CC BY
46
Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. 2016. № 1(12). C. 66-84. ISSN 2079-6641
DOI: 10.18454/2079-6641-2016-12-1-66-84
УДК 550.38
АНАЛИЗ ЯВЛЕНИЙ КОСМИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ В 2014 ГОДУ ПО НАБЛЮДЕНИЯМ В СЕВЕРО-ВОСТОЧНОМ РЕГИОНЕ РОССИИ
С. Э. Смирнов1, В. В. Бычков1, О. В. Мандрикова1, И. С. Соловьев1, Ю.А. Полозов1, Т. Л. Заляев1, С.Ю. Хомутов1, Д. Г. Баишев2, И.Н. Поддельский1, З.Ф. Думбрава1
1 Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН, 684034, Камчатский край, п. Паратунка, ул. Мирная, 7
2 Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера СО РАН, 677980, г. Якутск, пр. Ленина, 31
E-mail: [email protected]
Рассмотрены геофизические эффекты солнечных событий 2014 г. по системе наблюдений северо-востока России. Выявлены эффекты возбуждения волн в атмосферном электричестве приземного слоя воздуха в результате внезапного начала магнитной бури. Накануне событий 4 ноября 2014 г. и 27 августа 2014 г. в ионосфере выделены положительные аномалии, которые возникали независимо от местного времени на фоне спокойного и слабовозмущенного геомагнитного поля.
Ключевые слова: космическая погода, ионосфера, магнитная буря
(с) Смирнов С.Э., Бычков В. В., Мандрикова О. В. и др., 2016
MSC 86A10+86A25
ANALYSIS OF SPACE WEATHER EVENTS IN 2014 ACCORDING TO THE OBSERVATIONS IN THE NORTH-EASTERN REGION OF RUSSIA
S.E. Smirnov1, V. V. Bychkov1, O.V. Mandrikova1, I.S. Solovev1, Yu.A. Polozov1, T. L. Zalyaev1, S.Y. Khomutov1, D.G. Baishev2, I.N. Poddelsky1, Z.F. Dumbrava1
1 Institute of Cosmophysical Researches and Radio Wave Propagation FEB RAS, 684034, Kamchatskiy Kray, Paratunka, Mirnaya st., 7, Russia
2 Yu.G. Shafer Institute of Cosmophysical Research and Aeronomy SB RAS, 677980, Yakutsk, Lenin boul., 31, Russian
E-mail: [email protected]
In this paper we consider geophysical effects of solar events of 2014 according to the observation system of north-eastern Russia. We allocated effects of excitation of waves in atmospheric electricity of near-ground air which was the result of sudden commencement of a magnetic storm.
Key words: space weather, ionosphere, magnetic storm
© Smirnov S. E., Bychkov V. V., Mandrikova O.V. et al, 2016
Введение
Комплексный анализ эффектов космической погоды по наблюдениям на сети геофизических обсерваторий позволяет раскрыть последовательность и сложность процессов взаимодействия геосферных оболочек во время экстремальных солнечных событий. В данной работе рассматриваются солнечные события 2014 года.
Изучение характера вариаций магнитного поля Земли служит основой оценки свойств и состояния электромагнитных полей в околоземном пространстве. Вследствие воздействия солнечного ветра на магнитосферу Земли изменяются параметры магнитного и электрического полей, интенсивности токов и потоков высыпающихся частиц, возбуждаются разного рода волны [1]. Все эти величины используются для оценки силы магнитной бури, характеризующей воздействие Солнца на околоземное пространство.
Одной из важных задач изучения космической погоды является контроль состояния ионосферы и выделение аномалий [2]-[7]. Ионосферные параметры заметно меняются с высотой, зависят от цикла солнечной активности, геомагнитных условий, географических координат и содержат характерные суточные и сезонные изменения [2]-[5]. Ионосферные аномалии проявляются в виде значительного отклонения (роста или понижения) концентраций электронов по отношению к фоновому уровню. В большинстве случаев ионосферные возмущения происходят вследствие повышения солнечной и геомагнитной активности, а в сейсмоактивных областях они также могут наблюдаться в периоды повышенной сейсмической активности [2]-[4],[8],[9].
Наблюдаемые на поверхности Земли вариации космических лучей являются интегральным результатом различных солнечных, гелиосферных и атмосферных явлений и имеют сложную внутреннюю структуру [10],[11]. Их интенсивность зависит от метеорологических параметров, в частности от температуры и давления воздуха, состояния геомагнитного поля, электромагнитной обстановки в Солнечной системе и физических условий в Галактике [ 10]-[ 12]. В вариациях космических лучей находит отражение 11-летний цикл и 27-дневный солнечный период вращения [11]. Помимо перечисленного в вариациях присутствует суточный ход, обусловленный асимметрией формы магнитосферы, которая изменяется во времени при изменении параметров солнечного ветра [13]. В виду сложной структуры регистрируемых данных для исследований в данной работе применялись методы вейвлет-преобразования и нейронных сетей [ 14],[ 15].
Исследования влияния солнечной и геомагнитной активностей на квазистатическое электрическое поле и метеорологические величины в приземной атмосфере на высоких и средних широтах проводятся сравнительно давно. Этому вопросу посвящена довольно обширная литература [см., например, [16],[17]]. Анализ работ, выполненных в последнее время, приведен в работе [18], где показана противоречивость полученных результатов и предлагаемых механизмов наблюдаемых эффектов. Ранее нами были рассмотрены эффекты слабой [19] и экстремальной [18] геомагнитных бурь в вариациях градиента потенциала электрического поля (ГЭП). При малых магнитных бурях с плавным началом нет причинно-следственных связей между вариациями ГЭП и горизонтальной компоненты геомагнитного поля в условиях "хорошей погоды". При сильных магнитных бурях галактические космические лучи достигают нижней атмосферы и становятся определяющим фактором ионизации приземного воздуха.
В работе [20] обнаружено увеличение электропроводности воздуха в течение двух суток накануне геомагнитной бури 29-30 октября 2003 г. в результате действия солнечных космических лучей и уменьшение ее во время Форбуш-понижения галактических космических лучей с соответствующим ростом ГЭП.
Общий вывод этих работ был такой, что независимо, сильная буря или слабая, при плавном начале магнитной бури и без изменений в электропроводности воздуха не существует и существенных изменений в ГЭП. В данной работе представлены различные солнечные события 2014 года, в том числе и с внезапным началом магнитной бури. Представляло интерес рассмотреть реакции ГЭП на эти события.
Система наблюдений
Геофизические обсерватории (ГО) и станции (ГС) ИКФИА СО РАН и ИКИР ДВО РАН образуют сеть наблюдений в северо-восточной части Сибири и Дальнего Востока России (см. Таблица и рис. 1).
Таблица
Геофизические обсерватории и станции ИКФИА и ИКИР
Географ. Геомаг.
Obs/Station IAGA latitude (N) longitude (E) latitude (N) longitude (E) M E I C L Inst
Kotelny KTN 76.00 137.90 66.98 198.39 + 1
Cape Schmidt CPS 68.88 180.63 64.26 233.02 + + 2
Chokurdakh CHD 70.62 147.89 62.38 207.83 + 1
Tixie TIK 71.60 128.80 62.19 194.34 + 1
Zyryanka ZYK 65.75 150.78 57.86 212.18 + 1
Zhigansk ZGN 66.80 123.40 57.19 191.58 + + 1
Yakutsk YAK 62.00 129.70 52.65 197.12 + + 1
Magadan MGD 60.05 150.73 52.25 214.18 + + + 2
Paratunka PET 52.97 158.25 46.07 222.49 + + + + 2
Khabarovsk KHB 47.61 134.69 38.60 203.34 + + 2
Комментарии: (a) геомагнитные координаты рассчитаны на момент 2014 г. по модели IGRF12 (http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/igrf/gggm/index.html); (b) виды измерений обсерваторий: M - геомагнитное поле, E - атмосферное электричество, I - ионосфера, C - космические лучи, L - лидар; (c) Inst - принадлежность: 1 - ИКФИА, 2 -ИКИР.
Рис. 1. Карта расположений обсерваторий ИКФИА И ИКИР. Показанные изолиниями склонение и горизонтальная составляющая магнитного поля были вычислены по модели WMM2015 (http://www.ngdc.noaa.gov/geomag/WMM/index.html)
Методы исследования
Моделирование вариаций космических лучей и выделение аномальных изменений на основе совмещения кратномасштабных вейвлет-разложений и нейронных сетей. Для анализа вариаций космических лучей использовалась нейро-сетевая модель, предложенная в работах [ 14],[ 15]. Модель основана на совместном применении кратномасштабных разложений временного ряда и многослойных нейронных сетей прямой передачи сигнала. Описание модели приведено ниже.
На основе кратномасштабных вейвлет-разложений до уровня т получено представление данных в виде [21], [22]:
—т
/с (г)= £ /А [2¡г] + /а [2—тг],
где /а [Уг] е Wj,/а [2—тг] е V— т, Щ = с1о8ьг{к) (V/2Ш (Уг — п)) : п е Z, Ф - базисный
вейвлет; Vj = с1озьг^27'/2ф (27г — п)^ : п е Z, ф - скейлинг-функция; ] - разрешение.
Компоненты ряда /а [2—тг] = £с—т,пф—щп (г), с—щп =< /, ф—т,п >, является сглаженной компонентой, компоненты /а [2¡V] = £п (г), где =< /,> являются
п
разномасштабными детализирующими компонентами.
В работе использовались вейвлеты семейства Койфлеты, определенные путам минимизации погрешности аппроксимации [14]. Для полученных после разложения компонент выполнялась операция вейвлет-восстановления (отдельно для каждой компоненты):
—т
/с(г)= /о(—т)(г)+ £ /о'(г),
где /0а( mj(t) = L с^'фоп (t), f0,J (t) = L (t), верхние индексы (-m), j соответ-
и ' и '
ствуют разрешению компоненты до выполнения операции вейвлет-восстановления. Далее, на основе нейронной сети, для сглаженной компоненты получено отображение
ra(—m) m)
У : fo( ; fo ( %
sa(—m) о о r*a(—m) „ r*a(—m)
в котором, если /о действительный выход сети, а /о - желаемый, то /о =
a( m) a( m)
/о неизвестная функция, а / - ее аппроксимация, которую воспроизводит
нейронная сеть.
a( m) a( m)
Ошибка сети определяется как разность между желаемым /о = /о и дей-
a( m)
ствительным /о выходными значениями функции.
Алгоритм построения нейронной сети и выбора уровня разложения представлен в работах [14], [15]. Полученная на его основе и используемая в данной работе модель имеет вид:
Cj,n+1 (t) = (т ®m «Ф* ^ L ф/ ( L ЧгО> (t ^jj,
где cj,n =< y, фj,и >, фj,и (t) = 2j/20 (2jt — П - скэйлинг-функция, ю/и - весовые коэффициенты нейрона I входного слоя сети, юг2 - весовые коэффициенты нейрона i скрытого слоя сети, ft)3 - весовые коэффициенты нейрона m выходного слоя,
2
ф1 (z) = ф2 (z) = --, - — 1, ^m (z) = az+b. Коэффициенты cj и - результат отоб-
1 + exp (—2z)
ражения исходной функции y в пространство масштаба j.
Выделение геомагнитных возмущений и оценка их интенсивности. В работе использовалось представление Н-компоненты геомагнитного поля, предложенное в работах [ 14],[ 15] и имеющее вид:
/о (t) = LС—т,иф—m,n (t) + LLdj,n¥j,n (t) + LLj,n (t) = /trend (t) + /возмущ (t) + e (t) . и jel и j/-i и
где компонента модели /trOTd (t) = Lc—6,иф—б,и (t) описывает невозмущенный уровень
и
горизонтальной составляющей магнитного поля Земли в спокойные периоды, а компонента /возмущ (t) = L gj (t), где gj (t) = Ldj^j^ (t) описывает геомагнитные возму-
jei и
щения. Компонента e (t)= LLdj и (t) является шумовой, I - набор индексов. В
jeiи
качестве меры магнитной возмущенности компоненты gj (t) на масштабе j использовалась величина Aj = max(|dj ,и|) [14], [15]. Определение набора индексов определялось на основе критерия:
7 е I, если m ^) > m (Ак) + е,
где т - выборочное среднее, V - индекс возмущенной вариации поля, к - индекс спокойной вариации поля, е - некоторое положительное число.
Учитывая эквивалентность дискретных и непрерывных вейвлет-преобразований [21], [22], определяемых как
сю
ГО?Да := |а|-1/2 | / (') ^^,/ е ¿2(Я),а, Ь е Л, а = 0.
в соответствии с введенной выше мерой магнитной возмущенности коэффициента, интенсивность геомагнитных возмущений в момент времени ? = ь на анализируемом масштабе оценивалась на основе величины:
ея,ь = |МрДа|.
Тогда интенсивность возмущений поля в момент времени ? = Ь
ЕЬ = £ еь,а. а
Выделение аномалий в ионосфере и оценка их параметров на основе непрерывного вейвлет-преобразования. Убывание амплитуды коэффициентов |ГОр/ь,а| в зависимости от масштаба а связано с равномерной и точечной гладкостью Липшица функции / [21], [23]. Когда масштаб а убывает, амплитуды коэффициентов /ь,а| имеют быстрое убывание до нуля в областях, где функция / не имеет локальных особенностей [23], [24]. Основываясь на этом свойстве вейвлет-преобразования, для выделения аномальных особенностей в параметрах критической частоты ионосферы использовалась пороговая функция:
Р (Ж ^ ) = {^/ь,а, если |ГОр/ь,а - И/*| > Та Г0 I 10, если |Жг/ь,а - Жр/^| < Та,
где порог Та = и * Ла - определяет наличие аномалии на масштабе а вблизи точки £,
I 1 Ф 2 _
содержащейся в носителе Рь,а, &а = А/ж-Т £ (Жр/ь,а - ЖрДа) , Жр/ь,а и ГОрДа -
у ф - 1 к=1
среднее значение и медиана, определяемые отдельно для каждого часа в скользящем временном окне длины Ф, и - коэффициент порога.
Для оценки коэффициента порога и в работе использовался апостериорный риск [25]. Определение состояния ионосферы выполнялось по данным ионограмм, которые также сопоставлялись с геомагнитными данными (использовался К индекс). С учетом солнечного цикла, оценка порогов для периодов лет с высокой и низкой солнечной активностью выполнялась отдельно.
Если вейвлет Р имеет компактный носитель, равный [—О,О], то множество пар точек (ь, а) таких, что точка £ содержится в носителе Рь,а, определяют конус влияния точки £. Так как носитель Рь,а на масштабе а равен [ь — Оа, ь + Оа], то конус влияния точки £ на масштабе а определяется неравенством
|ь - £ | < Оа.
Следовательно временная длительность аномалии на масштабе а определяется конусом влияния точки хг и равна
На = 2Оа.
Интенсивность аномалии в момент времени ? = ь оценивалась как
1ь = £ |РТо (Жр/ь,а) |.
События 27-30 августа 2014 г.
Геомагнитная буря с постепенным началом зарегистрирована на станциях «Пара-тунка» (PET) и «Магадан» (MGD) 27 августа 2014 г. в период с 09:45 по 10:15 UT. Скорость солнечного ветра с 27 по 29 августа увеличилась от 300 до 480 км/с, из-за прихода ускоренного потока от выброса корональной массы (СМЕ от 25 августа) и от рекуррентной корональной дыры (http://ipg.geospace.ru/space-weather-review-20-08-2014.html). Результаты моделирования вариаций космических лучей показывают, что накануне бури 26 августа наблюдались незначительные локальные колебания относительно их характерного уровня, и ошибка нейронной сети имела локальные возрастания. Геомагнитные возмущения на обсерватории PET наибольшей интенсивности достигли 27 августа с 10:00 по 10:30 UT и с 18:00 по 19:00 UT (рис. 2d).
Рис. 2. Результаты обработки данных за период 19.08 - 01.09 2014 г.
На рис. 2 отмечены: а) - компонента а5 сигнала нейтронного монитора и ее аппроксимация нейронной сетью, обсерватории MGD; b) - ошибка нейронной сети; с) -H-компонента магнитного поля Земли, обсерватории PET; d) - оценка интенсивности геомагнитных возмущений; e) - выделение периодов слабых и сильных геомагнитных возмущений; f) - выделение периодов сильных геомагнитных возмущений; g) - данные foF2, обсерватории PET; h) - выделенные аномалии, коэффициент порога U = 2.5, длина скользящего временного окна Ф = 336 часов; i) - оценка интенсивности аномалий; j) - скорость солнечного ветра.
По результатам обработки ионосферных параметров 25 августа в дневное время по LT в период выброса корональной массы в районе Камчатки наблюдалось повышение концентрации электронов и сформировалась положительная ионосферная аномалия, длительностью около 4-5 часов (показана на рис. 2h красным цветом).
В период геомагнитной бури 28 августа в ионосфере электронная концентрация существенно понизилась, о чем свидетельствует сформировавшаяся в это время крупномасштабная отрицательная аномалия длительностью около суток, которая достигла наибольшей интенсивности в ночное время по LT (показана на рис. 2h синим цветом).
Во время геомагнитного возмущения 28-30 августа 2014 г. по погодным условиям лидарное зондирование атмосферы на длине волны 532 нм проводилось 29 и 30 августа. По данным обсерватории PET в эти дни зарегистрировано появление ночных Es корпускулярного типа.
Рис. 3. Критическая частота слоя Р2 ионосферы (а) и лидарный сигнал от слоев 150-200 и 200-300 км (Ь) во время геомагнитного возмущения 30 августа 2014 г.
На рис. 3а,Ь приведены результаты наблюдений за 30 августа. Точками на рис. 3а изображены значения ¡ЪЕб. Для удобства отображения их на одном графике с ¡ЪР2 все значения ¡ЪЕб увеличены на 3 МГц.
Наблюдается возрастание ночных значений ¡ЪР2 в интервалах 11:15 - 13:15 и 13:45 - 14:15 иТ и возрастание значений суммарного лидарного сигнала от областей 150-200 и 200-300 км в те же промежутки времени. Ночные Еб корпускулярного типа появлялись на высотах 100-114 км. Суммарные сигналы от слоев 150-200 и 200-300 км имеют коэффициент корреляции между собой равный 0.78.
Коррелированное поведение лидарных сигналов от разных слоев не характерно для высот более 100 км. Такое поведение лидарного сигналов может быть объяснено
резонансным рассеянием на возбужденных ионах атома азота в области 150-300 км во время высыпаний электронов в ионосферу [26].
Электрическое поле приземной атмосферы 27 и 28 августа имело типичный суточный ход в условиях хорошей погоды на обсерватории PET [27]. Этот ход имеет два максимума в течении суток (рис.4).
Рис. 4. Вариации H-компоненты магнитного поля (левая шкала) и градиента потенциала электрического поля (правая шкала) в приземной атмосфере 27-30 августа 2014 г., обсерватория PET
Главный максимум происходит во время восхода Солнца и обусловлен утренним конвективным генератором, второй происходит в вечернее время и связан с локальным понижением электропроводности воздуха. Локальное время обсерватории смещено на 12 часов относительно мирового времени, поэтому главный максимум происходит в конце суток по UTC. 29 августа суточный ход нарушается, несмотря условия хорошей погоды и глубокий минимум совпадает с главной фазой магнитной бури.
События 12-13 сентября 2014 г.
Геомагнитная буря с постепенным началом 11 сентября 2014 г. была зарегистрирована на обсерваториях PET и MGD в 23:30. За полчаса до начала бури, в 23:02 UT, из-за ускоренного потока от коронального выброса (СМЕ 9 сентября от вспышки М4.5/Ш) скорость солнечного ветра резко увеличилась с v=350 км/с до 480 км/с (http://ipg.geospace.ru/space-weather-review-10-09-2014.html). На следующие сутки 12 сентября в 15:27 UT из-за ускоренного потока от коронального выброса (СМЕ 10 сентября от вспышки Х1.6/2В) скорость солнечного ветра увеличилась до 670 км/с, затем к концу суток стала v=800 км/с (http://ipg.geospace.ru/space-weather-review-10-09-2014.html). По результатам обработки магнитных данных обсерватории PET накануне магнитной бури 11 сентября в период с 03:15 по 03:40 наблюдалось локальное повышение геомагнитной активности, максимальные возрастания геомагнитных
возмущений в анализируемом районе наблюдались 12 сентября 2014 г. в периоды с 15:45 по 16:50 и с 20:30 по 23:30 UT.
Рис. 5. Результаты обработки данных за период 09.09 - 22.09 2014 г.
На рис. 5 отмечены: a) - компонента а5 сигнала нейтронного монитора и ее аппроксимация нейронной сетью, обсерватории MGD; b) - компонента а5 сигнала нейтронного монитора и ее аппроксимация нейронной сетью, обсерватории CPS; c)
- ошибка нейронной сети, обсерватории MGD; d) - ошибка нейронной сети, обсерватории CPS; e) - H-компонента магнитного поля Земли, обсерватории PET; f) -оценка интенсивности геомагнитных возмущений; g) - выделение периодов слабых и сильных геомагнитных возмущений; h) - выделение периодов сильных геомагнитных возмущений; i) - данные foF2, обсерватории PET; j) - выделенные аномалии, коэффициент порога U = 2.5, длина скользящего временного окна Ф = 336 часов; k)
- оценка интенсивности аномалий; 1) - скорость солнечного ветра.
В период бури вследствие понижения электронной концентрации в ионосфере возникла крупномасштабная отрицательная аномалия длительности около полутора суток (показана на рис. 5j синим цветом).
Анализ космических вариаций показывает, что после локального возрастания скорости солнечного ветра произошло понижение их уровня и возникли два коротких Форбуш-эффекта, каждый длительностью около суток.
Ускоренные потоки от выбросов корональной массы происходили 15, 17 и 18 и 19 сентября (http://ipg.geospace.ru/space-weather-review-10-09-2014.htm1), вследствие чего в середине суток 19 сентября скорость солнечного ветра возросла с 350 до 560 км/с и оставалось высокой до 22 сентября.
Во время выбросов корональной массы (15, 17 и 18 сентября) в ионосфере происходили колебания электронной концентрации, о чем свидетельствуют мелкомасштабные аномалии, сформировавшиеся в этот период (рис. 5j,k).
На обсерватории PET 19 сентября 2014 г. в 05:30 зафиксировано возрастание интенсивности геомагнитных возмущений (рис. 5f,g,h).
По данным космических лучей в период повышения скорости солнечного ветра 20 сентября возник длительный Форбуш-эффект, имеющий более выраженный характер на станции CPS (рис. 5a,b,c,d).
Во время бури 12-13 сентября лидарные наблюдения наблюдения проводились 12 сентября. Фаза Луны была 88%, высота кульминации 44 градуса. Отмечен высокий уровень фонового сигнала и заметные вариации значений foF2. В таких условиях лидарных сигналов от области верхней атмосферы не выявлено.
По данным ионосферных наблюдений обсерватории PET слой Es корпускулярного типа с частотами 1.5-2.5 МГц наблюдался на высотах 100-130 км в оба дня, что подтверждает наличие высыпаний электронов с энергиями сотни эВ-единицы кэВ в атмосферу Камчатки. 13 сентября лидарные наблюдения не проводились по погодным условиям.
Электрическое поле приземной атмосферы 12 сентября имело типичный суточный ход в условиях хорошей погоды.
13 сентября погода была пасмурной, суточный ход был нарушен. Существенных изменений в электрическом поле с наступлением магнитной бури замечено не было (рис.6).
21360 21340 21320 21300
С 21280 21260 21240 21220 21200
00:00 06:00 12:00 18:00 00:00 06:00 12:00 18:00 00:00
time, UT
Рис. 6. Вариации H-компоненты магнитного поля (левая шкала) и градиента потенциала электрического поля (правая шкала) в приземной атмосфере 12-13 сентября 2014 г., обсерватория PET
События 4-5 ноября 2014 г.
Магнитная буря на обсерваториях PET и MGD была зарегистрирована 4 ноября 2014 г. в 10:10 UT. Скорость солнечного ветра с 31 октября по 1 ноября увеличилась с 300 км/с до 550 км/с из-за пересечения секторной границы ММП, активизации коронального волокна в SE-квадранте диска Солнца и выбросов корональной массы (http://ipg.geospace.ru/space-weather-review-29-10-2014.html). За сутки до начала магнитной бури, 3 ноября, на стации на обсерватории PET наблюдалось незначительное повышение концентрации электронов в ионосфере и сформировалась положительная аномалия, длительностью около полутора суток (показана на рис. 7d красным цветом).
На следующие сутки 4 ноября под влиянием ускоренных потоков от корональной дыры и выброса корональной массы (СМЕ 1 ноября) скорость солнечного ветра увеличилась с 400 до 490 км/с (http://ipg.geospace.ru/space-weather-review-29-10-2014.html). В этот период в районе Камчатки существенно возросли геомагнитные возмущения и достигли наибольшей интенсивности в период с 11:00 по 15:00 UT (рис. 7h). Через несколько часов в ионосфере существенно понизилась электронная концентрация и положительная аномалия сменилась отрицательной, достигшей высокой интенсивности в период основной фазы геомагнитной бури преимущественно в дневное время по LT (показана на рис. 7d синим цветом).
Результаты моделирования вариаций космических лучей указывают на локальных колебаниях их уровня и появление последовательности коротких Форбуш-эффектов, которые возникли в моменты формирования положительной ионосферной аномалии 3 ноября и достигли наибольшей интенсивности в периоды существенного возрастания геомагнитной активности и формирования отрицательной крупномасштабной аномалии в ионосфере. Кратковременное восстановление уровня космических лучей произошло только 9 ноября, на следующие сутки 10 ноября одновременно с возрастанием геомагнитной активности вновь произошло понижение их уровня.
Рис. 7. Результаты обработки данных за период 28.10 - 10.11 2014 г.
На рис.7 приведены: а) сигнал нейтронного монитора, обсерватории MGD; b) -ошибка нейронной сети; с) - H-компонента магнитного поля Земли, обсерватории PET; d) - выделение периодов слабых и сильных геомагнитных возмущений; e) -
оценка интенсивности геомагнитных возмущений; f) - данные foF2, обсерватории PET; g) - выделенные аномалии, коэффициент порога U = 2.5 , длина скользящего временного окна Ф = 336 часов; h) - оценка интенсивности аномалий; i) - скорость солнечного ветра.
Во время геомагнитного возмущения 1-4 ноября лидарные наблюдения не проводились по погодным условиям. В ночное время 1-2 ноября Es с частотой 2-2.5 МГц, в том числе и однозначно корпускулярного типа, появлялись на высотах около 100 км.
3 ноября ночные Es появлялись в промежутках 6:30-7:00 UT и 13:00-15:00 UT на высотах около 100 км. В связи с плохим качеством ионограмм однозначно определить тип слоев невозможно.
4 ноября с 7:15 до 9:30 и с 14:00 до 16:00 UT на высотах 100-120 км наблюдались Es с частотой 2-2.5 МГц, тип слоев корпускулярный, и можно говорить о наличии высыпаний электронов в атмосферу в ранние ночные и предутренние часы.
Электрическое поле приземной атмосферы с 1 по 6 ноября было обусловлено плохой погодой с обильными осадками (рис.8).
Рис. 8. Вариации H-компоненты магнитного поля (левая шкала) и градиента потенциала электрического поля (правая шкала) в приземной атмосфере 1-5 ноября 2014 г., обсерватория PET
События 23 декабря 2014 г.
Магнитная буря зафиксирована на обсерватории PET 23 декабря в 11:25 UT. Резкие возрастания скорости солнечного ветра происходили с конца суток 21 ноября до середины суток 23 ноября, которые сопровождались слабыми возмущениями геомагнитного поля.
По данным космических лучей обсерватории MGD в конце суток 21 декабря сформировался длительный Форбуш-эффект, наибольшие отклонения вариаций от-
носительно характерного уровня наблюдались в период геомагнитной бури 23 и 24 декабря.
В этот же период времени в районе Якутска существенно понизилась электронная концентрация в ионосфере и сформировалась крупномасштабная отрицательная аномалия длительностью около суток, которая наибольшей интенсивности достигла преимущественно в дневное время LT (показана на рис. 9g синим цветом).
На рис. 9 приведены: a) - компонента а5 сигнала нейтронного монитора и ее аппроксимация нейронной сетью, обсерватории MGD; b) - ошибка нейронной сети; с) - H-компонента магнитного поля Земли, обсерватории PET; d) - оценка интенсивности геомагнитных возмущений; e) - выделение периодов слабых геомагнитных возмущений; f) - данные foF2, обсерватории YAK; g) - выделенные аномалии, коэффициент порога U = 2.5 , длина скользящего временного окна Ф = 168 часов; h) -оценка интенсивности аномалий; i) - скорость солнечного ветра.
23 декабря на обсерватории PET соблюдались условия хорошей погоды. Электрическое поле приземной атмосферы накануне магнитной бури имело пониженный фон. После внезапного начала магнитной бури начался затухающий колебательный процесс с периодом ~ 1 час (рис. 10). Каких-либо значительных изменений в электропроводности приземного воздуха не возникало. Подобная реакция ГЭП на магнитную бурю с внезапным началом наблюдалась 5 апреля 2010 г. [28].
Обсуждение результатов и выводы
Геомагнитные возмущения наибольшей интенсивности происходили в периоды существенного возрастания скорости солнечного ветра. Во время анализируемых событий в ионосфере существенно понижалась электронная концентрация и формировались крупномасштабные отрицательные аномалии.
Зафиксированы локальные колебания уровня вариаций космических лучей (короткие и более длительные Форбуш-эффекты), которые достигали наибольшей интенсивности в периоды существенного возрастания геомагнитной активности и формирования крупномасштабных отрицательных аномалий в ионосфере. Подобные эффекты наблюдались в периоды событий 5 сентября 2012 г. [15]. До моментов начала геомагнитных бурь 4 ноября 2014 г. и 27 августа 2014 г. на фоне спокойного и слабовозмущенного геомагнитного поля выделены периоды аномального повышения (относительно фона) концентрации электронов в ионосфере, имеющие длительность от несколько часов до полутора суток.
В работах [5], [6] подобные предбуревые повышения наблюдались на многих ионосферных станциях в различных широтных и долготных зонах. Вопросы, связанные с механизмом и источником такого эффекта, в настоящее время пока остаются открытыми.
Представляет интерес влияние магнитной бури 23 декабря 2014 г. на ГЭП. Внезапное начало магнитной бури вызвали большие осцилляции в ГЭП периодом ~ 1 час на среднеширотной обсерватории Паратунка с быстрым затуханием. Авторы [29] предполагают три механизма, посредством которых большая солнечная буря может повлиять на атмосферное электричество.
Первый - это ионизация ионизация атмосферы солнечными космическими лучами до уровня земной поверхности.
а)
0.4
у
0
и Щ
ш 2.1*
4000 2000 0
60 40 20 0
15 1 I
! ! 1 Iii
Ь)
1. i. Д4^ ! 1
хЮ4 c)
| ! ■ ! 1 1
d)
: (UwL
е)
f)
g)
! 1 ц + I + + # 1
1 1 ____ ! W \ _ в J 1
i)
i 1 i itaÄikfc'ijJlijf iL jj МйАи^ц kll II 1 1 I
И
20
21 22
23
24
Decetnber 2014
25
26
27
28
Рис. 9. Результаты обработки данных за период 19.12 - 28.12 2014 г.
Второй — когда солнечная вспышка производит низкоэнергичные частицы, которые входят в атмосферу, но не достигают поверхности земли. В этих условиях, глобальная электрическая цепь будет усиливаться за счет уменьшения сопротивле-
Рис. 10. Вариации H-компоненты магнитного поля (левая шкала) и градиента потенциала электрического поля (правая шкала) в приземной атмосфере 23 декабря 2014 г., обсерватория PET
ния воздуха в верхних слоях атмосферы, что позволяет увеличить ток проводимости между ионосферой и поверхностью земли, что, в свою очередь, повышает ГЭП.
Третий механизм происходит через повышение грозовой активности солнечными энергичными частицами, которые бы привести к увеличению тока в глобальной цепи. Ионизация космическими лучами в данный момент не происходило, поскольку в электропроводности воздуха существенных изменений не было. Третий механизм вызвал бы глобальный эффект на других станциях, чего не наблюдалось. Второй механизм является вполне возможным претендентом. Однако возможны и другие причины объяснения данного эффекта. Обращает на себя внимание тот факт, что большие осцилляции в ГЭП вызваны не столько большой интенсивностью магнитной бури, сколько резким фронтом ее начала. Напротив, большие бури с плавным началом никак не отразились в ГЭП приземного слоя атмосферы. Что отмечалось в работе [18]. Подобный эффект проявил себя во время бури 5 апреля 2010 г. Тогда во время внезапного начала магнитной бури был большой всплеск ГЭП. Поскольку этот процесс скорее всего имеет быстрозатухающий характер, то осцилляции себя не проявили [28].
Анализ космической погоды по событиям 2014 г., выполненный по наблюдениям в северо-восточном регионе России, выявил следующие эффекты:
1) во время солнечных вспышек были обнаружены мелкомасштабные ионосферные аномалии, в основном положительные, имеющие различную интенсивность;
2) геомагнитные возмущения с наибольшей интенсивностью происходили в периоды значительного увеличения скорости солнечного ветра;
3) во время главных фаз геомагнитных бурь в ионосфере электронная плотность значительно уменьшилась и были сформированы большие отрицательные аномалии;
4) были выделены крупномасштабные положительные аномалии в ионосфере, возникающие перед началом геомагнитных бурь и имеющие продолжительность день и более;
5) были выделены локальные колебания вариаций космических лучей (Форбуш-эффекты), которые достигли наибольшей интенсивности в периоды значительного увеличения геомагнитной активности и с появлением крупномасштабных негативных ионосферных аномалий;
6) внезапное начало магнитной бури привело к возбуждению колебательных процессов в атмосферном электричестве.
Авторы выражают благодарность персоналу обсерваторий и станций ИКФИА и ИКИР за обеспечение качественных измерений. Работа поддержана грантом РНФ № 14-11-00194, грантом стипендии Президента РФ СП-2976.2013.
Список литературы
[1] Akasofu S. I., Chapman S, Solar-Terrestrial Physics, Oxford University Press, Oxford, 1972, 891 pp.
[2] Afraimovich E., Kosogorov E., Palamarchouk K., Perevalova N., Plotnikov N., "The use of GPS arrays in detecting the ionospheric response during rocket launchings", Earth, Planets and Space, 52:11 (2000), 1066-1061.
[3] Afraimovich E., Perevalova N., Plotnikov A., Uralov A., "The shock-acoustic waves generated by earthquakes", Ann. Geophys., 19:4 (2001), 409-395.
[4] Nakamura M., Maruyama T., Shidama Y., "3-3-4 Using a Neural Network to Make Operational Forecasts of Ionospheric Variations and Storms at Kokubunji, Japan", Journal of the National Institute of Information and Communications Technology, 56:1-4 (2009), 391-406.
[5] Danilov A. D., "Ionospheric F-region response to geomagnetic disturbances", Advances in Space Research, 52:3 (2013), 343-366.
[6] Liu L., Wan W., Zhang M. L., Zhao B., "Case study on total electron content enhancements at low latitudes during low geomagnetic activities before the storms", Ann. Geophys., 26:4 (2008), 893-903.
[7] Zhao X., Ning B., Liu L., Song G., "A prediction model of short-term ionospheric foF2 based on AdaBoost", 2014, 53:3, 387-394.
[8] Klimenko M. V., Klimenko V. V., Zakharenkova I.E., Karpov I.V., "Modeling of local disturbance formation in the ionosphere electron concentration before strong earthquakes", Earth, Planets and Space, 64:6 441-450 (2012).
[9] Klimenko M.V., Klimenko V. V., Ratovsky K. G., Goncharenko L. P., "Numerical modeling of the global ionospheric effects of storm sequence on September 9-14, 2005 - comparison with IRI model", Earth, Planets and Space, 64:6 433-440 (2012).
[10] Toptygin I.N., Cosmic rays in interplanetary magnetic fields, Reidel Publ. Co. Dordrecht, 1985, 301 pp.
[11] THcro M. И., Данилова O. A., Дворников В. M., Сдобнов В. E., "Большие снижения геомагнитных порогов космических лучей в период сильных возмущений магнитосферы", Изв РАН, Cер. Физ, 73:3 (2009), 385-388.
[12] Gopalswamy N., Xie H., Yashiro S., Usoskin I., "Ground level enhancement events of Solar cycle 23", Indian Journal of Radio & Space Physics, 39 (2010), 240-248.
[13] Kota J., Somogyi A., "Some problems of investigating periodicities of cosmic ray time series", Acta Physica Academiae Scientiarum Hungaricae, 27:1-4 (1969), 523-548.
[14] Mandrikova O.V., Solovjev I., Geppenerc V., Taha Al-Kasasbehd R., Klionskiy D., "Analysis of the Earth's magnetic field variations on the basis of a wavelet-based approach", Digital Signal Processing, 23:I.1 (2013), 329-339.
[15] Mandrikova O.V., Solovjev I.S, Zalyaev T. L., "Methods of analysis of geomagnetic field variations and cosmic ray data", Earth, Planets and Space, 66:1 (2014).
[16] Парамонов Н. А., Атмосферное электричество, Гидрометеоиздат, Л., 1969, 129 с.
[17] Roble R. G., "On solar-terrestrial relationships in atmospheric electricity", J. Geophys. Res., 90:D4 (1985), 6000-6012.
[18] Smirnov S. E., Mikhailova G.A., Kapustina O.V., "Variations in the quasi-static electric field in the near-Earth's atmosphere during geomagnetic storms in November 2004", Geomagnetism and Aeronomy, 54:4 (2013), 532-545.
[19] Mikhailova G. A., Mikhailov Yu. M., Kapustina O. V., Druzhin G. I., Smirnov S. E., "Power spectra of thermal tidal and planetary waves in the near-Earth atmosphere and in the ionospheric D region at Kamchatka", Geomagnetism and Aeronomy, 49:5 (2009), 610623.
[20] Smirnov S. E., Mikhailova G. A., Kapustina O. V., "Variations in electric and meteorological parameters in the near-Earth's atmosphere at Kamchatka during the solar events in October 2003", Geomagnetism and Aeronomy, 54:2 (2014), 240-247.
[21] Daubechies I., Ten Lectures on Wavelets, SIAM, Philadelphia, 1992, 357 pp.
[22] Chui C. K., An introduction in wavelets, Academic Press, New York, 1992, 264 pp.
[23] Mallat S.A Wavelet Tour of Signal Processing, Third Edition: The Sparse Way, Academic Press, 1999, 832 pp.
[24] Jaffard S., "Pointwise smoothness, two-microlocalisation and wavelet coefficients", Publications Mathematiques, 35 (1991), 155-168.
[25] Левин Б. Р., Теоретические основы статистической радиотехники, Физматгиз, М., 1963, 1504 с.
[26] Bychkov V. V., Nepomnyashchiy Y. А., Perezhogin A. S., Shevtsov B. M., "Lidar returns from the upper atmosphere of Kamchatka for 2008 to 2014 observations", Earth, Planets and Space, 66:1 (2014), 1-4.
[27] Smirnov S. E., "Influence of a convective generator on the diurnal behavior of the electric field strength in the near-Earth atmosphere in Kamchatka", Geomagnetism and Aeronomy, 53:4 (2013), 546-552.
[28] Smirnov S. E., "Reaction of electric and meteorological states of the near-ground atmosphere during a geomagnetic storm on 5 April 2010", Earth, Planets and Space, 66:154 (2014).
[29] Aplin K. L., Harrison R. G., "Atmospheric electric fields during the Carrington flare", Astron. Geophys, 55:5 (2014), 5-32.
Поступила в редакцию / Original article submitted: 15.01.2016
