Научни приноси на доц дтн Явор Чапанов в публикациите за конкурса за академичната длъжност “професор” в ниггг

Представените трудове са свързани тематично с глобалните научни проблеми на специалността “Обща, висша и приложна геодезия” с шифър 02.16.01, а именно с изучаването на гравитационното поле, размерите и формата, параметрите на въртене и ориентцията на Земята. Повечето от трудовете са интердисциплинарни, свързани със сродни науки като геофизика, геодинамика, астрономия, астрометрия, слънчева активност и слънчево-земни връзки, климатични промени, хидрология и средно морско ниво, палеонтология и глациология - поради необходимостта от анализ и интерпретация на наблюдаваните изменения във времето на редица параметри и величини на гравитационното поле и въртенето на Земята. Основните научни направления, по които е работено в представените трудове са следните:

- Скорости и координати на лазерните станции за наблюдаване на ИСЗ [26, 30];

- Нелинейни изменения в координатите на VLBI станциите [35, 55];

- Скорост на движение на плочата по меридиана за Геодезическа обсерватория Плана [44];

- Вариации на координатите на полюса на въртене на Земята [45];

- Нутация на оста на въртене на Земята [9, 10, 45];

- Определяне на свободната нутация на ядрото на Земята (FCN) [25];

- Интерактивни трансформации между Земните и небесните координатни системи [2].

3. Изменения на гравитационното поле на Земята

- Обработка и анализ на измерванията със свръхпроводящи гравиметри [5, 7, 27];

- Определяне на зоналните приливи [17];

- Изменения на главните инерчни моменти на Земята [29, 37, 38, 50, 53];

- Колебания на посоката на тежестта, предизвикани от локалните вариации на гравитационното поле [1, 3, 4, 6, 8, 14, 22, 23, 33, 34, 36, 47];

- Вариации на масовия център на Земята [12];

- Обща 5.5год. цикличност в колебанията на посоката на тежестта на Плана и земното ускорение в Брюксел [22, 46];

- 3год. цикличност в колебанията на посоката на тежестта на Плана и възможна връзка със засилване на сеизмичната активност [22, 46].

- Изменения в скоростта на въртене на Земята LOD [15, 51];

- Вариации на UT1 [4, 6, 13, 17-21, 28, 29, 32, 37-40, 46, 51-54, 56, 57].

5. Влияние на слънчевата активност върху вариациите на гравитационното поле и въртенето на Земята

- Влияние на десетилетните слънчеви цикли върху въртенето на Земята [4, 13, 18, 19, 28, 29, 32, 39, 40]

- Влияние на столетните слънчеви цикли върху въртенето на Земята [52, 56, 57];

- Влияние на десетилетните слънчеви цикли върху гравитационното поле [4, 7, 14, 34];

- Връзка между магнитното и гравитационното поле на Земята [47].

6. Влияние на климата върху вариациите на въртенето на Земята

- Изменения на средното морско ниво (MSL) [16, 24, 28, 29, 32, 37-40, 50-54, 56, 57];

- Явленията Ел-Ниньо и Южното колебание (ENSO) [21];

- Изменения на континенталния полярен лед [29, 37, 38, 39, 50, 51, 53].

- Слънчева активност и хидроложки цикличности [49, 59];

- Влияние на систематичните грешки в климатичните редове за ъгловите моменти на атмосферата и океана при определяне на параметрите на въртене на Земята [20, 58];

8. Реконструирани временни редове на въртенето на Земята чрез палеоданни

- Реконструирани временни редове на универсалното време чрез палеоданни за измененнията на слънчевата константа (Total Solar Irradiance - TSI) за последните 9300 години [56, 57];

- Реконструирани временни редове на универсалното време, LOD и главните инерчни моменти на Земята чрез палеоданни за измененнията на средното морско ниво (MSL) за последните 800 хил. години [37, 51, 53].

9. Нови методи за обработка на геодезични, гравиметрични и астрометрични наблюдения [5, 27, 11, 48, 60].

10. Интердисциплинарни връзки между Астроинформатиката, Геодезията и други геонауки [23, 31, 41, 42, 43, 46, ]
II. По-важни приноси в представените трудове

1. Скорости и вариации на координатите на наблюдателните станции от Глобалната земна координатна система (ITRF):

Подобрен e методът за оценяване на параметри в последната версия – 4.1 на програмния комплекс SLRP за обработка на лазерните наблюдения на ИСЗ. Използвани са слаби ограничения на решението за някои параметри, които премахват линейните зависимости и съответните особености в нормалната матрица - за фиксиране на координатната система, за систематичните грешки на измерените разстояния до спътниците и систематичните грешки на часовниците. За колокираните станции се оценяват еднакви скорости, за станциите с къси наблюдателни редове не се определят скорости, както и за станциите за които координатите са определяни в две епохи. Подобрен е алгоритъмът за премахване на зависимостта между дължината на възходящия възел на спътника и универсалното време. За стабилизиране на общото решение се въвежда обединяване на двете оценки за втората и четвъртата зонални хармоники на земния гравитационен потенциал J₂ и J₄ като се оценява комбинацията J₂ + 0.037 J₄. Новата версия на програмата дава възможност за по-добра сходимост на междинните оценки към средните им стойности и за изследване на по-широк спектър от взаимните връзки между явленията в природата [26].

Определени са параметрите на тектонските движения на континенталните плочи (ъглови скорости и ротационни центрове) с използване на две програми за обработка на лазерните наблюдения на спътниците Лагеос – SLRP4.1, създадена в ЦЛВГ и GEODYN II, създадена в NASA/GSFC. С програмата SLRP4.1 са обработени 1 834 478 наблюдения на спътниците Lageos-1 за периода 1984 – 2003 и Lageos-2 за периода 1993 – 2003, а с програмата GEODYN II са обработени лазерните наблюдения за тригодишен интервал от време. Извършените сравнения на параметрите на тектонските движения на континенталните плочи показват че получените оценки по двете програми са много близки. Установено е че използването на лазерните наблюдения от тригодишни интервали от време са достатъчни за определяне на тектонските движения на континенталните плочи с достатъчна точност, което ще позволи да се определят вариациите на тези движения във времето [30].

Установена е връзка между 11 и 22 годишните цикли на слънчевата активност и нелинейните изменения на координатите на VLBI станциите за периода 1983-2009. Изгладените дългопериодични вариации на координатите на VLBI станциите и хордите межди тях корелират с изгладените изменения на индекса на екваториалната слънчева асиметрия и геомагнитния индекс АА. Установена е връзка между вариациите в положението на VLBI станциите и климатичните изменения, представени чрез индексите на Ел-Ниньо (ENSO) и засушаването (PDSI - Palomar Drought Severity Index), при която се забелязва обръщане на фазите през 5 до 8 години. Тези резултати показват, че деформациите на земната повърхност, дължащи се на слънчевите цикли с посредници геомагнитни и климатични изменения имат преобладаващ локален ефект [35,55].

Оценена е скоростта на движение на континенталната плоча по меридиана за Геодезическа обсерватория Плана чрез използване на перманентните астрономически наблюдения на географска ширина със зенитен телескоп Zeiss 135/1750 за периода 1987.5-2010.5 [44]. Получената оценка +11.62.8мм/а съвпада с определенитe величини на базата на съвременните високоточни геодезически GPS измервания в непосредствена близост до обсерватория Плана през периода 1997.5-2009 [44].

2. Вариации на параметрите на ориентация на Земята; звездни каталози за астрометричните наблюдения на универсално време и ширина

Определени са групите от зависими колебания с период на биене по-голям или равен на 18.6 години в прецесионно-нутационния модел IAU 2000A и е предложен модел за едновременно оценяване на коефициентите на нутационните членове от реалните съвременни наблюдения в интервал от време 18.6 години [9]. Определени са 23 нутационни членове на прецесионно-нутационния модел IAU 2000A, чиито коефициенти може да се оценяват задоволително чрез съществуващите дълги редове астрометричните наблюдения [10].

Създаден е модел за оценяване на параметрите на свободната нутация на ядрото на Земята (RFCN) с използване на VLBI наблюдения, разделени в три интервала от време: 1984.0-1991.0, 1991.0-2000.7, и 2000.7-2007.7, като се оценяват хармоничните коефициенти и линейния тренд за всяка част. Получени са оценки за амплитудата на RFCN около 0.2mas за периода 1984-1991, 0.1mas за 1991-2000.7 и 0.15mas за 2000.7–2007.7. Установена е необходимостта от разделно оценяване на параметрите на RFCN по координатите X и Y [25].

Определен е работен каталог на астрономични плаки за подходящи звезди за астрометрични наблюдения в периода 1890-1992 с помощта на Базата данни за широкоъгълни фотографични астрономически наблюдения (БДФШАН) (www.skyarchive.org). Установено е че броят на астрономичните плаки, съдържащи дадена звезда, варира от 100 до над 2000 за различните участъци от небесната сфера в зависимост от разстоянието до центъра на плаката. [42, 43]. Създаден е смесен модел със симулирани наблюдения и реални измервания от БДШФАН за определяне точността при подобряване на астрометричните каталози. Моделирани са три случая на използване на дигитализираните астрономически наблюдения, съответсващи на различни нива на точността – 0”.5; 1” и 5” в зависимост от приложените методи за коригиране на систематичните грешки при оцифроване на фотографските плаки [43]. Получени са оценки в интервала oт 0.2mas/а до 1mas/а за точността на собствените движения на звездите за периода 1890-1992, определени чрез съществуващите астрометрични наблюдения и симулираните наблюдения, съгласно данните от БДШФАН [43]. Определени са средни координати и собствени движения на звездите от астрометричните наблюдения на универсално време и ширина през периода 1890-2008. Съставен е астрометричен каталог на 4418 звезди и звездни обекти EOС-4 с онлайн достъп. Астрометричният каталог ЕОС-4 е използван за определяне на параметрите на ориентация на Земята за периода 1900-1992 и за решаване на някои геодинамични задачи [45].

Оценени са параметрите на зоналните приливи с периоди под 35д. с използване на временния ред за универсалното време UT1, получен от решението С04 на Международната служба за въртене на Земята IERS. Получени са оценки за допълнителни членове на зоналните приливи, невключени в съществуващия модел. Установено е, че оценките за амплитудите на някои от зоналните приливи са значително по-големи от техните теоретични стойности поради смущения предизвикани от влиянието на ъгловия момент на атмосферата. [13, 17].

Определени са параметрите на сезонните и дългопериодичните колебания на геоцентъра с използване на решението на JPL за координатите на геоцентъра за периода 1991-2003. Установено е изместване на фазите на сезонните колебания на координатите на геоцентъра с постоянна скорост за някои периоди, което е индикатор за наличието на допълнителни колебания на геоцентъра с периоди между 0.973г и 1.151г. [12].

Създаден е модел за определяне на измененията на главния инерчен момент С на Земята, предизвикани от вариациите на слънчевата константа (Total Solar Irradiance - TSI) по време на 11 22 и 45 годишните цикли на слънчевата активност, последвани от допълнително изпаряване на вода от океаните и транспорт към полярните шапки на континенталния лед, предизвикващо намаляване на главния инерчен момент С [29, 38, 50]. Създаден е модел и са определени измененията на главните инерчни моменти на Земята, дължащи се на измененията в средното морско ниво MSL и ледените покривки върху континентите по време на заледяванията през последните 800 хиляди години [37, 53].

Определени са корелационни зависимости между слънчевата активност и вариациите на амплитудата и фазата на сезонните колебания на големината на земното ускорение в Брюксел чрез измерванията със свръхпроводящ гравиметър за перииода 1983-2000. Параметрите на сезонните колебания на земното ускорение в Брюксел са оценени в пълзящ прозорец с големина 2 години. Вариациите на амплитудата на сезонните колебания на ускорението в Брюксел корелират с изгладените числа на Волф за периода 1983.3-1992.5 с коефициент +0.94 и за 1987.7-1998.5 с коефициент +0.74. Вариациите на фазата на сезонните колебания корелират с изгладените числа на Волф за периода 1987.8-1999.5 с коефициент +0.76 [7].

Предложен е метод за интерполация на измерванията в едно денонощие със свръхпроводящи гравиметри с полиноми на Чебишов от 13-та степен, който апроксимира задоволително приливните изменения с периоди от 4 до 24 часа. Оценяването на коефициентите на полиномите на Чебишов с робастния метод на Хампел позволява да се филтрират устойчиво сеизмичните сигнали в преките измерванията с максимална амплитуда до 12V, предизвикани от земетресения в радиус до 500km от станцията и магнитуд до около 5.5. Препоръчва се ниво на срязване на шумовете 2mV, при което се избягват изкривявания на апроксимиращия полином от несиметрични сеизмични смущения [5].

Предложен е нов метод за определяне на коефициента на регресия за влиянието на атмосферата върху гравиметричните измервания, който е подходящ за използване при обработката на суровите еднодневни измервания със свръхпроводящи гравиметри. Чрез апроксимация с полиноми на Чебишов от 12-та степен са определени високочестотните неприливни остатъци на гравиметричните измервания и атмосферното налягане. Използва се филтрация на високочестотните шумове във временните редове на атмосферното налягане с 10-минутно осредняване, което води до намаляване на максималните грешки на коригираните измервания. Коефициенти на Чебишовата апроксимация и на коефициента на регресия за влиянието на атмосферата се оценяват по метода на Хампел. Уточняването на регресионният коефициент за влиянието на атмосферата се извършва чрез високочестотните неприливни остатъци на гравиметричните измервания и атмосферното налягане, които съдържат синхронни колебания с периоди до 4 часа. Методът е илюстриран чрез обработка на приливните измервания от свръхпроводящия гравиметър в станцията Канбера за 22.12.2002 [27].

Подобрен е методът за определяне на колебанията на посоката на тежестта предизвикани от локалните вариации на гравитационното поле с използване на наблюденията на географска ширина [1, 3, 6, 8, 11, 33, 36]. Включени са нови поправки към наблюденията със зенитен телескоп на обсерватория Плана за коригирането на систематични грешки. Използвани са робастни методи за оценяване и филтриране на отклоняващите се наблюдения, с което е постигната по-висока точност на оценяваните параметри [1, 3, 11]. Определени са десетилетните колебания на посоката на тежестта предизвикани от локалните вариации на гравитационното поле в обсерваториите Вашингтон, Гейтърсбърг, Китаб, Юкава, Мицузава, Полтава и др. за периода 1900-1992 и е показана връзка с измененията на слънчевата активност с периоди 11, 22 и 45 години [4, 14, 34]. Интерпретирани са колебанията на посоката на тежестта на обсерватория Плана, определени от двадесетгодишен наблюдателен ред на географска ширина, като са указани синхронните колебанията на посоката на тежестта на Плана и земното ускорение в Брюксел с период 5.5г. и възможната връзка между 3.5г. колебания на гравитационното поле и усилването на сеизмичната активност [22, 23, 46]. Установена е значителна корелация между изгладените изменения на геомагнитния индекс АА и дългопериодичните колебания на посоката на тежестта в обсерваториите Китаб, Пулково и Вашингтон за периода 1910-1992, при което се наблюдава нерегулярно обръщане на фазите на 180 градуса, дължащо се на влиянието на гомагнитната активност върху локалните климатични вариации, съпроводени с хидроложки и атмосферни изменения, влияещи на гравитационното поле [47].

Създаден е емпиричен модел на въртенето на Земята който апроксимира LOD от решението С04 на IERS със средна квадратна грешка 0.3мс и който включва ефектите от слънчевата активност с периоди 11 и 22 години, 6-годишните колебания на Земята, явлението Ел-Ниньо, сезонните колебания и приливите. Чрез този модел са разделени колебанията на LOD в различни честотни ленти, съответствуващи на колебанията на някои природни явления като слънчевата активност, десетилетните колебания на ядрото на Земята, явлението Ел-Ниньо, зоналните приливи и др. [15].

Установени са връзки между вариациите на въртенето на Земята, съглкасно решението С04 на IERS и някои природни явления. Установена е корелационна зависимост между десетилетните колебания на универсалното време и изгладените вариации на числата на Волф със средно закъснение 1.6г [11, 13], между вариациите на индекса ENSO и колебанията на въртенето на Земята с периоди между 2г и 5г със средно закъснение 0.6г. [13, 21], както и между 12-годишните колебания на универсалното време и обвивката на движението на полюса [13].

На базата на закона за запазване на ъгловия момент е създаден модел за определяне на вариациите във въртенето на Земята, породени от измененията във фигурата на Земята по врме на заледяванията през плейстоцена. Определени са дългопериодичните колебания във въртенето на Земята за последните 380000 години чрез използване на данните за средното морско ниво, определени чрез седиментите в Червено море. Реконструирани са временните редове на периодичните колебания на универсалното време UT1 и ексцеса на продължителността на денонощието LOD. Чрез данните за температурните аномаллии в анарктическата станция Восток са реконструирани временните редове за UT1 и LOD за последните 800000 години [51].

Оценени са ефектите от 11-годишните цикли на слънчевата активност [18, 19] и процесите в ядрото на Земята върху въртенето на Земята [19], като са разделени съответните хармонични колебания в универсалното време UT1 за периода 1750-2005г. Установено е че влиянието на ядрото върху 11-годишните цикли на въртенето на Земята е със стъпкова промяна на честотата във времето, като съответните периоди са 12.5г., 10.5г. и 11.0г. и почти постоянна амплитуда около 0.1с [19].

Установена е значима корелация между 22-годишните цикли на слънчевата активност и вариациите на универсалното време UT1 с коефициенти +0.71 за периода 1750-1950 и +0.86 за периода 1950-2005 и закъснение около 3 години; между 22-годишните цикли на геомагнитната активност и UT1 с коефициент +0.92 и закъснение около 5 години и между 22-годишните цикли на средното морско ниво в Стокхолм и UT1 с коефициент +0.82 и закъснение 4 години. Синхронните изменения на средното морско ниво с период 22г. може да обяснят 15% от наблюдаваната амплитуда на универсалното време, като останалите 85% следва да се отнесат към възможни резонансни ефекти на границата ядро-мантия [28].

Установена е връзка между 45-годишните колебания във въртенето на Земята и екваториалната асиметрия на Слънцето чрез временните редове на универсалното време UT1 за периода 1623.5-2005.5, числата на Волф за 1749-2008 и индекса на екваториалната асиметрия на Слънцето за 1874.4-2008.8, който е получен от съотношението между слънчевите петна от северната и южната полусфери на Слънцето. 45-годишните цикли на UT1 слънчевата асиметрия са определени чрез апроксимация на Фурие и отделяне на 5 хармоники с периоди между 34.8а и 54.7а за UT1 и 2 хармоники на слънчевата асиметрия с периоди 33.6a and 44.7a. Използвани са редове за 22-годишните колебания на числата на Волф, получени чрез алтерниране на знака на нечетните слънчеви цикли. Установена е корелация между 22-годишните цикли на числата на Волф и полуциклите на 45-годишните колебания на UT1. Установена е корелация между 45-годишните цикли на UT1 и слънчевата асиметрия с отместване равно на един слънчев цикъл около 11 години [32].

Създадени са модели за преноса на енергия от Слънцето към Земята по време на десетилетните цикли на слънчевата активност базиран на допълнителен пренос на изпарена вода от океаните към полярните шапки по време на слънчевия максимум, последван от намаляване на главния инерчен момент С и ускоряване на въртенето на Земята, съгласно закона за запазване на ъгловия момент [29, 39, 50]. Съгласно тези модели е установено че наблюдаваните 11 22 и 45 годишни изменения във въртенето на Земята с амплитуди 60-300ms за UT1 се дължат на периодични колебания на средното морско ниво с амплитуди съответно 3.3мм, 5.5мм и 4.6мм, предизвикани от изменения на слънчевата константа в интервала 0.2-0.5W/m² [50].

Създадени са модели на вековото влияние на слънчевата активност върху въртенето на Земята с основни периоди 180, 210 и 230 години с използване на временните редове на универсалното време UT1 за периода 1623-2005 и измененията на слънчевата константа за последните 1200 години. Най-добро съвпадение между кривите на UT1 и слънчевата константа се получава при модела с основен период 210 години, като е установено че пълния модел на вековите слънчево-земни връзки трябва да комбинира влиянията на трите основни периода [52, 57]. Определени са модели на линейна регресия между вековите колебания на универсалното време, средното морско ниво и слънчевата константа, които са използвани за реконструиране на вариациите на универсалното време за последните 9300 години [56]. Вековите колебания с близки честоти във въртенето на Земята с периоди в интервала 170-230 години са оценени и разделени с помощта на временни редове за вариациите на слънчевата константа и слънчевите петна през холоцена. Оценени са величините на периодите на основните векови колебания в слънчевата активност и въртенето на Земята: 183г., 208г. и 231г. Установено е че колебанията с тези периоди се отличават от хармониките на 2300 – годишния цикъл на Халщад. Определени са измененията на фазите и амплитудите на вековите колебания с периоди 183г., 208г. и 231г. в пълзящ прозорец с големина 2300 години. Установено е че през последните 4000 години доминиращо е колебанието с период 208г., а преди това колебанията с периоди 231г. и 208г. са с еднакви амплитуди и противоположни фази. Съществува негативна корелация между измененията на амплитудите на колебанията с периоди 183г и 208г. Тези резултати сочат към възможен общ източник на възбуждане на вековите колебания на слънчевата активност [56, 57].

5. Климатични промени, слънчева активност, глобално затопляне, систематични грешки в климатичните редове

Определени са периодичните и вековите вариации на средното морско ниво в Стокхолм за периода 1774-2001. Получени са оценки за прогресивно линейно покачване на средното морско ниво с годишни скорости 0.45mm/г за периода 1900-1930; 0.8mm/г за периода 1930-1970 и 1.4mm/г след 1970. Получени са оценки за амплитудите на сезонните и полугодишните колебания на средното морско ниво в Стокхолм. Определени са дългопериодични колебания на морското ниво с периоди 32г., 15г., 8.7г., и 5.5г., които са част от колебателна система с основни периоди 11г., 22г., и 45г., свързани с циклите на Волф, Швабе и екваториалната асиметрия на слънчевата активност. Определена е значителна негативна корелация между вариациите на изгладените месечни стойности на числата на Волф и колебанията на средното морско ниво в Стокхолм с периоди между 10.15г. и 11.76г. със средно закъснение 1.4г [16].

Оценени са периодичните колебания и годишната скорост на повишаване на средното ниво на Черно море от мареграфски данни. Получените оценки за амплитудата на сезонните изменения съвпада с оценките от други автори. Оценката за средната годишна скорост на повишаване на нивото на Черно море е +1.7±0.3мм/г. Направени са изводи, че бъдещо ускоряване на глобалния темп на повишаване на средното морско ниво ще настъпи в района на Черно море със закъснение от 1-2 столетия, като евентуално катастрофално повишение на средното ниво на Черно море ще бъде до голяма степен вследствие на хидроложките цикли в района, отколкото от топенето на полярните ледове в следващите столетия [24].

Установена е корелация между 11-, 22- и 45- годишните колебания на засушаването в Югоизточна Европа, представени чрез индекса Palmer Drought Severity Index (PDSI) и индексите на слънчевата активност. Създаден е модел за циикличността на сухите и дъждовните периоди за Югоизточна Европа през следващите 100 години [49].

Установено е значително влияние на слънчевите цикли върху локалните изменения на водните количества на реките Лом и Огоста в България и Аламоса и Рио Гранде в САЩ. Използвани се реални и реконструирани данни за Аламоса и Рио Гранде в периода 1750-2000г и реални данни за Лом и Огоста в периода 1961-2010. Дългопериодичните изменения на водните количества са сравнени с локалните за България и САЩ изменения на индекса PDSI, измененията на геомагнитният индекс АА, екваториалната асиметрия на Слънцето и 22-годишните цикли получени от числата на Волф. Установена е значителна корелация между дългопериодичните изменения на водните количества и слънчевите и климатични индекси, като в случая на геомагнитния индекс АА се забелязва обръщане на фазата на 180 градуса [59].

Създаден е метод за определяне на систематичните грешки в наблюдателните редове получени от обединяването на нехомогенни данни от различни станции и с различни епохи. Методът определя моментите на скокообразно изменение на средните величини на временните редове и големината на скоковете. Методът е нечувствителен към влиянието на периодичните компоненти в наблюдателните редове и усточиво оценява много малки систематични отклонения от средното, включително и в случаите когато тези отклонения са значително по-малки по величина от амплитудите на периодичните сигнали в наблюденията. Този метод е приложен за откриване на систематични отклонения от средното в редовете на компонентите на ъгловите моменти на атмосферата (AAM) и океана (OAM), като са определени корекции на систематичните грешки във възбуждането на измененията на UT1 [20] и координатите на полюса [58].