CC BY
9ЗАГАДКА ЦУНАМИ: ЗЕМНЫХ И КОСМИЧЕСКИХ (15 лет спустя)
Валерий Игнатьевич Козлов,
доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института космо-
физических исследований и аэрономии им. Ю. Г. Шафера
СО РАН - обособленного подразделения ФИЦ «Якутский научный центр СО РАН», г. Якутск
Введение
В 2006 г, т.е. 15 лет тому назад, в журнале «Наука и техника в Якутии» была опубликована моя статья с похожим названием [1]. Статья была посвящена общности происхождения Цунами земных и космических. В интернет-коммуникаторе «Researcl^Gate», т.е. среди профессионалов, прежде всего, эта статья за пару последних лет набрала наибольшее число читателей (более 150) среди всех моих научных публикаций (а их около 100). Эта история имела необычное продолжение, связанное, как оказалось, с всё возрастающим интересом к природе экстремальных событий космической погоды.
Действительно, именно экстремальные события космической погоды наносят ощутимый урон системам жизнеобеспечения в ближнем Космосе, в атмосфере и на Земле. В первую очередь, это связано со значительным возрастанием так называемых «штормовых» частиц, предваряющих приход межпланетных ударных волн на орбиту Земли, и последующих затем эффектов больших геомагнитных бурь, или супербурь. Следует заметить, что именно природе экстремальных событий космической погоды был посвящён мой устный доклад на проходившей в феврале 2021 г. конференции «Физика плазмы в солнечной системе» в ИКИ РАН [2].
Анализ «хвостов» функции распределения, как эффективный метод обнаружения переходного режима к условной «катастрофе»
Целью работы является изучение переходного режима в окрестности фронта крупномасштабного возмущения солнечного ветра - межпланетной ударной волны, по исследованию особенностей флуктуаций
В. И. Козлов DOI: 10.24412/1728-516Х-2021-1-42-46
космических лучей, обусловленных групповым или коррелированным поведением галактических космических лучей (ГКЛ). Выделение коррелированных флуктуаций или «пучков» частиц космических лучей из Гауссова «шума» позволило бы использовать их в качестве предвестников крупномасштабного возмущения солнечного ветра. То, что характер предвестника явно не Гауссов, допускает корреляции на сколь угодно больших пространственно-временных масштабах. Следовательно, анализ «хвостов», т.е. высших моментов функции распределения, может оказаться достаточно информативным в задаче обнаружения переходного режима в окрестности межпланетной ударной волны.
С другой стороны, из вероятностной теории разрушения сплошных сред (и теории надёжности) известно, что обобщённая (трёхпарамет-рическая в общем случае) функция распределения Вейбулла-Гнеденко описывает выход системы на предельный критический режим [3]. Таковым можно считать в нашем случае переходный режим в окрестности фронта межпланетной ударной волны, причём независимо от условий её формирования в солнечном ветре. Максимум функции интенсивности отказов, или максимум «функции риска» есть, по сути, вероятность достижения критического значения анализируемой переменной, в данном случае, - интенсивности космических лучей [4].
О кумулятивной природе экстремальных событий космической погоды
Результаты применения способа вероятностной идентификации переходного режима в окрестности крупномасштабного возмущения
солнечного ветра на примере известного экстремального события в октябре 2003 г. представлены на рис. 1. Кроме экстремального понижения интенсивности ГКЛ 28-31.Х.2003, в анализируемый период зарегистрировано также два события средней величины: 21-22.Х.2003 и 24-25.Х.2003. Всем этим трём событиям в параметре флуктуаций предшествуют предвестники: 20.Х.2003, 23.Х.2003 и 26-27.Х.2003. Предвестник от 20.Х.2003 отражает начало быстрого роста активной области (АО) № 484. На момент появления указанной области из-за восточного края солнечного диска 18.Х.2003 она была едва заметной, но, начиная со следующих суток, 19.Х.2003, началась её быстрая активизация: 19-20.Х.2003 были зарегистрированы большие вспышки класса М1 и Х1.
ко во времени, но и по частоте. Для этого рассмотрим все события в целом, за месячный интервал времени (с 16.Х.2003 по 14.XI.2003) по данным ст. Тикси. В результате получены указания на важную роль процесса нелинейного укручения вариации ГТС: вариация с периодом ~4 сут. трансформируется в осцилляцию с меньшим периодом ~2 сут., но с большей амплитудой (рис. 2).
■-- - _ ^ _ . _: - :
А / -
1 ; 1
ШНШШШШНУШШ/Ш
Рис. 1. Результаты расчёта параметра флуктуаций галактических космических лучей с 01.Х.2003 по 30X2003 по 5-минутным данным мировой сети высокоширотных станций космических лучей. По оси ординат: шкала справа (сплошная кривая) -значения параметра флуктуаций ГКЛ; шкала слева (пунктирная кривая) - скорость счёта в импульсах за 5 минут (усреднённая за 12 часов) по данным нейтронного монитора ст. Оулу (Финляндия). Значения параметра, заключённые в интервале 0,35<Р<0,60- область «космического шума». По оси абсцисс - дата (год, месяц, день, час)
Последующие низкие значения параметра флук-туаций 21.Х.2003, 24.Х.2003 и 28-30.Х.2003 констатируют факт диагностики прогнозируемых событий, т.е. регистрацию резких и глубоких понижений в интенсивности ГКЛ (эффектов Форбуша). Гигантское понижение интенсивности ГКЛ 28-30.Х.2003 обусловлено, скорее всего, кумулятивным эффектом в околоземном магни-топлазменном токовом слое (гелиосферном токовом слое - ГТС) от серии мощных выбросов корональной массы (СМЕ), обусловленных большими и очень большими вспышками в анализируемый период класса М1-М7 и Х10- Х17.
Представляет интерес исследование эволюции или динамики вариаций параметра флуктуаций ГКЛ не толь-
Рис. 2. Иллюстрация в космических лучах процесса нелинейного укручения осцилляций магнитоплазменного токового слоя с 16X2003 по 14.XI.2003 по результатам вейвлет-анализа.
Осцилляция на диаграмме периодов выделена цветом. В осцилляциях явно выражен тренд в высокочастотную область: систематическое смещение периода вариаций в сторону меньших периодов (от 4 до 2 сут.). Справа - глобальный спектр осцилляций в целом за анализируемый период. Внизу - огибающая амплитуд осцилляций в относительных единицах
Вывод о появлении осцилляций следует из явно выраженной «монохроматичности» вариации (она выделена цветом на диаграмме периодов), причём с явным трендом в высокочастотную область. Наблюдается систематическое смещение периода вариаций ГТС в сторону меньших периодов, и так, вплоть до момента расщепления спектральной «линии» осцилляций, который хорошо заметен на диаграмме развёртки спектра во времени в средней части (см. рис. 2). В итоге, процесс развития осцилляций завершается регистрацией экстремальной по мощности ударной волны (рис. 3). В серийных событиях, аналогичных экстремальным событиям Х.2003, довольно сложно, а то и просто невозможно отождествить доминирующий источник активности: в это время на видимой части солнечного диска были зарегистрированы 3 мощных активных области (№ 484, 486, 488). В подобных случаях определяющую роль играют нелинейные эффекты, приводящие к укручению осцилляций в магнитоплазменном токовом слое: своеобразный аналог «космического цунами» в ГТС [1].
Наибольшее по амплитуде (с начала XXI в.) гигантское понижение интенсивности галактических космических лучей 28-30.Х.2003 сопровождается не
Дисперсия ммп и вг *1»игтон4пт»
Скорость и плотность плазмы
ш петчк протонов t ан«рси»й -1 м»в
hnpiVrwvrtf.l rl лаНес h. е du№C HASC Л i v «42f
Рис. 3. Дисперсия и Bz-компонента межпланетного магнитного поля, скорость и плотность плазмы солнечного ветра, а также поток «штормовых» частиц - низкоэнергичных протонов (на примере частиц с энергией ~1 МэВ) по данным измерений на космическом аппарате США, ACE с 1.Х.2003 по 30.X.2003
693 или 696), то предвестник от 6.Х1.2004 (рис. 4) можно уже определённо отнести к практически единственному источнику (АО 696). В отличие от событий в октябре 2003 г. (когда наблюдались три мощных активных области), в событиях первой декады Х1.2004 доминировал один источник - АО 696. В это время были зарегистрированы по меньшей мере три вспышки класса Х, сопровождавшиеся серией мощных выбросов коро-нальной массы [5].
Взаимодействие серии ударных волн на орбите Земли и в этом случае проявилось в регистрации характерных осцилляций: в характеристиках межпланетного магнитного поля и параметрах солнечного ветра, а также в потоке «штормовых» частиц (рис. 5). В космических лучах эта осциллирующая структура проявилась в виде двухступенчатого профиля эффекта Форбуша 7-10.XI.2004 с амплитудой 7-8 % (см. рис. 4), сопровождавшегося супер-бурей 7-10.XI.2004. Предвестник в параметре флуктуаций галактических космических лучей зарегистрирован одновременно с началом возрастания низкоэнергичных («штормовых») частиц 6.Х1.2004, т.е. за одни сутки до начала фазы понижения в интенсивности ГКЛ 7.Х1.2004. Предвестник второй фазы эффекта Форбуша зарегистрирован 9.Х1.2004, в начале второй фазы понижения в интенсивности ГКЛ (см. рис. 4).
Одна из самых больших магнитных бурь, но уже в новом 24 цикле (http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dst_ ргс^юпа1/201506/^ех.Мт1), была зарегистрирована 22-23.VI.2015. Достаточно мощным оказался и эффект Форбуша 22.VI.2015, предвестник которого был
менее экстремальным радиационным штормом и супер-бурей, что подтверждается регистрацией в третьей декаде октября 2003 г. значительного потока штормовых частиц в широком интервале энергий (в том числе и протонов с энергией ~1 МэВ). Это следует из данных измерений на американском космическом аппарате АСЕ: максимальная величина потока достигается непосредственно перед эффектом Форбуша 28-30.Х.2003 (см. рис. 3). Вертикальными стрелками показано местоположение предвестников. Видно, что предвестники предшествуют всем пяти возрастаниям низкоэнергичных частиц, в том числе и для относительно небольшого события 5 октября 2003 г. В это время (5-6.Х.2003) Земля вошла в высокоскоростной поток или «струю» солнечного ветра из корональной дыры. Это является хорошей иллюстрацией того, что предвестники регистрируются как перед вспышечными ударными волнами, так и перед высокоскоростными потоками или «струями» солнечного ветра.
Не менее ярким случаем, подтверждающим кумулятивную природу экстремальных событий космической погоды, может служить и супер-буря 7-9.XI.2004. В интервале 3-10.XI.2004 были зарегистрированы вспышки класса М и Х, сопровождающиеся серией (порядка ~10) мощных выбросов корональной массы - СМЕ. Если первый предвестник (30-31X2004) сложно отнести конкретно к какой либо активной области (№ 691,
9 Mfe^-^-S&i
I
■Е2ГЖ"
L
—
fjt. ä а § я я я я я i s я я я t я я
шшшшшишшш/ш
! ' : ' : i i ; i f t м т ; ; i I I м i I i
"Шг J
Iii IMI
i
; S л ± а
Рис. 4. Результаты расчёта параметра флуктуаций галактических космических лучей с 17.Х.2004 по 15.XI.2004 по 5-минутным данным мировой сети высокоширотных станций космических лучей. По оси ординат: шкала справа (сплошная кривая) -значения параметра флуктуаций ГКЛ; шкала слева (пунктирная кривая) - скорость счёта в импульсах за 5 минут (усреднённая за 12 часов) по данным нейтронного монитора ст. Оулу (Финляндия). Значения параметра, заключённые в интервал 0,35<Р<0,б0 - область «космического шума». По оси абсцисс - дата (год, месяц, день, час)
Дисперсия ММП H Bü - компан»нта
ЧУ
Скорость н плотность плазмы
у г-ц
rVN/Vs
-1--1---Г- —с- —Г -т - "Г
Поток протонов с энергией -1 MsB
18+ Ж
ВРЕМЯ; 17,10.2004 -15,11.3004
hHprJ№ww.irl. «fltach Л du/AC EJ ASCf I e v e 12/
Рис. 5. Дисперсия и Bz-компонента межпланетного магнитного поля, скорость и плотность плазмы солнечного ветра, а также поток «штормовых» частиц - низкоэнергичных протонов (на примере частиц с энергией ~1 МэВ) по данным измерений на космическом аппарате США, ACE с 17.X.2004 по 15.XI.2004
зарегистрирован 18.VI.2015 (рис. 6). Как и в предыдущих событиях, значительная амплитуда данного события обусловлена, скорее всего, кумулятивным эффектом взаимодействия догоняющих друг друга ударных волн от серии мощных выбросов корональной массы, вызванных целой серией больших вспышек (https:// spaceweather.com/archive.php?day=21&month=06&year= 2015&view=view) класса М1, М3 и М6 с 20-22.VI.2015.
Сложный характер взаимодействия ударных волн следует как из данных измерений на космическом аппа-
iiiiissisitimtiiisaiii BÉB Sil
//шшж/жшшшжш
Рис. 6. Результаты расчёта параметра флуктуаций галактических космических лучей с 25.V.2015 по 23.VI.2015 по 5-минутным данным мировой сети высокоширотных станций космических лучей. По оси ординат: шкала справа (сплошная кривая) -значения параметра флуктуаций ГКЛ; шкала слева (пунктирная кривая) - скорость счёта в импульсах за 5 минут (усреднённая за 12 часов) по данным нейтронного монитора ст. Оулу (Финляндия). Значения параметра, заключённые в интервале 0,35<P<0,60 - область «космического шума». По оси абсцисс - дата (год, месяц, день, час)
рате АСЕ (рис. 7), так и из результатов модельных расчётов (рис. 8), проведённых в Goddard Space Weather Lab (США) по данным измерений на космических аппаратах Stereo-A и Stereo-B за 22.VI.2015. Земля обозначена справа от диска Солнца светлым кружком на горизонтальной оси. И в данном случае явно выраженный двухступенчатый профиль параметра флуктуаций ГКЛ с 20.VI.2015 на 21.VI.2015 и с 21.VI.2015 на 22.VI.2015 является маркером регистрации прихода «спаренной» ударной волны на орбиту Земли 22.VI.2015. Это подтверждается характерным профилем возрастания «штормовых» частиц: возрастание частиц начинается за 1 сутки (21.VI.2015) до регистрации ударной волны на орбите Земли 22.VI.2015 (см. рис. 7).
Заключение
Вполне вероятно, что природа всех трёх, наиболее мощных супер-бурь 30-31.X.2003, 7-9.XI.2004 и 21-22.VI.2015 имеет общее, кумулятивное происхождение как результат взаимодействия догоняющих (в среде с убывающей «раз за разом» плотностью) друг друга ударных волн (см. также [6]). В этом случае определяющую роль играют нелинейные эффекты, приводящие к укручению осцилляций в магнитоплазменном токовом слое - своеобразный аналог «космического цунами» в гелиосферном токовом слое. В таком случае, вряд ли имеет смысл искать ту «единственную» гигантскую вспышку, которая могла бы привести к любой из приведённых выше супер-бурь.
Полученный в данной работе вывод о важной роли кумулятивного эффекта от серии (догоняющих друг
ит
Дне Персия ММП и 6г - гомпонакга
1 *
<я 1 ■ * ' L. . L ,L. J i _---L-1 -j-«--j-- - L . ' Л J.I. . L. ^ ■ _jjgJj
Г 1 11 I1 Р —[-1-1---1-р—1—гт г .. ... .:.. .л л . L-
Скорость и плотность платы
: ж Л 4J
: г -1-1-1-1-г-1-1-1-г i V л -Ч—t*— - - ^
а. Ъ
г =
V —
о
Поток ПР0ГЩ106 С энергией - 1 МэВ
-I-,-.-1-1-1-,-1-Г-
Hi
I ч!
J_■ ■ - *
_l___i_._I_л_I_,_1_._I_»_■_i_t_,_L _i_._I___i2
IK 160 i
ВРЕМЯ: 25.05.3015 -23.062015
hupriiwto. i H.caihtti,» ddfAcEJftSCii* v*KJ
Рис. 7. Дисперсия и Bz-компонента межпланетного магнитного поля, скорость и плотность плазмы солнечного ветра, а также поток «штормовых» частиц - низкоэнергичных протонов (на примере частиц с энергией ~1 МэВ) по данным измерений на космическом аппарате США, ACE с 25.V.2015 по 23.VI.2015
друга) ударных волн подтверждается и другими исследователями: в частности, данными непосредственных наблюдений взаимодействия ударных волн от серии мощных выбросов корональной масссы на космических аппаратах [7]. Очевидно, что распространение ударных волн (в среде, с раз за разом уменьшающейся плотностью) приводит к кумулятивному эффекту усиления ударных волн на орбите Земли и последующему экстремальному событию в космической погоде, в частности, к наиболее опасному усиленному потоку так называемых «штормовых» частиц в широком интервале энергий: от десятков КэВ до десятков МэВ (рис. 3, 5, 7).
Рис. 8. Анимационная схема динамики экстремального события 22.VI.2015-
«спаренной» ударной волны от активной области из района центрального меридиана Солнца на основе модельных расчётов Goddard
Space Weather Lab по данным измерений на космических аппаратах США, Stereo-A и Stereo-B. Земля обозначена кружком на горизонтальной оси справа от диска Солнца
Список литературы
1. Козлов, В. И. Загадка цунами : земных и космических / В. И. Козлов // Наука и техника в Якутии. -2006. - № 2 (11). - С. 58-63.
2. Козлов, В. И. О кумулятивной природе экстремальных событий космической погоды. Оценка достоверности результатов / В. И. Козлов // Физика плазмы в солнечной системе : тезисы устного доклада на 16 Конференции ИКИ РАН. - Москва, 2021. - С. 267.
3. Айвазян, С. А. Прикладная статистика. Основы моделирования и первичная обработка данных / С. А. Айвазян, И. С. Енюков, И. Д. Мешалкин. - М. : Изд-во «Финансы и статистика», 1983. - 313 с.
4. Козлов, В. И. Параметр флуктуаций галактических космических лучей - индикатор степени неоднородности магнитного поля / В. И. Козлов, В. В. Козлов // Геомагнетизм и аэрономия. - 2011. - Т. 51, № 2. -С. 191-201.
5. Yermolaev Yu.I., Zelenyi L.M., Zastenker G.N. et al. A Year Later: Solar, Heliospheric, and Magnetosphere Disturbances in November 2004 / Yu.I. Yermolaev, L.M. Zelenyi, G.N. Zastenker et al. // Geomagnetism and Aeronomy. - 2005. - V. 45. № 6. - P. 723-763.
6. Scolini Camilla, Chane Emmanuel, Temmer Manuela, - Kilpua Emilia et al. CME-CME Interactions as Sources of CME Geoeffectiveness: the Formation of the Complex Ejecta and Intense Geomagnetic Storm in 2017 Early September / С. Scolini, E. Chane, M. Temmer, E. Kilpua // Astrophysical Journal Supplement Series. -247:21 (27pp). - 2020- March. https://doi.org/10.3847/1538-4365/ab6216.
7. Lumme , Kilpua Emilia, Palmerio Erika et al. Multipoint Observations of the June 2012 Interacting Interplanetary Flux Ropes / E. Lumme, E. Kipulla, E. Palmerio //Astronomy and Space Science. - July 2019. -DOI: 10.3389/fspas.2019.00050.
