ВЕЙВЛЕТ-ОБРАЗ ТОНКОЙ СТРУКТУРЫ 11-ЛЕТНЕГО ЦИКЛА
ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ФЛУКТУАЦИЙ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В 20-23 ЦИКЛАХ

1. ВВЕДЕНИЕ

В отличие от традиционного подхода, значение показателя частотного спектра или количественную оценку линейного тренда мы определяем через суммарное число инверсий (“аномальных” отклонений) амплитуд спектра относительно натурального ряда чисел, точнее, обращенного натурального ряда [Козлов и др., 1984].

Для обращенного натурального ряда чисел (моделирующего распределение амплитуд в спектре принятого за норму) суммарная инверсия равна нулю. Напротив, для обычного натурального ряда суммарная инверсия достигает максимально возможного значения, зависящего от длины ряда (числа гармоник в нашем случае). Значимые изменения показателя спектра флуктуаций – индекса мерцаний ГКЛ, в данном случае, и являются тем искомым полезным сигналом, количественно описывающим характерную динамику флуктуаций интенсивности ГКЛ перед фронтом крупномасштабной “магнитной пробки” до ее регистрации на орбите Земли.

2. МЕТОД АНАЛИЗА ФЛУКТУАЦИИ

В результате подобной формализации достигается понижение размерности трехмерного динамического спектра процесса к обычной (двумерной) числовой последовательности индекса мерцаний. Это позволяет применить к индексу мерцаний все известные методы количественного анализа [Козлов, 1999]. Индекс мерцаний рассчитывается по данным мировой сети полярных станций космических лучей с высоким разрешением 5 мин за 4 последних цикла (20-23), т.е. фактически за всю историю их регистрации с подобным разрешением. С этой целью, в ИКФИА была создана интерактивная База данных результатов наземного мониторинга космических лучей "RECORD)" [Kozlov et al.,2003].

3. РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА

По 5-минутным данным трех высокоширотных нейтронных мониторов: Тикси, Апатиты и Оулу (Финляндия) с 5-минутным шагом вычислялся индекс мерцаний ГКЛ за четыре последних 11-летних цикла. Полученные значения индекса мерцаний и интенсивности ГКЛ усреднялись сначала за 27 суток и далее за 3 солнечных оборота.

Идентичность индексов мерцаний, полученных по данным различных станций, подтверждается высокими значениями коэффициентов взаимной корреляции индексов: для 21-22 цикла - 0,85 (Тикси-Оулу) и для 23 цикла - 0,7 (Тикси-Апатиты-Оулу). На рис. 1, 3, 5 приведены результаты расчета 27 дневных значений индекса мерцаний ГКЛ в относительных единицах и в процентах - значения интенсивности ГКЛ с 1968-2005 гг. (попарно за 20-21, 21-22 и 22-23 циклы). Результаты вейвлет анализа соответствующих вариаций индекса мерцаний ГКЛ представлены на рис. 2, 4, 6. На рис. 7, анализируется амплитудно-частотная динамика 11-летней вариации за все 4 цикла солнечной активности (20-23).

На рис. 8-9 приведены результаты совместного анализа вариаций индекса мерцаний ГКЛ, вариаций дисперсии межпланетного магнитного поля и потока протонов с энергией -1 МэВ.

4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В годы максимума и на спаде 11-летнего цикла доминирует полугодовая вариация индекса мерцаний. В целом, подобная нестационарная модуляция наиболее наглядно видна по результатам вейвлет анализа вариаций индекса мерцаний ГКЛ (рис. 2.4,6). Длительность нестационарного переходного колебательного процесса в индексе мерцаний ГКЛ находится в обратной зависимости от амплитуды 11-летнего цикла.

Установление обратной зависимости длительности переходного колебательного процесса от амплитуды цикла указывает на наличие инварианта "амплитуда-длительность" для солнечного цикла. Наличие инварианта означает постоянство площади "заметаемой" под кривой 11-летнего цикла. В этом случае, уменьшение амплитуды цикла должно сопровождаться увеличением его длительности и, наоборот. Затягиванием релаксационных колебаний в циклах с малой амплитудой (20 и 23) и объясняется "аномальная" солнечная активность в 1972 и 2003 гг. На существование обратной зависимости между временем достижения максимума 11-летнего цикла и его амплитуды указывалось ранее Вальдмайером [Витинский и др., 1986]. Обратная зависимость между временем достижения максимума цикла и квадратным корнем из максимальной амплитуды цикла выявлена и в недавней работе [Кононович, 2005].
Вывод о постоянстве площади "заметаемой" под кривой 11-летнего цикла или величины энергии выделяемой в единичном цикле указывает на возможную природу цикличности общего магнитного поля Солнца: 11-летняя (в среднем) цикличность есть механизм регуляции энергии предотвращающий Солнце от "перегрева" при критической температуре. Естественно, что при снижении температуры Солнца ниже критической, необходимость в стравливании избыточной энергии отпадает, т.е. цикличность исчезает (как во время "минимума Маундера").
Не исключена подобная возможность и в настоящее время. Уменьшение амплитуды текущего 23 цикла, в полном соответствии с инвариантом "амплитуда-длительность", проявляется в увеличении длительности цикла. На это указывает дрейф местоположения максимума вариации 11-летнего цикла в низкочастотную область (рис. 7). Вейвлет представление позволяет определить время начала дрейфа основной гармоники в низкочастотную область. Этот момент отмечен на рис. 7 вертикальной стрелкой. Наметившийся "сбой" 11-летней цикличности приходится на конец 22-го и начало 23 цикла.
Все это может оказаться важным с точки зрения долгосрочного прогноза развития событий в предстоящем 24 цикле, и не только. Увеличение длительности солнечного цикла наблюдается, как правило, перед долговременным сбоем 11-летней цикличности. Перед "минимумом Маундера", например, [Фрик, 2005]. В этой связи, следует отметить и факт нарушения правила Гневышева-Оля в 23 цикле. Амплитуда нечетного 23 цикла, вопреки данному правилу, оказалась меньше амплитуды предшествующего четного цикла. Такое случается нечасто, и только перед длительными сбоями 11-летнего цикла [Комитов и Кафтан, 2003] . Кстати, так и не оправдавшиеся прогнозы об ожидаемой большой амплитуде 23 цикла, были основаны на использовании этого правила. Подобные сбои сопровождались, как известно, уменьшением средней температуры на Земле.
Действительно, уменьшение солнечной активности приводит к увеличению интенсивности ГКЛ. В свою очередь, увеличение интенсивности ГКЛ сопровождается увеличением облачности, например, посредством механизма, предложенного в работе [Крымский, 2002]. Если прогнозируемый нами на ближайшее десятилетие сбой 11-летней цикличности подтвердится, то вместо ожидаемого катастрофического глобального потепления мы столкнемся с глобальным похолоданием.
Начиная с 1998 г. у нас появилась возможность свободного доступа к данным прямых измерений параметров солнечного ветра в режиме реального времени через глобальную сеть Internet. Наряду с индексом мерцаний и интенсивностью ГКЛ, на рис. 8 приведены также данные прямых измерений: дисперсии межпланетного магнитного поля (ММП) и потока низкоэнергичных протонов с энергией ~1 МэВ. Видно, что вариации индекса мерцаний ГКЛ опережают вариации анализируемых параметров на ~3 оборота Солнца. Увеличение амплитуды вариаций индекса мерцаний, дисперсии ММП и потока низкоэнергичных протонов наблюдается в окрестности максимума и на фазе спада 23 цикла. Особенно наглядно это видно из результатов вейвлет анализа. Вейвлет образы, практически, идентичны (рис. 9а, 9б, 9в). Полугодовая вариация ярко выражена во всех трех случаях. При этом, полугодовая вариация индекса мерцаний опережает полугодовую вариацию дисперсии ММП и потока протонов. Этот результат и положен нами в основу среднесрочного (с за-благовременностью ~3 оборота Солнца) прогноза гелиосферных бурь [Kozlov, 1996].

В последнее время полугодовые вариации обнаружены в вариациях частоты событий выбросов корональной массы или СМЕ-событий в течение текущего 23 цикла [Yu Oing Lou et al., 2003]. Следует заметить, что впервые полугодовые (и годовые) вариации были выявлены на ветви спада циклов 21-22 по исследованию вариаций индекса мерцаний ГКЛ [Kozlov and Markov, 1997; Козлов, 1999; Kozlov et al, 2003]. Тогда же нами был сделан вывод о связи обнаруженных вариаций с процессом распада крупномасштабного магнитного поля на завершающей стадии смены знака общего магнитного поля Солнца. В этой связи уместно привести высказывание профессора И.С. Веселовского: "...возможность выделения целого ряда регулярных процессов на этом (хаотическом) фоне существует даже при самой высокой (солнечной) активности и всегда представляет интерес с точки зрения определения горизонтов прогнозирования, которые в настоящее время неопределенны и требуют тщательного анализа" [Веселовский, 2001].

Нестационарная U-образная динамика вариаций в индексе мерцаний ГКЛ и в анализируемых параметрах солнечного ветра связывается нами с переходным процессом смены знака общего магнитного поля Солнца. Смена знака поля происходит путем разрушения крупномасштабного солнечного диполя - появляется квадрупольная компонента поля. Это следует, в частности, из данных наблюдений полярности магнитного поля Солнца за исследуемый период, приведенных в работе [Sanderson et al., 2003]. Вариации отношения квадрупольной компоненты к дипольной продолжаются несколько лет, по меньшей мере, до 2002 г.включительно. Появление мощных и, как правило, серийных "спорадических" событий на ветви спада 11-летнего цикла связывается нами с доминированием квадрупольной компоненты в это время. Систематическое недовосстановление интенсивности ГКЛ в серийных событиях эффектов Форбуша (по аналогии с известной гипотезой Локвуда о природе 11-летнего цикла в интенсивности ГКЛ) должно привести к резким и глубоким понижениям интенсивности ГКЛ на завершающей стадии смены знака магнитного поля Солнца, т.е. на ветви спада 11-летнего цикла.
Явная выраженность полугодовой вариации индекса мерцаний ГКЛ в 23 цикле связана, очевидно, с малой глубиной модуляции текущего 11-летнего цикла. Напротив, в циклах с большей глубиной модуляции (21-22) полугодовая вариация наименее выражена. Наиболее же "замодулирована" она на крутых ветвях спада цикла. В окрестности максимума 11-летнего цикла, т.е. в области относительного "плато", полугодовая вариация выделяется достаточно отчетливо, причем, в различных параметрах. Похоже, что это и есть известный "провал Гневышева" [Kozlov et al, 2003]. С этой точки зрения, провал Гневышева есть не что иное, как "видимое" в окрестности плато максимума 11-летнего цикла начало нестационарного переходного колебательного процесса смены знака общего магнитного поля Солнца. Это позволяет единым образом объяснить "провал Гневышева" и резкое понижение интенсивности ГКЛ на ветви спада 11-летнего цикла. Нестационарный характер U-образной динамики переходного колебательного процесса и обуславливает, скорее всего, появление так называемых "квазидвухлетних" вариаций интенсивности ГКЛ в окрестности максимума 11-летнего цикла, если применять узкополосную фильтрацию, как это, к сожалению, часто и происходит.

5. ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ