Институты и лаборатории
Научно-исследовательская лаборатория 'Физика солнечно-земных связей'
Заведующий лабораторией – Николай Александрович Бархатов, доктор физико-математических наук, профессор.
Основной целью научных исследований является установление связей магнитосферной активности с крупномасштабными событиями в солнечном ветре, обусловленными явлениями солнечной активности.
Под решаемыми научными задачами понимается создание методов диагностики явлений космической погоды и прогнозирования геомагнитных возмущений, создание стандартов для описания событий космической погоды в рамках изучения солнечно-земных связей. Применяемые исследовательские инструменты - численное моделирование и искусственные нейронные сети.
Образовательная цель работы лаборатории заключается в подготовке научно-педагогических кадров высшей квалификации на исследовательском материале изучения солнечно-земных связей.
Основными образовательными задачами являются: организация научно-исследовательской работы аспирантов и студентов, получающих физическое образование; реализация условий для высококвалифицированной подготовки молодых преподавателей и ученых; научно-методическое обеспечение разработки новых учебных курсов, отвечающих современным учебным планам.
Лаборатория является базой для выполнения научных проектов в рамках основных направлений развития научных исследований поддерживаемых РАН (гранты РФФФ (N 94-02-06106, 98-05-64380, 00-05-64689, 00-05-74767, 03-05-65137), МАС РФФИ (NN 00-05-06121, 00-05-06096, 00-05-06097, 03-05-06449, 03-05-06450), Университеты России (2000) и INTAS - CNES (N 97-1450).
Прикладные результаты готовые к применению
1. ДОЛГОСРОЧНОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИНДЕКСОВ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ
На основе итерационной нейросетевой технологии выполнено прогнозирование индекса солнечной активности (чисел Вольфа) на 11 лет с 2000 г. обученной ИНС с использованием прогрева. Участок прогрева отделен от предсказания вертикальной пунктирной линией.
2. КОМПЛЕКСНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ГЛОБАЛЬНЫХ ГЕОМАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ, ОСНОВАННАЯ НА ИХ ПРИЧИННО-СЛЕДСТВЕННЫХ СВЯЗЕЙ С ПРОЯВЛЕНИЯМИ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ В СОЛНЕЧНОМ ВЕТРЕ.
В рамках применения алгоритмов Кохонена создана самообучающаяся искусственная нейронная сеть, позволяющая выполнять классификацию геомагнитных возмущений на основе данных о параметрах солнечного ветра и межпланетного магнитного поля. Такой подход позволяет рассматривать предлагаемую классификацию одновременно, как космическую и физическую, поскольку в рамках классификации рассматривается космическая причина возникновения возмущений разного вида. В результате постановки численных экспериментов удалось выделить основные классы комплексов возмущенных параметров, отвечающих разным событиям космической погоды, каждый из которых отвечает соответствующей глобальной магнитосферной ситуации.
Применение ИНС для классификации Dst-вариаций геомагнитного поля помогло выявить характерные особенности в реакции геомагнитного поля на приход к Земле солнечных возмущений конкретной природы: вспышки, корональные дыры, активизировавшиеся волокна (протуберанцы), корональные выбросы масс и их сочетания. Анализ полученных результатов позволил отождествить каждый выделенный класс с конкретным типом возмущений параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля.
На основе обнаруженных классов возможно уточнение физических моделей воздействия на магнитосферу Земли потоков солнечной плазмы от конкретных источников. Выполненное исследование может быть основой создания стандартов при описании явлений космической погоды.
3. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ИНДЕКСА ГЛОБАЛЬНОЙ ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ Dst
На основе техники искусственных нейронных сетей разработана методика эффективного, с качеством 85%, часового прогноза динамики глобальных геомагнитных возмущений по параметрам околоземной плазмы и межпланетного магнитного поля, получаемым с находящихся в солнечном ветре перед земной ударной волной космических аппаратов.
4. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЗАПИСЕЙ МАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ НА НИЗКОШИРОТНЫХ СТАНЦИЯХ МЕТОДОМ ИСКУССТВЕННЫХ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ
Создана методика восстановления записей возмущений горизонтальной составляющей геомагнитного поля на выбранной магнитной станции по данным других магнитных станций расположенных вблизи геомагнитного экватора. В качестве обрабатываемого материала рассматривались магнитные данные по станциям Kakioka, Kanoya, Alma-Ata, Hermanius, San Juan, Tacson, Honolulu. Восстановление горизонтальной составляющей магнитных возмущений на станции Kakioka по записям на остальных 6 станциях происходит с объективной оценкой качества в 95%. Отмечено улучшение восстановления магнитных возмущений при введении в число входных величин для искусственной нейронной сети одновременных данных о концентрации и скорости солнечном ветре, а также Bz компоненты межпланетного магнитного поля.
Созданная программа также позволяет по данным, полученным на спутниковой системе OMNI, с хорошей точностью проводить прогноз зависимости асимметрии кольцевого тока от времени, прошедшего с момента начала (SC) магнитной бури.
5. КОРРЕКЦИЯ СОВРЕМЕННЫХ ИНДЕКСОВ ИНТЕНСИВНОСТИ АВРОРАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОСТРУЙ, ОПРЕДЕЛЯЕМЫХ ПО ДАННЫМ МЕНЬШЕГО ЧИСЛА МАГНИТНЫХ ОБСЕРВАТОРИЙ, ЧЕМ БЫЛИ ПОЛУЧЕНЫ КЛАССИЧЕСКИЕ ИНДЕКСЫ АЕ
Разработан способ восстановления классических индексов АЕ(12), получаемых ранее по данным 12 магнитных обсерваторий, по современным индексам АЕ(N), где число обсерваторий N<10. В качестве примера такой коррекции демонстрируется способ восстановления АЕ(12) по АЕ(8). На основе метода искусственных нейронных сетей (ИНС) создан алгоритм, позволяющий проводить пересчет современных индексов к классическим. В качестве примера демонстрируется способность созданной ИНС восстанавливать амплитуду индекса AE12 по данным обсерваторий AE8, в некоторых случаях с эффективностью до 90 %.
Полученные результаты позволяют оценить уровень ошибки в представлении активности авроральных электроджетов современными индексами AE по сравнению с теми индексами, которые были введены в практику геомагнитных исследований их создателями. Также разработана методика восстановления полярных индексов с привлечением данных о параметрах солнечного ветра.
6. КОНТРОЛЬ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ДИНАМИКИ ПОЛЯРНОЙ ШАПКИ И ПОЛЯРНОГО ОВАЛА ПО ДАННЫМ ГРЕНЛАНДСКОЙ СЕТИ МАГНИТНЫХ СТАНЦИЙ
Предлагается методика определения пространственного положения полярной шапки, аврорального овала и субавроральной зоны высокоширотного пространства по геомагнитным данным Гренландской цепочки магнитных станций. Принадлежность конкретной станции к одной из зон определяется по результатам работы самообучающейся классификационной искусственной нейронной сети типа слоя Кохонена. Входными параметрами для расчета служат амплитудно-частотные спектры и матрицы вейвлет-коэффициентов анализа данных сети магнитных наблюдений.
Метод определения динамики пространственного положения полярной шапки и овала полярных сияний по данным Гренландской цепочки магнитных станций можно применять к данным других подобных цепочек геомагнитных измерений. При этом возможна оценка границ полярной шапки и аврорального овала в реальном масштабе времени.
7. ПОИСК НЕЛИНЕЙНОЙ СВЯЗИ МЕЖДУ ПОЛЯРНЫМИ И СРЕДНЕШИРОТНЫМИ ТОКОВЫМИ СИСТЕМАМИ
В работе исследована связь магнитных возмущений в авроральной области и магнитного возмущения на средних и низких широтах на главной фазе геомагнитной бури. Поиском нелинейных корреляций между индексами интенсивности авроральных электроструй (AU, AL) и индексами интенсивности кольцевого тока (SYM, ASY), подтверждена известная связь западного электроджета с асимметричной частью кольцевого тока и восточного электрождета – с симметричной. Установлены характерные времена опережения в развитии магнитосферных процессов относительно ионосферных.
8. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КРИТИЧЕСКОЙ ЧАСТОТЫ ИОНОСФЕРНОГО СЛОЯ F2 МЕТОДОМ ИСКУССТВЕННЫХ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ
На основе технологии искусственных нейронных сетей разработан алгоритм прогнозирования критической частоты ионосферного слоя F2 на интервалы времени - 1 час, 2 часа, 3 часа, 12 часов и 24 часа. Дополнительное использование параметров солнечного ветра, межпланетного магнитного поля и индексов геомагнитной возмущенности при прогнозировании позволяет существенно улучшить эффективность прогнозирования.
Практическая ценность работы заключается в применении ее результатов для оперативной коррекции ионосферной модели для улучшения ионосферной коротковолновой радиосвязи.
9. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ КРИТИЧЕСКОЙ ЧАСТОТЫ ИОНОСФЕРНОГО СЛОЯ F2 ВЫСОКОШИРОТНОЙ ИОНОСФЕРЫ МЕТОДОМ ИСКУССТВЕННЫХ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ
На основе разработанной нейросетевой методики устанавливаются нелинейные корреляционные зависимости критической частоты ионосферного слоя F2 над станцией Gakona (HAARP) от ряда солнечно-магнитосферных параметров. В основу численных экспериментов положена искусственная нейронная сеть (ИНС) типа Элмана, с помощью которой выполнен прогноз значений критической частоты на интервалы от 0,5 до 3 часов. Для учета дневных и ночных особенностей поведения высокоширотной ионосферы, архитектура ИНС дополнена блоком "шлюзования" входных данных.
10. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ МАКСИМАЛЬНО НАБЛЮДАЕМОЙ ЧАСТОТЫ ИОНОСФЕРНОГО КОРОТКОВОЛНОВОГО РАДИОКАНАЛА МЕТОДОМ ИСКУССТВЕННЫХ НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ
Разработан алгоритм прогнозирования на интервал 0,5-3 часа одного из основных параметров ионосферного КВ радиоканала – максимально наблюдаемой частоты (МНЧ). Для этого использованы данные наклонного ЛЧМ зондирования, полученные на трассе Inskip (Англия) – Ростов-на-Дону. Исследования охватили временной интервал, содержащий различные геофизические условия. Установлена связь МНЧ с изменениями ключевых параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля, определяющих последовательность развития магнитосферно-ионосферных возмущений, приводящих к изменению условий КВ радиосвязи. Определены характерные времена ионосферной реакции.
Практическая ценность выполненной работы заключается в применении ее результатов для повышения надежности ионосферной КВ радиосвязи.
Функционирует регулярный научный семинар.
Подробнее о достижениях и сведениях о текущей работе лаборатории см.
