СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАЧАЛА ЦИКЛА СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ Российский патент 2024 года по МПК G01S5/00 G01S13/95 

Изобретение относится к геофизике и может использоваться в системе мониторинга окружающей среды, космического пространства, обеспечения безопасности коммуникаций и транспортных систем.

Динамика «11-летних» циклов солнечной активности описывается законом Шперера и законом Швабе - Вольфа [1]. Максимум «11-летнего» цикла солнечной активности ограничен минимумами коротковолнового излучения Солнца (фиг. 1 [2, 3]) с почти полным отсутствием пятен на Солнце и обратной динамикой потока нейтронов, регистрируемых сетью наземных нейтронных мониторов.

Ссылка на данные Бельгийской королевской обсерватории [3] обусловлена тем, что это, фактически, центр оповещений о начале цикла солнечной активности.

В США для мониторинга максимумов «11-летнего» цикла солнечной активности разработаны технологии, представленные, например, в [4]. В России для этого рекомендован ГОСТ [5]. Прогнозирование производится полиномами по данным измерений интенсивности коротковолнового излучения Солнца и наблюдений солнечного диска с учетом характеристик предыдущих циклов. При этом отсутствует методика определения начала «11-летнего» цикла солнечной активности. Сокращение количества российских астрофизических обсерваторий и санкции требуют поиска альтернативных источников информации о солнечной активности.

Для определения минимума «11-летнего» цикла солнечной активности используются зарубежные источники информации и опрос экспертов, которые ориентируются, в основном, на инструментальные измерения коротковолнового излучения Солнца, графические методы [4, 5]. Фактически диагностируется локальный среднегодовой минимум коротковолнового излучения Солнца.

Минимумы коротковолнового излучения Солнца проявляются в составе верхней атмосферы Земли [6]. Это физически обосновано и подтверждается многолетними измерениями газового состава верхней атмосферы с КА серии «Метеор» радиочастотными масс-спектрометрами РИМС-1 (с 2009 г. ) и РИМС-2 (с 2014 г. ), а с 27.06.2023 г. усовершенствованным радиочастотным масс-спектрометром [7].

Солнечно-синхронная орбита КА серии «Метеор» проходит через полярные шапки вблизи географических полюсов Земли на высоте 832 километра вблизи терминатора. Начало измерений примерно в 6 (утренний виток) и 18 часов по Московскому времени. Длительность каждого сеанса измерений - 102 минуты. Начальная точка измерений находится в северной вершине траектории на широте около 82°. За время сеанса измерений спутник совершает один полный оборот плюс еще около 30° к югу. Каждые 10 секунд проводится сканирование амплитуд ионных токов по атомным массам, всего 2 цикла или 20 секунд. Сканирование ведется в двух диапазонах - легких ионов (1-4 а.е.м.) и тяжелых ионов (4-20 а.е.м.). В [7] определена возможность измерений нейтрального состава атмосферы.

Концентрации газовых компонент измеряются в относительных единицах ионного тока в диапазоне 0-250 условных единиц (0 - 50000 ионов/см³). Точность измерений оценивается в 5000 ионов/см³. Полное количество измерений составляет примерно 340 за один сеанс. Пересечение экватора проходит примерно на долготах 100° и 280°. Солнце в этот период расположено на долготах 140° - 120°. Солнце все время освещает восточный участок траектории измерений.

Для измерения газового состава верхней атмосферы могут использоваться другие схемы зондирования, другие носители и другие анализаторы.

Целью заявленного изобретения является разработка способа определения времени начала минимума «11-летнего» цикла солнечной активности по данным зондирования концентрации газовых компонент верхней атмосферы Земли.

Для определения начала цикла солнечной активности предлагается использовать процедуру нахождения экстремальных значений зондируемых газовых компонент верхней атмосферы Земли, реагирующих на коротковолновое излучение Солнца. В анализе используется сравнительная динамика средних оценок измерений по годам, по месяцам, максимумы по месяцам, архивы измерений.

В составе структурной схемы использования данных измерений МСК для мониторинга начала «11-летнего» цикла солнечной активности предлагаются следующие основные скоммутированные элементы (фиг. 2):

1 - Группировка бортовых масс-спектрометров для измерений концентрации ионов;

2 - Пункт приема и обработки данных;

3 - АРМ с ПЭВМ на базе процессора с устройством отображения информации;

4 - Блок исходных данных, архивов, результатов зондирования, адаптируемых моделей.

Технологические особенности анализаторов газового состава определяются имеющимися ресурсами и условиями околоземного космического пространства. Обзор тенденций развития масс-спектрометров представлен в [7]. Измерения анализаторами газового состава должны проводиться на не менее одном витке в сутки, либо в выделенном широтном диапазоне.

Данные зондирования газового состава верхней атмосферы Земли в схеме фиг. 2 принимаются и обрабатываются в пунктах приема и обработки информации с использованием соответствующих технологических комплексов, конверторов и с формированием баз данных [8], рекомендаций [9].

Программное обеспечение для обработки данных целесообразно выполнить на основе процессора, серверных приложений и коммуникационной сети на основе Интернет-связи, оптоволоконной связи, линий радиосвязи. Процесс обработки многолетних данных РИМСов адаптируется под технологию нейронных сетей.

Управление технологией определения начала «11-летнего» цикла солнечной активности (команды, питание, бортовое время и т.д.) осуществляется служебными системами и оператором. Информационный обмен производится через контроллеры, которые обеспечивают сбор информации, запоминание и формирование кадра информации, подаваемого на соответствующую служебную систему.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение оперативности, точности и надежности мониторинга (с функцией прогноза) минимумов «11-летних» циклов солнечной активности по данным о концентрациях газового состава верхней атмосферы.

Технический результат заявленного изобретения достигается диагностикой минимальных оценок анализируемых характеристик в динамике разных масштабов осреднения измерений и обеспечивается:

- приемом и распознаванием не менее, чем одним анализатором синхронизированной по времени плотности газовых компонент верхней атмосферы Земли на не менее одном витке в сутки, либо по выделенным широтным диапазонам,

- раскодированием принятых сигналов,

- формированием временного ряда анализируемых параметров,

- выбором не менее одной анализируемой компоненты газового состава верхней атмосферы Земли (по тесноте связи с интенсивностью потока коротковолнового солнечного излучения),

- расчетом не менее первых двух моментов распределения концентрации анализируемой компоненты за сутки, за месяц, за год,

- формированием временного ряда рассчитанных характеристик, в том числе для статистической модели анализируемой компоненты в «11-летних» циклах солнечной активности,

- определением и фиксацией начала временного отрезка с минимальными среднегодовыми значениями концентрации анализируемой компоненты с учетом архивных значений или по сравнению с измерениями за предыдущие годы при отсутствии статистической модели измерений,

- определением и фиксацией начала временного отрезка с минимальными амплитудами максимальных выбросов среднемесячной концентрации анализируемой компоненты на фоне архивных значений или по сравнению с среднемесячными измерениями в предыдущем году для формирования тренда анализируемой компоненты,

- фиксацией начала временного отрезка минимальных среднемесячных регистрируемых концентраций анализируемой концентрации с учетом архивных значений или при сравнении с предыдущими значениями среднемесячных концентраций, при значениях ниже средней оценки предыдущих 365 измерений,

- фиксацией конца временного отрезка с минимальными среднемесячными значениями анализируемой концентрации при превышении зафиксированной в предыдущем пункте оценке по 365 измерениям концентраций,

- определением месяца в середине выделенного временного интервала с минимальным среднемесячным значением анализируемой компоненты газового состава верхней атмосферы Земли,

- фиксацией конца временного отрезка с минимальными среднегодовыми значениями концентрации анализируемой компоненты при превышении средней по 365 предыдущим измерениям концентраций ее оценки в начале зафиксированного временного отрезка,

- присвоением месяца с минимальным среднемесячным значением концентрации анализируемой компоненты газового состава верхней атмосферы Земли началу очередного цикла солнечной активности при выполнении предыдущего пункта,

- уточнением наличия разворота тренда концентрации анализируемой компоненты по моменту времени пересечения экстраполированного положения середины трубки с границами по огибающим экстремальных среднемесячных выбросов оценки среднего по предыдущим 365 измерениям,

- уточнением характеристик статистической модели данных измерений газового состава верхней атмосферы Земли, границ и критериев для диагностики минимумов в следующем цикле солнечной активности,

- оценкой времени прогнозного начала нового цикла не менее, чем через 3-5 лет после максимума солнечной активности,

- анализом соответствия прогноза о начале «11-летнего» цикла солнечной активности доступным результатам наблюдений солнечной активности и сети нейтронных мониторов,

- разработкой и передачей потребителям прогнозного заключения о начале нового цикла солнечной активности.

В качестве примера реализации способа предлагается использовать результаты определения начала 25 цикла солнечной активности по данным о концентрации иона кислорода ([О+]), который превалирует на высоте орбиты КА среди концентраций других ионов. Выбор [О+] обусловлен высоким коэффициентом корреляции с интенсивностью потока коротковолнового излучения Солнца, фиксируемого на длине волны 10,7 см - фиг. 3.

Для среднегодовых оценок измерений 2017 - 2022 г. г.на высоте орбиты КА серии «Метеор» он составил 0,93. Фотохимический цикл для иона кислорода рассмотрен в [11, 12].

Возможность экономии технологических ресурсов и потока передаваемой информации с КА позволяет рассматривать измерения и по широтным диапазонам. На фиг. 4 представлены данные измерений концентрации иона кислорода ([О+]) за утренний сеанс над северной (фрагмент «а») полярной шапкой выше 75° северной широты, в полосе ±15° от экватора (фрагмент «б») и над южной (фрагмент «в») полярной шапкой ниже 75° южной широты по данным из [8].

Фактически, на фиг. 4 показаны фрагменты графического представления статистической модели анализируемой характеристики. По оси ординат указаны условные единицы ионного тока. Условная единица [О+] соответствует примерно 200 ионам кислорода в см³. Дискретность анализируемых измерений 20 секунд.

Минимумы среднегодовых значений и огибающей годовых максимумов соответствует максимуму и минимуму 24 цикла солнечной активности для всех широтных диапазонов. По сравнению с экваториальной зоной, очевидна большая (почти в полтора раза) волатильность сезонных вариаций концентрации иона О+ в полярных шапках с минимумами концентрации полярной ночью. В 2014 г. на фрагментах заметны сложные вариации в данных измерений и сбой, обусловленный переходом с РИМС 1 на РИМС 2, и аномальное распределение данных измерений в 2013 г. В эти годы и солнечная активность, фиксируемая, например, радиотелескопами ГАС ГАО РАН по интенсивности излучения на длинах 3 и 5 см [2], тоже показала аномальные характеристики.

Для экваториального пояса в 2019 г. коэффициент вариации для утренних витков концентрации иона кислорода 1,4, для 2, 3 и 4 моментов распределения, соответственно: 25,1 условных единиц по ионному току, 0,6, 2,2 - табл. 1.

В таблице Ср<I>- это оценка среднего за год от средних за один виток в сутки токов по анализируемой компоненте в масс-спектрометре при пересечении зоны экваториального пояса. Приведены также оценки сопутствующих коэффициентов вариации, среднеквадратического отклонения, коэффициентов асимметрии и эксцесса. Обозначение «Ср ср» - это произведение горизонтальных ячеек третьей и четвертой колонок. По значению и по смыслу эта оценка близка к оценкам Ср<I>.

Среднегодовой коэффициент вариации оказался минимальным в конце 24 цикла в 2018 году, как сигнал к началу следующего цикла. Оценки Ср<I>в 2020 г. в табл. 1 получились заниженными, так как в течение года (с февраля) и особенно во второй половине года было много сбоев в функционировании КА «Метеор».

Интенсивность потока коротковолнового излучения Солнца в конце 24-го «одиннадцатилетнего» подошла к своим низким значениям в феврале 2019 года, а минимум на длине волны 10,7 см был зафиксирован 21.10.2019 г. (63,3 единицы).

Среднемесячные оценки [О+] в 2019 г. достигли минимальных значений в сентябре, а в декабре они уже превысили среднегодовые - фиг. 5.

Превышение среднегодовых оценок среднемесячными оценками фиксирует конец временного отрезка с минимальными среднемесячными оценками.

В декабре 2019 г. подтвердилась также смена тренда по среднемесячным выбросам - выход среднемесячных значений концентраций [О+] из трубки вариаций (линии 2-2* на фиг. 5). Это произошло на фоне максимума фиксируемого потока нейтронов на сети нейтронных мониторов [13].

Овалом на фиг. 5 обозначен временной отрезок с множественными сбоями в передаче данных с КА «Метеор».

Абсолютные минимумы среднесуточных (на одном витке) концентраций [О+] достигли в середине июля 2019 г. А коэффициент вариации для данных измерений 2019 г. зафиксирован в середине ноября (313 сутки).

Резкий рост коротковолнового излучения с конца 2019 г. в 25 цикле солнечной активности признан в [4] аномальным на фоне предыдущих циклов. Такая динамика лучше соответствует шаблонам прогноза по [5] при начале цикла, определенном по данным измерений РИМС. Для среднегодовых оценок [О+] минимум солнечной активности в начале 25 цикла приходится на сентябрь 2019 г.

Для измерений на утреннем витке оценки характеристик ионного тока для концентрации [О+] представлены в табл. 2. Данные таблиц 1, 2 могут использоваться для диагностики начала последующих циклов солнечной активности.

Небольшое расхождение представленной эпигноза с началом 25-го цикла солнечной активности по данным [3] обусловлено использованием за рубежом последующих наблюдений за солнечной активностью в течение нескольких месяцев, чтобы повысить надежность прогнозного заключения.

Использование данных измерений газового состава верхней атмосферы является информационной основой предлагаемого способа оценки минимума «одиннадцатилетнего» цикла солнечной активности. Использование традиционного приема нахождения минимума по первым и вторым производным анализируемых характеристик затруднено из-за не гладкости анализируемых функций (см. фиг. 5).

В анализе могут использоваться и дифференциальный метод - сравнение измерений нескольких газовых составляющих. Так для водорода и иона водорода коэффициент корреляции с интенсивностью потока на F_10,7 отрицательный, что позволяет увеличить амплитуду вариаций (Например, [О+] - [Н+]), или другого набора анализируемых компонент.

Преимущество заявленного способа оценки минимума «одиннадцатилетнего» цикла солнечной активности обусловлено диагностикой физически обоснованных параметров, связанных с солнечным излучением, использованием космических технологий, в том числе потенциальных малых и микро КА в качестве носителей анализаторов газового и ионного составов атмосферы и масс-спектрометров, формированием новых технологических решений мониторинга солнечной активности, простотой схемы оценки, оперативностью оценки, возможным использованием в расчетах технологии нейронных сетей.

Литература

!. Витинский Ю.И. Солнечная активность. 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1983. - 192 с.

2. Индексы солнечной активности, http://solarstation.ru/sun-service/indices.

3. Среднегодовые значения чисел Вольфа. Сайт Королевской обсерватории Бельгии, http://sidc.oma.be/sunspot-data/.

4. Solar Cycle Progression Updated Prediction (Experimental): Validation Document MARK MIESCH CIRES/University of Colorado, NOAA Space Weather Prediction Center Last updated: November 8, 2023. https://testbed.swpc.noaa.gov/sites/default/files/2023-11/solar cycle_experimental_prediction_validation.pdf

5. Расчеты баллистические искусственных спутников Земли. Методика расчета индексов солнечной активности. ГОСТ 25345.302-83.

6. Тертышников А.В., Кирюшов, Б.М., Богодяж С.Д. Локальные минимумы иона кислорода над полюсами земли по измерениям с КА «МЕТЕОР-2М» / Тезисы докладов «Физические основы прогнозирования гелиогеофизических процессов и событий». Симпозиум, ИЗМИРАН («Прогноз-2023», https://forecast2023.izmiran.ru/wp-content/uploads/2023/05/%D0%A1%D0%B1%D0%BE%D1%80%D0%BD%D0%B8%D0%BA_%D1%82%D0%B5%D0%B7%D0%B8%D1%81%D0%BE%D0%B2.pdf). - Троицк: ИЗМИРАН, С.85.

7. Тертышников A.B. Масс-спектрометр космический. Патент на изобретение № 2726186 по заявке № 2019121111/20(041262) от 05.07.2019 г.

8. Пополняемая база спутниковых данных ионного состава верхней атмосферы на высотах 808-835 км от поверхности Земли на 2010-2014 года (часть 1, 2). / Саморуков В.В., Кирюшов Б.М., Репин А.Ю. и др. Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2022620207 (часть 1), № 2022621368 (часть 2). ФГБУ ИПГ.

9. ГОСТ Р 50779.10-2000 Статистические методы. Вероятность и основы статистики. Термины и определения.

10. Space weather data // https://celestrak.org/SpaceData/SW-Last5Years.txt.

]). Уваров В.М., Самокиш Б.А. Электрические поля в ионосфере Земли. Численные модели. - СПб: ПГУПС.2009. С 62.

12. Уваров В.М., Лукьянова Р.Ю. Моделирование высокоширотной ионосферы с учетом влияния параметров межпланетной среды//Гелиогеофизические исследования. 2014, Вып. 7. С. 108-118.

13. NMDB Stations/www.nmdb.eu

Способ определения начала цикла солнечной активности

Подписи к фигурам.

Фиг. 1 - Характеристики 24 цикла солнечной активности по количеству пятен (а) на Солнце и их площади (б) в μhm:

1 - средние за месяц данные Бельгийской королевской обсерватории (ROB) [3],

2 - ежесуточные данные Кисловодской обсерватории ГАС ГАО РАН (KMAS) [2].

Фиг. 2 - Структурная схема комплекса использования данных о газовом составе верхней атмосферы для диагностики начала цикла солнечной активности

Фиг. 3 - Изменение среднегодовых оценок концентрации О⁺ на витке

(1 - за утренний сеанс) по ионному току (I) и среднегодового потока F_10,7 см (2, по данным [10]).

Фиг. 4 - Оценки ионного тока (I) по концентрации О⁺ за утренний сеанс:

а) над полярной шапкой выше 75° северной широты,

б) в полосе ±15° от экватора,

в) над полярной шапкой ниже 75° южной широты.

Фиг. 5 - Изменение оценок катодного тока в условных единицах прибора РИМС за утренний виток по [0+]:

1 - для среднемесячных [0+],

2-2* - границы трубки вариаций среднемесячных [О+],

3 - начало 25 цикла солнечной активности по минимальной среднемесячной [О+],

4 - среднегодовые уровни [О+],

Овал - сбои в работе передатчика КА «Метеор».

Таблицы

Способ определения начала цикла солнечной активности

Использование: изобретение относится к геофизике и может использоваться в системе мониторинга окружающей среды, контроля околоземного космического пространства. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение оперативности, точности и надежности мониторинга начала «11-летнего» цикла солнечной активности по измерениям газового состава верхней атмосферы. Технический результат достигается измерением в верхней атмосфере и диагностикой времени проявления экстремальных среднемесячных значений концентраций газовых компонент. Для уточнения прогноза используют доступные источники информации и средства наблюдений, а также архивы данных зондирования. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ определения начала цикла солнечной активности, заключающийся в том, что регистрируют не менее одним анализатором синхронизированные по времени параметры космической среды, передают данные измерений в пункты приема данных и в центр обработки с ПЭВМ оператора с устройством отображения информации, где раскодируют принятые сигналы, формируют временной ряд данных измерений, выбирают не менее одного параметра, коррелирующего с интенсивностью коротковолнового солнечного излучения, рассчитывают не менее первых двух моментов распределения анализируемого параметра за сутки, за месяц, за год, формируют временной ряд рассчитанных характеристик, фиксируют начало временного отрезка с минимальными среднегодовыми значениями анализируемого параметра с учетом архивных значений или по измерениям за предыдущий период при отсутствии статистической модели измерений, фиксируют начало временного отрезка с минимальными значениями амплитуды максимальных выбросов среднемесячной анализируемого параметра, фиксируют начало временного отрезка среднемесячных оценок анализируемого параметра, которые меньше средней оценки предыдущих 365 измерений, фиксируют конец временного отрезка с среднемесячными значениями анализируемого параметра при превышении уровня начала зафиксированного отрезка с минимальными среднегодовыми значениями, определяют месяц в середине выделенного временного интервала с минимальной среднемесячной оценкой анализируемого параметра, фиксируют конец временного отрезка с минимальными среднегодовыми оценками анализируемого параметра при превышении уровня в начале временного отрезка, в котором месяц с минимальным среднемесячным значением анализируемого параметра присваивается началу очередного цикла солнечной активности при фиксации разворота тренда оценок анализируемого параметра при пересечении середины трубки с границами из огибающих экстремальные среднемесячные выбросы анализируемого параметра средней оценки по предыдущим 365 среднесуточным измерениям, уточняют характеристики статистической модели анализируемого параметра, границ и критериев для диагностики минимумов в следующем цикле солнечной активности, определяют соответствие времени прогнозного начала нового цикла не менее, чем через 3-5 лет после максимума солнечной активности, анализируют соответствие прогноза о начале «11 -летнего» цикла солнечной активности доступным данным наблюдений с солнечных обсерваторий и сети нейтронных мониторов, разрабатывают и передают потребителям прогнозное заключение о начале нового цикла солнечной активности, отличающийся тем, что в качестве анализируемых параметров используют компоненты газового состава верхней атмосферы Земли.

2. Способ по п. 1, дополнительно отличающийся тем, что используются измерения концентраций газовых компонент по широтным диапазонам.

3. Способ по пп. 1, 2, дополнительно отличающийся тем, что анализ осуществляется по сравнению с измерениями газовой составляющей с наименьшей концентрацией на высотах орбиты КА.