Behavior of the principal components of the vertical component of the Earth's electric field strength, spectrally l.pdf Введение В предыдущих работах [1-5] с использованием анализатора спектра собственных векторов и компонент сигнала [6, 7] (айгеноскопа) в вертикальной составляющей электрического поля Земли были обнаружены ранее не наблюдавшиеся компоненты, спектрально локализованные на удвоенных частотах обращения - гравитационно-волновых частотах) релятивистских двойных звездных систем (РДЗС). Айгеноскоп - прибор, осуществляющий адаптивное представление сегментов временного ряда на конечном (заранее заданном) интервале анализа в ортонормированном базисе собственных векторов ковариационной матрицы, вычисляемой на ансамбле (выборке) сегментов анализируемого временного ряда. Структура собственных векторов, задающих ортонормированный адаптивный базис айгеноскопа, заранее не известна и определяется свойствами ковариационной матрицы анализируемого временного ряда. Однако известно, что последовательности любых двух разных главных компонент (коэффициентов разложения по собственным векторам) некоррелированы. Это не означает, что последовательности квадратов разных главных компонент (текущие мощности главных компонент) также будут некоррелированы. В настоящей работе приведены новые результаты изучения коллективного поведения текущих мощностей главных компонент, собственные векторы которых спектрально локализованы на гравитационно-волновых частотах 43 РДЗС из списка Джонстона [8]: - обнаружен эффект синхронного изменения текущей мощности главных компонент; - показано, что распределение интервалов времени, на которых наблюдается синхронное увеличение мощностей спектрально локализованных компонент, согласуется с распределением во времени сильных землетрясений; - выдвинута гипотеза о наличии некоторого (пока неизвестного) физического агента, синхронно влияющего на электрическое поле Земли на гравитационно-волновых частотах и на активизацию сейсмической активности. Методика исследования Исследовались текущие мощности главных компонент временных рядов на трех станциях наблюдения: Воейково, Душети, Верхнее Дуброво, имеющих длительность 100000 ч. Все исследованные временные ряды имели время дискретизации 1 ч. Анализ велся с использованием спектроайгеноскопа [6, 7] на интервале 1000 ч и сводился к следующему: 1. Для каждого из исследуемых временных рядов вычислялась траекторная матрица, содержащая полную последовательность (сдвигаемых на 1 ч) сегментов исследуемого временного ряда. 2. По траекторным матрицам вычислялись ковариационные матрицы (КМ) исследуемых временных рядов, имеющие размер 1000×1000. 3. Для КМ вычислялись собственные векторы (СВ) и собственные значения (СЗ). 4. Для набора СВ каждой КМ вычислялись амплитудные спектры СВ с использованием быстрого преобразования Фурье. Для повышения спектрального разрешения каждый собственный вектор дополнялся справа 15000 нулевых отсчетов. 5. Из списка Джонстона были отобраны 43 РДЗС с малым эксцентриситетом (те же, что и в работах [1-5]). Для этих РДЗС вычислялись удвоенные частоты обращения - далее список гравитационно-волновых частот (СГВЧ-43). 6. Для наборов СВ каждой из КМ трех анализируемых временных рядов строился индекс, в которых для каждой частоты СГВЧ-43 указывались номера СВ, спектрально локализованные на этой частоте. СВ считался спектрально локализованным на заданной частоте, если эта частота попадала в окрестность 0.707 от максимума нормированного амплитудного спектра СВ. 7. Для каждой частоты СГВЧ-43 и 100000 часового отрезка каждого временного ряда вычислялись главные компоненты (ГК), соответствующие отобранным спектрально локализованным на этой частоте СВ. Так получались 100000 часовые ряды ГК. Временной ряд мощности ГК, спектрально локализованных на заданной частоте СГВЧ 43, получался путем суммирования квадратов временных рядов ГК. 8. Для каждого из сорока трех временных рядов мощностей спектрально локализованных (на частотах СГВЧ-43) компонент определялась медиана, с которой последовательно сравнивались значения отсчетов временного ряда. На основании такого сравнения формировались временные ряды, в которые в случае превышения отсчетом медианного значения записывался отсчет, равный единице, а в случае непревышения - нулю. В результате были получены сорок три бинарных временных ряда, для каждого временного ряда мощности спектрально локализованной компоненты - свой бинарный ряд. 9. Бинарные ряды складывались и таким образом получался временной ряд общего числа превышений медианы, значение которого показывает (для каждого часа) число превышений мощностями спектрально локализованных компонент медианных значений. 10. Значения временного ряда общего числа превышений медианы сравнивались с заданным порогом; моменты времени, в которые наблюдались превышения, интерпретировались как моменты аномального поведения, случайное возникновение которых (в соответствии со схемой Бернулли) крайне маловероятно. 11. Выборки для аномальных моментов времени, в которые наблюдалось массовое синхронное превышение медианных значений (мощностями спектрально локализованных компонент), подвергались дальнейшему анализу с целью выявления причин наблюдаемого эффекта. Результаты исследования Для анализа коллективного поведения мощностей ГК, спектрально локализованных на частотах списка СГВЧ-43, использовалась схема испытаний Бернулли. Для этого каждый из временных рядов мощностей компонент, спектрально локализованных на частотах СГВЧ-43, преобразовывался во временной ряд успехов по схеме испытаний Бернулли (с вероятностью успеха 0.5). Для этого вычислялась медиана мощности каждого временного ряда мощностей ГК и каждый дискрет ряда (дискрет за дискретом) сравнивался со значением медианы. Если наблюдалось превышение медианы, то в ряд успехов по схеме испытаний Бернулли записывалась единица, если нет - то нуль. Таким образом, 43 ряда мощностей ГК преобразовывались в 43 ряда превышений медианы мощности. Сумма 43 рядов успехов дает временной ряд, в который для каждого часа наблюдения мощностей спектрально локализованных компонент записано число зафиксированных превышений медианных значений. Максимальное значение величин в этом ряде - 43 (все мощности спектрально локализованных компонент выше медианных значений), минимальное - 0 (все мощности ниже медианных значений). Число успехов в схеме независимых испытаний Бернулли подчинено биномиальному закону. На рис. 1 представлен график (полулогарифмический масштаб) вероятности наблюдаемого числа успехов в серии из 43 независимых испытаний Бернулли с вероятностью успеха 0.5. Как видно из графика, вероятность с ростом числа успехов в серии быстро убывает и при числе успехов больше 35 принимает значения от 10-6 до 10-12. Рис. 1. Вероятность заданного числа успехов (полулогарифмический масштаб) в схеме Бернулли (вероятность успеха 0.5) Рис. 2. иллюстрирует поведение мощности одной из главных компонент на станции Воейково, а на рис. 3. показан график числа успехов, получаемый на той же станции для всех 43 частот СГВЧ-43. На рис. 4 и 5 приведены аналогичные графики для станций Душети и Верхнее Дуброво. Рис. 2. Иллюстрация определения факта превышения медианы мощностью ГК № 22 на станции Воейково Рис. 3. Зависимость числа успехов в схеме Бернулли для станции Воейково Рис. 4. Зависимость числа успехов в схеме Бернулли для станции Душети Рис. 5. Зависимость числа успехов в схеме Бернулли для станции Верхнее Дуброво Рис. 6 показывает, насколько невероятно было бы наблюдение числа успехов, представленных на рис. 3 - 5, если бы главные компоненты были независимы. При получении этих графиков число успехов для каждого момента времени было заменено на вероятность этого числа успехов в случае независимости испытаний (см. рис. 1). Рис. 6. Зависимость от времени вероятности наблюдаемого числа успехов на станциях Воейково, Душети, Верхнее Дуброво для случая, если бы главные компоненты были независимы На рис. 7 показаны распределения реально наблюдаемого числа успехов с распределением Бернулли для случая независимых испытаний. Как видно из графиков, главные компоненты обнаруживают взаимозависимое (коллективное) поведение как в случаях превышения медианных значений, так и в случае замираний главных компонент, когда они «дружно» становятся ниже своих медианных значений. Рис. 7. Сравнение вероятностей числа успехов для схемы испытаний Бернулли (пунктирные линии) и числа превышений медианных значений мощностями спектрально локализованных на СГВЧ-43 компонент (сплошные линии) для станций Воейково (а), Душети (б), Верхнее Дуброво (в) Рис. 8. Сравнение оценок плотностей вероятностей моментов возникновения аномалий (больше 37 превышений медианы главных компонент на СГВЧ-43) и землетрясений из списка [9] на одном и том же временном сегменте длительностью 100000 ч. Параметр сглаживания 15 лет. Станция наблюдения: Воейково (а), Душети (б), Верхнее Дуброво (в) По отдельности текущие мощности главных компонент не обнаруживают более или менее ожидаемое поведение. Так, глубина их замираний (как отношение в дБ дециля 0.9 к децилю 0.1) на станции Воейково меняется от 10.8 дБ (минимальное значение) до 25.0 дБ (максимальное значение) при медианном значении глубины 14.5 дБ. Для станции Душети - 12.3 дБ (минимум), 24.4 дБ (максимум), 16.1 дБ (медиана), а для станции Верхнее Дуброво - 10.3 дБ (минимум), 23.3 дБ (максимум), 15.2 дБ (медиана). Отметим, что неожиданно частое наблюдение (например, большего чем 30-40) числа успехов является свидетельством того, что успехи не являются независимыми друг от друга, т.е. в моменты наблюдения такого числа успехов действует некоторый фактор (физический агент влияния), отвечающий за такое поведение. Естественно, природа такого физического агента влияния не может быть выяснена в рамках данного исследования, но сам факт его наличия может служить отправной точкой для его сопоставления с другими фактами. Сопоставим распределение во времени периодов неожиданно большого числа успехов с распределением во времени землетрясений (рис. 8), данные о которых позаимствованы из [9]. Рис. 8 иллюстрирует сказанное. На рисунке в виде сплошной линии показаны ядерные оценки моментов времени, для которых мощности более 37 (из 43) главных компонент превышали свои медианные значения, а остальные линии - ядерные оценки плотности вероятностей моментов землетрясений из [9]. Графики демонстрируют некоторую согласованность поведения - на всех трех станциях наблюдения, что позволяет выдвинуть гипотезу о возможном присутствии некоторого физического (пока не идентифицированного) агента, который приводит как к изменению мощностей главных компонент, спектрально локализованных на СГВЧ-43, так и к изменению глобальной сейсмической активности. В связи с выдвинутой гипотезой отметим три примечательных обстоятельства: 1. В соответствии с данными [8] использованный в настоящей работе СГВЧ-43 принадлежит релятивистским двойным звездным системам, создающим по отношению к Солнечной системе более или менее разнонаправленное гравитационное воздействие. 2. Модель воздействия гравитационных волн от релятивистских двойных звездных систем на электрическое поле в тропосфере, приведенная в [5], предполагает, что гравитационные волны, воздействуя на Солнечную систему, приводят к возмущению орбиты Земли, перемещая ее поверхность по отношению к совокупному электрическому заряду в сферическом резонаторе «Земля - ионосфера Земли», приводящему к спектрально локализованным на СГВЧ-43 вариациям вертикальной составляющей электрического поля Земли. 3. Известны модели, связывающие воздействие гравитационных волн с глобальной сейсмической активностью [10-12]. Сопоставление приведенных обстоятельств со сформулированной гипотезой заставляет задуматься о прохождении Солнечной системы при ее пространственно-временных эволюциях через области пространства, сравнимые с диаметром орбиты Земли, заполненные «агентом», вызывающим замирания мощности ГВ-излучения до 30 дБ. Заключение 1. На частотах СГВЧ-43 наблюдаются массовые синхронные превышения медианных значений мощностями главных компонент. Такие аномальные моменты времени сопровождаются появлением когерентных составляющих ГВЧ, проявляющихся в заметном уменьшении коэффициентов вариации главных компонент. 2. Распределение аномальных моментов времени (моментов времени появления в главных компонентах когерентных составляющих на гравитационно-волновых частотах) согласуется с моментами регистрации сильных землетрясений. 3. Причины наблюдаемого явления и его корреляты подлежат пристальному дополнительному исследованию. Можно высказать некоторые предположения относительно природы наблюдаемых эффектов. Гравитационно-волновое воздействие (ГВ-воздействие) - это единственный в природе всепроникающий фактор - этим он отличается от других видов гравитационного воздействия. Это также периодический и постоянно действующий фактор в природе. Благодаря всепроникающему свойству он действует на все уровни Земли (атмосфера, кора, ядро). В силу этих свойств, несмотря на энергонедоминирующий характер ГВ, они могут играть роль накапливающего (так как их действие постоянно) и запускающего механизма астро- и геофизических процессов, например, сейсмических. Обнаруживаемые нами аномалии в поведении амплитуды Еz Земли в приземном слое на частотах ГВ-излучения 43-х РДЗС, совпадающие по времени с зонами повышенной сейсмической активности Земли, могут подтверждать накапливающий вследствие постоянного действия и запускающий механизм воздействия ГВ на те напряжения, которые формируются, например, в земной коре. Таким образом, ГВ-воздействие можно рассматривать как накапливающий и пусковой механизм астро- и геофизических процессов.

Скачать электронную версию публикации