Solnechno-Zemnaya Fizika Solnechno-Zemnaya Fizika Солнечно-земная физика 2712-9640 48955 10.12737/szf-82202213 Семнадцатая ежегодная конференция «Физика плазмы в солнечной системе», 7–11 февраля 2022 г., Институт космических исследований РАН, Москва, Россия 17th Annual Conference “Plasma Physics in the Solar System”. February 7–11, 2022, Space Research Institute RAS, Moscow, Russia Семнадцатая ежегодная конференция «Физика плазмы в солнечной системе», 7–11 февраля 2022 г., Институт космических исследований РАН, Москва, Россия Interactive computer model for aurora forecast and analysis Интерактивная компьютерная модель для прогноза и анализа полярных сияний Воробьев Андрей Владимирович Vorobev Andrey Vladimirovich geomagnet@list.ru https://orcid.org/0000-0002-6476-9471 Соловьёв Анатолий Александрович Soloviev Anatoly Aleksandrovich rjes@wdcb.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 https://orcid.org/0000-0003-3056-7465 Пилипенко Вячеслав Анатольевич Pilipenko Vyacheslav Anatolievich space.soliton@gmail.com

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 Воробьева Гульнара Равильевна Vorobeva Gulnara Ravilevna gulnara.vorobeva@gmail.com Геофизический центр РАН Москва Россия Geophysical Center RAS Moscow Russian Federation Уфимский университет науки и технологий Уфа Россия Ufa University of Science and Technology Ufa Russian Federation Геофизический центр РАН Москва Россия Geophysical Center RAS Moscow Russian Federation Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН Москва Россия Schmidt Institute of Physics of the Earth, RAS Moscow Russian Federation Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН Москва Россия Schmidt Institute of Physics of the Earth RAS Moscow Russian Federation Геофизический центр РАН Москва Россия Geophysical Center RAS Moscow Russian Federation Институт космических исследований Москва Россия Space Research Institute Moscow Russian Federation Уфимский университет науки и технологий Уфа Россия Ufa University of Science and Technology Ufa Russian Federation 30 06 2022 30 06 2022 8 2 93 100 17 02 2022 23 05 2022 https://zh-szf.ru/en/nauka/article/48955/view

Разработана интерактивная компьютерная модель краткосрочного (с горизонтом 30–70 мин) прогноза интенсивности полярных сияний в виде веб-ориентированной геоинформационной системы. В качестве базового математического обеспечения используется эмпирическая модель OVATION-Prime, устанавливающая статистические связи между параметрами солнечного ветра, межпланетного магнитного поля и потоками авроральных частиц. На базе этой модели построена система, моделирующая пространственное планетарное распределение вероятности наблюдения полярных сияний и ряда сопутствующих величин. Визуализация данных осуществляется на базе технологии виртуального глобуса и предоставляется конечному пользователю посредством специализированного веб-сервиса. Верификация прогноза проведена путем сопоставления предсказаний модели с данными 16 камер, ведущих непрерывные наблюдения полярных сияний в видимом спектре. Доля совпадений предсказанных и наблюдаемых сияний составила 86 %. Разработанный сервис дает возможность прогноза и анализа прошедших событий. Система обеспечивает возможность работы с пользовательскими слоями, т. е., например, сопоставления картины пространственного распределения вероятности полярных сияний с сетью железнодорожных транспортных систем для территории РФ.

An interactive computer model of a short-term (with a horizon 30–70 min) forecast of aurora intensity has been developed in the form of a web-based geoinformation system. The OVATION-Prime empirical model is used as the basic software, which establishes statistical relationships between parameters of the solar wind, the interplanetary magnetic field, and auroral particle fluxes. On the basis of this model, a system has been built which simulates the spatial planetary distribution of the probability of observing auroras and a number of accompanying quantities. Data visualization is carried out on the basis of the virtual globe technology and is provided to the end user via a specialized web service. The forecast has been verified by comparing the model predictions with the data from 16 cameras conducting continuous observations of the auroras in the visible spectrum. The proportion of coincidences between the predicted and observed auroras was 86 %. The developed service enables both forecasting and analysis of past events. The system allows us to compare the spatial distribution of probability of auroras with railway transport systems for the territory of the Russian Federation.

 полярные сияния магнитные бури авроральная зона космическая погода геоинформационная система auroras magnetic storms auroral zone space weather geoinformation system Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 21-77-30010) The study was financially supported by RSF (project No. 21-77-30010)

Вахнина В.В., Кувшинов А.А., Шаповалов В.А. Механизмы воздействия квазипостоянных геоиндуцированных токов на электрические сети. М., Инфра-инженерия, 2018. 256 с. Afraimovich E.L., Astafyeva E.I., Demyanov V.V., Gamayunov I.F. Mid-latitude amplitude scintillation of GPS signals and GPS performance slips. Adv. Space Res. 2009, vol. 43, pp. 964-972. DOI: 10.1016/j.asr.2008.09.015. Воробьев А.В., Пилипенко В.А., Еникеев Т.А., Воробьева Г.Р. Геоинформационная система для анализа динамики экстремальных геомагнитных возмущений по данным наблюдений наземных станций. Компьютерная оптика. 2020. Т. 44, вып. 5. С. 782-790. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-707. Boteler D.H. Modeling geomagnetic interference on railway signaling track circuits. Space Weather. 2021, no. 19. e2020SW002609. DOI: 10.1029/2020SW002609. Воробьев А.В., Пилипенко В.А., Еникеев Т.А. и др. Система динамической визуализации геомагнитных возмущений по данным наземных магнитных станций. Научная визуализация. 2021. № 13.1. С. 162-176. DOI: 10.26583/sv.13.1.11. Demiyanov V.V., Yasukevich Yu.V. Space weather: risk factors for Global Navigation Satellite Systems. Solar-Terr. Phys. 2021, vol. 7, no. 2, pp. 28-47. DOI: 10.12737/stp72202104. Демьянов В.В., Ясюкевич Ю.В. Космическая погода: факторы риска для глобальных навигационных спутниковых систем. Солнечно-земная физика. 2021. Т. 7, № 2. С. 30-52. DOI: 10.12737/szf72202104. Hardy D.A., Holeman E.G., Burke W.J., Gentile L.C., Bounar K.H. Probability distributions of electron precipitation at high magnetic latitudes. J. Geophys. Res. 2008, vol. 113, A06305. DOI: 10.1029/2007JA012746. Захаров В.И., Чернышов А.А., Милох В., Джин Я. Влияние ионосферы на параметры навигационных сигналов GPS во время геомагнитной суббури. Геомагнетизм и аэрономия. 2020. Т. 60, № 6. С. 769-782. DOI: 10.7868/S0023420616010143. Kasinsky V.V., Ptitsyna N.G., Lyakhov N.N., Tyasto M.I., Villoresi J., Jucci N. Influence of geomagnetic disturbances on the operation of railway automation and telemechanics systems. Geomagnetizm i ajeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2007, vol. 47, no. 5, pp. 714-718. (In Russian). Касинский В.В., Птицына Н.Г., Ляхов Н.Н. и др. Влияние геомагнитных возмущений на работу систем железнодорожной автоматики и телемеханики. Геомагнетизм и аэрономия. 2007. Т. 47, № 5. С. 714-718. Khorosheva O.V. Prostranstvenno-vremennoe raspredelenie polyarnykh siyanii [Spatial-temporal distribution of auroras]. Moscow: Nauka, 1967, 82 p. (In Russian). Пенских Ю.В., Лунюшкин С.Б., Капустин В.Э. Геомагнитный метод автоматической диагностики границ авроральных овалов в двух полушариях Земли. Солнечно-земная физика. 2021. Т. 7, № 2. С. 63-76. DOI: 10.12737/szf-72202106. Kosar B.C., MacDonald E.A., Case N.A., Zhang Y., Mitchell E.J., Viereck R. A case study comparing citizen science aurora data with global auroral boundaries derived from satellite imagery and empirical models. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2018, vol. 177, pp. 274-282. DOI: 10.1016/j.jastp.2018.05.006. Пилипенко В.А. Воздействие космической погоды на наземные технологические системы. Солнечно-земная физика. 2021. Т. 7, № 3. С. 73-110. DOI: 10.12737/szf-73202106. Martines-Bedenko V.A., Pilipenko V.A., Hartinger M.D., Engebretson M.J., Lorentzen D.A., Willer A.N. Correspondence between the latitudinal ULF wave power distribution and auroral oval in conjugate ionospheres. Sun and Geosphere. 2018, vol. 13, no. 1, pp. 41-47. Птицына Н.Г., Тясто М.И., Касинский В.В., Ляхов Н.Н. Влияние космической погоды на технические системы: сбои железнодорожной аппаратуры во время геомагнитных бурь. Солнечно-земная физика. 2008. Вып. 12. Т. 2. С. 360-363. Newell P.T., Sotirelis T., Wing S.J. Diffuse, monoenergetic, and broadband aurora: The global precipitation budget. Geophys. Res. 2009, no. 114, A09207. DOI: 10.1029/2009JA014326. Розенберг И.Н., Гвишиани А.Д., Соловьев А.А. и др. Влияние космической погоды на надежность функционирования железнодорожного транспорта в арктической зоне России. Железнодорожный транспорт. 2021. № 12. С. 48-54. Newell P.T., Liou K., Zhang Y., Sotirelis T., Paxton L.J., Mitchell E. J. OVATION Prime-2013: Extension of auroral precipitation model to higher disturbance levels. Space Weather. 2014, no. 12, pp. 368-379. DOI: 10.1002/2014SW001056. Соколова О.Н., Сахаров Я.А., Грицутенко С.С., Коровкин Н.В. Алгоритм анализа устойчивости энергосистем к геомагнитным бурям. Известия РАН. Энергетика. 2019. С. 33-52. DOI: 10.1134/S0002331019050145. Penskikh Yu.V., Lunushkin S.B., Kapustin V.E. Geomagnetic method for automatic diagnostics of auroral oval boundaries in two hemispheres of Earth. Solar-Terr. Phys. 2021, vol. 7, no. 2, pp. 57-69. DOI: 10.12737/stp-72202106. Хорошева О.В. Пространственно-временное распределение полярных сияний. М.: Наука, 1967. 82 с. Pilipenko V.A. Space weather impact on ground-based technological systems. Solar-Terr. Phys. 2021, vol. 7, no. 3, pp. 68-104. DOI: 10.12737/stp-73202106. Afraimovich E.L., Astafyeva E.I., Demyanov V.V., Gamayunov I.F. Mid-latitude amplitude scintillation of GPS signals and GPS performance slips. Adv. Space Res. 2009. Vol. 43. P. 964-972. DOI: 10.1016/j.asr.2008.09.015. Ptitsyna N.G., Tyasto M.I., Kasinsky V.V., Lyakhov N.N. Influence of space weather on technical systems: failures of railway equipment during geomagnetic storms. Solnechno-zemnaja fizika [Solar-Terrestrial Physics]. 2008, iss. 12, vol. 2, p. 360-363. (In Russian). Boteler D.H. Modeling geomagnetic interference on railway signaling track circuits. Space Weather. 2021. No. 19. e2020SW002609. DOI: 10.1029/2020SW002609. Pulkkinen A., Lindahl S., Viljanen A., Pirjola R. Geomagnetic storm of 29-31 October 2003: Geomagnetically induced currents and their relation to problems in the Swedish high-voltage power transmission system. Space Weather. 2005, no. 12, S08C03. DOI: 10.1029/2004SW000123. Hardy D.A., Holeman E.G., Burke W.J., et al. Probability distributions of electron precipitation at high magnetic latitudes. J. Geophys. Res. 2008. Vol. 113. A06305. DOI: 10.1029/2007JA012746. Rozenberg I.N., Gvishiani A.D., Soloviev A.A., Voronin V.A., Pilipenko V.A. Influence of space weather on the reliability of railway transport in the Arctic zone of Russia. Zheleznodorozhny transport [Railway Transport]. 2021, no. 12, pp. 48-54. (In Russian). Kosar B.C., MacDonald E.A., Case N.A. A case study comparing citizen science aurora data with global auroral boundaries derived from satellite imagery and empirical models. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2018. Vol. 177. P. 274-282. DOI: 10.1016/j.jastp.2018.05.006. Sokolova O.N., Sakharov Ya.A., Gritsutenko S.S., Korovkin N.V. Algorithm for analyzing the stability of power systems to geomagnetic storms. Izvestija Rossijskoj akademii nauk. Jenergetika [Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Energetics]. 2019, pp. 33-52. (In Russian). DOI: 10.1134/S000233101 9050145. Martines-Bedenko V.A., Pilipenko V.A., Hartinger M.D., et al. Correspondence between the latitudinal ULF wave power distribution and auroral oval in conjugate ionospheres. Sun and Geosphere. 2018. Vol. 13, no. 1. P. 41-47. Vakhnina V.V., Kuvshinov A.A., Shapovalov V.A. Mekhanizmy vozdeistviya kvazi-postoyannykh geoindutsirovannykh tokov na elektricheskie seti [Mechanisms of the impact of quasi-permanent geoinduced currents on electrical networks]. Moscow, Infra-Engineering Publ., 2018. 256 p. (In Russian). Newell P.T., Sotirelis T., Wing S.J. Diffuse, monoenergetic, and broadband aurora: The global precipitation budget. Geophys. Res. 2009. No. 114. A09207. DOI: 10.1029/2009JA014326. Vorobjev V.G., Yagodkina O.I. Effect of magnetic activity on the global distribution of auroral precipitation zone. Geomagnetism and Aeronomy. 2005, vol. 45, no. 4, pp. 438-444. Newell P.T., Liou K., Zhang Y., et al. OVATION Prime-2013: Extension of auroral precipitation model to higher disturbance levels. Space Weather. 2014. No. 12. P. 368-379. DOI: 10.1002/2014SW001056. Vorobev A.V., Pilipenko V.A., Enikeev T.A., Vorobeva G.R. Geoinformation system for analyzing the dynamics of extreme geomagnetic disturbances based on observation data from ground stations. Kompyuternaya optika [Computer Optics]. 2020a, vol. 44, iss. 5, pp. 782-790. (In Russian). DOI: 10.18287/2412-6179-CO-707. Pulkkinen A., Lindahl S., Viljanen A., Pirjola R. Geomagnetic storm of 29-31 October 2003: Geomagnetically induced currents and their relation to problems in the Swedish high-voltage power transmission system. Space Weather. 2005. No. 12. S08C03. DOI: 10.1029/2004SW000123. Vorobev A.V., Pilipenko V.A., Krasnoperov R.I., Vorobeva G.R., Lorentzen D.A. Short-term forecast of the auroral oval position on the basis of the “virtual globe” technology. Russ. J. Earth Sci. 2020b, no. 20, p. ES6001. DOI: 10.2205/2020ES000721. Vorobev A.V., Pilipenko V.A., Krasnoperov R.I., et al. Short-term forecast of the auroral oval position on the basis of the “virtual globe” technology. Russ. J. Earth Sci. 2020. No. 20. P. ES6001. DOI: 10.2205/2020ES000721. Vorobev A.V., Pilipenko V.A., Enikeev T.A., Vorobeva G.R., Khristodulo O.I. System for dynamic visualization of geomagnetic disturbances based on data from ground-based magnetic stations. Nauchnaya vizualizatsiya [Scientific Visualization]. 2021, no. 13.1, pp. 162-176. (In Russian). DOI: 10.26583/sv.13.1.11. Vorobev A., Soloviev A., Pilipenko V., et al. An approach to diagnostics of geomagnetically induced currents based on ground magnetometers data. Applied Sciences. 2022. No. 12. P. 1522. DOI: 10.3390/app12031522. Vorobev A., Soloviev A., Pilipenko V., Vorobeva G., Sakharov Y. An approach to diagnostics of geomagnetically induced currents based on ground magnetometers data. Applied Sciences. 2022, no. 12, p. 1522. DOI: 10.3390/app12031522. Vorobjev V.G., Yagodkina O.I. Effect of magnetic activity on the global distribution of auroral precipitation zone. Geomagnetism and Aeronomy. 2005. Vol. 45, no. 4. P. 438-444. Yasyukevich Y., Vasilyev R., Ratovsky K. Small-Scale Ionospheric Irregularities of Auroral Origin at Mid-latitudes during the 22 June 2015 Magnetic Storm and Their Effect on GPS Positioning. Remote Sens. 2020, vol. 12, no 10, p. 1579. DOI: 10.3390/rs12101579. Yasyukevich Y., Vasilyev R., Ratovsky K. Small-scale ionospheric irregularities of auroral origin at mid-latitudes during the 22 june 2015 magnetic storm and their effect on GPS positioning. Remote Sensing. 2020. Vol. 12, no. 10. P. 1579. DOI: 10.3390/rs12101579. Zakharov V.I., Chernyshov A.A., Miloh V., Jin Ya. Influence of the ionosphere on the parameters of the GPS navigation signals during a geomagnetic substorm. Geomagnetism and Aeronomy. 2020, vol. 60, no. 6, pp. 754-767. DOI: 10.1134/S0016793220060158. URL: https://www.swpc.noaa.gov/products/aurora-30-minute-forecast (дата обращения 4 октября 2021 г.). URL: https://www.swpc.noaa.gov/products/aurora-30-minute-forecast (accessed October 4, 2022). URL: https://en.vedur.is/weather/forecasts/aurora (дата обращения 4 октября 2021 г.). URL: https://en.vedur.is/weather/forecasts/aurora (accessed October 4, 2022). URL: https://www.gi.alaska.edu/monitors/aurora-forecast (дата обращения 4 октября 2021 г.). URL: https://www.gi.alaska.edu/monitors/aurora-forecast (accessed October 4, 2022). URL: https://github.com/lkilcommons/OvationPyme (дата обращения 4 октября 2021 г.). URL: https://github.com/lkilcommons/OvationPyme (accessed October 4, 2022). URL: https://www.swpc.noaa.gov (дата обращения 4 октября 2021 г.). URL: https://www.swpc.noaa.gov (accessed October 4, 2022). URL: https://omniweb.gsfc.nasa.gov (дата обращения 4 октября 2021 г.). URL: https://omniweb.gsfc.nasa.gov (accessed October 4, 2022). URL: https://developers.arcgis.com/javascript/3 (дата обращения 4 октября 2021 г.). URL: https://developers.arcgis.com/javascript/3 (accessed October 4, 2022). URL: http://aurora-forecast.ru (дата обращения 4 октября 2021 г.). URL: http://aurora-forecast.ru (accessed October 4, 2022).