Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Международный научно-исследовательский журнал публикации ВАК
Научные направления
Поделиться:
Статья опубликована в №44 (апрель) 2017
Разделы: Физика, Науки о Земле
Размещена 05.04.2017. Последняя правка: 20.04.2017.

Влияние космогеофизических факторов на торсионные диэлектрические системы

Степанюк Иван Антонович

доктор физико-математических наук, профессор

Российский государственный гидрометеорологический университет

профессор кафедры океанологии

Черняк Елена Николаевна, научный сотрудник, Российский государственный гидрометеорологический университет


Аннотация:
Оцениваются эффекты поворотов подвешенного на шелковой нити диэлектрического (слюдяного) диска в зависимости от внешних факторов. Выполнены современные спектральный и фрактальный анализы результатов наблюдений Н.П. Мышкина (1900-1902 г.). Показано, что процесс колебаний диска преимущественно детерминирован за исключением отдельных периодов. Установлены причины «спада в хаос». Выявлено, что в спектрах колебаний диска преимущественно присутствуют составляющие, не связанные с тропосферными процессами. Найдены связи спектральных особенностей колебаний диска с солнечной активностью и геомагнитной возмущенностью. Предполагается, что основным влияющем фактором могут являться высокоэнергетические частицы «солнечного ветра».


Abstract:
The rotation effects of a dielectric mica disc suspended on a silk thread are estimated in relation to the external factors. The modern spectrum and fractal analyses of the results of N.P. Myshkin’s observations (1900-1902) have been fulfilled. The article shows that the process of the disc fluctuations is mainly determined with the exception of particular periods. The reasons of the “chaos drops” have been explored. It has also been revealed that the spectrum of the disc fluctuations involves some components that are not connected with the tropospheric processes. The relations between spectral features in disc fluctuations and solar activity with geomagnetic disturbances have been discovered. It is suggested that the main influencing factor is the high-energy particles of the solar wind.


Ключевые слова:
слюдяной диск; шелковая нить; диск Н.П. Мышкина; спектральный анализ; фрактальный анализ; тропосферные процессы; солнечная активность; геомагнитные возмущения; высокоэнергетические частицы.

Keywords:
mica disc; silk thread; N.P. Myshkin’s disc, spectrum analysis, fractal analysis; tropospheric processes; solar activity; geomagnetic disturbances; high-energy particles.


УДК 53.09

Введение.

Диэлектрический (слюдяной) диск, подвешенный на шелковой (коконовой) нити, использовался Н.П.Мышкиным в 1900-1902 гг.  Конструкция установки, называемой также крутильным маятником, схематично показана на рисунке 1. На двух коконовых нитях 1 подвешено треугольное зеркальце 2. Все это помещено в стеклянную колбу 3. К нижнему углу зеркальца на тончайшей алюминиевой проволоке 4 был прикреплен слюдяной диск 5.

Чтобы исключить воздействие среды, маятник был помещен в ящик, тщательно изолированный от окружающей его среды. Колба с маятником была помещена на антивибрационную подставку и располагалась в месте, недоступном для прямых солнечных лучей.

 

Рис1.gif 

Рисунок 1 – Схематическое изображение установки Н.П.Мышкина.

В проведенном исследовании предполагалось, что повороты такой конструкции, изолированной от прямого воздействия солнечных лучей, связаны с колебаниями различных гидрометеорологических параметров. Для проверки этого предположения был проведен длительный эксперимент. Одновременно с отсчетами положения диска проводились определения балла облачности и величины атмосферного давления. Отсчет положения диска выполнялся дистанционно с помощью специального приспособления.

Все измерения проводились три раза в сутки в течение 1900-1902 гг.  Результаты опубликованы в работе  [2].

Какой-либо статистический анализ Н.П.Мышкиным не проводился. Данные представлены в виде таблиц и кривых временной изменчивости.

Целесообразно выполнение анализа данных Н.П.Мышкина современными статистическими методами. Необходимо  выяснить: действительно ли на повороты описанной диэлектрической торсионной системы влияли метеорологические факторы – облачность и атмосферное давление?

Для нашего анализа использовался ряд среднесуточных значений положений диска в установке Мышкина. Измерения проводились самим Мышкиным с 1.07.1900 г по 31.12.1902 г три раза в сутки, а затем были приведены к суточным значениям.

Использованные методики анализа.

При анализе рассчитывались: периодограммы, спектральные плотности рядов, взаимные спектральные плотности (кросс-спектры), фазовые сдвиги на выделенных частотах и функции когерентности.

Как известно, спектр или спектральная плотность стационарного временного ряда описывает разложение  дисперсии временного ряда по различным частотным составляющим. Спектральная плотность является непрерывной неотрицательной функцией.

В качестве оценки спектра использовались периодограммы. Для стационарного временного ряда периодограмму можно рассматривать, как оценку спектральной плотности временного ряда, хотя эта оценка не состоятельна (ее дисперсия не стремится к нулю с ростом числа наблюдений). Наличие в ряду детерминированных периодических компонент проявляет себя в периодограмме в виде ярко выраженных пиков на соответствующих частотах.

Периодограмма — хорошее средство для выявления скрытых периодичностей.

Также из взаимных спектров были определены функции когерентности и фазы для пар исходных рядов.

Функция когерентности для двух стационарных временных рядов определяется как отношение спектра мощности, то есть модуля взаимного спектра, к квадратному корню из произведения индивидуальных спектров, и характеризует меру связи между рядами на соответствующей частоте.

При анализе использовалась фильтрация рядов. Применялись как фильтры нижних частот (ФНЧ), верхних частот (ФВЧ), так и полосовые фильтры (ПФ) – широкополосные либо узкополосные в зависимости от задач. Основу всех фильтров составлял фильтр Поттера.

Фрактальный анализ проводился путем расчетов коэффициента Херста. Как известно (например, [4]) фрактальная размерность D связана с коэффициентом Херста H простой зависимостью D=2- H. Соответственно, при значениях коэффициента Херста, превышающих 0.5, процесс является детерминированным (имеет персистентное поведение), а при меньшем  0.5 является хаотичным (антиперсистентное поведение).

Значение Н определяется по наклону прямой, аппроксимирующей зависимость lg(R/S) от lg τ:

 

формула.gif 

В данной работе показатель H рассчитывался следующим образом. Выбиралось окно, включающее Т значений исходного ряда, которое сдвигалось по временному ряду с шагом в Δt значений. Окно Т покрывалось меньшими окнамиформула1.gif . Для каждого окна τi рассчитывалась величина отношения размаха R к стандартному отклонению S, затем строился график зависимости lg(R/S) от lg τi, которая аппроксимировалась прямой. Аппроксимация проводилась по методу наименьших квадратов. Наклон этой прямой определял величину показателя Херста H для интервала времени, совпадающего с окном Т. Описанная процедура была реализована в оригинальном пакете «Herst».

Результаты анализа.

Оценки детерминированности колебаний положения диска. Кривая изменчивости положения слюдяного диска показана на рис. 2. Из исходных данных было вычтено значение 200. На кривой наблюдаются две точки одиночных выбросов – точка 103 со значением 14 (11 октября 1900г.) и точка 666 со значением 03 (27 апреля 1902 г.). В соответствии с критерием «грубых промахов» (см. например [3]) из дальнейшего анализа они были исключены и заменены на интерполированные значения.

 

Рис2.gif 

 Рисунок 2 – Изменчивость положения слюдяного диска по данным Н.П Мышкина

(из исходных данных вычтено значение 200).

Естественно, что внешние признаки как бы «хаотичности» поведения диска не могут считаться объективными. Это подтверждается расчетом коэффициента Херста (рисунок 3). Большинство значений коэффициент превышает 0,5. Это означает, что поведение диска определяется некоторыми закономерно действующими факторами. Н.П. Мышкин предполагал, что эти факторы относятся к гидрометеорологическим, и в своей работе привел кривые изменчивости атмосферного давления и балла облачности. Однако как будет следовать из дальнейшего рассмотрения, современный анализ этого не подтверждает.

 

Рис3.gif 

 Рисунок 3 – Изменчивость коэффициента Херста для всего ряда исходных данных.

Значения Н рассчитаны при окне в 40 значений и шаге 1.

Тем не менее, в ряде случаев наблюдается «спад в хаос». Это характерно для периодов: август 1900 г. (точка ~50+20 дней),  декабрь-начало января 1901 г. (в области точки 499+20 дней), а также более слабые – для периода июль-сентябрь  1901 г. и июль1902 г. (точка 740+20).

Естественно, интересны причины таких «спадов в хаос». В первую очередь были проверены сейсмические события для этих периодов. Однако такие события отсутствовали.

Значительно больший интерес вызвал анализ изменчивости солнечной активности. Для периода наблюдений за диском характерно сильное уменьшение значений чисел Вольфа. Были использованы среднемесячные значения (рисунок 4).

 

Рис4.gif 

 

Рисунок 4 – Среднемесячные значения чисел Вольфа с 1995 г. по 1904 г.

Период наблюдений за положением диска выделен на рисунке зеленым цветом.

«Спад в хаос» наблюдается при пониженных значениях чисел Вольфа:  для первой точки примерно 7,1; для второй выделенной точки – 0,5÷0,4. В июле-сентябре 1901 г.  солнечная активность падала до 1,2÷0,9, в июле 1902 г. – до 1,5. Однако не при каждом падении среднемесячных значений чисел Вольфа происходил «спад в хаос» – здесь можно отметить точки: декабрь 1901 г., а также  февраль и апрель 1902 г.

Основной вывод, который следует из этого небольшого анализа, следующий. Повороты диска действительно связаны с воздействием внешнего фактора, закономерный характер проявляется при повышенных значениях солнечной активности, а «спад в хаос» – при ее резком уменьшении. При этом сама по себе солнечная активность, выражаемая числами Вольфа, не является таким фактором. Существует некоторый физический фактор, индикатором изменчивости которого являются числа Вольфа.

Анализ внутренних периодичностей, обнаруженных в исходных временных рядах положения подвижного диска, выполнен по периодограммам.

На рисунке 5 представлена периодограмма для длиннопериодной области, построенная по исходным данным.

Рис5.gif 

Рисунок 5 – Периодограмма исходного ряда положений подвижного

диска (длиннопериодные составляющие). По оси абсцисс – периоды (сутки),

по оси ординат – значения (усл. единицы).

Видны ярко выраженные пики для периодов длиной 183 дня – первый пик, 114 и 91день – второй, двойной пик, 70 и 61 день – третий и четвертый пики, а также множество более мелких периодов и их семейств, которые тоже являются значимыми.

На рисунке 6 представлена периодограмма короткопериодных составляющих.

 

Рис6.gif 

 

Рисунок 6 – Периодограмма исходного ряда положений подвижного

диска (короткопериодные составляющие). По оси абсцисс – периоды (сутки),

по оси ординат – значения (усл. единицы).

Среди значимых короткопериодных составляющих первая группа пиков 43 и 36,5 суток, затем следует пара пиков с малой дисперсией, относящихся к группе так называемого «солнечного мультиплета»(27±2 суток), затем – 13-14 суток, которые обычно также относят к «солнечным». Семейства пиков в области «недельных» периодов могут быть обусловлены как влиянием Солнца (секторная структура межпланетного магнитного поля), так и естественными синоптическими периодами в тропосфере.

Выделенные пики на периодограммах очень близки к космическим ритмам, известным из литературных источников [1]. Сопоставление характерных периодичностей представлено ниже.

Анализ предположений Н.П.Мышкина о влиянии на диск тропосферных факторов (балла облачности и атмосферного давления).

Аналогичный спектральный анализ был нами выполнен по изменчивости тропосферных факторов за период наблюдений за диском. Исходные данные в работе [1] представлены в виде кривых. После оцифровки данные были проанализированы. Результаты анализа с выделенными периодичностями и значениями функции когерентности на близких пиках представлены в таблице 1. Серой заливкой выделены близкие периоды, для которых была рассчитана функция когерентности.

 Таблица 1. Сопоставление выявленных периодичностей в изменчивости 

положения диска и атмосферных факторов.

 Табл1.gif

Таким образом, предположения Н.П.Мышкина не подтверждаются. Хотя и есть близкие периодичности, например в области «солнечного мультиплета», но значения функции когерентности для выделенных периодов слишком малы – 0,1÷0,4.

Анализ связи колебаний положения диска с космогеофизическими факторами. Учитывая сделанные  оценки по изменчивости коэффициента Херста, можно полагать, что диск подвержен влиянию солнечной активности и геомагнитных возмущений. Чтобы выяснить наличие таких связей, целесообразно воспользоваться рядами чисел Вольфа за период времени наблюдений и данными по геомагнитной возмущенности, в качестве которых был использован  индекс С9.

Индекс С9 эквивалентен планетарному суточному индексу Ср, который численно определяется как верхний уровень магнитной активности из суммы 8-ми планетарных амплитуд Ap. Индекс Спересчитывается в шкалу 0-9 баллов из диапазона Ср – 0÷2,5.

На рисунке 7 представлены периодограммы анализируемых рядов. Для наглядности значения на периодограммах были пропорционально изменены (умножением на подобранные коэффициенты).

 Рис7.gif 

Рисунок 7 – Совокупные периодограммы анализируемых рядов.

 На периодограммах отчетливо выделяются близкие пики. Наиболее значимые из них (уровень значимости 0,05÷0,1) представлены в таблице 2.  Для этих близких периодов были рассчитаны значения кросс-спектров и функции когерентности.

 Таблица 2. Характеристики кросс-спектров и значений функций когерентности для рядов чисел Вольфа, положений подвижного диска и индекса С9 .

  Табл2.gif

Примечание. Естественно, что десятые и сотые доли суток здесь даны как «оценочные» – реально при среднесуточных исходных данных они не имеют никакого значения.

Из приведенной таблицы следует, что для большинства выявленных близких периодов значения функции когерентности существенно превышают 0,6, что приводит к выводу о более значимой связи процесса колебаний положения диска с космогеофизическими факторами – солнечной активностью и геомагнитной возмущенностью. Наиболее выражена связь в области «солнечного мультиплета» и на более длинных периодах. Что же касается короткопериодной области, то такая связь устойчива вплоть до периодов 5-7 суток. Однако, как уже отмечалось выше, недельные периоды могут быть обусловлены как влиянием Солнца (секторная структура ММП), так и естественными синоптическими процессами – это требует дополнительного специального анализа.

Следует также отметить, что значения функции когерентности могут быть высокими для кросс-спектра «числа Вольфа-диск» и низкими для аналогичного кросс-спектра «диск-индекс С9» и наоборот. Но какие-либо выводы из этого пока делать затруднительно.

При этом представляется чрезвычайно важным тот факт, что наблюдения за диском производились при сильном спаде солнечной активности (см. рисунок 4). А в ряде случаев (см. анализ детерминированности) даже при «спаде в хаос» колебаний положения диска, что, конечно, не могло не сказаться на выявлении периодичностей.

Анализ фазовых сдвигов.

Представляет несомненный интерес анализ фазовых особенностей связи исследуемых явлений. Фазовые сдвиги определяются при расчете кросс-спектров. Дополнительно для наглядности и восприятия физического смысла нами произведена узкополосная фильтрация рядов с выделением отдельных характерных периодов.

На рисунке 8 показана синхронизированная изменчивость колебаний чисел Вольфа (красная линия) и подвижного диска (черная линия) с периодом, близким к 14 суткам. Наглядно видно отставание диска примерно на 4 сутки по отношению к изменениям солнечной активности. На рисунке 9 показано аналогичная синхронизированная изменчивость колебаний индекса С9 (лиловая линия) и диска (черная линия). Здесь наблюдается близкий к синхронному характер кривых.

Рис8.gif 

Рисунок 8 – Синхронизированные колебания чисел Вольфа и подвижного диска,

выделенные узкополосной фильтрацией. Фазовый сдвиг примерно 4 суток.

 

Период 14 суток выбран как наиболее показательный – это так называемая r- мода собственных колебаний Солнца. Он является вторым по значимости из так называемых мезоритмов (например [1]) и позволяет выделить наиболее вероятный фактор, воздействующий на диск. Этот фактор обусловлен солнечной активностью и действует с задержкой в 4-5 суток по отношению к оптически наблюдаемой активности. При этом практически отсутствует сдвиг по фазе между колебаниями диска и геомагнитной возмущенностью. Это приводит к предположению, что на диск действует тот же «солнечный ветер», который вызывает также геомагнитные возмущения. Т.е. действует поток высокоэнергетических частиц.

Рис9.gif 

 

Рисунок 9 – Синхронизированные колебания индекса С9 и подвижного диска,

выделенные узкополосной фильтрацией. Фазовый сдвиг практически отсутствует.

В работе [1] даются оценки скорости этого потока. Средняя скорость примерно 400 км/с, однако она меняется в довольно широких пределах по данным из [1] – от 156 км/с до 1020 км/с. Для средней скорости то время, за которое частицы долетают до Земли, получается равным примерно 4,5 суток. Это согласуется с данными рисунка 8.

Кроме рассмотренных фрагментов представляет интерес полная характеристика колебаний с периодом 14 суток за все время наблюдений. Она показана на рисунке 10. Здесь отчетливо выделяется длиннопериодная амплитудная модуляция. Основной ее причиной,  по-видимому, является изменчивость среднего значения солнечной активности (черная кривая), однако полного «отслеживания» колебаниями диска  (синяя кривая) и геомагнитной возмущенностью (красная кривая) здесь не наблюдается.

 Рис10.gif 

 

Рисунок 10 – Синхронизированные колебания подвижного диска (синяя линия), чисел Вольфа (черная линия) и индекса С9 (красная линия). Выделенный период – 14 суток.

Обсуждение результатов. 

Выполненный анализ показывает, что основным фактором, воздействующим на колебания подвижного диска в установке Н.П.Мышкина, являются изменения солнечной активности. Причем, эти колебания диска являются преимущественно детерминированными и лишь при сильном уменьшении солнечной активности становятся хаотичными.

Эта зависимость предполагает наличие некоторого действующего физического фактора, индикатором изменчивости которого являются числа Вольфа. Перебор возможных факторов, а также данные по фазовым сдвигам, приводят к выводу, что наиболее вероятным фактором является поток высокоэнергетических частиц в «солнечном ветре».

Близость изменчивости колебаний диска и геомагнитных возмущений не является физически оправданной, поскольку в установке Н.П.Мышкина были применены только немагнитные материалы (слюда, натуральный шелк, алюминий). Кроме того, вариации индукции при геомагнитных возмущениях, как правило, не превышают 1000 нТл, а индукция магнитного поля Земли составляет 50 000 нТл. Соответственно, возмущения не превышают 2 %.

Нами был рассмотрен теоретический механизм (модель) влияния высокоэнергетических частиц на диэлектрические торсионные системы. Здесь эта модель не представлена, чтобы избежать превышения объема.

Библиографический список:

1. Владимирский Б.М., Темурьянц Н.А., Мартынюк В.С. Космическая погода и наша жизнь. – Фрязино: «Век 2», 2004.-224 с.
2. Мышкин Н.П. Движение тела, находящегося в потоке лучистой энергии//Журнал русского физического общества.—1906.—вып.3,т.38.— С. 149- 185.
3. Селиванов М.Н., Фридман А.Э., Кудряшова Ж.Ф. Качество измерений. Метрологическая справочная книга.– Л.: Лениздат, 1987.– 295 с.
4. Е. Федер. Фракталы.– М.: Мир,1991.– 670 с.




Рецензии:

5.04.2017, 19:56 Хведелидзе Леонардо Леванович
Рецензия: Хведелидзе Леонардо. Статья интересная. В нем приведен исторический анализ проблемы. Нуждается в некотором доработке, что дело будущых исследований. В целом работа выполнено в высоком научном уровне и думаю можно опубликоват в научном журнале. Желаю удачу.

17.04.2017, 18:30 Мирмович-Тихомиров Эдуард Григорьевич
Рецензия: Интересная работа со всех сторон. Рецензент однако не разобрался, где измерения Н. П. Мышкина начала 20-го века анализируются, а где - собственные авторов статьи. Может, как-то более чётко обозначить? Авторы справедливо подчёркивают "неблагонадёжность" связи циклонических вихрей на Солнце, движущихся по его диску в течение нескольких оборотов, в виде т.н. "солнечных пятен" и тем более условного их отображения в виде округляющих всю эту деятельность чисел Вольфа и других индексов солнечной активности. Ни поток радиоизлучения на различных частотах, ни геомагнитная активность, ни хромосферная вспышечная активность с этими числами не коррелирует в суточном, десятидневном и, порой, даже в полумесячном окне. Проникать до поверхностных высот могут лишь нейтроны, нейтрино и микроколичество некоторых мезонов. Напрасно ли или нет проделывался такой тщательный анализ с фильтрами и фракталами - решение авторов. Но рецензент считает статью интересной для опубликования, хотя на его замечание по принадлежности измерений стоит обратить внимание. С уважением.

18.04.2017 12:12 Ответ на рецензию автора Степанюк Иван Антонович:
Ответ рецензенту. Мы очень благодарны рецензенту за положительное мнение о нашей работе. В нашей статье мы не смогли отразить все существующие оценки экспериментов Н.П.Мышкина. Эти оценки появились как после его доклада и соответствующей публикации (например, скептическая оценка известного физика П.Н. Лебедева «Еще раз по поводу наблюдений проф. Н.П.Мышкина», 1909 г.), так и некоторые оценки, сделанные в настоящее время (работы А.Г.Пархомова, В.В.Насонова, «Дельта» В.Беляева и др.). Известны попытки анализа, например: Клочек Н.В., Паламарчук Л.Э., Никонова М.В. Ретроспективный анализ результатов эксперимента Н.П. Мышкина по обнаружению торсионного компонента излучения Солнца //Корреляции биологических и физико-химических процессов с космическими и гелиогеофизическими факторами. Сборник работ.— Пущинский Научный Центр РАН.—1996.—с.136—137. Обзор этих ра-бот и их анализ требуют значительного объема, что для публикуемой статьи непозволи-тельно. В статье анализируются данные только самого Н.П. Мышкина. Они опубликованы в 1906 г. Причем, анализировались только среднесуточные значения, указанные тоже Н.П.Мышкиным. Данные по числам Вольфа и индексам С9 найдены нами в архивах. Наши собственные результаты требуют написания отдельной статьи. Естественно, с описанием нашей установки. Наши оценки физического механизма воздействия тоже требуют написания отдельной статьи. Надеемся, что все это будет сделано. С глубоким уважением И.А.Степанюк, Е.Н. Черняк

18.04.2017, 18:31 Мирмович-Тихомиров Эдуард Григорьевич
Рецензия: Тогда что это: "Поскольку мы воспроизвели подобную конструкцию, содержащую слюдяной диск на шелковой подвеске, но помещенный в вакуумированные условия (во избежание конвекции), и получили с его помощью интересные результаты [4]...". Можно ли понять, как повлияло усовершенствование конструкции слюдяного диска на поведение гидробионтов? А это? "Следует пояснить, что наши улучшения состояли не только в том, что диск располагался в вакуумированной камере, но еще в полной автоматизации измерений – регистрация производилась с помощью персонального компьютера. Тем самым, были сняты многие упреки в адрес результатов Н.П. Мышкина...". И где же эти собственные результаты. Иначе, для чего описывать свои коррективы в установку Мышкина? Дорогие авторы, это не ответ на вопросы рецензента, хоть он и рекомендует статью к опубликованию.
19.04.2017 19:19 Ответ на рецензию автора Степанюк Иван Антонович:
Ответ на вторичные замечания рецензента. Чтобы избежать неясности, мы откорректировали текст с учетом замечаний рецензента. Мы исключили ссылку на нашу собственную конструкцию установки. Ссылка была сделана с единственной целью – пояснить, почему мы заинтересовались задачей анализа данных Н.П.Мышкина современными статистическими методами. Описание же нашей собственной установки и полученных с ее помощью результатов требует значительного объема. Но объем статей в журнале ограничен правилами. Мы постараемся подготовить отдельную статью и отправить ее в журнал в ближайшее время. С глубоким уважением Степанюк И.А., Черняк Е.Н.

20.04.2017, 16:16 Мирмович-Тихомиров Эдуард Григорьевич
Рецензия: Устранив ссылку на гидробионты и их реакцию на торсионные поля, надо бы и номер подвинуть и пр. К публикации рекомендуется.
20.04.2017 18:18 Ответ на рецензию автора Степанюк Иван Антонович:
Спасибо! А мне показалось, что я ее сдвинул. Значит, еще не все умею. Сейчас сдвинута. С глубоким уважением! И.А.Степанюк

23.04.2017, 8:19 Мирмович-Тихомиров Эдуард Григорьевич
Рецензия: Статья может быть опубликована.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх