Analysis of geomagnetic field variations based on the results of the «Aurora» interactive system

Full Text

Введение

Регистрируемые геофизические параметры содержат важную информацию о состоянии природной среды. Анализ данных околоземного космического пространства (параметры состояния межпланетного пространства, магнитосферы, ионосферы и др.), являющихся объектом этого исследования, позволяет получить важную информацию о состоянии космической погоды [1-3]. Своевременная обработка и анализ поступающих данных измерений дает возможность оперативно выявлять аномальные процессы, давать заключение о состоянии околоземного пространства и формировать прогноз ожидаемых явлений.

В статье описаны функции геомагнитной компоненты системы «Аврора» (http://lsaoperanalysis.ikir.ru:9180/lsaoperanalysis.html) и приведены результаты её функционирования в периоды магнитных бурь. Геомагнитная компонента системы «Аврора» разработана в ИКИР ДВО РАН. Функции данной компоненты базируются на новых подходах и методах, построенных коллективом ученых лаборатории Системного анализа [4, 5]. Разработанные методы основаны на синтезе элементов теории вейвлет-преобразования с методами теории вероятностей и математической статистики. Вейвлет-преобразование позволяет исследовать нестационарные изменения в геофизических данных и широко применяется в области физики и, в частности, в геофизике. Использование вейвлетов обеспечивает возможность обнаружения и анализа короткопериодных вариаций, возникающих в данных в периоды повышенной солнечной активности и магнитных бурь [6-10].

Предметом данного исследования являются вариации магнитного поля Земли, получаемые путем прямых измерений на магнитных обсерваториях (станция «Паратунка» и станция Хабаровск, ИКИР ДВО РАН) [11]. Архивные и текущие массивы геомагнитных данных, открытый доступ к которым организован в системе «Аврора», дают возможность изучать пространственно-временные особенности и динамику процессов в магнитосфере Земли [12, 13]. В статье приведены примеры регистрируемых вариаций геомагнитного поля в спокойные и возмущенные периоды. Показаны выделенные системой «Аврора» короткопериодные синхронные возмущения на станциях «Паратунка» и «Хабаровск» накануне и во время магнитных бурь. Рассмотренная в статье геомагнитная компонента дополняет комплексный анализ данных геофизического мониторинга в системе и является важнейшей её частью.

Описание функций геомагнитной компоненты

Программные модули геомагнитной компоненты выполняют обработку минутных данных горизонтальной компоненты (Н-компоненты) напряженности магнитного поля Земли. Функции системы обеспечивают оценку интенсивности геомагнитных возмущений и выполняют выделение периодов слабой и сильной геомагнитной активности. Данные функции описаны ниже.

Оценка интенсивности геомагнитных возмущений выполняется на основе применения непрерывного вейвлет-преобразования. Непрерывное вейвлет-преобразование данных, определяется формулой [14, 15]

$W_{\Psi }{f}_{b\mathrm{,}a}\mathrm{<mo>:</mo><mo>=</mo><mo>|</mo>}a{\mathrm{<mo>|</mo>}}^{-\mathrm{1<mo>/</mo>2}}{\displaystyle {\int }_{-\infty }^{\infty }}f\mathrm{<mo\; stretchy="false">(</mo>}t\mathrm{<mo\; stretchy="false">)</mo>}\Psi \left(\frac{t-b}{a}\right)dt\mathrm{,}$ (1)

где a $—$ масштаб Ψ $—$ базисный вейвлет.

Замечание. Преобразование (1) выполняется численно по алгоритму, аналогичному алгоритму, реализованному в системе Matlab. Перед выполнением преобразования (1) для уменьшения влияния краевого эффекта временной ряд данных $f_N\mathrm{<mo>=</mo><mo>\{</mo>}{f}_n{\mathrm{<mo>\}</mo>}}_{n\mathrm{<mo>=</mo>}\overline{\mathrm{0,}N}}$ дополняется значениями по правилу:

$f_{N+2L}\mathrm{<mo>=</mo><mo>\{</mo>}{f}_L\mathrm{,...}{f}_2\mathrm{,}{f}_1\mathrm{,}{f}_0\mathrm{,..,}{f}_N\mathrm{,}{f}_{N-1}\mathrm{,}{f}_{N-2}\mathrm{,...,}{f}_{N-L}\mathrm{<mo>\}</mo>,}$

где L = Ω ∗ a_max, (2Ω + 1) $—$ носитель вейвлета (см. (1)), a_max $—$ наибольший масштаб вейвлет-преобразования. После выполнения вейвлет-преобразования коэффициенты W_Ψf_b,a, соответствующие дополненным значениям, удаляются. Интенсивность геомагнитных возмущений в момент времени t = b на анализируемом масштабе a оценивается на основе величины:

$e_{b\mathrm{,}a}\mathrm{<mo>=</mo>}\left|\left(W_{\Psi }f\right)\mathrm{<mo\; stretchy="false">(</mo>}b\mathrm{,}a\mathrm{<mo\; stretchy="false">)</mo>}\right|$

Интенсивность возмущений поля в t = b оценивается по формуле:

$E_b\mathrm{<mo>=</mo>}{\displaystyle \sum _a}{e}_{b\mathrm{,}a}\mathrm{.}$

В обработке используется базисный вейвлет Добеши порядка 3 (см. рис. 1), имеющий следующие свойства: ортогональный, обладает компактным носителем.

 

Рис. 1. Вейвлет Добеши порядка 3.

[Figure 1. Dobeshi wavelet of order 3.]

 

Ортогональность вейвлета обеспечивает численную устойчивость разложений данных, компактный носитель вейвлета позволяет минимизировать погрешности при аппроксимации данных (см. Определение).

Определение [14]. Если базисный вейвлет Ψ имеет компактный носитель, равный [−Ω,Ω], то носитель Ψ_b,a на масштабе a равен [b − Ωa,b + Ωa]. Точка ξ содержится в носителе Ψ_b,a, если |b−ξ| ≤ Ωa.

Выделение периодов слабой и сильной геомагнитной активности выполняется на каждом масштабе a непрерывного вейвлет-преобразования на основе применения следующих пороговых функций:

$P_{{\mathrm{T}}_{a\mathrm{,1}}}\left(e_{b\mathrm{,}a}\right)=\left\{\begin{array}{l}\mathrm{0,}\text{если\hspace{0.33em}}{e}_{b\mathrm{,}a}<{\mathrm{T}}_{a\mathrm{,1}}\\ e_{b\mathrm{,}a}\mathrm{,}\text{если\hspace{0.33em}}{e}_{b\mathrm{,}a}\ge {\mathrm{T}}_{a\mathrm{,1}}\end{array}\right.\mathrm{,}$ $P_{{\mathrm{T}}_{a\mathrm{,2}}}\left(e_{b\mathrm{,}a}\right)=\left\{\begin{array}{l}\mathrm{0,}\text{если\hspace{0.33em}}{e}_{b\mathrm{,}a}<{\mathrm{T}}_{a\mathrm{,2}}\\ e_{b\mathrm{,}a}\mathrm{,}\text{если\hspace{0.33em}}{e}_{b\mathrm{,}a}\ge {\mathrm{T}}_{a\mathrm{,2}}\end{array}\right.\mathrm{,}$

где пороги T_a,1 на каждом масштабе выделяют слабые и сильные возмущения, а пороги значения T_a,2 на каждом масштабе выделяют сильные возмущения.

Оценка порогов T_a,1 и T_a,2 выполнялась путем минимизации апостериорного риска. Экспериментальной базой в оценках являлись геомагнитные данные обсерватории «Паратунка» (Камчатский край) за период 2002-2010 г. Путем обработки «спокойных» дней (трехчасовые значения K-индекса которых не превышали значения 2, а суммарные суточные не превышали значения 8) на каждом масштабе a были оценены пороговые значения T_a,1. На основе обработки «слабовозмущенных» дней (трехчасовые значения K-индекса которых не превышали значения 4, а суммарные суточные не превышали значения 18) на каждом масштабе a были оценены пороговые значения T_a,2. Результаты расчета T_a,1 и T_a,2 для рассматриваемых масштабов показаны на рис. 2.

 

Рис. 2. Результаты расчета пороговых значений T_a,1 и T_a,2. На оси ox отмечены масштабы a, на оси oy - значения T_a,1 и T_a,2.

[Figure 2. Calculation results for threshold values T_a,1 and T_a,2. On the ox axis are the scales of a, on the oy axis are the values of T_a,1 и T_a,2.]

 

Общая схема оценки состояния геомагнитных данных для станций «Паратунка» и «Хабаровск» показана на рис. 3.

 

Рис. 3. Схема оценки состояния геомагнитных данных.

[Figure 3. Geomagnetic data state estimation scheme.]

 

Результаты работы геомагнитной компоненты системы «Аврора»

Обработка магнитных данных в системе выполняется один раз в час. Дискретизация данных составляет одну минуту. Система предоставляет в текстовом виде результаты оценки состояния геомагнитного поля станции «Паратунка» (Камчатка) и «Хабаровск» за последние 24 часа.

Формируемое системой заключение о состоянии поля (рис. 4) может принимать одно из следующих значений: спокойное (амплитуды возмущений соответствуют значениям К-индекса 0 и 1); слабовозмущенное (амплитуды возмущений соответствуют значениям К-индекса в интервале от 2-х до 3-х) и возмущенное (амплитуды возмущений соответствуют значениям К-индекса равным 4 и более).

 

Рис. 4. Результаты экспертной оценки состояния геомагнитного в системе «Аврора».

[Figure 4. Results of expert assessment of the geomagnetic state in the «Aurora» system.]

 

Визуальный анализ результатов обработки данных вариаций геомагнитного поля может быть выполнен в системе с помощью следующих данных (рис. 5):

• исходные минутные данные скорости солнечного ветра (NOAA, Space Weather Prediction Center);
• исходные минутные данные Bz-компоненты межпланетного магнитного поля (NOAA, Space Weather Prediction Center);
• исходные часовые данные Dst-индекса (International Service of Geomagnetic Indices);
• исходные трехчасовые данные Kp-индекса (International Service of Geomagnetic Indices);
• исходные минутные данные Н-компоненты напряженности магнитного поля Земли станции «Паратунка» и станции Хабаровск;
• результаты выделения короткопериодных синхронных возмущений геомагнитного поля;
• результаты выделения слабых (амплитуды возмущений соответствуют значениям К-индекса в интервале от 2-х до 3-х) и сильных (амплитуды возмущений соответствуют значениям К-индекса, равным 4 и более) геомагнитных возмущений;
• результаты оценки интенсивности выделенных геомагнитных возмущений.

 

Рис. 5. Результаты работы геомагнитной компоненты системы «Аврора» в период 06–10 января 2023 г.

[Figure 5. Results of the geomagnetic component of the «Aurora» system for the period 06–10 January 2023.]

 

В качестве примера работы системы, на рис. 6 приведены результаты обработки магнитных данных во время магнитной бури 02 мая 2024 г. По данным космической погоды (http://ipg.geospace.ru/) в начале описываемого периода 30 апреля в 11.// UTC пришел неоднородный ускоренный поток от выброса корональной массы (СМЕ от 27 апреля), концентрация протонов которого составила 27 частиц/см3, флуктуации южной компоненты усилились до Bz = - 10 нТл, скорость солнечного ветра увеличилась до 420 км/сек. В течение часа после прихода СМЕ в исходных геомагнитных данных станций «Паратунка» и «Хабаровск» возникла бухтообразная особенность (рис. 6, красный прямоугольник). Результаты системы показывают в этот период возникновение синхронных короткопериодных возмущений на обеих анализируемых станциях, которые продолжались несколько часов. Значения Kp-индекса в это время возрастали до 5, рассчитанные локальные индексы геомагнитной активности на станциях «Паратунка» и «Хабаровск» также подтверждают возникновение геомагнитных возмущений (рис. 6).

 

Рис. 6. Результаты работы системы «Аврора» в период 30 апреля – 02 мая 2024 г.

[Figure 6. «Aurora» system results for the period 30 April – 02 May 2024.]

 

Далее, 02 мая в 13.// UTC пришел неоднородный ускоренный поток от выброса корональной массы (СМЕ от 01 мая), концентрация протонов которого составила 15 частиц/см3, флуктуации южной компоненты усилились до Bz= - 19 нТл, скорость солнечного ветра начала возрастать и к 02.// UTC 03 мая достигла значения 510 км/сек (http://ipg.geospace.ru/). По данным http://kakioka-jma.go.jp/ 02 мая 2024 г. в 14:07 UT началась геомагнитная буря (рис. 6, синяя вертикальная линия). После прихода СМЕ в системе на станциях «Паратунка» и «Хабаровск» выделены синхронные возмущения (рис. 6, зеленый прямоугольник). Особый интерес в задачах космической погоды имеют выделенные системой синхронные возмущения, произошедшие менее, чем за 12 часов до начала магнитной бури (рис. 6, зеленый прямоугольник). После начала магнитной бури система также показывает наличие возмущений в данных Н-компонент станций «Хабаровск» и «Паратунка» и возрастание локальных геомагнитных индексов (рис. 6).

На рис. 7 показаны результаты работы системы во время экстремальной магнитной бури, произошедшей 28 июня 2024 г. В анализируемый период 26 июня пришел неоднородный ускоренный поток от выброса корональной массы (СМЕ от 23 июня), скорость солнечного ветра увеличилась от 320 до 370 км/сек, южная компонента ММП флуктуировала от Bz = -9 нТл до Bz = +11 нТл (http://ipg.geospace.ru/). После прихода CME система регистрирует яркие синхронные возмущения геомагнитного поля на обеих анализируемых станциях, в этот период значения локальных геомагнитных индексов не превышают значения 4 (рис. 7, красный прямоугольник).

 

Рис. 7. Результаты работы системы «Аврора» в период 26-28 июня 2024 г.

[Figure 7. «Aurora» system results for the period 26-28 June 2024.]

 

Основное событие началось 28 июня 2024 г. в 10:12 UT (http://kakioka-jma.go.jp/), что отмечено на рис. 7 синей вертикальной линией. По данным http://ipg.geospace.ru/ 28 июня в 08.// UTC пришел неоднородный ускоренный поток от корональной дыры (CIR), концентрация протонов которого составила 40 частиц/см3, флуктуации южной компоненты усилились до Bz = -24 нТл, скорость солнечного ветра начала увеличиваться и к 16.// UTC 28 июня достигла значения 500 км/сек. После прихода потока CIR системой зарегистрированы синхронные короткопериодные геомагнитные возмущения, локальные геомагнитные индексы превысили значение 7 (рис. 7, зеленый прямоугольник). Отметим, что накануне магнитной бури, за несколько часов до прихода потока CIR системой выделены короткопериодные возмущения на станции «Паратунка» и, с небольшой задержкой по времени, возмущения на станции «Хабаровск» (рис. 7, зеленый прямоугольник).

На рис. 8 показана работа системы в период сильной магнитной бури с началом 13 марта 2022 в 10:45 UT (http://kakioka-jma.go.jp/). По данным космической погоды (http://ipg.geospace.ru/) накануне события 12 марта из-за влияния корональной дыры скорость солнечного ветра была в пределах от 380 км/сек до 410 км/сек, южная компонента флуктуировала от Вz = -3 нТл до Вz = +3 нТл. По результатам системы «Аврора» в это время наблюдается ряд слабых синхронных возмущений в геомагнитном поле (рис. 8, красный прямоугольник).

 

Рис. 8. Результаты работы системы «Аврора» в период 12-14 марта 2022 г.

[Figure 8. «Aurora» system results for the period 12-14 March 2022.]

 

На следующий день 13 марта пришел неоднородный ускоренный поток от выброса корональной массы (СМЕ, сопровождавшее распад солнечного волокна 10 марта), концентрация протонов которого составила 44 частицы/см3, флуктуации южной компоненты усилились до Вz = -24 нТл, скорость солнечного ветра возросла до 600 км/сек (http://kakioka-jma.go.jp/). После начала магнитной бури (рис. 8, синяя вертикальная линия) системой зарегистрированы синхронные короткопериодные геомагнитные возмущения на обеих анализируемых станциях и произошло повышение геомагнитных индексов до значения 6 (рис. 8, зеленый прямоугольник). Накануне магнитной бури геомагнитная обстановка была спокойной, в этот период системой зарегистрировано слабое синхронное короткопериодное возмущение (рис. 8, зеленый прямоугольник).

Выводы

Геомагнитная компонента системы «Аврора» обеспечивает комплексную оценку состояния магнитного поля Земли в возмущенные и спокойные периоды. Накануне и в периоды магнитных бурь система позволяет на анализируемых станциях «Паратунка» и «Хабаровск» обнаружить синхронные короткопериодные геомагнитные возмущения. На примере рассмотренных в статье событий подтверждено, что результаты геомагнитной компоненты системы «Аврора» обеспечивают достоверную оценку состояния магнитного поля Земли и могут быть использованы в качестве дополнительного инструмента при выполнении оперативного прогноза космической погоды.

About the authors

Yurii A. Polozov

Institute of Cosmophysical Research and Radio Wave Propagation FEB RAS

Author for correspondence.
Email: polozov@ikir.ru
ORCID iD: 0000-0001-6960-8784

Ph. D. (Tech.), Senior Researcher Laboratory of System Analysis

Russian Federation, 684034, Paratunka, Mirnay St. 7

Oksana V. Mandrikova

Institute of Cosmophysical Research and Radio Wave Propagation FEB RAS

Email: polozov@ikir.ru
ORCID iD: 0000-0002-6172-1827

Sci. (Tech.), Professor, Head Laboratory of System Analysis

Russian Federation, 684034, Paratunka, Mirnay St. 7

References

Supplementary files