Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Результаты исследования долгопериодных флуктуаций геомагнитного поля и их связь с геоэффективными солнечными вспышками

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Результаты исследования долгопериодных флуктуаций геомагнитного поля и их связь с геоэффективными солнечными вспышками"

На правах рукописи

СМИРНОВА Анна Сергеевна

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ДОЛГОПЕРИОДНЫХ ФЛУКТУАЦИЙ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ И ИХ СВЯЗЬ С ГЕОЭФФЕКТИВНЫМИ СОЛНЕЧНЫМИ ВСПЫШКАМИ

25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

1 и 2012

Нижний Новгород, 2012

005017152

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном научном учреждении «Научно-исследовательский радиофизический институт» (ФГБНУ НИРФИ)

Научный руководитель:

доктор физ.-мат. наук, профессор

СНЕГИРЕВ Сергей Донатович

Официальные оппоненты:

ОБРИДКО Владимир Нухимович доктор физ.-мат. наук профессор,

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН),

зав. гелиофизической лабораторией ИЗМИРАН

КЛАЙН Борис Ицикович кандидат физ.-мат. наук старший научный сотрудник,

Геофизическая обсерватория "Борок" Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института физики Земли РАН им. О. Ю. Шмидта (ГО «Борок» ИФЗ РАН), зав. лабораторией Морфологии и теории геомагнитных пульсаций (ОБ-2)

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космофизических исследований и распространения радиоволн Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИКИР ДВО РАН)

Защита диссертации состоится 29 мая 2012 г. в 14:30 на заседании диссертационного совета Д 002.237.01 в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН, 142190, г. Троицк Московской области (проезд автобусом №398 от станции метро «Тёплый стан» до остановки «ИЗМИРАН»)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЗМИРАН

Автореферат разослан 25 апреля 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук профессор

Ю. М. Михайлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Геомагнитные пульсации, наблюдаемые на земной поверхности, многообразны и отличаются по механизмам генерации, широтному распределению, пространственно-временной динамике. Изучение их отличительных особенностей и морфологии имеет большое прикладное значение. Геомагнитные пульсации обладают высокой информативностью и могут быть использованы в качестве инструмента диагностики ионосферы, магнитосферы и даже, в ряде случаев, процессов, протекающих на Солнце. Множество космических аппаратов, изучающих околоземное космическое пространство, ни в коем случае не уменьшает значения наземных служб наблюдений. Возможность непрерывного и длительного мониторинга состояния магнитосферы с помощью сравнительно не сложной аппаратуры является неоспоримым практическим достоинством низкочастотных методов диагностики и прогнозирования.

Несмотря на очевидную важность исследования характеристик всех типов геомагнитных пульсаций, детально изучены пока только колебания с периодами до 600 с. Однако, несмотря на множество исследований различных авторов, даже в этой области остаются белые пятна. Не до конца выяснена физическая природа некоторых из них, а также механизмы их генерации. Пульсации с периодами более 10 минут в современной научной литературе освещены значительно меньше. Существующие работы часто содержат только описание зарегистрированных долгопериодных колебаний и не выдвигают никаких предположений об их физической природе. Сведения, предлагаемые в них, временами имеют противоречивый характер.

Перспективным направлением солнечно-земной физики является мониторинг наземных геомагнитных данных в целях прогноза геоэффективных явлений солнечной активности. Впервые о наличии долгопериодных (с характерным периодом > 20 мин) пульсаций Н-компоненты магнитного поля Земли, предшествующих геоэффективным солнечным вспышкам, сообщалось в работах [1-3]. Данные магнетометров являются наиболее подходящими для осуществления on-line прогноза в силу своей доступности в режиме реального времени, высокой дискретности, наличия измерений на большом числе геомагнитных станций, охватывающих большой интервал широт и долгот. Кроме того, в отличие от данных спутниковых измерений, геомагнитные измерения являются более выгодными экономически и не зависят от условий космической погоды, а значит остаются более надежными. При использовании геомагнитных данных не ограничена продолжительность сеанса наблюдений, нет искажений, вызванных прохождением сигнала через Земную атмосферу. Цели и задачи работы

Принимая во внимание актуальность затронутых проблем, целью данного диссертационного исследования является изучение и статистический анализ характеристик долгопериодных пульсаций горизонтальной компоненты магнитного поля Земли, а также причин их возникновения.

Решаются следующие задачи:

1. Выбор метода спектрального анализа, оптимального для исследования спектрального состава магнитного поля Земли.

2. Поиск геомагнитных пульсаций больших периодов (30-60 минут) в магнитоспокойные интервалы времени.

3. Исследование долгопериодных пульсаций геомагнитного поля накануне мощных солнечных вспышек. Анализ динамики спектральной мощности колебаний и ее сравнение с тестовыми значениями, полученными в период отсутствия активности на Солнце.

4. Статистическое изучение пространственно-временной структуры пульсаций, их спектральных и морфологических характеристик.

5. Исследование возможных причин, вызывающих усиление периодических пульсаций геомагнитных возмущений при увеличении вспышечной активности.

6. Поиск возможного алгоритма прогноза солнечной вспышечной деятельности по наблюдениям периодических колебаний геомагнитного поля.

Научная новизна

• Впервые показано на большом статистическом материале, что мощность долгопериодных пульсаций геомагнитного поля резко возрастает на станциях различных широт и долгот в периоды, примыкающие к протонным вспышкам на Солнце.

• Впервые определены особенности спектральных характеристик и пространственного распределения пульсаций, регистрируемых в магнитоспокойные периоды, и в периоды, предшествующие геоэффективным вспышечным событиям.

• Впервые показана на большом экспериментальном материале связь предвспышечного роста мощности долгопериодных колебаний Н-компоненты геомагнитного поля с колебательными процессами в атмосфере Солнца.

• Впервые предложен возможный алгоритм прогноза солнечных вспышек на основании мониторинга наземных магнитных данных.

Научная и практическая ценность

Научное значение работы связано с получением новых данных о поведении долгопериодных пульсаций геомагнитного поля в спокойные периоды и в периоды, примыкающие к протонным вспышкам на Солнце различной интенсивности.

Практическое значение данной диссертационной работы заключается в разработке основ нового алгоритма прогноза солнечных вспышек на базе мониторинга мощности долгопериодных колебаний горизонтальной компоненты геомагнитного поля.

Разработанные методы исследования и полученные в диссертации результаты могут использоваться другими исследователями при изучении долгопериодных пульсаций геомагнитного поля и прогнозе солнечных вспышек. Экспериментальные данные

В диссертационном исследовании использовались следующие экспериментальные данные:

• Данные о поведении Н-компоненты геомагнитного поля международной сети обсерваторий реального времени INTERMAGNET (http://swdcwww.kugi.kvoto-u.ac.ip/caplot/index.htrnn:

• Данные о магнитном поле Земли архива геомагнитных данных ИЗМИРАН (http://serv.izmiran.ru/webff/magdb_all.html);

• Данные о потоке рентгеновского излучения со спутника GOES ('http://goes.ngdc.noaa.gov/data/avg').

Обоснованность научных положений и выводов, достоверность полученных результатов обусловлены:

- применением современных методик обработки экспериментальных данных;

- статистически значимым объемом данных (были обработаны и проанализированы данные более 100 станций для 12 различных вспышечных событий);

- экспертными оценками при публикации основных результатов исследований в рецензируемых научных изданиях. Апробация работы

Результаты, составившие основу диссертации, докладывались и обсуждались на многочисленных отечественных и зарубежных семинарах и конференциях:

XI нижегородская сессия молодых ученых. Математические науки, «Красный плес», 2006; Annual Seminar "Physics of auroral phenomena", Apatity, 27 February-2 March 2007; European Geosciences Union, General Assembly 2007, Vienna, Austria, 15 - 20 April 2007; 11 Пулковская международной конференции по физике Солнца: Физическая природа солнечной активности и прогнозирование ее геофизических проявлений. ГАО РАН, Пулково, Санкт-Петербург, 2-7 июля 2007; Тринадцатая научная конференция по радиофизике, ННГУ, 7 мая 2009; Всероссийская ежегодная конференция по физике Солнца «Год астрономии: Солнечная и солнечно-земная физика», Пулково, 5-11 июля 2009; Международная Байкальская молодежная научная школа по фундаментальной физике "Гелио- и геофизические исследования", Иркутск, 7-12 сентября 2009; European Space Weather Week, Belgium, November, 16-20, 2009; «Физика плазмы в солнечной системе» 8-12 февраля 2010, ИКИ РАН; 15-я Нижегородская сессия молодых ученых (естественные науки), «Красный плес», 19-23 апреля 2010; European Geosciences Union General Assembly 2010 Vienna, Austria, 02 - 07 May 2010; Всероссийская ежегодная конференция по физике Солнца "Солнечная и солнечно-земная физика-2010" 3-9 октября 2010 Санкт-Петербург, ГАО РАН, «Физика плазмы в солнечной системе» 6-10 февраля 2012, ИКИ РАН. Публикации:

По теме диссертации опубликована 21 работа в различных печатных изданиях, в том числе 3 работы в журналах, включенных в список ВАК, и 6 - в Трудах международных и Всероссийских конференций.

На защиту выносятся следующие положения

1. Обнаружена прямая зависимость мощности долгопериодных колебаний горизонтальной компоненты геомагнитного поля за 3-1 день до солнечного события от величины потока протонов, которым оно сопровождалось.

2. Обнаружена прямая зависимость мощности предвспышечных долгопериодных колебаний горизонтальной компоненты геомагнитного поля от широты.

3. Обнаружено отсутствие временного сдвига и зависимости мощности долгопериодных колебаний горизонтальной компоненты геомагнитного поля от долготы.

4. Установлено, что предвспышечные колебания горизонтальной компоненты магнитного поля Земли на средних широтах возникают с опережением в несколько часов по отношению к колебаниям горизонтальной компоненты на высоких широтах.

5. Установлено, что в солнечном рентгеновском излучении наблюдается изменение амплитуд флуктуаций, подобное изменениям в горизонтальной компоненте магнитного поля Земли в периоды, предшествующие солнечным протонным вспышкам.

Личный вклад

Автор принимал непосредственное участие в постановке задач и обработке экспериментальных данных. Основные результаты диссертации получены автором лично, либо при его непосредственном участии. Автор активно участвовал в интерпретации результатов работы и формулировке выводов исследования.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем основного текста составляет 138 страниц, включая 55 рисунков и 10 таблиц, библиография - 104 наименования на 12 страницах. Общий объем - 150 страниц.

Во введении обоснована актуальность проблемы, определены цель работы и задачи проводимых исследований; показана научная новизна, научная и практическая значимость результатов; апробация работы.

В первой главе диссертации представлен обзор основных типов пульсаций магнитного поля Земли, а также явлений солнечной активности, с которыми связано их возникновение. Приведены области возникновения и вероятные механизмы генерации геомагнитных пульсаций. Отдельный параграф отведен информации о долгопериодных колебаниях геомагнитного поля. Также рассмотрены основные современные методы прогноза солнечной вспышечной деятельности и возможности их практического применения.

Во второй главе теоретически проанализированы методы спектрального анализа, приведены их достоинства и недостатки. При помощи ряда модельных задач осуществлен поиск оптимального (для наших целей) метода спектрального анализа. Кроме того, проведен поиск параметров, необходимых для корректного и достоверного оценивания спектральных характеристик реальных геомагнитных данных.

Сравнительный анализ численных методов спектрального анализа на различных типах тестовых сигналов позволил нам сделать следующие выводы:

Метод вейвлет-анализа является наиболее подходящим для решения поставленных задач. Он позволяет уверенно выделять сигнал с амплитудой 70% от амплитуды шума, способен разделять периоды, отличающиеся друг от друга в 1,75 раз, дает возможность фиксировать сигналы с минимальной продолжительностью в два периода (в условиях рассмотренной задачи).

Также в главе 2 проведена серия численных экспериментов, направленных на решение вопроса о выборе базисной вейвлет-функции и ее порядка, оптимальных для задачи поиска долгопериодных колебаний геомагнитного поля. В результате было показано, что вейвлет Morlet (m=6) способен обеспечить наиболее подходящее в рамках нашей задачи частотно-временное разрешение, т. к. форма данной материнской вейвлет-функции отражает поведение исследуемых сигналов и их составляющих.

Третья глава посвящена экспериментальному изучению долгопериодных пульсаций Н-компоненты магнитного поля Земли.

Первый параграф отведен для описания данных исследования.

Для анализа в работе из 233 протонных событий (http://www.sec.noaa.gov/ftpdir/indices/SPE.txt). зафиксированных за период с 1976 по 2011 гг., были отобраны 12, имеющих различную интенсивность в рентгеновском диапазоне и отличающихся величиной потока протонов (с энергиями >10 МэВ). Отбор событий проводился согласно следующим критериям:

1. Уединенность относительно других протонных событий. В течение как минимум недели до начала события не должно быть зафиксировано других протонных вспышек, чтобы можно было с уверенностью говорить о воздействии на Землю именно этого события.

2. Событие должно сопровождаться достаточно большим потоком протонов (рассматривались события с потоком, превышающим 30 ((см'-с-стеру'^

3. Отсутствие крупных событий геомагнитной активности за 3-1 день до события; в качестве критерия рассматривалось поведение индекса Dst: понижение уровня Dst (Dst < -30 нТ) считалось проявлением геомагнитной активности.

4. Наличие данных о потоке рентгеновского излучения со спутника GOES за рассматриваемый период времени для выяснения возможной причины возникновения долгопериодных пульсаций геомагнитного поля.

Рассмотренные события охватывали различные фазы 22, 23 и 24 цикла солнечной активности.

Табл. Характеристики рассматриваемых в работе протонных событий

Дата события Время максимума (UT) Рентгеновский балл Оптический балл Поток протонов, (см2 ■ с-стер)'1 Координаты активной области

22.03.1991 22:47 Х9 ЗВ 43000 S26E28

4.11.2001 16:20 XI зв 31,7 N06W18

17.11.2001 05:25 М2 1N 34 S13E42

15.01.2005 23:02 Х2 - 5040 N15W05

5.12.2006 10:05 Х9 2N 1980 S07E79

13.12.2006 02:40 ХЗ 4B 698 S05W23

13.05.1991 09:10 М8 - 350 S09W90

21.02.1994 09:00 М4 зв 10000 N09W02

21.04.1998 12:05 Ml - 1700 S43W90

13.09.2000 03:40 Ml 2N 320 S17W09

14.09.2004 05:00 М4 2N 273 N04E42

27.11.2011 01:25 С1 ■ 80 N08W49

Группа из первых шести событий являлась основной. Для каждого из этих событий было протестировано более 100 геомагнитных станций различных широт. Для удобства интерпретации данных в работе приведены результаты анализа поведения Н-компоненты геомагнитного поля для 40 станций, данные с которых имеются в наличии для каждого из исследуемых событий.

Далее, для проверки и подтверждения полученных результатов, исследовалась вторая, проверочная, группа событий. Для каждой из этих вспышек была рассмотрена одна станция средних широт.

Использованные в работе магнитные данные предоставлены крупнейшей международной сетью геомагнитных обсерваторий реального времени INTERMAGNET и доступны на сайте http://swdcwvw.kugi.kvoto-u.ac.ip/cap1ot/index.html. Кроме того, в работе были использованы данные о магнитном поле Земли архива геомагнитных данных ИЗМИР АН (http://serv.izmiran.ruAvebff/magdb all.html).

Параллельно с магнитными данными были взяты сопутствующие данные о потоке рентгеновского излучения со спутника GOES (http://goes.ngdc.noaa.gov/data/avg'). Все анализируемые данные имели разрешение 1 мин.

Многие исследователи при анализе свойств долгопериодных геомагнитных пульсаций не делали различия для периодов перед вспышкой, после нее или периодов слабой геомагнитной активности. В нашей задаче отличие свойств пульсаций в спокойные и возмущенные интервалы является определяющим. Во втором параграфе данной главы представлены результаты тестового исследования, которое позволило получить опорные образцы вейвлет-спекгров для различных станций при спокойных условиях (отсутствии вспышек) на Солнце. В качестве тестового был взят период времени 14-17 октября 2007 года. В рассматриваемый период солнечная активность была очень низкой, геомагнитное поле оставалось спокойным.

Долгопериодные колебания геомагнитного поля для магнитоспокойного временного интервала обладают следующими характерными особенностями:

• На станциях средних и низких широт спектральные компоненты с периодами 30-60 минут появляются в дневные и вечерние часы, на авроральных станциях - в вечерние и ночные часы, на экваториальных станциях - только в дневные часы.

• Средня^ мощность колебаний с периодами 30-60 минут для высокоширотных станций составляет 750 Вт, для среднеширотных станций - 10 Вт, для низкоширотных - 5 Вт.

Далее, в третьем параграфе главы, на примере основной группы уединенных солнечных протонных событий различной интенсивности показано, что за 3-1 день до начала непосредственного развития вспышки наблюдается рост пульсаций Н-компоненты магнитного поля Земли с периодами 30-60 минут. Это явление носит глобальный характер.

8

Будем называть это усиление мощности долгопериодных колебаний геомагнитньм предвестником крупных солнечных вспышек. Представлены характеристики таких пульсаций-предвестников для станций различных широт и долгот. Выявлена зависимость мощности долгопериодных колебаний горизонтальной компоненты геомагнитного поля от величины потока протонов, которым сопровождалось солнечное событие — для событий с большим потоком протонов наблюдаемая мощность предвспышечных колебаний выше:

• Для событий 22.03.1991 г., 15.01.2005 г. и 13.12.2006 г. наблюдается значительное (в среднем в 35-40 раз) увеличение мощности долгопериодных колебаний на всех рассматриваемых станциях, независимо от широты. Эти события сопровождались высоким потоком протонов с энергиями >10МэВ (43000, 5040 и 698 (см2 -с-стеру1 соответственно).

• Для событий 4.11.2001 г. и 17.11.2001 г. зафиксировано небольшое (в среднем в 10 раз) увеличение мощности предвспышечных колебаний с периодами 30-60 минут на 95100% станций. Эти события характеризуются невысоким потоком протонов (31,7 и 34

(см2 • с • стер)'1

• Для события 5.12.2006 г., несмотря на высокий поток протонов (1980 (с«г -с-стеру'^

небольшое (в среднем в 5 раз) увеличение мощности долгопериодных колебаний наблюдается только на 40% из рассмотренных станций. Это может объясняться тем, что активная область, в которой произошла вспышка, была расположена на восточном крае диска Солнца и воздействия на Землю почти не оказала.

В четвертом параграфе данной главы диссертационной работы приведены особенности • пространственного (широтного и меридионального) распределения долгопериодных колебаний:

• Для станций, расположенных на одном геомагнитном меридиане, мощность долгопериодных колебаний снижается с уменьшением широты приблизительно в 60 раз.

• На станциях средних широт колебания появляются с опережением в несколько часов.

• На станциях близких геомагнитных широт предвспышечные колебания идентичны и возникают одновременно, их мощность отличается незначительно.

Коэффициент корреляции спектральных плотностей (усредненных по периодам 30-60 минут) для таких станций достигает 99%, что свидетельствует о достоверности наблюдаемого эффекта.

Пятый параграф главы посвящен выяснению возможных причин возникновения долгопериодных пульсаций-предвестников в горизонтальной компоненте магнитного поля Земли.

Колебания физических параметров солнечной атмосферы, таких как плотность, температура, магнитное поле, должны модулировать радиоизлучение и излучение электромагнитных волн а диапазонах ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Известно, что электромагнитное излучение прямо пропорционально зависит от изменения плотности и еще более сильно - от изменения температуры излучающей плазмы [4]. Изменение излучения в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазонах влечет за собой изменение электронной концентрации в земной ионосфере. Следовательно, можно ожидать причинно-следственных связей между колебательными процессами в солнечной атмосфере и атмосфере Земли [5-6]. В свою очередь, изменения электронной концентрации в атмосфере Земли на высотах от 90 до 130 км приводят к флуктуациям ионосферных токов и, соответственно, геомагнитного поля. В особых условиях нестабильностей солнечной атмосферы, характерных для предвспышечных ситуаций, величина флуктуаций возрастает, а их характерные периоды являются отражением динамики процессов, определяющих нестабильности. В пользу этого предположения говорит тот факт, что корреляции спектральных плотностей, усредненных по периодам 30-60 минут, для станций St. Johns (STJ) и Belsk (BEL), расположенных на различных материках, составляет 93%, тогда как для станций STJ и Fredericksburg (FRD), находящихся на небольшом расстоянии — всего 26% (событие 22.03.1991 г.). Это объясняется тем, что станции FRD и BEL попадают под влияние одной и той же токовой системы, которая может простираться на несколько тысяч километров, а станции FRD и BOU - под влияние различных токовых систем. Механизм усиления долгопериодных колебаний на станциях высоких широт может вызываться тем же механизмом, если токовая система охватывает различные широты.

С целью выяснения возможных причин усиления долгопериодных колебаний в горизонтальной компоненте геомагнитного поля было проведено исследование спектрального состава потока рентгеновского излучения.

В качестве тестового интервала, как и в случае с горизонтально компонентой геомагнитного поля, был рассмотрен период времени 14-17 октября 2007 года. Невозмущенный уровень мощности долгопериодных спектральных составляющих потока рентгеновского излучения (в интервале 3-5 А) составляет 6*10'19 Вт. Колебания наблюдаются как в дневные, так и в вечерние часы.

Накануне события 22.03.1991 г. в спектре потока рентгеновского излучения присутствуют долгопериодные компоненты, причем их мощность значительно превышает значения, зафиксированные для спокойных интервалов, и составляет 2,5*10 Вт. Корреляция спектральных мощностей, усредненных по периодам 30-60 минут, рентгеновского излучения и Н-компоненты магнитного поля Земли наблюдается на 13% высокоширотных, 22% среднеширотных и на 67% низкоширотных станций. Корреляция рассматривалась с учетом положения спутника GOES. Коэффициент корреляции достигает

0,92 для низкоширотных станций, 0,84 - для среднеширотных и 0,51 - для высокоширотных станций.

Для события 4.11.2001 г. мощность спектральных компонент с периодами 30-60 минут составляет 1,5*10"13 Вт. Коэффициент корреляции спектральных мощностей, усредненных по периодам 30-60 минут, рентгеновского излучения и Н-компоненты магнитного поля Земли достигает 0,68 для низкоширотных станций, 0,93 - для среднеширотных и 0,76 - для высокоширотных станций. Корреляция (с учетом положения спутника) наблюдается на 29% высокоширотных, 62% среднеширотных и на 71% низкоширотных станций.

Для события 5.12.2006 г. увеличение мощности не столь велико (3*10"'4 Вт) и не является достаточным для раскачки ионосферы и возбуждения колебаний с соответствующими периодами. Это объясняет тот факт, что увеличение мощности долгопериодных колебаний наблюдается для этого события лишь на 40% станций. Максимальное значение коэффициента корреляции составило для этого события 0,99 как для среднеширотных, так и для низкоширотных станций, корреляция наблюдается на 60% среднеширотных и на 100% низкоширотных станций (рассматривались только те станции, на которых наблюдается увеличение мощности долгопериодных колебаний горизонтальной компоненты геомагнитного поля).

Для всех трех событий корреляция в высоких широтах наблюдается реже. Можно предположить, что более бурная ионосфера с множеством возмущений местного характера влияет на корреляцию.

Для событий 17.11.2001 г. и 15.01.2005 г. в отличие от рассмотренных ранее случаев подобная корреляция не была обнаружена. Для события 13.12.2006 г. максимальный зафиксированный коэффициент корреляции составил всего лишь 0,52. Возможно, что в этих случаях реализуется другой механизм предвспышечного возрастания мощности долгопериодных пульсаций.

Известно, что солнечно-земные связи существуют в виде 2 каналов передачи энергии от Солнца к Земле: электромагнитное и корпускулярное излучения. Электромагнитное излучение является основным, так как именно по этому каналу к Земле поступает основная доля энергии Солнца. Второй канал - корпускулярное излучение, будучи на несколько порядков величины более слабым по величине переносимой энергии, является ключевым в космической погоде. Следовательно, в качестве еще одного возможного источника, вызывающего усиление колебаний больших периодов в геомагнитном поле, может выступать плазма солнечного ветра.

И наконец, в шестом параграфе главы для проверки и подтверждения полученных результатов исследовалась вторая, проверочная, группа событий. Для каждой из этих вспышек была рассмотрена одна станция средних широт. Для событий 13.05.1991 г., 21.02.1994 г., 21.04.1998 г., 13.09.2000 г. и 14.09.2004 г. была выбрана станция

Memarabetsu (MMB). Координаты станции 43.910 N, 144.189 W. Во всех пяти случаях наблюдается рост мощности долгопериодных колебаний накануне события, что подтверждает полученные в предыдущей части работы результаты. Для событий, сопровождаемых большим потоком протонов, наблюдаемое усиление выше. В первых четырех случаях увеличение мощности наблюдается за день до начала события, в пятом (14.09.2004 г.) - за два дня. Во всех рассмотренных примерах (кроме события 13.09.2000 г.) видно также увеличение продолжительности наблюдаемых осцилляции. Для событий 21.02.1994 г. и 21.04.1998 г. наблюдается один максимум глобального вейвлет-спектра, который перед вспышкой смещается в область больших периодов. В трех других случаях наблюдается два максимума глобального вейвлет-спектра. В случае событий 13.05.1991 г. и 14.09.2004 г. года фиксируются максимумы на периодах 30 и 60 минут, которые на следующий день сливаются в один с периодом 40 минут. Для события 13.09.2000 г. года два максимума 15 и 60 минут смещаются в область меньших периодов (10 и 40 минут).

В спектре потока рентгеновского излучения для всех пяти событий также наблюдается рост мощности колебаний больших периодов по мере приближения вспышки.

Подробно рассмотрено событие 21.04.1998 г. За два дня до начала вспышечного события геомагнитная обстановка оставалась спокойной. Мощность колебаний больших периодов увеличивается от 2,5 Вт за два дня до события до 40 Вт накануне события. Продолжительность наблюдаемых осцилляции увеличивается от 2 до 5 часов.

В спектре потока рентгеновского излучения также наблюдаются колебания больших периодов. Их мощность увеличивается от 3*10"'5 Вт за 2 дня до начала вспышки до 1,5*10"14 Вт за день до события. Причем за 2 дня до события долгопериодные спектральные компоненты в потоке рентгеновского излучения и в горизонтальной компоненте геомагнитного поля появляются в разное время и не имеют схожих особенностей. Коэффициент корреляции спектральных компонент с периодами 30-60 мин. за 2 дня до события составляет 0.28.

За день до события этот коэффициент возрастает до 0.45. Однако при сопоставлении времени возникновения колебаний можно заметить, что рост мощности в магнитном поле начинается значительно позже. При сдвиге рядов относительно друг друга коэффициент корреляции увеличивается и достигает своего максимального значения (0,79) при задержке в 55 минут. Также можно отметить, что колебания с периодами 30-60 минут в магнитном поле продолжаются дольше (в рентгене ~ 4 часа, в магнитном поле ~ 5 часов).

Для последнего события из проверочной группы (27.11.2011 г.) была выбрана станция МОСКВА (MOS). Координаты станции 55.48 N, 37.31 Е.

Накануне вспышечного события геомагнитная обстановка оставалась спокойной. За два дня до начала события мощность долгопериодных спектральных составляющих (3 Вт) не превышает уровень значимости. За день до события мощность этих компонент возрастает

в 4 раза и составляет 12 Вт. Колебания продолжаются около 3,5 часов. В день начала события мощность колебаний с периодами 30-60 минут вновь падает ниже уровня значимости.

Четвертая глава посвящена изучению возможности практического применения исследуемого эффекта и созданию предположительного алгоритма краткосрочного прогноза солнечной вспышечной деятельности на основе мониторинга осцилляторного режима магнитного поля Земли.

С этой целью в первом параграфе главы была исследована динамика мощности долгопериодных колебаний магнитного поля Земли. Для этого были построены графики, каждая точка которых соответствовала значению мощности колебаний горизонтальной компоненты геомагнитного поля с периодами 30-60 минут за сутки. Показаны отличия в поведении мощности для станций различных широт. На всех рассмотренных станциях видно существенное увеличение мощности, которое фиксируется накануне вспышки и может служить ее геомагнитным предвестником. Однако для средних и низких широт значение мощности накануне вспышки заметно (в 2-3 раза) превышает средний уровень мощности за предыдущие десять дней. Для высокоширотной станции вследствие более бурной ионосферы предвспышечный рост мощности долгопериодных колебаний Н-компоненты магнитного поля Земли на фоне общей активности не так заметен (~ на 50%). В связи с этим можно предположить, что в прогностических целях достовернее и надежнее использовать станции средних и низких широт, где эффект возрастания долгопериодных пульсаций горизонтальной компоненты геомагнитного поля, вызванный ионизирующим солнечным излучением, выражен заметнее.

В спектре потока рентгеновского излучения для этого вспышечного периода было обнаружено аналогичное постепенное усиление мощности колебаний больших периодов, что подтверждает вышеизложенные соображения о влиянии ионизирующего излучения Солнца.

В этом же параграфе проведено сравнение качества выделения прогностического пика при использовании среднесуточных значений мощности и значений за дневной интервал по местному времени. Как отмечалось ранее, исследуемый эффект предвспышечного усиления мощности долгопериодных спектральных составляющих горизонтальной компоненты геомагнитного поля предположительно вызван изменением электронной концентрации слоя Е ионосферы и флуктуациями ионосферных токов. В свою очередь ионосферные токовые системы имеют различную конфигурацию для дневных и ночных периодов. В связи с этим логично предположить, что использование вместо среднесуточных значений мощности значений за дневной интервал по местному времени поможет улучшить качество выделения предвспышечного пика мощности. Проведенное

исследование подтвердило, что предвспышечный пик мощности колебаний с периодами 30-60 минут при использовании значений за дневной интервал по местному времени выражен заметнее.

Таким образом, полученный результат указывает на возможность создания метода краткосрочного прогноза солнечной вспышечной деятельности по наземным наблюдениям. Этому способствует имеющаяся база цифровых данных с высоким (1 мин.) разрешением. Магнитные данные доступны в режиме реального времени на сайте крупнейшей международной сети геомагнитных обсерваторий ШТЕКМАСЫНТ.

Во втором параграфе четвертой главы предложен алгоритм прогноза геоэффективных солнечных вспышек.

При выборе станций для осуществления прогнозирования необходимо выполнение следующих условий:

• Необходимо использовать станции средних широт.

• Геомагнитные обсерватории должны быть разнесены по широте не менее чем на тысячу километров.

• Временной интервал обработки данных не должен превышать продолжительность светового дня на широте данных станций на высоте слоя Е ионосферы.

• Одновременное наблюдение на всех трех станциях должно быть не менее 3 часов (минимальное время, необходимое для фиксации интересующих нас периодов), что ограничивает максимальное расстояние, на которое могут быть разнесены крайние станции.

Выбор именно среднеширотных станций объясняется тем, что на этих станциях колебания появляются с опережением в несколько часов. Использование станций низких широт, где колебания-предвестники фиксируются еще раньше, нежелательно, т.к. рост мощности на этих станциях не так велик по сравнению с магнитоспокойными значениями. Это приводит к тому, что предвспышечный рост мощности долгопериодных колебаний Н-компоненты магнитного поля Земли на фоне общей активности не так заметен, и велика вероятность так называемого «пропуска цели». На станциях высоких широт вследствие более бурной ионосферы повышена вероятность возникновения «ложной тревоги».

Использование геомагнитных станций, разнесенных по широте на значительное расстояние, необходимо для оценки скорости распространения пульсаций. Синхронность геомагнитных пульсаций в разных пунктах говорит в пользу солнечного происхождения колебаний и может служить предвестником солнечной вспышки. Известно также о существовании колебаний с близкими периодами ионосферного происхождения, однако они должны распространяться со значительно меньшей скоростью [7].

В связи с вышесказанным, предлагается следующий алгоритм прогноза геоэффективных солнечных вспышек:

1. Осуществление постоянною мониторинга Н-компопснты магнитного поля Земли на 3 среднеширотных геомагнитных обсерваториях, разнесенных по шпроте не менее чем на ..... тысячу километров. ..........

2. Построение вейвлет-спектра Н-компоненты геомагнитного поля для дневного интервала па местному времени, т.е. за текущий (<-ый) день, для каждой станции.

3. Построение глобального вейвлет-спектра Н-компоненты геомагнитного поля для того

же временного отрезка.

4. Оценка среднего значения мощности колебаний горизонтальной компоненты геомагнитного

поля с периодами 30-60 минут.

5. Сравнение среднего значения мощности колебаний за текущий день со слабовспышечным

уровнем на данной станции.

6а. Если наблюдается возрастание

среднего значения мошиости колебаний менее чем в 4 раза или не наблюдается вообще => возврат й пункт 2. .

Ж

66. Если фиксируется рост среднего значения мощности колебаний более чем в 4 раза на всех трех тестируемых станциях » необходима оценка синхронности возникновения колебаний.

Ж

7а. Если рост ющности фиксируете! не одновременно lia всех станциях => : возврат i в пункт 2.

II

76. Если наблюдается одновременный (с точностью 50% периода) рост мощности лолгопериолиых колебаний на всех станциях возможно наступление вспышечного события в течение 3-1 ближайших суток.

V_

В третьем параграфе главы проведен пример работы алгоритма на основе реальных геомагнитных данных за март 1991 г. Для этого были взяты три станции средних широт: Meanook (MEA) (54,62 N, 113,35 W), St. Johns (STJ) (47,6 N, 52,68 W), Belsk (BEL) (51,84 N, 339,21 W). Расстояние между станциями MEA и STJ составляет 4170 км, STJ и BEL -5070 км. 21.03.1991 г. для всех трех выбранных для осуществления прогноза станций рост мощности долгопериодных колебаний Н-компоненты геомагнитного поля, что говорит о высокой вероятности наступления крупной протонной вспышки в течение 3-1 ближайшего дня. Крупная протонная вспышка, произошедшая 22.03.1991 г. в 22:47 UT, подтверждает полученный результат.

В заключении представлены основные результаты и выводы проведенного исследования, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В данной диссертационной работе на основании метода вейвлет-анализа на большом экспериментальном материале, включающем данные более 100 станций различных широт и долгот для 12 вспышечных событий различной интенсивности, подтверждено существование долгопериодных колебаний Н-компоненты магнитного поля Земли -геомагнитных предвестников геоэффективных солнечных вспышек. Предвестники представляют собой усиление мощности колебаний горизонтальной компоненты магнитного поля с периодами 30-60 минут и наблюдаются за 3-1 день до вспышки на большинстве из рассмотренных станций. Наблюдения в широком наборе широт и долгот позволили сделать вывод о глобальном характере наблюдаемого явления.

Изучен ряд особенностей временного, пространственного распределения долгопериодных колебаний, выявлены отличия в их характеристиках для спокойных и возмущенных условий, сделаны предположения о природе их возбуждения. Обнаружено, что на станциях близких геомагнитных широт предвспышечные колебания идентичны и возникают одновременно, их мощность отличается незначительно. Для станций, расположенных на одном геомагнитном меридиане, мощность долгопериодных колебаний снижается с уменьшением широты, на станциях средних широт колебания появляются с опережением в несколько часов.

Выявлена зависимость мощности долгопериодных колебаний горизонтальной компоненты геомагнитного поля от величины потока протонов, которым сопровождалось солнечное событие - для событий с большим потоком протонов, наблюдаемая мощность предвспышечных колебаний выше.

На большом экспериментальном материале (12 вспышечных событий) показана связь предвспышечного роста долгопериодных колебаний в данных наземных магнитных наблюдений с колебательными процессами в атмосфере Солнца. Коэффициент корреляции спектральной плотности рентгеновского излучения и горизонтальной компоненты магнитного поля достигает 99%. Это позволяет нам говорить о влиянии спектрального состава ионизирующего предвспышечного излучения Солнца на спектр усиливающихся геомагнитных колебаний.

Предложен алгоритм прогноза солнечных вспышек на основании мониторинга мощности долгопериодных колебаний магнитного поля Земли.

Исследование слабых долгопериодных вариаций магнитного поля Земли открывает новые возможности изучения физической картины явлений на трассе Солнце-Земля, а также развития методик краткосрочного прогнозирования и диагностики геоэффективных солнечных явлений.

Литература

1. Быстрое М.В., Кобрин М.М., Снегирев С.Д. Пульсации геомагнитного поля перед солнечными протонными вспышками. // Письма в астроном, жури. 1978. № 4. С. 143-144.

2. Быстрое М.В., Кобрин М.М., Снегирев С.Д. Квазипериодические пульсации магнитного поля Земли с периодами 20-200 минут и их связь с аналогичными пульсациями в радиоизлучении Солнца перед протонными вспышками. // Геомагнетизм и аэрономия. 1979. Т. 2. С. 306.

3. Malygin V.I., Snegirev S.D. // Planetary Space. Sci. 1985. V. 33, No. 11. P. 1251-1257.

4. Железняков B.B. Радиоизлучение Солнца и планет. М.: Наука, 1964.

5. Снегирев С.Д., Фридман В.М., Шейнер О.А. О флуктуациях магнитного поля Земли, предшествующих крупным солнечным вспышкам. // Сб. «Солнечно-земная физика». Новосибирск: СО РАН, 2005. Вып. 8. С. 27-29.

6. Снегирев С.Д., Фридман В.М., Шейнер О.А., Мальцева Н.В. Рост долгопериодных пульсаций магнитного поля Земли в периоды, предшествующие мощным солнечным вспышкам. // Труды Всерос. конф. "Экспериментальные и теоретические исследования основ прогнозирования гелиогеофизической активности", г. Троицк, 10-15 октября 2005 г., 2006. С. 305.

7. Дробжев В.И. Экспериментальное доказательство теории внутренних гравитационных волн. // Кн. «Волновые возмущения в атмосфере». Алма-Ата, 1980.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Глузман Р. Л., Смирнова А. С. Прогнозирование ионосферных параметров в высоких широтах методом искусственных нейронных сетей. XI нижегородская сессия молодых ученых. Математические науки: материалы докладов. Нижний Новгород: Изд. Гладкова О. В., 2006.

2. Barkhatov N. A., Levitin А. Е., Smirnova A. S., Snegirev S. D. Establishment of sources of perturbing Solar Stream Types on a Complex of Space Weather Parameters. // Abstracts of 30 Annual Seminar "Physics of auroral phenomena", Apatity, 27 February-2 March 2007, POI KSC RAS. P.49.

3. Barkhatov N.. A., Levitin A. E., Smirnova A. S., Snegirev S. D. Establishment of Sources of Solar Stream Types on a Space Weather Parameter Complex. "Physics of Auroral Phenomena". // Proc. XXX Annual Seminar, Apatity, Kola Science Centre, Russian Academy of Science, 2007. P. 125 -128.

4. Barkhatov N. A., Smiraova A. S., Snegirev S. D., Revunov S. E. Establishment of Perturbing Solar Streams Types by Neural Network Classification Method . // Geophys. Res. Abstracts. 2007. V. 9. 05662. SRef-ID: 1607-7962/gra/EGU2007-A-05662, European Geosciences Union, General Assembly 2007, Vienna, Austria, 15-20 April 2007.

5. Бархатов H. А., Левитин A. E., Ревунов С. E., Смирнова А. С., Снегирев С. Д., Хвиюзова Т. А. Классификация крупномасштабных событий космической погоды. // Тез. докл. 11 Пулковской международной конф. по физике Солнца: Физическая природа солнечной активности и прогнозирование ее геофизических проявлений. ГАО РАН, Пулково, Санкт-Петербург, 2-7 июля 2007. С. 19.

6. Бархатова О.М., Смирнова А. С., Улыбина Р. И., Бархатов Н. А., Урядов В. П. Учет солнечно-магнитосферных связей в задаче прогноза параметров субавроральной ионосферы. // Тез. докл. 11 Пулковской международной конференции по физике Солнца: Физическая природа солнечной активности и прогнозирование ее геофизических проявлений. ГАО РАН, Пулково, Санкт-Петербург, 2-7 июля 2007. С. 20.

7. Barkhatov N. A., Levitin А. Е., Revunov S. Е., Smirnova A. S., Snegirev S. D., Hvijuzova Т. А. Classification of the large-scale events of space weather // Труды 11 Пулковской международной конф. по физике Солнца: Физическая природа солнечной активности и прогнозирование ее геофизических проявлений. ГАО РАН, Пулково, Санкт-Петербург, 2-7 июля 2007. 388 с. С. 39-42. ISBN 978-5-9651-0112-2.

8. Barkhatova O. M, Smirnova A. S., Ulybina R. I., Barkhatov N. A., Uryadov V. P. The account of solar - magnetosphere connections in the problem of the prognosis of subauroral ionosphere parameters // Труды 11 Пулковской международной конф. по физике Солнца: Физическая природа солнечной активности и прогнозирование ее геофизических проявлений. ГАО РАН, Пулково, Санкт-Петербург, 2-7 июля 2007. 388 с. С. 43-44. ISBN 978-5-9651-0112-2.

9. Бархатова О. М., Смирнова А. С., УлыбинаР. И. Учет солнечно-магнитосферных связей в задаче прогноза критической частоты субавроральной ионосферы. // Изв. вузов. Радиофизика. 2009. Т. 52, №2. С.109-117.

10. Смирнова А. С., Снегирев С. Д., Шейнер О. А. О долгопериодных пульсациях Н-компоненты магнитного поля Земли перед солнечными протонными вспышками. // Труды XIII Научной конф. по радиофизике, посвященной 85-летию со дня рождения М. А. Миллера (Нижний Новгород, 7 мая 2009 г.). Нижний Новгород: Изд-во «TAJIAM», 2009. С. 56-58.

11. Смирнова А. С., Снегирев С. Д., Шейнер О. А. Об усилении долгопериодных пульсаций Н-компоненты магнитного поля Земли перед мощными солнечными вспышками. // Тезисы Всерос. ежегодной конф. по физике Солнца "Год астрономии: Солнечная и солнечно-земная физика - 2009", ГАО РАН, Пулково, Санкт-Петербург, 5-11 июля 2009.

12. Смирнова А. С., Снегирев С. Д., Шейнер О. А Об усилении долгопериодных пульсаций Н-компоненты магнитного поля Земли перед мощными солнечными вспышками. // Труды Всерос. ежегодной конф. по физике Солнца "Год астрономии: Солнечная и солнечно-земная физика - 2009", ГАО РАН, Пулково, Санкт-Петербург, 5-11 июля 2009. С. 401-403. ISBN 9785-9651-0392-8.

13. Смирнова А. С., Снегирев С. Д., Шейнер О. А. Долгопериодные пульсации геомагнитного поля как предвестники крупных солнечных вспышек. // Тез. XI конф. молодых ученых "Гелио- и геофизические исследования", БШФФ-2009. Иркутск: Изд-во ИСЗФ СО РАН, 2009.

14. Смирнова А. С., Снегирев С. Д., Шейнер О. А. Долгопериодные пульсации геомагнитного поля как предвестники крупных солнечных вспышек. // Труды XI конф. молодых ученых "Гелио- и геофизические исследования", БШФФ-2009. Иркутск: Изд-во ИСЗФ СО РАН, 2009. С.290-292.

15. Смирнова А. С. Об усилении долгопериодных пульсаций Н-компоненты магнитного поля Земли перед мощными солнечными вспышками. // Вестник ННГУ. 2010. № 1. С. 79-95.

16. Смирнова А. С., Снегирев С. Д., Шейнер О. А. Об усилении долгопериодных пульсаций геомагнитного поля накануне геоэффективных солнечных вспышек. // Тез. Всерос. ежегодной конф. по физике Солнца "Солнечная и солнечно-земная физика - 2010", ГАО РАН, Пулково, Санкт-Петербург, 3-9 октября 2010. С. 88.

17. Смирнова А. С., Снегирев С. Д., Шейнер О. А. Об усилении долгопериодных пульсаций геомагнитного поля накануне геоэффективных солнечных вспышек. // Труды Всерос. ежегодной конф. по физике Солнца "Солнечная и солнечно-земная физика- 2010", ГАО РАН, Пулково, Санкт-Петербург, 3-9 октября 2010.

18. Смирнова А. С., Снегирев С. Д., Шейнер О. А. Долгопериодные пульсации Н-компоненты магнитного поля Земли как предвестники геоэффективных солнечных вспышек. XV нижегородская сессия молодых ученых. Естественные науки. // Материалы докл. Нижний Новгород: Изд. Гладкова О. В., 2010.

19. Смирнова А. С., Снегирев С. Д., Шейнер О. А. О долгопериодных пульсациях Н-компоненты магнитного поля земли перед солнечными протонными вспышками. // Сб. тез. конф. Физика плазмы в солнечной системе ИКИ РАН, 8-12 февраля 2010 г.С. 59.

20. Sheyner О., Smirnova A., Snegirev S. Ground-based Observations of Large Solar Flares Precursors. //Geophys. Res. Abstracts. 2010. V. 12. EGU2010-14629.

21. Смирнова A.C., Снегирев С.Д., Шейнер O.A. О возможностях использования наблюдений магнитного поля Земли в прогнозе солнечной вспышечной активности. // Вестник ННГУ. 2011. №5. С. 145-153.

СМИРНОВА Анна Сергеевна

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ДОЛГОПЕРИОДНЫХ ФЛУКТУАЦИЙ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ И ИХ СВЯЗЬ С ГЕОЭФФЕКТИВНЫМИ СОЛНЕЧНЫМИ ВСПЫШКАМИ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Подписано в печать 27.03.2012 г. Формат 60x90/16. Бумага писчая. Усл. п. л. 1. Тираж 100. Заказ 5615.

Отпечатано в ФГБНУ НИРФИ 603950, г. Нижний Новгород, ул. Б.Печерская, 25/12а