Проявление гелиогеофизической возмущенности в среднеширотном индексе ионосферной активности

Проявление гелиогеофизической возмущенности в среднеширотном индексе ионосферной активности

Бархатова О.М. (1),  Додонова И.А. (1,2),   Косолапова Н.В. (2)

1. Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет
2. Нижегородский государственный педагогический университет им. К. Минина

Усовершенствована ранее разработанная нами методика классификации ионосферной возмущенности и индекса ионосферной активности IAI на основе ионосферных данных, полученных со станций вертикального зондирования ионосферы: Москва (55° с.ш., 37° в.д.), Свердловск (56° с.ш., 60° в.д.) и Томск (56° с.ш., 85° в.д.), расположенных вдоль одной широты в продолжение цикла солнечной активности 1975 – 1986 гг. На основе установленных границ классов для каждой из станций был вычислен индекс ионосферной активности IAI. Установлена связь солнечно-магнитосферных параметров с индексом IAI и проведена оценка степени вклада каждого из параметров в значения индекса. Разработана методика оперативной диагностики состояния среднеширотной ионосферы от уровня гелиогеофизической активности. Основой для данной методики послужили нейросетевые технологии. В ходе проведенных экспериментов получеа оптимальная конфигурация нейронной сети, установлены наиболее эффективные входные параметры. Максимальная эффективность нейросетевого восстановления значений индекса IAI составила 75%.

1. Используемые данные и их обработка

Оценка уровня ионосферной возмущенности была проведена на основе анализа данных станций вертикального зондирования, расположенных вдоль одной широты – Москва (55° с.ш., 37° в.д.), Свердловск (56° с.ш., 60° в.д.) и Томск (56° с.ш., 85° в.д.) за полный цикл солнечной активности с 1975 по 1986 гг. Пропуски значений критических частот заполнялись методом интерполяции кубической функцией. Для оценки уровня возмущенности авроральной области использовался индекс AE. Уровень глобальной геомагнитной возмущенности оценивался на основе значений индекса Dst, уровень геомагнитной возмущенности на конкретной станции – с помощью значений горизонтальной компоненты геомагнитного поля (MF), а уровень текущей солнечной активности – с помощью значений длинноволновой части рентгеновского излучения (XL) в диапазоне 1–8 Å. Дискретность всех используемых данных составляла 1 час.

На основе оригинальных значений критических частот были вычислены значения индекса ионосферной активности IAI для каждой из рассматриваемых станций. Методика создания индекса IAI подробно описана в [Barkhatova O.M., Levitin A.E., Dodonova I.A., Kosolapova N.V. Classification of ionospheric disturbances at mid-latitudes on long-term observations. Proc. of 34th Annual Seminar "Physics of auroral phenomena", Apatity, 1-4 March 2011, PGI KSC RAS, P. 125-128; Бархатов Н.А., Бархатова О.М. Выявление классов ионосферной возмущенности по многолетним данным о критической частоте слоя f2. Геомагнетизм и аэрономия, 2012, Т. 52 (прошла рецензирование)]. Анализ зависимости уровня ионосферной возмущенности от указанных выше гелио-геофизических параметров потребовал введения классификации реальных значений этих параметров.

Для индекса AE, значении которого неотрицательны, было введено 5 классов, соответствующих различному уровню авроральной возмущенности. Каждому из полученных классов было присвоено значение от 0 до 4 по аналогии с индексом IAI. Граничные значения индекса AE для указанных классов выбирались на основе анализа его значений для года минимума (1975) и максимума (1982) рассматриваемого цикла солнечной активности. Отметим, что авроральные возмущения со значениями индекса AE менее 500 нТл считались фоновыми. Остальные возмущения были условно разделены на классы, причем каждому новому классу соответствовало увеличение значений индекса AE на 300 нТл. В результате был получен новый параметр CAE (classificated AE), значения которого впоследствии сопоставлялись со значениями индекса IAI.

По аналогичной схеме была проведена классификация значений длинноволнового рентгеновского излучения (XL). Для выделения фонового уровня здесь было выполнено удаление среднего значения рассматриваемой последовательности данных. Это привело к возникновению малых отрицательных значений в очищенной последовательности XL, которые принимались за значения фонового (нулевого) уровня. Остальные возмущения были разделены на классы, которым присваивалось значение от 1 до 4. Каждому новому классу соответствовало увеличение интенсивности излучения XL в 3 раза. Таким образом, был получен новый параметр CXL (classificated XL).

Классификация значений горизонтальной компоненты геомагнитного поля проводилась по методике, аналогичной классификации ионосферной возмущенности, т.е. были определены максимальные и минимальные значения горизонтальной компоненты в международные спокойные и возмущенные дни для 1975 и 1982 гг. Отметим, что из данных горизонтальной компоненты было произведено предварительное вычитание среднего значения. На основе этих значений удалось выделить 7 классов магнитной возмущенности и ввести новый параметр CMF (classificated MF), характеризующий текущую магнитную возмущенность на рассматриваемой станции.

В таблице 1 указаны диапазоны значений для каждого из полученных, на основе которых были введены классы, аналогично классам ионосферной возмущенности.

Таблица 1.

2. Исследование долготной зависимости ионосферной возмущенности

В работах [Barkhatova O.M., Levitin A.E., Dodonova I.A., Kosolapova N.V. Classification of ionospheric disturbances at mid-latitudes on long-term observations. Proc. of 34th Annual Seminar "Physics of auroral phenomena", Apatity, 1-4 March 2011, PGI KSC RAS, P. 125-128; Бархатов Н.А., Бархатова О.М. Выявление классов ионосферной возмущенности по многолетним данным о критической частоте слоя f2. Геомагнетизм и аэрономия, 2012, Т. 52, (прошла рецензирование)] был вычислен индекс ионосферной активности IAI для станции Москва и проведено его сопоставление с авроральной возмущенностью, характеризуемой индексом AE, и глобальной геомагнитной возмущенностью, характеризуемой индексом Dst. Это сопоставление дало хорошие результаты, что свидетельствовало об адекватности предложенного индекса анализируемой возмущенности. Однако рассмотрение данных по одной станции, по нашему мнению, недостаточно для исследования особенностей введенного индекса. С целью проверки созданной классификационной методики, рассмотрены данные, полученные на станциях вертикального зондирования ионосферы, находящиеся на одной широте со станцией Москва (55° с.ш., 37° в.д.), но на разных долготах. В течение исследуемого интервала (1975 – 1982 гг.) оказались доступны данные со станций Свердловск (56° с.ш., 60° в.д.) и Томск (56° с.ш., 85° в.д.).

На первом этапе исследования была проведена классификация очищенных критических частот (ОКЧ), включающих в себя только возмущения ионосферного слоя F2 по методике. В основе этой классификации лежат диапазоны значений ОКЧ, для которых вводятся значения индекса IAI. В таблице 2 приведено соответствие полученных диапазонов значений ОКЧ классам ионосферной возмущенности и значениям индекса IAI для каждой из рассматриваемых станций.

Таблица 2

На рис. 1 показано соответствие значений вариаций ОКЧ установленным классам ионосферной возмущенности на станциях Москва, Свердловск и Томск.  Оно представлено в виде кривых, построенных по значениям верхних и нижних границ ОКЧ в пределах установленных классов ионосферной активности. Согласно данным таблицы 2 и рис. 1 установленные границы классов ионосферной активности для рассматриваемых станций отличаются незначительно. Это может означать, что уровень возмущенности среднеширотной ионосферы на фиксированной широте наблюдения не зависит от долготы. Следовательно, выделенные классы для станции Москва могут успешно применяться при сепарации уровня ионосферной возмущенности на любых станциях вертикального зондирования, находящихся на той же широте.

Рис. 1. Соответствие значений вариаций ОКЧ (МГц) установленным классам ионосферной возмущенности на станциях Москва, Свердловск и Томск. Верхние кривые, построенны по значениям верхних ОКЧ в пределах установленных классов; нижние кривые – по значениям нижних границ ОКЧ

На втором этапе исследования долготной зависимости ионосферной возмущенности был вычислен индекс ионосферной активности IAI для каждой из рассматриваемых станций.

3. Оценка степени влияния солнечно-магнитосферных параметров на индекс IAI

В качестве основных солнечно-магнитосферных параметров, оказывающих заметное влияние на уровень возмущенности среднеширотной ионосферы, были выбраны: индекс AE, интенсивность длинноволнового рентгеновского излучения (XL) в диапазоне длин волн 1–8 Å и горизонтальная компонента геомагнитного поля на каждой рассматриваемой станции. Для определения факта связи рассматриваемого параметра с индексом IAI оригинальные значения всех указанных параметров были подвергнуты классификационной индексации (см. п. 2).

Прежде чем приступить непосредственно к оценке степени влияния того или иного параметра на индекс IAI, из значений каждого индекса необходимо удалить все регулярные явления с целью избежать их наложения на искомые эффекты. Такое регулярное явление как проход терминатора не может быть удалено из значений индекса IAI в рамках методики его создания, т. к. время восхода Солнца меняется в зависимости от сезона. Для обнаружения эффекта прохода терминатора в значениях IAI по значениям солнечного зенитного угла для каждой рассматриваемой станции было определено время ежедневного восхода. Далее рассматривался временной интервал от 2 часов до восхода и 2 часов после. Для каждого часа рассматриваемого интервала было проведено суммирование значений IAI в течение года. Результаты такого суммарного индекса IAI, вычисленного на станции Москва за период с 1975 по 1982 г представлены на рис. 2.

Рис. 2. Гистограмма суммарных значений индекса IAI в зависимости от времени до (отрицательные значения) и после (положительные значения) прохода терминатора через станцию Москва за период с 1975 по 1982 гг. По оси абсцисс отложено условное время в часах («0» соответствует восходу Солнца над горизонтом), по оси ординат – суммарные значения индекса IAI за соответствующий год

Анализ результатов, представленных на рис. 4 показывает, что наибольшие значения суммарный годовой индекс IAI принимает за час до восхода и в момент восхода Солнца. Этот результат можно считать успешной демонстрацией влияния эффекта прохождения терминатора на ионосферную возмущенность. Для устранения обнаруженного регулярного эффекта, из данных индекса IAI было произведено вычитание вклада возмущенности, вызванной проходом терминатора.

Далее был выполнен поиск связи возмущений индекса IAI с возмущениями индексированных солнечно-магнитосферных параметров и выполнены оценки уровня этих связей. Для этого значения индекса IAI сопоставлялись без сдвига с индексированными значениями параметров. Считалось, что совпадение возмущений считалось обнаруженным тогда, когда оба параметра были отличными от нуля. Для количественной характеристики связи индекса IAI и параметра СAE, был вычислен параметр ICom. Его значения равны нулю, если хотя бы одно из значений IAI или CAE было нулевым. В противном случае, значения ICom вычислялись как модуль частного CAE/IAI. Рис. 3. демонстрирует значения индекса IAI (верхняя панель) на станции Москва, индекса CAE (средняя панель), а также наличие совпадений в их значениях (параметр ICom, нижняя панель) для мая 1978 г.

Рис. 3. Значения индекса IAI (верхняя панель) на станции Москва, индекса CAE (средняя панель), параметр ICom (нижняя панель) для мая 1978 г

Оценка влияния возмущений горизонтальной компоненты геомагнитного поля и длинноволнового рентгеновского излучения на индекс IAI проводились аналогичным методом.

Таким образом, изменения во всех заявленных гелиогеофизических параметрах действительно находят свое отражение в значениях предложенного нами индекса IAI. В целом, суммарный вклад авроральной возмущенности, геомагнитной возмущенности и возмущенности вызванной воздействием длинноволнового рентгеновского излучения в ионосферную возмущенность составляет около 40%.

4. Восстановление уровня ионосферной возмущенности

В нашей работе уровень возмущенности среднеширотной ионосферы оценивается по значениям разработанного индекса IAI. Восстановление значений этого индекса позволит оценивать ожидаемый уровень реакции ионосферы на возмущение солнечно-магнитосферных параметров. Для этого в качестве инструмента восстановления значений IAI были использованы современные нейросетевые технологии, которые включали в себя нейронные сети следующих типов: сеть прямой передачи FF (двухслойная, по 5 нейронов в слое); сеть Элмана ELM (двухслойная, по 5 нейронов в слое); нейронечеткая сеть FUZZY (2-5 правил на входной параметр в зависимости от объема входных данных, форма правил «колокол»).

Нейросетевые эксперименты были выполнены на данных со станции Москва за 1986 г. В качестве дополнительных параметров были использованы индекс AE, интенсивность длинноволнового  рентгеновского излучения XL и горизонтальная составляющая геомагнитного поля (MF), измеренная на данной станции.

Нейросетевые эксперименты осуществлялись в несколько этапов:

1. Восстановление значений IAI только по предыстории. На вход подавались по очереди и в комбинациях параметры – первая производная, значение за предыдущий час, за предыдущие 2 часа, за предыдущие 3 часа. Выяснилось, что только производная дает весомый вклад в нейросетевой ответ, значения предыстории за 1-3 часа не несут полезной информации. Коэффициент корреляции между реальной и восстановленной последовательностями для сети прямой передачи (FF) составил 0.66, для сети Элмана – 0.64, а для сети нечеткой логики Fuzzy – 0.73. Таким образом, сеть Fuzzy является наиболее предпочтительной в данном случае.
2. Восстановление значений IAI только по одному дополнительному параметру. На вход подавались по очереди параметры XL, MF, AE. Отметим, что в данном случае на вход нейросети не подавалась первая производная индекса IAI. Получены низкие коэффициенты корреляции для каждого из параметров.
3. Восстановление значений IAI только одному дополнительному параметру с включением первой производной IAI. Сравнение результатов данного эксперимента с предыдущим показывает необходимость включения первой производной IAI в число входных параметров. По сравнению с первым экспериментом, добавление параметра XL на вход сети прямой передачи увеличивает качество восстановления на 6%, параметра MF – на 8%, и параметра AE – на 6%. Отметим, что при включении дополнительных параметров использование сети прямой передачи дает наилучшие результаты, тогда как при их отсутствии лучший результат дает сеть Fuzzy.
4. Восстановление значений IAI по парным комбинациям параметров с включением первой производной IAI. В данном эксперименте на вход подавались по очереди пары параметров XL, MF, AE в комбинациях с первой производной IAI (d(IAI)). Соответствующие коэффициенты корреляции между реальной и восстановленной последовательностью приведены в таблице 3.

Таблица 3

В данном случае наиболее эффективной также является сеть прямой передачи (FF). Введение комбинаций из двух дополнительных параметров в среднем увеличивает эффективность восстановления на 1-2%.

Таким образом, по результатам проведенных нейросетевых экспериментов можно сделать вывод о возможности эффективного восстановления, которое можно назвать краткосрочным прогнозированием значений индекса IAI. Предпочтительным является тип нейросети прямой передачи со следующими входными параметрами: первая производная индекса IAI и комбинация пары параметров: горизонтальная составляющая геомагнитного поля плюс индекс AE, или горизонтальная составляющая геомагнитного поля плюс интенсивность длинноволнового рентгеновского излучения. В этом случае эффективность восстановления составляет 75%. На рис. 4 представлен пример значений индекса IAI, восстановленных нейронной сетью прямой передачи с добавлением на вход первой производной IAI и комбинации параметров MF+AE (серый (зеленый) цвет), сопоставленных с реальными значениями индекса IAI (черный цвет).

Рис. 4. Пример значений индекса IAI, восстановленных нейронной сетью прямой передачи с добавлением на вход первой производной IAI и комбинации параметров MF+AE ((серый) зеленый цвет). Черным цветом представлены реальные значениями индекса IAI в это время.

Выводы

Данное исследование посвящено совершенствованию методики классификации ионосферной возмущенности и введенного нами ранее индекса ионосферной активности IAI на ионосферных данных, полученных вдоль меридиональных направлений в продолжение цикла солнечной активности. Выполнена классификация ионосферной возмущенности на трех разнесенных по долготе станциях вертикального зондирования: Москва (55° с.ш., 37° в.д.), Свердловск (56° с.ш., 60° в.д.) и Томск (56° с.ш., 85° в.д.) за период 1975 – 1986 гг. На основе установленных границ классов для каждой из станций был вычислен индекс ионосферной активности IAI. Установлена связь индекса IAI с гелио-геофизическими параметрами, оказывающими заметное влияние на ионосферу средних широт.

Разработана методика оперативной диагностики и восстановления состояния среднеширотной ионосферы в зависимости от уровня гелиогеофизической активности. Основой для данной методики послужили нейросетевые технологии. В ходе проведенных экспериментов получена оптимальная конфигурация нейронной сети, установлены наиболее эффективные входные параметры. Максимальная эффективность нейросетевого восстановления значений индекса IAI составила 75%.

Таким образом, введенный нами индекс IAI оказывается полезным для оценки ионосферной возмущенности, а также может использоваться для изучения влияния солнечной и геомагнитной активности на ионосферные процессы.

Литература

1. Barkhatova O.M., Levitin A.E., Dodonova I.A., Kosolapova N.V. Classification of ionospheric disturbances at mid-latitudes on long-term observations. Proc. of 34th Annual Seminar "Physics of auroral phenomena", Apatity, 1-4 March 2011, PGI KSC RAS, P. 125-128; 2. Бархатов Н.А., Бархатова О.М. Выявление классов ионосферной возмущенности по многолетним данным о критической частоте слоя f2. Геомагнетизм и аэрономия, 2012, Т. 52 (прошла рецензирование)