Спектрально-временной анализ индексов активности Солнца тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ГЛАВНАЯ АСТРОНОМИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ

Ш нравах рукописи

Мордвинов Александр Вениаминович

УДК 523. 982

СПЕКТРАЛЬНО-ВРЕМЕННОЙ АНАЛИЗ ИНДЕКСОВ АКТИВНОСТИ СОЛНЦА

Специальность 01. 03. 03 - гелиофизика и физика солнечной системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук -

Ленинград 1990

Работа выполнена б Сибирском институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн СО АН ПССР

Научный руководителе -старший научный сотрудник, кандидат фкз. -мат. наук

Куклин Г. В.

Официальные оппоненты: доктор физ. -мат. наук кандидат физ. -мат. наук

Обридко В. IL Витинский Ю. И.

Ведущее учреждение - Крымская астрофизическая обсерватория

Совета (шифр К 002.92.01) по присуждению ученой степени кандидата физико-математических наук в Главной астрономической обсерватории АН СССР в Большом конференц-зале (Ленинград, 196140, Пулково, -ГАО АН СССР).

■С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГАО АН СССР.

г"

Автореферат разослан " У " ^___ 1990 г.

Ученый секретарь

АН СССР

Специализированного Оог.ета,' кандидат физ. - мат. наук

ОШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

¿ктуалыьють томи. Временные ряды глобальных индексов

а><гивности Солнца содержат много ценной информации о структура, эволюции и вращении солнечных магнитных полей. При анализе чисел Вольфа, среднего магнитного поля Солнца и других индексов применялись различные подхода, однако в настоящей время мы лишь в общих чертах можем объяснить ход активности Солнца, а смысл многих обнаружешых закономерностей остается непонятен. .Врем&гаше изменения параметров активности определяются многими факторами; скоростью генерации магнитных полей, полями скоростей в конвективной зоне и другими. Поэтому результаты анализа не всегда можно однозначно интерпретировать. Тем не менее, изучение спектрально-временных закономерностей вариаций солнечной активности имеет важное значение для понимания структуры и эволюции магнитных полой на Солнце, для разработки физических моделей, которые достаточно подробно описывали бы процессы генерации и эволюции магнитного пиля в конвективной зоне и атмосфера Солнца.

Кроме; того, изучение спектрально-временных закономерностей вариаций солнечной активности имеет чисто практическое значение. Оно необходимо для построения математических моделей, которые адекватно отражали бы динамику солнечной активности и которые можно было бы использовать для прогнозирования индексов активности.

Солнечная активность оказывает влияние на многие геофизические процессы, поэтому изучение .динамики и механизмов солнечной активности дает ключ к пониманию некоторых геофизических явлений. Так. например, общеизвестна боиыпан роль ТТ-л«7НчЯ цикличности активности Солнца на раз.гачные процессы и мнтигло-^г*!, .-ттмоофоре и биосфере Земли, паковые изменения солнечной активности оказывают управляющее воздействие им ютиичиостн с. бо..короткими периодами и, г*>:«*«>«• >, игеьг ..си земпыо пронилнния в пиле д. иа'нпериоди-чимсик каоткличс.ких и геол. ч'лческих изменений. Широко известны як;«- ква^тывухлатние н<)гмяп.ии оел^очинх и ге.Лизи-

чэских парамзтров. По-видимому, здесь такие проявляются солнечно-земные связи, хотя механизм такого воздействия токе неизвестен.-

Цель работы состоит в изучении спектрально-временных закономерностей вариаций солночкой активности и построении математической моде,па .для прогнозирования индексов активности.

В соответствия с целью работы были поставлены следующие задачи:

1. Выявление новых и уточнение иззестшх спектрально-временных закономерностей вариаций солнечной активности в широком диапазоне периодов.

2. Идентификация и построение математической модели для прогнозирования солнечной активности средней срочности.

3. Изучение структуры у зволзоции крупномасштабных магнитных полей в фотосфоре Солнца на основе анализа тонкой структура дифференциального врсцэния ц ее изменений со временем.

Ннучнап новизна роботы.

1. Ка основе спектрально-временного представления ряда чисел Вольфа изучен закон модуляции П-летнзй цикличности вековым шилом. Исследована тонкая структура спектра мощности з окрестности П-лэтнего пина. Впервые показано, что зта тонкая структура возникает в результате частотной и амплитудной модуляции П-летной' цикличности вековым циклом.

2. Разработана методика выделения Фдуктуацяй активности как высокочастотной неотрицательной составляющей, которая накладывается на низкочастотную компоненту, соответствующую Долгс&ивущим структурам организации активности. Показано, что Флуктуации активности, определяемые в этом смысле, представляет: собой хаотический временной процесс, интенсивность которого изменяется согласовало с ходом активности в 11-летнем цикле и з соответствии с мультипликативной моде лью.

3. Разработан метод прогнозирования среднемесячных значений плотности потока радиоизлучения Солнца на частоте 2800 МГц на основе мультипликативной авторегрессионной модели.

4. Показано, что динамические спектры чисел Вольфа, платности потока радиоизлучения на частоте 2800 МГц, среднего

магнитного поля Солнца имеют характерный дрейф по периодам, который соответствует смещению зон пятнообразовашя к низким шротам н ходе П-летнего цикла. На основании этого сделан вывод о том, что закон Шпэрэра носит универсальный характер.

Б. Предлокен я обоснован механизм, согласно которому ква-зидвухлэтнко вариация многих параметров солнечной ективностп возникают в результате модуляции этиг параметров ячейками глобальной конвекции.

Научная и практическая ценность работы определяется тем,

что ое результаты могут быть использованы для дальнейшей разработки физических моделей, ошсываэдих процессы генерация и эволюции крупномасштабных магнитных шлэй на Солнце. Кроме того, исследованные спактрально-врсманныб ванономерноо-ти вариаций солнечной активности являются эмпирической базой для разработки методоз краткосрочного и долгосрочнох'о прогнозирования индексов актшности. Разработанный метод прогнозирования среднемесячных значений плотности потока радиоизлучения Солнца на частоте 2800 МГц на основе мультипликативной авторагроссионной модэяа может быть рекомендован дея прогноза с. заблаговрпмвншстъа на один месяц и используется как составная часть а работа по прогнозированию состояния ионосферы, выполняемой в С&йИЗМаР СО АН СССР.

Разработанная методика поотровтшя гасгиэй й верхней огйба-" . щта можот быть использована при оналаоэ врэионшх рядов любой природы со слоеным спектральным составом, Разложение сигнала на низкочастотную и неотрицательную сысокочастотную составляющий может использоваться там, где оно соответствует природе задачи. Например, там, гдэ флуктуирущкэ величины по своему смыслу являются отклонениями в' одну сторону от некоторого текущего значения, которое представляется низкочастотной компонентой.

Автор выносит на защиту:

I) результаты исследования динамических спектров глобальных индексов ективностп в широком диапазоне периодов, в которых управляющее воздействие векового цикла на 11-лат-нюю цикличность проявляется как амплитудная и частотная модуляция ;

. 2) методику выделения флуктуаций активности Солнца как высокочастотной неотрицательной составляющей, которая накладывается на низкочастотную компоненту, описызащую дол-гоиивущие структуры организации активности; результаты исследовании поведения флуктуаций на основе спектрально-вре-нэтюго представления;

3) методику прогнозирования среднемесячных значений плотности потока радиоизлучения Солнца на частоте 2800 МГц на оснозо авторегресснонной подали;

4) результаты изучения динамики першдичностей глобальных индексов активности, связанных с вращением Солнца , на основании которых показано, что закон Шперера имеет универсальный характер и проявляется в виде уменьшения доминирующего периода в ходе 11-летнего цикла;

5) результаты изучэния тонкой структуры динамического споктра вблизи основного периода вращения, которые показывают квазздвухлетнио колебания зон пяткообразонэния относительно своего среднего положения; механизм, рассматривающий возникновение квазидвухлетних периодичкостай глобальных параметров активности в результате модуляции этих параметров ячейками глобальной конвекции.

Апробация работы. Основные результаты работы представлялись в вдце докладов на научных семинарах отдела физики Солнца СкбИЗ'йР СО АН СССР; на 12-ом Консультативном совещании соцстрян по физики Солнца (ЧССР, Смоленица, I98G); на симпозиуме КАНТ (Ленинград, I9S7); на Всесоюзном совещании ЧНаблэдэтольшо и физические основы гелио-геофкзического прогнозирования" (Калуга, 1908); на симпозиуме MAC n îaa (Киев, 1989).

Объэм и структура работы. Диссертационная работа состоит

из введэния, четырех глав, заключения и списка литературы, полный объем составляет 120 страггиц. Работа содержит 79 страниц основного текста, 23 рисунка и список литературы из 129 названия на 14 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель и конкретные задачи исследования, излагается то новое,' что вносится автором б решение проблема. Кратко описывается структура диссертации и перечислятся основные положения, выносимые на защиту.

В перзой главе дается краткий обзор современного состояния проблемы и формулируются основные задачи диссертационной работы.

Во второй главе дано описание метода спектрально-временного анализа, с помсщыо которого в настоящей работе изучаются временные ряда индексов активности Солнца.

Несмотря на наличие длинных рядов индексов активности, анализ их осложняется такими факторами нак нрстационврность, внутренняя неоднородность, нерегулярность определения и наличие порой значительных ошибок. Индексы солнечной активности обычно рассматривают как функции времени или изучают их спектры. При этом анализ выполняется во временной иди в частотной областях. Однако для нестационарных процессов классические спектральные методы неадекватно отражают структуру временных рядов и не позволяют изучать динамику процессов. Для анализа сложных, нестационарных процессов эффективным оказался спектрально-временной анализ (СВАН), который основан на двумерном представлении спектральных характеристик как функций частоты и времени. Динамнчоский спектр процесса определяется следующим обрезом:

где « - круговая частота, время, зс- спектр исходного процесса, н - частотная характеристика узкополосного гауссова фильтра с кривыми пропускания центрированными на частоты

Методика СВАБ была применена дня анализа временного ряда среднемесячных значений чисел Вольфа. Динамические спектры в наглядной форме представляют временные и спектральные зако-

ао

о

"'к

комерности процесса. Исследована дакамики и взаимодействие спектральных компонент. В динамическом спектра проявляется вековой цикл, который оказывает управляюдее воздействие на цикличность с более короткими периодами. На рис.1 показан модуль динамического спектра - диаграмма СВАН в интервале периодов от 5 до 20 лет.

Рис.1. Диаграмма СВАН временного ряда чисел Вольфа

изолинии соответствуют значениям; 4, 8, 12, 16 дБ; штриховая линия проходит через максимальные значения динамического спектра; кривые 1,2 - продолжительность . 11-летнего цикла, определенная как разность между моментами минимумов и из условия наилучшей корреляция с косинусоидой

Вблизи эпох максимума векового цикла возрастает амплитуде 11-летней вариации и проявляются возмущения в широком диапазоне периодов. Такое зависимое поведение амплитуд вариаций с периодами от четырех до восьми лат, по-видимому, связано с тем, что соответствующие члены Фурье-спектра описывают форму циклической кривой, а не какио-то самостоятельные физические процессы; Кроме того, чем выше 11-летний цикл, тем больше степень его асимметрии и том больше коэффициентов фурье нужно для его описания.

1.Г

1

г

Р. ГОДЫ

На диаграмме СВАН видно, что изменение продолжительности 11-летнего цикла также согласовано с фазой векового цикла и носит характер частотной модуляции. Вблизи знох максимума векового цикла продолжительность 11-летного цикла уменьшается . По диаграмме СВАН можно оценить индекс частотной модуляции ш = / о . где - амплитуда изменения частоты, п -частота модулирующего колебания. В разные периоды времени щ < 1. При таком значении индекса модуляции спочтр мощности еще сохраняет сравнительно простую структуру в вице триплета. Наличие жо еще амплитудной модуляции П-летнэй цикличности приводит к тому, что боковые пики-сателлиты имеют разную высоту. Изучение спектра мощности с высоким разрешением показало, что именно такая структура спектра характерна для П-лвтней цикличности. Пики в спектре мощности соответствуют периодам 9,1; 10,9; 12,9 лет.

Таким образом, управляющее воздействие векового цикла на П-летнюв цикличность проявляется как амплитудная и частотная модуляция. Возможно, что долгопериодачоские вариации изменяют основные параметры конвективной зоны Солнце так, что режим работа динамо-механизма меняется,

В третьей главе изучается поведение флуктуаций активности

Солнца. Предлагается новый подход к выделению флуктуаций с учетом специфики определения относительных чисел солнечных пктен. Флуктуации активности рассматриваются как высокочастотная неотрицательная составляющая, которая накладывается на низкочастотную компоненту, представляющую долгоживущие структуры организации'активности. Низкочастотная компонента находится с помощью простой и - эффективной процедуры, названной фильтром фона. С помощью численного метода исследованы основные свойства зтох'о нелинейного фильтра.

Фильтр фона был применен для анализа временного ряда среднемесячных значений относительных чисел пятен за 1749-1987 гг. Показано, что флуктуации активности, вычисленные с помощью предложенного метода, представляют собой хаотический временной процесс, интенсивность которого изменяется согласованно со средним уровнем активности. Аналогично, исследуется процесс нормированных в соответствии с мультий-

ликативяой моделью флуктуеций. Спектры флуктуаций являются сплошными, большая часть анергии сщ'нала сосредоточеке в интервале периодов 2-е месяцев.

Алгоритм оценивания спектра моидаости методом максимальной энтропии включает в себя процедуру выбора оптимального фильтра прогноза. Поэтому на его основе возможно построение модели для прогнозирования. Такая методика была разработана автором для прогноза плотности потока радиоизлучения Солнца на частоте Я800 МГц с оабларовреье^тостью на о,дин месяц. Прогноз выполняется на основе автореграссионной модели, параметры прогностической модели находятся с помощью алгоритма Бурга. Оптимальная длина фильтре определяется из условия минимума коэффициенте вариации, который находится при ретроспективном прогнозировании. Изучены основные свойства модели. На примерах пробного прогноза показано, что предложенная методика прогнозирования характеризуется меньшими погрешностями, чем метод Майо.

В четвертой главе исследуется динамика периодичностей,

связанных с вращением Солнца в 21-ом цикле. 3 качестве исходных данных использовались временные ряда емедиевных значений чисел Вольфа, поток радиоизлучения на частоте 2600 МГц, среднее магнитное поле Солнца, взятые из бюллетеней

"Solar Geophysical Data".

На рис.2 показана диаграмма СБ'АН для среднего магнитного поля Солнца. Энергия сигнала сосредоточена в двух областях в интервале периодов 25-30 сут и 13-14 сут. На диаграмме наб-лвдаётся систематическое смещение динамического спектра в сторону коротких периодов в течение 11-летнего цикла. Штриховой линией показано, как изменяется период центра зоны пят-цообраэования в ходе шила. Оказалось, что эта кривая проходит через основные максимумы в распределении динамического спектра. Такое смещение, очевидно, связано с. дрейфом зоны пятнообразования согласно закону Шпорера.На основании этого мошно сделать вывод о том, что зклад магнитных полей пятен и активных областей достаточен для проранения статистических закономерностей, характерных для пятен.

- и

» голы

10 15 70 2 5 30 35 40

Рис.Я. Диаграмма СВАН для временного ряда среднего мзг-нитного ноля Солнца

изолинии соответствуют значениям 8, 16 дБ; штриховой литой шказпнэ зависимость периода вращения, соответствующая средней широте зон пятн<-юбразования

Аналогичный анализ был проведен дня временных рядов чисел Вольфа, потока радиоизлучения Солнца на частоте Я800 МГц и флуктуаций этих индексов, нормирюванных согласно мультипликативной модели. Анализ нормированных флуктуаций позволяет выделить квазипериодическив смещения зон пятнообразования относительно своего среднего положения, которое определяется законом Иперерн.

Сам факт колебаний зоны пятнообразования был обнаружен Вятикскрч и Щеголрвой на фазе спада солнечной активности. На диаграмме» СВАИ нормированных флуктуаций оти колебания вадшн в течение всего пасла. Период их составляет около двух лет. Это известные квазидзухлетние вариации. Квазидзухлотнка периодичности обнаружены во многих солнечных у геофизических нпрзнотрях. Когял линемичкский спектр смещается в сторону б'¡л;,тих периодов, кг»азц!(вухлйтняя вариация чисел Вольфа име-

ет большие значении. Это происходит за счет расширения вон пяткообразования в сторону высоких широт. Возможно, что такие движения возникает в результате модулирующего воздействия глобальной конвекции.

Конвекция на Солнцо является первопричиной почти всех крупномасштабных движений в подфотосфорных слоях. Крупномасштабная конвекция в значительной степени управляет всплы-ванием и погружением магнитных полей. Поэтому пятнообразоза-тельная деятельность Сслнца должна визуализировать гигантские ячейки. При подсчете чисел Вольфа эффекты, связанные с влиянием глобальной конвекции, усредняются, но не компенсируются в точности. В результате) суммирования по всем наблюденным пятнам и порам получается окончательное значение индекса, в котором слоншым образом присутствует эффект глобальной конвекции. Ношно ожидать, что отот суммарный эффект проявится в виде модуляции чисел Вольфа и других параметров с периодом характерным для гигантских ячеек. Время полного оборота пассивной примеси внутри ячейки глобальной конвекции можно оценить разными способами. По величина полный период близок к двум годам.

Дополнительным аргументом в- пользу этой точки зрения является взаимное расположение пиков в спектре- мощности. При достаточно больших числах Релея в конвективных системах возникают стохастические колебания с характерным временным спектром, в котором наблюдается серия пиков с квадратичной зависимостью частоты пика от номера гика. Оказалось, что такая зависимость выполняется и для серии пиков, соответствующих квазидвухлетним периодичностям. Этот результат подтверждает предположение 0 конвективной природе движений,-модулирующих глобальные параметры активности.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

I. В динамических спектрах глобальных индексов активности проявляется вековой цикл, который оказывает организующее воздействие на цикличность с более короткими периодами. Кроме амплитудной модуляции ~П-летней вариации, управляющее воздействие векового цикла проявляется в том, что в эпохи

- 1.3 -

максимумов векового цикла проявляются возмущения со сравнительно широким спектром. На диаграммах СВАН обнаружен и изучен аффект частотной модуляции Т1-летней цикличности вековым циклом. В эпохи максимумов векового цикла период 11-летнего цикла уменьшается, в зпохм минимумов - увеличивается. Расщепление 11-летнего пика в спектре мощности на триплет с периодами 9,1; 10,9; 12,9 лет возникает в результате совместного действия частотной и амплитудной модуляции 11-летней цикличности вековым циклом. Возможно, что долгопериодические вариации изменяют основные параметры конвективной зоны Солнца так, что режим работы динамо-механизма меняется.

"2. Разработана методика выделения флуктуаций активности Солнца как высокочастотной неотрицательной составляющей, которая накладывается на низкочастотную компоненту, представляющую долгожизущио структуры организации активности. Предложенная методика была применена для анализа флуктуаций временного ряда чисел Вольфа. Показано, что флуктуации, определяемые таким образом, представляют собой нерегулярный хаотический процесс, интенсивность которого изменяется согласованно с ходом активности в 11-летнем цикле. Выполнен спектрально-временной анализ вычисленных флуктуа;здй и флуктуаций, нормированных в соответствии с мультипликативной моделью. Динамические сгектры флуктуаций в диапазоне периодов от двух месяцев до двух лот, по-видимому, представляют случайный процасе.

3. Разработан метод прогнозирования среднемесячных значений плотности потока радиоизлучения Солнца на частоте 2800 МГц на основа мультипликативной модели, Идентификация модели для прогнозирования выполнена на основе изученных спектрально-временных свойств Флуктуаций в классе авторег-россиоиных процессов. Параметры прогностической модели определяются с помощью алгоритма Зурга. Оптимальная длине фильтра прогноза определяется из условия минимума коэффициента вариации, который находится ¡зри ретроспективном прогнозировании. Изучены основные свойства прогностической модели. Показано, что предложенная методика характеризуется мэньзжми погрешностями, чем метод Майо.

4. Изучено динамика периодичностей, связанных с вращением Солнца. На основе методики спектрально-временного анализа показвно, что динамические спектры чисел'Вольфа, плотности потока радиоизлучения на частоте 2800 КГц, среднего магнитного поля Солнца имеют1 характерный дрейф по периодам, который соответствует смещению зон активности к низким широтам в ходе 11-летнего цикла. На основании этого сделан вывод о том, что закон Шперера имеет универсальный характер для глобальных индексов активности. Вклад магнитного потока от активных областей и пятен в сигнал среднего магнитного поля Солнца достаточен для того, чтобы проявились статистические закономерности, характерные для пятен.

5. На основа анализа флуктуаций индексов, нормированных и соответствии с мультипликативной моделью, обнаружены квази-пвриодичоские смещения зон пятнообразовннин относительно своего среднего положения с периодом около двух лет, которые существуют в течение всего II-летного цикла. Предложен и обоснован мехашзм, согласно которому квазидвухлетше вариации многих параметров солнечной активности возникают как результат модуляции атих параметров ячейками глобальной конвекции. Полный период обращения пассивной примеси в этих ячейках составляет около двух лет. Предшыенннй механизм качественно объясняет поведение квазидвухлетних вариаций активности Солнца. Такой модулирующий эффект может создаваться конвективными валами уши упорядоченными бананообразшми ячейками конвекции, которые имеют значительную меридиональную компоненту скорости.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах-.

1. Мордвинов А.В. Прогноз среднемесячных значений индекса солнечной активности f на основе мультипликативной

lo.?

авторегрессионной модели // Солнечные данные.- Т:6Г>.-N íñ. - С. 67-73.

2. Mor d vi no v А. V. Prediction of monthly пк-^п v^.1 uhs of solar activity index F u^ina a muí t i pi i ■ i vi- aulo

^iiiin

regressive mcael ss Contr. Astcon. Obs. Skalr.ato Pi eso. -1&66,- V. IS. - P. 617-6Й2.

3. Мордвинов A.B. Выделений флуктуаций активности как превышений над низкочастотным фоном // Солнечные данные.-198?.- N г. - С. 81-ав.

4. Мордвинов A.B. Квазвдвухгодичные периодичности активности Солнца как проявление модулирующего воздействия гигантских конвективных ячеек // Солнечные данные,- 1987.-N и.- С. 83-87.

Б. Куклин Г.В., Мордвинов A.B. Анализ относительных чисел солнечных пятен с помощью фильтра фона // Прогнозы солнечной активности и наблюдения солнечных активных явлений; Тез. докл. симп. КАПГ.- Ленинград, 1987.-С. 25-26.

6. Мордвинов A.B. Спектрально-временной анализ чисел Вольфа // Исследования по геомагн., аэрономии и физ. Солн -ца.- М.: Наука, 1988.- Вып. 83,- С. I34-I4I.

7. Мордвинов A.B., Куклин Г.В. Спектрально-временной анализ флуктуаций чисел Вольфа // Исследования по геомагн., аэрономии и физ. Солнца.- М.-- Наука, 1989,- Вып. 87,-С. 56-62.

8. Мордвинов A.B. Динамика периодичностей глобальных индексов активности, связанных с врещениом Солнца в цикле 21 // Кинематика и физика небесных- тел.- 1990.Т. 6, N 4. - С. 51-57.

В работах /5, 7/ соавтор участвовал в постановке задач, решение их и интерпретация принадлежат автору.

ЛР!

Множите"ьнь'й участок СибИЗМИР СО АН СССР заказ № 1361 от 12.09.90, объем 0.9 а."., тираж 130 экз.