Введение к работе
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 N, понижены над биполярными группами пятен. Существенное расхождение выводов по связи солнечной активности с солнечным ветром обусловлено, на наш взгляд, неполним 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:
-
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;
-
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;
-
исследование 13-14-суточной периодичности в солнечно-межпланетных связях;
-
исследование воздействия гелиогеофизических факторов на безопасность движения на железнодорожном транспорте;
-
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 Call-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:
-
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.
-
Результаты исследования проявлений солнечной и геомагнитной активности 'в аварийности и травматизме на Восточно-Сибирской железной дороге и доказательство возможности прогнозирования периодов повышенной опасности.
-
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:
-
Симпозиуме по физике геомагнитосферы (Иркутск, июнь 1977
-
Конференциях молодых ученых СибИЗМИРа (апрель 1977 и апрель 1979 гг)
-
Всесоюзной конференции "Прогнозирование, состояния магнитосферы" (Иркутск, 14-16 октября 1980 г.)
-
На Пленуме секции "Солнце" Астрономического Совета АН СССР (Киев, 17-21 апреля 1984 г.)
-
V Симпозиуме КАПГ (Самарканд, октябрь 1989)
-
III Международной конференции "Циклы природы и общества" (Ставрополь, октябрь 1995)
-
Всесоюзной научно-технической конференции "Транссиб-91" (Новосибирск, май 1991)
-
На научно-технических конференциях Иркутского института инженеров железнодорожного транспорта
-
На семинарах СибИЗМИР и ИЗМИР7ЛН
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.
