ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2007, том 47, № 2, с. 230-235
УДК 550.385.4
КОНТРОЛЬ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ДИНАМИКИ ПОЛЯРНОЙ ШАПКИ И ПОЛЯРНОГО ОВАЛА ПО ДАННЫМ ГРЕНЛАНДСКОЙ СЕТИ МАГНИТНЫХ СТАНЦИЙ
© 2007 г. Н. А. Бархатов1' 2, А. Е. Левитин3, С. Е. Ревунов1
Научно-исследовательский радиофизический институт, Н. Новгород 2Нижегородский государственный педагогический университет, Н. Новгород 3Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН,
Троицк (Московская обл.)
Поступила в редакцию 15.02.2006 г. После доработки 19.04.2006 г.
Предлагается методика определения пространственного положения полярной шапки, аврорально-го овала и субавроральной зоны высокоширотного пространства по геомагнитным данным Гренландской цепочки магнитных станций. Принадлежность конкретной станции к одной из зон определяется по результатам работы самообучающейся классификационной искусственной нейронной сети типа слоя Кохонена. Входными параметрами для расчета служат амплитудно-частотные спектры и матрицы вейвлет-коэффициентов анализа данных сети магнитных наблюдений.
PACS: 94.30.Aa
1. ВВЕДЕНИЕ
Три высокоширотные области, получившие названия полярная шапка, овал полярных сияний и субавроральная зона, характеризуются различной структурой геомагнитной активности, связанной с особенностями пространственно-временной структуры магнитосферно-ионосферных токовых систем [Акасофу и Чепмен, 1975; Iijima and Potemra, 1976]. Геомагнитная активность в каждой из этих областей оценивается специальными индексами. Индекс PC контролирует интенсивность трансполярного тока в ионосфере полярной шапки; индексы AE, AU, AL контролируют интенсивность западного и восточного электроджетов в авроральном овале; индекс Kp контролирует периоды наличия геомагнитной возмущенности, охватываемой сразу всю планету [Baker et al., 1997; Kan and Lee, 1979]. Взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой приводит к тому, что пространственное положение и пространственные размеры каждой такой области могут меняться в зависимости от ситуации в межпланетной среде [Reiff et al., 1977; Milan et al., 2003]. Контроль пространственной динамики полярной шапки и аврорального овала крайне важен для анализа геофизических явлений в околоземном пространстве. Он также важен при использовании конкретных геофизических моделей, в которых пространственные характеристики этих
областей используются в качестве входных параметров. Такой контроль необходим и для решения ряда прикладных задач, связанных с воздействием космической погоды на земную цивилизацию [Lam et al., 2002]. В настоящее время он проводится на основе спутниковых и радарных наблюдений или на основе эмпирических соотношений, связывающих площадь полярной шапки и границы полярного овала с параметрами солнечного ветра и индексами геомагнитной активности [Germany et al., 1997; Gerard et al., 2004].
Известно, что пространственно-временное поведение геомагнитных вариаций в каждой из указанных зон этой активности в периоды магнито-сферных возмущений имеет характерные особенности. Поэтому можно попытаться создать на основе анализа данных магнитометров дополнительный метод контроля присутствия отдельной станции из числа станций меридиональной цепочки геомагнитных наблюдений в той или иной высокоширотной зоне. Существование таких цепочек магнитных станций позволяет сейчас получать информацию о временной структуре поля в реальном масштабе времени. Результаты подобной попытки, опирающиеся на данные Гренландской цепочки магнитных наблюдений, простирающейся от околополюсного пространства до субавроральных широт [http:// web.dmi.dk/fsweb/projects/chain/greenland.html], представлены ниже.
контроль пространственной динамики полярной шапки 231
Гренладская цепочка магнитных станций
Название станции Код станции Географические координаты Геомагнитные координаты
Широта Долгота Широта Долгота
Thule THL 77.47 290.77 85.39 33.32
Savissivik SVS 76.02 294.90 83.64 35.91
Kullorsuaq KUV 74.57 302.82 81.22 44.51
Upernavik UPN 72.78 303.85 79.49 42.02
Umanaq UMQ 70.68 307.87 76.90 43.93
Godhavn GDH 69.25 306.47 75.80 40.39
Attu ATU 67.93 306.43 74.56 39.00
Sondre Stromfjord STF 67.02 309.28 73.16 41.74
Sukkertoppen SKT 65.42 307.10 71.99 37.97
Godthab GHB 64.17 308.27 70.56 38.53
Frederikshab FHB 62.00 310.32 68.01 39.65
Narsarsuaq NAQ 61.16 314.56 66.31 43.91
2. МЕТОД КЛАССИФИКАЦИИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ СТАНЦИИ ГРЕНЛАНДСКОЙ ЦЕПОЧКИ ПО ГЕОМАГНИТНЫМ ДАННЫМ
Гренландская цепочка магнитных станций, данные о которой представлены в таблице, расположена таким образом, что ее пункты геомагнитных наблюдений могут одновременно находиться в полярной шапке, в авроральном овале и в субавроральной зоне. Используя данные Гренландской цепочки, можно попытаться, на основе характерных свойств данных наблюдений в зависимости от нахождения конкретной станции в той или иной области высокоширотного пространства, создать метод контроля динамики положения этих областей в реальном масштабе времени.
В качестве параметров, характеризующих геомагнитные данные (минутные значения трех компонент вектора поля и его модуля), были выбраны их спектры и матрицы вейвлет-коэффициентов. Вычисление спектров проводилось с помощью процедуры быстрого преобразования Фурье [Дьяконов и Круглов, 2001; Дьяконов, 2001]. Результат такого преобразования использовался в виде числового ряда. Также в форме числового ряда использовались и коэффициенты вейвлет анализа О^Ш et я1., 2001].
Классификация спектров и матриц велась с помощью специально созданной самообучающейся классификационной искусственной нейронной сети (ИНС) типа слоя Кохонена [Круглов и Борисов, 2000; Медведев и Потёмкин, 2002]. Анализировались геомагнитные данные за 1998 г. в периоды стандартных магнито-спокойных (0 и магнито-возмущенных (Ц) дней, которые определяются по сумме Хр-индексов всех дней каждого месяца года.
Для проверки любого метода определения присутствия магнитной станции внутри конкретной области высоких широт необходимо иметь в наличии данные о реальных границах полярной шапки и аврорального овала. В настоящее время точное определение этих границ на основе каких-либо непрерывных наблюдений сделать нельзя. Они сегодня являются модельными и оцениваются с помощью спутниковых наблюдений (космические аппараты серии DMSP) [Newell et al., 2001] или на основе статистических соотношений, полученных на основе корреляции спутниковых данных или наземных фотометрических данных с параметрами солнечного ветра или с индексами геомагнитной активности [Gerard et al., 2004; Blanchard et al., 1995]. При этом отождествление положения овала полярных сияний, по наземным фотометрическим данным наблюдения авроральной эмиссии для линии кислорода 630 нм, свидетельствует о недоступности некоторых частей овала полярных сияний полю зрения полярного спутника, что делает спутниковый способ определения границ несовершенным. Но, несмотря на это, при отсутствии реальных границ полярной шапки и овала полярных сияний, мы проводили оценку качества получаемой нами классификации с модельными изображениями авроральной зоны, сделанными на основе обработки спутниковых данных и размещенных на web-узле [http ://sd-www. jhuapl.edu/aurora/].
Классификация, выполненная по Фурье-спектрам компонент вектора магнитного поля и спектру модуля вектора, позволила разделить станции Гренландской цепочки на три группы, соответствующие трем зонам высокоширотного пространства. Погрешности классификации при этом
Относительная амплитуда
с
Рис. 1. Разновидность базовой волны (вейвлета) До-бечиса, примененная для расчета матриц вейвлет-ко-эффициентов. По оси абсцисс отложено время, по оси ординат - относительная амплитуда вейвлета.
приводят к тому, что в некоторых случаях эти зоны не согласуются со спутниковыми наблюдениями. Тем не менее, мы считаем, что классификация спектров цепочки станций на три класса может проводиться достаточно успешно.
Подобная классификация на основе матриц вейвлет-коэффициентов проводилась с использованием в качестве вейвлет-форм базовой волны Добечиса (БаиЬесЫе8) [М18Ш й а1., 2000]. Пример такой волны показан на рис. 1. Для проведения классификации нейросети в качестве единичного события необходимо предъявлять числовой ряд, а не матрицу. Поэтому каждая матрица вейвлет-коэффициентов была развернута в числовой вектор. Такой вектор мы получали, объединяя в один общий столбец последовательно все столбцы матрицы, начиная с первого. После такого преобразования материалом для классификации является набор числовых рядов, составленных из матриц вейвлет-коэффициентов для магнитных данных станций за определенный час исследуемого дня.
3. АЛГОРИТМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ КЛАССИФИКАЦИИ И ОЦЕНКА УРОВНЯ СОГЛАСОВАННОСТИ КЛАССИФИКАЦИОННОГО
И МОДЕЛЬНОГО (СПУТНИКОВОГО) ПОДХОДОВ
Результаты выполненной классификации позволяют определить площадь, относящуюся к ав-роральной зоне. Для оценки согласованности на-
ших результатов с модельными была изучена корреляция между занимаемыми площадями, относящимися к авроральной зоне, при спутниковом методе ее выделения и при методе выделения с помощью нейросети. Классификация на основе спектров успешнее проводится с использованием спектра для модуля поля в возмущенные дни (коэффициент корреляции ^тах = 0.7). Реже хорошие результаты классификации появляются при классификации спектров для 2-компоненты поля. Классификация с использованием спектров других двух компонент вектора магнитного поля чаще всего неудовлетворительная.
Неоднозначность полученных выводов при выделении трех зон высоких широт потребовала разработки пошагового алгоритма классификации, призванного внести большую ясность в положение границы зон. Он состоит в том, что мы при первом шаге проводим анализ с севера на юг и сразу полагаем самую северную станцию Гренландской цепочки принадлежащей к области полярной шапки. Таким образом, нам остается выполнить классификацию на наличие всего двух классов для остальных пунктов наблюдения магнитного поля. Один из этих классов должен вобрать в себя станции, находящиеся в
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.