РОССИЙСКИЕ ИНИЦИАТИВЫ ПО КОСМИЧЕСКОЙ ПОГОДЕ

А. Дмитриев¹, А. Белов², Р. Горгуца², А. Зайцев², В. Ишков², В. Козлов³,
О. Крякунова⁴, Р.Ныммик¹, В. Одинцов², М. Панасюк¹, А. Петрукович⁵, Н. Пиcаренко⁵,
Г. Попов⁶, Е. Ромашец², Н. Степанян⁷, Л. Тверская¹, О. Трошичев⁸, М. Шевченко⁵

¹Научно исследовательский институт ядерной физики им Д.В. Скобельцына, МГУ, Москва
²Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн, РАН, Троицк
³Институт космофизических исследований и аэрономии, РАН, Якутск
⁴Институт ионосферы, Алма-Ата, Казахстан
⁵Институт космических исследований, РАН, Москва
⁶Институт солнечно-земной физики, РАН, Иркутск
⁷Крымская астрофизическая обсерватория, Украина
⁸Институт Арктических и Антарктических исследований, Росгидромет, Сакт-Петербург

ВВЕДЕНИЕ

Российские инициативы по космической погоде (РИКП) начали свою деятельность 2 года назад (Avdyushin et al., 1999). На сегодняшний день РИКП охватывает широкий круг проблем солнечно-земной физики от солнечной активности и условий в межпланетной среде до динамики магнитосферы и околоземной радиации. Сеть наземных станций проводит измерения магнитного поля Земли и вариаций космических лучей (нейтронные мониторы). Комплексная программа экспериментов на космических аппаратах (КА) дает информацию о магнитосфере и околоземной радиации, характеристиках магнитосферной плазмы, солнечного ветра и межпланетного магнитного поля (ММП). Эта информация чрезвычайно важна для диагностики межпланетной среды и земной магнитосферы. Множество теоретических и эмпирических моделей развитых российскими учеными используется для описания и предсказания различных явлений в солнечно-земной физике. Большая часть этих ресурсов представлена на web-сайте РИКП http://alpha.npi.msu.su/RSWI/rswi.html.

ДИАГНОСТИКА КОСМИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ

Диагностика космической погоды базируется на экспериментальной информации, доставляемой как в режиме реального времени, так и получаемой из баз данных.

Солнечные наблюдения. Базы данных по оптическим наблюдениям Солнца представляются в открытом доступе Главной астрономической обсерваторией ГАО (http://www.gao.spb.ru/russian/index.html), Байкальской астрофизической обсерваторией (http://www.iszf.irk.ru/~bao/) и Крымской астрофизической обсерваторией КрАО (http://www.crao.crimea.ua/Projects/solar/Helium/). Данные по магнитному полю солнечных пятен предоставляются ГАО (http://www.gao.spb.ru/database/mfbase/bazamain.htm) и КрАО (http://www.crao.crimea.ua/Projects/solar/sunspot/). Лаборатория солнечного радиоизлучения ИЗМИРАН (http://helios.izmiran.troitsk.ru/lars/LARS.html) проводит патрульные наблюдения радиоизлучения Солнца и спектрометрические измерения. Иркутская радиоастрофизическая обсерватория ИСЗФ представляет радио-изображения Солнца (ftp://ssrt.iszf.irk.ru/pub/data/) и солнечные радио всплески на частоте 5.7ГГц (http://rao.iszf.irk.ru).

Наблюдения вариаций ГКЛ проводятся и представляются в режиме реального времени сетью нейтронных мониторов, расположенных как в России, так и в республиках бывшего Союза: в Москве (ИЗМИРАН http://helios.izmiran.rssi.ru/cosray/main.htm), в Апатитах (ПГИ http://pgi.kolasc.net.ru/CosmicRay/), в Якутске и Тикси (IKFIA http://www.ysn.ru/ipm/) и на Тянь-Шанской обсерватории в Казахстане (http://tien-shan.uni.sci.kz/ionos/file1.htm). Мониторинг вариаций ГКЛ и анализ их динамики на различных временных масштабах успешно используется для диагностики состояния межпланетной среды и магнитосферы, а так же для долгосрочного и среднесрочного (дни) прогноза возмущений в ММП (Kozlov, 1999: http://teor.ysn.ru/rswi/oulu_27.htm). Для оперативного численного описания вариаций ГКЛ с целью диагностики и предсказания межпланетных возмущений и их последствий для геомагнитного поля введен среднечасовой “индекс активности КЛ” (Belov et al., 1999: http://helios.izmiran.rssi.ru/cosray/indices.htm).

Магнитное поле Земли Вариации геомагнитного поля в реальном времени с вычислением локального К-индекса даются в Москве ИЗМИРАН (http://helios.izmiran.troitsk.ru/cosray/magnet.htm) и в Иркутске ИСЗФ (http://cgm.iszf.irk.ru/magnet2.htm). Базы данных по геомагнитным измерениям поддерживают в открытом доступе ИЗМИРАН (http://www.izmiran.rssi.ru/magnetism/mos_data.htm, ftp://vodin.izmiran.rssi.ru/start.htm), ИСЗФ (http://cgm.iszf.irk.ru/outmag/) и ПГИ (http://pgi.kolasc.net.ru/Lovozero/). Данные сети российских магнитометров объединены на компакт диске (ftp://vodin.izmiran.rssi.ru/start.htm). Для оценки энергии, передаваемой солнечным ветром в магнитосферу, используется РС индекс геомагнитной активности вычисляемый с временным разрешением 1 мин по измерениям магнитного поля в полярной области в Антарктиде (http://www.aari.nw.ru/clgmi/geophys/pc_Data_Intermagnet.html). Для работы с данными магнитометров и анализа магнитограмм используются компьютерные программы спектрально-временного анализа (ftp://vodin.izmiran.rssi.ru).

Околоземная радиация исследуется в экспериментах на искусственных спутниках Земли (ИСЗ). Данные по ней необходимы для определения поверхностной электризации, внутреннего заряда, а также радиационной дозы на борту КА. РИКП содержит ссылки на две основные базы данных по космическим экспериментам на КА Прогноз-7, Прогноз-8, Прогноз-9, Прогноз-10, Arcad, Active, Apex, Gamma и Interball (ИКИ http://www.iki.rssi.ru/da.html) и на низковысотных ИСЗ Интеркосмос-19, Космос-1686, КОРОНАС-И и в экспериментах на ОС МИР (НИИЯФ МГУ: http://dec1.npi.msu.su/english/data/lasre/index.html).

МОДЕЛИ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ И ПРОГНОЗА

Долгосрочный прогноз солнечной активности делается на основе искусственных нейронных сетей (ИНС) в НИИЯФ МГУ (http://dec1.npi.msu.su/~dalex/events/iswmc/sept99.htm Veselovsky et al., 1999) и показывает, что этот цикл будет подобно XX солнечному циклу относительно слабым с максимумом чисел Вольфа W~110 в 1999-2000 гг.

Среднесрочный и краткосрочный прогнозы больших солнечных вспышек и солнечных геоэффективных событий, возмущающих геомагнитное поле и околоземную радиацию разработан В. Ишковым (Ишков, 1999) и еженедельно представляется ИЗМИРАН (http:\\izmiran.rssi.ru\space\solar\forecast.html). Он основан на наблюдениях возникновения и динамики новых магнитных потоков, и их взаимодействия с уже существовавшим магнитным полем в активных областях на Солнце и в окрестности их.

Положение гелиосферного токового слоя определяется в ИЗМИРАН по данным солнечной обсерватории Стенфордского Университета (Харшиладзе и Иванов, 1994) и представляется в форме карт магнитного поля на поверхности источника (http://charley.izmiran.rssi.ru/~romash). Таблицы секторной структуры межпланетного магнитного поля, вычисляемые по наземным данным станций Восток (Антарктида) и Резолют-Бей (Канада) можно найти на http://charley.izmiran.rssi.ru/magnetism/SSIMF/index.htm. Эти данные используются для создания диагностических карт солнечных событий и корональных структур для 229 космических бурь в 1997-2001гг. (ftp://dec1.npi.msu.su/pub/incoming/vesel/229/index.htm).

Динамическая модель ГКЛ (Nymmik et al., 1995), разработанная в НИИЯФ МГУ (http://srd.sinp.msu.ru/nymmik/gcr2001/), позволяет вычислять дифференциальные потоки различных типов ядер от водорода до урана для определенных параметров орбиты ИСЗ как функцию солнечной активности (W) и геомагнитной возмущенности, выраженной через Kp-индекс. Вероятностная модель СКЛ (Nymmik, 1999; см. также http://srd.sinp.msu.ru/nymmik/sep2001/) дает величину интегрального потока солнечных протонов и его пиковое значение, которые ожидаются с данной вероятностью для данного уровня солнечной активности (W) за данный промежуток времени. Усовершенствованная модель захваченной радиации, основанная на информационной системе SEREIS (http://dec1.npi.msu.su/~vfb/SEREIS/), описывает вариации энергичных частиц в магнитосфере, связанные с зависимостью потоков от местного времени, сезонных и солнечно-циклических вариаций.

Трехмерная ИНС модель дневной магнитопаузы, разработанная в НИИЯФ (http://dec1.npi.msu.su/~alla/mmp3d/), позволяет определять 3-х мерную форму и размеры границы магнитосферы Земли на дневной стороне как функцию динамического давления солнечного ветра, а также B_y и B_z компонент ММП (Dmitriev and Suvorova, 2000).

Краткосрочный прогноз положения максимума инжектированных во время магнитной бури релятивистских электронов (L_max) в зависимости от амплитуды Dst-вариации бури (|Dst|_max) дается моделью Тверской: |Dst|_max=2.75*10⁴/L⁴_max. Эта зависимость позволяет предсказать экстремальное положение некоторых важнейших структур в ночной магнитосфере во время магнитной бури (Tverskaya, 2000).

Краткосрочный прогноз (~1 час) Dst-вариации представляется ИКИ с использованием данных NOAA/SEC о солнечном ветре и ММП с КА ACE (http://www.iki.rssi.ru/apetruko/forecast/forecast.html) и основан на алгоритме Бартона для определения потока электромагнитной энергии в магнитосферу и оценки суббуревой и буревой геомагнитной активности (Петрукович и Климов, 2000).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе мы представили основные российские информационные ресурсы по космической погоде, доступные в Интернет через сайт РИКП, которые могут служат для диагностики и прогноза космической погоды. Несколько наиболее важных параметров, такие как магнитный поток в активных областях на Солнце, тип солнечных радиовсплесков, число Вольфа и индекс солнечного радиоизлучения F10.7; индексы мерцаний и активности космических лучей, плотность плазмы солнечного ветра и B_y и B_z компоненты ММП; Kp, Dst и PC индексы геомагнитной активности, потоки проникающей радиации, представлены для широкого пользования, причем некоторые из них в режиме реального времени.

Работа поддержана грантом INTAS-2000-752.

ЛИТЕРАТУРА

1. Avdyushin S., A. Belov, A. Dmitriev, A. Galeev, V. Ivanov, et al., Russian Space Weather Initiatives, ESA Workshop on Space Weather, ESTEC, 185-198, 1999.

2. Belov A. V., E. A. Eroshenko, V. G. Yanke, V. I. Antonova, O. N. Kryakunova, Global and local indices of cosmic ray activity, 26th ICRC, 6, 472-475, 1999.

3. Dmitriev A. V., and A. V. Suvorova, 3d artificial neural network model of the dayside magnetopause, J. Geophys. Res., 105, A8, 18,909-18,918, 2000.

4. Ишков В. Н., Предсказание геоэффективных солнечных вспышек: возможности и ограничения, Изв. РАН, (сер. физическая), 63, 2148-2151, 1999.

5. Харшиладзе А. Ф. и Иванов К. Г., Гармонический анализ солнечного магнитного поля, Геомаг. и Аэрономия, 34, 4, 22-27, 1994.

6. Kozlov V. I., S. A. Starodubtsev, V. V. Markov, Forecast of Space Weather on the Ground-Based Radiation Monitoring, 26th ICRC, 7, 406-109, 1999.

7. Nymmik R. A., M. I. Panasyuk, A. A. Suslov, Galactic Cosmic Ray flux simulation and prediction, Adv. Space Res. 17, 2, 219-230, 1995.

8. Nymmik R. A., Probabilistic Model for Fluences and Peak Fluxes of Solar Energetic Particles, Radiation Measurements, 30, 3, 287-296, 1999.

9. Петрукович А. А., Климов С. И., Использование измерений солнечного ветра для анализа и прогноза геомагнитной активности, Космические исследования, 2000, т.38, с 463-468

10. Tverskaya L. V., Diagnosing the magnetospheric plasma structures using relativistic electron data, Phys. Chem. Earth, 25, 1-2, 39-42, 2000.

11. Veselovsky, I. S., A. V. Dmitriev, Yu. V. Orlov, M. O. Ryazantseva, M. V. Tarsina, Forecasting of the solar activity on 2000-2003 by means of artificial neural networks (in Russian), Conference "Large-scale structure of the solar activity: achievements and perspectives", Pulkovo 21-25 June 1999, Sankt-Petersburg, 61-65, 1999.