СПОСОБ КРАТКОСРОЧНОГО ПРОГНОЗА ВРЕМЕНИ РЕГИСТРАЦИИ ЯВЛЕНИЯ КОРОНАЛЬНОГО ВЫБРОСА МАССЫ (КВМ)
METHOD OF SHORT-TERM FORECASTING REGISTRATION TIME FOR CORONAL MASS EJECTION (CME)

Изобретение относится к солнечно-земной физике и предназначено для краткосрочного прогноза регистрации такого явления солнечной активности, как корональные выбросы массы (КВМ).
Создание методов прогнозирования корональных выбросов массы как наиболее глобальных и мощных, наряду со вспышками, явлений энерговыделения на Солнце активно развивается в последнее время.
КВМ характеризуются мощным излучением в широком диапазоне электромагнитных волн, генерацией ускоренных заряженных частиц, формированием ударных волн в межпланетном пространстве. Эти факторы порождают разнообразные возмущения в окружающей среде. Возмущения в магнитосфере и ионосфере Земли, порожденные явлениями КВМ, приводят к нарушениям функционирования систем ориентации, связи, ряда приборов на борту космических аппаратов, вызывают многочисленные нарушения работы средств связи, навигации, слежения и оповещения на Земле, могут приводить к возникновению экстремальных ситуаций в больших энергетических системах, ускорению коррозионных процессов в нефте- и газопроводах, а также оказывают влияние на погодообразующие процессы и на здоровье людей.
Краткосрочный прогноз КВМ актуален и имеет практическую ценность как для мониторинга состояния околоземного пространства, так и для оценки многочисленных геоэффективных последствий, к которым они могут приводить.
Актуальность задачи состоит и в том, что именно периодом краткосрочного прогнозирования (до нескольких суток) определяется возможность подготовки и создания мер защиты от природных аномалий и от геоэффективных последствий таких событий в околоземных и земных процессах и во многих областях деятельности человека.
Большинство опубликованных работ по прогнозированию КВМ относится к проблеме определения возможной геоэффективности корональных выбросов, тогда как различных алгоритмов прогнозирования самого факта коронального выброса достаточно мало.
Так, известно (Falconer D.A., Moore R.I., Gary G.A., 2008, Astroph.J. 689, 1433), что для разработки алгоритма прогноза возникновения корональных выбросов массы в активной области используются величины общей непотенциальности магнитных полей активной области вдоль нейтральной линии магнитного поля по их измерениям на вектор-магнитографе. Метод обучающего алгоритма (Qahwaji R., Colak Т., Omari М.Аl., Ipson S.; 2008, Solar Phys. 248, 471) применен для выработки алгоритма прогноза КВМ по временному сопоставлению вспышек в рентгеновском диапазоне классов X и М (на интервале ±150 минут относительно максимума вспышки). На основе анализа эруптивных волокон/протуберанцев с использованием нейронных сетей (Omari М.Al., Qahwaji R., Colak Т., Ipson S.; 2010, Solar Phys. 262, 511) также показана возможность прогноза возникновения КВМ.
В приведенных выше публикациях наблюдаемые особенности предлагается использовать для выработки алгоритма прогноза возникновения корональных выбросов массы.
Недостатком перечисленных выше способов прогнозирования возникновения корональных выбросов массы является то, что прогноз осуществляется на основе текущей информации о предлагаемых характеристиках, тогда как влияние предвестников, возникающих существенно раньше начала непосредственного развития КВМ, не рассматривается. Между тем, учет предвестников корональных выбросов массы очень важен и может значительно улучшить достоверность и качество прогноза регистрации КВМ за счет увеличения времени прогнозирования.
В качестве прототипа взят способ регистрации коронального выброса массы (патент RU 2506608). Он основан на наблюдении с борта космического аппарата за интенсивностью потока протонов галактических космических лучей и увязывании тенденции уменьшения интенсивности потока в течение не менее чем 30 минут с присутствием в межпланетном пространстве коронального выброса массы.
Недостатком прототипа является то, что с помощью способа-прототипа ничего не говорится о прогнозе времени регистрации коронального выброса, а определяется направление на корональный выброс массы; установление его размеров и значения скорости его распространения требует некоторых модельных приближений. Кроме того, для получения искомых данных о корональном выбросе требуется применение как минимум 5 сложных дорогостоящих космических аппаратов, снабженных датчиками регистрации интенсивности потока протонов галактических космических лучей.
Таким образом, техническим результатом этого изобретения является повышение эффективности получения достоверного прогноза о движении уже существующего коронального выброса массы.
Преимуществом предлагаемого способа прогноза времени регистрации коронального выброса массы по сравнению с прототипом является использование данных солнечного микроволнового излучения, получаемых при наземном круглосуточном мониторинге, и возможность их применения за счет наличия в сети Интернет в реальном времени при сравнительно простых усовершенствованиях методов обработки имеющейся информации.
Процессы, отражающие формирование КВМ, видны в различных диапазонах излучения, а использование радиоастрономических данных для прогностических целей удобно и перспективно именно потому, что радиоизлучение формируется начиная всего с нескольких тысяч километров от фотосферы Солнца, где в переходном слое солнечной атмосферы - хромосфере и нижней короне генерируется микроволновое радиоизлучение сантиметрового и дециметрового диапазонов длин волн. Таким образом, анализ данных микроволнового излучения, формируемого в нижних слоях солнечной атмосферы, является эффективным методом выявления особенностей, связанных с процессами уже на стадии образования и начального распространения КВМ. Необходимый мониторинг позволяет выявлять особенности предэрупционной эволюции КВМ (эволюции корональной магнитной топологии перед дестабилизацией) и зарождения/ранней эволюции КВМ.
Исходя из магнитогидродинамических представлений активность, предшествующая явлениям КВМ, имеет пространственные масштабы, охватывающие значительную часть Солнца. Именно поэтому способ прогнозирования времени регистрации КВМ предусматривает процедуры, являющиеся отражением динамики процессов на Солнце на значительных масштабах и за достаточно длительный период, определяемый как интервал краткосрочного прогноза. Этим же обусловлена и необходимость применения совокупности шагов при осуществлении заявляемого способа прогноза.
Стоит отметить, что при разработке способа прогноза сделана опора на совокупность всех имеющихся данных о солнечном излучении, получаемых различными способами, на разных инструментах, в том числе и не предназначенных для решения задач прогноза. Подчеркнем также, что для разработки способа использованы в полной мере данные мониторинговых наблюдений, осуществляемых Мировой службой Солнца, что повышает практические возможности реализации метода.
1
Таким образом, осуществление прогноза предлагаемым способом является более выгодным экономически и более надежным: данная задача решается с помощью технического результата, заключающегося в повышении достоверности краткосрочного прогноза времени регистрации корональных выбросов массы на коронографах, расположенных на спутниках в точке L, за счет регистрации согласно предлагаемому способу явления КВМ в тот момент времени, когда КВМ находится от Солнца на расстоянии 2-х радиусов Солнца, значительно раньше выхода КВМ в межпланетное пространство для регистрации по методу, предлагаемому в прототипе.
Указанный технический результат реализуется возможностью применения данных Мировой службы Солнца в радиодиапазоне, осуществления непрерывной процедуры прогноза с использованием круглосуточных данных за счет привлечения широкодиапазонных и спектральных наблюдений на радиотелескопах Мировой службы Солнца в радиодиапазоне, расположенных в различных точках земного шара.
Способ краткосрочного прогноза регистрации коронального выброса массы основан на анализе временных и спектральных данных микроволнового солнечного излучения в период, предшествующий явлению КВМ, и включает операции, обусловленные процессами, охватывающими на начальном этапе значительную часть Солнца, с их последующей локализацией в центрах непосредственного формирования КВМ. Это обусловлено характером протекающих физических процессов, приводящих к событиям КВМ, и их отражением в солнечном микроволновом радиоизлучении.
S
В заявляемом способе предлагается прогноз времени регистрации КВМ в виде последовательно связанных процедур, позволяющих достичь указанный технический результат: при установлении, что возможен выброс КВМ через 24-48 часов, начинают использовать спектральные изменения интенсивности микроволнового радиоизлучения Солнца, получаемые из записей на спектрографах в микроволновом диапазоне (8-17 ГГц) в промежутке времени 24-48 часов, и как только в течение, по крайней мере, 1 часа наблюдается устойчивость узкополосной спектральной особенности, делают вывод о том, что КВМ будет зарегистрирован в течение ближайших 3-8 часов, и для достижения достаточной точности в этот период используют текущие широкодиапазонные данные потоков радиоизлучения от всего Солнца P для вывода о времени регистрации коронального выброса массы на временном интервале до 100 минут.
Техническое осуществление способа прогнозирования включает следующее.
S
S1
max
1
min
2
max
1
min
2
S
1
Сначала на этапе, характеризуемом возникновением нестабильностей, волновых и колебательных движений в комплексах активности, занимающих значительные части поверхности Солнца, достаточно и экономически целесообразно использовать мониторинговые данные станций Службы Солнца (либо одной из них, взятой в качестве базовой) на одной длине волны наблюдений, для чего используют данные потока радиоизлучения от всего Солнца P (либо от активной области P) в виде временной (с разрешением <1 мин) записи на фиксированных частотах коротковолновой части микроволнового диапазона (от 10 ГГц до 3 ГГц) длительностью, равной сеансу наблюдений (но не менее 3-х часов) за i-й сеанс, где i изменяется от 1 до n, составляя совокупность данных измерений (совокупность сеансов). Как правило, под сеансом подразумевается один день наблюдений. Далее проводят текущее усреднение данных за i-й сеанс с постоянной усреднения τ~10 мин. Таким образом, в полученной записи присутствуют только долгопериодные (Т≥20 мин) составляющие квазипериодических вариаций потока радиоизлучения. Для этого в полученной временной записи выделяют экстремальные точки, соответствующие максимуму и минимуму исходной записи данных измерений, находят последовательные максимумы и минимумы. Организуют ряд разностей последовательных значений потока радиоизлучения в экстремальных точках по всей совокупности данных за i-й сеанс, состоящий из m точек; i-й сеанс определяется как исходный для алертного периода. Абсолютные величины разностей этих значений потока радиоизлучения в экстремальных точках суммируют и делят на число точек экстремумов m: ΔI=Σ(I(t)-I(t))/m, где I(t) и I(t) - текущие максимальное и минимальное значения потока радиоизлучения, тем самым определяя среднюю амплитуду долгопериодных (Т≥20 мин) пульсаций радиоизлучения (ДПР) за i-й сеанс. Эта величина выражается в процентах к общему потоку радиоизлучения Солнца P. Все вышеупомянутые операции проводят за i+1-й и последующие сеансы наблюдений. Сравнивают среднюю амплитуду ДПР за i-й и за i+1-й сеанс. При превышении ~ вдвое средней амплитуды ДПР за i+1-й сеанс по сравнению со средней амплитудой ДПР за i-й делают вывод о том, что в течение ближайших i+2, i+3 сеансов в точке L, месте расположения коронографа на спутнике, фиксирующего события КВМ на расстоянии ~2 радиусов Солнца, коронографом будет зарегистрирован корональный выброс массы.
В следующем шаге операции прогноза с учетом возникающих изменений в магнитной топологии активной области, являющейся источником последующего события КВМ, для уточнения времени регистрации КВМ используются в алертном режиме данные наблюдений на спектрографах в микроволновом диапазоне (8-17 ГГц), установленных на станциях мировой Службы Солнца или в исследовательских солнечных обсерваториях, имеющих частотное разрешение <100 МГц, в виде временной записи спектров радиоизлучения или спектрограмм.
Для каждого последовательного момента времени выделяется запись интенсивности спектра радиоизлучения. Эта запись составляет Х-значений, каждое из которых относится к спектральному интервалу перестройки спектрографа. Рассматривается последовательность значений интенсивности в 1-й, 2-й и т.д. до k=К точки.
k
k+1
k
k+1
k
k+1
Если значения интенсивности радиоизлучения I и I в точках k и k+1 близки и наблюдается плавное гладкое (I-I≤0.01(I+I)/2) изменение интенсивности по спектру, то такой спектр признается не имеющим спектральных особенностей.
k
k+1
Если же в интенсивностях последовательных k, k+1, k+2 и т.д. спектральных интервалов наблюдаются изменения, превышающие 0.01(I+I)/2, ведется рассмотрение на установление в спектре узкополосной структуры излучения.
k+1
k=K
Считается установленным наличие узкополосной спектральной структуры в излучении, если на фоне общего плавного хода спектра наблюдаются несколько последовательных (, где , но не более 10) точек в спектре, интенсивность в которых отличается на величину до 10% средней интенсивности радиоизлучения активной области (0.1(I+I)/2) - источнике КВМ, на средней частоте узкополосной спектральной структуры. Далее проверяется устойчивость подобных структур в серии последовательных спектров на протяжении сеанса наблюдений (не менее 3-х часов).
При сохранении узкополосной структуры в спектре радиоизлучения этой активной области в течение, по крайней мере, 1 часа делается вывод о том, что корональный выброс массы будет зарегистрирован на коронографе в течение ближайших 3-8 часов.
S
И для достижения в этот период достаточной точности времени прогноза регистрации явления коронального выброса массы (КВМ) расширяется частотный интервал анализа и используются получаемые в реальном времени данные потоков радиоизлучения от всего Солнца P в микроволновом диапазоне (400 МГц - 15 ГГц) в виде временной записи потоков радиоизлучения или спектрограмм.
При возникновении и существовании одновременно в значительной части микроволнового диапазона излучения явлений спорадического радиоизлучения различного типа - радиопредвестников КВМ в виде импульсных, градуальных или серий всплесков малой интенсивности, длительностью >3 мин и величиной не менее 1-3 единиц солнечного потока излучения на фоне общего потока, что характерно для локальной активной области формирования КВМ, делается вывод о регистрации коронографом коронального выброса массы на интервале 100 минут.
Таким образом, неотъемлемая совокупность шагов прогноза, включающая непрерывный анализ временных и спектральных особенностей солнечного радиоизлучения на длительном временном интервале обеспечивает получение указанного технического результата - прогноза времени регистрации коронального выброса массы (КВМ).
1
Подтверждением данного события КВМ является его регистрация на коронографе, установленном на спутнике, в точке L.
Для разработки и подтверждения работоспособности заявляемого способа проводилась серия экспериментов на разработанной аппаратуре в различные периоды одиннадцатилетнего цикла солнечной активности.
Так, для выявления характера поведения квазипериодических долгопериодных (Т≥20 минут) компонент радиоизлучения использовался радиотелескоп РТ-2Ф с параболической антенной диаметром 2 м и с супергетеродинным приемником, установленный в Горной астрономической станции ГАО РАН (Кисловодск). Регистрировались интенсивность и наклон спектра солнечного радиоизлучения на волне 3 см. На РТ-2Ф проведены многолетние наблюдения на различных фазах одиннадцатилетнего солнечного цикла, позволившие подтвердить эффект возрастания квазипериодических долгопериодных (Т≥20 минут) компонент радиоизлучения перед событиями мощного энерговыделения - корональными выбросами массы, с которыми были ассоциированы мощные вспышки.
Наличие узкополосных спектральных структур и их динамика впервые исследовались при наблюдениях на микроволновых спектрографах диапазонов 8-12 ГГц и 14-17 ГГц, изготовленных в ФГБНУ НИРФИ и установленных в Крымской астрофизической обсерватории на РТ-22, п. Симеиз.
Общий анализ особенностей микроволнового диапазона во временной и спектральной динамике с целью разработки алгоритма предлагаемого способа прогноза корональных выбросов массы проводился по данным Мировой службы Солнца в радиодиапазоне за период 1998-2005 годов с привлечением оригинальных данных Радиослужбы Солнца радиоастрономической станции ФГБНУ НИРФИ «Зименки» (общее число рассмотренных периодов - 438). В дальнейшем на основе предложенного алгоритма проведен анализ экзаменационной выборки совокупности данных Мировой службы Солнца и Каталога корональных выбросов массы с коронографа LASCO за период 2009-2013 годов (общее число рассмотренных периодов - 898).
Примером полного цикла прогнозирования КВМ по предлагаемому способу является прогноз КВМ 12 августа 1989 года.
Наблюдения проводились в Крымской астрофизической обсерватории на радиотелескопе РТ-22 на длине волны 2,25 см с разрешением 4,07 угл. мин - проводился мониторинг активной области NOAA/USAF 5638 (S18W90). Чувствительность аппаратуры по потоку составляла несколько сотых долей солнечной единицы потока. Запись осуществлялась на самописец с постоянной времени 1 сек, методика наблюдений включала также записи интенсивностей радиоизлучения спокойного Солнца. На фиг. 1 приведены результаты обработки текущих записей радиоизлучения за период 10-14 августа 1989 года.
S
1
Пусть 10.08.1989 - i-сеанс, проводим текущее усреднение данных с постоянной усреднения τ~10 мин, чтобы выделить только долгопериодные (T≥20 мин) составляющие вариаций радиоизлучения, затем находим среднюю амплитуду долгопериодных (T≥20 мин) пульсаций радиоизлучения, выражая ее в % к общему потоку Солнца , она составляет 0,41% от P и является пороговым значением. Аналогичную процедуру проводим для 11.08.1989 (i+1 сеанс). За этот сеанс средняя амплитуда долгопериодных пульсаций составляет 0,54% - увеличилась, но меньше, чем вдвое превышает пороговую. Поэтому аналогичную процедуру проводим для следующего сеанса, 12.08.1989 г. Наблюдения 12.08.1989 начались в 04h30m UT, за 3 часа наблюдений средняя амплитуда долгопериодных пульсаций составила 0,82% от Ps, т.е. вдвое превышает пороговый уровень. Таким образом, делается вывод, что следующие i+2 и i+3 сеансы наблюдений - это то время, когда прогнозируется регистрация коронального выброса массы в точке L, месте расположения коронографа на спутнике. Поскольку наблюдения 12.08.1989 начались в 04h30m UT и длительность сеанса составила 3 часа, то прогнозируемые сеансы начинаются с 07h30m UT. Для завершения начального этапа процедуры прогнозирования обратим внимание на то, что 13 и 14 августа зарегистрировано уменьшение средней амплитуды ДПР.
Для уточнения времени регистрации КВМ привлекаем данные мониторинга той же активной области NOAA/USAF 5638 на том же радиотелескопе РТ-22 КрАО с использованием спектрографа микроволнового диапазона 14-17 ГГц (спектральное разрешение 100 МГц): записывались текущие (1 раз в секунду) и усредненные за минуту данные спектра радиоизлучения в указанном выше спектральном диапазоне. Эта запись содержит около 300 значений, рассматриваем их последовательность от 1-й до последней точки.
k
k+1
k
k+1
Как видно из фиг. 2а, в 07h23m 12.08.1989 значения интенсивности радиоизлучения в соседних точках на интервале частот 14-17 ГГц близки и наблюдается устойчивый гладкий профиль, характерный для излучения стационарной активной области, с ростом потока в длинноволновой части диапазона. Спектральные особенности незначительны по величине (I-I≤0.01(I+I)/2) и не превосходят доверительный интервал.
k=1
k=300
Примерно в 07h40m в правой части профиля спектра, начиная с частоты 15,3 ГГц в интенсивностях 10 последовательных точек спектра наблюдаются изменения, превышающие 10% от средней интенсивности радиоизлучения активной области (0.1(I+I)/2) - источника КВМ (фиг. 2б). Далее проверяем устойчивость выявленной структуры в последовательных спектрах. Проверка в течение сеанса наблюдений (почти 3 часа) показала, что спектральная особенность в районе центральной частоты 15,5 ГГц шириной полосы около 150 МГц по спектральному диапазону сохраняется на спектрах, по крайней мере, в течение 2,5 часов (фиг. 2в, г). Таким образом, делается вывод о том, что корональный выброс массы будет зарегистрирован на коронографе в течение ближайших 3-8 часов от момента первой фиксации узкополосной особенности, т.е. 12.08.1989 в 10h40m-15h40m UT.
S
1
На этом интервале времени для заключительного шага процедуры прогнозирования расширяем частотный интервал анализа: используем опубликованные в Solar Geophysical Data данные спектральных наблюдений потоков радиоизлучения от всего Солнца P в дециметровом, метровом и декаметровом диапазонах и данные о всплесках радиоизлучения в микроволновом диапазоне на фиксированных частотах. Как показано на фиг. 3, на 4-х частотах микроволнового диапазона (5900, 9300, 9500 и 15000 МГц - о наблюдениях на других частотах ничего не известно) возникает и существует одновременно на указанных частотах спорадическое радиоизлучение - радиопредвестники КВМ в виде импульсных и градуальных всплесков малой интенсивности длительностью >3 мин. Таким образом, делается вывод о регистрации коронографом коронального выброса массы на интервале 100 минут от момента одновременной регистрации спорадического радиоизлучения, т.е. на интервале ~09h41m-11h21m. КВМ был зарегистрирован в точке L в 11h09m.
Таким образом, совокупность шагов, включающая непрерывный анализ временных и спектральных особенностей солнечного радиоизлучения на длительном временном интервале, обеспечивает получение указанного технического результата - прогноза времени регистрации коронального выброса массы (КВМ). Подтверждением данного события КВМ является его регистрация на коронографе.