КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 16-17-00121

НазваниеРазвитие физических моделей для оценки риска негативного воздействия космической погоды на технологические системы

РуководительПилипенко Вячеслав Анатольевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Геофизический центр Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2016 г. - 2018 г.  , продлен на 2019 - 2020. Карточка проекта продления (ссылка)

Конкурс№11 - Конкурс 2015 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований» (11).

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-608 - Ионосфера

Ключевые словаВозмущения геомагнитного поля, геомагнитно-индуцированные токи, УНЧ-индекс, авроральный овал, статистические модели ионосферных токов, низкоорбитальные спутники, магнитные станции

Код ГРНТИ37.15.33


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Наиболее активные проявления космической погоды, такие так возмущения геомагнитного поля и ионосферы, возбуждение геомагнитно-индуцированных токов (ГИТ) в проводящих конструкциях, нарушения устойчивой работы технологических систем, радиосвязи, радиолокации, и навигации наблюдаются в высоких широтах. Особую опасность эти факторы предоставляют для безопасной работы технологических систем в арктической зоне РФ, где проходят протяженные нефтегазопроводы, линии электропередач, и транспортные магистрали. Расчет возможных уровней ГИТ при типичных и экстремальных магнитных бурях, который может быть использован операторами сетей для принятия необходимых мер для снижения риска катастрофических последствий, является исключительно актуальной задачей. Одна из важнейших долгосрочных целей проекта - создание отечественных статистических моделей переменного магнитного поля, электрических полей и токов в ионосфере, и на их основе в конечном счете – модели геомагнитно-индуцированных токов с использованием данных мировой сети магнитометров. Параметризация модели по геомагнитным индексам и межпланетным параметрам даст возможность оценивать интенсивность ГИТ в интересующем регионе при заданных параметрах космической погоды. Статистическими методами будут оценены возможные экстремальные значения ГИТ для российского сектора. Производственные компании смогут использовать созданный в ходе реализации проекта программный комплекс, опирающийся на разработанные модели, для мониторинга и оценки возможных негативных эффектов космической погоды, прогноза уровней ГИТ, который необходим операторам сетей для принятия мер по снижению риска катастрофических последствий. Хотя в Канаде, США и скандинавских странах активно ведутся работы по созданию систем мониторинга и прогноза воздействия космической погоды на наземные технологические и спутниковые системы, они, в своем большинстве, имеют региональный характер и непосредственно не могут быть применены к региону Российской Арктики. Для усиления российской сети магнитных наблюдений в высоких широтах будут развернуты новые пункты наблюдений геомагнитного поля на одном из северных полигонов СПб филиала ИЗМИРАН. Для этого планируется приобретение магнитовариационной станции стандарта ИНТЕРМАГНЕТ, позволяющей вести регистрацию вариаций магнитного поля с высоким временным разрешением (1-5 секунд). Для высоких широтах характерно наличие резких градиентов и высокого уровня турбулентности ионосферной плазмы в области аврорального овала, что провоцирует сбои и значительно снижает устойчивость систем радиосвязи и навигационных спутниковых систем GPS/ГЛОНАСС. Это диктует необходимость усовершенствования моделей, позволяющих вести непрерывный мониторинг динамики аврорального овала. Единственным, погодно-независимым, источником детальной информации о структуре аврорального овала являются измерения на низкоорбитальных спутниках. Будет построена новая модель, основанная на эффекте наличия всплесков электромагнитных УНЧ шумов на границах аврорального овала, регистрируемых низкоорбитальными спутниками (CHAMP, Orsted, SWARM). Разработанная модель будет сопоставлена с существующими моделями аврорального овала, основанными на оптических наблюдениях, или спутниковых измерениях характеристик высыпающихся частиц. Новая модель будет сопоставлена с данными наблюдений полярных сияний сканирующими фотометрами на Шпицбергене и Кольском полуострове, и апробирована для прогнозирования ухудшения качества сигналов GPS/ГЛОНАСС на арктических широтах. Наличие нескольких взаимодополняющих моделей позволило бы надежно указывать условия, при которых для заданного региона возможны сбои в системах спутниковой навигации. Ни один из существующих геомагнитных индексов или стандартных параметров космической погоды не отражает уровень турбулентности и волновой активности в околоземной среде, хотя процессы передачи энергии в системе солнечный ветер – магнитосфера Земли носят нестационарный и турбулентный характер. Для количественной оценки интенсивности УНЧ волн - наиболее мощного электромагнитного волнового процесса в околоземной среде, назрела необходимость разработки специального геомагнитного индекса. Для оценки глобальной волновой активности и уровня магнитогидродинамической турбулентности в околоземном пространстве планируется усовершенствование ранее предложенного участниками проекта нового геомагнитного УНЧ-индекса. Для расчета наземного индекса используются данные наблюдений на глобальной сети магнитометров северного полушария, включающей более 100 станций, для характеристики уровня УНЧ турбулентности околоземного пространства привлекаются данные геостационарных и межпланетных спутников. При расчете индекса будут применены методы системного анализа для комплексного распознавания характерных УНЧ волн и иррегулярных возмущений того же диапазона на всем множестве доступных магнитограмм для последующего использования их характеристик при расчете индекса. Будет обоснована необходимость дополнения волновым УНЧ-индексом существующих моделей прогноза возмущений в высоких широтах по данным мониторинга солнечного ветра на межпланетных спутниках. Создание статистических моделей подразумевает обработку стремительно растущих потоков геомагнитных данных со спутников и обширной мировой сети наземных станций (>200) как единого целого. Разработка таких моделей сдерживается отсутствием эффективных и гибких методов автоматического выделения характерных признаков изучаемых явлений - монохроматических сигналов, широкополосных шумов, импульсов заданной формы, и т.п. Повсеместно используемые оценки спектральной мощности оказываются недостаточными для дискриминации волновых признаков. В ходе проекта планируется разработка адаптивных методов анализа временных рядов, которые будут позволять решать задачи распознавания заданных событий в самом общем случае. Моделирование логики интерпретатора-эксперта будет достигнуто путем применения математических методов на базе нечеткой логики, которые были разработаны в последнее время. Используемые в проекте методы основаны на теории дискретного математического анализа (ДМА), которая развивается участниками проекта, и успешно себя зарекомендовала в целом ряде геофизических приложений. Для анализа и дискриминации сигналов и шумов методы ДМА широко не применялись, и это впервые будет сделано в предлагаемом проекте. Помимо прикладного аспекта предлагаемых исследований, выполнение проекта потребует решения большого числа важных физических и математических задач, связанных с выяснением физической природы возмущений разных масштабов в околоземной плазме. Решение поставленной проблемы требует объединения усилий экспертов разных направлений - космофизиков, специалистов в области анализа наземных и спутниковых геофизических данных, математиков - специалистов в построении численных моделей, программистов. Именно такие специалисты собраны в настоящем проекте. Команда участников проекта объединяет как сотрудников с большим опытом работы в области космической геофизики и методов анализа данных, так и молодых перспективных исследователей. Основные результаты руководителя и членов научного коллектива в области изучения космической погоды и геомагнитной активности, заложившие предпосылки для постановки задач, сформулированных в программе работ по данному проекту, являются принципиально новыми в мировой науке (о чем свидетельствует прилагаемый отдельным файлом список из 106 публикаций коллектива за последние годы (с 2010 г.) в реферируемых научных журналах).

Ожидаемые результаты
Будут созданы статистические модели переменного геомагнитного поля, электрических полей и токов в ионосфере, и в конечном счете - геомагнитно-индуцированных земных токов с использованием данных мировой сети магнитометров с высоким временным разрешением. Будет проведена параметризация модели по геомагнитным индексам, включая новый УНЧ-индекс, что даст возможность оценивать интенсивность ГИТ в интересующем регионе при заданных параметрах космической погоды. Статистическими методами методами теории принятия оптимальных решений будут оценены возможные экстремальные значение ГИТ для регионов Российской Арктики. Производственные компании смогут использовать созданный в ходе реализации проекта программный комплекс, опирающийся на разработанные модели, для мониторинга космической погоды и прогноза уровней ГИТ, который необходим операторам сетей для принятия мер по снижению риска катастрофических последствий. Для расширения базы экспериментальных данных в приполярной зоне будут развернуты новые пункты наблюдений магнитного поля. В результате российские магнитные обсерватории расширят объем и качество предоставляющих научному сообществу данных мирового уровня. Для оценки глобальной волновой активности и уровня магнитогидродинамической турбулентности в околоземном пространстве будет усовершенствован геомагнитный УНЧ-индекс. Для расчета наземного индекса будут использованы данные наблюдений на глобальной сети магнитометров северного полушария, включающей более 100 станций и обсерваторий. Кроме того, будут привлекаться данные геостационарных и межпланетных спутников для исследования околоземного пространства. Будут разработаны методы системного анализа для распознавания характерных УНЧ волн и иррегулярных возмущений того же диапазона на всем множестве доступных магнитограмм для последующего использования их характеристик при расчете индекса. Учет такого индекса необходим для построения адекватных статистических и прогностических моделей влияния космической погоды на электромагнитное поле Земли, особенно в высоких широтах. После тщательной апробации, новый УНЧ-индекс будет предложен мировому геофизическому сообществу в качестве официального индекса Международной Ассоциации по Геомагнетизму и Аэрономии (МАГА). В ходе проекта будет построены статистические модели продольных магнитосферных и ионосферных токов и положения границ аврорального овала по данным низкоорбитальных спутников CHAMP и SWARM. Эта модель будет апробирована для прогнозирования ухудшения качества сигналов навигационных систем GPS/ГЛОНАСС на арктических широтах.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В ходе работ по проекту получены важные результаты о физической природе некоторых магнитосферно-ионосферных явлений. В частности, установлено наличие связи между границами аврорального овала и наземными ультра-низкочастотными (УНЧ) магнитными вариациями в диапазоне 1-7 мГц; выявлено соотношение между крупномасштабной квази-стационарной ионосферной токовой системой и наложенными на нее локализованными резко-нестационарными токовыми структурами; установлено соотношение связь между магнитными УНЧ флуктуациями, авроральным овалом, и вариациями фазы сигналов спутниковой навигационной системы GPS, и др. Приобретен оверхаузеровский векторный магнитометр POS-4, предназначенный для высокоточных измерений трех компонент и модуля поля в районе арктической зоны РФ. Магнитометр по своим возможностям превосходит канадский аналог dIdD и соответствует стандартам INTERMAGNET. Участниками проекта значительно усовершенствован новый “волновой УНЧ индекс” для характеристики среднечасового уровня турбулентности в системе солнечный ветер-магнитосфера-ионосфера. Для расчета глобального наземного индекса создана база данных, скорректированных на техногенные помехи, включающая наблюдения за 25 лет на всех существующих в мире магнитометрах, ведущих регулярный мониторинг геомагнитного поля. Аналогичный УНЧ индекс, характеризующий уровень низкочастотной турбулентности и волновой активности на геостационарной орбите и в солнечном ветре, рассчитан по данным спутников. Индекс уже используется в различных областях космической геофизики, в частности он включен в статистическую модель для предсказания потоков релятивистских электронов в районе геостационарной орбиты. База данных, включающая месячные ASCII файлы со значениями УНЧ индекса и основных параметров космической погоды, магнитограммы использованных станций, и графики индекса, находится в свободном доступе через специально разработанный сайт http://ulf.gcras.ru/. Для контроля устойчивости глобальных навигационных спутниковых систем GPS/ГЛОНАСС важно иметь надежные методы мониторинга положения аврорального овала. Проведенный анализ мировой сети наземных геомагнитных наблюдений показал, что магнитные шумы и волны диапазона Pc5 (периоды от минуты до десятка минут) преимущественно локализованы внутри аврорального овала, полярная и экваториальная границы которого определялись по данным УФ наблюдений на спутнике IMAGE. Показано, что в начальную фазу бури "эпицентр" спектральной мощности широкополосных Рс5 колебаний отображается внутрь аврорального овала. Во время восстановительной фазы, максимум спектральной мощности узкополосных Рс5 волн, как в утреннем, так и вечернем секторах, находится внутри аврорального овала вблизи его экваториальной границы. В качестве одного из возможных механизмов, теоретически рассмотрена генерация альвеновских колебаний силовых линий флуктуациями магнитосферного продольного тока, связывающего авроральный ионосферный электроджет и магнитосферную токовую систему. Пространственная амплитудно-фазовая структура возбуждаемых альвеновских колебаний хорошо согласуется с наблюдаемой резонансной структурой Рс5 пульсаций. На основании предложенной модели предложен дополнительный способ мониторинга аврорального овала по максимуму в широтном распределении мощности Рс5 колебаний. Наличие нескольких взаимодополняющих методов мониторинга положения овала позволит более надежно указывать условия, при которых радиотрассы систем спутниковой навигации и радиосвязи проходят через авроральный овал. Рассмотрены возмущения при начале суббури сигналов навигационной спутниковой системы GPS в высоких широтах, одновременно с данными сетей магнитометров, сканирующих фотометров и риометров. Обнаружено, что начало суббури вызывает резкий рост интенсивности вариаций фазы GPS сигналов, характеризуемой производной dTEC полного электронного содержания (ПЭС). Сопоставление 2D карт пространственного распределения спектральной мощности магнитных флуктуаций в диапазоне Pc5 и ионосферных вариаций dTEC показывает, что во время развития суббури как магнитные, так и ионосферные флуктуации, преимущественно концентрируются внутри аврорального овала. Предложено использовать сигналы спутниковых навигационных систем для изучения зарождения и пространственно-временной эволюции суббури. Используя мировую сеть магнитометров, проанализированы пространственная локализация и эволюция во времени интенсивности аврорального электроджета и вариабельности геомагнитного поля, определяемой по преобразованию Гильберта от производной поля dВ/dt, во время магнитной бури. Пространственные карты в координатах широта - местное время показывают, что области с наибольшей вариабельностью геомагнитного поля не совпадают с "эпицентрами" суббури. Также не наблюдаемся однозначного соответствия во времени между интенсивностью суббури и уровнем вариабельности поля. Моменты наибольшей вариабельности поля совпали с периодами наибольших геомагнитно-индуцированных токов (ГИТ), зарегистрированных в энергетических сетях Кольского полуострова и Карелии, вытянутых в северо-южном направлении. Подтверждено, что резкие изменения геомагнитного поля могут приводить к сбоям в работе энергосистем Кольского полуострова. Данные близких к ГИТ станциям магнитометров сети IMAGE использованы для исследования характеристик вариабельности геомагнитного поля. Векторная техника представления вариаций горизонтальной компоненты поля DB и его производной dB/dt показала гораздо большую вариабельность величины dB/dt по сравнению с DB во время магнитной бури. Количественная оценка вариабельности подтвердила, что вариации происходят в сравнимой степени как по величине, так и по направлению. Эти результаты не могут быть объяснены обычной моделью протяженного ионосферного тока и показывают важность учета полей мелкомасштабных токовых структур для расчета ГИТ. Таким образом, быстро-флуктуирующие токи локализованных ионосферных структур вызывают ГИТ как в восточно-западном, так и в северно-южном направлениях и представляют опасность для энергетических систем, вытянутых не только в восточно-западном, но и в северно-южном направлениях. По данным более чем 20 лет наблюдений геомагнитного поля на станциях сети IMAGE изучены частоты появления и пространственные масштабы экстремальных значений модуля производной горизонтальной компоненты геомагнитного поля |dВ/dt|. Показано, что наряду с возмущениями во время сильных магнитных бурь, экстремальные значения |dВ/dt| могут возникать даже вне бури. Проведенный анализ является первым этапом создания эмпирической модели экстремальных геомагнитных возмущений, потенциально опасных для промышленных электрических сетей. Проведено математическое моделирование распределения ионосферного электрического потенциала на основе решения двумерного уравнения непрерывности ионосферно-магнитосферной токовой цепи. Модельные расчеты показывают возможность эффективного проникновения электрического поля от высокоширотного источника в средние широты. Все научные результаты, полученные в отчетном году, выложены в свободный доступ на сайте http://ulf.gcras.ru/.

 

Публикации

1. Белаховский В.Б., Пилипенко В.А., Сахаров Я.А., Селиванов В.Н. Характеристики вариабельности геомагнитного поля для изучения воздействия магнитных бурь и суббурь на электроэнергетические системы Физика Земли, - (год публикации - 2017)

2. Козырева О.В., Лоренцен Д.А., Пилипенко В.А., Бэддели Л.Дж. The correspondence between dayside long-period pulsations and the open-closed field line boundary Geoscience Letters, - (год публикации - 2017)

3. Козырева О.В., Пилипенко В.А., Белаховский В.Б., Сахаров Я.А. Ground geomagnetic and GIC response to St. Patrick’s (17 March 2015) storm Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, - (год публикации - 2017)

4. Козырева О.В., Пилипенко В.А., Захаров В.И., Энгебретсон М.Ж. GPS-TEC response to the substorm onset during April 5, 2010, magnetic storm GPS Solutions, - (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1007/s10291-016-0581-6

5. Козырева О.В., Пилипенко В.А., Энгебретсон М.Ж., Климушкин Д.Ю., Магер П.Н. Correspondence between the ULF wave power spatial distribution and auroral oval boundaries Solar-Terrestrial Physics, 2016. V.2. Is.2. P.46–65 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.12737/20999

6. Лукьянова Р.Ю. Электрический потенциал в ионосфере Земли: численная модель Математическое моделирование, - (год публикации - 2017)

7. Пилипенко В.А., Белаховский В.Б., Сахаров Я.А., Селиванов В.Н., Билин В.А. Оценка вариаций геомагнитного поля, характеризующая возбуждение геомагнитно-индуцированных токов в линиях электропередач Труды Кольского Научного Центра РАН. Серия “Гелиогеофизика”, 38 (4). 31-40 (год публикации - 2016)

8. Пилипенко В.А., Климушкин Д.Ю., Магер П.Н., Энгебретсон М.Ж., Козырева О.В. Generation of resonant Alfven waves in the auroral oval Annales Geophysicae, 34, 241–248 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.5194/angeo-34-241-2016

9. Пилипенко В.А., Козырева О.В., Энгебретсон М.Ж., Соловьев А.А. ULF Wave Power Index for Space Weather Applications: A review Russian Journal of Earth Sciences, - (год публикации - 2017)

10. Лукьянова Р., Козловский А. Temperature, wind, and wave perturbations in the auroral ionosphere during sudden stratospheric warmings Proceedings of V International conference «Atmosphere, Ionosphere, Safety (AIS-2016)», ed. I.V. Karpov, Kaliningrad., 105-110 (год публикации - 2016)

11. Ягова Н.В., Лхамдондог А.Д., Гусев Ю.П., Пилипенко В.А., Федоров Е.Н. Частоты появления экстремальных значений производных по времени геомагнитного поля, потенциально опасных для промышленных электрических сетей, по данным многолетних наблюдений на сети IMAGE Труды всероссийской конференции «Гелиогеофизические исследования в Арктике», Апатиты, 19-23 сентября 2016, 81-84 (год публикации - 2016)


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В ходе работ по проекту получены важные результаты о физической природе некоторых магнитосферно-ионосферных явлений и их влиянии на наведенные токи в промышленных линиях электропередач. Решение задач по расчету и предсказанию геомагнитно-индуцированных токов (ГИТ) в технологических системах не сводится просто к «инженерному» применению результатов космической физики, а потребовало выяснения фундаментальных вопросов о физической природе некоторых магнитосферно-ионосферных явлений. В рамках экспериментальной части проекта, на обсерватории «Санкт-Петербург» установлен новый векторный компонентный магнитометр POS-4 производства лаборатории квантовой магнитометрии Уральского государственного технического университета, с GPS модулем для точной синхронизации времени. Разработано и установлено ПО для сбора данных и передачи данных в ГЦ РАН в реальном времени. Участниками проекта значительно усовершенствован новый “волновой УНЧ индекс” для характеристики среднечасового уровня турбулентности в системе солнечный ветер-магнитосфера-ионосфера. Для расчета глобального наземного индекса создана база данных, скорректированных на техногенные помехи, включающая наблюдения за 25 лет на всех существующих в мире магнитометрах, ведущих регулярный мониторинг геомагнитного поля. Аналогичный УНЧ индекс, характеризующий уровень низкочастотной турбулентности и волновой активности на геостационарной орбите и в солнечном ветре, рассчитан по данным спутников. Индекс уже используется в различных областях космической геофизики (более 100 скачиваний с сайта за 2017 г.). В частности он включен в статистическую модель для предсказания потоков релятивистских электронов в районе геостационарной орбиты. База данных, включающая файлы со значениями УНЧ индекса и основных параметров космической погоды, магнитограммы использованных станций, и графики индекса, находится в свободном доступе через специально разработанный сайт http://ulf.gcras.ru/. Для контроля устойчивости навигационных систем и радиосвязи важно иметь надежные методы мониторинга положения аврорального овала. Проведенный анализ мировой сети наземных геомагнитных наблюдений показал, что максимальная мощность ночных магнитных возмущений типа Pi2 (периоды порядка первых минут) преимущественно локализована вблизи полярной границы аврорального овала, границы которого определялись по данным УФ наблюдений на спутниках POLAR и IMAGE. На основании полученных результатов предложен дополнительный способ мониторинга ночного аврорального овала по максимуму в широтном распределении мощности Рi2 колебаний. Наличие нескольких взаимодополняющих методов мониторинга положения овала позволит более надежно указывать условия, при которых радиотрассы систем спутниковой навигации и радиосвязи проходят через авроральный овал. Данные системы регистрации геомагнитно-индуцированных токов (ГИТ) в ЛЭП Кольского полуострова и Карелии и магнитометров сети IMAGE использованы для исследования характеристик вариабельности геомагнитного поля. По данным более чем 20 лет наблюдений геомагнитного поля на станциях сети IMAGE изучены частоты появления и пространственные масштабы экстремальных значений модуля производной по времени геомагнитного поля |dВ/dt|. Наряду с возмущениями во время магнитных бурь, экстремальные значения |dВ/dt| могут возникать даже вне бури. Надпороговые значения производных компонент поля на авроральных и субавроральных станциях возникают при возбуждении Pi3 пульсаций (квазипериоды 100-1000 с). Согласно методу наложенных эпох надпороговые значения производных на субавроральных широтах регистрируются чаще всего на главной фазе магнитных бурь или при высоком уровне авроральной активности. Векторная техника представления вариаций геомагнитного поля DB и его производной dB/dt показала гораздо большую вариабельность величины dB/dt по сравнению с DB во время магнитной бури. Количественная оценка вариабельности подтвердила, что вариации геомагнитного поля происходят в сравнимой степени как по величине, так и по направлению. Таким образом, ГИТ направлены как в В-З, так и в С-Ю направлениях и представляют опасность для энергетических систем, вытянутых не только в восточно-западном, но в северно-южном направлениях. Эти результаты не могут быть объяснены простой моделью протяженного ионосферного тока и показывают важность учета полей мелкомасштабных токовых структур для расчета ГИТ. Генерация интенсивных ГИТ в значительной степени связана не с глобальными геомагнитными возмущениями большой амплитуды (магнитные бухты, главная фаза бури, начало суббури), а с локальными быстрыми вариациями сравнительно небольшой амплитуды, наложенными на глобальные возмущения. Механизмы этих быстрых локальных возмущений изучены явно недостаточно. Начало суббури вызывает резкий рост интенсивности вариаций фазы навигационных сигналов спутниковой системы GPS, характеризуемой производной полного электронного содержания (ПЭС) и резкий всплеск высыпания энергичных электронов, сопровождавшийся увеличением ПЭС до нескольких TECu. Сопоставление 2D карт пространственного распределения спектральной мощности магнитных флуктуаций в диапазоне Pc5 и ионосферных сцинтилляций ПЭС во время развития суббури показывает, что как магнитные, так и ионосферные флуктуации преимущественно концентрируются внутри границ аврорального овала, определенных по модели OVATION. Заметным проявлением космической погоды является всплеск ГИТ в наземных технологических системах, вызванный воздействием на околоземную среду межпланетных ударных волн. Используя данные со станций системы регистрации ГИТ в линиях электропередач (ЛЭП) на Кольском полуострове и в Карелии, рассмотрено воздействие на геомагнитное поле и ионосферу ударных волн, проявляющихся на земной поверхности в виде внезапного импульса SC. Во время SC кратковременный и интенсивный всплеск ГИТ с амплитудой ~30 A операторами ЛЭП воспринимается как наличие короткого замыкания в линии. Интенсивность ГИТ, вызванных SC, примерно в два раза выше, чем ГИТ во время последующей суббури, хотя амплитуда SC (~400 нТ) меньше, чем амплитуда связанной с суббурей магнитной бухты (~600 нТл). Эта факт согласуется с более высокой амплитудой |dX/dt|~180 нТ/мин во время SC по сравнению с таковой во время суббури. По комплексным наблюдениям магнитосферного и ионосферного откликов на межпланетную ударную волну, включающим помимо наземных и спутниковых магнитометров, фотометров и риометров, данные приемников глобальной навигационной спутниковой системы GPS, впервые обнаружен импульсный отклик ПЭС (~10%) на SC. Ведется работа по расширению функционала программно-алгоритмических средств для комплексного анализа обсерваторских и спутниковых геомагнитных наблюдений. Предложен новый алгоритм калибровки данных обсерваторий ИНТЕРМАГНЕТ с целью предоставления оценок среднеквадратических отклонений ошибок. Процедура калибровки задается как слабо нелинейная обратная задача, в конечном итоге обеспечивающая оценки базисных значений в трех ортогональных направлениях. Для этой обратной задачи оценивается статистика ошибок данных по двум сериям абсолютных и вариационных наблюдений. Кроме этого, была разработана программа визуализации и анализа геомагнитных данных, синхронно зарегистрированных на геомагнитных обсерваториях и спутниками Swarm (на которую получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ). Создана и развивается современная система регистрации и публикации геофизических данных с присвоением цифрового идентификатора объекта DOI (http://esdb.wdcb.ru). Данная система регистрации и публикации геофизических данных значительно облегчает связи пользователей с поставщиками данных наблюдений, способствует развитию культуры цитирования данных, предоставляя удобные механизмы для регистрации данных и их поиска. В 2017 г. система была расширена за счет присуждения DOI массивам значений ULF-индекса, рассчитанным в ходе выполнения проекта. Все научные результаты, полученные в отчетном году, выложены в свободный доступ на сайте http://ulf.gcras.ru/.

 

Публикации

1. Белаховский В.Б., Пилипенко В.А., Сахаров Я.А., Лорентцен Д., Самсонов С.Н. Geomagnetic and ionospheric response to the interplanetary shock on January 24, 2012 Earth, Planets and Space, 69:105 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1186/s40623-017-0696-1

2. Лезур В., Хомес Б., Телали А., Лаланне Х., Соловьев А. Estimating error statistics for Chambon-la-Forêt observatory definitive data Annales Geophysicae, 35, 939-952 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.5194/angeo-35-939-2017

3. Мартинес-Беденко В.A., Пилипенко В.А., Энгебретсон M., Молдвин M. Time-spatial correspondence between Pi2 wave power and ultra-violet aurora bursts Russian J. Earth Science, 17, no. 4, ES4003, 1-14 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.2205/2017ES000606

4. Пилипенко В., Козырева О., Энгебретсон М. ULF wave index database ESDB repository, GC RAS, Moscow, - (год публикации - 2017) https://doi.org/10.2205/ULF-index

5. Пилипенко В.А., Белаховский В.Б., Сахаров Я.А., Селиванов В.Н. The magnetic field variability and geomagnetically induced currents in electric power lines during magnetic storm March 17, 2003 Proceedings of Annual Seminar "Physics of Auroral Phenomena", 34-37 (год публикации - 2017)

6. Соловьев А.А., Кудин Д.В. Программа для визуализации и сравнительного анализа исходных обсерваторских и спутниковых геомагнитных наблюдений и индикаторов геомагнитной активности из базы данных ГЦ РАН -, № 2017614261 (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В работе по проекту велась работа по самым разным направлениям: расширялась экспериментальная база наблюдений за вариациями магнитного поля в РФ, анализировались данные глобальной сети магнитометров и данные единственной в РФ системы регистрации геоиндуцированных токов (ГИТ) в линиях электропередач, и разрабатывались теоретические основы новых методов анализа данных и построения глобальных моделей электродинамики ионосферы. Практически «с нуля» в Карелии вблизи Полярного круга развёрнута новая магнитная обсерватория "Белое Море", оснащённая векторным магнитометром POS-4 отечественного производства. Начиная с октября 2018 высококачественные 1-сек данные непрерывно поступают на сервер Центра Геомагнитных Данных ГЦ РАН (http://geomag.gcras.ru). Стабильные высокоточные наблюдения трех компонент и модуля геомагнитного поля соответствуют стандартам INTERMAGNET. В Международную Ассоциацию по Геомагнетизму и Аэрономии (IAGA) подана заявка на регистрацию станции с кодом WSE (White Sea). Решение поставленных в проекте задач не сводится просто к «инженерному» применению результатов космической физики для расчета ГИТ в технологических системах, а потребовало выяснения физической природы некоторых магнитосферно-ионосферных явлений. В частности, установлено наличие связи между границами аврорального овала и наземными ультранизкочастотными (УНЧ) магнитными вариациями. Магнитные шумы и волны диапазона Pc5 (периоды от минуты до десятка минут) преимущественно локализованы внутри аврорального овала вблизи его экваториальной границы, определенной по данным наблюдений авроральных электронов на спутнике DMSP. На основании полученных результатов предложен дополнительный способ мониторинга аврорального овала по максимуму в широтном распределении мощности Рс5 колебаний. Взаимодополняющие методы мониторинга положения аврорального овала (особенно наземные) важны для контроля устойчивости сигнала глобальных навигационных спутниковых систем GPS/ГЛОНАСС. Разработаны новые средства высокого уровня для визуализации и анализа пространственной-временной структуры возмущений геомагнитного поля – глобальные карты возмущений и магнитные кеограммы. Эти средства были применены для изучения тонкой структуры сложной магнитной бури (главная фаза ~17 часов) 17 марта 2015 г. (буря "Святого Патрика") и построения синергетической картины развития бури и ее влияния на наземные технологические системы. Используя мировую сеть магнитометров (>300), проанализирована эволюция во времени интенсивности и пространственной локализации аврорального электроджета и вариабельности геомагнитного поля dВ/dt во время магнитной бури. Пространственные карты в координатах широта - местное время показывают, что "эпицентр" вариабельности геомагнитного поля не совпадает с положением аврорального электроджета. Также не наблюдаемся однозначного соответствия во времени между интенсивностью суббури и уровнем вариабельности поля. Моменты наибольшей вариабельности поля совпали с периодами наибольших ГИТ, зарегистрированных в энергетических сетях Кольского полуострова. Таким образом, хотя в космической геофизике активно разрабатываются различные модели предсказания интенсивности магнитных бурь и вызванных ими геомагнитных возмущений по наблюдениям межпланетной среды, эти модели не могут быть непосредственно применены для предсказания интенсивности и положения ГИТ, описание вариабельности геомагнитного поля требует разработки отдельных моделей. Серьезным недостатком анализа наземных магнитограмм для слежения за динамикой космической погоды является неизбежная вариация магнитного отклика, вызванная постоянными изменениями местоположения станции относительно Солнца. Идеальным, но невозможным решением этой трудности, которое помогло бы разделить временные и пространственные вариации, было развертывание «стационарной» обсерватории in situ с фиксированным положением в системе солнечно-магнитосферных координат. Однако желаемый результат можно получить с помощью предложенного метода «виртуальных магнитограмм» (ВМ). ВМ реконструируется путем 2D-интерполяции данных мировой сети магнитных станций (>300). ВМ были рассчитаны для ключевых областей магнитосферы (ночная авроральная область и дневной касп) как инструмент мониторинга реакции геомагнитного поля на вариации солнечного ветра и межпланетного магнитного поля на период с 1994 г. по настоящее время. База данных ВМ, дополненная одновременными межпланетными параметрами и геомагнитными индексами, доступна через специально спроектированный сайт (http://vm.gcras.ru) для всех заинтересованных исследователей. Резкие изменения геомагнитного поля могут приводить к сбоям в работе энергосистем, вызванных геоиндуцированными токами (ГИТ). Тем не менее, в отечественной нормативной документации влияние ГИТ на надежность работы электрооборудования до сих пор не учитывается, хотя задача прогноза потенциально опасных для электрических сетей геомагнитных возмущений является актуальной именно для России из-за большой протяженности электрических сетей на авроральных и субавроральных широтах. Данные системы регистрации ГИТ Полярного Геофизического Института и Центра Энергетики Севера КНЦ РАН в линиях электропередач Кольского полуострова и Карелии, и данные магнитометров магнитометров в Скандинавии и на северо-западе РФ использованы для исследования характеристик вариабельности геомагнитного поля. Векторная техника представления вариаций горизонтальной компоненты поля и его производной показала гораздо большую вариабельность величины dB/dt по сравнению с самим геомагнитным возмущением DB. Во время магнитной бури вариации происходят в сравнимой степени как по величине, так и по направлению. Эти результаты не могут быть объяснены обычной моделью протяженного электроджета и показывают важность учета полей мелкомасштабных токовых структур. Вызываемые такими вариациями ГИТ могут быть направлены как в В-З, так и в С-Ю направлениях и представлять опасность для энергетических систем любой ориентации. Космическая погода активирует глобальные электромагнитные и плазменные процессы в околоземной среде, однако наибольший риск ГИТ связан не непосредственно с теми процессами с огромным выделением энергии, а с гораздо более слабыми, но быстрыми процессами. Изучены несколько таких быстрых процессов и их влияние на линии электропередачи на Кольском полуострове и в Карелии: межпланетные ударные волны; конвективные ионосферные вихри; импульсы на фоне суббури; и иррегулярные пульсации Pi3. Изучение по данным более чем 20 лет наблюдений геомагнитного поля на сети IMAGE показало, что наряду с возмущениями во время сильных магнитных бурь, экстремальные значения |dВ/dt|, потенциально опасные для промышленных электрических сетей, могут возникать и без бури. Выявление тонкой структуры быстрых геомагнитных вариаций во время бурь и суббурь важно не только с практической точки зрения, но и для развития фундаментальных представлений о динамике околоземного пространства. Обычно считается, что интенсивность ГИТ определяется вариациями во времени геомагнитного поля dB/dt. В системе регистрации ГИТ на Кольском полуострове и в Карелии во время геомагнитных бурь интенсивность ГИТ действительно существенно возрастает. Достаточно ли для оценки величины ГИТ информации лишь о локальной производной dB/dt? Для ответа на этот вопрос проанализирована временная и пространственная изменчивость геомагнитных и теллурических электрических полей, которая сравнивалась с имеющимися измерениями ГИТ в ЛЭП на Кольском полуострове и в Карелии. Информация о импедансах земной коры взята из результатов эксперимента по глубинному электромагнитному зондированию земной коры BEAR. Теллурическое E-поле синтезировано из вариаций геомагнитного поля, используя комплексный тензор импеданса. Проанализированы вариации геомагнитного и теллурического полей для различных космических явлений: магнитной бури и пульсаций Pi3. Сравнение спектрального состава геомагнитных, теллурических и ГИТ-вариаций показывает, что обычно используемое как мера ГИТ-возмущений временная производная от геомагнитного поля dB/dt не полностью контролирует интенсивность ГИТ. В спектре ГИТ наблюдается подавление высокочастотной составляющей по сравнению с изменениями dB/dt из-за частотно-зависимого характера геоэлектрического отклика земной коры. На основе данных многолетних наблюдений магнитных обсерваторий сети IMAGE и станций по регистрации ГИТ в ЛЭП исследованы корреляционные взаимосвязи между вариациями геомагнитного поля и ГИТ. Суточный ход среднего значения вариабельности поля |dВ/dt| и интенсивности ГИТ имеют широкий ночной максимум, связанный с электроджетом, и утренний максимум, предположительно, обусловленный интенсивными геомагнитными пульсациями типа Рс5-Pi3. Построена регрессионная линейная модель для оценки величины ГИТ по производной во времени геомагнитного поля и АЕ-индекса. Статистические распределения плотности вероятности производной геомагнитного поля и ГИТ соответствуют лог-нормальному закону, которым зачастую описывается турбулентность околоземной плазмы. На основании построенных распределений оценены вероятности экстремальных значений изучаемых величин. Рассмотрен вопрос о том, насколько высока чувствительность магнитометров низкоорбитальных спутников SWARM путем проверки их способности надежно регистрировать слабые УНЧ сигналы, которые уверенно обнаруживаются наземными станциями, на фоне аппаратурных и естественных помех. Для этого рассмотрены волновые возмущения геомагнитного поля типа Pi2 (периоды 1-2 мин), зарегистрированные одновременно магнитометрами на низкоширотных станциях и на низкоорбитальных спутниках SWARM как во время начала суббури, так и в не-суббуревые периоды. Сравнение структуры сигналов в верхней ионосфере и на земной поверхности с моделью взаимодействия МГД волн с системой ионосфера - атмосфера - Земля показывает, что ночные низкоширотные сигналы Pi2 создаются магнитосферными быстрыми магнитозвуковыми волнами. Таким образом, магнитометры спутников SWARM способны надежно регистрировать даже слабые УНЧ возмущения с амплитудой не более нескольких тысячных % от величины геомагнитного поля. Моделирование последовательности электродинамических процессов в цепи солнечный ветер – магнитосфера – ионосфера - поверхность Земли, вследствие которых могут появляться опасные ГИТ, является важной частью проекта. С целью построения модели продольных токов между ионосферой и магнитосферой проанализирован накопленный за 2015-2018 гг. массив данных измерений вариаций магнитного поля высокоточными магнитометрами на борту группировки спутников SWARM. По этим данным построены статистические карты продольных токов для различных условий космической погоды и сезонов. Карты отражают физически обоснованную структуру и эволюцию крупномасштабных продольных токов при воздействии изменяющихся условий освещенности ионосферы и параметров солнечного ветра и ММП. Для описания электродинамики полярной ионосферы используется комплекс численных моделей, который включает в себя модель глобального распределения ионосферного электрического потенциала, конвекции ионосферной плазмы и электрических полей в северном и южном полушариях. В качестве входных данных используется статистические карты продольных токов, построенные по данным спутников SWARM и предыдущих миссий. Модель высокоширотной ионосферы позволяет оперативно рассчитывать трехмерную структуру электронной плотности при различных гелио-геофизических условиях. Продолжалась разработка методов искусственного интеллекта для анализа геофизических временных рядов. Для апробации новых методов сравнивались результаты различных алгоритмов автоматического обнаружения волновых пакетов в геомагнитных записях: подход, основанный на преобразовании Фурье во временном окне (F-метод), и подход, основанный на системном анализе (т.н. DPS-метод). С помощью обоих алгоритмов определялись статистические свойства геомагнитных пульсаций Pc3 в диапазоне частот 30-80 мГц на средних широтах. Преимуществом DPS-анализа является возможность определить длительность волнового пакета. Кумулятивное амплитудное распределение, полученное с помощью F-метода, отличается для двух горизонтальных компонент: распределение H-компоненты подвержено влиянию эффекта магнитосферного резонанса и обнаруживает параболическую зависимость в логарифмическом масштабе, тогда как нерезонансная D-компонента имеет степенное распределение. DPS-метод дает почти экспоненциальный спад вероятности с амплитудой для обоих компонент. Разница между статистическими результатами двух методов, вероятно, обусловлена различными зависимостями чувствительности обнаружения от амплитуды сигнала. Все научные результаты, полученные в отчетном году, выложены в свободный доступ на сайте http://ulf.gcras.ru/.

 

Публикации

1. Агаян С.М., Камаев Д.А., Богоутдинов Ш.Р., Павельев А.С. Гравитационное сглаживание временных рядов (спектральные свойства) Чебышевcкий сборник, Чебышевcкий сборник. 2018. Т. 19. Вып. 4. С. 11–25. DOI: 10.22405/2226-8383-2018-19-4-11-25. (год публикации - 2018) https://doi.org/10.22405/2226-8383-2018-19-4-11-25

2. Богоутдинов Ш.Р., Ягова Н.В,, Пилипенко В.А., Агаян С.М. Automatic detection of ULF waves in geomagnetic records for statistical analysis Russian Journal of Earth Sciences, - (год публикации - 2019)

3. Воробьев А.В., Пилипенко В.А., Сахаров Я.А., Селиванов В.Н. Статистические взаимосвязи вариаций геомагнитного поля, аврорального электроджета и геоиндуцированных токов Солнечно-земная физика, - (год публикации - 2019)

4. Козырева О.В,, Пилипенко В.А., Белаховский В.Б., Сахаров Я.А. Ground geomagnetic field and GIC response to March 17, 2015, storm Earth, Planets and Space, Earth, Planets and Space (2018) 70:157 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1186/s40623-018-0933-2

5. Козырева О.В., Пилипенко В.А,, Соловьев А.А., Энгебретсон М.Ж. Virtual magnetograms – a tool for the study of geomagnetic response to the solar wind/IMF driving Russian Journal of Earth Sciences, - (год публикации - 2019)

6. Лукьянова Р.Ю. Численное моделирование параметров полярной ионосферы Чебышевcкий сборник, Чебышевcкий сборник. 2018. Т. 19. Вып. 4. С. 89–100. (год публикации - 2018) https://doi.org/10.22405/2226-8383-2018-19-4-91-102

7. Лукьянова Р.Ю., Богоутдинов Ш.Р. Statistical maps of field-aligned currents inferred from Swarm: Dependence on season and interplanetary magnetic field RUSSIAN JOURNAL OF EARTH SCIENCES, RUSSIAN JOURNAL OF EARTH SCIENCES, VOL. 18, doi:10.2205/2018ES000640 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.2205/2018ES000640

8. Мартинес-Беденко В.А., Пилипенко В.А., Федоров Е.Н., Нахайо Э., Яйзенгау Э. Низкоширотные Pi2 волны по наблюдениям на спутниках SWARM и наземных станциях Космические исследования, - (год публикации - 2018)

9. Пилипенко В.А., Белаховский В.Б., Сахаров Я.А., Селиванов В.Н. Воздействие магнитной бури 7-8 сентября 2017 года на электроэнергетическую систему Труды Кольского Научного Центра РАН. Гелиогеофизика, Выпуск 4. T. 5(9). С. 29-35 (год публикации - 2018)

10. Пилипенко В.А., Козырева О.В., Lorentzen D.A., Baddeley L.J. The correspondence between dayside long-period geomagnetic pulsations and the open-closed field line boundary Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics 170 (2018) 64–74 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1016/j.jastp.2018.02.012

11. Ягова Н.В., Пилипенко В.А., Федоров Е.Н., Лхамдондог А.Д., Гусев Ю.П. Геоиндуцированные токи и космическая погода: Pi3 пульсации и экстремальные значения производных по времени горизонтальных компонент геомагнитного поля Физика Земли, Физика Земли. 2018. № 5. С. 89-103. DOI: 10.1134/S0002333718050137 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1134/S1069351318050130


Возможность практического использования результатов
Резкие изменения геомагнитного поля могут приводить к сбоям в работе энергосистем, вызванных геоиндуцированными токами (ГИТ). Тем не менее, в отечественной нормативной документации влияние ГИТ на надежность работы электрооборудования до сих пор не учитывается, хотя задача прогноза потенциально опасных для электрических сетей геомагнитных возмущений является актуальной именно для России из-за большой протяженности электрических сетей на авроральных и субавроральных широтах. Анализ данных системы регистрации ГИТ Полярного Геофизического Института и Центра Энергетики Севера КНЦ РАН в линиях электропередач Кольского полуострова и Карелии, и данные магнитометров в Скандинавии и на северо-западе РФ показал, что во время магнитной бури вариации магнитного поля происходят в сравнимой степени как по величине, так и по направлению. Эти результаты не могут быть объяснены обычной моделью протяженного электроджета и показывают важность учета полей мелкомасштабных токовых структур. Вызываемые такими вариациями ГИТ могут быть направлены как в В-З, так и в С-Ю направлениях и представлять опасность для энергетических систем любой ориентации. Воздействие межпланетной ударной волны на околоземное пространство вызывает кратковременный и интенсивный всплеск ГИТ с амплитудой до ~30 A, который операторами ЛЭП может восприниматься как наличие короткого замыкания в линии. Разработанный УНЧ индекс лучше, чем какой-либо из известных геомагнитных индексов, соответствует динамике магнитосферных релятивистских электронов в области геостационарной орбиты, представляющих основную опасность для спутниковой электроники. УНЧ-индекс включен в статистическую модель для предсказания потоков релятивистских электронов в районе геостационарной орбиты (Simms et al., J. Geophys. Res. Space Physics, 2016).