Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Диалоговые системы обработки экспериментальной информации 23
1. Проблемы, возникающие при исследовании с помощью ЭВМ больших массивов экспериментальной информации... 24
2. Организация диалоговых обрабатывающих систем; прин ципы, методика 30
3. Реализация диалоговых обрабатывающих систем на базе различных дисплейных комплексов 35
1.3.1. Диалоговая обрабатывающая система на базе символьного дисплея ЕС-7906 36
1.3.2. Диалоговая обрабатывающая система на базе графического дисплейного комплекса ЕС-7064 46
1.3.3. диалоговая обрабатывающая система на базе цветного видеодисплея:"Радуга 2" 54
Глава 2. Исследование вариаций рентгеновского излучения, предшествующего жестким рентгеновским вспышкам 62
1. Жесткие рентгеновские вспышки 64
2. Наблюдения предыстории и прогностические признаки жестких рентгеновских вспышек 69
3. Результаты спектрального анализа данных по предвспышечному мягкому рентгеновскому излучению 102
4. Совместная обработка данных по рентгеновскому излучению Солнца и Н-компоненту магнитного поля Земли перед мощными протонными вспышками 132
Глава 3. Интерпретация взаимосвязи вспышечных явлений в активной области по данным рентгеновского излучения 138
1. Классификация рентгеновских всплесков 138
2. Временные изменения физических условий во вспышках... 144
3. Схема эволюции активной области 145
4. Формализация схемы эволюции активной области 152
5. Прогнозирование вспышечных явлений по данным о рентгеновском излучении 155
6. Возможная интерпретация состояний активной области... 158
Заключение 167
Литература 169
- Реализация диалоговых обрабатывающих систем на базе различных дисплейных комплексов
- Диалоговая обрабатывающая система на базе графического дисплейного комплекса ЕС-7064
- Совместная обработка данных по рентгеновскому излучению Солнца и Н-компоненту магнитного поля Земли перед мощными протонными вспышками
- Прогнозирование вспышечных явлений по данным о рентгеновском излучении
Введение к работе
I. СОЛНЕЧНЫЕ ВСПЫШКИ И ПРЕДВСШШЕЧНАЯ ЭВОЛЩИЯ
Настоящая работа ориентирована на изучение возможностей прогнозирования на широкой временной шкале 10 часов вспышеч-ной деятельности активных областей (АО), на основе данных по рентгеновскому излучению Солнца.
Актуальность прогностического аспекта в изучении солнечных вспышек продолжает оставаться высокой, поскольку в этой области хотя и достигнут значительный прогресс, однако оправ-дываемость прогнозов пока не превышает 90% С I ] , в среднем оставаясь на уровне 70 . В то же время постоянно расширяются сферы практической деятельности человека, на которые вспыпеч-ная активность Солнца оказывает существенное влияние, поэтому её учет и прогнозирование становятся безусловно необходимыми. Приведем ряд примеров влияния солнечной активности на практическую деятельность.
Солнечные вспышки характеризуются мощным излучением в широком диапазоне электромагнитных волн, генерацией ускоренных частиц, формированием ударных волн. Эти факторы порождают разнообразные возмущения в окружающей среде, которые приводят к нарушениям в функционировании бортовой электронной аппаратуры на космических объектах и самолетах, к нарушениям связи и систем ориентации. Жесткое излучение вспышек и корпускулярные потоки представляют собой радиационную угрозу для экипажа.
Вызванные солнечными вспышками возмущения в радиационных поясах, магнитосфере и ионосфере Земли, влияют на работу на земных средств связи, навигации, оповещения. Установлены связи между солнечной активностью и протеканием ряда биохимических процессов в биосфере, в том числе обострение сердечно-сосудистых заболеваний[ ІІ. Круг осмысленных связей солнечной активности с земными явлениями постоянно расширяется и включает, в частности, климатические, сейсмические, корозионные и другие процессы.
I.I. Признаки предвспышечной эволюции.
В настоящее время в задаче прогнозирования вспышек нельзя опираться только на теоретические предпосылки из-за несовершенства существующих моделей и значительного разнообразия конкретных проявлений того феномена, который мы понимаем как солнечную вспышку. На практике построение прогностических схем и их использование опирается в основном на совокупность эмпирических сведений о вспышках и их предысториях.
Рассмотрим коротко основные закономерности, которые известны в настоящее время и могут использоваться при прогнозировании вспышек на интересующей нас временной шкале.
Установлено, что солнечные вспышки тесно связаны с активными областями (только» 5,5% вспышек происходят вне АО или в месте появления будущей АОІ2 1), Поэтому прогноз вспышечной активности связан с прогнозом развития определенной АО и физических процессов в ней (закономерности появления с&мих АО в данной работе не рассматриваются).
К сожалению, прогнозирование вспышек, основанное на распознавании непосредственно предвспышечной ситуации, ограничено возможностями регистрирующей аппаратуры. Поэтому прогнозирование в настоящее время строится на наблюдении явлений в АО, имеющих косвенное отношение к возникновению вспышечной ситуации, т.е. не являющихся одновременно ни необходимыми, ни достаточными условиями для вспышки и имеющих с ней статистическую связь. Однозначного и достоверного признака предвспышечной ситуации до сих пор не найдено.
Признаком предвспышечной ситуации LI J будем называть какое-либо явление, имеющее морфологическое описание, связь которого с последующими вспышками установлена хотя бы в статистическом смысле. Признаки характеризуются своей информативностью, т.е. долей своего участия в создании необходимых для вспышки условий. Информативность отдельного признака сама по себе обычно невелика. Однако совокупность ряда признаков (предикторы) имеет уже сравнительно высокую информативность, из чего следует необходимость обнаружения и учета новых информативных признаков.
На рассматриваемой нами временной шкале - 10 часов обнаруженные закономерности вспышечной активности всего диска Солнца имеют, скорее всего, частный характер. Например, в [ 3 ] представлены два вида закономерностей, в одной из которых моменты возникновения вспышек образуют последовательности с постоянным интервалом между моментами вспышек, а в другой - последовательности образуют арифметическую прогрессию. Однако интерпретации таких закономерностей должны предшествовать выяснения возможностей физических связей между различными АО.
Наиболее перспективны, очевидно, исследования, рассматривающие закономерности вспышечной активности в отдельных АО, либо комплексах активности. Так в [ 6 J на материале 1500 вспышек показано, что существуют "скопления" вспышек с короткими промежутками времени между ними, а в работе[5.]на материале 1700 вспышек, происшедших в 44 АО, установленно, что распределение числа вспышек описывается нестационарным пуассоновским процессом, и существуют неслучайные кортежи слабых вспышек, предваряющие или сопровождающие мощные вспышки, со средней длительностью 0,8 суток.
В результате обработки данных по баллам вспышек (которая состояла в построении кривой накапливаемой суммы некоторых индексов, соответствующих баллам вспышек), в работе L7 1 обнаружен ряд закономерностей во вспышечной активности АО: I) за несколько дней до протонной вспышки увеличивается общая активность АО; 2) тренд активности может длиться от I до 10 суток; 3) время появления индивидуальных вспышек и их мощности - случайны, но подчиняются присущему им закону распределения.
Более конструктивными представляются попытки связать вероятность появления вспышек с фазами развития АО, её магнитных полей. Так, например, в [ 9 ] для вспышек 19-го цикла солнечной активности показано, . что максимум числа субвспышек на два дня предваряет максимум площади группы пятен, максимум числа вспышек балла I наступает за день до максимума площади группы и максимум числа вспышек балла 2 и более совпадает с максимумом площади группы.
Как показано в [ I J , в целом вспышечная активность является функцией числа полюсов, напряженности магнитного поля и результатом всплывания новых магнитных полей в области старых. Следует учитывать также возможность существования непотенциальных магнитных полей. При современных пространственном и временном разрешениях измерений магнитных полей, не удается восстановить картину поля даже на уровне фотосферы с достаточной подробностью. В качестве прогностических признаков используется ряд вторичных наблюдаемых явлений на разных высотах в атмосфере Солнца, которые связаны со структурой и динамикой системы магнитных полей АО.
Например, для оценки вероятности возникновения вспышек используется целый ряд характеристик АО, наблюдаемых на самых нижних уровнях атмосферыП ]:
1. Тип группы пятен по Цюрихской классификации. %сло вспышек возрастает по мере перехода от группы Цюрихских классов А,В к сложным группам классов Е, F.
2. Магнитная классификация. Важную роль играет наличие
5 -структуры (присутствие в одной полутени ядер с магнитным полем разных полярностей), приводящей в большинстве случаев к сильным вспышкам.
3. Напряженность магнитного поля пятен. Считается, что следует ожидать вспышки при достижении напряженности поля свыше 2000 Гс.
4. Градиенты продольного поля в окрестности линии раздела полярностей. Вероятность вспышки возрастает с их увеличением.
5. Динамика солнечных пятен. Заметные собственные движения и вращения пятен рассматриваются как существенный фактор повышения вспышечной активности.
6. Взаимодействие областей, их встречные движения.
7. Стадия эволюции АО. Сильные вспышки, например, появляются преимущественно на стадии начала разрушения группы пятен.
8. Выход новых магнитных полей, особенно вблизи линии раздела полярностей (ЛРЛ).
9. Ориентация ЛИТ.
10. Конфигурация ЛРД. Сложная, извилистая ЛРП указывает на благоприятные условия для возникновения вспышек.
11. Стабильность ЛРП. Вероятность вспышек возрастает, если ЛРП испытывает резкие изменения.
12. Темное волокно. Подъем темного волокна, лежащего вдоль ЛРП, указывает на развитие вспышечного процесса.
Явления, наблюдаемые в надфотосферных слоях и используемые в качестве предвспышечных признаков связаны с фиксацией усиления радио-, ультрафиолетового и рентгеновского излучения на самых ранних фазах начала вспышечного процесса, но относятся, как правило, к интервалу 1 часа до начала вспышки.
Интересными представляются результаты работы L 27 И , обнаруживающие, что перед вспышкой, сопровождаемой солнечными космическими лучами, происходит предварительная генерация частиц малых энергий с опережением вспышки от десятков часов до 2,5 суток. В [ 28 J показано также, что за 2-3 дня до вспышки в АО наблюдается предвспышечное возрастание солнечных космических лучей (малоэнергичные протоны) и увеличивается средняя амплитуда рентгеновских всплесков.
1.2. Периодические процессы в предвспышечной активности.
Большой интерес вызывают в качестве предвспышечных признаков периодические компоненты, обнаруженные во временных спектрах радио и рентгеновского излучения, а также в данных по магнитному полю. Следует отметить, что выявление таких периодических составляющих, которое осуществляется с помощью методов спектрального анализа, становится возможным, если данные представляют собой непрерывные последовательности полученные в автоматическом "патрульном" режиме функционирования регистрирующей аппаратуры.
Вшо обнаружено, что флюктуирующее радиоизлучение обычно сосредоточено в АО ([ 10 ] и цитируемая там литература). Например, за 6-7 дней до протонной вспышки в августе 1972 года возросла интенсивность флюктуации наклона спектра радиоизлучения в сантиметровом диапазоне, а за 3-4 дня появились квазипериодические колебания с периодами 30-60 мин с непрерывно возрастающей амплитудой Сії] . В [26] показано, что за час, а иногда за сутки до мощных вспышек усиливаются квазипериодические флюктуации радиоизлучения корональных конденсаций, в связи с активизацией протуберанца и волокна.
Подтверждением периодической природы процессов выделения энергии в АО могут служить периодические составляющие, выделенные в геопроцессах, связанных с солнечной активностью. Например, в Г 12 1 обнаружено, что в геомагнитном поле Земли перед протонной вспышкой резко усиливаются квазипериодические флюктуации с периодами 20-200 мин, причем для периодов 65, 90 и 180 мин существует корреляция с флюктуациями сантиметрового радиоизлучения Солнца.
По данным рентгеновского излучения 2-30 кэВ обнаружено существование квазипериодических вариаций, которые могут быть связаны с деятельностью отдельных АО L 4 J . Для различных АО найдены периоды 5,4 часа, 6,3 часа, 7,1 часа, 40 часов. В СІЗІ показано, что в течение суток, предшествующих протонной вспышке, наблюдаются значимые вариации потока рентгеновского излучения, которые могут быть просто слабыми рентгеновскими вспышками.
В работе L25 ] квазипериодические колебания обнаружены при измерениях вектора магнитного поля в "спокойных" пятнах:
а) собственные колебания поля в пятнах с периодами (180 150)с,
б) колебания поперечной компоненты магнитного поля Hi с значительно большей амплитудой и периодами 300 112 с. Такие колебания, возможно, могут модулировать процессы энерговыделения в АО. В этой же работе показано наличие квазипериодических ко р _ о лебаний в сантиметровом излучении АО с периодами 10 i0 с, причем наблюдалась перекачка энергии от низкочастотных компонент спектра колебаний к более высокочастотным со временем.
Однако следует отметить, что спектральному анализу в рассмотренных выше работах подвергались, как правило, единичные события, и каких-либо закономерностей, связывающих наличие определенных периодических явлений с определенными классами вспышек и фазами их развития, не выявлено. Это объясняется трудностями в получении длительных, однородных по своему качеству серий данных об отдельной АО (к тому же охватывающих предысторию и послеисторию вспышки) , трудностями математической обработки и сложностями интерпретации результатов спектрального анализа.
1.3. Классификация предвспышечных признаков.
Все предвспышечные явления в обзоре [14 ] , разбиты на три группы: отчетливые {eU unct) f эволюционные и статистические. К "отчетливым" относятся явления, непосредственная связь которых со вспышкой очевидна, они происходят на шкале времени, сравнимой со вспышкой, и являются демонстрацией начала вспышечного процесса. Таковыми являются: а) связанные со вспышкой разрушения волокна, б)предвспышечные вихревые струк туры; в) усиление и развитие структур в линии 5303 А короны;
г) усиление и вариации мягкого рентгеновского излучения;
д) увеличение круговой поляризации см-диапазона радиоизлучения.
К "эволюционным" относятся предвспышечные явления, отражающие эволюцию АО, закономерно приводящую к вспышкам, т.е. явления, физическая связь которых со вспышкой в настоящее время частично понята. Сюда относятся: а) развитие токовых слоев или магнитных полей со значительным широм; б) эволюционирующие процессы в магнитных полях; в) области всплывающих потоков; г) развитие и распад пятен-сателлитов; д) эволюции противоположно ориентированных поляризованных конфигураций; е) слияние соседних АО; ж) движения солнечных пятен; з) увеличение скорости движения деталей АО.
К "статистическим" относятся параметры и явления, которые коррелируют с последующими вспышками. Эта категория признаков включает: а) наличие комплексности конфигураций; б) высокие градиенты магнитных полей; в) большой общий поток магнитного поля; г) концентрация потока; д) усиление активности АО в различных длинах волн; е) предшествующие вспышки и субвспышки; ж) усиление турбулентности в волокнах; з) различные радиособытия.
1.4. Классификации вспышек.
Рассмотренным выше прогностическим признакам, на наш взгляд, присущ общий недостаток, а именно неопределенность классов конкретных вспышечных явлений, к которым относятся перечисленные признаки. Очевидна нетождественность различных вспышечных явлений, которая проявляется в различии сценариев вспышек - их длительности, формы импульса, энергетического диапазона излучения, сопутствующих явлений, общем выделении энергии и т.д. Приведем существующие описания таких различных по природе классов вспышечных явлений (в отличие от деления вспышек по способам их наблюдения - "оптических", "рентгеновских", "радиовспышек" и т.п.). В L 17J рассматриваются:
- "флоккульная вспышка", а также "вспышка w Жш " или "ограниченная вспышка", которые связаны с импульсным уярчением хро-мосферной сетки. Эти термины используются для противопоставле-ниях явлениям, характеризующимся как - "вспышки, связанные с протуберанцами". К таким вспышкам относятся некоторые наиболее крупные и мощные вспышки;
- "медленные вспышки" - обычно большие, относящиеся к "вспышкам, связанным с волокнами", в областях с маленькими пятнами или вообще без пятен. Они достигают максимальной яркости за 30-60 мин и продолжаются несколько часов.Площади этих вспышек могут быть большими, но их максимальная яркость обычно сравнительно невелика. Связанное с ними рентгеновское и микроволновое излучение характеризуются, подобно излучению в Нос» постепенным нарастанием и спадом. Обычно вспышки этого типа не сопровождаются потоками энергичных частиц и геомагнитными бурями, однако известен и целый ряд исключений из этого правила. В качестве одной из причин уярчения вспышки рассматривается механизм Хайдера СІ8І - свечение хромосферы под действием падающих масс изверженного протуберанца.
- Вспышечные явления с длинным временем спада (і Ъ Е - Zong &(&с ьу еФ е) описаны в С19,20,21 3 • Такие события статистически связаны с долгоживущими АО, корональними транзиента-ми, и наблюдаются в петлях, отличающихся большой высотой 10 км.
В работах Г 22,23 ] по результатам экспериментов на ИСЗ SUM и Hlnotori выделены два типа всплесков в данных по рентгеновскому излучению 3,5 кэВ:
- а) долгоживущие, постепенные события, диффузный протяженный источник которых локализован в короне, а спектры излучения имеют степенной вид, и - б) импульсные вспышки, расположенные на небольших высотах, спектры излучения имеют экспоненциальный, тепловой вид.
Наконец, в работе С 24 Л все вспышки разделены по физическим характеристикам на два класса:
Класс I. Объем 10 -10 см , высотам 10 км, быстрый подъем и спад интенсивности излучения, продолжительность 10 с, плот-ность энергии «V10-10° эрГ См . Вспышки этого класса не сопровождаются транзиентными явлениями и активизацией Н -протуберан цев.
28 2Q Я Класс II. Объем Кг -10 см , высота 50000 км, продолжись 2-Я тельность более 10 с, плотность энергии 10-10 эрг-см . Вспышки сопровождаются транзиентами и активизациями Ц -протуберан- цев.
Данное деление сделано по результатам анализа 43 лимбовых вспышек, наблюдаемых в излучении 2-60 А, причем с морфологической точки зрения эти вспышки могут быть разбиты на три группы.
Группа А - компактные петли (45%-55% отождествленных случаев), длина петель от 15" до 60", максимальная высота 25000 км ( 30"), но в большинстве случаев петли более низкие, высота -10000 км (-12").
Группа В - точечные детали (около 30% случаев), размер 10" или меньше, вертикальная протяженность менее 6500 км ( 10").
Группа С - большие диффузные петли (встречаемость около 15%), высота 35000 - 75000 км, в среднем 50000 км.
Вспышки, относящиеся к группе С, обнаруживают уярчение в вершинах петель. Вспышки же группы А примерно одинаково ярки по всей длине петли. Рассмотренный выше класс I объединяет группы А и В, класс II совпадает с группой С.
В качестве объекта прогнозирования повышенным вниманием пользуются геоэффективные события, в частности - "протонные" вспышки, как, например, в работе [7 ]. Однако пока неизвестно, связаны ли протонные события с особым классом вспышек, или все вспышки сопровождаются генерацией высокоэнергичных частиц, но последние по тем или иным причинам не всегда обнаруживаются у орбиты Земли.
2. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ ВСПЫШЕК.
2.1. Методы прогнозирования.
Задача прогнозирования в настоящее время понимается [ I ] как предсказание некоторого конкретного события, например, солнечной вспышки, либо предвычисление значения некоторой числовой характеристики.
Исходной информацией для прогнозирования служит набор некоторых признаков, определенных по предшествующему интервалу или описывающих возможный характер изменений прогнозируемого явления или его характеристик. Эти признаки, часть из которых рассмотрена выше, могут быть числовыми, непрерывно изменяющи-ся или принимающими дискретные значения, логическими по своей природе и номинальными, например, тип или класс некоторой величины.
По своей структуре прогностические схемы могут быть классифицированы следующим образом.
Вычислительная или аппроксимационная схема сводится к построению эмпирической формулы для вычисления прогнозируемой величины по значению признаков и может быть использована для оценки количественных связей между признаками и прогнозируемой величиной.
Опознавательная схема связана с применением методов распознавания образов, когда класс прогнозируемого события определяется по набору сопоставляемых ему признаков, надежно отличающих его от других событий.
Вероятностная схема сводится к описанию вероятностей перехода изучаемой системы из одного состояния в другое, причем прогнозируемое событие понимается как некоторое состояние системы. В этом случае необходимо предварительное определение всей совокупности возможных состояний системы, например АО,и матрица вероятностей переходов определяется также по всей доступной предыстории. Математическим аппаратом системы в этом случае являются теория конечных автоматов и теория марковских процессов. В [ I 1 отмечается, что пока неизвестно ни одной попытки реализовать эту схему прогноза в описанном виде. Примерами являются работы С 29,30 ], однако в них нет практически приложения этой схемы для предсказания вспышек. Предложенная в данной диссертационной работе прогностическая схема по существу является вероятностной, при этом конкретизированы состояния АО и оценены вероятности матрицы переходов.
2.2. Сложности прогнозирования.
Сформулируем сложности, которые обычно возникают при решении задачи прогнозирования вспышек. Во-первых, исключительное разнообразие наблюдаемых признаков и закономерностей проявления вспышечной активности, которые иногда могут оказаться даже взаимно противоречивыми, приводит к выводу, что данные признаки не являются одновременно и необходимыми и достаточными. Поэтому целесообразно использовать почти все множество признаков, которые по отдельности не обладают достаточной информативностью, но нельзя гарантировать, что не были пропущены важные информативные признаки. Во-вторых, невозможно получить даже по этим признакам исчерпывающей информации: существуют неопределенности в измерениях и оценках параметров, иногда данные просто отсутствуют, и, наконец, нет уверенности, что используемые обучающие выборки являются представительными выборками из генеральной совокупности. Кроме того, как правило, объемы используемых выборок с относительно надежными данными малочисленны в статистическом понимании. В-третьих, получение надежных решающих правил требует строгого определения классов прогнозируемых событий. Практически мы вынуждены пользоваться размытыми понятиями: нет четкого различия между протонными и обычными вспышками, из-за неполноты данных наблюдений не все состояния АО различимы, встречаются случаи, когда различные по природе состояния имеют одинаковые описания в пространстве признаков, но мы об этом не знаем, и т.п.
Изложенное выше объясняет существование множества применяемых прогностических схем, которые трудно сопоставить между собой, преобладание эмпирического подхода к прогнозу, существе иное значение интуиции.
В целом не следует считать положение с прогнозом вспышеч-ной активности неудовлетворительным, поскольку прогресс есть и не доказано, что принципиально не существует возможности улучшить положение.
ВЫВОДЫ ПО ВВЕДЕНИЮ
Рассмотренные выше работы дают основания для ряда выводов общего характера, которые мы использовали при планировании и проведении настоящей работы.
I. Граница установленных в настоящее время физических связей между предвспышечными явлениями и последующей вспышкой проходит через область "эволюционных" признаков. Характерной шкалой времени, определяющей глубину связи этих явлений представляется время 10 часов, что может следовать из работ С 4,5,7,9,11,12,13,14] .
Естественна мысль, что такие связи отражают существование некоторого единого в каждом случае физического процесса, сопровождающегося накоплением и выделением энергии во вспышках. Оцененная в L5 ] средняя длительность неслучайных серий слабых вспышек, предваряющих мощные вспышки, равная 0,8 суток, может служить характерным временем такого процесса. Вместе с тем, хотя и подтверждается случайная природа распределения моментов возникновения вспышек, факт обнаружения неслучайных групп указывает на необходимость продолжения поиска детерминированных составляющих в представляющейся сейчас в основном случайной генеральной совокупности рспышек. В первую очередь поиск следует проводить в уже выделенных неслучайных группах.
2. Поскольку вспышечный процесс реализуется при широком спектре условий в солнечной атмосфере, и, с другой стороны, имеются основания для разделения вспышечных явлений на классы по их проявлениям, то представляется возможным существование различных вспышечных механизмов, а следовательно и соответствующих им различных процессов накопления энергии и создания необходимых условий для её высвобождения, т.е. - различных закономерностей предвспышечной активности, связанных с этими механизмами. Поэтому прогноз солнечной активности следует понимать не как предсказание вспышки вообще, а как определение вероятностей возникновения различных возможных в данной ситуации вспышечных явлений.
3. Поскольку очевидно, что вспышечная активность тесно связана с развитием АО, а с другой стороны - анализ временных последовательностей вспышек статистическими методами обнаруживает наличие ряда достоверных закономерностей, то отсюда следует необходимость совместного анализа и соотнесение результатов морфологического описания АО и результатов статистической обработки наблюдательных данных.
4. При изучении эволюции АО целесообразно использовать непрерывный ряд наблюдений, полученный в "патрульном" режиме работы аппаратуры. В этом случае, в отличие от ряда дискретных, субъективно отмеченных и оцененых наблюдателем событий, возможно применение методов математической обработки, способной выделять, например, слабые или сильно зашумленные события, не замеченные наблюдателем, обнаруживать закономерные, в частности - периодические, вариации и т.п.
5. Рентгеновское излучение Солнца, данные о котором регистрируются с помощью аппаратуры, вынесенной на ИСЗ за пределы земной атмосферы, обладает рядом свойств, делающих его крайне привлекательным для изучения АО. Рентгеновским излучением ... сопровождаются процессы энерговыделения в АО, связанные как с нагревом вещества, так и с ускорением частиц.
Поскольку солнечная атмосфера прозрачна для рентгеновского излучения, то все это делает его удобным для изучения эволюции АО, начиная с всплывания нового магнитного потока (сопровождою-щегося появлением всплесков, наложенных на поднимающийся уровень фона 15 1 ) , слежения за корональной конденсацией (повышенный уровень потока, вариации) и до мощных вспышечных процессов.
Наличие патрульных наблюдений рентгеновского излучения, полученных в экспериментах на ИСЗ серии "Прогноз", представляется нам весьма удобным для изучения АО на долговременной шкале.
6. Поскольку ряд работ указывает на существование периодических вариаций в процессах энерговыделения в АО, необходимо всестороннее изучение частотных свойств флюктуации патрульных данных по рентгеновскому излучению, соответствующих различным фазам состояния АО, а также изучение зависимости этих свойств от времени. Для подтверждения результатов частотного анализа жесткого излучения целесообразно проведение аналогичного анализа данных по процессам, модулируемым деятельностью АО, например, данных по магнитному полю Земли. Результаты такого анализа, в частности, обнаруженные периодические составляющие процессов, несут информацию об условиях в АО и их изменениях.
7. Необходимо исследование закономерностей в смене состояний АО, описанных как с морфологической, так и с энергетической точек зрения.
Настоящая работа выполнена в соответствии с изложенными выше выводами и содержит Введение и три главы.
В главе I рассмотрены возможности автоматизации обработки больших массивов экспериментальных данных и представлены диалоговые вычислительные системы 132 37 ], разработанные и используемые для обработки данных, полученных в экспериментах на ИСЗ "Прогноз". Системы позволяют проводить обработку данных на ЭВМ с эффективностью, во много раз превышающей эффективность традиционной обработки на ЭВМ в "пакетном" режиме.
В главе 2 представлены результаты анализа данных по рентгеновскому излучению, связанному с АО, в которых произошли жесткие рентгеновские вспышки С 31,38,39,40 1 . Анализ включает сопоставление данных по рентгеновскому излучению с опубликованной информацией о соответствующих АО по другим наблюдениям, расчет физических характеристик источников излучения, статистическую обработку данных, включающую, в частности, спектральный анализ по специально разработанной методике [41]. Помимо данных о рентгеновском излучении Солнца, обработке были подвергнуты также данные оэб Н-компоненте магнитного поля Земли, на которое жесткое солнечное излучение оказывает модулирующее действие [42 3. Полученные выводы могут служить подтверждением наличия периодических вариаций в рентгеновском излучении Солнца. Результатом главы 2 является выделение нескольких групп вспышек по данным рентгеновского излучения (т.е. классификация вспышечных рентгеновских явлений) и обнаружение ряда закономерностей (признаков) во вспы-шечной активности АО, связанными с выделенными группами вспьшек.
Глава 3 посвящена интерпретации выделенных в процессе обработки закономерностей вспышечной активности. Предложена классификация рентгеновских всплесков, основанная на их проявлениях в диапазонах излучения 2-12 кэВ и 20 кэВ, рассчитаны физические характеристики выделенных групп всплесков.
Предложена схема, представляющая эволюцию АО как набор опре деленных её состояний и возможных переходов между ними [31]. Оценены вероятности таких переходов и предложен в качестве ее математического описания аппарат марковских процессов. В главе рассмотрена также возможная физическая интерпретация ряда моментов предложенной схемы эволюции АО. Показано, что данная схема имеет прогностическое значение и может быть использована при оперативном 10 часов прогнозе.
Реализация диалоговых обрабатывающих систем на базе различных дисплейных комплексов
Преодоление рассмотренных выше проблем, возникающих при обработке экспериментальной информации, связано с организацией диалоговых вычислительных систем обработки данных. Диалоговая система представляет собой ЭВМ, снабженную специальными периферийными устройствами, обеспечивающими оперативный обмен информацией с пользователем, и специальным математическим обеспечением, позволяющим оптимально для пользователя управлять процессом обработки, охватывающим все возможные в данной задаче варианты, пользуясь при этом только пультами терминалов и не изменяя самого математического обеспечения, т.е. является удобным средством связи пользователя с обрабатываемыми данными и ЭВМ.
В настоящее время диалоговые системы находят очень широкое применение в различных сферах науки и производства. Это подтверждает целесообразность их разработки и эффективность применения. Опыт создания различных диалоговых систем в последнее время обобщается в определенную теорию, однако в каждом конкретном случае практически требуется создание нового математического обеспечения системы, соответствующего кругу решаемых задач и техническому вооружению системы. Диалоговая система обработки экспериментальных данных должна быть ориентирована на пользователя, который может являться постановщиком физических задач, связанных с экспериментом, и не являться специалистом в области ЭВМ. Диалоговая система должна предоставлять пользователю возможность быстрого доступа к любым исходным данным, вызывать программы, реализующие все необходимые преобразования данных и технические средства, осуществляющие оперативную наглядную демонстрацию пользователю исходных данных и необходимых результатов их промежуточной и окончательной обработки, протоколирование необходимой информации на твердых носителях. Язык общения с системой должен быть крайне простым и обеспечивать оперативное составление и корректирование алгоритма обработки, функцией диалоговой системы является также обеспечение пользователя сервисной информацией и процедурами, помогающими сделать диалог с ЭВМ более эффективным.
Рассмотрим более подробно функции, которые должна выполнять диалоговая система обработки данных (ДС). Обмен информацией. Терминал ДС, роль которого выполняет видеодисплей, связанный с центральным процессором часто посредством собственного микропроцессора, должен представлять информацию в виде, удобном для восприятия человеком. Степень наглядности и выразительности выводимой на экран информации во многом определяет эффективность диалогового режима работы с ЭВМ. Изобразительные возможности дисплея должны быть ориентированы на свойства человеческого глаза фиксировать различия в геометрических формах изображаемых тел, их положении, перемещениях, а также в цвете и относительной освещенности. Система должна располагать несколькими вариантами удобного представления информа - 32 ции на экране (различные виды графиков, таблицы, текстовые сообщения), и предоставлять пользователю возможность корректировать изображения, например, изменяя масштабы графиков, границы изображаемой области и т.п. В математическом обеспечении системы соответственно выделяются программы, подготавливающие различного вида информацию для вывода на экран.
Входная информация - команды пользователя, вводятся в систему также с помощью терминала, его выносного пульта. Для этого система должна располагать программами, воспринимающими команды пользователя и интерпретирующими их. Совокупность команд пользователя и ответов ДС образует язык ДС. Классификация информации и отбор событий. Эти операции должны легко выполняться самим пользователем при помощи ДС. Экспериментальная информация в указанном пользователем виде выводится для визуального анализа. Пользователь должен иметь возможность по своему усмотрению выполнять такие преобразования информации, как вывод на экран любых её фрагментов, сдвиги и изменения масштабов изображений, выборки необходимых фрагментов и перенос их в другие области памяти или на другие носители.
В математическом обеспечении (МО) системы следует иметь "Блок справок" и "Елок подсказок". При просмотре информации и отборе событий "Блок справок" по просьбе пользователя должен выдавать сведения о наличии, структуре и других необходимых характеристиках исходной информации. "Блок подсказок" в свою очередь может выполнять поиск некоторых событий по признакам, которые поддаются формализации, и, при удачном решении такой задачи, выдавать пользователю сведения о найдених "подозреваемых" событиях.
Выработка алгоритма управления. Главное достоинство работы с ДС - это возможность проводить решение задачи по гибкому алгоритму, который составляется, перестраивается и корректируется пользователем непосредственно в процессе выполнения задачи. МО системы должно содержать обширную библиотеку методов, которые могут понадобиться при обработке, а обращение к этим методам и задание необходимых параметров должны быть максимально упрощены. Это может быть достигнуто унифицированным оформлением программ, реализующих методы, и многоуровневой организацией библиотеки методов с различными способами хранения структурных единиц и доступа к ним.
При составлении алгоритма обработки система должна оказывать пользователю максимально возможную помощь. "Елок справок" системы должен при обращении к нему выдавать необходимые све дения о наличии методов обработки, о возможностях системы, инструкции для работы с ДС и т.п. "Елок подсказок" может расчитывать различные характеристики исходных данных, методов обработки и вспомогательных преобразований информации, что дает пользователю-эксперту возможность выбрать более оптимальный вариант алгоритма подготовки данных и их математической обработки.
Диалоговая обрабатывающая система на базе графического дисплейного комплекса ЕС-7064
Основная Программа организует работу ДС. Блок Преобразований зодержит программы,,выполняющие основные вычисления. Елок Справок зыдает пользователю хранящуюся в ДС справочную информацию. Блок Іодсказок производит вспомогательные вычисления, позволяющие выб-эать оптимальную тактику решения задачи. Блок Автоматического Управления берет на себя часть функций пользователя по управлению системой. Блок средств обмена информацией с пользователем обеспе-швает восприятие, анализ и реализацию команд пользователя, выдает юльзователю необходимые сообщения, запросы и результаты обработки.
Конкретно, в каждой из "Тем" выполняются следующие виды работ "подготовка данных". В данной ДС предусмотрен ввод [сходной информации, записанной на магнитных лентах в форматах эксперимента РГС (при этом выполняется необходимая перекодировка информации), ввод данных на перфокартах, а также моделирование данных непосредственно в ДС, что используется при отладке методики обработки и в математических экспериментах. Считанную с любого из перечисленных носителей информацию пользователь может просмотреть на экране дисплея в удобной для него графической форме, отобрать нужные фрагменты и записать их последовательно в рабочий массив на магнитных дисках, снабдив необходимой справочной информацией, откуда в дальнейшем она может быть считана для обработки.
Яри считывании информации с магнитной ленты ДС запрашивает у пользователя сведения об интересующей его информации: - номер сеанса на магнитной ленте, - количество и номера каналов, которые пользователь хочет одновременно наблюдать на экране дисплея, - номер кадра, с которого необходимо начать просмотр информации, и количество данных в порции, которыми информация будет просматриваться, - желаемый способ кодирования информации, поскольку информацию по эксперименту РГС можно представлять в I) кодах записи на магнитных лентах, 2) телеметрических уровнях, 3) скорости счета детекторов. Разрешающая способность экрана дисплея ЕС-7064 позволяет вывести график 1000 точек данных. По вертикали экран (также 1000 дискрет) может быть разбит на I - 4 поля, в которых одновременно можно вывести соответствующее количество графиков, снабженных оцифрованными шкалами (рис. 10 .). Если количество данных превышает 1000, они могут быть сжаты для демонстрации. Моделирование данных осуществляется либо набором числовых данных с пулвта дисплея, либо при обращении к стандартной подпрограмме, генерирующей случайный процесс с заданными параметрами, либо при введении с перфокарт подпрограммы, моделирующей данные. Блок Справок в данной ТЕМЕ при обращении к нему пользователя выдает на экран дисплея инструкции по работе с ДС, справки о приборе РГС (таблица номеров каналов, энергетические диапазоны, вид соответствующих детекторов), справки о магнитных лентах. ТЕМА 2 - "математическая обработка данных". Блок Преобразований этой "Темы" содержит программы, выполняющие следующие операции: сжатие данных, приведение к стационарному виду несколькими способами, нормирование, построение спектра мощности по методу быстрого преобразования Фурье, построение периодограмм по методам максимальной энтропии, Шустера и Уиттекера. Блок Справок в данной "Теме" представляет на экран инструкции, перечень имеющихся в библиотеке модулей и справку о содержании записей в рабочем массиве на магнитных дисках. Имеется возможность записи амплитудно-частотных характеристик хранящихся в библиотеке модулей фильтров. Блок Подсказок может по команде пользователя: I) вычислить текущие дисперсию и среднее данных и вывести их в графической форме на экран, что позволяет выбрать необходимый фильтр, 2) в соответствие с конкретными параметрами выборки данных могут рассчитываться сравнительные характеристики имеющихся методов спектрального анализа - области анализируемых периодов, быстродействие, допустимое отношение "шум/сигнал", расчитать критерий Акаика для выбора порядка авторегрессионной модели и критерий Неймана-Пирсона для определения достоверности выделения сигнала. Опираясь на эти характеристики, пользователь может выбрать необходимые в данном случае методы обработки. Примеры выводимых на экран данной ДС сообщений с перечнями предлагаемых операций приведены на рис. II . Математическое обеспечение ДС с использованием дисплейного комплекса ЕС-7064 содержит 40 специальных программ и 30 стандартных.
Совместная обработка данных по рентгеновскому излучению Солнца и Н-компоненту магнитного поля Земли перед мощными протонными вспышками
Рассмотрим ситуацию более подробно. Начало представленного периода характеризуется вспьшкой класса SF, максимум интенсивности которой приходится на 0230 UT 21.II.77 [50] . Затем последовал спад излучения, при котором на протяжении 5-6 часов в диапазоне 2-12 кэВ выделилась энергия 2-10 эрг. В конце спада с 0700 UT до 1400 UT 21.II.77 можно выделить первую группу всплесков, очень слабых по интенсивности, большинство из которых совпадает с вспышками в Hot класса SF [ 50 ] . В диапазоне энергий 4-12 кэВ эти всплески проявляются совсем слабо.
Следующая группа более интенсивных "тепловых" всплесков имела место с 2100 UT 21.II.77 по 0600 UT 22.11.77. Наблюдалось 4-5 всплесков, которые соответствуют вспышкам классов SF, SN , IF и SM в области McMaib I503I. Всплески следуют один за другим с периодом 1,5 часа, причем первый и последний менее интенсивные, чем всплески в середине группы, в каждом из которых выделялась энергия эрг.
Последние 4 часа перед "жесткой" вспышкой характеризуются заметным спадом активности в оптическом и рентгеновском диапазонах. Средний уровень излучения постепенно спадает, достигал минимума в 0700 UT и затем постепенно возрастает до момента начала вспышки.
Регистрируемый аппаратурой РГС уровень рентгеновского излучения после вспышки долгое время остается высоким из-за попадания на детектор потока частиц, выброшенных из атмосферы Солнца во время вспышки, это затрудняет анализ рентгеновского излучения АО после вспышки.
В исследуемый период отмечались проявления повышенной активности и в других диапазонах длин волн - всплески на радиочастотах, активизация волокна [51], совпадающие обычно по времени с"тепловыми" вспышками. Однако требуется более детальный материал по этим проявлениям и их эволюции во времени. По этой причине из всей совокупности данных мы пока выделяем сведения об АО, касающиеся маг-нитных полей. По модифицированной цюрихской классификации ГП МсМаіЬ І503І 20-23 ноября относилась к классу 7) [50] . Площадь этой АО (кальциевого флоккула), монотонно увеличивавшаяся в период 15.II.77 - 19.II.77 с 200 до 1800 м.д.п., 21.11.77 уменьшилась до 1500 м.д.п. Яркость области в На, также возраставшая в этот период, 21.IIJ77 уменьшилась в 1,2 раза. 20-21.II.77 биполярная группа пятен с доминирующим ранее ведущим пятном превращается в группу пятен с доминирующим хвостовым пятном. Максимальная напряженность магнитного поля в группе за это время падает с 2100-2500 Гс до 1600-2000 Гс. Количество пятен в группе уменьшается с 16 до 4, а их площадь - с 230 до 180 м.д.п.
Таким образом, 20-21 ноября 1977 скорее всего происходят радикальные изменения конфигурации магнитного поля в АО McMathI503I, в процессе которых рост площади АО сменяется её уменьшением. В этот момент наблюдается в мягком рентгеновском излучении характерное вспышечное явление с затяжным спадом, вслед за которым,после ряда характерных деталей в широком диапазоне излучений, происходит мощная жесткая рентгеновская вспышка.
Следующая серия наблюдений относится к "жесткой" вспышке класса SB б октября 1977 года в 0425 UT, в области McMath 14967 [52]. В рентгеновском излучении, зарегистрированном на ИСЗ "Прогноз 6", вспышка прослеживается до энергий выше 100 кэВ. Рассмотрим предысторию этой вспышки. 06.10.77 на диске находилось несколько АО рис. 22 . По данным [ 52] в На, активной являлась в основном область МсМаіЬ 14967. Об этом свидетельствует и кривая прохождения медленно меняющейся составляющей радиоизлучения на волне 4,4 см С53 J (рис. 23 ). В 1530 UT 05.10.77 в области McMath 14967 зарегистрирована вспышка класса SN. В рентгеновском излучении, временной профиль которого представлен на рисунке 24 , этой вспышке соответствует всплеск, длящийся около 3 часов в диапазоне 2-12 кэВ (всплеск зарегистрирован также аппаратурой на ИСЗ $М$ GOES [54 J ) . На спаде всплеска была отмечена вспышка в На класса SF в области McMath 14967. По временному профилю рентгеновского излучения можно заключить, что в 1600 UT 05.10.77 имела место еще одна вспышка, не зарегистрированная в Hot из-за отсутствия патруля. Несмотря на наличие трех вспышек в интервале 1530-1800 UT, профиль рентгеновского всплеска имеет необычно затяжной спад. В течение этого всплеска в диапазоне 2-12 кэВ выделилась энергия 1,36 10 эрг. Потока частиц, которые могли бы промодулировать зарегистрированное аппаратурой РГС-ІМ излучение, в это время не наблюдалось, что следует из данных фонового детектора этой же аппаратуры.
Так же, как и в первом случае, следует выделить первую группу очень слабых рентгеновских всплесков, начинающихся на спаде "тепловой" вспышки с затяжным профилем, т.е. с 1800UT и до 2100 ОТ. Общее число всплесков в группе - 6. Их средняя энергия в диапазоне 25 2-4 кэВ составляет - 10 эрг. В период с 2130 UT по 0120 (JT область McMatK 14967 ведет себя очень активно. Наблюдается вторая группа субвспышек - SM, 5F и SB, излучение от которых прослеживается до энергий 12 кэВ.
Прогнозирование вспышечных явлений по данным о рентгеновском излучении
Характеристиками методов спектрального анализа являются: разрешающая способность, диапазон исследуемых периодов, допустимые отношения "туи/сигнал", быстродействие реализации метода на ЭВМ, зависящее от сложности алгоритма, должно учитываться отношение методов к форме сигнала, к нестационарности обрабатываемых данных. Кроме того учитываются и такие нежелательные эффекты, как наличие кратных или ложных спектральных составляющих в спектрах, или пиков на периодограммах и другие эффекты.
Данные по эксперименту РГС-ІМ отличаются рядом особенностей, которые следует учитывать при спектральной обработке данных. і) Наличие всплесков, длительностью 1 часа (что соответствует 100 точкам дискретных данных), а также длительных трендов, делающих данные нестационарными, если исследуются сигналы с периодами «I часа. Такие данные должны приводиться к стационарному виду как в отношении среднего, так и в отношении дисперсии. 2) Значительная зашумленность сигналов. Отношение "шум/сиг 2 2 нал", равное отношению O /6Q , может меняться в широких пределах для сигналов с различными периодами, а также во времени. В состав помехи, учитываемой в (і), входят: ошибка, связанная с пуассоновским законом распределения интенсивности излучения, и ошибка, возникающая при квантовании данных по уровню в телеметрическом тракте передачи информации [41] 3) Предположения о наличии сигнала и его параметрах в той или иной выборке являются априорными, чем определяется адаптационный характер процедур поиска, выделения и оценки параметров сигнала. Перед решением задачи обнаружения и выделения сигнала, исходные данные подвергались предварительной обработке, целью которой являлось приведение данных к стационарному виду. Использовались процедуры, связанные с вычислением и устранением из данных текущих среднего и дисперсии [41]. Ширина окна (2M+I) в данных методах, определялась по характерному значению искомого периода с помощью рассчитанной зависимости (рис. 36)частоты среза f фильтра У(Т)= c(t) - /ч(Х)от параметра М окна. Амплитуды сигналов, имеющих частоту, меньшую частоты среза фильтра при выбранном М, подавляются при прохождении через данный фильтр более чем вдвое. В процессе предварительной обработки в качестве фильтрации применялось иногда сжатие (усреднение) данных. При необходимости, для уменьшения вклада высокочастотных составляющих, возникающих из-за ограниченности длины выборок, на концы последних накладывалось косинусоидальное окно. Выделение периодических компонентов осуществлялось при помощи метода быстрого преобразования Фурье (ШФ), методов Шустера и УиттекераС4іП, а также метода спектрально-временного анализа (.СВАН) [60] . Достоверность выделения сигнала определялась по критерию Неймана-Пирсона [ 61] . Оценивание параметров Т и А у достоверных периодических компонентов производилось при помощи методагБПЗ и метода максимальной энтропии (MEM);информация об амплитудах А сигнала вошла в оценки относительной мощности выделенных сигналов . В работе нет необходимости подробно прослеживать получение всех окончательных выводов по каждой исследованой выборке, поскольку каждая выборка в зависимости от её индивидуальных особенностей исследовалась по индивидуальному алгоритму, включающему разбиение её на различные интервалы, приведение, при необходимости, ее к стационарному виду (фильтрация) различными способами, многократное применение различных методов для выделения , локализации и оценивания параметров сигнала. Обрабатывались данные, временные интервалы которых представлены в таблице 4 , и составляют предыстории одиннадцати "жестких" вспышек в мягком рентгеновском излучении 2-4 кэВ, рассмотренных в 2 (п.2.2.2.). Обработка каждого случая проводилась выборками, которые сгруппированы в три более крупных интервала (начало и конец интервалов приведены в таблице 4), охватывающих: I- спад IDE и спокойный участок до начала повышенной активности; II - период повышенной активности.за 6 часов до начала вспышки; III - 3 5 часовой период предвспышечного спада активности непос редственно до начала "жесткой" вспышки. В процессе работы было рассчитано и проанализировано более 150 спектров и периодограмм, поэтому нет возможности отразить и прокоментировать все этапы обработки. Перед тем, как привести сводную таблицу результатов, полученных при обработке всех данных из таблицы 4 , приведем в качестве примера только спектры и периодограммы одной выборки данных за период от 01 42 31 UT до 03 54 UT 06.10.77 перед "жесткой" вспышкой 04h25m UT 06.10.77. На рисунке 22 изображен спектр мощности по методу ЕПФ данных, которые предварительно были нормированны, а на концы выборки было наложено косинусоидальное окно. Изображенный спектр не подвергался сглаживанию, поскольку последнее приводит к смещению оценок частоты гармонических компонентов, которые в этих данных выражены і сравнительно отчетливо. Достоверность обнаружения периодического сигнала определялась с помощью критерия Неймана-Пирсона, на рис.37 пунктиром изображен уровень мощности, соответствующий 5%-й вероятности "ложной тревоги". Приведена только крайняя низкочастотная часть спектра, поскольку оставшаяся высокочастотная часть не содержит достоверных (превышающих указанный порог) компонентов. На спектре отмечены значения периодов, соответствующих неслучайным (достоверность 95% ) периодическим компонентам. Стрелками соединены кратные гармоники, возникающие из-за того, что реальные периодические сигналы имеют отличающуюся от гармонической форму.
