Мониторинг параметров анизотропии космических лучей в реальном времени и краткосрочный прогноз геомагнитных возмущений

В настоящее время актуальным направлением современных исследований вариаций интенсивности космических лучей (КЛ) является прогноз геоэффективных возмущений солнечного ветра (СВ). Проведенные ранее различными авторами исследования вариаций жесткостного спектра КЛ [Дворников и др., 1988, 1995; Belov et al., 2001; Dorman et al., 2003; Munakata et al., 2005; Григорьев и др., 2006] показали принципиальную возможность прогноза на их основе геоэффективных возмущений СВ. В настоящее время существуют различные методики прогноза возмущений межпланетной среды на основе анализа анизотропии КЛ в режиме реального времени, например []. В ИКФИА СО РАН подобный мониторинг проводится с использованием метода глобальной съемки, при этом вся мировая сеть станций КЛ, оснащенных нейтронными мониторами, рассматривается как единый многонаправленный прибор. Наблюдаемая каждым детектором интенсивность КЛ в основном определяется приемными характеристиками регистрирующего прибора, отражающими его геометрию, географическое положение и тип наблюдаемых вторичных частиц и объединенными понятием приемного вектора. Заметим, что метод глобальной съемки был разработан в ИКФИА СО РАН в конце 1960-х гг. для исследования распределения КЛ в межпланетном пространстве [Крымский и др., 1981].

С созданием и развитием международной базы данных (БД) нейтронных мониторов NMDB [] у нас впервые появилась возможность использования метода глобальной съемки в режиме реального времени [Григорьев, Стародубцев, 2015]. В итоге это привело к созданию методики краткосрочного (от нескольких часов до ~1 сут) прогноза геомагнитных бурь, характеризующихся значением Dst-индекса менее –50 нТл, в режиме реального времени. Результаты прогноза доступны по адресу [ ].

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДИКА МОНИТОРИНГА

Для использования данных мировой сети нейтронных мониторов в реальном времени необходима их предварительная подготовка. При этом весь риск использования первичных данных регистрации авторы берут на себя. Информация со станций нейтронных мониторов поступает в БД в реальном времени, и ее использование в этом режиме предполагает решение целого ряда методических вопросов. Кроме обычных, вполне устраняемых кратковременных аппаратурных сбоев наблюдаются изменения уровня счета, линейного тренда и другие эффекты. Подробное изложение всех сбоев, наблюдаемых в данных регистрации КЛ, и проблем, которые требуется решить перед их использованием, весьма объемно, но можно кратко отметить некоторые из них, заодно описав способы их устранения. Кратковременные сбои аппаратуры удаляются на основе критерия Шовене [Тейлор, 1985] . Одной из основных проблем подготовки данных является корректное выделение низкочастотной и высокочастотной частей регистрируемых прибором вариаций интенсивности КЛ. В данном случае высокочастотная часть вариаций интенсивности КЛ на каждой станции за интервал времени 24 ч выделяется как разница между наблюдаемыми вариациями и трендом. Поскольку известно [Отнес, Эноксон, 1982] , что процедура фильтрации данных не полностью удаляет линейные тренды, то для их исключения мы используем стандартный метод наименьших квадратов. Кроме того, в эксперименте наблюдается зависимость определяемых параметров распределения КЛ от уровня солнечной активности, что должно учитываться с помощью коэффициентов связи для нейтронных мониторов.

Как показали проведенные нами исследования, основными предикторами в КЛ, активно реагирующими на приближение к Земле геоэффективных возмущений межпланетной среды, являются изме- нения амплитуд зональных (северо-южных) компонент высокочастотной части изотропной интенсивности КЛ (C00) и первых двух моментов их углового распределения (C10 и C20) [Григорьев и др., 2017], которые входят в девять параметров, определяемых методом глобальной съемки [Крымский и др., 1981], и могут принимать относительно плоскости эклиптики как положительное, так и отрицательное значение. Предикторами могут служить также изменения величины и направления вектора первой гармоники и суммы амплитуд зональных компонент, наблюдающиеся до прихода межпланетного возмущения на орбиту Земли. Эмпирически можно определить критические уровни, превышение которых положительными значениями любой из указанных трех компонент или их суммами с большой вероятностью является предвестником резкого понижения Dst-индекса в начале геомагнитной бури [Григорьев и др., 2019]. В то же время существенное понижение отрицательных значений указанных компонент или их сумм ниже определенного критического значения может соответствовать наиболее возмущенной фазе геомагнитной бури.

Поведение основных параметров распределения КЛ за три последних дня: изотропной интенсив *

ности I , модуля вектора гармоники А ₁ ¹ и сумм положительных и отрицательных значений зональных гармоник, а также значений компонент и -----*                                   ------*

векторов первой А11 и второй А22 гармоник в системе координат GSE представлено на сайте [ ].

РЕЗУЛЬТАТЫ

В последние годы на фоне низкой солнечной активности наблюдается очень слабая геомагнитная возмущенность. Тем не менее за период 2017– 2019 гг. можно выделить четыре значимые магнитные бури, произошедшие 28 мая (Dst≈–125 нТл), 16 июля (Dst≈–72 нТл) и 7 сентября (Dst≈–124 нТл) 2017 г. и 25 августа 2018 г. (Dst≈–174 нТл) []. В качестве примера на рисунке приведены суммы положительных ∑C+=C+00+C+10+C+20 и отрицательных ∑C– = C–00 + C–10+C–20 величин зональных компонент анизотропии КЛ, а также показаны вариации Dst-индекса во время этих геомагнитных бурь. Суммы положительных величин зональных компонент выше 0.9 и отрицательных ниже –1.2 указывают на достижение или превышение ими критических значений, что трактуется нами как моменты появления предикторов начала и главной фазы геомагнитной бури соответственно. Как следует из рисунка, для этих геомагнитных бурь появление предикторов отмечается еще до начала возмущения геомагнитного поля за время от двух часов до суток.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

• 1.    В режиме реального времени исследованы четыре наиболее сильные магнитные бури, наблюдавшиеся в 2017–2018 гг. Все они имели предикторы

  

  Зависимость от времени сумм положительных (∑ C ⁺) и отрицательных (∑ C^– ) зональных гармоник, а также вариаций Dst -индекса в периоды магнитных бурь 28 мая ( а ), 16 июля ( б ), 7 сентября 2017 г. ( в ) и 25 августа 2018 г. ( г ). Штриховые линии соответствуют критическим уровням для предикторов геомагнитных бурь, треугольники — началам бурь, стрелки — началам появления предикторов

• 2.    Используемый для определения параметров анизотропии КЛ метод глобальной съемки позволяет автоматически осуществлять краткосрочный (от нескольких часов до ~1 сут) прогноз геомагнитных бурь с Dst -индексом ≤ – 50 нТл.

• 3.    Необходимо дальнейшее совершенствование проводимого мониторинга, в том числе привлечение данных прямых измерений параметров межпланетной среды.

в компонентах распределения КЛ, полученных методом глобальной съемки.

Работа выполнена с использованием оборудования уникальной научной установки «Российская национальная наземная сеть станций космических лучей» [] при поддержке гранта РФФИ № 18-42-140002-р_а. Авторы благодарны NMDB [], основанной при поддержке программы Европейского союза FP7 (контракт № 213007), за предоставленные данные.