Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
https://wos-scopus.com
Научные направления
Поделиться:
Разделы: Физика, Науки о Земле
Размещена 27.10.2017. Последняя правка: 28.10.2017.

Вариации отсчетов «кварцевого времени» - поиск космофизических факторов влияния

Степанюк Иван Антонович

доктор физико-математических наук, профессор

Российский государственный гидрометеорологический университет

профессор кафедры океанологии

Черняк Елена Николаевна, научный сотрудник, Российский государственный гидрометеорологический университет; Александров Дмитрий Юрьевич инженер, Российский государственный гидрометеорологический университет


Аннотация:
Анализируются результаты сравнения отсчетов времени по набору кварцевых часов (12 шт.) в Антарктиде (ст. Новолазаревская) с отсчетами времени системы GPS. Наблюдения выполнялись непрерывно в течение 161 суток с дискретностью 8 часов (483 значения). Установлена значимая связь вариаций с радиоизлучением Солнца на некоторых частотах из диапазона 245-8800 МГц. Оцениваются возможности прямого и опосредованного влияния радиоизлучения на характеристики кварцевых резонаторов часов.


Abstract:
Analyzes the results of a comparison of lap times on the dial quartz hours (12 PCs) in the Antarctic (Novolazarevskaya station) with the time the GPS system. The observations were carried out continuously for 161 days with a resolution of 8 hours (483 value). Established a significant relationship with the variations of solar radio at some frequencies from a range 245-8800 MHz. Estimated direct and indirect effects of radiation on the characteristics of quartz resonators watch.


Ключевые слова:
кварцевые часы; система GPS; сравнение отсчетов времени; радиоизлучение Солнца.

Keywords:
quartz watch; GPS system; compare lap times; solar radio.


УДК 53.09 

Введение. В нашей предыдущей работе [3] рассматривались эффекты вариаций «кварцевого времени» в условиях Антарктиды, полученные в экспериментах 2005 г. и  2009  г. Был проведен анализ выявленных «всплесков» в показаниях кварцевых часов. Сравнение осуществлялось с показаниями времени спутников системы GPS. «Выбросы» кварцевых часов группировались либо по «событияи» (2005 г.) либо по декадам (2009 г.). Анализировалась связь данных по «выбросам» с нейтронными потоками из-под Земли. Полученные коэффициенты корреляции превышали критические, значимый максимум кросс-корреляционной функции выявлен только при нулевом сдвиге. Однако значения корреляции получились отрицательными. В связи с этим в работе была предложена гипотеза воздействия на кварцевые резонаторы вторичных частиц, формирующихся при столкновении нейтронов с атомами атмосферы. Взаимодействие вторичных частиц с кварцевой пластинкой приводит к возникновению в ней электрических зарядов, которые изменяют эквивалентную емкость кварцевой пластины как резонатора.

При этом были рассчитаны возможные времена релаксации таких зарядов. Они получились до суток и более. Соответственно, в работе высказывалось предположение, что в таком случае нельзя исключать влияние космофизических факторов, т.е. факторов, не преобразуемых в какие-либо другие факторы в результате взаимодействия с земной атмосферой. Здесь полезно отметить, что использованный в работе [3] термин космогеофизические факторы предполагает подобное преобразование в земной атмосфере, либо наличие самостоятельных геофизических, например – гидрометеорологических, источников.

Проблема импульсных «выбросов» кварцевых часов не является «умозрительной». В работе [2] анализировались «выбросы» часов системы ГЛОНАСС относительно системного времени. Для примера ниже  (рис. 1) показан вид подобных «выбросов». Соответственно, актуальность выявления физических факторов, влияющих на кварцевые резонаторы в системах отсчета времени является несомненной. Тем более, если такие влияющие факторы обладают определенной универсальностью.

 рис.1.png

Рисунок 1 –  Сдвиг шкалы времени КА ГЛОНАСС №12 относительно системного времени. CLK файлы – это данные из финального CLK-файла, подготовленного International GNSS Service (IGS), и из эфемеридной информации, передаваемой со спутника (из работы [2]).

Анализ влияния космофизических факторов. Естественно, что «выбросы» КА ГЛОНАСС существенно меньше, чем выявленные нами, поскольку в наших экспериментах использовались очень простые («дешевые») часы, плохо защищенные от внешних влияний.

Экспериментальная установка описана в нашей предыдущей работе [2]. Она содержала набор кварцевых часов, размещенных в закрытой стеклянной крышкой секции. Рядом располагался блок регистрации сигналов GPS. Показания регистрировались цифровой фотокамерой с дискретностью 8 часов.

В экспериментах 2009 г. регистрировались отсчеты по  12 часам.

Для анализа связи с космофизическими факторами использовались данные, пропущенные через полосовой фильтр Поттера. Это позволило устранить трендовые составляющие, которые присутствовали у всех часов, а также исключить высокочастотные составляющие.

На рис.2 показан пример изменчивости отклонений «кварцевого времени» от времени GPS после фильтрации. Квазипериодичность вариаций позволяет предполагать их «неслучайность».

  рис.2.png

Рисунок 2 – Пример отфильтрованных вариаций «кварцевого времени» за весь период наблюдений 161 суток (483 усл. ед. при дискретности 8 часов). Часы №1. Параметры фильтра: нижняя граница – 24 часа, верхняя граница – 400 часов.

Для оценки детерминированности процесса вариаций нами был применен расчет фрактальной размерности D, которая определяется как D=2-H, где  H – коэффициент Херста.

Как известно из теории фракталов [5], если коэффициент Херста превышает значение 0,5, то процесс имеет персистентное (поддерживающее) поведение, т.е. детерминирован. Если коэффициент меньше 0,5, то процесс считается хаотичным.

Расчеты коэффициента Херста были выполнены по оригинальной программе HERST. Пример такого расчета показан на рис.3.

«Спад в хаос» наблюдается только в самом начале периода наблюдений и примерно на 105 сутки.

Такие расчеты для остальных часов показали аналогично высокую детерминированность вариаций. Здесь следует отметить, что изменение параметров фильтра (например, изменение нижней границы до 48 часов) мало меняет характер изменчивости коэффициента Херста – «спады в хаос» характерны примерно для тех же суток.

 рис.3.png 

Рисунок 3 –  Изменчивость коэффициента Херста для часов №1 за весь период наблюдений (483 значений). Параметры расчета: окно – 40 значений, шаг – 3 значения.

 В нашей работе [3] рассмотрен механизм, обусловленный взаимодействием высокоэнергетических частиц с диэлектрической пластиной кварцевого резонатора часов. При этом образуются зарядовые «ловушки», которые меняют эквивалентную емкость резонатора и, соответственно, его резонансную частоту.

  Поскольку рассчитанные в работе [3] значения времени релаксация в таких зарядовых «ловушках» могут достигать нескольких суток, то было отмечено, что при поиске физических факторов влияния нецелесообразно пренебрегать прямым космофизическими факторами.

При поиске таких факторов получилось следующее.

Изучалась прямая связь вариаций «кварцевого времени» с потоком протонов при солнечных вспышках. Использовались данные по потокам протонов, заимствованные с сайта   NOAA[7]. Однако какие-либо устойчивые связи не были обнаружены. Результаты отражены в нашей работе [4].

При расширенном поиске возможных космофизических факторов, способных влиять на «кварцевое время», выявилась неожиданная связь с радиоизлучением Солнца в некоторых частотных диапазонах. Данные по радиоизлучению Солнца были получены также с сайта NOAA[7].   Анализ проводился по всем часам. Рассчитывались коэффициенты корреляции.

В таблице 1 представлены коэффициенты корреляции между вариациями отсчетов времени по всем 12-ти часам и характеристиками радиоизлучения на различных частотах.

Эта связь наглядно показана на рис. 4. Наиболее высокие коэффициенты корреляции выявлены с радиоизлучением на частоте 2800 МГц (длина волны 10,7 см). В таблице эта строка выделена синим цветом. На рис.3 указаны также значения доверительных интервалов, рассчитанные для доверительной вероятности 0,95.

Также проводилась проверка коэффициентов корреляции на значимость (существенность) при  значении коэффициента Стьюдента 1,98, числе степеней свободы более 120 и доверительной вероятности 0,95 (таблица 2).

 Таблица 1  

 частота

Часы 1

Часы 2

Часы 3

Часы 4

Часы 5

Часы 6

Часы 7

Часы 8

Часы 9

Часы 10

Часы 11

Часы 12

245 MHz

0.20

0.20

0.19

0.22

0.19

0.21

0.21

0.15

0.22

0.22

0.25

0.13

410 MHz

-0.05

-0.04

-0.08

-0.07

-0.08

-0.03

-0.05

-0.09

-0.08

-0.05

-0.08

-0.04

610 MHz

-0.11

-0.05

-0.21

-0.13

-0.19

-0.03

-0.13

-0.23

-0.17

-0.13

-0.22

0.02

1415 MHz

0.22

0.27

0.04

0.19

0.06

0.32

0.17

-0.02

0.12

0.14

0.04

0.32

1421 MHz

0.14

0.16

0.12

0.15

0.11

0.17

0.16

0.13

0.13

0.10

0.10

0.20

2695 MHz

0.17

0.22

0.05

0.15

0.05

0.23

0.14

0.00

0.09

0.10

0.03

0.23

2800 MHz

0.44

0.49

0.25

0.41

0.27

0.53

0.36

0.18

0.33

0.28

0.23

0.59

4995 MHz

0.25

0.08

0.08

0.08

0.07

0.07

0.08

0.08

0.08

0.08

0.08

0.06

8800 MHz

0.02

0.02

-0.05

0.01

-0.01

0.06

0.01

-0.10

0.05

0.06

-0.01

-0.08

 

 рис.4.png

Рисунок 4 – Характеристика связи вариаций «кварцевого времени» с интенсивностью радиоизлучения Солнца на различных частотах.

Таблица 2 

частота

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

245 MHz

2.60

2.62

2.52

2.88

2.42

2.76

2.74

1.90

2.82

2.93

3.32

1.70

410 MHz

0.62

0.45

0.96

0.85

0.98

0.38

0.62

1.14

0.96

0.64

0.95

0.48

610 MHz

1.38

0.66

2.69

1.65

2.44

0.33

1.65

3.05

2.19

1.70

2.93

0.29

1415 MHz

2.84

3.71

0.47

2.49

0.76

4.39

2.22

0.31

1.51

1.77

0.48

4.47

1421 MHz

1.85

1.99

1.49

1.87

1.36

2.18

1.99

1.70

1.66

1.22

1.22

2.61

2695 MHz

2.25

2.83

0.65

1.87

0.64

3.01

1.82

0.05

1.13

1.27

0.43

2.98

2800 MHz

6.79

8.11

3.41

6.17

3.71

9.20

5.17

2.26

4.54

3.73

2.97

11.20

4995 MHz

3.39

0.96

0.96

1.01

0.93

0.92

0.97

1.00

0.96

1.00

1.03

0.77

8800 MHz

0.19

0.21

0.69

0.07

0.14

0.72

0.08

1.28

0.57

0.69

0.12

1.07

 

Из таблицы следует, что рассчитанные значения tRǀ/ϭR (отношение модуля коэффициента корреляции к среднеквадратическому отклонению) превышают критическое значение коэффициента Стьюдента для всех часов на частоте 2800 МГц (10,7 см). Для некоторых часов (1,2,4, 6, 12) существенная связь выявляется с радиоизлучением на частотах 1415 МГц и 2695 МГц. При этом сами значения коэффициентов корреляции здесь очень малы (табл.1). Аналогично высокая значимость коэффициентов корреляции у большинства часов наблюдается с интенсивностью радиоизлучения на частоте 245 МГц и также при весьма небольших значениях коэффициентов корреляции (табл.1).

 

Спектральные особенности. Поскольку ряды вариаций после фильтрации носят квазипериодический характер (рис.2) и детерминированы (рис.3), то представляет интерес спектральный анализ рядов. На рис. 5 представлена периодограмма отфильтрованных значений вариаций времени по часам № 1.

  рис.5.png

Рисунок 5 – Пример периодограммы вариаций отсчетов времени. Часы № 1. Параметры фильтра: нижняя граница – 24 часа, верхняя граница – 400 часов.

Здесь выделены значимые пики на некоторых периодах. Наибольший интерес вызывает «недельный» и «двухнедельный» периоды. Они характерны для Солнца (см. например [1]) и могут быть, например, связаны с секторной структурой межпланетного магнитного поля.

Обсуждение.

1. Несомненно, что некоторые низкие значения коэффициентов корреляции еще не являются свидетельством отсутствия связи. Они могут быть обусловлены нелинейным характером этой связи.

2. Предполагать прямое воздействие радиоизлучения на характеристики кварцевых резонаторов малоперспективно. Во-первых, из-за очень малых мощностей радиоизлучения Солнца (при радиовсплесках – до 1000 СЕП, что соответствует потоку мощности 10-19 Вт∙м-2). Во-вторых, из-за различия размеров резонаторов и длин волн радиоизлучения. В-третьих, из-за очень большого различия частот радиоизлучения и частоты резонаторов.

3. По-видимому, радиоизлучение может рассматриваться только как индикатор некоторого иного физического механизма, который пока остается неизвестным. Высказанное нами в работе [3] предположение о воздействии на резонаторы высокоэнергетических частиц с последующим формированием зарядовых «ловушек», имеющих  длительный период релаксации, представляется наиболее вероятным.

4. Также следует отметить обсуждаемую в работе [6] идею физического Z-фактора, излучаемого при  вспышках на Солнце. Z-фактор предшествует оптически наблюдаемым вспышкам и формирует так называемый эффект Вельховера-Чижевского. В работе [6] высказано предположение, что физической основой Z-фактора является микроволновое излучение Солнца (в работе оно названо ультрарадиоволновым излучением).

Библиографический список:

1. Владимирский Б.М., Темурьянц Н.А., Мартынюк В.С. Космическая погода и наша жизнь. – Фрязино: «Век 2», 2004.-224 с.
2. Куршин А.В. Повышение точности определения местоположения потребителей ГЛОНАСС путем увеличения частоты закладок временной информации на спутники. – «Электронный журнал "Труды МАИ"» №57, 2012
3. Степанюк И.А., Черняк Е.Н., Курило А.С., Александров Д.Ю. Эффекты вариаций отсчетов «кварцевого» времени в условиях Антарктиды //Электронный периодический рецензируемый журнал «SCI-ARTICLE.RU». – 2017. – № 47. – С.144-154.
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. Федер Е. Фракталы.– М.: Мир, 1991.– 670 с.
6. Чижевский А.Л. Об одном виде специфически биоактивного или Z-излучения Солнца.– В сборнике: Чижевский А.Л. Космический пульс жизни. Раздел: Гелиотараксия.– М.: «Мысль», 1995.– С. 725-738.
7. Электронный ресурс. Режим доступа: https://www.ngdc.noaa.gov/stp/space-weather/solar-data/solar-features/solar-radio/radio-bursts/tables, свободный.




Рецензии:

27.10.2017, 22:32 Чуев Анатолий Степанович
Рецензия: Статья представляет научный и познавательный интерес. Новизна и достоверность приводимых данных не вызывает сомнений. Рекомендую к публикации.

28.10.2017, 17:51 Ивлев Виктор Иванович
Рецензия: Может быть опубликовано

29.10.2017 12:12 Ответ на рецензию автора Степанюк Иван Антонович:
Авторы благодарны рецензентам за проявленный интерес и положительное мнение о нашей работе.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх