Техника инверсии магнитограмм и некоторые ее применения в исследовании солнечно-земных связей Базаржапов, Александр Дашицыренович

Введение к работе

Диссертация посвящена разработке техники инверсии магнитограмм (ТИМ) и ее применениям в исследовании глобальных электродинамических процессов в магнитосфере Земли.

Актуальность проблемы. Магнитосфера Земли – сложная глобальная система взаимодействия плазмы, полей, волн и энергичных частиц – служит одной из основных составляющих среды человеческой жизнедеятельности. Магнитосфера подвержена непрерывным изменениям, включая суббури и бури, которые вызывают изменения электромагнитного поля Земли, глобальных систем электрических токов и конвекции плазмы, нарушают нормальную работу систем связи, транспортных и других систем, важных для мирового народного хозяйства, и влияют на организм человека и биосферу в целом. Поэтому исследования магнитосферы проводятся с середины ХХ века силами международного сообщества, в них задействованы сотни искусственных спутников Земли и обширная международная сеть разнообразных наземных геофизических обсерваторий. Поиск и разработка методов, позволяющих связать и обобщить разрозненные измерения, разбросанные в пространстве и времени, имеют фундаментальное значение в физике геомагнитосферы.

Спутники не обеспечивают разделения наблюдаемых изменений произвольного магнитосферного параметра Р на пространственную (V)Р и временную (Р/t) составляющие. Измерения на спутниках не позволяют разделить локальные и глобальные аспекты изучаемого явления. Чтобы описать пространственное распределение произвольного параметра Р на площади глобального масштаба, нужны тысячи пролётов спутника над этой площадью. Поэтому глобальная картина может быть получена по измерениям на спутнике только осреднением многолетних измерений. Это значит, что локальные особенности распределения Р, если эти особенности переменны во времени, теряются при осреднении значений Р. Требуются дополнительные наземные методы, свободные от названных принципиальных недостатков и обеспечивающие мониторинг глобального пространственного распределения физических параметров магнитосферы. Наземные методы позволяют организовать такой мониторинг, благодаря тому, что пространственная картина явления в магнитосфере проецируется в ионосферу вдоль геомагнитных силовых линий как на экран, доступный наблюдениям на Земле.

Одним из основных современных методов глобального мониторинга магнитосферы наземными средствами является техника инверсии магнитограмм, ТИМ. Три варианта ТИМ разработаны в группе ТИМ ИСЗФ по инициативе и под руководством В.М. Мишина в середине 70-х. Эти методы получили международную известность и непрерывно модернизируются в ИСЗФ и за рубежом вплоть до настоящего времени [1-8].

ТИМ работает на основе данных непрерывной регистрации геомагнитных вариаций мировой сетью наземных магнетометров. Выходные данные ТИМ охватывают широкий набор основных параметров состояния магнитосферы, включая упомянутые основные глобальные и локальные характеристики электромагнитного поля Земли, системы токов и конвекции плазмы, и ранее недоступный набор параметров энергетики спокойной магнитосферы и магнитосферных возмущений.

Данные ТИМ используются также для диагностики и прогноза геоэффективных параметров солнечного ветра, диагностики и прогноза космической погоды. В последние годы развивается новое направление – аналогия развития солнечных вспышек и геомагнитных суббурь, где используются принципы и методы, разработанные на основе ТИМ [9-13].

Число действующих наземных магнетометров быстро увеличивается, особенно в ХХI веке, вместе с требованиями к пространственному разрешению и точности их мировой сети. Растут запросы науки к ассортименту и объёму информации, извлекаемой с помощью ТИМ. Таким образом, актуальность развития и применений ТИМ в мировой науке и для целей службы космической погоды сохраняется и растёт: ТИМ систематически используется в непрерывно растущем числе международных проектов исследования магнитосферы и ионосферы.

Цель диссертационной работы заключается в решении следующих конкретных задач:

1. Разработка методов выбора оптимального спектра функций, аппроксимирующих потенциал поля геомагнитных вариаций (ПГВ), и обеспечивающих математическое описание пространственного распределение магнитного потенциала спокойного и возмущённого ПГВ.

2. Разработка последовательно улучшаемых алгоритмов и программ ТИМ (ТИМ-0, ТИМ-1, ТИМ-2), обеспечивающих математический синтез измерений мировой сети наземных магнетометров и вычисление ранее недоступных мгновенных пространственных распределений (карт) электрического поля и токов в ионосфере и магнитосфере Земли.

3. Разработка алгоритма и программ «метода единых коэффициентов», МЕК, позволяющего использовать для вычисления выходных данных ТИМ, наряду с данными наземных магнетометров, измерения магнитного и электрического полей на спутниках.

4. Разработка регрессионных моделей ПГВ и эпигностической модели диагностики параметров солнечного ветра и компонентов ММП. Регрессионная модель должна обеспечить вычисление названных выше выходных параметров ТИМ на основе доступного в настоящее время набора параметров солнечного ветра, измеряемых на спутниках.

5. Разработка методов вычисления на основе данных ТИМ ряда ранее недоступных параметров, определяющих энергетику магнитосферных бурь: «открытого» магнитного потока хвоста магнитосферы, потока электромагнитной энергии в магнитосферу, и мощности возникающего в магнитосфере возмущения.

6. Разработка нового «сценария магнитосферной суббури с двумя активными фазами».

Методы исследования

Методы выбора оптимального спектра ряда гармонических функций, описывающего пространственное распределение магнитного потенциала ПГВ по измерениям на неоднородной сети магнетометров, разработаны в трёх вариантах как оригинальные аналоги известных методов регуляризации по Тихонову некорректно поставленных математических задач. Аппроксимация ПГВ рядами гармонических функций обеспечивает получение основного массива входных данных ТИМ. Далее используется основной алгоритм ТИМ, который сводится к решению двух эллиптических дифференциальных уравнений второго порядка, вытекающих из обобщённого закона Ома. Численное решение этих уравнений обеспечивает последовательное вычисление распределения в ионосфере электрического потенциала и плотности продольных токов при заданном пространственном распределении электрического потенциала и 2D-модели ионосферной электропроводности.

Переход от ТИМ-0 к ТИМ-1 выполнен благодаря введению улучшенной (неоднородной) модели электропроводности ионосферы. Алгоритм и программы ТИМ-2 получены на основе ТИМ-1 и дополнительных оригинальных методов оценки серии ранее недоступных основных параметров энергетики магнитосферных возмущений. Эти методы обеспечили также разработку нелинейных регрессионных моделей ПГВ.

Достоверность и обоснованность полученных результатов систематически проверялась и подтверждалась путём сравнения результатов вычислений и анализа с опытными данными и данными независимых методов вычислений.

Научная новизна.

Следующие, основные, полученные в диссертации результаты, являются новыми:

1. Разработаны и впервые использованы в практике многофакторного математического анализа поля геомагнитных вариаций оригинальные методы выбора оптимального спектра функций, аппроксимирующих пространственное распределение магнитного и электрического потенциала мгновенных полей магнитных вариаций и бурь [1, 14-19].

2. На основе методов п.1 разработана серия алгоритмов и программ ТИМ-0 и ТИМ-1, которые впервые обеспечили вычисление на основе данных сети наземных магнетометров глобальных (Ф>60) карт пространственного распределения в ионосфере и магнитосфере электрического поля и токов, ответственных за геомагнитные вариации и бури. Алгоритм ТИМ-1 был скопирован за рубежом и используется до настоящего времени в США, Японии и Европе [8, 20-22].

3. Разработан алгоритм ТИМ-2, впервые обеспечивший вычисление, на основе данных ТИМ-1, серии основных электродинамических параметров энергетики глобальных магнитосферных возмущений [4, 5, 23-26].

4. Разработан расширенный вариант техники инверсии магнитограмм – метод единых коэффициентов (МЕК), обеспечивающий применение в качестве входных данных ТИМ внеземных измерений естественных магнитных и электрических полей [27-30].

5. На основе методов п.1 впервые разработана регрессионная модель серии основных электродинамических параметров глобальных магнитосферных возмущений, включая компоненты ПГВ и электрических и магнитных полей в ионосфере. Модель позволяет вычислять двухмерные пространственные распределения названных параметров на основе входных данных: параметры солнечного ветра, компоненты межпланетного магнитного поля, время года и суток, и АЕ индексы [31-43].

6. На основе ТИМ-2 в 80-90-х гг. выполнены и продолжаются до настоящего времени исследования магнитных и магнитосферных суббурь и бурь. Создан оригинальный «сценарий магнитосферной суббури с двумя активными фазами». Этот сценарий ИСЗФ получает признание в литературе как результат синтеза двух моделей, которые до настоящего времени остаются в мировой литературе основными, но альтернативными [4, 5, 23, 26, 44-60]. На основе нового сценария описаны особенности супербурь [54-58]. Обнаружена ранее неизвестная периодичность – «горбы» и «впадины» – в пространственном распределении интенсивности продольных токов (ПТ) в объёме магнитосферы. В предложенной гипотезе эти «горбы» и «впадины» обусловлены выбросом плазмы и магнитозвуковыми волнами, которые возникают (с периодом ~10³ сек) при разрывах тока вблизи дневной магнитопаузы и в средней области ночного хвоста [60].

Научная и практическая ценность. Геомагнитные вариации и магнитные бури, создающие переменное магнитное поле Земли, были одной из главных проблем солнечно-земной физики, изучаемых во время международных проектов: МПГ (Международного Полярного Года), МГГ (Международного Геофизического Года), МГСС (Международного Года Спокойного года), CDAW (Coordinated Data Analysis Workshop), GEM (Geospace Environment Modeling), SEE (Solar Extreme Events) и др. Проблема магнитных и магнитосферных возмущений вошла в список ключевых и в программе Международного Гелиофизического Года, которая выполняется в настоящее время. Информация, которую обеспечивают данные о колебаниях геомагнитного поля, остается необходимой для многих разделов физики земной магнитосферы, физики ионосферы и физики солнечно-земных связей в целом. Достаточно отметить, что основные сведения о глобальных системах токов в магнитосфере и ионосфере были получены и добываются в настоящее время на основе данных наблюдений магнитных вариаций и бурь. Эти данные систематически используются и улучшают совремённые методы количественного описания глобальных систем магнитного поля, а также электрического поля и токов в ионосфере и магнитосфере Земли. Они расширяют возможности наземной диагностики параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля и комплекса электродинамических параметров, определяющих состояние ионосферы и магнитосферы Земли. Информация о ПГВ и магнитных бурях находит разнообразные практические применения: для прогноза условий распространения радиоволн, в разведке полезных ископаемых, при магнитных съемках, для обеспечения условий безопасности протяжённых ЛЭП, линий кабельной связи, газо- и нефтепроводов, и т.д.

Таким образом, результаты диссертации могут быть использованы в практике исследований солнечно-земной физики, и в получающей всё большее распространение в мире Службе Космической Погоды.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Разработан комплекс оригинальных методов оптимального выбора функций, аппроксимирующих потенциал поля геомагнитных вариаций, из произвольно заданного начального ряда гармонических функций.

2. Разработан комплекс методов «техники инверсии магнитограмм», ТИМ, обеспечивающей вычисление мгновенных глобальных пространственных распределений магнитного и электрического полей возмущений в магнитосфере Земли, систем электрических токов в магнитосфере и ионосфере, и набора других, ранее недоступных исследователям, основных электродинамических параметров магнитосферных возмущений.

Входные данные ТИМ – набор трёх компонент поля геомагнитных вариаций, измеряемых на существующей сети наземных магнетометров.

2. 1. Разработан «метод единых коэффициентов», МЕК, обеспечивающий тот же набор выходных параметров, что и ТИМ, но на основе набора входных данных, дополненного результатами измерений магнитного и электрического поля в космосе.

   2. Разработана нелинейная регрессионная модель поля спокойных и возмущённых геомагнитных вариаций, которая, в соединении с ТИМ или МЕК, обеспечивает расчет всего названного выше набора выходных параметров ТИМ на основе заданных параметров солнечного ветра и некоторых других общедоступных внутри-магнитосферных параметров.

   3. Разработан новый «сценарий магнитосферных суббурь с двумя активными фазами», который позволяет синтезировать две, основные в литературе последних 20 лет, но остающиеся альтернативными, модели суббури.

   4. В целом, создан, внедрён в практику, и получил международное признание комплекс алгоритмов и программ, обеспечивающий вычисление ряда, ранее недоступных, основных электромагнитных параметров магнитосферных суббурь и бурь – на основе либо существующей сети наземных магнитометров, либо на основе обычно доступной базы данных измерений параметров солнечного ветра на спутниках.

   В отличие от методов, использующих измерения на спутниках, новые методы обеспечивают разделение наблюдаемых изменений произвольного магнитосферного параметра Р на пространственную (V)Р и временную (Р/t) составляющие, а также разделение локальных и глобальных аспектов изучаемого явления.

   Апробация и реализация результатов. Исследования по теме диссертации проведены в рамках плановых тем Отдела исследования магнитосферы и межпланетной среды Института солнечно-земной физики СО РАН. Результаты и выводы, полученные в диссертации в 1970-2007 годах, использовались в ряде хоздоговорных тем ИСЗФ. Часть результатов получена в рамках тем, получивших гранты: РФФИ № 96-05-64348, РФФИ № 98-05-65406, РФФИ № 99-05-65234, РФФИ № 01-05-65374, РФФИ № 02-05-64159, РФФИ № 05-05-65170, а также гранты с участием зарубежных коллег: РФФИ-ННИО № 98-05-04133, РФФИ-ННИО № 02-05-04002, ИНТАС № 01-0142.

   Диссертация апробирована на семинарах ИСЗФ СО РАН, ИЗМИРАН, ИГУ, ИГГ СО РАН. Результаты работы доложены на симпозиумах, конференциях и семинарах:

   1. Всесоюзная конференция по научным итогам МГСС (Москва, янв.1967);

   2. Всесоюзный симпозиум «Физика возмущенной магнитосферы» (Мурманск, апр.1973);

   3. Международный Симпозиум КАПГ «Theoretical Research Methods of Geophysics, Geology and Astrophysics» (Эйзенах, ГДР, янв.1975);

   4. Международный Симпозиум КАПГ по солнечно-земной физике, (Тбилиси, сент.1976);

   5. Международный Симпозиум «Геомагнитный меридиан» (Ленинград, май 1976);

   6. Всесоюзный Симпозиум по физике геомагнитосферы (Иркутск, июнь 1977);

   7. Чепменовская конференция «Magnetospheric substorms and related plasma processes» (Лос Аламос, США, окт.1978);

   8. Международный Семинар по солнечно-земной физике (Ашхабад, окт. 1979);

   9. 2-я Всесоюзная конференция по полярной ионосфере и магнитосферно-ионосферным связям (Норильск, апр.1980);

   10. 23-я Сессия КОСПАР (Будапешт, Венгрия, июнь 1980);

   11. Всесоюзная конференция «Прогнозирование состояния магнитосферы» (Иркутск, окт.1980);

   12. 4-я Научная Ассамблея IAGA (Эдинбург, Великобритания, авг.1981);

   13. Всесоюзное Совещание по итогам выполнения проекта МИМ (Ашхабад, окт.1981);

   14. Чепменовская конференция «Magnetospheric currents» (Ирвингтон, США, апр.1983);

   15. 2-е Всесоюзное Совещание по итогам выполнения проекта МИМ (Ленинград, май 1984);

   16. Симпозиум КАПГ по исследованию магнитных и электрических полей в магнитосфере (Москва, окт.1985);

   17. Симпозиум КАПГ «Ionospheric response to the solar wind» (Прага, ЧССР, 1988);

   18. Чепменовская конференция «Magnetospheric substorms» (Хаконе, Япония, сент.1990);

   19. 20-я Генеральная Ассамблея IUGG (Вена, Австрия, авг.1991);

   20. Международный Симпозиум по Суббурям «ICS-1» (Кируна, Швеция, март 1992);

   21. 13-я Генеральная Ассамблея ЕГС (Гренобль, Франция, апр.1994);

   22. 30-я Научная Ассамблея КОСПАР (Гамбург, Германия, июль 1994);

   23. 21-я Генеральная Ассамблея IUGG (Боулдер, США, апр.1995);

   24. Международный Симпозиум по Суббурям «ICS-3» (Версаль, Франция, май 1996);

   25. Международный Симпозиум по Суббурям «ICS-4» (Хамана, Япония, март 1998);

   26. Международный Симпозиум по Суббурям «ICS-5» (СанктПетербург, май 2000);

   27. 35-я Ассамблея КОСПАР (Париж, Франция, июль 2004);

   28. Международный Симпозиум «Solar Extreme Events: Fundamental Science and Applied Aspects» (Москва, июль 2004);

   29. Международный Симпозиум «Solar Extreme Events: Fundamental Science and Applied Aspects» (Ереван, Армения, сент.2005);

   30. Международный Симпозиум «50th Years Anniversary of the RCAG» (Улан-Батор, Монголия, июль 2007).

   Публикации. Основные результаты, изложенные в диссертации, представлены в монографии и 126 статьях. Из них 27 статей опубликованы в рецензируемых журналах (21 статья входит в рекомендованный ВАК «Перечень ведущих научных журналов»), 33 статьи напечатаны в сборниках трудов конференций, и 56 – в сборниках абстрактов конференций.

   Личный вклад автора. Все результаты, изложенные в диссертации получены А.Д. Базаржаповым либо самостоятельно, либо при его непосредственном, активном и творческом, участии на всех этапах работы. Это относится и к основным положениям диссертации, выносимым на защиту.

   Объём работы. Диссертация содержит 288 страниц текста, 68 рисунков, 23 таблицы и список использованной литературы, включающий 271 наименование.

   Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения.

   Похожие диссертации на Техника инверсии магнитограмм и некоторые ее применения в исследовании солнечно-земных связей

   

   Исследование глобальных электродинамических процессов в геомагнитосфере с применением техники инверсии магнитограммШирапов Дашадондок Шагдарович

   

   Исследование количественной связи элементов солнечной активности с магнитосферной возмущенностью Королев Алексей Викторович

   

   Исследование динамики характеристик атмосферы и их связи с вариациями геомагнитной активностиКараханян, Ашхен Арменовна

   Результаты исследования долгопериодных флуктуаций геомагнитного поля и их связь с геоэффективными солнечными вспышкамиСмирнова, Анна Сергеевна

   

   Исследование локальных систем расселения и межпоселенных трудовых связей в высоко-урбанизированных районах (на примере Донбасса) Харченко Владимир Ефимович

   

   Исследование и разработка методов сжатия геоданных для передачи по каналам связи в глобальные сети Букин Роман Николаевич

   

   Метод идентификации конвективных ячеек и результаты его применения для исследования градовых процессовЖарашуев Мурат Владимирович

   

   Усовершенствованная технология ведения режимно-справочного банка данных "актинометрия" и ее применение для исследования прозрачности атмосферы на территории РоссииЛукин Андрей Борисович

   

   Исследование особенностей применения экспертных систем для стандартизации кадастровой оценки городских земель и разработка моделей их информационного обеспеченияСеменова Евгения Александровна

   

   Разработка и исследование методов применения персональных GPS-навигаторов при проведении землеустройства Боровик Федор Валерьевич