Мониторинг и прогнозирование космической погоды

Из всего сказанного выше видно, насколько сложны даже на качественном уровне связи между геоэффективными факторами солнечной активности и проявлениями космической погоды. Более того, сами проявления сильно зависят от солнечной активности и условий в межпланетной среде. Очевидно, для прогноза того или иного проявления необходимо определить, какой или какие из факторов СА ответственны за формирование данного проявления. Мы постарались описать эти факторы в §3. Физические явления, вызываемые факторами, ответственными за космическую погоду, и непосредственно воздействующие на ОКП и Землю, приведены в §4. Ясно, что для успешного прогнозирования состояния ОКП, то есть прогноза космической погоды, необходимо иметь надежный прогноз каждого из указанных выше физических явлений, причем не только вероятность возникновения данного явления как такового, а и особенности каждого из них (мощность, длительность, локализацию предсказываемых событий). Именно от этого зависит геоэффективность каждого конкретного события.
Под прогнозом геоэффективных солнечных явлений, как правило, понимают совокупность всех видов прогнозов, в задачу которых входит расчет развития процессов и явлений, происходящих в солнечной атмосфере и непосредственно влияющих на электромагнитную, радиационную и геомагнитную обстановку в ОКП для заданных интервалов времени. [20]

Одним из наиболее полных и общепризнанных мировых источников информации о космической погоде является сайт американского центра космических данных национальной службы погоды Space Environment Center http://www.swpc.noaa.gov/ (бывший www.sec.noaa.gov) На данном сайте можно найти полный архив всех данных и прогнозов космической погоды. Основные данные о прогнозах магнитных бурь, публикуемые SEC NOAA на русском языке, можно найти на сайте центра ФОБОС (http://www.gismeteo.ru) в разделе магнитные бури.
На главной странице сайта приведены зависимости потоков мягкого рентгеновского излучения, протонов и электронов, значения межпланетного магнитного поля по данным ИСЗ GOES, а также Кр-индекса.

Прогнозы космической погоды

    Прогнозирование космической погоды подразделяют в зависимости от временного интервала, на который делается прогноз.
    Текущая диагностика осуществляется в реальном масштабе времени с целью идентификации события с энергичными частицами на Земле и на борту самолета и предусматривает непрерывный мониторинг развития события. С запаздыванием в несколько часов вычисляется доза радиации. Принимаются меры по снижению высоты полета, изменению курса или посадке. Проблема текущей диагностики (мониторинга) на настоящий момент представляется практически решенной (например, [14]).
    Предупреждение (заблаговременность 0 - 24 часа) о наблюдении вспышек и КВМ. Оценивается вероятность события с энергичными частицами. Прогнозируется доза радиации. Руководитель полетов принимает меры по минимизации опасности выхода из строя электроники.
    Краткосрочный прогноз (заблаговременность 1 - 3 дня) опасных уровней излучения на высотах и маршрутах, используемых коммерческими авиалиниями, которые могут представлять угрозу для экипажа, пассажиров и бортовой электронной аппаратуры. На основе мониторинга солнечной активности предсказывается вероятность эруптивного события с энергичными частицами.         Производится оценка степени риска и выбор экипажа в зависимости от полученной ранее дозы облучения. [3]

Физические основы прогнозирования СА и проблема долгосрочного прогнозирования

Поскольку активные области на Солнце, как правило, существуют дольше, чем длится один оборот, на основании наблюдений за предыдущие дни можно составить примерную карту пятен на один-два следующих оборота. Но при этом следует учитывать, что точный момент возникновения отдельных солнечных вспышек, длительность которых не превышает нескольких часов, а следовательно, и создаваемых ими магнитных бурь, предсказать практически невозможно. Реально лишь попытаться предугадать время предполагаемого прохода уже известной активной области на поверхности Солнца через центральный меридиан, откуда ее воздействие на Землю наиболее вероятно. Именно на эти интервалы времени и предсказывают слабовозмущенную геомагнитную обстановку. Высокие значения индексов Кр и Ар, характерные для магнитных бурь, в долгосрочном прогнозе встретить практически невозможно.
В случае прогноза на ближайшие три - семь дней возможно использование сведений о видимой в данный момент части солнечной поверхности. Когда из-за восточного лимба солнечного диска появляется новая активная область, выдается предупреждение о повышенной вероятности возникновения солнечных вспышек и, соответственно, геомагнитных бурь [18].

Возможные физические основы долгосрочного прогнозирования геомагнитных возмущений

Известно, что для возникновения магнитной бури необходимо поступление из солнечного ветра в магнитосферу Земли количества энергии выше некоторого порога, а само это поступление и его скорость определяются величиной и длительностью южной компоненты межпланетного магнитного поля (ММП). Потому основная задача прогнозирования сводится к тому, чтобы по наблюдениям Солнца и солнечного ветра предсказать время, величину и место появления южной компоненты ММП в окрестности Земли. Таким образом, решить математически точно задачу прогнозирования в настоящее время не представляется возможным. Это связано прежде всего со сложностью построения математической модели, описывающей сложную систему, включающую в себя цепочку плазменных областей (солнечная атмосфера и межпланетная среда), где доминируют разные физические процессы, граничные и начальные условия для которых в настоящее время еще не до конца изучены. В этих условиях большое значение приобретают упрощенные подходы, описывающие вместо динамики всей совокупности физических параметров последовательность отдельных повторяющихся явлений, проявляющихся в характерном наборе этих параметров, что в ряде случаев позволяет выявлять доминирующие физические связи и строить прогностические схемы для системы "Солнце-солнечный ветер-геомагнитосфера" [9].

Сайты по по космической погоде

МЦД по СЗФ (Москва) www.wdcb.ru/stp/index.ru.html является частью системы Мировых Центров Данных по геофизике, Солнцу и окружающей среде − www.ngdc.noaa.gov/wdc/wdcmain.html Международного Совета научных Союзов
Прогноз геомагнитной активности Geofor forecast.izmiran.ru/index.html
Еженедельный прогноз солнечной и геомагнитной активности Forecast − www.izmiran.rssi.ru/space/solar/forecast

Описание данных и способов их получения из Центра приведены ниже:

Солнечная активность и межпланетная среда −www.wdcb.ru/stp/cat3SUN_r.html
Космические лучи − www.wdcb.ru/stp/cat4COS_r.html
Ионосферные явления − www.wdcb.ru/stp/cat2ION_r.html
Геомагнитные вариации − www.wdcb.ru/stp/cat1GEO_r.html
Другие данные по СЗФ − www.wdcb.ru/stp/cat5MOD_r.html

Прогноз геомагнитной активности − Geofor

Прогноз геомагнитной активности − Geofor forecast.izmiran.ru/index.html, содержаший данные о текущем состоянии геомагнитного поля и величине индекса Кр в Москве, а также прогноз на ближайшее время ежедневно публикуется на сайте Института земного магнетизма и распространения радиоволн РАН.

Еженедельный прогноз солнечной и геомагнитной активности – Forecast

www.izmiran.rssi.ru/space/solar/forecast

Физические основы краткосрочного прогнозирования солнечной и геомагнитной активности

Наиболее точный, но слишком краткосрочный (30-60 минут), прогноз получается на основе анализа в масштабе реального времени спутниковых данных. В настоящее время в передней либрационной точке (на расстоянии 1.5 млн. км на линии Солнце-Земля) находится космический аппарат АСЕ, который непрерывно передает результаты измерения параметров среды на Землю, и эти параметры позволяют вычислять поступающую в магнитосферу Земли энергию и предсказывать возбуждение магнитных суббурь и бурь. В частности, с таким прогнозом можно ознакомиться на сайте Института Космических Исследований РАН (www.iki.rssi.ru/sw.htm).

Информация на сайте ИКИ

На сайте можно ознакомится со следующей информацией

Текущее состояние и прогноз (отдельное окно, обновляющееся раз в 5 минут)
Состояние за последние 24 часа
Состояние за предыдущий день
Состояние за три предыдущих дня
Описание формата графиков
Kp индекс за последние дни
Солнечные вспышки за последние дни
Последний прогноз NOAA (solar-geophysical forecast)
Источники данных (на английском)

Пример краткосрочного геомагнитного прогноза

Рассмотрим схему краткосрочного геомагнитного прогноза на примере магнитной бури 23 - 24 ноября 2001 года, приведенного в работе [18]. Солнечная вспышка класса Х1 была зарегистрирована в рентгеновских лучах спутником GOES-12 22 ноября приблизительно в 22 часа по Гринвичу. Положение вспышки на солнечном диске позволяло ожидать магнитную бурю на Земле через двое-трое суток. Фактически магнитное облако, испущенное при вспышке, преодолело расстояние от Земли до Солнца со средней скоростью более 1500 км/с за 35 часов - к 3 часам утра 24 ноября. Магнитная буря длилась весь день 24 ноября и характеризовалась значениями индекса Кр вплоть до 9. Космический аппарат, находящийся в точке либрации, предупредил о подходе облака за 30 минут до его прихода к Земле.

Существующие методики прогнозов

На сегодняшний день существуют различные методики прогнозирования космической погоды. Приведем некоторые из них.

Прогноз появления солнечных вспыщек, осуществляемый в рамках упомянутого прогноза Forecast http://www.izmiran.rssi.ru/space/solar/forecast, основан на том, что любое появление нового всплывающего магнитного потока (ВМП) приводит к увеличению вспышечной активности. Кроме того, для возниконовения мощной вспышки необходимо, чтобы новый ВМП был достаточно большим (> 10¹³ Вб) и скорость его всплытия была не менее 109 Вб/сек, при этом большие вспышки возникают через 1-2 суток после обнаружения ВМП в пределах активной области [20].
По мнению автора [21] прогресс в прогнозировании геомагнитных возмущений, вызываемых квазистационарными потоками СВ, в ближайшие годы будет определяться, в первую очередь, успехами фундаментальных исследований динамики магнитных структур с временным разрешением около 1 часа. Вопрос о роли такой динамики в формировании спорадических потоков СВ находится в стадии поисковых исследований. Прогресс в прогнозировании геомагнитных возмущений, вызываемых спорадическими потоками СВ, зависит от решения в ближайшем будущем двух проблем: а) разработка методов регистрации рождения СМЕ на диске Солнца и измерение их характеристик; б) выяснение природы возникновения B_z-компоненты в различных областях спорадических потоков СВ.
Поскольку возрастание потоков релятивистских электронов во внешнем РПЗ происходят с достаточно существенным (в несколько дней) запаздыванием относительно прихода к Земле высокоскоростных потоков СВ, это делает возможным их успешного прогнозирования.

Математические методы прогнозов факторов космической погоды – метод ИНС

Начиная с 1993 года, искусственные нейронные сети (ИНС) стали использоваться для прогнозирования различных геомагнитных индексов. В частности, в качестве метода, альтернативного традиционным методам для нелинейного прогноза временных рядов, были использованы рекуррентные НС, использующие нелинейную память для хранения информации об изменении параметров во времени. Например, в [23] прогнозировался Dst-индекс на несколько часов вперед, используя данные за 1963-87 гг., которые были разбиты на участки бурь и на спокойные периоды. При прогнозировании геомагнитных индексов в качестве входных переменных для ИНС обычно используются значения скорости и плотности СВ, а также значения B_z-компоненты ММП за несколько часов. Для улучшения прогноза всех фаз геомагнитной бури использовались значения параметров СВ в течение 16-24 часов до начала геомагнитной бури. Лучшее значение КК по всему тестовому набору (21-й солнечный цикл), приводимое в работе, равно 0.92. Самый высокий КК получается при прогнозировании Dst-индекса на один час вперед, при прогнозировании на 5 часов вперед значение КК уменьшается с 0.92 до 0.84, а на 8 часов до 0.77. Для лучшего понимания нейросетевых моделей на вход нейронной сети подавались также различные комбинации параметров СВ и их различные функции. Было найдено, что важны колебания и интенсивность ММП, а также различные произведения параметров СВ, ММП и динамического давления СВ.

Выводы

Суммируя все приведенные выше данные, можно сказать следующее:

Проблема мониторинга космической погоды на сегодняшний день представляется практически решенной [14].
Спутниковые наблюдения в точке либрации (L1) позволяют достаточно точно (на 95%) предсказать все возмущения магнитосферы, но с малой задержкой (30-60 минут).
Современная наука в ретроспективном плане может успешно объяснить происхождение почти всех сильных геомагнитных возмущений, но не может с достаточной степенью достоверности (лучше 50%) заблаговременно (1-2 суток) предсказать их возникновение на основе наблюдений Солнца [24].