ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 2, с. 185-191
УДК 001.891.573
КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПЛЕКСОВ КОСМИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ С УЧЕТОМ ТИПА СОЛНЕЧНОГО ИСТОЧНИКА, ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАЗМЕННОГО ПОТОКА И СОЗДАВАЕМОГО ИМ ГЕОМАГНИТНОГО ВОЗМУЩЕНИЯ © 2014 г. Н. А. Бархатов1,2, А. Е. Левитин3, Е. А. Ревунова1,2
Нижегородский государственный педагогический университет (НГПУ), г. Нижний Новгород 2Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет (ННГАСУ), г. Нижний Новгород 3 Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН), г. Москва, г. Троицк e-mail: nbarkhatov@inbox.ru Поступила в редакцию 28.06.2011 г. После доработки 07.11.2011 г.
Выполнена классификация комплексов космической погоды, включающих в себя характеристики солнечных потоков (параметры солнечного ветра, компоненты вектора межпланетного магнитного поля) и временные количественные оценки их геомагнитных проявлений (^it-индекс). Разработаны сопоставительный и нейросетевой методы такой классификации. В результате численных ней-росетевых экспериментов установлены типы солнечных потоков, отвечающие за генерацию геомагнитных возмущений разной интенсивности. Подтверждено, что, на основе выделенных комплексов космической погоды, возможно уточнение влияния этих потоков на электромагнитное состояние магнитосферы, и, соответственно, повышение точности прогнозирования этого состояния.
DOI: 10.7868/S0016794014020035
1. ВВЕДЕНИЕ
Вопрос о классификации комплексов космической погоды возник, когда исследователями была продемонстрирована причинно-следственная связь геомагнитной возмущенности с солнечной активностью. Основной сложностью при создании такой классификации является необходимость включать в нее разноплановую информацию об источниках и характеристиках возмущающих солнечных потоков, а также о параметрах их последующих геомагнитных проявлений. Результаты многочисленных исследований [Иванов, 1996; Burlaga et al., 2003; Neugebauer and Liewer, 2003; Николаева и др., 2011 и ссылки в них] привели к выделению шести основных типов потоков солнечного ветра: 1. гелиосферный токовый слой (HCS); 2. потоки от корональных стримеров;
3. потоки из корональных дыр (HSS); 4. Коро-нальные выбросы вещества (СМЕ) двух подтипов: магнитные облака (МС) и поршни (Ejecta или ICME); 5. область сжатия перед высокоскоростным потоком (corotation interaction region — CIR); 6. нестационарный волоконный поток.
Несмотря на исчерпывающие сведения о потоках солнечного ветра в настоящее время нет единого общепринятого метода классификации комплексов космической погоды, включающей в себя и создаваемые ими геомагнитные возмуще-
ния. Проводимые исследования потоков солнечного ветра и геомагнитной активности, связаны, в основном, с установлением принадлежности их к конкретным солнечным источникам [Иванов, 1996]; с установлением статистической связи между параметрами солнечного ветра и возникающими геомагнитными возмущениями [Уеппег-81гоеш, 2001 и ссылки в ней]; с установлением основного геоэффективного параметра плазменного потока [Николаева и др., 2011 и ссылки в ней]. Целью настоящей работы является установление связи между плазменными потоками и создаваемые ими геомагнитными возмущениями, а в затем и прогнозирование по этим потокам глобальной геомагнитной обстановки. В работе проведена классификация комплексов космической погоды для геомагнитных возмущений за период 2000—2007 гг. Для этого использована информация о возмущающих потоках и их солнечных источников по данным солнечных каталогов, литературных источников и динамики параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля (ММП). Так как в сегодняшних каталогах и опубликованных статьях существуют различия при установлении в них одних и тех же типов плазменных потоков и их источников, то при проведении подобной классификации полезно использовать независимую математическую обработку данных в виде нейросетевого подхода. Он
позволяет, на основе нелинейной корреляционной обработки экспериментальных данных проводить разделение входных образов на заданное число классов, без построения конкретной математической модели реальной ситуации. Эти классы включают в себя, как информацию о характеристиках возмущающего потока, так и информацию о вызываемом потоком геомагнитном проявлении. Кроме того, при таком подходе можно оценивать получаемые результаты на количественном уровне. Похожая нейросетевая классификация событий космической погоды с небольшим числом типов геомагнитного возмущения уже проводилась нами [Бархатов и др., 2006]. Поскольку для успешной работы нейронной сети требуется одинаковая продолжительность анализируемых событий, то в указанной статье это достигалось путем искусственного продления всех исследуемых магнитных бурь до длительности самой продолжительной из анализируемых бурь, что отражалось на качестве получаемых результатов. В данной работе применение нейросетевого метода для классификации комплексов космической погоды не ограничено типом и длительностью геомагнитного возмущения. Нами также изменен способ представления входных величин, позволивший сократить их число, а для расширения характеристик возмущающего солнечного потока, набор используемых входных параметров был дополнен средними значениями вектора межпланетного магнитного поля, южной Bs компонентой вектора межпланетного магнитного поля, температурой, динамическим давлением и электрическим полем солнечного ветра.
2. МЕТОДИКА ОТБОРА ГЕОМАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОЛНЕЧНЫХ ПОТОКОВ, КОТОРЫЕ ИХ ГЕНЕРИРУЮТ
Исследование комплексов космической погоды проводилось нами на основе часовых данных о параметрах солнечного ветра и данных о параметрах ММП (OMNI данные за период 2000-2007 гг.). Были рассмотрены 50 уединенных слабо зашум-ленных глобальных геомагнитных возмущений с различными интенсивностями и с продолжительностью более 6 часов, установленных по данным Лй-индексов (таблица). Определение солнечных источников отобранных глобальных геомагнитных возмущений проводилось на основе сведений о них, приведенных в солнечных каталогах, в каталогах конкретных магнитосферных возмущений и на основе опубликованных статей. Также использовались возмущения, выделенные нами на основе динамики параметров солнечного ветра и ММП плазменных потоков, регистрируемых патрульным спутником. Оценка времени возникновения солнечного источника, для каждого рас-
сматриваемого нами геомагнитного возмущения, определялась по формуле оценки времени распространения солнечного выброса от Солнца к Земле [Gopalswamy et al., 2001].
Для установления конкретного типа потока и солнечного источника, ставшего причиной геомагнитного возмущения были использованы следующие каталоги: 1) Каталог активных волокон и нитей (Active prominences and filaments); 2) Каталог корональных выбросов вещества (LASCO CME Catalog); 3) Каталог крупномасштабных явлений солнечного ветра; 4) Каталог вспышек с указанием присутствия СМЕ и ударных волн (A selected list of solar X-ray events observed by CELIAS/SEM);
5) Список ударных волн (An incomplete list of possible Interplanetary Shocks observed by the PM);
6) Каталог Ha вспышек (Ha solar flares); 7) Каталог рентгеновских вспышек (VSO Catalog Search Results GOES X-Ray Catalog). В результате были выделены соответствующие геомагнитным возмущениям ICME, активные волокна, корональ-ные стримеры, CIR и HSS от корональных дыр; для двух первых источников также были установлены их координаты. Кроме того, для ICME проводился дополнительный анализ на основе данных содержащихся в статьях [Lynch et al., 2003; Cane et al., 2003; Leamon et al., 2004; Zhang et al., 2004] для определения соответствия их структур магнитному облаку. Результаты соответствия рассматриваемых событий солнечному источнику приведены в таблице, где для представленных активных событий на Солнце приняты следующие сокращения: APR (Active Prominence) — активное волокно; ERL (Eruptive Prominence on Limb) — эруптивное волокно на лимбе; DSF (Disappearing Solar Filament) — исчезающие солнечные нити.
Тип вызывающего геомагнитные возмущения солнечного потока и его солнечный источник, не установленные по каталогам, определялись на основе анализа динамики параметров межпланетной среды, зарегистрированных на космических аппаратах (КА) системы OMNI. Была рассмотрена временная динамика среднего значения вектора ММП; компонент этого вектора (Bx, By, Bz); температуры (Т), концентрации (N), скорости (V) и импульса (NV) солнечного ветра; динамического давления потока солнечного ветра (Р); электрического поля (VBs), где Bs равно Bz, если Bz < 0, или равно нулю, если Bz > 0. Для оценки геомагнитной активности использовались временные данные индекса Dst. Отобранные геомагнитные бури соответствовали следующим типам возмущающих потоков: медленным потокам от корональ-ных стримеров и HSS, волоконным потокам, CIR, ICME, МС и комбинациям ударной волны (Shock), оболочки (Sheath) и ведущего поля ICME/MC. В результате проведенного анализа каталогов, статей и динамики параметров солнечного ветра (ПСВ) и ММП во время изучаемых геомагнитных возму-
Классификация событий космической погоды по типу возмущающего потока и временной динамики Dst-ин-декса в период магнитосферного возмущения
Дата и тип геомагнитного возмущения Тип возмущающего потока по данным каталогов и статей Возмущающий поток по визуальному анализу динамики ПСВ и ММП Класс комплекса по типу потока и Dst-индексу/ по нейросетевой классификации
1 11.01.2000 УНКМБ (3) CIR, HSS; (5) Shock CIR + HSS 5/5
2У 22.01.2000 УКМБ (2) Full Halo CME; (3) Sheath, ICME MC [Zhang et al., 2004] Sheath + МС 4/4
3* 06.04.2000 ЭМБ (7) X-ray flare, N16 W66; (6) Ha-flare, N16 W66; (2) Full Halo CME; (3) CIR; (5) Shock МС [Cane at al., 2003; Zhang et al., 2004] Shock + МС _/8
4* У 24.04.2000 УНКМБ (3) Shock, Sheath, HSS, ICME; (5) Shock ICME [Cane at al., 2003] (2) нет ни полного, ни частичного halo СМЕ ?CIR + HSS _/5
5 16.05.2000 УКМБ (7) C3.7 X-ray flare, S22 E65, AR8996 (6) Ha- + Optical flare, S22 E65, AR8996 (2) Partial Halo CME MC [Cane at al.,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.