Способ долгосрочного прогноза длительности цикла солнечной активности

 

Использование: метеорология. Сущность изобретения: для долгосрочного прогноза длительности цикла солнечной активности определяют значения долгот планет солнечной системы на срок прогноза, для каждого прогнозируемого значения долгот планет определяют значение амплитуды переменной компоненты скорости колебания Солнца под влиянием изменяющегося во времени результирующего гравитационного притяжения планет, а делитель цикла солнечной активности определяют по срокам, при которых амплитуда переменной компоненты скорости обращается в ноль. 1 ил.

Изобретение относится к метеорологии, а точнее к способам предсказания экстремальных погодных условий (тайфунов, ураганов, засух, дождливых сезонов и др. ) на Земле, появление которых зависит от изменения уровня солнечной активности и наиболее эффективно может быть использовано в сельском хозяйстве для прогноза урожайности, в медицине - для оценки вероятности вспышек различных эпидемий, а также в других областях человеческой деятельности, на которую заметное влияние оказывают возмущения в атмосфере, ионосфере и магнитосфере Земли, возникающие под влиянием вариаций солнечной активности.

Известно большое число публикаций по изучению особенностей изменения во времени уровня солнечной активности и возможных механизмов такой изменчивости [1, 2] .

При этом установлено, что период даже самого значительного (примерно 11-летнего) цикла солнечной активности не является постоянным, а подвержен значительным колебаниям в интервале примерно от 7-9 до 14-17 лет. Учитывая, что до настоящего времени еще не известны причины таких колебаний и нет теории, способной точно предсказать длительность текущего цикла солнечной активности, разработка методов их прогноза ведется на основе различных подходов.

Известен способ долгосрочного прогноза длительности цикла солнечной активности, заключающийся в проведении длительного (в 100 лет и более) ряда измерений значений индексов (чисел Вольфа, суммарной площади пятен и др. ) солнечной активности и математическом представлении их в виде суперпозиции циклов с различными периодами, по которому прогнозируют возможную длительность текущего цикла [2] .

Несмотря на то, что этот способ позволяет математически удовлетворительно описать уже измеренные значения индексов солнечной активности и их периодичность, он не обеспечивает достоверного прогноза длительности текущего цикла, так как погрешность любой (даже наиболее точной) математической аппроксимации конкретных данных быстро возрастает за пределами анализируемого ряда измеренных частиц.

Известен способ долгосрочного прогноза длительности цикла солнечной активности, основанный на эмпирически выявленной связи между яркостью затменной Луны и фазой примерно 11-летнего цикла солнечных пятен [2] .

Недостатком этого способа является его невысокая достоверность, возникающая из-за статического (регрессионного) характера установленной связи, вследствие чего при каждом конкретном прогнозе возможны значительные ошибки в определении длительности цикла.

Из известных наиболее близким аналогом является способ долгосрочного прогноза длительности цикла солнечной активности, основанный на определении значений долгот планет солнечной системы на срок прогноза [2] . При этом выделяют долготы планет в моменты "квадратур" Юпитера и Сатурна, по ним, используя некоторые произвольные и неочевидные допущения, строят сложную математическую функцию, на основе которой рассчитывают возможную продолжительность соответствующих циклов.

Известными недостатками указанного способа являются его сложность и невысокая достоверность, возникающая в результате произвольности некоторых используемых допущений.

Целью изобретения является упрощение и повышение достоверности прогноза.

Цель достигается тем, что в способе долгосрочного прогноза длительности цикла солнечной активности, основанном на определении значений долгот планет солнечной системы на срок прогноза, для каждого прогнозируемого значения долгот планет определяют значение амплитуды переменной компоненты скорости колебания Солнца под влиянием изменяющегося во времени результирующего гравитационного притяжения планет, а длительность цикла солнечной активности определяют по срокам, при которых амплитуда переменной компоненты скорости обращается в ноль.

Согласно проведенному анализу модели гравитационного воздействия планет на Солнце установлено, что средний уровень солнечной активности, изменяющийся со средним (за длительное время) периодом примерно 11 лет, оказывается однозначно связан с величиной скорости медленных механических колебаний Солнца под влиянием сложным образом изменяющегося результирующего гравитационного притяжения планет. Причем минимумы солнечной активности наблюдаются в интервалы времени, соответствующие изменению знаков амплитуды переменной компоненты скорости колебаний и ее второй производной во времени. При этом погрешность особенно сверхдолгосрочного прогноза (и эпигноза) сроков минимума солнечной активности зависит не только от гравитационного воздействия Юпитера, Венеры, Земли и Сатурна, дающих основной вклад в величину механических колебаний Солнца, но и от всех остальных планет, включая Нептун и Плутон.

Выявленные закономерности полностью учтены в изобретении. При этом определение скорости механических колебаний Солнца оказывается значительно проще и физически обоснованнее, чем составление слабо обоснованных математических функций долгот планет в моменты "квадратур". В свою очередь, физически обоснованный в изобретении учет влияния всех планет повышает достоверность прогноза сроков наступления каждого минимума солнечной активности.

В результате реализации предложенного способа оказывается возможным повысить достоверность определения не только сроков минимума солнечной активности, а следовательно, и длительности всего цикла, но и сроков возникновения максимума, а также наиболее значимых изменений солнечной активности, связанных с более быстрыми (чем 11-летний период) изменениями скорости Солнца под влиянием биений между периодами гравитационного воздействия различных планет (например, Юпитера и Венеры, Земли и Венеры, Юпитера и Земли и т. д. ).

Необходимым и достаточным условием для реализации предложенного способа является наличие данных по параметрам планет и их орбит, которые ежегодно публикуются, например, в астрономических ежегодниках.

Способ поясняется чертежом, на котором представлены результаты определения значений амплитуды переменной компоненты скорости Δ V медленных колебаний Солнца под влиянием гравитационного притяжения планет и соответствующие им значения среднегодичных индексов (чисел Вольфа) солнечной активности W за период с 1950 по 1990 г.

Способ реализуется следующим образом.

Вначале, например, на наземных обсерваториях проводят текущие измерения координат каждой планеты солнечной системы и (для контроля) значений индексов солнечной активности, соответствующих текущему положению планет. При этом по результатам текущего измерения координат планет проверяют точность определения их положения, спрогнозированного по ранее проведенным измерениям. С учетом результатов проверки составляют прогноз значений долгот (например, в гелиоцентрической системе координат) планет на срок до 15-20 лет вперед по отношению к текущему моменту времени.

Под влиянием гравитационного притяжения от каждой планеты масса Солнца в каждый момент времени t испытывает ускорение величиной: /t = /t·γ·M_п/R²_пс(t), (1) где - единичный вектор направления от центра массы Солнца к центру массы планеты (т. е. зависящий от долготы и широты планеты в гелиоцентрической системе координат); γ - постоянная тяготения; М_п- масса планеты; R_пс - расстояние от Солнца до планеты.

Используя (1), для результирующего ускорения Солнца под влиянием гравитационного притяжения всех планет можно записать следующее соотношение: (t) = (t) (2) Воздействующее на Солнце результирующее ускорение приводит к тому, что Солнце в каждый момент времени t будет дополнительно перемещаться со скоростью (t) = (t)dt (3) При этом среднее за некоторый интервал времени Т (например, за месяц, год и т. д. ) значение скорости составляет = (t_i)= (t)dt. (4) Поскольку изменения модуля скорости Солнца определяются только ее переменной компонентной, то значение амплитуды переменной компоненты (как мгновенной, так и средней за интервал Т скорости) можно определить следующим образом: ΔV = - , (5) где - среднее за длительное время (не меньше нескольких оборотов планет вокруг Солнца) значение модуля скорости перемещения Солнца под влиянием гравитационного притяжения планет.

Используя выражение (5) и соотношения (1)-(4), для каждого момента времени или любого интервала оказывается возможным без каких-либо предположений (использованных в прототипе [2] ) в явном виде определить значения амплитуд переменной компоненты скорости колебания Солнца под влиянием результирующего гравитационного притяжения планет.

Конкретный пример определения изменения со временем среднегодичных значений амплитуды переменной компоненты скорости перемещения Солнца под влиянием гравитационного притяжения планет за период с 1950 по 2000 г представлен на фиг. 1а. Сравнение моментов времени, когда Δ V обращается в ноль, с периодами минимумов измеренных значений чисел Вольфа W на фиг. 1б показывает их хорошее соответствие. Причем более детальный анализ изменения среднемесячных значений W показал, что интервал времени, в течение которого устойчиво наблюдается каждый минимум солнечной активности, полностью согласуется со значениями t_i, при которых Δ V, а также ее вторая производная по времени обращаются в ноль.

Полученное полное соответствие между наблюдавшимися сроками минимумов солнечной активности и результатами их определения по предложенному способу свидетельствует не только о его высокой достоверности, но и доказывает справедливость модели гравитационного влияния планет на солнечную активность, которая использована для разработки предложенного способа.

Как показал анализ соотношений (1)-(5) и конкретного примера реализации предложенного способа, чем точнее определяются значения долгот планет в интервалах времени вблизи Δ V≈ 0, тем меньше абсолютная величина погрешности определения длительности цикла солнечной активности. Основной причиной этого является то, что сроки наступления минимума солнечной активности оказываются зависящими не от средних (за период обращения), а от мгновенных значений угловой скорости обращения планет вокруг Солнца, которые (из-за эксцентриситета орбит) меняются со временем.

Таким образом, предложенный способ позволяет не только физически обоснованно и достоверно прогнозировать длительность циклов солнечной активности, но и полученные с его помощью результаты позволили впервые объяснить ранее не известную причину наблюдающихся изменений длительности таких циклов. (56). 1. Чижевский А. Л. Земное эхо солнечных бурь. М. : Мысль, 1976, с. 367.

2. Втинский Ю. И. Цикличность и прогнозы солнечной активности. Л. : Наука, 1973, с. 257.

Формула изобретения

СПОСОБ ДОЛГОСРОЧНОГО ПРОГНОЗА ДЛИТЕЛЬНОСТИ ЦИКЛА СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ , основанный на опpеделении значений долгот планет солнечной системы на сpок пpогноза, отличающийся тем, что для каждого пpогнозиpуемого значения долгот планет опpеделяют значение амплитуды пеpеменной компоненты скоpости колебания Солнца под влиянием изменяющегося во вpемени pезультиpующего гpавитационного пpитяжения планет, а длительность цикла солнечной активности опpеделяют по сpокам, пpи котоpых амплитуда пеpеменной компоненты скоpости обpащается в ноль.

РИСУНКИ

Рисунок 1