Геомагнетизм и аэрономия

Исследуется влияние крупномасштабных структур межпланетной среды на распространение солнечных энергичных частиц 27.08.2022 г. Динамика потоков частиц 27.08.2022 г., измеренных на космических аппаратах, расположенных в точке Лагранжа L1 и в околоземном пространстве, имеет ряд особенностей: наличие одновременных локальных максимумов потоков электронов и протонов разных энергий на фазе роста потоков; анизотропия потока солнечных протонов в течение примерно 12 ч; пространственное распределение потоков солнечных протонов на околоземной орбите подобно распределению на расстоянии 1.5 млн км от Земли, но с запаздыванием более 1 ч. Предложено объяснение наблюдаемых особенностей солнечного протонного события 27.08.2022 г. влиянием предшествующих межпланетных корональных выбросов массы и модуляционными процессами при распространении частиц внутри области сжатия перед высокоскоростным потоком солнечного ветра из корональной дыры.

Рассмотрены вариации индексов и площадей солнечных пятен, а также площади и магнитные потоки корональных дыр в первые пять лет 25-го цикла. Источник исходных данных для анализа индексов и площадей солнечных пятен, а также площадей корональных дыр − сайт (https://observethesun.com). Магнитные потоки корональных дыр рассчитывались по синоптическим картам магнитных полей, полученных по наблюдениям двух независимых инструментов: Helioseismic and Magnetic Imager/Solar Dynamics (HMI/SDO) и Солнечный телескоп оперативного прогнозирования/Кисловодская горная астрономическая станция Пулковской обсерватории (СТОП/КГАС). Исследование вариаций месячных индексов и площадей солнечных пятен в полушариях выявило выраженную асимметрию образования солнечных пятен в указанный период в пользу южного полушария. Показано, что в исследуемый период также наблюдалась значительная асимметрия как по времени появления полярных и низкоширотных корональных дыр, так и по их амплитуде. На начальном этапе, в период с января 2020 г. по апрель 2022 г., основной вклад в общую площадь вносили полярные корональные дыры. Затем, до конца рассматриваемого периода, − низкоширотные корональные дыры, хотя в отдельные моменты времени вклад обоих типов корональных дыр был значимым. Сравнительный анализ динамики магнитных потоков корональных дыр, полученных по синоптическим картам магнитных полей инструментов HMI/SDO и СТОП/КГАС за один и тот же период (2014–2024 гг.), показал хорошее согласие результатов. Это является существенным аргументом в пользу регулярного использования отечественных инструментов, в частности СТОП/КГАС, в целях исследования эволюции магнитных полей Солнца.

Рассмотрены колебания значений модуля и компонент межпланетного магнитного поля плазмы солнечного ветра вблизи фронта быстрой обратной ударной волны по данным спутника WIND с частотой опроса 11 Гц. Рассматривались два варианта разбиения вектора магнитного поля на компоненты – по системе координат GSE и по отношению к нормали фронта межпланетной ударной волны. Было получено, что для невозмущенной области солнечного ветра частота излома спектра флуктуаций компонент магнитного поля лежит в диапазоне частот от 0.37 до 1.37 Гц. Для возмущенной области солнечного ветра частота излома смещается в интервал частот от 0.45 до 1.58 Гц, что соответствует масштабу инерционной длины протона. Было показано, что наклон спектров колебаний компонент межпланетного магнитного поля меняется как в МГД, так и на переходных масштабах, хотя и в разной степени. На переходных масштабах различие может быть значительным.

Проведен анализ особенностей среднестатистической зависимости Dst-индекса от параметров гелиосферы во время развития бурь, инициированных корональными выбросами массы на Солнце (CME-бури) и коротирующими областями взаимодействия (CIR-бури). Обнаружено, что динамика Dst-индекса и β-параметра (равного отношению теплового давления к магнитному) во время развития бурь, вызванных CME- и CIR-потоками, качественно подобна. В главную фазу CME- и CIR-бурь среднестатистическая величина параметра β < 1 и β > 1 соответственно, что отражает различную турбулентность плазмы в потоках солнечного ветра. Показано, что на интервале развития CME- и CIR-бурь траектория изменения Dst в зависимости от параметров гелиосферы на главной фазе бурь не совпадает с его траекторией на фазе восстановления, что является типичным признаком явления гистерезиса. Эффект гистерезиса между Dst-индексом и ключевыми параметрами солнечного ветра и межпланетного магнитного поля (ММП) наблюдается во время развития обоих типов бурь, что свидетельствует о нелинейном характере связи между Dst и параметрами гелиосферы. Форма и размер гистерезисных петель изменяется в зависимости от анализируемых параметров. Петли гистерезиса для CIR-бурь по площади меньше гистерезисных петель для CME-бурь. Установлено, что в период, предшествующий возникновению CME- и CIR-бурь, потоки солнечного ветра имеют замкнутую конфигурацию вектора напряженности B ММП в плоскости эклиптики с различным направлением вращения.

Разработана методика обнаружения аномальных вариаций интенсивности потока космических лучей в периоды геомагнитных бурь. Методика содержит когнитивные правила выбора решений и является синтезом пороговой вейвлет-фильтрации с элементами теории статистических решений. Численная реализация методики позволяет в темпе поступления данных в систему обработки получить наилучшее решение в определенном статистическом смысле. В работе использовались данные наземных нейтронных мониторов высокоширотных станций (nmdb.eu). Рассмотрены два периода, содержащие экстремальные геомагнитные бури уровней G5 и G4 и сопровождавшиеся двумя глубокими Форбуш-понижениями, зарегистрированные 11 мая 2024 г. и 01 января 2025 г. Применение методики позволило обнаружить аномальные изменения в интенсивности потока космических лучей за несколько часов до начала Форбуш-понижений и регистрации геомагнитных бурь.

Рассмотрены процессы, происходящие в области полярной шапки и зависящие от знака ММП By. Представлены результаты сравнительного анализа распределений продольных токов, авроральных высыпаний, конвекции ионосферной плазмы и электронной концентрации в условиях ММП северного направления и при наличии By компоненты противоположных знаков. Продольные токи получены по данным спутников AMPERE, высыпающиеся частицы – по данным DMSP, траектории конвекции – по результатам моделирования, электронная концентрация рассчитана по эмпирической модели IRI и по региональной численной модели. Показано, что в северном полушарии возмущения концентрируются вблизи полюса и существенно различаются при противоположных знаках ММП By. В условиях By+ в центре полярной шапки интенсивность высыпаний гораздо выше, чем при By–. Также только при By+ вечерняя ячейка конвекции доминирует над утренней, обеспечивая циркумполярный дрейф ионосферной плазмы в увеличенном диапазоне широт. Модельное распределение электронной концентрации в полярной шапке показывает формирование приполюсного пика плотности плазмы при By+ и истощение плазмы при By–, что соответствует направлению продольных токов и структуре высыпаний. При By+ в северной полярной ионосфере формируется структура типа “циклон”, в которой энергия и импульс солнечного ветра эффективно передаются в ионосферу в течение нескольких часов северного ММП.

В работе исследуются возмущения внешнего магнитного поля, производимые турбулентным потоком проводящей несжимаемой жидкости, обтекающей твердый диэлектрический шар. Расчет течения жидкости с учетом эффектов турбулентной вязкости производится в приближении RANS-модели. Для численного моделирования гидродинамического и магнитного возмущений использовалась система мультифизического моделирования COMSOL. Решение задачи получено для произвольной ориентации внешнего магнитного поля. Численно исследованы угловое распределение магнитных возмущений, а также зависимости убывания амплитуд этих возмущений с расстоянием. Определены направления, в которых магнитные возмущения максимальны. Детально исследована область вблизи турбулентного следа. Выведены приближенные асимптотические законы убывания магнитных возмущений в зависимости от расстояния до центра шара. Сравниваются магнитные возмущения, возникающие при ламинарном и турбулентном режимах обтекания шара.

Предложен оригинальный подход к автоматической классификации полярных сияний путем машинной идентификации изображений с фоторегистраторов небосвода, также называемых камерами всего неба (от англ. all-sky imager). Было отобрано 163 899 изображений небосвода внутри аврорального овала (Кольский п-ов, Россия) с 10-минутным шагом дискретизации за 10-летний период. Предложена интеллектуальная информационная система, реализующая идентификацию принадлежности получаемого изображения к одному из семи рассматриваемых классов. Анализ метрик качества системы, построенной на базе нейросетевой архитектуры ResNet50, показал точность проводимой классификации на уровне 96%, что практически недостижимо в условиях ручной обработки данных на выборках такого объема. Результат автоматической классификации изображений небосвода на основе предложенной системы доступен по ссылке (https://disk.yandex.ru/i/76OMyWR4YyVYuw).

Проведен анализ глобальной сейсмической активности Земли с целью выявления возможного воздействия на нее сильных магнитных бурь. Исходной количественной мерой глобальной сейсмической активности Земли служило суммарное число сильных (магнитуда M ≥ 5.0) коровых (глубина гипоцентра 0 ≤ h ≤ 60 км) землетрясений по всему миру в сутки (N_EQ). Геомагнитная активность и сила каждой конкретной магнитной бури оценивались по данным ежечасных значений индекса DST. Рассматривались только сильные геомагнитные бури, которые отвечали условию DST_extr ≤ –150 нТл, а в состав исследуемого массива бурь (за период с 1957 по 2016 г.) были включены только те, по которым есть окончательные данные ежечасных значений DST-индекса. В качестве основного инструмента анализа использован модифицированный метод наложения эпох, при этом реперным (нулевым) днем считался день, в который достигалось минимальное значение DST-индекса. Получено, что за день до реперного дня (в минус 1-й день) происходит существенное снижение глобальной сейсмической активности Земли для магнитных бурь с внезапным началом (MS_SC). В нулевой день ситуация не столь однозначная, но имеет место безусловный подъем глобальной сейсмической активности Земли для магнитных бурь с постепенным началом (MS_GRAD). Более того, на +7-й день для таких бурь наблюдается существенное повышение сейсмической активности Земли. Предлагаются и обсуждаются возможные физические механизмы для объяснения такого поведения глобальной сейсмической активности Земли на основе сделанных предельно упрощенных количественных оценок.