Неполярные изменения широты по наблюдениям на ФЗТ-2 в Китабе тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.01 ВАК РФ

РГ6 од

О 9 ФЕВ

На правах рукописи

ЛИТВИНБНКО Елена Александровна

УДК 521.93+522.43

НЕПОЛЯРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ШИРОТЫ ПО НАБЛЮДЕНИЯМ НА ФЗТ-2 В КИТАБЕ

Специальность 01.03.01 Астрометрия и небесная механика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург - 1997

Работа выполнена в Главной астрономической обсерватории РАН

Научный руководитель -

кандидат физико-математических наук В.А.Наумов

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Д.Д.Положенцев

кандидат физико-математических наук И.И.Кумкова

Ведущая организация:

Астрономический институт Санкт-Петербургского государственного университета

Защита состоится " ^ " ^993 г_

в Н час. мин. на заседаниии специализированного совета К 002.92.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук в Главной астрономической обсерватории РАН (196140, Санкт-Петербург, Пулково).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГАО РАН. оп п ,

Автореферат разослан " ^^¿уМ 1998 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физ.мат, наук Ю.А.НАГОВИЦЫН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

При организации международной службы широты ставилась задача определения точных координат мгновенного и среднего полюса. В настоящее время координаты полюса оперативно и с очень высокой точностью определяются такими современными методами, как допплеровские наблюдения, лазерная локация спутников и Луны, РСДБ, GPS. Но это не означает, что нужно отказаться от классических наблюдений. Наоборот, они приобретают новую значимость. Действительно, теперь мы можем решать обратную задачу: по точным координатам полюса находить уточненные неполярные изменения широты. Большая их часть определяется долго- и корот-копериодическими колебаниями отвеса и рефракционного зенита, вызываемыми, в свою очередь, различными геофизическими и геологическими явлениями. Таким образом, мы можем перейти к решению задач, находящихся на стыке смежных наук и в принципе не решаемых новыми методами, указанными выше. При этом, по-прежнему, актуальными остаются проблемы изучения причин возникновения z-ченов и причин изменения средней широты.

Целью настоящей работы являются:

1. Исследование влияния формы павильона на результаты наблюдений.

2. Исследование суточных изменений широты.

3. Исследование неполярных изменений широты.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые, благодаря оригинальной конструкции павильона, в значительной мере удалось разделить влияние на результаты наблюдений самого павильона и окружающей местности.

2. Проведено сравнение классического и модифицированного цепного методов.

3. Обнаружены быстрые изменения средних широт, вызываемые влиянием окружающей местности.

4. Обнаружена связь между изменениями широты и землетрясениями.

Научная и практическая значимость результатов работы:

1. Выбрана форма павильона для получения наиболее точных результатов наблюдений на данном инструменте.

2. Уточненные склонения звезд могут быть использованы при любых дальнейших исследованиях.

3. По данным наблюдений можно давать краткосрочный прогноз землетрясений.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследования влияния формы пави-льряа ФЗТ-2 на наблюдения.

2. Результаты анализа неполярных изменений широты ФЗТ и сравнения их с неполярными изменениями широты ЗТЛ-180.

3. Обнаруженная зависимость между аномальными изменениями широты и землетрясениями. . -

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на Всесоюзном совещании "Вращение Земли и геодинамика" (Китаб, 1981), на международном симпозиуме "Геодезия- сейсмология: деформации и прогноз" (Ереван, 1989), на Всесоюзном совещании (Китаб, 1990), на научных семинарах в ГАО РАН. По теме диссертации напечатано 8 научных статей.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель, научная новизна и практическая ценность результатов работы. Приведено краткое содержание всех глав диссертации.

Глава 1 является описательной.Сначала даются условия наблюдений, т.е. описание местности и климата. В частности, из-за специфического расположения Китайской широтной станции в наблюдениях отсутствует такая распространенная ошибка как "эффект ветра".

Затем приводится описание павильона ФЗТ-2. Для уменьшения влияния приземного слоя воздуха объектив инструмента поднят на высоту 11м. Вторая главная особенность павильона заключается в том, что крыша, изготовленная в виде двух полусекторов по 60°, может убираться за боковые стенки верхней части павильона, оставляя большую часть телескопа на открытом воздухе (вариант 1). В то же время можно открывать крышу лишь частично, получая при этом павильон, близкий к стандартной форме павильонов широтных инструментов (вариант 2). Оригинальная конструкция крыши предоставила редкую возможность исследовать влияние фор-

мы павильона на результаты наблюдений.

Далее рассказывается краткая история создания телескопа, его работы в ГАО АН СССР и решение

0 его переносе на Китабскую широтную станцию. ФЗТ, изготовленная на ГОМЗ'е, была практически полностью переделана в Пулкове. После истории создания инструмента дано его описание, а также описание вспомогательной аппаратуры.

В последней части главы приводится программа наблюдений и критические замечания к ней.

В главе 2 проводится уравнивание результатов наблюдений,полученных на ФЗТ, и выводятся новые каталоги.

На первом этапе уравнивания - приведении к центрам групп - попутно решается задача о точности результатов по внутренней сходимости. При вычислении случайной ошибки было обнаружено, что существует сезонная случайная ошибка, вызываемая ветрами и имеющая минимум зимой, а максимум летом. После ее учета выведена зависимость случайной ошибки от яркости звезды. Оптимальной яркостью звезд для ФЗТ оказалась 7.3га. При большей и меньшей яркости ошибка плавно возрастает. Средняя случайная ошибка одной широты по внутренней сходимости для варианта 1 равна 0/'20, для варианта 2 -0."18.

На втором этапе уравнивания - приведении к центру системы - использовался классический цепной Штод уравнивания. Два ряда наблюдений - вариант

1 и вариант 2 - обрабатывались совершенно независимо. В результате получены два новых каталога КШ31 и КШ32. Для оценки качества этих каталогов

было сделано их сравнение с каталогом HIPPARCOS, который в настоящее время можно считать эталоном. Систематические разности представлялись в виде

KHI3 — HIP = A + Bsina+Cco8a+Dsin2a.+ Ecos2a

Получились следующие результаты:

А В С D Е

КШЗ\ - HIP + .104" - .020" + .011" - .006" + .024" КШ32 — HIP 4- -104 - .006 — .007 +.003 +.010

Сравнение показало, что полученные каталоги, особенно КШ32, имеют очень маленькие систематические ошибки. Поэтому дальнейшие численные результаты работы мы можем считать вполне надежными.

Глава 3 полностью посвящена теоретическим и практическим исследованиям суточных изменений широты. Причины, вызывающие суточный член делят на две группы - астрономические и геофизические. В настоящее время, после уточнения постоянной аберрации и коэффициентов нутации, ошибки из-за астрономических причин очень малы. Значит, главными причинами становятся причины геофизические. Наличие ошибки замыкания в классическом цепном методе уравнивания (КЦМ) свидетельствует о наличии суточных изменений широты. От способа распределения этой ошибки зависит метод уравнивания. В КЦМ ошибка замыкания равномерно распределяется по всем связям, т.е. предполагается, что широта линейно и одинаково в течение всего года

изменяется от вечера к утру. В.А.Наумов предложил модифицированный цепной метод (МДМ).

В этом методе при трехгрупповой программе наблюдений (такой, как в Китабе) вычисляются две ошибки замыкания, отдельно для вечерних и утренних наблюдений. Каждая из них, деленная на 12, дает среднее за период наблюдений двухчасовое изменение широты , а вместе они составляют постоянную или регулярную часть суточного члена. Кроме того, предполагается, что существует суточное изменение широты, зависящее от сезона. Такое двухчасовое изменение, свое на каждый месяц, представляет переменную часть суточного члена. Вычисление переменной части суточного члена показало, что эти значения очень хорошо аппроксимируются гармоническими функциями с годовым и полугодовым периодом. Соответственно, происходит трансформация суточного члена в дополнительный г-член. Сравнение трансформированных годовых волн суточных членов при двух положениях крыши павильона ФЗТ показало, что они идут почти в противофазе. Кроме того, при полностью открытой крыше довольно большую амплитуду (0."03) имеет полугодовая составляющая, которая очень мала при полузакрытой крыше. От этих значений сильно отличаются параметры трансформированного суточного члена для ЗТЛ-180, расположенного в Китабе рядом с ФЗТ. Это говорит о том, что основная причина возникновения суточного члена кроется в павильоне и, во-можно, в инструменте.

Показано, в чем заключается смысл трансформированного суточного члена: численно он равен раз-

ности поправок склонений, полученных при помощи КЦМ отдельно по вечерним и утренним наблюдениям.

От двухчасовых изменений широты мы можем перейти к собственно суточному члену, т.е. периодической функции изменения широты с периодом в 1 сутки. По разработанной в диссертации методике можно свести воедино переменную и постоянную части суточного члена и получить зависимость его амплитуды и начальной фазы от сезона.

Далее в работе показано, что мы имеем достаточно информации для перехода от предположения линейности регулярной части суточного члена к более сложной зависимости. Ее можно представить в виде Асов^® — Ф), где t@ - часовой угол Солнца. Вычисления показали, что при полностью открытой крыше амплитуда значительно больше, чем при полузакрытой (0."109 и 0."076), а начальные фазы очень близки между собой (¡.б'1 и 2.7к). Вычислив разности этих синусоид на средние моменты наблюдения вечерних, ночных и утренних групп для двух положений крыши, мы получили значения, очень близкие к разностям средних широт для двух положений крыши.

Как вывод, формулируется утверждение, что в наблюдениях всегда присутствует суточный член, линейный или нелинейный в течение ночи и переменный в течение года. При этом, если нелинейна переменная часть суточного члена, МЦМ не работает.

Глава 4 посвящена основной теме диссертации - неполярным изменениям широты. Вначале рассматриваются медленные изменения средних широт, вычисленных по формуле Орлова для вечерних, ночных и утренних наблюдений. По ним образованы разности между вечерними и ночными, вечерними и утренними, ночными и утренними средними широтами. Максимальный разброс этих разностей для открытой и полузакрытой крыши получился следующий:

Открытая крыша Полузакрытая крыша

Фв — Фн = 0."10 Фв-Ф» = 0."04 фв-фу= о."12 фе-фу = 0."09 Фн~ ФУ = 0."15 Фп~Фу = 0."10

Отсюда можно сделать вывод, что широты, полученные при полузакрытой крыше, значительно стабильней широт, полученных при открытой крыше.

Средние разности средних широт в смысле "вечер - ночь" и "ночь - утро" равны для полностью открытой крыши +0."040 и +0."013, а для полузакрытой +0."035 и +0."013. Поскольку и ошибки замыкания, и постоянные части суточных членов, и разности средних широт имеют один знак и один порядок, можно сделать вывод, что все они - следствие одной и той же причины.

Затем было проведено сравнение средних широт, полученных при открытой и при полузакрытой крыше по всему материалу. На приведенных в работе

графиках видно, что обе широты ведут себя сходным образом, но между ними сохраняется значительная систематическая разница: вторая широта в среднем на О/'Об больше первой. Эта разность объясняется температурными эффектами, зависящими от положения крыши.

Чтобы сравнить различные способы образования средней широты, мы использовали фильтры Орлова, Мельхиора и скользящее суммирование за 6 лет. Отмечается, что применяя фильтр Мельхиора, а тем более сглаживание за 6 лет, на участках со значительными реальными изменениями широты, мы теряем много физической информации. Наименьшая потеря информации происходит при скользящем суммировании за один год с предварительным учетом координат полюса. Для сравнения были получены средние широты Китаба по координатам полюса с использованием тех же фильтров.

Аналогичное сравнение всех вариантов средних широт сделано для ЗТЛ-180. Расстояние между телескопами около 60м, а широты практически одинаковы. Очень большие различия в поведении этих широт двух инструментов говорят о том, что основная часть медленных изменений средних широт вызывается влиянием павильонов и, возможно, самих инструментов.

При широтных исследованиях после вывода средней широты получают г-член, анализируя который, находят только его периодические составляющие Р[г], а все, что остается, относят к случайным ошибкам. Но эти остаточные уклонения г-Р[г] должны содержать в себе реальные изменения широты, вы-

званные быстрыми колебаниями отвеса. Мы назвали их быстрыми изменениями средней широты в отличие от уже рассмотренных медленых. Если рядом стоят два широтных инструмента, то можно провести сравнение остаточных уклонений. Более того, до 1982.7 в Китабе велись наблюдения на зенит-телескопе Бамберга (ЗТБ). На приведенных в работе графиках видны общие тенденции быстрых изменений средних широт всех инструментов. Это указывает на то, что такие изменения отражают влияние ЙК'ёЙ местности (колебания отвеса и аномальные из-¡ЙЙкения рефракции).

В основном, значения г-Р[г] не превосходят на ФЗТ 0."05, но есть пики или резкие изменения широты до 0."1 и больше. Появилось основание предполагать, что эти неправильные изменения широты могут быть связаны с землетрясениями. Действительно, в 450км к юго-востоку от Китаба в районе Гиндукуша находится точка, где сходятся три лито-сферных плиты - Индийская, Аравийская и Еврази-атская. Геологические данные указывают на сильные горизонтальные и вертикальные движения в этой зоне с активным складкообразованием. Как следствие, здесь часто бывают сильные землетрясения.

Из оперативного сейсмологического каталога ИФЗ АН СССР были выписаны все землетрясения с маг-нитудой М > б в радиусе 750км вокруг Китаба. За рассматриваемый период таких было 21. При сопоставлении моментов землетрясений и пиков в широте оказалось, что через 1-3 месяца после пика или резкого уменьшения широты следует сильное землетрясение. При этом неверно обратное: не каждому зем-

летрясению соответствует пик в широте. На основании выведенной зависимости три последних землетрясения были предсказаны.

В главе 5 рассматриваются периодические неполярные колебания. Поскольку в работе средние широты выведены четырьмя способами, была проверена зависимость амплитуды и фазы z-члена от принятой средней широты. Разница оказалась несущественной, и дальше использовался z-член, полученный с использованием средней широты по Орлову.

Были вычислены z-члены по вечерним, ночным, утренним, а также общим наблюдениям дляобоих вариантов. Спектральный анализ показал наличие в них трех основных составляющих: 1 год, 0.5 года и 0.35 года.

Начальные фазы годовых составляющих всех z-членов как при полностью открытой так и при полузакрытой крыше очень хорошо сходятся между собой. Амплитуды варианта 1 в среднем в полтора раза больше амплитуд варианта 2. При этом наблюдается явное сближение z-членов и по амплитудам и по фазам от вечера к утру. Полугодовые составляющие z-членов варианта 1 и варианта 2 идут в противо-фазе. Амплитуды при открытой крыше значительно больше.

В заключении сформулированы главные выводы работы.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1.Наумов В.А., Калмыков A.M., Литвиненко Е.А.,

Малкин З.М. Павильон ФЗТ-2 в Китабе и его влияние на результаты наблюдений.//Сб. "Вращение Земли и геодинамика. Ташкент, "Фан", 1983, с.168-173.

2.Литвиненко Е.А. Неполярные вариации широты, полученной из наблюдений на ФЗТ в Китабе.//Сб. "Вращение Земли и геодинамика". Ташкент, "Фан", 1983, с.118-120.

3.Литвиненко Е.А. Аномальные изменения широты и их связь с землетрясениями, по наблюдениям на фотографической зенитной трубе. //Сб. "Астрофотография в исследованиях Вселенной". С.Петербург, 1992, с.312-314.

4.Литвиненко Е.А.Аномальные изменения широты и их связь с землетрясениями.// Тезисы докладов международного симпозиума "Геодезия - сейсмология: деформации и прогноз", Москва, 1989, с.108-109.

5.Литвиненко Е.А., Эшонкулов С.К. Сравнение суточных изменений широты на двух телескопах в Китабе. //Изв. ГАО, 207, 1991, с.35-36.

6.Литвиненко Е.А. Предварительный каталог склонений 96 звезд международой программы, полученный из наблюдений на Китабской ФЗТ. // Изв. ГАО, 202, 1984, с.35-37.

7.Литвиненко Е.А. Суточные изменения широты по наблюдениям на ФЗТ в Китабе. // Изв. ГАО, 206, 1989, с.64-67.

8.Вытнов В.А., Литвиненко Е.А., Малкин З.М., Наумов В.А. Организация службы времени на Китабской международной широтной станции. // Изв. ГАО, 200, 1982, с. 105-106.

В совместных работах участие соавторов равное.