характеристики фильтра, изготовленного по инициативе автора в соответствии с этими требованиями способом вакуумного напыления составных интерференционных систем на подложке монокристаллического германия.

Исследована динамика регистрируемого солнечного ИК-излуче-ния в зависимости от содержания водяного пара, озона и углекислого газа в земной атмосфере. Проведено сравнение на математической модели эффективности фильтров различных модификаций, в том числе фильтров, изготовленных по рекомендациям автора. Обнаружено, что эффективность солнцезащитных фильтров всех модификаций существенно зависит от динамики оптических свойств атмосферы, обусловленной, в первую очередь, изменением содержания озона и водяного пара в атмосфере. Показано, что фильтры, предложенные автором, показывают меньшую зависимость от этой динамики, нежели другие. Разработан ряд практических рекомендаций по использованию фильтров и другим методам защиты от неблагоприятного воздействия солнечного ИК-излучения.

В заключении кратко перечисляются основные результаты диссертационной работы.

1. Предложена методика учета эволюции солнечной активности при помощи долготно-временных диаграмм, позволяющих изучать временные характеристики СА в узких долготных интервалах в сопоставлении с параметрами СВ и ММП. Предложен новый индекс активности кальциевых флоккулов, учитывающий яркость, площадь и факт рождения или возраст флоккула (динамический фактор эволюции).

2. При сопоставлении параметров СВ с динамикой активности флоккулов в 3 0-градусных интервалах гелиодолгот выявлено, что наиболее чувствительными к изменению активности флоккулов является плотность и поток плотности СВ. Обнаружена регулярная с периодом - 13-14 суток модуляция скорости и плотности СВ, свидетельствующая об антиподальности модуляции плотности (потока плотности) СВ на уровне флоккулов.

3. Обнаружена связь северо-южной асимметрии активности кальциевых флоккулов, выраженной через эволюционный флоккульный индекс, с секторной структурой и кратковременными возмущениями ММП в эпоху максимума цикла СА (1967-1968 гг), отражающая процессы формирования ММП.

4. Предложена методика и реализована схема установки для одновременной регистрации сигнала магнитного поля в интегральном световом пучке от активной области или комплекса АО и фотосфер-ного патруля. Обнаружены кратковременные изменения сигнала магнитного поля от АО в целом с характерным временем около 2 часов. Последние могут играть определенную роль в модуляции параметров СВ и ММП.

5. С использованием методов корреляционного периодограмма-нализа по спектрам мощности Са11-индекса обнаружено периодическое изменение периода рекуррентности кальциевых флоккулов с характерным временем один год.

6. Показано, что имеется возможность ограничения регистрируемой болометрами ПОПАБ чрезвычайно высокой мощности солнечного ИК-излучения до уровня мощности излучения контролируемого нагретого тела при помощи специальных ИК-фильтров с учетом оптических свойств земной атмосферы. Сформулированы требования к таким фильтрам.

7. Исследована на математической модели эффективность ИК-фильтров различной модификации в сочетании с другими элементами оптической схемы (объектив,защитные пленки) в зависимости от динамики оптических свойств земной атмосферы. Доказана более высокая эффективность фильтров, изготовленных по рекомендациям автора данной работы.

8. Исследовано влияние гелиогеофизических факторов на аварийность и травматизм на железнодорожном транспорте. Отмечено принципиальное отличие в ритмике собственно технических причин и аварийности, обусловленной человеческим фактором (ошибками персонала) . Проведен анализ соответствующих временных рядов, характеризующих аварийность и уровень геомегнитной возмущенности за 1986-1992 гг. Расчет взаимной корреляции показал, что два процесса между собой связаны и динамически подобны ( коэффициент кросскорреляции 0,55), причем геомагнитная активность опережает аварийность примерно на оборот Солнца (+27 суток). Показана связь природных и техногенных процессов, что дает основу для прогноза в будущем периодов повышенной опасности для сложных технических систем.

9. Обнаружено проявление 11-летнего цикла солнечной активности и 27-дневной рекуррентности в аварийности на железнодорожном транспорте. Наибольший прирост аварийности происходит на ветви роста и спада цикла солнечной активности.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Касинский В.В., Ляхов H.H. Влияние эволюции активных областей на скоростные квазистационарные потоки плазмы от Солнца. //В кн.: Исследования по геомагн., аэрономии и физ. Солнца, М.: Наука, 1974, вып.31. С.51-60.

2. Ляхов H.H. Северо-южная асимметрия активности флоккулов в сопоставлении с секторной структурой ММП. //В кн.Исследования по геомагн., аэрономии и физ. Солнца, М.: Наука, 1979, вып.45. С.19-22.

3. Ляхов H.H. Сопоставление активности флоккулов с некоторыми параметрами межпланетной плазмы.//В кн.:Исследования по reo-

магн., аэрономии и физ. Солнца, М.: Наука, 1979, вьш.45. С.23-29. ^

4. Головко A.A., Ляхов H.H. Временные изменения магнитного поля в активной области по измерениям в интегральном световом пучке.// В кн.: Исследования по геомагн., аэрономии и физ. Солнца, М.: Наука, 1979, вып.45, С.81-86.

5. Ляхов H.H., Касинский В.В. Кальциевые флоккулы и модуляция концентрации потоков солнечного ветра с периодом полоборота Солнца.// В кн.:Исследования по геомагн., аэрономии и физ. Солнца, М.: Наука, 1980, вып.52, С.39-45.

6. Вызов Н.В., Ковальский Ю.А., Ляхов H.H. Исследование эффективности и возможности совершенствования применяемых средств защиты болометров от солнечного излучения // Автоматика, телемеханика и связь, 1992, N 6. С. 22-25.

7. Ляхов H.H. Требования к солнцезащитному ИК-фильтру.//Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца, 1992, вып.95. С.81-91.

8. Касинский В.В., Ляхов H.H. Солнечное излучение, 11-летняя цикличность и проблемы повышения безопасности движения на транспорте.//В сб.: Актуальные проблемы железнодорожного транспорта Восточно-Сибирского региона, Иркутск: Иркутский филиал Сибирского научного центра Академии транспорта России, 1995, вып.1. С.80-89.

9. Кпочек Н.В., Ляхов H.H., Никонова М.В., Паламарчук Л.Э. Неблагоприятное воздействие гелиогеофизических факторов на состояние охраны труда и безопасности движения на ВСЖД и возможность его прогнозирования. Препринт №1-96. Иркутск:ИрИИТ 1996. 18с.

10. Ляхов H.H. О применении солнцезащитных фильтров в системах автоматизированного контроля буксовых узлов в поездах.//В сб Микроэлектронные системы контроля и управления на железнодорожном транспорте. Иркутск: ИрИИТ, 1995. С.102-115.

В работах с Клочеком Н.В., Паламарчук Л.Э.,,Никоновой М.В. автору принадлежит равное участие в постановке задачи, сборе и обработке информации, обсуждении методики решения и полученных результатов; с Касинским В.В. и Головко A.A. - равное участие; с Бызовым Н.В. и Ковальским Ю.А. - равное участие в постановке задачи и обсуждении результатов и определяющее - в выборе методов решения и выполнении расчетов.

Отпечатано в Зак. № /¿¿У Тир. 100 экз

Глазковской типографии г.Иркутска, от 18.03.96. Объем 16 м/п стр.