Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
https://wos-scopus.com
Научные направления
Поделиться:
Статья опубликована в №47 (июль) 2017
Разделы: Физика, Науки о Земле
Размещена 23.07.2017. Последняя правка: 24.07.2017.

Эффекты вариаций отсчетов «кварцевого» времени в условиях Антарктиды

Степанюк Иван Антонович

доктор физико-математических наук, профессор

Российский государственный гидрометеорологический университет

профессор кафедры океанологии

Черняк Елена Николаевна, научный сотрудник, Российский государственный гидрометеорологический университет. Курило Александр Сергеевич, инженер, Российский государственный гидрометеорологический университет. Александров Дмитрий Юрьевич, инженер, Российский государственный гидрометеорологический университет


Аннотация:
В статье анализируются экспериментально выявленные эффекты импульсных возмущений отсчетов времени по кварцевым часам (23 шт.). Возмущения определялись сравнением с отсчетами времени системы GPS. Дискретность наблюдений составляла 8 часов с автоматической фоторегистрацией в условиях Антарктиды (ст. Новолазаревская). Синхронно регистрировались потоки нейтронов из-под Земли. Обрабатывались только возмущения, зафиксированные не менее чем в два срока, и с отклонениями, превышающими 1с. Выявлено отсутствие синхронности в возмущениях часов. Длительность возмущений более 16 часов приводит к предположениям о воздействии на кварцевые резонаторы часов «земных» факторов. Анализируется наиболее вероятный из них – нейтронные потоки из-под Земли.


Abstract:
The disturbance effects of time keeping during the experiments with the quartz watches (23 things) are described in the article. The disturbance effects have been determined in comparison with GPS System time keeping. Temporal resolution of the observations was 8 hours. During the experiments in the Antarctic conditions (Novolazarevskaya Station) the automatic photographic method of registration was used. The fluxes of neutrons out of the Earth were synchronously recorded. Only the disturbances with the variations of 1 sec., fixed rather than two times per date, were processed. The absence of synchronism of time disturbances has been revealed. The long-lasting disturbances (more than 16 hours) lead to the suggestion that the Earth factors play the main role in the disturbances of the quartz watch resonators. The more probable factor – the fluxes of neutrons out of the Earth – is analyzed in the article.


Ключевые слова:
кварцевые резонаторы; часы; Антарктида; возмущения; система GPS; нейтронные потоки из-под Земли.

Keywords:
quartz resonators; watch; Antarctic; disturbances; GPS System; fluxes of neutrons under from the Earth.


УДК 53.09

Введение. В работе [6] были описаны первые эксперименты, проводившиеся с кварцевыми механизмами отсчета времени. Эксперименты проводились в Антарктиде (ст.Новолазаревская). Регистрировались отклонения так называемого «компьютерного времени» от времени спутниковой системыGPS. Отклонения в отсчетах времени представляли собой короткие импульсы. При этом, естественно, исключались какие-либо единичные «сбои» в электронных схемах часов –  регистрировавшиеся импульсы отклонений составляли доли секунды. Все это позволило предполагать влияние на кварцевые резонаторы часов космических факторов.

Конечно, это вполне уместное предположение, но только для очень коротких импульсов «компьютерного времени». Ведь воздействующий фактор, остающийся условно «неподвижным» на небосводе, действует на кварцевый резонатор очень малых размеров, который, собственно, и задает «компьютерное время».

 Автору в работе [6]  удалось связать импульсные искажения с гравитационными возмущениями в системе Солнце-Земля-Луна. Причем, в работе [6] не утверждается, что гравитационные возмущения являются основой физического механизма воздействия. Можно предполагать, что они всего лишь индикатор вариаций некоторого иного физического фактора космогеофизической природы.

Импульсные возмущения «компьютерного времени» описаны также в работах [1,7], при этом в работе [1] предпринята попытка поиска связи между этими сигналами и положением некоторых звезд и радиопульсаров, в частности, с восходами звезд Процион и Бетельгейзе и др., и с положением радиопульсаров, например, 0434-188 и некоторых других.

Однако в этих работах  выявление сигналов производилось одиночными детекторами. В некоторых экспериментах использовалось до двух детекторов, но существенно разнесенных по пространству. Применительно к проблеме поиска физических механизмов подобных воздействий целесообразно применить группу одинаковых детекторов, расположенных в одном месте.

В соответствии с этим нами были предприняты длительные эксперименты в тех же условиях (Антарктида, ст. Новолазаревская), где в качестве датчиков был использован набор кварцевых часов (23 шт), размещенных в одном месте.

Методика экспериментов. Набор кварцевых часов помещался в термоизолированные бокс 1, закрытый стеклянной крышкой (рис. 1). Рядом располагался блок 2 регистрации времени GPS. Температура в лаборатории контролировалась термометром 3.

Отсчеты автоматически фиксировались фотокамерой, в поле зрения которой попадали все блоки экспериментальной установки. Регистрация производилась с дискретностью 8 часов.

Эксперименты выполнялись в два этапа. Первый этап длился с 14.05.05 по 26.01.06 включительно, предварительные результаты описаны в нашей совместной работе [4]. Второй этап – с апреля 2009г. по декабрь 2009 г. О результатах кратко сообщалось в работе [5].

рис.1.jpg

Рисунок 1 – Экспериментальная установка

 

Методика обработки. Автоматизировать процесс обработки практически невозможно, поэтому отсчеты с фотографий заносились в таблицы, затем определялись отклонения. Из-за большой трендовой составляющей данные пропускались через полосовой фильтр Поттера. При этом, естественно, происходило некоторое сглаживание «выбросов». Это заметно на приводимых далее фрагментах данных. Кроме устранения тренда исключались единичные (один срок)  всплески. В результате обработки формировались ряды «выбросов» у всех часов. Эти выбросы детектировались (по аналогии с электронным детектированием). На рис.2 показан вид вариаций отсчетов по одним часам за длительный период времени.

 Отклонения отсчетов времени по часам от времени GPS в большинстве случаев не  были синхронными. На рис. 3 показан фрагмент регистрации по нескольким часам. У часов под номером 20 отмечается отклонение до 4 с, длившееся двое суток   (29-30.10.2005 г). На остальных часах в этот период «выбросов» не было. Позже, с 01.11. до 03.11.2005 г., отмечается небольшой квазисинхронный  набор отклонений практически по всем часам, кроме № 21.

На рис. 4 показан еще один фрагмент, где фиксировались как несинхронные, так и квазисинхронные возмущения. Совокупность несинхронных возмущений на этом фрагменте длилась 4 суток (с 23.11.2005 г. до 27.11.2005 г), квазисинхронные (кроме часов 11) возмущения (справа) длились почти 6 суток (07-12.11.2005).

 

рис.2.jpg

Рисунок 2 – Характеристики профильтрованных и детектированных отклонений

отсчетов времени. Данные 2005 г. за длительный период наблюдений. Часы №20.

 

рис.3.jpg 

Рисунок 3 – Фрагмент регистрации данных по нескольким часам из всего набора.

Обозначения кривых соответствуют номерам часов.

 

Наличие возмущений интерпретировалось как «события». За весь период наблюдений 2005 г. было зафиксировано 52 «события».

Анализировать все события по отдельности не представляется возможным. Была предпринята попытка связать эти события с «выбросами» нейтронов из-под Земли.

 

 рис.4.jpg

 

 

Рисунок 4 – 2-й фрагмент регистрации данных по нескольким часам из всего набора.

Обозначения кривых соответствуют номерам часов.

 

Анализ. Анализ данных приводит к выводу, что в зарегистрированных возмущениях не может действовать чисто космический фактор, как это предполагается в работах [1,2,3]. В наших экспериментах  каждое возмущение («выброс») длится не менее 16 часов. Остается предполагать влияние только геофизических факторов.

Была предпринята попытка связать появляющиеся возмущения с нейтронными потоками из-под Земли (от нижней полусферы). Для анализа использовались данные нейтронного монитора, разработанного в НИИЯФ МГУ им. М.В.Ломоносова под руководством Б.М.Кужевского. Дискретность отсчетов по монитору – 1 мин. Ожидать наличие прямых связей было маловероятно, поэтому данные по отклонениям отсчетов всех часов («события») сравнивались с суммарными «выбросами» по нейтронному монитору за период каждого «события». «Выбросы» нейтронов нормировались относительно фонового уровня.

На рис. 5 нанесены обобщенные данные за 2005 г. Практически по всем «событиям» наблюдается связь, однако изменчивость явно в противофазе. Рассчитанный коэффициент корреляции составил (-0,51) при критическом (-0,37).

 

рис.5.jpg 

Рисунок 5 – Сравнение осредненных по «событиям» данных в экспериментах 2005 г.

Обозначения: 1 – суммарные отклонения времени всех часов от времени GPS;

2 – суммарные нормированные «выбросы по нейтронному монитору за те же «события».

 

 

Данные за 2009 г. объединялись не по «событиям», а по декадам. Подсчитывалось суммарное количество возмущений по всем часам (в секундах) и сравнивалось с суммарным количеством «выбросов» по нейтронному монитору, нормированному по отношению к фону (рис.6).

 рис.6.jpg

Рисунок 6 ­– Сравнение декадных данных за 2009 г. Обозначения: 1- суммарные за декады

отклонения отсчетов времени по всем часам; 2 – суммарные за те же декады «выбросы»

 нейтронов.

 

В этих данных прослеживается аналогичная закономерность – обе кривые в противофазе. Это также подтверждается расчетом кросскорреляционной функции (рис.7). Максимальное значение функции равно (- 0,43) при нулевом сдвиге. При этом Rкрит= 0,39.

 рис.7.jpg

 

Рисунок 7 – Кросскорреляционная функция отклонений часов и «выбросов» нейтронов.

Обозначения: ось абсцисс – сдвиг; 1 – кросскорреляционная функция; 2 – критические

значения коэффициентов корреляции.

 

Кроме того, при анализе данных за 2009 г. были рассчитаны отдельные коэффициенты корреляции для положительных и для отрицательных отклонений показаний часов. Использовались такие же  декадные данные. Выявились существенные различия – коэффициент корреляции для отрицательных отклонений составил (-0,45), а для положительных – (-0,19) при критическом значении (-0,39). То есть получается, что в результате воздействия искомого внешнего фактора ход часов преимущественно замедляется. Поскольку ход часов формируется частотой кварцевого автогенератора, то замедление хода означает уменьшение частоты. Это, в свою очередь, может быть обусловлено увеличением эквивалентной емкости кварцевой пластины как резонатора.

 

Физический механизм. Хотя нейтроны обладают высокой проникающей способностью и могут проникать внутрь часов, но проведенный анализ не подтвердил прямого воздействия потока нейтронов на резонаторы. 

Предполагаемый нами механизм основан на том, что на кварцевые резонаторы воздействуют вторичные частицы, образующиеся при столкновении нейтронов с ядрами атомов, например, в атмосфере между поверхностью земли и экспериментальной установкой. Подобные эффекты столкновений в атмосфере с выбросом вторичных частиц известны для космических лучей (например [3]). Они получили название «широких атмосферных ливней» (ШАЛ). В таких ливнях среди вторичных частиц постоянно присутствуют γ-кванты. Они  также обладают высокой проникающей способностью.

Известно (например [2]), что при «проколе» диэлектрика γ-квантами в нем формируются заряженные области. Это некоторые зарядовые «ловушки», поскольку из-за малой проводимости диэлектрика заряд рассасывается длительное время. Тогда получается непротиворечивая феноменологическая модель.

Заряженная «ловушка» представляет собой емкость, величина которой определяется отношением заряда к потенциалу. Как следует из данных работы [2], такие «ловушки» могут быть сфероидальными либо линейными – это зависит от энергии воздействующей частицы. В настоящее время отсутствует возможность оценить возникающие при этом заряды и, соответственно – изменения эквивалентной емкости кварцевого резонатора. От этой емкости  напрямую зависит частота автоколебаний кварцевого генератора.

В настоящее время можно оценить, насколько долго могут удерживаться в «ловушках» появившиеся заряды.

Оценим время релаксации заряда, используя выражение из работы [2]:
рис.8.jpg

 где        ϭ – проводимость материала;

εотн – относительная диэлектрическая проницаемость материала;

ε0 – электрическая постоянная;

L – толщина образца;

R – длина «пробега» электронов в образце.

Принимая для пластинки кварца средние значения:

εотн = 5-10; L= 10-3 м; ϭ= 10-15 Ом-1∙м-1, R«L и, используя ε0=8,85 10-12 Ф/м, получим время релаксации от 12 до 24 часов.

Здесь следует отметить, что проводимость увеличена по сравнению со справочной  -(10-16 Ом-1∙м-1) из-за того, что кварцы в часах не вакуумированы и, соответственно, существуют утечки через воздух. При ϭ= 0,5 ×10-15 Ом-1∙м-1 время релаксации возрастает до 24÷48 часов.

Таким образом получается, что заряды в «ловушках» могут удерживаться до нескольких суток. При этом никак нельзя исключать, что «заряжающие» частицы воздействуют «в одиночку».

Учитывая столь значительное время релаксации, нельзя полностью исключать воздействие космических факторов, например, протонов от Солнца, особенно во время солнечных вспышек. Как уже отмечалось выше, столкновение протонов с ядрами атомов атмосферы Земли приводит к формированию потока вторичных частиц – широких атмосферных ливней. Нами был сделана попытка анализа связи вариаций отсчетов кварцевого времени с интенсивностью потока протонов. Однако эта попытка оказалась неудачной – связь не проявилась. Анализировалась также возможность связи с температурой установки. Коэффициенты корреляции составил порядка 0,01÷0,02 за разные годы, т.е. здесь связь тоже отсутствовала. Была проанализирована связь с метеорологическими характеристиками – связь также оказалась на порядок меньшей критических коэффициентов корреляции. Доверительная вероятность расчета коэффициентов задавалась 0,95.

Обсуждение. Учитывая полученные результаты, можно считать весьма перспективным физический механизм влияния на кварцевые пластины  зарядовых «ловушек» с соответствующим изменением эквивалентной емкости резонатора. Для более углубленного изучение рассмотренных эффектов необходима постановка специальных экспериментов. Такая возможность в настоящее время отсутствует.

Несомненно, что выявленные эффекты представляют не только академический интерес, поскольку в очень многих современных технологиях требуется использование высокоточных систем отсчета времени на кварцевых резонаторах.

Библиографический список:

1. Горшков Э.С. и др. Детектирование импульсного космофизического излучения //Биофизика, 2000.– Т.45, вып. 5.– С. 947-949.
2. Громов В.В. Электрический заряд в облученных материалах.– М.: Энергоиздат, 1982.– 111 с.
3. Лушев Ю.Г. и др. Физика верхней атмосферы Земли.– Изд-во Мин. обороны СССР, 1973.– 350 с.
4. Степанюк И.А., Курило A.C. Влияние космогеофизических факторов на кварцевые системы отсчета времени. В сб. Космогеофизические и гидрофизические факторы в морских технологиях. Под ред. проф. И.А. Степанюка.– СПб.: Астерион, 2008.– С. 59-66.
5. Степанюк И.А. и др. Особенности влияния космогеофизических факторов на диэлектрические системы. В сб.: Тезисы 8-й международной крымской конференции.– Судак, Крым, Украина, 2009.– С. 132-133
6. Шаповалов С.Н. Принципы физической индикации космогеофизических экологических факторов неэлектромагнитной природы.– Автореф. дисс. на соиск. уч. степ.канд. техн. наук. – СПб.: РГГМУ, 2003.
7. Шаповалов С.Н. и др. Случайные флуктуации в показаниях измерительных приборов: эффекты космогеофизического влияния //Биофизика 2001.- Т.46, вып.5.- С. 819-822.




Рецензии:

27.08.2017, 0:34 Мирмович Эдуард Григорьевич
Рецензия: Проделана определённая и в отдельных отношениях тщательная работа. Эффектные ли, ошеломляющие ли результаты или скромные - роли не играет. Рецензент не возражает против публикации данной статьи уважаемых авторов. Все аспекты научной статьи соблюдены. С уважением.



Комментарии пользователей:

23.07.2017, 13:39 Мирмович Эдуард Григорьевич
Отзыв: Рецензент пока выражает лишь свои соображения и потому рецензии не даёт. Нейтронные потоки из-под поверхности земли вне сейсмически активных мест и залежей актинидов - вопрос нетривиальный. Значит ли, что, если бы экспериментаторы установили комплект часов прямо на поверхность, то данные были бы другие? Работа на уровне претензий на открытие и потому должна быть отрецензирована тщательно. Давний друг рецензента Олег Александрович Трошичев с командой пробовал "на зуб" этот вопрос, но у них нейтроны, могущие вносить в атомный спектр дисперсионные девиации, всё же космофизические, атмосферные. Тем более быстрые нейтроны из земли, а не тепловые - не общепринятое явление. Сравнить бы представленные результаты с данными, полученными на Камчатке, Памире, Байкале!!! Литература несколько не по формату (запятые, первый автор и др.). Проверить и поправить ошибки и описки типа: "рабатах [1,2,3]"; "влияния на кварцевые формирование зарядовых «ловушек» с соответствующим изменением эквивалентной емкости резонатора"; "Таким образов получается" т.д.


24.07.2017, 13:10 Степанюк Иван Антонович
Отзыв: Авторы благодарны рецензенту за проявленный интерес к нашей работе. Замеченные в тексте досадные оплошности устранен С глубоким уважением Степанюк И.А.


Оставить комментарий


 
 

Вверх