авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Техника инверсии магнитограмм и некоторые ее применения в исследовании солнечно-земных связей

-- [ Страница 2 ] --

Личный вклад автора. Все результаты, изложенные в диссертации получены А.Д. Базаржаповым либо самостоятельно, либо при его непосредственном, активном и творческом, участии на всех этапах работы. Это относится и к основным положениям диссертации, выносимым на защиту.

Объём работы. Диссертация содержит 288 страниц текста, 68 рисунков, 23 таблицы и список использованной литературы, включающий 271 наименование.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследованных проблем, цели и конкретные задачи работы, оригинальные методы, новизна и практическая ценность полученных результатов. Дано, приводимое ниже, краткое описание содержания диссертации.

Глава 1. ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПОЛЯ ГЕОМАГНИТНЫХ ВАРИАЦИЙ

Первая глава посвящена специфике математических задач, возникающих при потенциальном анализе поля геомагнитных вариаций. Излагается алгоритм потенциального анализа ПГВ, который является необходимой первой ступенью всех известных алгоритмов математического описания геомагнитных полей и их источников, включая алгоритм ТИМ. Отмечено, что классические методы такого анализа используют представление магнитного потенциала усечённым рядом гармонических функций, спектр которого определяется путём эмпирического подбора, что не обеспечивает необходимой и обоснованной минимизации ошибок вычислений. При использовании эмпирических методов применительно к описанию мгновенных полей геомагнитных бурь, малые изменения выбранного спектра ведут к ошибкам коэффициентов потенциала ~ 100 % и более, т.е. задача оказывается некорректно поставленной. Рис.1 иллюстрирует скачкообразный рост погрешностей, возникающих при малом изменении длины аппроксимирующего ряда. В этой связи, обоснована необходимость выбора оптимального спектра сферических функций, аппроксимирующих мгновенное ПГВ и поле возмущения по измерениям глобальной сети наземных магнитных обсерваторий.

 сновные коэффициенты рядов, аппроксимирующие -поле; n – количество сферических-0

Рис.1 Основные коэффициенты рядов, аппроксимирующие -поле; n – количество сферических гармоник в ряде. Черными точками и плюсами показаны значения коэффициентов, рассчитанные по методу наименьших квадратов при разложении X, Y или Z – ПГВ по данным 0930UT 24 июня 1968 г. Светлыми точками представлены значения , полученные при применении метода выбора оптимального спектра аппроксимирующих функций по наибольшему вкладу.

Сделан вывод, что проблема может быть разрешена в рамках теории «регуляризации некорректно поставленных» математических задач. Сформулирована постановка задачи регуляризации применительно к рядам гармонических функций. Разработаны три оригинальных метода регуляризации, обеспечивающие выбор оптимального спектра сферических функций, аппроксимирующих мгновенное глобальное ПГВ и поле магнитных бурь.

Магнитный потенциал аппроксимируется рядом вида

 где – сферические коэффициенты; – присоединенные полиномы Лежандра. Выбор-4

где – сферические коэффициенты; – присоединенные полиномы Лежандра.

Выбор оптимального спектра ряда означает последовательное исключение не ортогональных членов ряда до достижения заданного предела суммы погрешностей. Таким образом, выбор оптимального спектра сводится к оптимальной в определённом смысле ортогонализации заданного ряда гармонических функций на реальной, сильно неоднородной, сети наземных магнитных станций. Предел определяется на основе предварительных численных экспериментов, в которых магнитный потенциал различных типов ПГВ задан на плотной равномерной сети станций, и затем аппроксимируется усечёнными рядами гармонических функций по данным, вычисленным на первом этапе эксперимента на реальной неравномерной сети магнетометров.

Анализируется влияние неравномерности пространственного распределения мировой наземной сети станций на результаты потенциального анализа ПГВ в спокойных и возмущенных условиях. Предложен способ двухшагового сферического гармонического анализа (СГА), позволяющий оценить погрешности и заметно уменьшить влияние неравномерности распределения магнитных станций на земной поверхности.

Изложенные в главе 1 методы выбора оптимального спектра аппроксимирующих ПГВ гармонических функций разработаны совместно с В.М. Мишиным и Г.Б. Шпынёвым [1, 15-19].

Глава 2. ТЕХНИКА ИНВЕРСИИ МАГНИТОГРАММ

Во второй главе описаны варианты ТИМ-0, ТИМ-1, и ТИМ-2.

Изложены основные уравнения ТИМ и методы их численного решения. Уравнения имеют вид

где – тензор электропроводности ионосферы, U – электрический потенциал, j|| – продольные токи, текущие вдоль геомагнитных силовых линий.

Описан начальный вариант ТИМ-0, разработанный на основе упрощенной модели с однородной проводимостью ионосферы [1, 61, 62]. Этот вариант использовался в 60-х и 70-х гг. для описания динамики мгновенных полей Sq-вариаций (не включено в диссертацию). ТИМ-0 систематически используется и в настоящее время для построения карт эквивалентных токов, а также для качественного описания мгновенных пространственных распределений ионосферного электрического потенциала и продольных токов возмущённого ПГВ.

Рис.2. Пространственное 2D-распределение плотности продольных токов для 0224UT 02 августа 2002 г. Тонкие пунктирные (сплошные) линии обозначают втекающие в ионосферу (вытекающие) продольные токи. Толстые отрезки, обозначенные цифрами от 1 до 7, соединяют втекающие утром продольные токи с вытекающими вечером токами в зонах Ииджимы-Потемры [63] или наоборот.

На рис.2 – один из новейших примеров применения ТИМ-0 [59]. Пример – типичный. Пары продольных токов (ПТ), втекающий в ионосферу ПТ утром и вытекающий вечером или наоборот, регулярно наблюдаются в каждой из трёх Зон Ииджимы и Потемры [63]. Пары обозначены цифрами 1, 2,…7. Направление ПТ в фиксированном секторе местного времени периодически изменяется при перемещении вдоль цепочки.

Описан сценарий, в котором каждая пара ПТ отождествляется с горбом или впадиной одной из волн, распространяющихся от Земли и к Земле в различных доменах магнитосферы [60]. Оценки скорости волн различаются от ~ 100 до >1000 км/сек в зависимости от области распространения, но всюду согласуются с соответствующими оценками скорости магнитозвуковых волн, МЗВ. На основе данных типа рис.2 предложен сценарий, согласно которому упомянутые МЗВ возбуждаются выбросом плазмы при разрыве тока и пересоединении вблизи дневной магнитопаузы и в ближней/средней областях магнитосферного хвоста.

 вумерное пространственное распределение эквивалентной токовой системы J и-10

Рис.3 Двумерное пространственное распределение эквивалентной токовой системы J и плотности продольных токов, ПТ, рассчитанные по ТИМ-0 (верхняя строка – а, при однородной модели проводимости ионосферы). Внизу – электрический потенциал и плотность ПТ при неоднородной модели проводимости (б).

Хотя пример на рис.2 типичен, обнаруженные в [59, 60] периодичности отсутствуют в существующих моделях пространственного распределения ПТ. Эти модели получены как результат осреднения многолетних данных отдельных спутников [64-66]. Осреднение «стирает» переменные пространственные неоднородности, подобные рассматриваемым периодичностям.

В варианте ТИМ-1 введена неоднородная модель ионосферной проводимости. При переходе от ТИМ-0 к ТИМ-1 введены также улучшенные методы выбора оптимального спектра аппроксимирующих функций. В отличие от ТИМ-0, вариант ТИМ-1 обеспечивает количественные оценки интенсивности электрического потенциала и продольных токов. Примеры приведены на рис.3.На основе ТИМ-1 в 1980-90 гг. выполнен цикл исследований воздействия колебаний ММП BZ, BY, и BX на глобальные системы токов и электрическое поле в магнитосфере и ионосфере. Основные эффекты ММП описаны в терминах глобального электрического поля и токов в ионосфере и продольных токов в магнитосфере. Впервые описаны системы токов и распределение в ионосфере электрического потенциала в т.н. «основном состоянии магнитосферы» – при нулевом ММП и значениях скорости и плотности солнечного ветра, характерных для самых спокойных условий. Обнаружены и описаны в терминах выходных данных ТИМ-1 системы токов в ионосфере, создаваемые изменениями ММП ВX.

Вариант ТИМ-2 не отличается от ТИМ-1 по набору входных данных, но обеспечивает расширенный набор выходных параметров. ТИМ-2 обеспечивает, дополнительно к ТИМ-1, вычисление по данным наземных магнетометров и измерений на спутниках параметров солнечного ветра и ММП, серии ключевых, ранее недоступных параметров, включая мощности, диссипируемые в магнитосфере и ионосфере на различных стадиях развития спонтанных суббурь и управляемых типов бурь. Один из ранних примеров применения ТИМ-2 приведён на рис.4. Показаны изменения энергии и мощности в ходе одной из суббурь 22 марта 1979 г. Эти данные впервые, и на количественной основе, показали наличие двух активных фаз суббури, различных по энергетике. Видно, что в ходе первой активной фазы разность (–QT) положительна, т.е. идет загрузочная фаза суббури.

С началом фазы расширения (expansion onset) эта разность становится

 зменчивость в ходе суббури 22 марта 1979 г. АЕ индекса, ММП BZ и некоторых выходных-11

Рис.4 Изменчивость в ходе суббури 22 марта 1979 г. АЕ индекса, ММП BZ и некоторых выходных параметров ТИМ-2. Вертикальные линии отмечают фазы развития суббури.

отрицательной, что свидетельствует о преобладании внутри-магнитосферного источника энергии. Следовательно, в 1й активной фазе суббури происходит накопление, во 2й – взрывное освобождение энергии, ранее поступившей в магнитосферу из солнечного ветра.

Новейший пример применения ТИМ-2 иллюстрируется рис.5. Приведены данные, полученные для суббури 02 августа 2002 г. на спутнике Кластер, и график изменения открытого магнитного потока в хвосте магнитосферы, . По данным Кластера в 0224UT начинается резкое уменьшение плотности (Рис.5а) и температуры (Рис.5б) частиц около спутника, что свидетельствует о начале магнитного пересоединения в долях хвоста. В этот момент также резко меняется компонента X_GSM (Рис.5в) от направленного к Солнцу на обратное. Начало TLR

Рис.5. Измерения спутника Кластер (а, б, в), проведенные 02 августа 2002 г. в хвосте магнитосферы, значения авроральной возмущенности, АЕ-индекса (г) и открытого магнитного потока T (д), рассчитанного по ТИМ-2.

подтверждает резкий спад основного параметра ТИМ, T, который рос до 0224UT.

Разработка ТИМ-0 и ТИМ-2 выполнена В.М. Мишиным и А.Д. Базаржаповым [2, 3, 25, 26, 61, 62, 67-69]. Они же выполнили разработку ТИМ-1 в соавторстве с Г.Б. Шпынёвым, Д.Ш. Шираповым. Комплекс программ разработан А.Д. Базаржаповым при участии Д.Ш. Ширапова.

Глава 3. МЕТОД ЕДИНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ

В третьей главе описан метод единых коэффициентов (МЕК), использующий наряду с наземными измерениями ПГВ данные спутниковых, радарных и ракетных измерений электрического поля в ионосфере и модель электрического поля Веймера [70, 71]. Отличия МЕК от AMIE заключаются в том, что в нем используются более простой алгоритм вычисления базисных функций, аппроксимирующих поле геомагнитных вариаций (ПГВ) и электрические поля и токи в ионосфере. Кроме этого, в качестве одного из основных элементов МЕК применяется метод выбора оптимального спектра этих функций [1], описанный в первой главе.

Приведены основные формулы МЕК и способы их решения. Описаны результаты применения метода к данным суббури 3 мая 1986 г. и данных измерений спутника Викинг.

Изложен усовершенствованный вариант МЕК, позволяющий совместно с наземными измерениями геомагнитного поля и спутниковыми, ракетными и радарными измерениями ионосферного электрического поля использовать эмпирическую модель Веймера. Сравнение результатов применения нового МЕК проведено на данных 24 июля 1986 г. Показано, что МЕК обеспечивает существенно более правдоподобные модели систем ионосферной конвекции и систем продольных токов в возмущенной магнитосфере.

В разработке метода единых коэффициентов основная роль принадлежит диссертанту. В работе участвовали В.М. Мишин и Д.Ш. Ширапов [27-30].

Глава 4. СЦЕНАРИЙ МАГНИТОСФЕРНОЙ СУББУРИ С ДВУМЯ АКТИВНЫМИ ФАЗАМИ

В четвертой главе приведены примеры применения ТИМ-2 в массовых исследованиях суббурь и сформулирован сценарий типичной (статистической) суббури. Из общего набора выходных параметров ТИМ-2 при разработке сценария использовались, в основном, карты эквивалентных токов и упомянутые выше параметры, определяющие энергетический аспект развития суббурь. Главный тезис сценария – наличие двух активных фаз суббури, в которых одна наблюдается на фазе накопления энергии магнитного поля хвоста, другая – на фазе взрывной диссипации накопленной энергии (см. рис.4). Сценарий «с двумя активными фазами» является развитием ранней версии [72], которая оказалась забыта. В литературе последних > 35 лет доминирует феноменологическая модель суббури с тремя фазами: фаза развития, фаза расширения и фаза возврата. В таком классическом сценарии основная активная фаза – фаза расширения (expansion phase). Две главные модели суббури – модель NENL [73, 74] и модель CD [75, 76] спорят за право объяснить фазу расширения с взаимно исключающих позиций. В «сценарии с двумя активными фазами» синтезируются оба подхода [5, 44-53].

Излагается описание трёх уровней наблюдаемых возмущений – от слабых суббурь (8 декабря 1990) до супербурь (20 ноября 2003). Описание приведено в терминах основного набора выходных данных ТИМ-2 и «сценария с двумя активными фазами» [5, 50-58].

Разработка выполнена в группе ТИМ ИСЗФ СО РАН, руководимой В.М. Мишиным. Диссертант – полноправный участник основного авторского коллектива, который включал также Т.И. Сайфудинову, С.Б. Лунюшкина, и Д.Ш. Ширапова.

Глава 5. РЕГРЕССИОННАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПГВ

В пятой главе изложен оригинальный метод расчёта «сезонной» регрессионной модели глобального ПГВ. Модель позволяет вычислять каждый компонент ПГВ в заданной точке поверхности высокоширотной зоны Ф>50°, как нелинейную функцию компонент ММП BY, BZ, скорости V, плотности солнечного ветра , АЕ индекса, мирового времени суток и сезона года. Общий вид использованных регрессионных уравнений таков

,

где Ve – магнитный потенциал внешнего происхождения, Wi – параметры солнечного ветра и перечисленные выше параметры, управляющие изменениями ПГВ.

Выходные данные модели ПГВ, будучи поданы на вход ТИМ-2, позволяют вычислять локальные и глобальные отклики на изменения граничных условий всего набора параметров ТИМ-2. Набор включает интегральные (для широт Ф>60°) и локальные характеристики электромагнитного поля и токов, джоулева нагрева ионосферы, входной мощности, поступающей из СВ в магнитосферу, и мощности, потребляемой в ионосфере и кольцевом токе.

Базы данных магнитных станций среднечасовых значений измеренных компонент ПГВ по каждому из трёх сезонов года и ранние модели регрессионные модели ПГВ описаны в начальных разделах главы. В ранних вариантах использовались линейные уравнения, и спектр переменных регрессоров назначался на основе простейших априорных физических соображений. Показано, что для описания наблюдаемых ПГВ необходим учёт нелинейных регрессоров, а также регрессоров, учитывающих запаздывающие и нестационарные отклики магнитосферы. Обоснована целесообразность введения, наряду с параметрами СВ, внутри-магнитосферного параметра – индекса авроральной геомагнитной активности АЕ [31, 36, 37, 40-42].

Приведены результаты проверки моделей на независимых данных. Для этого исходные данные были разбиты на две выборки: обучающую и экзаменующую. Вторая группа данных не участвовала в процессе моделирования и поэтому служила независимым мерилом качества модели. Экзаменующую выборку летнего сезона составили 5 дней, аналогичную выборку зимнего сезона – 10 дней и такую же выборку равноденственного сезона – 7 дней. В обучающую (по которой велся расчет модели) выборку летнего сезона вошли 20 дней, зимнего – 16, а равноденственного – 29 дней.

Подбор дней в этих выборках производился так, чтобы сравнение погрешностей модели на обучении и экзамене было при возможно равных по геомагнитной активности и параметрам СВ условиях. Экзамен проводился сравнением этих независимых данных наблюдения с восстановленными по модели ПГВ (при заданных значениях параметров СВ, UT и АЕ). Получено, что оценки точности моделей статистически значимы и достоверны [77-81].

Компоненты ММП знакопеременны, плотность частиц солнечного ветра 0, тогда как скорость СВ V < 300 км/с наблюдается редко. Регрессионный анализ ПГВ, выполненный в предыдущих разделах данной главы показал, что при V 300 км/с существует геомагнитная вариация, названная остаточной [43]. В полярной области остаточное поле вариаций описывается двухвихревой системой токов, аналогичной . На средних и низких широтах ОВ поле похоже .

Приведены результаты исследования вкладов азимутального BY, вертикального BZ компонентов ММП и плазменных параметров (скорости V и плотности ) параметров СВ в поле геомагнитных вариаций.

Далее описана регрессионная модель ПГВ, рассчитанная по минутным данным измерений 22 марта 1979 г. на 154 наземных станциях. Вариант этой модели был дополнен двумя регрессорами, отвечающими за нестационарный отклик магнитосферы. Анализ результатов показал, что нестационарная модель ПГВ хорошо воспроизводит особенности временного хода – наблюдаемой мощности энергии, поступающей из солнечного ветра в магнитосферу, тогда как стационарная модель не смогла описать этот отклик.

Следующий параграф посвящен разработке методов наземной диагностики параметров солнечного ветра (V, , BY, BZ) на основе изложенной выше регрессионной модели [32-35, 38]. Алгоритм включает решение систем нелинейных уравнений при заданных коэффициентах регрессионной модели и коэффициентах магнитного потенциала . Отмечен существенный вклад регрессоров V3 и АЕ индекса.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.