Schmidt Institute of Physics of the Earth, RAS
Moskva, Russian Federation
Schmidt Institute of the Physics of the Earth Russian Academy of Sciencies
Moscow, Russian Federation
Moskva, Russian Federation
Moskva, Russian Federation
Schmidt Institute of Physics of the Earth, RAS
Moscow, Russian Federation
Moskva, Russian Federation
Moskva, Russian Federation
UDK 55 Геология. Геологические и геофизические науки
We address the problem of early diagnostics of geomagnetic storms based on the use of models of coordinates of movements of centers of solar coronal mass ejections (CME) and observations of their angular positions obtained from space monitoring systems. We propose a method for early diagnostics of geomagnetic storms, introduce a function to predict the distance between Earth and CME centers, and establish a decision-making procedure. We give an example of calculating the distance prediction function and implement the diagnostic decision-making procedure based on coordinate models and model observations of angular positions of CME centers. We determine the efficiency of the decision-making procedure for the algorithm for early diagnostics of geomagnetic storms.
coronal mass ejections, geomagnetic storms, space monitoring, diagnostic solutions, triangulation functional
ВВЕДЕНИЕ
Солнечные корональные выбросы массы (КВМ) оказывают существенное воздействие на магнитосферу Земли, вызывают магнитные бури и приводят к возможным большим проблемам при функционировании технических и биологических объектов. Ранняя диагностика геомагнитных бурь является актуальной научной задачей [Handbook of Cosmic …, 2015; Solar Eruptions and …, 2006]. По данной проблематике имеются две категории публикаций по моделям, связанным с диагностикой и предсказанием времени прибытия КВМ. К первой категории относятся публикации с описаниями моделей, в которых реализуются подходы, основанные на уравнениях магнитной гидродинамики плазменных образований, ко второй — публикации, в которых рассматриваются различные варианты нелинейных моделей движения КВМ.
В cтатье [Odstrcil, 2003] описывается модель ENLIL, используемая NASA для прогнозов в гелиосфере, которые осуществляются путем решения уравнений магнитной гидродинамики. Основной особенностью данной модели является отсутствие в ней механизма разогрева солнечной короны, который описывается феноменологически. Точность прогнозов прибытия КВМ к Земле по этой модели составляет около восьми часов. В статье [Jin et al., 2017] описывается модель BATSRUS, также основанная на уравнениях магнитной гидродинамики, но включающая механизм разогрева солнечной короны за счет альфвеновской турбулентности. Благодаря этому модель последовательно описывает не только гелиосферу, но и солнечную корону. Описан также инструмент EEGGL, позволяющий по оптическим и магнитным наблюдениям задавать начальные условия для КВМ, дальнейшее движение которого через корону и гелиосферу может быть рассчитано согласно уравнениям модели. На сайте [http://helio-weather.net/archive/2008/05] представлена модель WSA-ENLIL, являющаяся усовершенствованной версией [Odstrcil, 2003]. Подходы, использующие решения уравнений магнитной гидродинамики и основанные на детальном рассмотрении физики процессов в гелиосфере, потенциально могут обеспечить эффективное решение задачи ранней диагностики.
В статье [Owens, Cargill, 2004] рассмотрены три феноменологические модели распространения КВМ, позволяющие вычислять время прибытия. В первой модели считается, что выброс движется с постоянным ускорением на всем пути от Солнца до орбиты Земли. Во второй предполагается, что до некоторого расстояния, меньшего радиуса земной орбиты, выброс движется равноускоренно, а далее равномерно. В третьей модели считается, что ускорение выброса пропорционально разности скоростей выброса и окружающего солнечного ветра, коэффициент пропорциональности зависит от расстояния до Солнца по степенному закону. Первая модель содержит два параметра (начальную скорость и ускорение), вторая — три параметра (начальную скорость, ускорение и расстояние, на котором ускорение прекращается). Третья модель содержит четыре параметра (начальную скорость, степень и множитель в коэффициенте увлечения и асимптотическую скорость солнечного ветра). В [Gopalswamy et al., 2000] на основе 28 межпланетных событий КВМ разработана эмпирическая формула времени прибытия КВМ, работа которой исследована: показано, что ее предсказательные характеристики лучше для быстрых КВМ, чем для медленных. В работе [Mittal, Narain, 2015] для вычисления времени прибытия используется простейшая модельная линейная зависимость между скоростью на вылете КВМ от Солнца и временем распространения до Земли; предлагаются к рассмотрению случаи медленных (<500 км/с) и быстрых (>500 км/с) КВМ. Статья [Michalick et al., 2004] содержит описание подхода к получению скорости КВМ, основанного на решении специальной оптимизационной задачи.
И, наконец, материал [Gopalswamy, 2016] является обзором истории изучения КВМ, в основном сконцентрированным на данных наблюдений и их систематизации. Вопросы диагностики и соответствующих моделей распространения КВМ подробно не обсуждаются.
К рассматриваемым здесь измерительным системам космического мониторинга относятся спутниковая система SOHO [Brueckner et al., 1995; Delaboudiniere et al., 1995] (проект NASA и ESA (European Space Agency)); спутниковая система STEREO [Howard et al., 2008] (проект NASА) и мюонный годоскоп (МГ) «Ураган» [Barbashina et al., 2008; Yashin et al., 2015] (проект НИЯУ МИФИ (РФ)).
1. Barbashina N.S., Kokoulin P.A., Kompaniets K.G., Petrukhin A.A., Timashkov D.A., Chernov D.V., Shutenko V.V., Yashin I.I., Mannocchi G., Trinchero G., Saavedra O. The URAGAN wide-aperture large-area muon hodoscope. Instruments and Experimental Techniques. 2008, vol. 51, no. 2. P. 180-186.
2. Brueckner G.E., Howard R.A., Koomen M.J., Korendyke C.M., Michels D.J., Moses J.D., Socker D.G., Dere K.P., Lamy P.L., Llebaria A., Bout M.V., Schwenn R., Simnett G.M., Bedford D.K., Eyles C.J. The large angle spectroscopic coronagraph (LASCO). Solar Phys. 1995, vol. 162, iss. 1-2, pp. 357-402.
3. Delaboudiniere J.-P., Artzner G.E., Brunaud J., Gabriel, A.H., Hochedez J.F., Millier F., et al. EIT: Extreme-Ultraviolet Imaging Telescope for the SOHO Mission. Solar Phys. 1995, vol. 162, iss. 1-2, pp. 291-312.
4. Gopalswamy N. History and development of coronal mass ejections as a key player in solar terrestrial relationship. Geosci. Lett. 2016, 3:8, DOI:https://doi.org/10.1186/s40562-016-0039-2.
5. Gopalswamy N., Lara A., Lepping R.P., Kaiser M.L., Berdichevsky D., St. Cyr O.C. Interplanetary acceleration of coronal mass ejection. Geophys. Res. Lett. 2000, vol. 27, pp. 145.
6. Handbook of Cosmic Hazards and Planetary Defense / Ed. J.N. Pelton, F. Allahdadi. Springer International Publishing. 2015, 1127 p.
7. Howard R.A., Moses J.D., Socker D.G., Dere K.P., Cook J.W., Secchi Consortium. Sun Earth connection coronal and heliospheric investigation. Space Sci. Rev. 2008, vol. 136, pp. 67-115.
8. Jin M., Manchester W.B., van der Holst B., Sokolov I., Tóth G., Mullinix R.E., Taktakishvili A., Chulaki A., Gombosi T.I. Data-constrained coronal mass ejections in a global magnetohydrodinamics model. Astrophys. J. 2017, vol. 834, iss. 2, article id. 173, 9 pp. DOI:https://doi.org/10.3847/1538-4357/834/2/173.
9. Michalick G., Gopalswany N., Lara A., Manoham P.K. Arrival time of halo coronal mass ejection in the vicinity of the Earth. Astron. Astrophys. 2004, vol. 423, pp. 729.
10. Mittal N., Narain U.D. On the arrival of halo coronal mass election in the vicinity of the Earth. J. Astron. Geophys. 2015, vol. 4, pp. 100-105.
11. Odstrcil D. Modeling 3-D solar wind structure. Adv. Space Res. 2003, vol. 32, no. 4, pp. 497-506.
12. Owens M., Cargill P. Predictions of the arrival time of Coronal Mass Ejections at 1AU: an analysis of the causes of errors. Ann. Geophys. 2004, vol. 22, pp. 661.
13. Singiresu S. Rao. Engineering Optimization. Theory and Practice. John Wiley & Sons. 2009, 813 p.
14. Solar Eruptions and Energetic Particles / Ed. N. Gopalswamy, R. Mewaldt, J. Torsti. Geophysical Monograph Ser. V. 165. American Geophysical Union. 2006, 385 p.
15. Xue X.H., Wang C.B., Dou X.K. An ice cream cone model for coronal mass ejections. J. Geophys. Res. 2005, vol. 110, pp. A08103.
16. Yashin I.I., Astapov I.I., Barbashina N.S., Borog V.V., Chernov D.V., Dmitrieva A.N., et al. Real-time data of muon hodoscope URAGAN. Adv. Space Res. 2015, vol. 56, iss. 12, pp. 2693-2705.
17. URL: http://helio-weather.net/archive/2008/05 (accessed May 28, 2018).
18. URL: https://stereo.gsfc.nasa.gov/where (accessed May 28, 2018).
19. URL: https://cdaw.gsfc.nasa.gov/CME (accessed May 28, 2018).
20. URL: https://stereo.gsfc.nasa.gov/cgi (accessed May 28, 2018).
