Содержание к диссертации
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 2
ВВЕДЕНИЕ 4
1. МАГНИТНЫЕ БУРИ - ЧТО ИХ ВЫЗЫВАЕТ? ПРОБЛЕМЫ ПРОГНОЗА МАГНИТНЫХ БУРЬ 20
1. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ 31
2. АНАЛИЗ ГЕОФФЕКТИВНОСТИ ПАРАМЕТРОВ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА...49
1. КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ 49
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАЧАЛА МАГНИТНОЙ БУРИ ПО ГРАДИЕНТУ ИНДЕКСОВ SYM-H И ASYM-H 56
3.3 Примеры реакции магнитосферы на скачок плотности солнечного ветра при положительном направлении вертикальной компоненты ММП *.6С
3.4 АНАЛИЗ ГИСТОГРАММ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА 72
4. АНАЛИЗ ВАРИАЦИЙ ПЛОТНОСТИ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА, ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ НАЧАЛУ МАГНИТНЫХ БУРЬ 90
3. РОСТ ПЛОТНОСТИ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА, НАБЛЮДАЕМЫЙ ЗА НЕСКОЛЬКО ДНЕЙ ДО НАЧАЛА МАГНИТНЫХ БУРЬ 90
4. АНАЛИЗ ОСЦИЛЛЯТОРНОГО РЕЖИМА ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ И СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА ПЕРЕД МАГНИТНЫМИ БУРЯМИ 93
5. ПРИЛОЖЕНИЕ ОБНАРУЖЕННЫХ ПРОГНОСТИЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ В ПЛОТНОСТИ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА К ПРОГНОЗИРОВАНИЮ МАГНИТНЫХ БУРЬ 114
5. ВОЗМОЖНАЯ ПРИРОДА НИЗКОЧАСТОТНЫХ ОСЦИЛЛЯЦИИ -ПРЕДВЕСТНИКОВ МАГНИТНЫХ БУРЬ В ПЛАЗМЕ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА НА ОРБИТЕ ЗЕМЛИ И В ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ КОМПОНЕНТАХ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ < 118
6. ИССЛЕДОВАНИЕ СВЯЗИ МЕЖДУ ПАРАМЕТРАМИ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА И ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ПРИ ПОМОЩИ МОДИФИЦИРОВАННОГО КОРРЕЛЯЦИОННОГО АНАЛИЗА 129
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 135
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 141
Приложение к диссертации 151
Введение к работе
Диссертация содержит результаты исследований связи динамических процессов в солнечном ветре и геомагнитном поле перед началом магнитных бурь. Проведены вэйвлет-анализ и статистическая обработка данных космического аппарата Wind и геомагнитных обсерваторий ИЗМИРАН, Sodankyla, Brorfield, а также индексов геомагнитной активности SYM-H и ASYM-Н. Использованы данные с одноминутным разрешением за годы минимума (1995г.) и максимума солнечной активности (2000г). Обсуждаются вопросы геоэффективности параметров солнечного ветра; оптимального выделения магнитных бурь программным способом; наличия характерных изменений плотности солнечного ветра, предшествующих началу магнитных бурь и их использования для прогноза магнитных бурь.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования
Исследование причин генерации и особенностей развития магнитных бурь, а также их прогнозирование - ключевые направления солнечно-земной физики. В качестве основных неблагоприятных для человечества последствий возмущенной геомагнитной обстановки традиционно рассматриваются: ухудшение коротковолновой радиосвязи, наводки в линиях электропередач, отрицательное воздействие на спутники (их поверхностная ионизация, выход из строя солнечных батарей и т.п.) [1-3]. В последние десятилетия активно изучается биологический эффект изменений космической погоды и магнитных бурь - их влияние на функциональное состояние живых организмов [4-6].
В связи с этим важно знать:
Какие физические процессы в космической плазме провоцируют начало магнитных бурь и обуславливают их развитие?
Что происходит в космическом пространстве до начала магнитных бурь?
Существуют ли особенности изменения параметров солнечного ветра, указывающие на приближение геоэффективных потоков, и можно ли использовать эти особенности для последующего прогноза магнитных бурь?
Многие исследователи считают (см, например, [7-10]), что фактором, оказывающим большое влияние на магнитосферные процессы и даже провоцирующим начало магнитных бурь, является скачок динамического давления солнечного ветра на ведущем крае высокоскоростного потока (динамическое давление D = pV =mpnV2, где тр -масса протона; п концентрация протонов, V - скорость солнечного ветра). При этом не вполне ясно, какой из параметров - плотность или скорость вносит основной вклад в геоэффективные изменения кинетической энергии (динамического давления). Реагирует ли магнитосфера именно на изменение динамического давления или физические механизмы отклика магнитосферы на изменения плотности и скорости различны [11,12]?.
Результаты статистических и морфологических исследований по данным с осреднением 1 час и более показывают, что интенсивность магнитной бури преимущественно определяется скоростью солнечного ветра и направлением вертикальной компоненты Въ межпланетного магнитного поля ММП (утверждается, что для начала и развития бури наиболее эффективно отрицательное направление Въ [13-18]). Индексы геомагнитной активности, осредненные за день, хорошо коррелируют с V [19] и выводятся из параметров V и В [20-21]. На основании этого часть исследователей придерживается мнения, что главным геоэффективным параметром является поток магнитной энергии солнечного ветра e = B2Vsin4(6/2) [22,23] (здесь В - напряженность ММП, в -угол между ММП и направлением на зенит) или электрическое поле (произведение V на В) [24,25].
Имеются также работы, в которых соединяются обе точки зрения (см., например, [26, 27]) а также вступающие с ними в некое противоречие (например, [28, 29]).
В связи с этим назрела необходимость использования адекватных статистических методов для прояснения существующей ситуации и поиска ответов на вопросы, поставленные выше. Тенденции последних лет дают основание надеяться на получение новых статистических закономерностей и подтверждение (или опровержение) ранее выдвинутых гипотез, базирующихся на первичном морфологическом анализе данных.
За последние несколько лет существенно увеличилось количество информации об окружающем космическом пространстве. Вместе с тем скачок возможностей компьютерной техники позволяет сейчас обрабатывать современными математическими методами объем экспериментального материала, немыслимый еще несколько лет назад.
Известно, что результаты статистики хорошо описывают эксперимент лишь при большой величине выборки. Ранее статистическая обработка велась либо для данных с низким временным разрешением за относительно длительный период, либо для данных с высоким разрешением за короткий период. Теперь же можно извлекать статистическую информацию из данных с высоким разрешением за длительный период. Увеличение объема выборки и использование временного шага, соответствующего динамике исследуемых процессов - залог успешного решения поставленной статистической задачи.
Противоречия, обрисованные выше, могут объясняться тем, что анализ данных с низким разрешением, выполненный ранее [13,14] (использовались часовые или трехчасовые индексы геомагнитной активности и данные космических аппаратов с таким же разрешением) не позволяет судить о быстрых процессах (имеющих характерные времена порядка минут) каковыми являются начала магнитных бурь. Для получения ответа на интересующие нас вопросы требуется иной подход. Из большого непрерывного массива данных с малым (минутным) временным шагом должны быть выделены относительно редко встречающиеся быстро идущие процессы (начала магнитных бурь), а затем проведен статистический анализ параметров, предшествующих интересующим нас событиям, в сравнении с теми же параметрами для всего массива данных.
Следующая актуальная задача солнечно-земной физики - поиск факторов, позволяющих производить прогноз магнитных бурь. Качество оправдываемости среднесрочных прогнозов (за 1-3 дня до начала магнитных бурь) до сих пор является неудовлетворительным, порой снижаясь до 30% в периоды минимума 11-ти летнего цикла солнечной активности. Отчасти это связано с тем, что большинство исследований по улучшению качества прогноза магнитных бурь направлено на мониторинг динамики солнечных процессов. В результате прогнозирования по солнечным данным возникает накапливающаяся ошибка в определении момента и факта начала магнитной бури, складывающаяся из погрешности предсказания вероятности спорадического выброса или истечения рекуррентного потока и погрешности используемой модели солнечного ветра. Кроме того, в большинстве случаев точность прогноза зависит от мастерства и опыта конкретного прогнозиста, то есть прогностические признаки не сформулированы в виде, достаточном для автоматического прогноза с минимальным участием в нем оператора. Очевидно, для улучшения ситуации следует искать особенности изменения параметров солнечного ветра, предшествующие магнитным бурям, представив результат в виде, удовлетворительном для автоматического прогноза.
В некоторых работах были отмечены предикторски важные изменения магнитного поля солнечного ветра, наблюдающиеся за несколько часов до прихода высокоскоростных потоков солнечного ветра [27-30]. Однако корректный статистический анализ частоты встречаемости обнаруженных прогностических признаков, их исследование на большом непрерывном статистическом материале, а также построение модели прогноза бурь по реальным данным выполнены не были.
В связи со всем вышесказанным в диссертационной работе проведен статистический анализ геоэффективности параметров солнечного ветра, считающихся в наибольшей степени ответственными за способность солнечного ветра вызывать магнитные бури и влиять на их протекание. Эти параметры: скорость, плотность и вертикальная компонента ММП были исследованы на базе данных с одноминутным разрешением за два полных года: 1995г. (год минимума солнечной активности) и 2000г.(год максимума солнечной активности).
На основании результатов данного анализа был произведен поиск прогностических факторов и их первичное тестирование в автоматическом прогнозе магнитных бурь 1995 и 2000гг. Бури выделялись по нескольким признакам: бури с внезапным началом взяты из списка бурь с SSC (sudden storm commencement) IAGA , бури без внезапного начала - по уровню Кр, Dst, морфологическим признакам поведения индексов SYM-H, ASYM-H и по разработанному в диссертационном исследовании методу градиентного определения начала бурь (описание методик выделения бурь см. в главе 2 и параграфе 3.2).
Цели работы:
Целью работы являлось экспериментальное изучение (по данным солнечного ветра и геомагнитного поля) физики процессов, предшествующих началу магнитных бурь. В том числе: а) Статистический анализ геоэффективности параметров солнечного ветра.
б) Вейвлет-анализ непрерывного большого массива данных с целью выявления характерных особенностей изменения осцилляторного режима геомагнитного поля и солнечного ветра до начала магнитных бурь.
в) Статистическое выделение прогностических факторов, сопутствующих началу магнитных бурь.
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
1. Созданы картины вейвлет-анализа следующих параметров: плотности, скорости солнечного ветра, SYM-H, ASYM-H индекса, Н-компоненты геомагнитного поля для трех геомагнитных обсерваторий (данные целиком за 1995г. и 2000г. с шагом 1 мин., диапазон характерных периодов - от 5 до 100 минут).
2. Установлено, что приход к Земле высокоскоростных потоков солнечного ветра, вызывающих начало магнитных бурь, в 90% случаев от общего числа протестированных магнитных бурь предваряется
а) усилением амплитуды колебаний плотности солнечного ветра с периодами 5- 250мин
б) слабым нарастанием значений плотности солнечного ветра от нескольких часов до 5 дней (в среднем, за 2 дня) до прихода геоэффективного потока солнечного ветра.
Эти явления могут быть использованы для среднесрочного прогноза магнитных бурь.
3. Результаты Вэйвлет-анализа 150 магнитных бурь из интервала 1991- 2001гг. (1995 и 2000гг целиком) показали, что длиннопериодные осцилляции (5- 250 мин) плотности солнечного ветра, предшествующие приходу высокоскоростных потоков, могут являться причиной аналогичных вариаций ГМП, которые наблюдаются в 65% случаев от общего числа бурь. Эффект одновременного (или слегка запаздывающего) возбуждения магнитосферных осцилляции с близкими периодами зарегистрирован на трех протестированных магнитометрических станциях, расположенных в интервале 56-67 с.ш.. Выявлено, что условием передачи осцилляции из солнечного ветра в магнитосферу является отрицательность вертикальной компоненты межпланетного магнитного поля.
4. Результаты корреляционного анализа и сравнения гистограмм годовых и предбуревых распределений параметров солнечного ветра дают основания полагать, что плотность вносит основной вклад в изменения динамического давления солнечного ветра и является важным геоэффективным фактором, определяющим начало бури, а скорость и направление вертикальной компоненты ММП определяют интенсивность и последующее развитие магнитной бури.
5. Результаты модифицированного оконного кросс-корреляционного анализа показывают, что начало магнитной бури сопровождается сменой знака текущей корреляции (или резким ее увеличением) между компонентами геомагнитного поля и плазменными параметрами солнечного ветра. При длительности бури дольше 12-ти часов корреляция падает, что говорит о временном снижении чувствительности магнитосферы к параметрам солнечного ветра. Появление длиннопериодных осцилляции перед бурями сопровождается усилением корреляции между рядами компонент геомагнитного поля и компонент солнечного ветра, возрастает временной отрезок, внутри которого коэффициент корреляции является высоким. Это позволяет судить о значительном влиянии осцилляции плотности солнечного ветра на раскачку аналогичных осцилляции в ГМП.
6. Предложено использование градиентного метода определения начала магнитных бурь по данным индексов геомагнитной активности SYM-H и ASYM- Н. Данный метод позволяет автоматически выделять как бури с внезапным началом, так и рекуррентные бури; способен отделять слабые бури от возмущений геомагнитного поля небуревого характера.
Научная новизна работы:
В диссертации приведены результаты, полученные автором в период с 1994 по 2003гг. Большинство из них до сих пор соответствуют требованиям научной новизны:
Выводы о характерных изменениях параметров солнечного ветра перед магнитными бурями, поиск и тестирование прогностических факторов базируются на материале, уникальном по соотношению длина выборки - шаг данных. Произведена визуализация обработанного материала - его представление в виде фильма за 1995г. и 2000г. Использованы прогрессивные методы статистической обработки, вейвлет-анализ и авторская модификация оконного кросс-корреляционного анализа.
Впервые на базе большого экспериментального материала сделан вывод о прогностически важных характерных вариациях плотности солнечного ветра перед магнитными бурями. Исследованы случаи передачи длиннопериодных (5-250 минут) колебаний плотности солнечного ветра магнитосфере Земли.
Предложена методика среднесрочного прогноза магнитных бурь по вариациям плотности солнечного ветра.
Градиентный метод определения магнитной бури позволяет алгоритмизовать детектирование бурь как с внезапным, так и с плавным началом, выделять бури по морфологическим особенностям поведения Н-компоненты (учитывать ее резкий скачок во время начала магнитной бури и дальнейшее падение).
В приложении к диссертации обсуждается также космобиологический аспект проблемы солнечно-земных связей: высказывается и обосновывается предположение о возможности воздействия длиннопериодных геомагнитных осцилляции на биообъекты посредством возбуждения параметрического резонанса в биологических системах.
Научное и практическое значение работы
Результаты проведенных исследований важны для понимания физики взаимодействия солнечного ветра и магнитосферы, а также процессов, протекающих в ближайшем космическом пространстве.
Предложенный метод детектирования магнитных бурь по градиенту SYM-H и ASYM-H индексов полезен для выделения слабых бурь (их отделения от небуревых возмущений геомагнитного поля) и может быть использован в любом автоматическом прогнозе магнитных бурь.
Статистически выявлены прогностические признаки в солнечном ветре. Произведена их алгоритмизация и подбор оптимальных прогностических параметров (превышение уровня приращения плотности за 10 часов Vmn 0.005 ЛІ см3мин и увеличение суммы квадратов амплитуд вейвлет-гармоник с периодами 10-100минут выше определенного уровня). Все это позволяет проводить автоматическое прогнозирование магнитных бурь. Найденные прогностические признаки могут быть использованы как для улучшения качества уже функционирующих прогнозов, так и для создания новых.
Апробация работы Результаты, вошедшие в диссертацию, были представлены в 32-х докладах на нижеперечисленных международных конференциях и симпозиумах:
2-я всероссийская научная конференция студентов-физиков (Конференция стран СНГ, ВНКСФ-2), Екатеринбург, апрель 1994 Крымский международный семинар «Космическая экология и ноосфера». Партенит, Октябрь 4-9 1999 VII Симпозиум по солнечно-земной физике России и стран СНГ, Троицк 1999 Second international conference «Electromagnetic fields and human health», Moscow, 20-24 September 1999 Международная молодежная конференция «Геофизика-99». С.-Петербург, Петродворец, ноябрь 1999 IUGG ХХП General Assembly, Birmingham, UK, July 1999 33rd COSPAR Scientific Assembly, Warsaw, Poland, 16-23 July 2000 3rd International conference «Problems of Geocosmos», St.-Petersburg, Petrodvorets, 22-26 May 2000 International Congress on Human Meteorology. St-Petersburg, Sept. 2000 International School of Space Science. 10th course on «Sun-Earth Connection and Space Weather» (L Aquila 2000) Междунароная конференция «Солнечная активность и внутреннее строение Солнца» г. Крым, Научный, Украина, 4 -8 июня 2001 4th International Conference «Problems of Geocosmos». St-Petersburg 2002 Международная конференция: "Международное сотрудничество в области астрономии: состояние и перспективы", Москва, 25мая-2 июня 2002г "The Gamow s Odessa Summer Astronomical School for Young Scientists". August 12-18,2002 Конференция стран СНГ и Прибалтики «Актуальные проблемы физики солнечной и звездной активности", НИРФИ, Нижний Новгород июнь 20 Конференция стран СНГ «Солнце и Космическая погода». КРАО, Симферополь, июнь 2003 IUGG-2003, Sapporo, Japan, July 2003 10th Jubilee National Conference with International Participation "Contemporary Problems of Solarerrestrial Influences", Bulgary, Sofia, Nov.2003 Личный вклад автора Автору принадлежит постановка научной задачи и выбор метода исследований. Обработка данных, анализ результатов, их обобщение и интерпретация выполнены автором единолично.
Краткое содержание работы
Во Введении диссертации обосновывается актуальность выбора тематики диссертационного исследования, сформулированы ее цели, задачи, дана общая характеристика работы.
В первой главе дан обзор современного состояния проблемы исследования геоэффективности потоков солнечного ветра различной природы, рассмотрены различные точки зрения, экспериментальные и теоретические результаты. Обрисована проблема прогноза магнитных бурь. В виде таблицы представлен список ведущих прогностических лабораторий мира, предоставляющих результаты среднесрочных и краткосрочных прогнозов магнитных бурь в интернет-доступ в режиме реального времени. В таблице также указана заблаговременность, форма прогноза и частота обновления информации, http-адреса лабораторий. Обсуждается необходимость поиска новых прогностических факторов.
Вторая глава посвящена описанию используемых данных. Приведена таблица магнитометрических обсерваторий, по данным которых вычисляются SYM-H и ASYM-H индексы. Предоставлены списки магнитных бурь 1995 и 2000гг. Для выделения начал и длительности магнитных бурь использованы комплексные методы: даты и время начал бурь с SSC взяты из бюллетеня IAGA : бури без внезапного начала определялись по уровню Кр 3, Dst -30, морфологическим признакам поведения индексов SYM-H, ASYM-H и разработанному в диссертационном исследовании методу градиентного определения начала бурь. Продемонстрировано плохое соответствие друг другу (особенно для слабых бурь) классически используемых индексов геомагнитной возмущенности Кр и Dst и показана необходимость развития новых методов определения магнитных бурь. В таблицах указано время начала магнитных бурь и время максимума соответствующего им скачка динамического давления солнечного ветра по данным КА Wind, а также значения плотности, скорости, вертикальной компоненты ММП солнечного ветра в момент скачка; условное время окончания магнитных бурь; характерное для данной бури минимальное значение Dst и максимальное значение Кр.
В третьей главе описываются результаты анализа геоэффективности различных параметров солнечного ветра. Параграф ЗЛ посвящен корреляционному анализу данных с одноминутным разрешением за 1995 и 2000гг - годы соответственно минимума и максимума солнечной активности. Годовой коэффициент линейной корреляции Пирсона между плотностью и динамическим давлением равняется 0.8 как для 1995г., так и для 2000г, а между скоростью (или ее квадратом) и динамическим давлением он статистически незначим.
Показано, что плотность п и динамическое давление D значительно меняются в течение года (очевидно, эти изменения имеют наибольшую амплитуду в моменты прихода геоэффективных потоков солнечного ветра), а скорость и ее квадрат - не столь значительно. псреднегодавое =9.25 \/смг для 1995г. и "среднегодовое =6-77 1/cjw3 для 2000г., среднеквадратичное отклонение за год от "среднегодовое составляет 75% для 1995г. и 89% для 2000г.; DcpeOHKOdoeoe =24.5-10"10Па - 1995г, DcpedHesod XOE SUB = 21.4-10"1 Па - 2000г. при среднеквадратичном отклонении 70% для 1995 и 107% для 2000, между тем, скорость (Vсреднегодовое = 429км/с 1995г. и Vтсреднегодовое = 444км/с- 2000г.) имеет среднеквадратичное отклонение всего 26% в 1995г и 23% в 2000г, а ее квадрат - 55% в 1995 и 51% в 2000. Таким образом, геоэффективные изменения динамического давления солнечного ветра преимущественно определяются его плотностью, а не скоростью. В дальнейшем параметры, входящие в динамическое давление, рассматриваются отдельно для извлечения большего количества информации из результатов статистического анализа.
Указывается, что в исследуемый период около 80% магнитных бурь предварялось как положительным, так и отрицательным скачком плотности солнечного ветра, при этом нарастание скорости существенно запаздывало относительно нарастания плотности на лидирующем крае потока. 18% случаев относится к высокоскоростным потокам с ударной волной на ведущем крае, характеризовавшихся одновременным нарастанием скорости и плотности солнечного ветра.
Параграф 32 посвящен описанию градиентного метода выделения магнитных бурь по данным одноминутных индексов SYM-H и ASYM-H. Использование значений часовых и трехчасовых индексов геомагнитной возмущенности имеет некоторые недостатки: при осреднении неизбежно теряется значительная часть информации: использование осредненных индексов не позволяет выделить момент начала магнитных бурь, а также отделить слабую магнитную бурю от обычного осцилляторного возмущения и даже от долгопериодной вариации. Определение же начала магнитных бурь по резкому скачку Н-компоненты позволяет выделить только бури с внезапным началом, при этом рекуррентные бури остаются неучтенными.
В связи с этим большие различия в выводах авторов, статистически исследующих геоэффективность потоков солнечного ветра, отчасти объясняются выбором данных с различным шагом. При использовании геомагнитных индексов и данных солнечного ветра, усредненных хотя бы за час, наибольшая корреляция может наблюдаться между индексами и скоростью солнечного ветра, поскольку скорость устойчиво растет внутри тела высокоскоростного потока одновременно с увеличением геомагнитной возмущенности, а плотность, хоть и имеет скачок на ведущем крае, на целый порядок превышающий слабовозмущенные значения, во время развития магнитной бури резко падает.
Применение сильно осредненных данных не позволяет адекватно оценить процессы, происходящие в солнечном ветре перед началом магнитных бурь. Для подобных оценок необходимо пользоваться данными с максимально возможным разрешением. Показано, что для этой цели хорошо подходят одноминутные индексы, отражающие состояние кольцевого тока: широтно симметричный SYM-Н (аналогичен с часовому Dst-индексу Сугиуры) и асимметричный ASYM-H (вычисляется по аналогии с асимметричным индексом Кавасаки и Акасофу). Недостаточность методик определения магнитной бури по значениям популярных индексов Dst и Кр может быть скомпенсирована использованием скользящих 30-минутных градиентов индексов SYM-H и ASYM-H: V3ominSYM-H и V30minASYM-H (V3omin - значение тангенса угла наклона авторегрессионной прямой, проведенной через 30 точек (30 минут), шаг скольжения равен разрешению данных - 1 минута). Появление критического значения V3ominSYM Н 0.5 и V30minASYM-H 0.04 на фоне возмущенной геомагнитной обстановки (IV3ominSYM-H 0.3 и УзотіпА$УМ-НІ 0.03), регистрирующейся хотя бы в интервале ±2 часа относительно этого момента, характеризует начало магнитной бури. Результаты анализа данных параметров показывают, что градиент SYM-H лучше отслеживает начало магнитных бурь, а градиент ASYM-H - их развитие.
Градиентный метод определения магнитной бури позволяет алгоритмизировать не только детектирование бурь, но и выделять бури по морфологическим особенностям поведения Н-компоненты (учитывать ее резкий скачок во время начала магнитной бури и дальнейшее падение). Данная методика может быть применена в автоматических прогнозах магнитных бурь.
В параграфе 3;3 обсуждается значимость направления вертикальной компоненты ММП перед бурей и во время начала бури. Приводятся примеры магнитных бурь, спровоцированных скачком плотности солнечного ветра при положительном направлении вертикальной компоненты ММП и отсутствии значимых изменений в скорости солнечного ветра. Исследовано распределение значений плотности, скорости и вертикальной компоненты ММП для начал бурь 1995 и 2000гг. Методом наименьших квадратов построена поверхность в системе координат плотность-скорость-Bz. Поверхности для обоих годов имеют одинаковый вид: положительные значения Bz соответствуют высоким значениям плотности. При этом скорость практически не оказывает влияния на эту закономерность, за исключением одной области значений: 400-500кмЧ; (провал в поверхности). Данный провал наилучшим образом соответствует классическим представлениям об особенностях в солнечном ветре, предшествующих началу магнитных бурь: преимущественное отрицательное направление Bz, скорость чуть выше невозмущенного уровня, значения плотности могут принимать любые значения. Заметна еще одна хорошо объяснимая особенность: наиболее высокие (также как и наиболее низкие) значения скорости при низких значениях плотности соответствуют наименьшим отрицательным значениям Bz . Однако последние две ситуации — лишь часть общей картины: можно предположить, что сильное уплотнение плазмы солнечного ветра в области перемешивания разнородных потоков (CIR) «сгребает» линии окружающего магнитного поля преимущественно положительной направленности практически при любых значениях скорости, кроме значений 400-500км\г и очень высоких значений (этими значениями характеризуется соответственно приход рекуррентных потоков и магнитных облаков). Физика этого явления не вполне ясна и требует дальнейшего исследования.
В параграфе ЗЛ проведен анализ гистограмм распределения параметров солнечного ветра за год и в течение 90 минут до начала магнитных бурь отдельно для 1995 и 2000гг.
Кроме значений параметров рассматривалось распределение величины скачков плотности и скорости солнечного ветра. Исследуемая кривая скользящих скачков(градиентов) вычисляется следующим образом: берется 5 последовательных точек, через них проводится прямая методом наименьших квадратов, тангенс угла ее наклона определяет величину пятиминутного градиента, дальше производится сдвиг на 1 минуту и процедура повторяется. Диссертационное исследование показало, что значения плотности перед бурями повышены относительно максимума годового распределения, а значения скорости солнечного ветра понижены.
амплитуда скачков плотности увеличивается перед бурями, напротив, амплитуда скачков скорости, стремится к нулю.
вертикальная компонента межпланетного магнитного поля в 1995г. была преимущественно отрицательной перед бурями, но в 2000г. статистически значимо сдвинута как в отрицательную, так и в положительную сторону относительно максимума годового распределения (максимум - около ОнТл).
гистограммы, полученные только для бурь с внезапным началом (SSC), имеют те же особенности.
Совокупность результатов изложенных в третьей главе указывает на большой вклад плотности в геоэффективность солнечного ветра. Есть основания полагать, что начало магнитной бури преимущественно определяется скачком динамического давления солнечного ветра, а именно его плотности. При этом скорость и направление вертикальной компоненты межпланетного магнитного поля играют сопутствующую роль. Однако это не исключает того факта, что южное направление Bz облегчает процесс передачи энергии из солнечного ветра в геомагнитное поле, а напряженность ММП оказывает модулирующее воздействие на поведение горизонтальной компоненты геомагнитного поля и, в частности, определяет дальнейшее развитие и интенсивность магнитной бури.
Четвертая глава посвящена анализу вариаций плотности солнечного ветра, предшествующих началу магнитных бурь. В параграфе 4Л обсуждается предикторски важный признак: плавное нарастание плотности солнечного ветра, наблюдающееся от нескольких часов до нескольких дней до начала магнитных бурь. Анализ экспериментальных данных показывает, что при приближении потоков возмущенного солнечного ветра в 80% случаев наблюдается слабое нарастание плотности не только ранее роста скорости, но и ранее основного скачка п, провоцирующего начало магнитной бури.
Проведен анализ гистограмм распределения десятичасового бегущего градиента плотности, вычисленного целиком за 1995 и 2000гт и в течение трех дней до начала магнитных бурь (вычисляется аналогично описанным выше пятиминутным скачкам плотности и скорости, шаг сдвига - 1 минута). Показано, что величина десятичасового градиента перед бурями преимущественно растет. Распределение значений градиента до бури сдвинуто относительно максимума годового распределения (нуля) в сторону больших положительных значений. Таким образом, статистически подтверждается вывод о плавном нарастании плотности перед бурями, основанный на первичном морфологическом анализе данных.
Следующий прогностический признак обсуждается в параграфе 4к2., где приведены результаты анализа осцилляторного режима геомагнитного поля и солнечного ветра перед магнитными бурями. В параграфе продемонстрировано применение вейвлет-анализа к данным солнечного ветра и геомагнитного поля. Приведены примеры созданного фильма по непрерывным данным 1995 и 2000г., в котором одной из опций можно просматривать результаты вейвлет-анализа любого из следующих параметров с разрешением 1 минута: плотности и скорости солнечного ветра, Н-компоненты любой магнитометрической станции (в фильме использованы три: ИЗМИРАН, Соданкюля, Брорфилд) или SYM-H(ASYM-H) индекса.
На отдельных примерах, а также в результате изучения предбуревых и годовых гистограмм распределения суммы квадратов амплитуд вейвлет-разложения, показано, что в период от нескольких часов до 4.5 дней до начала магнитных бурь наблюдается усиление колебаний Н-компоненты ГМП с периодами 5-250 минут. Это явление зарегистрировано в 65% от общего числа магнитных бурь.
Результаты данного исследования показывают, что колебания геомагнитного поля являются вторичными и возникают при отрицательном направлении вертикальной компоненты ММП только после появления колебаний с близкими периодами в плотности солнечного ветра.
Предбуревое усиление низкочастотных колебаний плотности солнечного ветра наблюдается в период от нескольких часов до 5-ти дней до начала магнитных бурь в 89% случаев от общего числа магнитных бурь. В этом параграфе приведены также результаты исследований изменения осцилляторного режима геомагнитного поля и солнечного ветра перед некоторыми бурями из интервала 1991-2001, вызвавшими наибольший интерес научного сообщества.
В параграфе 4.3 обсуждается приложение обнаруженных прогностических признаков в плотности солнечного ветра к ретроспективному прогнозированию магнитных бурь. Основы методики прогноза базируются на сочетании оптимальных параметров: (превышении уровня приращения плотности за 10 часов Vmn 0.005 ЛІ см3мин и увеличении суммы квадратов амплитуд вейвлет гармоник с периодами 10-100минут выше определенного уровня). Реализованный автоматический прогноз магнитных бурь с плавающей заблаговременностью (выбранная заблаговременность: 3 дня для 2000г и 4 дня для 1995г) типа «буря начнется в ближайшие 3(4) дня» дает оправдываемость 90% как для года минимума, так для года максимума солнечной активности.
В пятой главе приведены возможные теоретические объяснения природы наблюдаемых длиннопериодных осцилляции плотности солнечного ветра и горизонтальных компонент геомагнитного поля. Рассматриваются различные механизмы генерации низкочастотных колебаний в плазме солнечного ветра, в том числе: плазменные неустойчивости; колебания, связанные с секторной границей. Обсуждается возможная солнечная природа данного явления.
Шестая глава отражает результаты модифицированного автором оконного кросс-корреляционого анализа параметров солнечного ветра и геомагнитного поля. Обычный оконный кросс-корреляционный анализ позволяет видеть изменение текущего коэффициента корреляции двух рядов при сдвиге вдоль оси времени заранее выбранного интервала, внутри которого считается корреляция. Суть модификации заключается во введении третьей оси, на которой откладывается величина временного интервала, внутри которого вычисляется коэффициент корреляции. Получающуюся трехмерную картину (время - длина отрезка вычисления корреляции - коэффициент корреляции) легко превратить в двумерную, закрашивая коэффициенты корреляции определенным цветом. Исследованы особенности корреляционных зависимостей в окрестности магнитных бурь. Выявлена смена знака текущей корреляции (редко - резкое ее увеличение) между компонентами ГМП и плазменными параметрами солнечного ветра после начала магнитной бури. При длительности бури дольше 12-ти часов корреляция падает, что говорит о временном снижении чувствительности магнитосферы к параметрам солнечного ветра. Усиление корреляции между рядами компонент геомагнитного поля и солнечного ветра во время наблюдения интенсивных длиннопериодных осцилляции перед бурями в совокупности с обсуждаемыми выше результатами позволяет судить о внемагнитосферной природе данных осцилляции геомагнитного поля.
В заключении сформулированы результаты, выносимые на защиту. Там же обсуждается новизна полученных результатов и проводится их сравнительный анализ с результатами предшественников.
Приложение к диссертации касается проблем космической биологии. В этой части работы приводятся результаты проведенных автором проверок статистических гипотез о случайности совпадений биосферной реакции и резких изменений геомагнитного поля и солнечной активности. Представлена развиваемая автором теория параметрического резонанса в живых организмах, на основании которой отчасти можно объяснить реакцию живых организмов на электромагнитные, акустические, механические и т.д. колебания низкочастотного диапазона (от долей герца до 100Гц). Показано, что обнаруженное усиление низкочастотных колебаний геомагнитного поля перед магнитными бурями может являться биоэффективным и быть ответственным за эффект Чижевского-Вельховера (эффект опережающей реакции биосферы на магнитные бури). По теме диссертационного исследования имеется 51 публикация за период с 1994 по 2004гг., включая тезисы докладов на международных конференциях и препринты. В приложении диссертации приведен полный список работ автора.
