Учебный курс «Космическая погода - SWX
реклама
Учебный курс «Космическая погода». Развернутый тематический план лекций. Автор: Мягкова И.Н., к.ф.-м.н., снс НИИЯФ МГУ им М.В. Ломоносова, 2013 г. В кратком курсе лекций рассмотрены современные влиянии различных проявлений солнечной представления о активности на околоземного космического пространства (ОКП), то есть на состояние космическую погоду, показаны основные физические процессы и явления, наблюдающиеся в ОКП и на Земле, вызванные указанными проявлениями солнечной активности. Также обсуждаются существующие на сегодняшний день возможности мониторинга и прогнозирования космической погоды, приводятся данные об имеющихся сайтах, на которых доступна информация о состоянии ОКП и уровне солнечной активности на данный момент, а также результаты различных прогнозов космической погоды. Лекция 1. Космическая погода - предмет исследования, используемые определения и термины. Предмет исследования. Впервые официально определение понятия «космическая погода» было дано в США в 1995 г при разработке национальной программы NSWP - National Space Weather Program. «Космическая погода» - это изменения условий на Солнце, в солнечном ветре, магнитосфере и ионосфере, которые могут повлиять на работу и надежность бортовых и наземных технологических систем и угрожать здоровью и жизни людей. (National Space Weather Program. Strategic Plan. Office of Federal Coordinator for Meteorological Services and Supporting Research FCM-P30-1995. Washington DC. 1995) Одним из первых понятие "погоды в космосе" ввел советский геофизик, Герой Советского Союза, участник знаменитой экспедиции Папанина, академик Евгений Константинович Федоров. В последние годы проявления долгопериодических вариаций солнечной активности и космической погоды получили название «Космический климат» Определения и термины. 1. Солнечная активность. В настоящее время солнечной активностью (СА) принято называть совокупность активных образований (пятен, протуберанцев и т.п.), а также нестационарных динамических явлений (вспышек, всплывающих магнитных потоков), наблюдающихся в атмосфере Солнца. СА характеризуется, в частности числом Вольфа, в основе которого лежит число солнечных пятен и групп пятен на видимой полусфере Солнца. С учетом чередования магнитной полярности солнечных пятен физически более обоснован 22-летний цикл СА. 2. Солнечные пятна. Солнечные пятна - тёмные области, наблюдаемые в фотосфере Солнца (области пониженной светимости), являющиеся областями очень сильного магнитного поля. Температура плазмы в центре солнечного пятна понижена до примерно 3700 K по сравнению с температурой 5700 K в окружающей фотосфере Солнца. Хотя отдельные солнечные пятна живут обычно не более нескольких дней, самые большие из них могут существовать на поверхности Солнца в течение нескольких недель. Исторически сложилось, что по числу солнечных пятен судят о солнечной активности. Число Вольфа R или относительное цюрихское число солнечных пятен является одним из главных индексов солнечной активности. Суточное число Вольфа R определено как R = k (10 g + s) , где S - число отдельных пятен, g - число групп пятен и k - фактор обсерватории (обычно < 1), учитывающий суммарный вклад условий наблюдений, тип телескопа, и приводящий наблюдаемые величины к стандартным цюрихским числам. 3. Солнечный ветер. Солнечный ветер - это поток ионизованных частиц (плазмы), истекающий из Солнца со скоростью от 300 до 1200 км/с в окружающее космическое пространство Источником солнечного ветра является солнечная корона. Общие причины, по которым возникает солнечный ветер, на сегодняшний день известны, но многие детали этого процесса до сих пор еще не ясны. В частности, до конца не известно, где именно корональный газ ускоряется до таких высоких скоростей. Не исключено, что этот вопрос тесно связан с проблемой нагрева солнечной короны. 4. Солнечно-земные связи. Солнечно-земные связи - это система прямых или опосредованных физических связей между гелио- и геофизическими процессами. Земля получает от Солнца свет и тепло, обеспечивающие освещенность и среднюю температуру ее поверхности, подвергается комбинированному воздействию УФ- и рентгеновского излучения, солнечного ветра, солнечных космических лучей. Вариации мощности этих факторов при изменении уровня солнечной активности вызывают цепочку взаимосвязанных явлений в межпланетном пространстве, в магнитосфере, ионосфере, нейтральной атмосфере, гидросфере, биосфере, и, возможно, литосфере Земли. 5. Околоземное космическое пространство. Околоземное космическое пространство (ОКП) - область пространства вокруг Земли, физические характеристики которой отличаются от характеристик межпланетного пространства из-за влияния Земли. К физическим характеристикам ОКП относятся концентрация заряженных и нейтральных частиц, их энергия и химический состав, плотность твердого вещества, магнитное и электрическое поля. ОКП несимметрично, размер ОКП с освещенной стороной Земли в направлении на Солнце (подсолнечная точка) - составляет 10-12 земных радиусов. С ночной стороны ( хвоста магнитосферы) к ОКП относят область до орбиты Луны. 6. Магнитосфера Земли. Магнитосфера Земли - область околоземного пространства, занятая геомагнитным полем; в первом приближении это полость в потоке солнечного ветра. 7. Геоэффективность. Геоэффективными в солнечно-земной физике принято называть события, непосредственно влияющие на радиационную, геомагнитную и электромагнитную обстановку в околоземном пространстве (ОКП). Источники таких событий явления и процессы, происходящие в атмосфере Солнца и гелиосфере. 8. Физические явления на Солнце и в гелиосфере, которые могут стать причиной геоэффективных событий: Источниками геоэффективных событий могут стать: • солнечные вспышки • корональные выбросы массы (КВМ) • эруптивные протуберанцы • высокоскоростные потоки солнечного ветра, истекающие из корональных дыр, в результате взаимодействия которых с потоками медленного солнечного ветра, образуют коротирующие области взаимодействия (КОВ). Лекция 2. Явления на Солнце и в гелиосфере геоэффективных событий в околоземном источники космическом пространстве. 1. Солнечные вспышки Солнечная вспышка – это мощное проявления СА, вызванное возникновением неустойчивой конфигурации магнитного поля в активной области на Солнце. Вспышки наблюдаются в виде внезапного увеличения яркости солнечной хромосферы, а при мощных событиях - и фотосферы. Вспышка длится от нескольких минут до десятков минут и сопровождается выделением энергии до 1025-1026 Дж в виде коронального выброса массы и потока космических лучей, электромагнитного излучения всех диапазонов от ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения до метровых радиоволн. Не каждая вспышка, произошедшая на Солнце, влияет на состояние ОКП, то есть является геоэффективной. определяется мощностью Геоэффективность вспышек, в основном, (интенсивностью) и локализацией на диске Солнца. Естественно, что чем мощнее вспышка, тем более сильное влияние она может оказать на ОКП, при условии, что образовавшиеся в ней частицы достигнут орбиты Земли. геоэффективность Согласно имеют последним вспышки исследованиям, рентгеновского произошедшие на западной половине солнечного диска. класса максимальную выше М5, 2. Корональные выбросы массы Корональные выбросы массы (КВМ) - гигантские объемы солнечного вещества, выбрасываемые из атмосферы Солнца в межпланетное пространство в результате происходящих в ней активных процессов. Схематично КВМ выглядит как оторвавшаяся от Солнца замкнутая петля магнитного поля, несущая в себе сгусток коронального вещества. В 90-е гг. 20 века стало ясно, что они являются важным источником геоэффективных возмущений. Известно также, что корональные выбросы массы часто (возможно, всегда) связаны с солнечными вспышками, но механизм этой связи так до сих пор и не установлен, не выяснено, какой из процессов первичен – то есть предшествует ли корональный выброс вспышке или, наоборот, является ее следствием. 3. Эруптивные протуберанцы Эруптивные протуберанцы - это крупные образования в атмосфере Солнца, отличающиеся от окружающего их вещества повышенной плотностью и пониженной температурой; наиболее визуально заметный тип проявления активности в солнечной короне. Протуберанцы представляют собою облака хромосферного вещества в короне Солнца, поддерживаемые магнитным полем, концы которых уходят в хромосферу. Примером события, когда распад волокна (волокно – это протуберанец, наблюдаемый в проекции на солнечный диск) стал источником возрастания потоков СКЛ в ОКП, может служить событие 14-17 апреля 1994. 4. Высокоскоростные потоки солнечного ветра Солнечный ветер имеет бимодальный характер, в нем присутствуют быстрые и потоки. Высокоскоростные потоки солнечного ветра в свою медленные очередь делятся на квазистационарные и спорадические потоки и имеют разную природу. Квазистационарные (рекуррентные) высокоскоростные потоки солнечного ветра, ответственные за рекуррентные геомагнитные возмущения, истекают из корональных дыр, их скорость достигает 600-700 км/с, плотность - 3-4 см-3. Спорадические высокоскоростные потоки - относительно кратковременные и сложные по структуре образования, ответственные за спорадические магнитосферные возмущения, в частности с ними связаны большие магнитные бури. Скорость солнечного ветра в спорадических потоках достигает 1200 км/с; на переднем фронте и впереди его образуется ударная волна. 5. Коротирующие области взаимодействия Когда быстрый поток солнечного ветра из корональной дыры догоняет предшествующий низкоскоростной поток, это ведет к сжатию плазмы вдоль линии взаимодействия потоков, что в свою очередь, приводит к возрастанию плотности и температуры плазмы медленного потока за счет кинетической энергии быстрого. Область, где это явление имеет место, называется коротирующей областью взаимодействия (КОВ). Если разница скоростей быстрого и медленного потоков достаточно велика, то на переднем и заднем фронтах КОВ существуют ударные волны, которые усиливают геомагнитную эффективность КОВ и являются причиной внезапного начала бурь. 6. Корональные дыры Корональные дыры (КД) - это области солнечной короны с относительно низкой температурой (0.8*106 К), пониженной плотностью и направленным примерно радиально от Солнца магнитным полем. На фотографиях в рентгеновских лучах КД выглядят тёмными по сравнению с другими областями короны. КД, повидимому, всегда существуют в полярных областях Солнца и иногда продолжаются в область низких широт, где могут образовываться изолированные КД. 7. Заключение • Основные проявления солнечной активности, которые могут стать причиной геоэффективных событий в ОКП - вспышки и корональные выбросы массы. • Помимо того причиной возмущений в ОКП являются также достигающие Земли коротирующие области взаимодействия, возникающие при взаимодействии медленного солнечного ветра и высокоростных потоков солнечного ветра, источником которых, в свою очередь, являются существующие на Солнце корональные дыры. Лекция 3. Основные факторы космической погоды I - солнечные космические лучи ____________________________________________________________ 1. Определение. Солнечные космические лучи (СКЛ) – это энергичные протоны, электроны, ядра, образовавшиеся во вспышках на Солнце и достигнувшие орбиты Земли после взаимодействия с межпланетной средой. СКЛ после взаимодействия с межпланетной средой могут достигнуть орбиты Земли. Наибольший вклад в суммарную радиационную дозу вносят солнечные протоны с энергией 20-500 МэВ. Максимальный поток протонов с энергией выше 100 МэВ от мощной вспышки 23 февраля 1956 г. составил 5000 частиц на см-2 с-1. 2. Источники СКЛ Основной источник СКЛ - солнечные вспышки, иногда – распад протуберанца (волокна). Потоки солнечных космических лучей значительно повышают уровень радиационной опасности для космонавтов, а также экипажей и пассажиров высотных самолетов на полярных трассах; приводят к потерям спутников и выходу из строя аппаратуры, используемой на космических объектах. О вреде, который радиация наносит живым существам достаточно хорошо известно, но кроме того большая доза облучения может выводить из строя и электронное оборудование, установленное на космических аппаратах. Чем сложнее и современнее микросхема, тем меньше размеры каждого элемента и тем больше вероятность сбоев, которые могут привести к её неправильной работе и даже к остановке процессора. 3. Информация о СКЛ в интернете На сайте http://www.swpc.noaa.gov/ftpdir/indices/SPE.txt собрана информация обо всех солнечных протонных событиях с января 1976 по настоящее время, оказавших существенное воздействие на околоземное космическое пространство (Solar Proton Events Affecting the Earth Environment). Таковым событие считается, если интегральный поток протонов с энергией выше 10 МэВ по данным ИСЗ GOES превышает 10 частиц на см2-с-ср. Максимальная энергия протонов, генерированных в солнечных вспышках, определяется при помощи измерений наземных возрастаний потока СКЛ. Такие измерения выполняются при помощи нейтронных мониторов (НМ). Измеренная таким способом максимальная энергия может достигать 15-20 ГэВ, но максимальная энергия протонов в источнике превышает эту величину. Лекция 4. Основные факторы космической погоды II - магнитные бури и суббури. 1. Определения Другие важные следствия проявления солнечной активности, влияющие на состояние ОКП - это магнитные бури. Магнитная буря - это сильные возмущения магнитного поля Земли длительностью от нескольких часов до нескольких суток, наблюдающиеся одновременно по всей Земле, причем амплитуда возмущений возрастает с увеличением широты. Магнитосферная буря – это совокупность процессов, происходящих в магнитосфере Земли во время магнитной бури, когда происходит сильное поджатие границы магнитосферы с дневной стороны, другие значительные деформации структуры магнитосферы, формируется кольцевой ток энергичных частиц во внутренней магнитосфере и т.д. Термин "суббуря" был введен в 1961г. С.-И. Акасофу для обозначения авроральных возмущений в зоне полярных сияний длительностью порядка часа. В магнитных данных еще раньше были выделены бухтообразные возмущения, совпадающие по времени с суббурей в полярных сияниях. Магнитосферная суббуря – это совокупность процессов в магнитосфере и ионосфере, которую в самом общем случае можно характеризовать как последовательность процессов накопления энергии в магнитосфере и ее взрывного высвобождения. 2. Источник магнитных бурь. Источник магнитных бурь - приходящие к Земле высокоскоростные потоки солнечного ветра, спорадические, связанные с солнечными вспышками и КВМ, и квазистационарные, истекающие из корональных дыр, которые образуют КОВ и вызывают ударную волну. Магнитные бури в соответствии с их источником делятся на спорадические и рекуррентные. 3. Последствия магнитных бурь. Нарушения радиосвязи. Магнитные бури приводят к сильным возмущениям в ионосфере, которые в свою очередь, отрицательно сказываются на состоянии радиоэфира. В приполярных районах и зонах аврорального овала ионосфера связана с наиболее динамичными областями магнитосферы и поэтому наиболее чувствительна к приходящим от Солнца возмущениям. Магнитные бури в высоких широтах могут практически полностью блокировать радиоэфир на несколько суток, от чего страдают и многие другие сферы деятельности, например авиасообщение в высокоширотных районах. Проблемы с навигацией космических аппаратов. Другим негативным эффектом, связанным с геомагнитными бурями, является потеря ориентации ИСЗ, навигация которых осуществляется по геомагнитному полю, сильно возмущенному во время бури. Нарушения в электропередач работе (ЛЭП) телеграфных и энергосетей. линий, трубопроводов, Вариации геомагнитного линий поля, возникающие во время магнитных бурь в полярных и авроральных широтах (согласно известному закону электромагнитной индукции), генерируют вторичные электрические токи в проводящих слоях литосферы Земли, в соленой воде и в искусственных проводниках. Наводимая разность потенциалов невелика и составляет примерно несколько вольт на километр но в протяженных проводниках с низким сопротивлением - линиях связи и электропередач, трубопроводах, рельсах железных дорог - полная сила индуцированных токов может достигать десятков и сотен ампер. Наименее защищены от подобного влияния воздушные низковольтные линии связи. Повышение радиационной опасности для космических полетов и трансполярных авиаперелетов. С точки зрения радиационной опасности, которую несут потоки СКЛ для высокоширотных участков орбит КА типа МКС, необходимо учитывать не только интенсивность событий СКЛ, но и границы их проникновения в магнитосферу Земли. Причем СКЛ проникают достаточно глубоко даже для средних и слабых (-100 нТ и меньше) магнитных бурь. Помимо того, на фазе восстановления магнитной бури повышается вероятность отказа электронного оборудования космических аппаратов, поскольку во время фазы восстановления примерно в половине случаев происходит значительный (иногда до двух порядков величины) рост потока релятивистских электронов внешнего радиационного пояса Земли. Эти электроны могут вызвать одиночные сбои микросхем, за что в англоязычной литературе их еще называют «электронами-киллерами». Суббури являются мощным источником электронов во внешней магнитосфере. Сильно возрастают потоки низкоэнергичных электронов, что приводит к существенному усилению электризации КА. Во время сильной суббуревой активности на несколько порядков возрастают потоки релятивистских электронов во внешнем РПЗ, что представляет серьезную опасность для ИСЗ, орбиты которых пересекают эту область, поскольку внутри КА накапливается достаточно большой объемный заряд, приводящий к выходу из строя бортовой электроники. 4. Особенности суббурь. Cуббури являются неотъемлемым спутником геомагнитных бурь, однако, интенсивность и длительность суббуревой активности имеет неоднозначную связь с мощностью магнитной бури. Важным проявлением связи бури-суббури является непосредственное влияние мощности геомагнитной бури на минимальную геомагнитную широту, на которой развиваются суббури. Во время сильных геомагнитных бурь суббуревая активность может опускаться с высоких геомагнитных широт на средние. В данном случае на средних широтах будет наблюдаться нарушение радиосвязи, вызванное возмущающим воздействием на ионосферу энергичных заряженных частиц, генерируемых во время суббуревой активности. 5. Геомагнитные индексы. Амплитуду вариаций магнитного поля Земли часто используют как наиболее общую характеристику силы магнитных бурь. Геомагнитный индекс Dst содержит информацию о планетарных возмущениях во время геомагнитных бурь. Индекс геомагнитной активности Кр, который рассчитывают каждые три часа по измерениям магнитного поля на нескольких станциях, расположенных в различных частях Земли. Он имеет уровни от 0 до 9, каждому следующему уровню шкалы соответствуют вариации в 1,6-2 раза большие предыдущего. Сильным магнитным бурям - соответствуют уровни Кр больше 4. Так называемые супербури с Кр= 9, случаются достаточно редко. Наряду с Кр используют также индекс Ар, равный средней амплитуде вариаций геомагнитного поля по земному шару за сутки. Он измеряется в нанотеслах (нТ, земное поле равно примерно 50000 нТл). Уровню Кр = 4 приблизительно соответствует Ар, равное 30, а уровню Кр = 9 отвечает Ар больше 400. Ожидаемые значения таких индексов и составляют основное содержание геомагнитного прогноза. Ар индекс стал рассчитываться с 1932 года, поэтому для более ранних периодов используется АА-индекс – среднесуточная амплитуда вариаций, рассчитываемая по двум антиподальным обсерваториям (Гринвич и Мельбурн) с 1867 г. Но для изучения процессов суббури трехчасовой индекс Кр не годится, за это время суббуря может начаться и закончиться. Детальную структуру флуктуаций магнитного поля из-за токов авроральной зоны (авроральная электроструя) характеризует индекс авроральной электроструи AE. Для вычисления индекса AE используются магнитограммы Н-компонентов обсерваторий, расположенных на авроральных или субавроральных широтах и равномерно распределенных по долготе. В настоящее время индексы АЕ вычисляются по данным 12 обсерваторий, расположенных в северном полушарии на разных долготах между 60 и 70° геомагнитной широты. Для численного описания суббуревой активности используются также геомагнитные индексы АL (наибольшая отрицательная вариация магнитного поля), АU (наибольшая положительная вариация магнитного поля) и AЕ (разность АL и АU). 6. Различие между солнечной и геомагнитной активностью. В некоторых современных работах, посвященных проблеме космическое погоды и космического климата, высказывается мысль о необходимости разделения солнечной и геомагнитной активности. Дело в том, что в максимумах СА большую долю составляют спорадические бури, за которые ответственны вспышки и КВМ, то есть явления, происходящие в областях Солнца с замкнутыми силовыми линиями. Но в минимумах СА большинство бурь реккурентные, причиной которых является приход к Земле высокоскоростные потоков солнечного ветра, истекающих из корональных дыр - областей с открытыми силовыми линиями. Таким образом, источники геомагнитной активности, по крайней мере для минимумов СА, имеют существенно различную природу. Лекция 5. Основные факторы космической погоды III - ионизующее электромагнитное излучение солнечных вспышек ____________________________________________________________ В качестве еще одного важного фактора космической погоды отдельно следует отметить ионизующее электромагнитное излучение (ИЭИ) солнечных вспышек, вызывающее разогрев и дополнительную ионизацию верхней атмосферы. 1. Определение Ионизующее электромагнитное излучение (ИЭИ) солнечных вспышек имеет спектральный диапазон от радиоволн до рентгеновских лучей, максимум его интенсивности приходится на видимую (жёлто-зелёную) часть спектра. 2. Влияние ИЭИ В спокойное время ИЭИ практически полностью поглощается на больших высотах, вызывая ионизацию атомов атмосферы. Во время солнечных вспышек потоки ИЭИ от Солнца возрастают на несколько порядков, что приводит к разогреву и дополнительной ионизации верхней атмосферы. 3. Последствия ИЭИ на Земле и в ОКП. Поглощение коротковолнового радиоизлучения является результатом того, что приход ИЭИ - УФ и рентгеновского излучения солнечных вспышек вызывает дополнительную ионизацию верхней атмосферы. Это приводит к ухудшению или даже полному прекращению радиосвязи на освещенной стороне Земли в течение несколько часов. В результате разогрева под воздействием ИЭИ атмосфера “раздувается”, т.е. плотность ее на фиксированной высоте сильно увеличивается. Это представляет серьезную опасность для низковысотных ИСЗ и пилотируемых ОС, поскольку, попадая в плотные слои атмосферы, КА может быстро потерять высоту и затонуть. Такая участь постигла американскую космическую станцию «Скайлэб» в 1972 году во время мощной солнечной вспышки, на станции не хватило топлива для возврата на прежнюю орбиту. Потеря связи с КА в момент маневрирования может привести к потере спутника. Могут возникнуть проблемы и в сфере авиасообщения, так как современные авиалайнеры широко используют спутниковую радиосвязь для навигации и связи. В качестве яркого примера проявления только ИЭИ во время вспышки можно привести вспышку 25.08.2001, которая дала мощное УФ, рентгеновское и гамаизлучение. Вспышка класса X5.3 и оптического балла 3В произошла вблизи восточного лимба Солнца (S17E34), поэтому потоков протонов СКЛ на орбите Земли после нее зарегистрировано не было. Тем не менее, мощные потоки жесткого рентгеновского и гамма-излучения привели к интенсивному поглощению коротковолнового излучения и, соответственно, радиомолчанию. Лекция 6. Основные факторы космической погоды IV - возрастания потоков релятивистских электронов во внешнем радиационном поясе Земли ____________________________________________________________ 1. Определение. После магнитных бурь, как спорадических, связанных с КВМ и вспышками, так и рекуррентных, причиной которых являются квазистационарные высокоскоростные потоки солнечного ветра во внешнем радиационном поясе Земли, примерно в половине случаев на порядок и более возрастают потоки электронов, в том числе и релятивистских, то есть с энергией выше 1 МэВ. 2. Электризация Поскольку радиационная доза, создаваемая электронами, не столь велика, то на первый план выходит проблема электризации спутников, Дело в том, что любой объект, погруженный в плазму, должен находиться с ней в электрическом равновесии. Поэтому он поглощает некоторое количество электронов, приобретая отрицательный заряд и соответствующий "плавающий" потенциал, примерно равный температуре электронов, выраженной в электронвольтах. Появляющиеся после магнитных бурь потоки «горячих» (до нескольких сотен кэВ) электронов придают спутникам дополнительный и неравномерно распределенный, из-за различия электрических характеристик элементов поверхности, отрицательный заряд. Разности потенциалов между соседними деталями спутников могут достигать десятков киловольт, провоцируя спонтанные электрические разряды, выводящие из строя электрооборудование. Наиболее известным следствием такого явления стала поломка во время одной из магнитных бурь 1997 года американского спутника TELSTAR, оставившая значительную часть территории США без пейджинговой связи. 3. Радиационные пояса Земли (РПЗ) Радиационные пояса Земли (РПЗ) представляют собой внутренние области магнитосферы Земли, в которых геомагнитным полем (близким к дипольному) удерживаются заряженные частицы - электроны, протоны, альфа-частицы. В первом приближении РПЗ представляют собой тороид, в котором можно выделить две области - внутренний и внешний радиационные пояса, между которыми существует зазор. Внешний и внутренний РПЗ различны еще и по своему составу - во внутреннем поясе присутствуют протоны и электроны, во внешнем – преимущественно, электроны. Пространственная и временная динамика у внутреннего и внешнего РПЗ также разная. И локализация, и потоки частиц внутреннего РПЗ довольно стабильны, если говорить о временных масштабах меньше нескольких месяцев. Внешний же пояс, наоборот, отличается крайней нестабильностью, величина потока электронов может измениться в течение часа на порядок и более, а максимум и границы - существенно сдвинуться. То есть, внешний РПЗ представляет собой сложную динамическую систему, параметры которой - интенсивность, положение границ и максимума могут очень сильно меняться в зависимости от состояния межпланетной среды, в частности вариаций компонент межпланетного магнитного поля (ММП), солнечного ветра (СВ) и от геомагнитной возмущенности. 4. Вариации потоков РЭ во внешнем РПЗ. Относительно основной причины (или причин) этих вариаций в настоящее время мнения исследователей расходятся. Очевидно, что в формировании внешнего РПЗ играют роль процессы как ускорения, так и рассеяния частиц (потерь). Но проблема, возможно, еще и в том, что одни и те же физические процессы при разных условиях могут вызвать и то, и другое. Так, например, волновая активность в магнитосфере в итоге может приводить как к увеличению, так и к уменьшению популяции релятивистских электронов (РЭ) внешнего РПЗ. По современным данным за формирование внешнего РПЗ могут быть ответственны следующие процессы: радиальная диффузия, локальное ускорение в геомагнитной ловушке, инжекция частиц из хвоста магнитосферы, ускорение во взаимодействиях «волна-частица» (причем характер взаимодействия будет зависеть от типа волн) и др. Следует отметить, что процессы, происходящие во внешнем РПЗ, по всей видимости, имеют релаксационный и нелинейный характер. Это приводит к тому, что внешний РПЗ, возможно, имеет определенную «память», то есть его мгновенное состояние определяется мгновенными значениями внешних параметров не полностью, причем длительность «памяти» и релаксационных процессов в случае радиационных поясов может быть весьма велика – от десятков часов до нескольких месяцев. 5. Проблема электронов- киллеров. С практической точки зрения прогноз возможных сбоев в работе спутниковых систем (в том числе вызванных релятивистскими электронами внешнего РПЗ, которые в англоязычной литературе называют «электроны-киллеры») становится все более необходимым вследствие развития космической отрасли в большинстве развитых стран мира. В связи с постоянным усложнением и ростом количества КА и миниатюризации спутниковой электроники, число отказов, связанных с воздействием факторов космической погоды, будет еще возрастать, поэтому возможность прогнозирования реакции внешнего РПЗ на изменения физических параметров ММП и СВ становится все более и более актуальной. Как уже было сказано выше, значительные вариации потоков РЭ внешнего РПЗ наблюдаются во время геомагнитных возмущений, вызванных, в свою очередь, возмущениями ММП и СВ. Как правило, потоки РЭ падают на главной фазе магнитной бури, а возрастания, превышающие добуревой уровень примерно в половине случаев, происходят на фазе восстановления. Высокая корреляция между потоками РЭ на геосинхронной орбите, скоростью СВ и другими параметрами была описана еще в 1979 году и является наиболее важным для прогноза экспериментальным результатом. Лекция 7. Мониторинг и прогнозирование космической погоды I мониторинг. ______________________________________________________________________ 1. Необходимость мониторинга С развитием как космических, так и наземных наукоемких технологий космофизические исследования стали иметь большое значение не только для фундаментальной науки, но и начали играть достаточно важную прикладную роль. Мониторинг космической погоды, а также ее прогноз, в современном мире играют не менее важную роль для успешного функционирования космической техники и безопасности людей, чем прогноз обычной погоды. 2. Зарубежные интернет-ресурсы по мониторингу космической погоды Интернет-портал Центра прогнозирования космической погоды (Space Weather Prediction Center) Один из основных Интернет-ресурсов в рассматриваемой области – это портал Центра прогнозирования космической погоды (Space Weather Prediction Center - http://www.swpc.noaa.gov/), где в режиме он-лайн представляются данные экспериментов на КА ACE, GOES, STEREO, POES, которые могут быть использованы для сравнения с результатами других экспериментов. На главной странице сайта приведены рентгеновского излучения, протонов и зависимости потоков мягкого электронов, значения межпланетного магнитного поля по данным ИСЗ GOES, а также Кр- индекса. Другим широко известным Интернет-ресурсом по представлению данных космических экспериментов является объединенный портал CDAWeb Плюс – http://cdaweb.gsfc.nasa.gov/cdas/. Он имеет написанный на языке Java интерфейс и используется для интегрированного доступа ко всем существующим возможностям SPDF (Space Physics Data Facility) в рамках Годдардовского центра космических полетов (GSFC), а также к публичным данным. На портале национального центра научных космических данных (National Space Science Data Center – NSSDC, http://nssdc.gsfc.nasa.gov/) размещен постоянный архив НАСА, включающий в себя данные научных космических экспериментов, как американских, так и зарубежных, в том числе и российских. Данные об эксперименте можно найти по названию ИСЗ. 3. Российские интернет-ресурсы по мониторингу космической погоды. Текущее состояние и прогноз космической погоды также приводится на сайте Института Космических Исследований погода http://www.iki.rssi.ru/sw.htm и (ИКИ РАН) в разделе космическая http://www.spaceweather.ru/. Там можно ознакомиться 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) Еще один вариант космической погоды - на сайте Института прикладной геофизики им. академика Е.К. Федорова (http://ipg.geospace.ru/). Данные космических экспериментов на КА с круговыми полярными орбитами, как проводившихся ранее (Космос-1686, КОРОНАС-И, КОРОНАС-Ф, «Метеор-3М», «Университетский-Татьяна», КОРОНАС-Фотон, «Татьяна-2» и др.), так и продолжающихся в настоящее время («Meteor-M №1»), размещены на сайте Центра данных космического мониторинга НИИЯФ МГУ (Space Monitoring Data Center) http://smdc.sinp.msu.ru и Центра космической погоды НИИЯФ МГУ http://swx.sinp.msu.ru/, данные по мониторингу радиационного состояния ОКП - на http://swx.sinp.msu.ru/radiastatus/currentStatus.php разделе портала Центра космической погоды НИИЯФ МГУ. Текущее состоянии геомагнитного поля и величине индекса Кр в Москве ежедневно публикуется распространения на радиоволн сайте РАН Института земного магнетизма http://forecast.izmiran.rssi.ru/, там и также осуществляется заказ прогноза космической погоды на ближайшее время. Мониторинг потока Галактических космических лучей осуществляется на сайте Арктического центра космической погоды http://www.forshock.ru/index.html . На сайте http://www.tesis.lebedev.ru/, разработанном в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН, в разделе «Космическая погода» представлены данные NOAA о пятнах и вспышках на Солнце, о текущем состоянии магнитосферы Земли, и прогноз магнитных бурь. Представлены также текущие изображения Солнца по данным КА SDO и SOHO и фотографии хромосферы Солнца в линии водорода H альфа (6563 Å) по данным Kanzelhoehe Solar Observatory (Австрия). Сайт отдела физики атмосферы, ионосферы и распространения радиоволн Института Солнечно-земной Физики (http://rp.iszf.irk.ru/wls) предоставляет в режиме он-лайн данные Иркутской магнитной обсерватории, иркутского и норильского ионозондов, данные радаров и магнитометров мировой сети, а также данные и прогнозы NОАА. Лекция 8. Мониторинг и прогнозирование космической погоды II прогнозирование. ______________________________________________________________________ Из всех предыдущих лекций видно, насколько сложны даже на качественном уровне связи между геоэффективными факторами солнечной активности и проявлениями космической погоды. Более того, сами проявления являются сильно варьирующими и 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. Очевидно, что для успешного прогнозирования состояния ОКП, то есть прогноза космической погоды необходимо иметь надежные прогноз каждого из указанных выше физических явлений, причем желательно 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. 1. Определения 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. 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. [11] 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. 2. 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. 3. Пример геомагнитного прогноза. Можно рассмотреть схему краткосрочного геомагнитного прогноза на примере магнитной бури 23 - 24 ноября 2001 года. 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. 4. Зарубежные интернет-ресурсы по прогнозу космической погоды Интернет-портал iSWA (http://iswa.gsfc.nasa.gov/iswa/iswa.html) – iNTEGRATED SPACE WEATHER ANALYSIS SYSTEM (интегрированная система анализа космической погоды) – это современный Web-портал, дающий возможность сравнивать основанные на современных моделях прогнозы космической погоды, использующие параллельные потоки информации о космическом пространстве. В проекте шведского института космической физики в г.Лунд (Swedish Institute of Space Physics in Lund, http://rwc.lund.irf.se/rwc/dst/index.php) прогнозирование значения Dst-вариации на один час вперёд по отношению к последним поступившим данным с КА ACE выполняется с применением рекуррентной нейронной сети Элмана. Проект WINDMI создан сотрудниками Национального Научного фонда США (National Science Foundation) и Техасского университета (University of Texas at Austin) – http://orion.ph.utexas.edu/~windmi/realtime/index.html. прогнозирование амплитуды Dst-вариации выполняется В нем с использованием физической модели, основанной на расчёте кольцевого тока в системе магнитосфера-ионосфера и получающей в качестве входных параметров данные с КА ACE. В проекте http://sprg.ssl.berkeley.edu/dst_index/welcome.html, осуществляемом группой исследования космического пространства Калифорнийского университета Беркли (Space Physics Research Group, University of California, Berkeley, выполняется прогнозирование индекса Dst на один час вперёд по данным с КА ACE, на основании модификации эмпирической формулы Бёртон, аналогично тому, как это делает ИКИ РАН. Результат прогнозирования отображается в виде изображения стрелочного прибора с цветовой индикацией интенсивности геомагнитного возмущения, цифровое значение прогноза не предоставляется. На портале Центра прогнозирования космической погоды (Space Weather Prediction Center, http://www.swpc.noaa.gov/) представлены данные прогноза Криндекса, полученные при помощи Kp модели Wing, созданной при помощи искусственных нейронных сетей. На странице http://www.swpc.noaa.gov/wingkp/index.html можно найти два прогноза – часовой и 4-часовой, представленные за 12 часов, 24 часа и 7 дней в графическом и в текстовом виде. До марта 2011 г. на странице http://www.swpc.noaa.gov/wingkp/index.html прогнозирования Кр-индекса использовалась модель Кастелло (Castello). 3-часовой прогноз значения Кр-индекса осуществляется в упомянутом ранее шведском институте космической физики в г. Лунд (Swedish Institute of Space Physics in Lund, http://rwc.lund.irf.se/rwc/kp/index.php. Прогнозирование вариаций потоков релятивистских электронов внешнего радиационного пояса Земли, как на геостационарной орбите, так и на высотах до 1000 км, также является чрезвычайно актуальной задачей с точки зрения космической погоды. Бейкером с коллегами было показано, что суточные значения флюенса электронов с энергией >2 МэВ, измеренные на геосинхронной орбите, можно прогнозировать на день вперед, используя линейный фильтр со скоростью солнечного ветра в качестве входа. В дальнейшем, при создании модели REFM, данный метод развивался с целью улучшений качества прогноза и увеличения горизонта прогноза. Прогноз, полученный с помощью REFM, представлен на портале Центра прогнозирования космической погоды (Space Weather Prediction Center, http://www.swpc.noaa.gov). Экспериментальные значения потока электронов, с которыми сравнивается прогноз, получены в эксперименте на КА серии GOES, функционирующих на геостационарной орбите. КА серии GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite) – это геостационарные эксплуатационные спутники, предназначенные для наблюдения за окружающей средой, находящиеся в ведении американской национальной информационной службы спутниковых данных об окружающей среде. Принципиально REFM-прогноз потоков РЭ во внешнем РПЗ может создаваться в двух режимах. В первом случае, при использовании скорости солнечного ветра, измеряемой на КА АСЕ в реальном времени, можно получать прогнозы на 1-3 дня вперед, а при использовании в качестве входа скорости солнечного ветра, спрогнозированной в соответствии с методом, расширить горизонт прогноза до 8 дней. Альтернативным подходом к прогнозированию потоков РЭ во внешнем РПЗ является использование для прогноза искусственных нейронных сетей (ИНС). 5. Российские интернет-ресурсы по прогнозу космической погоды Дающийся в проекте ИКИ РАН http://spaceweather.ru/ru/content/forecast прогноз амплитуды Dst-вариации основан на вычислении Dst по формуле, представляющей собой эмпирически выведенную закономерность, основанную на формуле Бёртона (Burton) с соавторами, с последующими модификациями, в которой используются данные о параметрах ММП и СВ, полученные в эксперименте на КА ACE. Прогнозирование осуществляется на один час вперёд по отношению к последним поступившим данным с КА ACE. Также на один час вперёд осуществляется прогноз геомагнитной активности (бури, суббури). Расширенный прогноз, позволяющий оценивать вероятную амплитуду геомагнитной бури в течение ближайших часов и обновляющийся каждый час. представлен на http://www.spaceweather.ru/ru/content/rasshirennyj-geomagnitnyj-prognoz. Прогноз космической погоды на ближайшее время представлен на сайте Института земного магнетизма и распространения радиоволн РАН http://www.izmiran.ru/services/saf/ . На сайте Центра анализа космической погоды НИИЯФ МГУ (http://swx.sinp.msu.ru/) осуществляется прогноз значения амплитуды Dst-вариации в режиме реального времени. С главной страницы можно по ссылке пройти на специализированную интерактивную страницу модели прогнозирования среднечасового значения индекса Dst – http://swx.sinp.msu.ru/models/dst.php . Специализированная интерактивная страница, помимо дублирования информации об индексе Dst, содержащейся на главной странице, также содержит график изменения индекса Dst за последние сутки (по умолчанию) и цветовую индикацию интенсивности геомагнитного возмущения в текущий момент и на один час вперёд. Реальные данные на графике отображаются красным цветом, прогноз модели на один час вперёд – зеленым. Прогноз потоков электронов на геостационарной орбите приведен на странице са йта «Центра анализа космической погоды НИИЯФ МГУ» http://swx.sinp.msu.ru/radiastatus/forecast.php. 6. Итоговые замечания • Проблема мониторинга космической погоды на сегодняшний день представляется практически решенной. • Спутниковые наблюдения в точке либрации (L1) позволяют достаточно точно (более 95%) предсказать все возмущения магнитосферы, но с малой задержкой (порядка 40 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 (за 1-2 суток) предсказать их возникновение на основе наблюдений Солнца.
