Мониторинг геомагнитных возмущений на основе метода глобальной съемки в реальном времени

В настоящее время уже имеются методики прогноза возмущений межпланетной среды на основе анализа анизотропии КЛ по данным ограниченного числа станций [; ; ].

С 2008 г. в ИКФИА СО РАН с целью изучения возможности прогноза наземных проявлений космической погоды организован и проводится непрерывный мониторинг по определению параметров суточной анизотропии КЛ в режиме реального времени по часовым данным только одной станции — Якутского спектрографа КЛ им. А.И. Кузьмина [Grigoryev et al., 2008; SpaceWeather/]. Анализ результатов мониторинга показал, что с вероятностью около

0.7 появление устойчивой отрицательной радиальной компоненты суточной анизотропии A <–0.4 % одновременно по данным нейтронного монитора и наземного мюонного телескопа, которые имеют различную чувствительность к энергии регистрируемых КЛ, связано с приближением к Земле области возмущенного СВ.

Разработанный в ИКФИА СО РАН в конце 1960-х — начале 1970-х гг. на основе измерений мировой сети нейтронных мониторов метод глобальной съемки [Крымский и др., 1981] позволяет определять высокочастотную и низкочастотную части изотропной интенсивности, а также восемь компонент первых двух гармоник углового распределения КЛ за каждый час наблюдений. Важно отметить, что в этом случае все детекторы КЛ, расположенные на поверхности Земли и имеющие свои собственные характеристики (пороги геомагнитного обрезания, приемные конусы и пр.), выступают как единый многонаправленный прибор. На основе полученных этим методом результатов мы провели исследование поведения вектора суточной анизотропии КЛ 4 11 перед началом геомагнитных бурь с Dst ≤–50 нТл, наблюдавшихся в 2012–2013 гг. [Григорьев, Стародубцев, 2015] . Было установлено, что за период от нескольких часов до суток перед началом большинства геомагнитных бурь в поведении вектора 4 11 отмечаются характерные изменения, которые не наблюдаются в периоды спокойного СВ. Однако использование этих изменений 4 11 в качестве предвестников имеет серьезный недостаток — они проявляются и при возмущениях СВ, которые не сопровождаются геомагнитными бурями. Связь между возмущениями СВ и последующими наблюдениями бурь была детально рассмотрена в работах [Shadrina et al., 2012a, b, 2014; Plotnikov et al., 2014] , и для ее понимания на основе проведенного в них анализа была предложена так называемая форбуш-буревая классификация событий.

С созданием в 2007 г. и последующим развитием международной базы данных нейтронных мониторов NMDB [] впервые появилась возможность использования метода глобальной съемки в режиме реального времени. Это, в свою очередь, позволило нам на основе проведенных исследований распределения КЛ методом глобальной съемки реализовать методику краткосрочного (от нескольких часов до ~1 сут) прогноза геомагнитных бурь в режиме реального времени [ ~starodub/SpaceWeather/]. Как показали проведенные нами исследования, основными параметрами распределения КЛ, эффективно реагирующими на приближение к Земле геоэффективных возмущений межпланетной среды, являются изменения амплитуд зональных (североюжных) компонент высокочастотной части изотропной интенсивности C00 и первых двух гармоник углового распределения КЛ C10 и C20 [Grigoryev et al., 2016; Григорьев et al., 2017]. Динамика этих изменений различна, но можно определить некоторые критические уровни, превышение которых для значений любой из указанных трех компонент с большой вероятностью является предвестником геомагнитной бури.

В данной работе с целью выбора более эффективных критериев определения предвестников геомагнитных бурь и установления их временной динамики проведен единый ретроспективный анализ связи непрерывных часовых параметров распределения КЛ, полученных методом глобальной съемки за 2013–2018 гг., с наблюдавшимися геомагнитными возмущениями. Стоит отметить, что выбор этого периода времени обусловлен наличием известной базы данных сети нейтронных мониторов NMDB, включающей измерения большинства станций КЛ, работающих в настоящее время.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДИКА

Основные принципы разработанного в ИКФИА СО РАН метода глобальной съемки описаны в монографии [Крымский и др., 1981] . Здесь мы приводим только его краткое описание. Для изучения распределения КЛ в межпланетном пространстве вся мировая сеть станций, оснащенная нейтронными мониторами, используется как единый многонаправленный прибор. При этом наблюдаемая каждым детектором интенсивность КЛ в основном определяется приемными характеристиками (приемными векторами) регистрирующего прибора, отражающими его геометрию, географическое положение и тип наблюдаемых вторичных частиц. Приборы, имеющие различные приемные вектора, регистрируют интенсивность I , которую можно определить следующим образом:

w n

I mm mm

= LL ( a n x n + bu n ) ,

• n = 0 m = 0

где x _n ^m , y _n ^m — компоненты многомерного приемного вектора R m ; a n , b nm — компоненты многомерного вектора распределения КЛ 4 m . Для используемых данных составляется система линейных уравнений, которая в матричном представлении имеет вид

I = MA, где I — матрица-столбец наблюдательных данных; M — прямоугольная матрица компонент Rm; 4 — матрица-столбец компонент 4m. Система уравнений решается методом наименьших квадратов в предположении, что разложение распределения КЛ в ряд по сферическим функциям быстро сходится. Поэтому, кроме изотропной составляющей, обычно учитывают только первые две гармоники распределения, эффекты от которых в эксперименте наблюдаются достаточно уверенно. В соответствии с этим в векторе 4n" определяют первые девять компонент, включая и вышеуказанные C00, C10 и C20.

РЕЗУЛЬТАТЫ

На основе проведенных в 2013–2018 гг. расчетов методом глобальной съемки определены параметры трехмерного углового распределения КЛ в межпла-

Рис. 1. Dst -индекс, компоненты распределения КЛ C ₀₀, C ₁₀, C ₂₀ и амплитуды суточной вариации КЛ

A ₁₁ при от-

сутствии (а) и проявлении (б) геомагнитных возмущений нетном пространстве, обусловленные первыми двумя сферическими гармониками. Для дальнейшего анализа использованы результаты расчета величин зональных компонент C00, C10 и C20. При этом учитывались суммарные значения с положительными ^ C + = C00 + C1+0 + C20 и отрицательными ^ C- = C00 + C- + C2,0 возрастаниями этих компонент, которые являются дополнительными предвестниками начала геомагнитной бури и наступления главной фазы возмущения. Также привлечена к анализу информация об амплитуде суточной анизотропии 1^5111 и низкочастотной изотропной интенсивности КЛ I. На рис. 1 приведены зависимости от времени Dst-индекса, характеризующего геомагнитную активность, компонент распределения КЛ C00, C10, C20 и амплитуды суточной вариации интенсивности КЛ |у411| при отсутствии (а) и проявлении (б) больших геомагнитных возмущений. Из рис. 1 видно, что при отсутствии возмущений максимальные значения этих параметров не превышают по модулю 0.5 % для зональных компонент и 0.7 % для амплитуды /111 . В то же время в периоды больших гео- магнитных возмущений эти значения, как правило, значительно превышают указанные величины.

В результате анализа событий геомагнитных бурь с Dst <–50 нТл за весь указанный выше период определены уровни критических величин положительных зональных компонент анизотропии КЛ C + 0 , C 1 ⁺ ₀, C + 0 , которые наиболее эффективно проявились перед началами геомагнитных возмущений. Кроме того, установлены критические уровни резкого уменьшения отрицательных значений этих компонент на главной фазе геомагнитных бурь. Также следует отметить, что превышение 5 11| величины 1.2 %, как правило, соответствует попаданию Земли в область крупномасштабного возмущения СВ, сопровождающегося понижением интенсивности КЛ, и может служить дополнительным предупреждением о возможном приближении геомагнитной бури.

В табл. 1 приведены новые критические значения положительных и отрицательных параметров зональных компонент распределения КЛ и их сумм, которые используются как предикторы в проводимом мониторинге геомагнитных возмущений. Приведены также ошибки δ определения этих параметров.

Таблица 1

Критические значения положительных и отрицательных параметров зональных компонент распределения КЛ и их сумм

Годы	C ±	С 00 , %	С 10 , %	С 20 , %	δ, %	∑( C 00 + C 10 + C 20) , %
2013	C +	0.8	0.8	0.8	0.03	1.1
	C	–0.9	–0.9	–0.9	0.03	–1.3
2014	C +	0.8	0.8	0.8	0.03	1.1
	C	–0.9	–0.9	–0.9	0.03	–1.3
2015	C +	0.7	0.7	0.7	0.03	0.9
	C	–0.8	–0.8	–0.8	0.03	–1.2
2016	C +	0.7	0.7	0.7	0.03	0.9
	C	–0.8	0.8	–0.8	0.03	–1.2
2017	C +	0.7	0.7	0.7	0.03	0.9
	C	–0.8	–0.8	–0.8	0.03	–-1.2
2018	C +	0.7	0.7	0.7	0.03	0.9
	C	–0.8	–0.8	–0.8	0.03	–1.2

Октябрь 2016 г.

Рис. 2. Характеристики предвестников геомагнитных бурь в периоды четырех геомагнитных возмущений, наблюдавшихся в 2013, 2015, 2016 и 2017 г.

18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

Июнь 2015 г.

22 23 24 25 26 27 28 29 30 31

Май 2017 г.

Из табл. 1 следует, что с понижением уровня солнечной активности критические значения зональных компонент с 2013 по 2018 г. уменьшились на величину ~10 %.

В качестве примера на рис. 2 показаны вариации Dst -индекса и значения комбинированных параметров распределения КЛ, использовавшихся для определения предикторов геомагнитных бурь в периоды

Таблица 2

Проявления предвестников геомагнитных бурь по годам

	2013 г.	2014 г.	2015 г.	2016 г.	2017 г.	2018 г.
Всего геомагнитных бурь с Dst <–50 нТл	19	9	17	13	8	3
Имеют предвестники	11 (58 %)	8 (88 %)	15 (82 %)	11(88 %)	8 (100 %)	2 (66 %)
Не имеют предвестников	8	1	2	2	0	1
Всего предвестников, связанных с Dst >–50 нТл	1	7	4	4	4	2
Предвестники, не связанные с возмущением Dst -индекса	6	5	3	7	1	1
Предвестники, связанные с форбуш-эффектами	5	2	2	6	0	0

четырех возмущений, наблюдавшихся в 2013, 2015, 2016 и 2017 г. Пунктирные линии показывают критические уровни, превышение которых можно считать предупреждением о возможном начале возмущения. Рисунок 2, а , б показывает, что предикторами бурь соответственно являлись положительные суммы компонент С 10 + С 20 и С 00 + С 20 . Отметим, что для геомагнитной бури в октябре 2016 г. (рис. 2, в ) предиктором послужило устойчивое аномально большое значение амплитуды суточной вариации |^411|>1.2 %. Превышение критического уровня для положительного значения лишь одной компоненты С ₂₀ явилось предиктором магнитной бури в мае 2017 г. (рис. 2, г ). На рис. 2, а , б , г показаны также случаи понижения отрицательных значений зональных компонент, которые соответствуют главной фазе геомагнитного возмущения. Как следует из рис. 2, проявление приведенных в табл. 1 предикторов по отдельным зональным компонентам распределения КЛ или их комбинированным суммам, а также по аномально большой амплитуде суточной анизотропии КЛ A 11 наблюдается перед началом геомагнитных бурь с заблаговременностью от нескольких часов до суток. В табл. 2 представлены результаты проведенного нами анализа проявлений критических величин положительных предикторов и их связи с уровнем геомагнитной возмущенности или форбуш-эффектами с 2013 по 2018 г. Из табл. 2 следует, что в среднем около 80 % геомагнитных возмущений с Dst <–50 нТл имеют, согласно используемой нами методике, предиктор в КЛ до начала их проявлений на Земле. При этом установлено, что предикторы имеют все геомагнитные бури с Dst <–100 нТл. Отметим также, что предикторы в КЛ могут появляться перед регистрацией и небольших возмущений геомагнитного поля. Наблюдающиеся «ложные» предикторы в относительно спокойные геомагнитные периоды в основном связаны с возмущениями солнечного ветра, вызывающими понижения интенсивности КЛ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, можно сделать следующие выводы.

• 1.    Проведенный на основе метода глобальной съемки ретроспективный анализ связи параметров распределения КЛ с наблюдавшимися в 2013–2018 гг. геомагнитными возмущениями позволил установить возможность определения эффективных предвестников геомагнитных бурь с Dst <–50 нТл.

• 2.    Найдены критические значения величин зональных компонент распределения КЛ, которые являются эффективными предвестниками геомагнитных возмущений с заблаговременностью от нескольких часов до суток.

• 3.    Использование международной базы данных измерений мировой сети нейтронных мониторов NMDB [http://www.nmdb.eu] позволяет проводить непрерывный мониторинг геомагнитных возмущений в режиме реального времени.

• 4.    Результаты проводимого мониторинга доступны на [http://www.ysn.ru/~starodub/SpaceWeather/global _survey_real_time.html] .

Мы благодарим авторов базы данных NMDB, созданной в рамках программы FP7 Европейского союза (контракт № 213007), за предоставленный открытый доступ к измерениям мировой сети нейтронных мониторов. Работа выполнена с использованием оборудования уникальной научной установки «Российская национальная наземная сеть станций космических лучей» [; ] и при поддержке гранта РФФИ № 18-42-140002-р_а.