APVV-0662-12

Fakulta matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave

Projekt je zameraný na výskum a analýzu komplikovaného kauzálneho reťazca Slnko-Zem, ktorý zahŕňa prejavy slnečnej aktivity previazané s vlastnosťami slnečného vetra a následný dopad na magnetické pole Zeme. Prínosom projektu bude rozvoj metód na predpovedanie stavu geomagnetickej aktivity využitím informácie o slnečnej aktivite, satelitných meraní, ako aj údajov z pozemských observatórií (Geomagnetické observatórium GFÚ SAV Hurbanovo, Astronomické a geofyzikálne observatórium FMFI UK Modra-Piesok). Téma projektu je úzko spätá s problematikou kozmického počasia, čo je v súčasnosti zaužívaný pojem pre súbor javov v okolozemskom kozmickom priestore, v súvislosti s výronmi koronálnej hmoty (CME) a slnčnými energetickými časticami (SEP). Ťažiskom projektu bude predpovedanie kozmického počasia a určenie dominantných geoefektívnych procesov v 24. slnečnom cykle, a to predovšetkým využitím metódy umelých neurónových sietí. Študované prejavy geomagnetickej aktivity budú uvažované pri spracovaní meraní na geomagnetických sekulárnych bodoch. Okrem týchto hlavných cieľov má projekt ambície posunúť hranice poznania aj v iných parciálnych problémoch aktuálnych v priebehu terajšieho slnečného cyklu, ako je meranie a vyhodnocovanie parametrov Schumannovych rezonancií a štúdium procesov rekonekcie v kozmických magnetických poliach.

Skúmame kozmické počasie, ktoré pozorujeme aj na našom observatóriu v Hurbanove

Keď povieme kozmické počasie, máme na mysli fyzikálne podmienky v kozmickom okolí Zeme, teda na Slnku, v medziplanetárnom priestore, v zemskej magnetosfére, ionosfére a termosfére, ktoré majú vplyv na náš pozemský život – na ľudské zdravie, ale môžu vplývať aj na činnosť a spoľahlivosť technických zariadení, ktoré ľudia vybudovali na zemskom povrchu i na umelých družiciach a kozmických lodiach. A keďže väčšina hmoty v okolozemskom prostredí je vo štvrtom (t. j. plazmovom) skupenstve, veľká časť prejavov kozmického prostredia sa študuje pomocou magnetických polí. Ústav vied o Zemi SAV sa stará o činnosť geomagnetického observatória v Hurbanove, ktoré magnetické prejavy kozmického počasia, tzv. geomagnetickú aktivitu, nepretržite pozoruje a skúma už 125 rokov.

Kauzálny reťazec intenzívnej geomagnetickej aktivity sa začína v slnečnej atmosfére, kde pri eruptívnych procesoch, ktoré čerpajú svoju energiu z rekonekcie slnečných magnetických polí, dochádza k uvoľneniu veľkého množstva energie a vypudeniu veľkého množstva plazmy rýchlosťou niekoľko stoviek kilometrov za sekundu do medziplanetárneho priestoru. Jav sa nazýva ejekcia koronálnej hmoty a zvykne sa označovať ako CME. Trvá niekoľko dní (typicky dva až päť), kým takýto vymrštený oblak plazmy dorazí na vzdialenosť zemskej orbity. Medziplanetárna plazma je vysoko vodivé prostredie, preto oblak plazmy prináša v sebe „vmrazené“ svoje vlastné magnetické pole, ktoré má komplikovanú štruktúru, a zvyčajne aj omnoho väčšiu intenzitu ako okolité medziplanetárne prostredie. Predstavuje to poruchu v pokojnom okolitom slnečnom vetre. Pre geomagnetickú aktivitu je obzvlášť nebezpečnou situácia, keď oblak v sebe nesie magnetické pole s výraznou južnou orientáciou. Ak takýto oblak zasiahne zemskú magnetosféru (oblasť okolo Zeme, v ktorej dominuje planetárne magnetické pole), spravidla sa na Zemi rozpúta magnetická búrka.

Z praktických dôvodov, akými je napríklad včasné vykonanie preventívnych opatrení pred následkami búrky na technických zariadeniach, je dôležitou úlohou rozvíjať a spresňovať metódy na predpovedanie geomagnetickej aktivity. Výskumom na našom pracovisku sme prispeli do dvoch predpovedných modelov: (1) strednodobého – na niekoľko dní vopred, v ktorom sa predpovede vykonávajú na základe pozorovaní Slnka aj medziplanetárneho priestoru a (2) krátkodobého – na jednu hodinu vopred, kde vstupnými parametrami sú informácie z družíc, ktoré operujú v libračnom bode L1.

V strednodobom modeli je v súčasnosti závažným problémom, že na niekoľko dní vopred sa zdá byť nepredpovedateľná (alebo je ťažko predpovedateľná) južná zložka medziplanetárneho magnetického poľa (MMP). Pritom táto informácia je jednou z kľúčových informácií, čo dokazuje aj fakt, ktorý sme zistili analýzou intenzívnych búrok: v typických prípadoch silných magnetických porúch pretrváva južná orientácia MMP po dobu aspoň 16 hodín (obr. 1). Preto sme navrhli nový prístup, v ktorom sa akceptuje táto nepredpovedateľnosť orientácie MMP. Navrhnutý prístup sa zakladá na určovaní hroziacej úrovne geomagnetickej aktivity za predpokladu, že by nastala najkritickejšia možná situácia, teda že by MMP malo južnú orientáciu po dobu presahujúcu 16 hodín.

Na realizáciu predpovedí sme navrhli model, v ktorom sme využili jednoduché umelé neurónové siete (obr. 2), čo je aparát známy najmä zo štúdia umelej inteligencie. Najdôležitejšími vstupnými dátami do modelu boli nasledovné údaje o ejekciách koronálnej hmoty, ktoré sprevádzalo halo (kategórie „full halo CME“ a „partial halo CME“): pozičný uhol CME, uhlová šírka CME a lineárna rýchlosť pohybu CME. Ďalšími vstupnými údajmi boli informácie o rtg. erupciách (triedy erupcií B/C, M, alebo X) a rádiových vzplanutiach typu II a IV. Pritom sme brali do úvahy len tie rtg. erupcie a rádiové vzplanutia, ktoré majú svoj pôvod v okolí stredu slnečného disku (heliografická šírka a dĺžka v rozmedzí ± 40 uhlových stupňov). Náš strednodobý model dosiahol pri testoch Hanssenovo-Kuiperovo skóre 0,463 až 0,727. Hodnota skóre 0 by znamenala úplné zlyhanie modelu a hodnota 1 by naopak znamenala stopercentne presné predpovede. Hodnoty nášho modelu sú zvyčajnými hodnotami skóre pre podobné predpovedné modely kozmického počasia.

Pretože strednodobé predpovede nedávajú stopercentne spoľahlivé výsledky, v praxi treba predpovede ešte pred nástupom poruchy spresňovať pomocou krátkodobých predpovedných schém. Ide zvyčajne o predpovede na jednu až tri hodiny vopred. Na takúto predpoveď sa používajú údaje odmerané družicami v libračnom bode L1. Ide o bod medzi Slnkom a Zemou, známy aj ako Lagrangeov bod L1. Plazmový oblak CME, ktorý týmto bodom prejde, dorazí k Zemi približne za hodinu. Okrem parametrov medziplanetárnej plazmy (hustota častíc, rýchlosť prúdenia, teplota) sa v krátkodobých modeloch zvyčajne používa aj priamo odmeraná veľkosť južnej zložky medziplanetárneho poľa. Preto nevýhodu krátkeho predpovedného času kompenzuje vyššia spoľahlivosť predpovede. Na našom pracovisku sme existujúci analytický model na predpovedanie široko používaného búrkového indexu (tzv. index Dst) spresnili pomocou metódy lineárneho filtra. Na obr. 3 je ukázané porovnanie predpovedí búrkového indexu Dst s pôvodným analytickým modelom a s údajmi, ktoré boli skutočne pozorované. Ukazuje sa, že nový model dáva počas silných búrok oveľa presnejšie výsledky, ako dával doterajší model.

Údaje o geomagnetickom poli sú nepretržite zaznamenávané na Geomagnetickom observatóriu ÚVZ SAV v Hurbanove. Týmito údajmi naše pracovisko prispieva do svetových dátových centier. Aktuálne magnetogramy a spracované údaje o pozorovanej geomagnetickej aktivite sú dostupné aj na webovej stránke observatória.

Literatúra:

REVALLO, Miloš – VALACH, Fridrich – HEJDA, Pavel – BOCHNÍČEK, Josef. A neural network Dst index model driven by input time histories of the solar wind-magnetosphere interaction. In Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2014, vol. 110-111, no. 1, p. 9-14.

VALACH, Fridrich – BOCHNÍČEK, Josef – HEJDA, Pavel – REVALLO, Miloš. Strong geomagnetic activity forecast by neural networks under dominant southern orientation of the interplanetary magnetic field. In Advances in Space Research, 2014, vol. 53, p. 589-598.

Text: Mgr. Fridrich Valach, PhD., Geomagnetické observatórium ÚVZ SAV v Hurbanove, Oddelenie geomagnetizmu, Geofyzikálny odbor ÚVZ SAV