СПОСОБ ПРОГНОЗА ГЕОЭФФЕКТИВНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ВСПЫШЕК
METHOD OF PREDICTING GEOEFFECTIVE SOLAR FLARES

Изобретение относится к солнечно-земной физике и предназначено для краткосрочного прогноза мощных солнечных вспышек.
В настоящее время не существует методов, обеспечивающих с высокой вероятностью своевременный, точный и достоверный прогноз геоэффективных явлений солнечной активности. Это объясняется тем, что создание методов прогноза осложнено индивидуальными особенностями процессов и явлений практически во всех областях системы Солнце-Земля. Существует ряд способов краткосрочного прогноза солнечных вспышек, основанных на морфологических характеристиках активных регионов Солнца. Известен способ прогноза, основанный на 17 оригинальных классификационных параметрах (McIntosh, P.S.: 1990, Solar Phys. 125, 251), которые обеспечивают оценку возможности инициации вспышечного процесса в активной области Солнца. На основе этой классификации работает экспертная система Theo, используемая для прогноза рентгеновских солнечных вспышек. Этот способ был модифицирован (Bornmann, P.L., Shaw, D.: 1994, Solar Phys. 150, 127) с использованием составного линейно-регрессионного анализа, и 17 оригинальных классификационных параметров были заменены на 10.
Известен метод, основанный на характеристиках фотосферного магнитного поля Солнца. В нем напрямую отражаются взаимоотношения между изменениями фотосферного магнитного поля и уровнем вспышечной активности Солнца. Вектор фотосферного магнитного поля используется для идентификации характерных признаков развития вспышки (Leka, K.D., Barnes, G.: 2007, Astrophys. J. 656, 1173). Похожая прогностическая модель базируется на трех физических показателях - максимальный горизонтальный градиент, длина нейтральной линии, число точек сингулярности - по долготным магнитограммам, полученным на SOHO/MDI (Cui, Y.M., Li, R., Zhang, L.Y., He, Y.L., Wang, H.N.: 2006, Solar Phys. 237, 45).
Известен также способ прогноза (RU 2114449), который характеризуется тем, что с пространственным разрешением не хуже 30'' регистрируют полное и циркулярно поляризованное микроволновое излучение активной области Солнца и определяют вероятность возникновения мощной солнечной вспышки с заблаговременностью одни сутки. Особенность способа состоит в том, что по оптическим данным измеряют гелиошироту и гелиодолготу активной области, ее протяженность, угол наклона оси группы пятен относительно солнечного экватора, величину и полярность магнитного поля в пятнах и определяют магнитный класс активной области. Используя эти данные, разбивают видимую поверхность Солнца на долготные зоны, для чего вычисляют положения границ зон с известным нормальным, не вспышечно-опасным распределением поляризации в каждой отдельной зоне. По отклонению наблюдаемого распределения поляризации от нормального в той зоне, в которой находится исследуемая активная область, определяют вспышечную опасность активной области. Для лучшего учета эффектов эволюции активной области границы долготных зон рассчитывают ежедневно.
Недостатком перечисленных способов является то, что прогноз солнечной вспышки осуществляется на основе текущей информации о морфологических и магнитных свойствах активного региона Солнца. Влияние предвестников, возникающих до начала непосредственного развития вспышки, не рассматривается. Однако учет предвестников вспышек очень важен и может значительно улучшить качество прогноза.
В качестве прототипа взят способ краткосрочного прогноза мощных солнечных вспышек (RU 2419821). Он основан на анализе данных солнечного излучения в период, предшествующий вспышке. Особенность способа заключается в том, что измеряют данные потока радиоизлучения от всего Солнца в виде временной записи длительностью, равной сеансу наблюдений (но не менее 3 часов). Составляют совокупность ежесуточных данных измерений. Выделяют экстремальные точки и находят разности последовательных значений потока радиоизлучения в экстремальных точках. Определяют среднюю амплитуду долгопериодных (с периодом 20 минут) пульсаций радиоизлучения (ДПР). Сравнивают среднюю амплитуду ДПР за 1-й и за i+1-й день, при превышении вдвое средней амплитуды ДПР за i+1 день по сравнению со средней амплитудой ДПР за i-й день делают вывод о том, что в течение ближайших i+2, i+3 дней произойдет мощная солнечная вспышка. Если на i+2 день средняя амплитуда по сравнению с i-м днем не уменьшится, независимо от того, произошла вспышка или нет, то делают вывод, что мощная вспышка произойдет на i+3 день. Если на i+2 день средняя амплитуда уменьшится, то делают вывод, что на i+3 день вспышки не произойдет.
Преимуществом предлагаемого способа прогноза солнечных вспышек по сравнению с прототипом является использование данных об изменении поведения Н-компоненты магнитного поля Земли накануне вспышечного события на Солнце. При использовании данных радиотелескопов ограничена продолжительность сеанса наблюдений, тогда как запись геомагнитных данных ведется непрерывно и круглосуточно. Кроме того, для получения данных о радиоизлучении Солнца необходимы сложные, дорогостоящие и громоздкие астрономические инструменты, в то время как магнитометры являются компактными, недорогими и сравнительно не сложными приборами. Еще одним преимуществом данного способа прогноза является то, что данные о магнитном поле Земли предоставляются крупнейшей сетью геомагнитных обсерваторий INTERMAGNET (http://swdcwww.kugi.kyoto-u.ac.jp/caplot/index.html) в режиме реального времени, в отличие от данных о радиоизлучении Солнца. Таким образом, осуществление прогноза предлагаемым способом является более выгодным экономически и более надежным.
В основу предлагаемого изобретения положен эффект усиления долгопериодных (с периодами 30-60 минут) колебаний горизонтальной компоненты геомагнитного поля накануне протонных солнечных вспышек. Эффект состоит в том, что за период от 3-х до 1 дня до начала непосредственного развития вспышки наблюдается рост пульсаций Н-компоненты магнитного поля Земли с периодами 30-60 минут по сравнению с магнитоспокойными значениями.
Это явление носит глобальный характер. Будем называть этот эффект - увеличение мощности долгопериодных колебаний - геомагнитными предвестниками протонных солнечных вспышек.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности и уменьшение затрат на осуществление краткосрочного прогноза мощных солнечных вспышек.
Решение указанной задачи обеспечивается с помощью технического результата, заключающегося в возможности предсказания мощных солнечных вспышек на основании мониторинга Н-компоненты магнитного поля Земли.
Для достижения указанного результата прогноз геоэффективных солнечных вспышек осуществляются следующим образом.
I. Получают магнитные данные с разрешением 1 мин не менее чем с трех геомагнитных обсерваторий.
При выборе обсерваторий для осуществления прогнозирования руководствуются следующими условиями:
а) Необходимо использовать геомагнитные обсерватории средних широт.
б) Геомагнитные обсерватории должны быть разнесены по широте не менее чем на тысячу километров.
c) Временной интервал обработки данных не должен превышать продолжительность светового дня на широте данных геомагнитных обсерваторий на высоте слоя Е ионосферы.
d) Одновременное наблюдение на всех трех геомагнитных обсерваториях должно быть не менее 3 часов (минимальное время, необходимое для фиксации интересующих нас периодов), что ограничивает максимальное расстояние, на которое могут быть разнесены крайние обсерватории.
Выбор именно среднеширотных геомагнитных обсерваторий объясняется тем, что на этих обсерваториях колебания появляются с опережением в несколько часов. Использование геомагнитных обсерваторий низких широт, где колебания-предвестники фиксируются еще раньше, нежелательно, т.к. рост мощности на этих обсерваториях не так велик по сравнению с магнитоспокойными значениями. Это приводит к тому, что предвспышечный рост мощности долгопериодных колебаний Н-компоненты геомагнитного поля Земли на фоне общей активности не так заметен, и велика вероятность так называемого «пропуска цели». На геомагнитных обсерваториях высоких широт вследствие более бурной ионосферы повышена вероятность возникновения «ложной тревоги».
Использование геомагнитных обсерваторий, 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 (Дробжев В.И. Экспериментальное доказательство теории внутренних гравитационных волн // В кн. «Волновые возмущения в атмосфере». Алма-Ата. 1980).
II. Строят вейвлет-спектр H-компоненты геомагнитного поля для дневного интервала по местному времени за текущий день для каждой из трех исследуемых обсерваторий.
Для стабилизации данных, перед проведением вейвлет-анализа во временном ряде выделяют периоды 30-60 минут. Для этого из исследуемого ряда вычитают тренд, построенный с помощью метода наименьших квадратов.
Далее проводят нормировку данных на среднеквадратичное отклонение.
Вейвлет-спектр строят с помощью метода Монте Карло (http://atoc.colorado.edu/), т.е. проводят вейвлет-преобразование в Фурье пространстве используя быстрое преобразование Фурье.
Шаг 1. В качестве материнского вейвлета выбирают вейвлет Морлет.
Шаг 2. Находят Фурье-преобразование материнского вейвлета.
Шаг 3. Находят Фурье-преобразование временного ряда.
Шаг 4. Задают масштабы.
Шаг 5. Для каждого масштаба выполняют следующие действия:
а) Подсчитывают дочерний вейвлет на этом масштабе,
в) Нормируют дочерний вейвлет путем деления на квадратный корень из суммарной дисперсии вейвлета.
c) Умножают на Фурье-преобразование временного ряда.
d) Проводят обратное преобразование в реальное пространство.
e) Строят трехмерное изображение: реальное время процесса -масштаб (период) - мощность гармоники с данной частотой в данный момент времени. Интервалы значений коэффициентов маркируют разными цветами.
III. Строят глобальный вейвлет-спектр H-компоненты геомагнитного поля для тех же временных отрезков путем усреднения вейвлет коэффициентов по времени.
IV. Оценивают среднее значение мощности колебаний горизонтальной компоненты геомагнитного поля с периодами 30-60 минут за дневной интервал по местному времени. (Использование средних значений позволит уменьшить влияние случайных флуктуации). Для этого находят максимум глобального вейвлет-спектра.
V. Сравнивают значение мощности долгопериодных колебаний геомагнитного поля за текущий день со слабовспышечным уровнем на данной обсерватории. За слабовспышечный уровень принимают значение мощности колебаний на данной обсерватории в день со слабой вспышечной активностью (вспышки баллом не выше «С»).
VI. Если значение мощности колебаний горизонтальной компоненты геомагнитного поля с периодами 30-60 минут на всех трех тестируемых обсерваториях более чем в 4 раза превышает слабовспышечный уровень, то проводят оценку синхронности колебаний.
VII. Если наблюдают одновременный (с точностью 50% периода) рост мощности долгопериодных колебаний на всех обсерваториях, то делают вывод о том, что возможно наступление вспышечного события в течение 3-1 ближайших суток.
Схема: Алгоритм прогноза геоэффективных солнечных вспышек, изображена на фиг.1, где осуществляется следующая последовательность действий:
1. Осуществление каждодневного измерения величины Н-компоненты геомагнитного поля Земли на трех среднеширотных геомагнитных обсерваториях, разнесенных по широте не менее чем на тысячу километров;
2. Построение вейвлет-спектра Н-компоненты геомагнитного поля для дневного интервала по местному времени, т.е. за текущий день, для каждой обсерватории;
3. Построение глобального вейвлет-спектра H-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 геомагнитной обсерватории;
6. При наблюдении возрастания среднего значения мощности колебаний менее чем в 4 раза или отсутствие возрастания делается вывод, что в течение ближайших 3 суток солнечная вспышка не произойдет;
7. Фиксирование роста среднего значения мощности колебаний более чем в 4 раза на всех трех тестируемых геомагнитных обсерваториях;
8. Оценка синхронности возникновения колебаний;
9. При наблюдении роста среднего значения мощности колебаний более чем в 4 раза не одновременно на всех тестируемых геомагнитных обсерваториях делают вывод, что в течение ближайших трех суток солнечная вспышка не произойдет;
10. При наблюдении одновременного (с точностью 50% периода) роста мощности долгопериодных колебаний на всех тестируемых обсерваториях делается вывод, что солнечная вспышка произойдет в течение ближайших трех суток.
Для подтверждения возможности осуществления изобретения, т.е. для изучения возможности использования наблюдений геомагнитного поля для краткосрочного прогнозирования вспышечной активности на Солнце было проведено экспериментальное исследование на основании геомагнитных данных за март 1991 года.
С этой целью были выбраны следующие три обсерватории средних широт: Meanook (МЕА) (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 обсерваториями МЕА и STJ составляет 4170 км, STJ и BEL - 5070 км (см. расположение используемых геомагнитных обсерваторий на Фиг.2).
2
Согласно пунктам 2-4 алгоритма строили вейвлет-спектр и глобальный вейвлет-спектр H-компоненты геомагнитного поля для дневного интервала по местному времени (6:00-18:00 LT) за текущий день для каждой обсерватории. Определяли среднее значение мощности колебаний горизонтальной компоненты геомагнитного поля с периодами 30-60 минут. В табл.1. приведены эти значения для 10 дней с 13.03.1991 г. по 22.03.1991 г. На фиг.3 изображена динамика долгопериодных спектральных составляющих для трех геомагнитных абсерваторий (Meanook - синяя линия, St.Johns - красная линия, Belsk - зеленая линия), по оси «х» отложена дата (13-22.03.1991 г.), по оси «y» - мощность спектральных составляющих с периодами 30-60 минут за дневной интервал по местному времени абсерваторий (нТл).
Табл. 1
Среднее значение мощности колебаний горизонтальной компоненты геомагнитного поля с периодами 30-60 минут
Обсервато-рия /Дата
13.03.1991
14.03.1991
15.03.1991
16.03.1991
17.03.1991
18.03.1991
19.03.1991
20.03.1991
21.03.1991
22.03.1991
МЕА
69,73
92,73
70,49
225,55
357,97
10,80
277,69
56,50
841,88
919,27
STJ
27,29
34,65
15,36
176,81
122,35
44,09
105,64
41,81
497,90
92,63
BEL
55,38
83,33
18,62
21,80
48,70
28,77
61,86
91,30
722,23
41,17
Для каждой обсерватории определяли уровень долгопериодных спектральных составляющих в день со слабой вспышечной активностью (см. пункт 5 алгоритма). Данный уровень необходим в качестве опорного значения, с которым будет сравниваться значение мощности долгопериодных составляющих за каждый исследуемый день. Использование для определения уровня дня с полным отсутствием активных событий на Солнце с физической точки зрения является более обоснованным. Однако при работе с массивом реальных данных такой день выбрать сложно, т.к. отсутствие вспышечной активности на Солнце наблюдается редко.
2
2
2
В качестве дня со слабым уровнем активности на Солнце было выбрано 10.03.1991 г., т.к. в этот день не наблюдалось вспышечных событий баллом превышающих «C». Для обсерватории МЕА слабовспышечный уровень составил 86,69 нТл, для STJ - 118,18 нТл и для BEL - 26,12 нТл.
Табл. 2
Отношение мощностей долгопериодных колебаний в текущий день и день со слабой вспышечной активностью
Обсервато-рия/Дата
13.03.1991
14.03.1991
15.03.1991
16.03.1991
17.03.1991
18.03.1991
19.03.1991
20.03.1991
21.03.1991
22.03.1991
МЕА
0,80
1,07
0,81
2,60
4,13
0,12
3,20
0,65
9,71
10,60
STJ
0,23
0,29
0,13
1,50
1,04
0,37
0,89
0,35
4,21
0,78
BEL
2,12
3,19
0,71
0,83
1,86
1,10
2,37
3,50
27,65
1,58
В табл.2. приведено отношение мощностей долгопериодных колебаний в текущий день и день со слабой вспышечной активностью. На фиг.4 представлены отношения мощностей долгопериодных колебаний в текущий день и день со слабой вспышечной активностью для трех геомагнитных абсерваторий (Meanook - синяя линия, St. Johns - красная линия, Belsk - зеленая линия), по оси «х» отложена дата (13-22.03.1991 г.).
В соответствии с пунктом 6 алгоритма нас интересовали те дни, в которые значение мощности долгопериодных составляющих превышало более чем в 4 раза слабовспышечное значение. Таким днем являлся, например, 17.03.1991 г. На обсерватории МЕА отношение мощностей составило 4,13. Однако на двух других обсерваториях фиксировалось недостаточное (в 1,4 раза для обсерватории STJ ив 1,86 раз для обсерватории BEL) увеличение мощности. Это означало, что вспышечное событие в ближайший день не ожидается. Далее 21.03.1991 г. Мы видели, что для всех трех выбранных для осуществления прогноза обсерваторий наблюдался рост мощности долгопериодных колебаний Н-компоненты геомагнитного поля, что говорило 0 высокой вероятности наступления крупной протонной вспышки в течение 3-1 ближайшего дня. Крупная протонная вспышка 22:47 UT 22.03.1991 г. подтвердила полученный результат.