Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

Введение

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

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

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

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

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

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

Результаты и обсуждение

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

, (1)

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

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

, (2)

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

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

, (3)

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

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

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

Таблица 1 – Постоянная составляющая напряженности ГМП

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

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

. (5)

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

а  б  в  г

д  е  ж  з

и  к  л  м

н  о

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

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

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

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

Таблица 2 - Солнечно-суточные вариации ВН ГМП

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

Рисунок 2 – Факторный анализ временных рядов SDV для 14 обсерваторий

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

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

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

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

Рецензенты:

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

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