Irkutsk, Russian Federation
An essential part of the space weather problem, important in the last decades, is the forecast of near-Earth space parameters, ionospheric and geomagnetic conditions on the basis of observations of various phenomena on the Sun. Of particular importance are measurements of magnetic fields as they determine the spatial structure of outer layers of the solar atmosphere and, to a large extent, solar wind parameters. Due to lack of opportunities to observe magnetic fields directly in the corona, the almost only source of various models for quantitative calculation of heliospheric parameters are daily magnetograms measured in photospheric lines and synoptic maps derived from these magnetograms. It turns out that results of the forecast, in particular of the solar wind velocity in Earth’s orbit and the position of the heliospheric current sheet, greatly depend not only on the chosen calculation model, but also on the original material because magnetograms from different instruments (and often observations in different lines at the same), although being morphologically similar, may differ significantly in a detailed quantitative analysis. A considerable part of this paper focuses on a detailed analysis of this particular aspect of the problem of space weather forecast.
Sun, solar magnetic fields, observation, solar wind, interplanetary medium, modeling
ВВЕДЕНИЕ
Одним из наиболее распространенных общих интересов подавляющего большинства людей на планете является погода. Причем знания того, какая погода будет сегодня, порой недостаточно, часто мы хотим знать, а что нас ждет завтра и в последующие дни. Прогноз погоды стал насущной необходимостью. Для нужд большинства населения Земли вполне достаточно знания состояния приповерхностной атмосферы (тропосферы и стратосферы), однако в последние десятилетия появились сферы деятельности земной цивилизации, в которых термин «погода» используется в гораздо более широком смысле.
Осознание того очевидного факта, что многие глобальные (и зачастую локальные) процессы зависят от состояния нашей звезды — Солнца, в частности от степени покрытия его поверхности пятнами, стимулировало систематические наблюдения солнечной активности и попытки ее прогнозирования. Еще в середине XIX в. за исследованиями запятненности солнечной поверхности закрепились, по аналогии с традиционными терминами метеорологии, термины «солнечная погода», «солнечная метеорология». Активная деятельность человечества в космосе за последние полвека, особенно в околоземном космическом пространстве (ОКП), на больших высотах в атмосфере, а также в приполярных областях, где, ввиду особенностей конфигурации магнитного поля Земли, проявления солнечно-земных связей выражены наиболее эффектно, поставило на повестку дня вопрос изучения состояния и прогноза системы Солнце–Земля в целом. За данной сферой научной и практической деятельности устойчиво закрепился термин «космическая погода», и даже «космическая погода и космический климат». Более конкретно под термином «космическая погода» принято понимать изменяющиеся со временем условия на Солнце, в межпланетной среде (солнечном ветре), магнитосфере, ионосфере и термосфере Земли, которые оказывают влияние на функционирование технологических систем наземного и космического базирования и могут представлять опасность для жизни и здоровья людей. По решаемым проблемам исследования в рамках космической погоды подразделяются на три типа: 1) синоптические наблюдения Солнца, 2) прогноз солнечной активности, 3) предсказание параметров межпланетной среды.
Стоит кратко осветить историю происхождения современного термина «космическая погода». Справедливости ради нужно заметить, что впервые данный термин был введен в научный лексикон известным российским и советским ученым Александром Леонидовичем Чижевским (1897–1964 гг.), которого заслуженно считают одним из основоположников гелиобиологии — науки, изучающей влияние солнечной активности на земные организмы. Более того, он пошел дальше и высказывал предположение (разделяемое далеко не всеми), что колебания активности Солнца коррелированы с историческими событиями — войнами, революциями, стихийными бедствиями и т. д. В книге Виореля Михайловича Ломова [2013] на стр. 243 указано, что впервые о понятии «космическая погода» А. Чижевский высказался в 1915 г. в докладе «Влияние пертурбаций в электрическом режиме Солнца на биологические явления». Признанием научных заслуг нашего соотечественника является тот факт, что в 2013 г. на 10-й Европейской неделе космической погоды (10th European Space Weather Week) была учреждена международная медаль А. Чижевского, которой награждаются молодые ученые за исследования по космической погоде и космическому климату.
К сожалению, работы А.Л. Чижевского не нашли отражения в историческом анализе [Cade, Chan-Park, 2015], в котором отмечено, что данный термин в международное обращение впервые был введен в конце 1950-х гг., а стал общеупотребительным начиная с 1990-х, т. е. это очень молодое понятие, впрочем, как и сама отрасль науки, которую оно обозначает. Тем не менее это бурно развивающееся направление, результаты исследований по космической погоде публикуются не только в традиционных астрономических и геофизических журналах, но и в появившихся специализированных изданиях: Space Weather (AGU Publication), Journal of Space Weather and Space Climate. Регулярно проводятся международные конференции, ближайшая из которых, IAU Symposium 335 «Space Weather of the Heliosphere. Processes and Forecasts», запланирована на 17–21 июля 2017 г. в Англии.
Существование проблематики космической погоды позволяет выделить солнечных физиков — гелиофизиков — в особую группу астрономов. Не будь этого аспекта, они занимались бы просто исследованиями рядовой карликовой звезды спектрального класса G2, которых огромное множество в нашей Галактике. Именно в контексте солнечно-земных связей солнечная физика занимает приоритетное положение среди других направлений астрофизики и физики космоса.
Если говорить о солнечных источниках (драйверах, solar drivers) межпланетных и земных возмущений, которые актуальны в контексте задач космической погоды, то их несколько и «удельный» вклад каждого из них варьирует в зависимости от фазы цикла солнечной активности и исследуемого явления. Обычно выделяют следующие основные солнечные драйверы: корональные выбросы массы, солнечные вспышки, солнечный ветер, солнечное ультрафиолетовое излучение и энергичные частицы, солнечное радиоизлучение. Наиболее эффективными с точки зрения возбуждения возмущений, безусловно, являются корональные выбросы массы (КВМ), солнечные вспышки и сопровождающие оба эти явления потоки энергичных частиц. Актуальна также информация о радиоизлучении и светимости (особенно в коротковолновой области спектра, вариации в которой с циклом активности достигают 10 %, в отличие от вариаций 0.1 % в интегральном и видимом излучении).
1. Altschuller M.D., Newkirk J.Jr. Magnetic fields and the structure of the corona. I. Methods of calculating coronal fields. Solar Phys. 1969, vol. 9, pp. 131-149. DOI: 10.1007/ BF00145734.
2. Arge C.N., Pizzo V.J. Improvement in the prediction of solar wind conditions using near-real time solar magnetic field updates. J. Geophys. Res. 2000, vol. 105, no. A5, pp. 10.465-10.479.
3. Arge C.N., Henney C.J., Koller J., et al. Air Force Data Assimilative Photospheric Flux Transport (ADAPT) Model. 12th International Solar Wind Conference. 2010, pp. 343-346. DOI:https://doi.org/10.1063/1.3395870. (AIP Conference Proc. vol. 1216).
4. Balasubramaniam K.S., Pevtsov A. Ground-based synoptic instrumentation for solar observations. Proc. SPIE. 2011, vol. 8148, pp. 814809-1-814809-18. DOIhttps://doi.org/10.1117/12.892824.
5. Bertello L., Pevtsov A.A., Petrie G.J.D., Keys D. Uncertainties in solar synoptic magnetic flux maps. Solar Phys. 2014, vol. 289, pp. 2419-2431. DOI:https://doi.org/10.1007/s11207-014-0480-3.
6. Cade W.B.III, Chan-Park C. The origin of «Space Weather». Space Weather. 2015, vol. 13, pp. 99-103. DOI: 10.1002/ 20145SW001141.
7. Carrington R.C. Description of a singular appearance seen in the Sun on September 1, 1859. MNRAS. 1859, vol. 20, pp. 13-15.
8. Cid C., Palacios J., Saiz E., Guerrero A., Cerrato Y. On extreme geomagnetic storms. J. Space Weather Space Climate. 2014, vol. 4, A 28, 10 p.
9. Cliver E.W., Kamide Y., Ling A.G. Mountains Versus Valleys: Semiannual variation of geomagnetic activity. J. Geophys. Res. 2000, vol. 105, no. A2, pp. 2413-2424. DOI: 10.1029/ 1999JA900439.
10. Demidov M.L. Aspects of the zero level problem of solar magnetographs. Solar Phys. 1996, vol. 164, no. pp. 381-388. DOI:https://doi.org/10.1007/BF00146649.
11. Demidov M.L., Balthasar H. Spectropolarimetric observations of solar magnetic fields and the SOHO/MDI calibration issue. Solar Phys. 2009, vol. 260, no. 2, pp. 261-270.
12. Demidov M.L., Balthasar H. On multi-line spectro-polarimetric diagnostics of the quiet Sun's magnetic fields. Statistics, inversion results, and effects on SOHO/MDI magnetogram calibration. Solar Phys. 2012, vol. 276, no. 1-2, pp. 43-59.
13. Demidov M.L., Golubeva E.M., Balthasar H., et al. Comparison of solar magnetic fields measured at different observatories: Peculiar strength ratio distribution across the disk. Solar Phys. 2008, vol. 250, no. 2, pp. 279-301.
14. Demidov M.L., Veretsky R.M., Kiselev A.V. On the peculiarities of manifestation of kG magnetic elements in observations of the Sun with low spatial resolution. Proc. IAU Symp. 2015, vol. 305, pp. 86-91. DOI: 10.10117/ S1743921315004561.
15. Demidov M.L., Wang, X.F., Hou J.F., Wang D.G., Kiselev A.V., Kuzanyan K.M. On the cross-calibration of the Huairou Solar Observation full disk longitudinal magnetograms with data sets from STOP/SSO and SDO/HMI. Proc. SPW-8. (In print).
16. Demidov M.L., Zhigalov V.V., Peshcherov V.S., Grigoryev V.M. An investigation of the Sun-as-a-star magnetic field through spectropolarimetric measurements. Solar Phys. 2002, vol. 209, no. 2, pp. 217-232. DOI:https://doi.org/10.1023/A:1021292424679.
17. Feng X., Jiang C., Xiang C., et al. A data-driven model for the global coronal evolution. Astrophys. J. 2012, vol. 758, no. 1, id. 62, 13 p. DOI:https://doi.org/10.1088/0004-637X/758/1/62.
18. Feng X., Yang L., Xiang C., et al. Validation of the 3D AMR SIP-CESE Solar Wind Model for four Carrington rotations. Solar Phys. 2012, vol. 279, no. 1, pp. 207-229. DOI:https://doi.org/10.1007/s11207-012-9969-9.
19. Hayashi K., Hoeksema J.T., Liu Y., et al. The Helioseismic and Magnetic Imager (HMI) vector magnetic field pipeline: Magnetohydrodynamics simulation module for the global solar corona. Solar Phys. 2015, vol. 290, pp. 1507-1529.
20. Hayashi K., Yang S., Deng Y. Comparison of potential field solutions for Carrington rotation 2144. J. Geophys. Res. Space Phys. 2016, vol. 121, pp. 1046-1062. DOI: 10.1002/ 2015JAO21757.
21. Hoeksema J.T. Structure and evolution of the large-scale solar and heliospheric magnetic fields: PhD Thesis. Stanford Univ., CA. Publication Date: 09/1984.
22. Kovalenko V.A. Solnechnyi veter [Solar Wind]. Moscow, Nauka Publ., 1983. 272 p. (In Russian).
23. Kraft S., Puschmann K.G., Luntama J.P. Remote sensing optical instrumentation for enhanced space weather monitoring from the L1 and L5 Lagrange points. Intern. Conference on Space Optics (ICSO 2016). 18-21 October 2016, 8 p.
24. Levine R.H., Altshuller M.D., Harvey J.M. Solar sources of the interplanetary magnetic field and solar corona. J. Geo-phys. Res. 1977, vol. 82, pp. 1061-1065.
25. Lomov V.M. Sto velikikh nauchnykh dostizhenii Rossii [100 Great Scientific Advances of Russia]. Moscow, Veche Publ., 2013. 431 p. (In Russian).
26. Mays M.K., Taktakishvili A., Pulkkinnen A., et al. Ensemble modelling of CMEs using the WSA-ENLIL+Cone Model. Solar Phys. 2015, vol. 290, pp. 1715-1814. DOI:https://doi.org/10.1007/s11207-015-0692-1.
27. McGregor S.L., Hughes W.J., Arge C.N., et al. The distribution of solar wind speeds during solar minimum: Calibration for numerical solar wind modeling constraints on the source of the slow solar wind. J. Geophys. Res. 2010, vol. 116, A03101. DOI:https://doi.org/10.1029/2010JA015881.
28. Mikić Z., Linker J.A., Schnack D.D., et al. Magnetohydrodynamic Modeling of the global solar corona. Phys. Plasmas. 1999, vol. 6, no. 5, pp. 2217-2224. DOI: 10.1063/ 1.873474.
29. Newell P.T., Sotirelis T., Liou K., Meng C.-I., Rich F.J. A nearly universal solar wind - magnetosphere coupling function inferred from 10 magnetospheric state variables. J. Geophys. Res. 2007, vol. 112, A01206. DOI:https://doi.org/10.1029/2006JA012015.
30. Newell P.T., Liou K., Gjerloev J.W., et al. Substorm probabilities are best predicted from solar wind speed. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2016, vol. 146, pp. 28-37.
31. Obridko V.N., Kharshiladze A.F., Shelting D.V. Calculating solar wind parameters from solar magnetic field data. Solar Drivers of Interplanetary and Terrestrial Disturbances. 1996, pp. 366-374. (ASP Conf. Ser., vol. 95).
32. Odstrčil D., Pizzo V.J. Three-dimentional propagation of coronal mass ejections (CMEs) in a structured solar wind flow. 1. CME launched within the streamer belt. J. Geophys. Res. 1999, vol. 104, no. A1, pp. 483-492.
33. Odstrčil D., Pizzo V.J. Three-dimensional propagation of coronal mass ejections (CMEs) in a structured solar wind flow. 2. CME launched adjacent the streamer belt. J. Geophys. Res. 1999, vol. 104, no. A1, pp. 493-503.
34. Odstrčil D., Linker J.A., Lionello R., et al. Merging of coronal and heliospheric numerical two-dimensional MHD models. J. Geophys. Res. 2002, vol. 107, no. A12, pp. SSH-14-1-SSH-14-11. DOI:https://doi.org/10.1029/2002JA009334.
35. Odstrčil D. Modelling 3-D solar wind structure. Adv. Space Res. 2003, vol. 32, pp. 487-306. DOI:https://doi.org/10.1016/S0273-1177(03)00332-6.
36. Odstrčil D., Riley P., Zhao X.P. Numerical simulation of the 12 May interplanetary CME event. J. Geophys. Res. 2004, vol. 109, A02116, 8 p. DOI:https://doi.org/10.1029/2003JA010135.
37. Owens M.J., Spence H.E., McGregor S., et al. Metrics for solar wind prediction models: Comparison of empirical, hybrid, and physics-based schemes with 8 years of L1 observations. Space Weather. 2008, vol. 6, S08001. DOI: 10.1029/ 2007SW000380.
38. Peshcherov V.S., Grigoryev V.M., Bevzov A.N., Budnikov K.I., Vlasov S.V., Zotov A.A., Kotov V.N., Kitov A.K., Lubkov A.A., Lylov S.A., Perebeinos S.V., Svidsky P.M. Solar telescope for operative prediction. Avtometriya [Autometrics]. 2013, vol. 49, no. 6, pp. 62-69. (In Russian).
39. Petrie G., Ettinger S. Polar field reversals and active region decay. Space Sci. Rev. 2015. DOI:https://doi.org/10.1007/s11214-015-0189-0.
40. Pevtsov A.A. The need for synoptic solar observations from the ground. Coimbra Solar Physics Meeting: Ground-based Solar Observations in the Space Instrumentation Era. 2016, pp. 71-85. (ASP Conf. Ser., vol. 504).
41. Pevtsov A.A., Bertello L., MacNeice P. Effect of uncertainties in solar synoptic magnetic flux maps in modelling of solar wind. Adv. Space Res. 2015, vol. 56, pp. 2719-2726.
42. Pevtsov A., Bertello L., MacNeice P., Petrie G. What if we had a magnetograph at Lagrangian L5? Space Weather. 2016, vol. 14, pp. 1-6. DOI:https://doi.org/10.1002/2016SW001471.
43. Pietarila A., Bertello L., Harvey J.W., Pevtsov A.A. Comparison of ground-based and space-based longitudinal magnetograms. Solar Phys. 2013, vol. 282, pp. 91-106. DOI:https://doi.org/10.1007/s11207-012-0138-y.
44. Ponyavin D.I., Pudovkin M.I. Geomagnetic activity prediction from observation of solar magnetic fields. Geomagne-tizm i aeronomiya [Geomagnetism and aeronomy]. 1988, vol. 28, pp. 695-698. (In Russian).
45. Pudovkin M.I., Kozelov V.P., Lazutin L.L., Troshichev O.A., Chertkov A.D. Fizicheskie osnovy prognozirovaniya magnitosfernykh vozmushchenii [Physical grounds for prediction of magnetospheric disturbances]. Leningrad, Nauka Publ., 1977. 312 p. (In Russian).
46. Riley P., Linker J.A., Mikić Z., et al. Using an MHD simulation to interpret the global context of a coronal mass ejection observed by two spacecraft. J. Geophys. Res. Space Phys. 2003, vol. 108, no. A7, pp. SSH 2-1. DOI:https://doi.org/10.1029/2002JA009760.
47. Riley P., Ben-Nun M., Linker J.A., et al. Multi-observatory inter-comparison of line-of-sight synoptic solar magnetograms. Solar Phys. 2013, vol. 289, pp. 769-792. DOI:https://doi.org/10.1007/s11207-013-0353-1.
48. Rudenko G.V. Extrapolation of solar magnetic field within the potential-field approximation from full-disk magnetograms. Solar Phys. 2001, vol. 198, pp. 5-30.
49. Russell C.T., McPherron R.L. Semiannual variation of geo-magnetic activity. J. Geophys. Res. 1973, vol. 78, no. 1, pp. 92-108. DOI:https://doi.org/10.1029/JA078i001p00092.
50. Schatten K.H., Wilcox J.M., Ness N.E. A model of interplanetary and coronal magnetic field. Solar. Phys. 1969, vol. 6, pp. 442-455. DOI:https://doi.org/10.1007/BF00146478.
51. Solanki S.K., Steiner O., Buente M., et al. On the reliability of Stokes diagnostics of magnetic elements away from solar disk center. Astron. Astrophys. 1998, vol. 333, pp. 721-731.
52. Svalgaard L. How good (or bad) are the inner boundary conditions for heliospheric solar wind modelling. Presentation at 2006 SHINE Workshop. 2006.
53. Svalgaard L., Duvall T.L.Jr., Scherrer P.H. The strength of the Sun's polar field. Solar Phys. 1978, vol. 58, pp. 225-239. DOI:https://doi.org/10.1007/BF00157268.
54. Tlatov A.G., Pashenko M.P., Ponyavin D.I., et al. Forecast of solar wind parameters according to STOP magnetograph observations. Geomagnetism and Aeronomy. 2016, vol. 56, no. 8, pp. 1095-1103. DOI: 10.1134?S0016793216080223.
55. Ulrich R.K. Analysis of magnetic fluxtubes on the solar surface from observations at Mt.Wilson of λ 5250 and 5233. Seventh Cambridge Workshop: Cool Stars, Stellar Systems, and the Sun. 1992, pp. 265-267. (ASP Conf. Ser., vol. 26).
56. Ulrich R.K., Bertello L., Boyden J.E., Webster L. Interpretation of solar magnetic field strength observations. Solar Phys. 2009, vol. 255, no. 1, pp. 53-78.
57. Wang Y.-M., Sheeley N.R.Jr. On potential field models of the solar corona. Astrophys. J. 1992, vol. 392, pp. 310-319.
58. Wang Y.-M., Sheeley N.R. Solar implications of Ulysses interplanetary field measurements. Astrophys. J. Lett. 1995, vol. 447, pp. L143-L146. DOI:https://doi.org/10.1086/309578.
59. Weinzierl M., Mackay D., Yeates A., Pevtsov A.A. The possible impact of L5 magnetograms on non-potential solar coronal magnetic fields simulations. Astrophys. J. 2016, vol. 828, A102, 12 p. DOI:https://doi.org/10.3847/0004-637X/828/2/102.
60. Zhao X., Hoeksema J.T. Prediction of the interplanetary magnetic field strength. J. Geophys. Res. 1995, vol. 100, no. A1, pp. 19-33. DOI:https://doi.org/10.1029/94JA02266.
