Тема КОСМИЧЕСКАЯ ПОГОДА.  Исследования воздействия солнечной активности на магнитосферу, ионосферу, биосферу и техносферу Земли. Научный руководитель д.ф.-м.н. А.А. Петрукович.

 

1. Собран и проанализирован обширный экспериментальный материал, относящийся к экстремально активным явлениям в ноябре 2004 года

Спустя год после экстремальных событий на Солнце, в гелиосфере и на Земле в октябре-ноябре 2003 года [см. предыдущий отчет и работу Ермолаев и др., 2005] похожая ситуация повторилась в ноябре 2004 года (см.рис.). В работе, подготовленной, в основном,  участниками прошлогодней коллабарации отечественных исследователей экстремальных явлений, приводятся основные наблюдательные данные, относящиеся к периоду, когда на Земле наблюдалась сильная магнитная буря с Dst = -373 нТл. Рассматриваемый период по ряду параметров (сила возмущенности Солнца, солнечного ветра и магнитосферы) уступает аналогичному периоду 2003 года, приведенные данные свидетельствует о том, что благодаря событиям осени 2003 и 2004 годов фаза спада 23-его цикла солнечной активности является одной из самых активных за весь период всесторонних исследований солнечно-земных связей.

 

 

 

 

 

 

 

 

-       Ермолаев Ю.И., Л.М. Зеленый, Г.Н. Застенкер, А.А.Пертукович и др., Год спустя: Солнечные, гелиосферные и магнитосферные возмущения в ноябре 2004 г. Геомагнетизм и Аэрономия, №  6, 2005).

 

 

 2. Проанализированы методы изучения явлений на Солнце, в гелиосфере и магнитосфере Земли и выявлены основные причины расхождения оценок геоэффективности солнечных и гелиосферный явлений

В литературе по солнечно-земным связям есть разные оценки от 30 до 100 %. геоэффективности (способности возбуждать магнитные бури) солнечных и межпланетных событий. Мы сделали обзор изданных данных и нашли, что разные результаты возникают из-за различий в методах, используемых для того, чтобы проанализировать следующее:

 - (1) направления, в которых производятся сравнения событий;

 - (2) пары сравненных событий;

 - (3) методы классификации событий.

Мы отсортировали статьи, которые используют (1) анализ прямых и обратных трассировок событий, и (2) солнечные (солнечные вспышки и CME), межпланетные (магнитные облака, “эжекты” и CIR) и геомагнитные возмущения (магнитные бури по Dst и Kp индексам). Сравнены и обсуждены классификации магнитных бурь по Dst и Kp индексам, солнечных вспышек по оптическим и рентгеновским наблюдениям, и различных геоэффективных межпланетных событий. Принимая во внимание эти различия в классификации и направлениях трассировки, мы выделили следующие пары явлений (и в этом случае их “эффективность” согласуется для различных публикаций): "CME => Storm" - 40-50%, "CME => MC; Ejecta" - 60-80%, "MC; Ejecta => Storm" - 50-80%, "Storm => MC; Ejecta" - 30-70%, "MC;Ejecta => CME" - 50-80%, "Storm => CME" - 80-100%, "Flare =>Storm" -30-40% и "Storm => Flare" - 50-80%.

          Таким образом, эффективность прогнозирования магнитных бурь на основе наблюдений Солнца на сегодняшний день не превышает 50%.

 

 

 

 

-       Yu.I. Yermolaev, M.Yu. Yermolaev, G.N. Zastenker, L.M. Zelenyi, A.A. Petrukovich and  J.-A. Sauvaud, Statistical studies of geomagnetic storm dependencies on solar and interplanetary events: a review, Planetary and Space Science, v. 53, Issues 1-3, 189-196, 2005;

-       Yu.I. Yermolaev and M.Yu. Yermolaev,  Statistic study on the geomagnetic storm effectiveness of solar and interplanetary events,   Advances in Space Research, Available online 26 May 2005, в печати).

 

3. Распространение солнечных протонов в гелиосфере

Проанализированы наблюдения эффекта резервуара  в 3D гелиосфере (отсутствие градиента интенсивности солнечных космических лучей в широком диапазоне широт и долгот в гелиосфере на расстояниях <5-6 а.е.) на примере  наиболее мощных солнечных протонных событий 22 и 23 циклов солнечной активности (КА Ulysses на высоких широтах и вблизи орбиты Юпитера) и предложена их интерпретация.

           Солнечные космические лучи должны преимущественно распространяться вдоль магнитных силовых линий, соединенных с источником на Солнце первые 30 часов, и захватываться вблизи 5-6 а.е. за счет уменьшения радиального коэффициента диффузии. Поперечная диффузии выравнивает пространственные градиенты между силовыми линиями в широком диапазоне долгот и широт (область резервуара) за 100 часов. Частицы покидают резервуар за счет конвективного выноса потоками солнечного ветра.

 

 

 

 

Рис. 1. Сравнение интенсивности протонов 38-125 МэВ в различных событиях по данным Ulysses: полярная область гелиосферы (14 июля и 12 сентября 2000 года) и вблизи орбиты Юпитера (5 А.Е., 25 июня и  30 октября 1992 года).

 

-        Struminsky&B. Heber, KET Ulysses Observations of SEP in and out of the Ecliptic, Geophysical Monograph Series, Solar Energetic Particles and Plasma, under review 2005;

-        Struminsky, Three modes of particle propagation in the heliosphere, ICRC 29th, Pune, India, 2005, в печати;

-        Zimovets & A. Struminsky, Modeling of solar proton propagation in the 3D heliosphere, ICRC 29th, Pune, India, 2005, в печати).

 

4. Длительное и многократное ускорение на Солнце

Регистрация длительного (более одного часа) высокоэнергичного, нейтрального излучения Солнца (гамма и нейтроны) во вспышках июня 1991 года – неожиданный и поразительный результат наблюдений 22-го цикла, который указывал на возможность длительного и многократного ускорения  протонов на Солнце. Этот результат требовал подтверждения в аналогичных событиях 23-го цикла. Темп счета защиты ACS SPI INTEGRAL, которая чувствительна к первичным и вторичным гамма-квантам >100 keV, превышал фон длительное время в известных вспышках 28 октября 2003 года и 20 января 2005 года, т.е. не противоречил возможности длительного гамма-излучения. Наблюдения радиоизлучения, солнечных протонов и нейтронов дают дополнительные свидетельства:

28 октября 2003 (рис. 1) - нейтронный монитор Цумеб (Tsumeb NM) зафиксировал два возрастания, которые были вызваны приходом прямых солнечных нейтронов (аналогично событию 4 июня 1991 года). Для моделирования была использована функция инжекции нейтронов пропорциональная темпу счета ACS для первого эпизода, возрастающая и спадающая экспоненты с характерным временем 200с  для второго эпизода.

20 января 2005 года (рис. 2) – временной профиль интенсивности протонов в канале 80-165 МэВ имел два максимума. Наблюдалось изменение спектра протонов, которое можно интерпретировать как дополнительное ускорение на Солнце. Наилучшее согласие между измеренными и рассчитанными интенсивностями получается в модели с длительной инжекцией протонов в межпланетное пространство с двумя максимумами.

Рис. 1. Нижняя панель – вид функций инжекции нейтронов для первого (счет ACS, красный) и второго эпизодов (синий); верхняя панель вариации счета нейтронного монитора (черный) и результаты расчета согласно выбранным функциям инжекции (красный и синий).

 

Рис. 2. Интенсивность протонов 80-165 МэВ по данным GOES (черные квадраты) 20 января 2005 и ее аппроксимация в различных моделях (мгновенная инжекция -–, длина свободно пробега 0.3 а.е. (открытые кружки) и 0. 5 а.е. (красные кружки); длительная инжекция с двумя максимумами (зеленые кружки).

-        Struminsky, On Possibility of Prolonged Two Step Production of High Energy Neutrons during the Solar Flare on 28 October 2003, ICRC 29th, Pune, India, 2005, в печати;

-        Struminsky, Variations of solar proton spectrum during the ground level enhancement of 2005 January 20, ICRC 29th, Pune, India, 2005, в печати;

-        Struminsky, Further Evidences of Two Step Acceleration of Solar Energetic Particles, Abstracts SEE-2005, Nor-Amberd, Armenia, 2005, в печати;

-        И. Зимовец и А. Струминский, Абстракты, Научная конференция МФТИ, 2005, в печати)..

 

5. Статистический анализ обширной базы данных по спутниковым аномалиям показал наличие определенной связи между сбоями в работе геостационарных спутников и космической погодой

Воздействие космического окружения на работу спутниковых систем связано либо с солнечными протонами, либо с магнитосферными релятивистскими электронами. Для характеристики динамики релятивистских электронов в космическую физику введен новый геомагнитный индекс – волновой УНЧ индекс, характеризующий уровень низкочастотной турбулентности в околоземной среде.

-        Романова Н.В., В.А. Пилипенко, Н.В. Ягова, А.В. Белов, Статистическая связь частоты сбоев на геостационарных спутниках с потоками энергичных электронов и протонов, Космич. Исслед., 43, N3, 186-193, 2005;

-        Pilipenko V., N. Yagova, N. Romanova, and J. Allen, Statistical relationships between the satellite anomalies at geostationary orbits and high-energy particles, Advances in Space Research, 2005, в печати;

-        Kozyreva, O.V., V.A. Pilipenko, M.J. Engebretson, and K. Yumoto, A new ULF wave index and its comparison with dynamics of geostationary relativistic electrons, Planet. Space Science, 2005, в печати).

 

6. Новые подтверждения гипотезы о ритмах гелиогеомагнитной активности как о внешнем «организаторе», сформировавшем биологическую ритмику: открытие ритмов с периодами от 0,8 до 2,0 лет, характерных для ритмов солнечной активности,  в показателях артериального кровяного давления и частоты сердечных сокращений, а также во внезапной смерти у людей

Проведен спектральный анализ  баз данных о внезапной смерти в различных регионах мира (Северная Каролина, Миннесота, Арканзас (США),  Тбилиси (Грузия), Гонконг, Чешская республика) за период с 1999 по 2003 годы, а также данных многолетнего мониторирования артериального кровяного давления (SBP  и DBP) и частоты сердечных сокращений  (HR), собранных  на протяжении 16 лет  у пожилого человека  (72 года), 18 -и лет у человека, начавшего само-мониторирование в  34 года, и женщины, производившей само-мониторирование на протяжении 37 лет.  Выявлены ритмы с периодами короче и длиннее, чем 1.2 года: а именно, -  около 1.04, 1.12 и 1.83 года. Сопоставление этих спектров  с рассчитанными спектрами для показателей солнечной активности (скорости солнечного ветра, чисел Вольфа, Аp –индекса геомагнитной активности за соответствующее время), свидетельствует  не только о присутствии подобных ритмов в спектрах солнечной и геомагнитной активности, но и о сходной динамике биологических и гелиогеофизических ритмов. О существовании гелиогеофизических ритмов упомянутых периодов свидетельствует также ряд работ (Fraser-Smith AC. Spectrum of the geomagnetic activity index Ap., J Geophys Res 1972;77:4209–20; Richardson JD, Paularena KI, Belcher JW, Lazarus AJ. Solar wind oscillations with a 1.3-year period. Geophys Res Lett 1994;21:1559–60; Delouis H, Mayaud PN. Spectral analysis of the geomagnetic activity index aa over a 103-year interval. J Geophys Res 1975;80:4681–8;  Silverman SM, Shapiro R. Power spectral analysis of auroral occurrence frequency. J Geophys Res 1983;88(A8):6310–16).

Рис.1. Спектр ежесуточных значений скорости солнечного ветра за период с 1963 по 2003 годы. Вертикальные линии – 95% доверительный интервал. По оси абсцисс – частота (цикл/40лет), периоды (год) отмечены на спектре, по оси ординат – амплитуда (км/сек).

 

Рис.2. Спектрально-временная диаграмма скорости солнечного ветра (верхняя диаграмма) и процент выраженности спектрального периода (нижняя диагнамма) на фоне вариаций чисел Вольфа (кривая) за период с 1968 по 2005 годы, свидетельствующая о нестабильности и динамике спектральных периодов от 1 до 2 лет и отсутствии их связи с числами Вольфа.

Рис.3. Сопоставление спектрально-временных диаграмм систолического кровяного давления пожилого мужчины (САД) и скорости солнечного ветра (VСВ) (тёмные участки соответствуют большей амплитуде). Заметно, что компоненты с периодами около 2 лет и 1.3 года изменяются синхронно для VСВ и САД.

 

-        Franz Halberg, Germaine Cornélissen, Kuniaki Otsuka, Bohumil Fiser, Gen Mitsutake, Hans W. Wendt, Paul Johnson, Marina Gigolashvili, Tamara Breus, Robert Sonkowsky, Sergei M. Chibisov, George Katinas, Jarmila Siegelova, Jiri Dusek, R.B. Singh, Boris L. Berri, Othild Schwartzkopff , Incidence of sudden cardiac death, myocardial infarction and far- and near-transyears, Biomedicine & Pharmacotherapy v. 59, 238–260, 2005, http://france.elsevier.com/direct/BIOPHA/;

-        Halberg F., Katinas G., Cornelissen G., Zaslavskaya R., Syutkina E., Breus T., Y.Watanabe, Masalov A., Chibisov S., Chronoastrobiology: Vernadsky’s future science, Материалы 3-ей международной конференции «Болезни цивилизации в аспекте учения В.И.Вернадского», Москва, 10-12 Октября 2005г, Из-во РУДН, с. 4, 2005).

 

7. Выявление социальных негативных последствий воздействия космической погоды

Было проанализировано 2.5 тыс. аварий на международных авиалиниях за период с 1957 по 2005 год (около 50 лет, за 4.5. цикла солнечной активности) по базе данных Интернет сайта www.planecrashinfo.com. с целью выявления возможного участия  гелиогеомагнитных эффектов в их происхождении.

           Получены следующие результаты. Количество авиакатастроф на Международных авиалиниях достоверно выше среднего уровня в первый день после смены полярности межпланетного магнитного поля (ММП). Достоверность различий между выборками количества аварий в первый день после смены знака и общей выборкой количества аварий во все остальные дни оценивалась по непараметрическому критерию Вилкоксона для однородности двух выборок. Окаазалось что для дня смены знака ММП было характерно высокое значение производной Dst-вариации (по данным о смене знака ММП усредненным для 523 случаев).

-        Зенченко Т.А., Мерзлый А.М., Астахов С.А., и др., Анализ статистической связи гелиогеофизических факторов и динамики аварийности на международных авиалиниях за период 1947-2005гг. Сб.Тезисов конференции «Космос и биосфера», Партенит, Крым, Украина, сентябрь-октябрь 2005, с. 39, 2005).

 

8. Экологические эффекты влияния на  здоровье детей по данным  комплексной диагностики детей - подростков 

Проведен анализ данных комплексной диагностики психофизиологических показателей, нейропсихологического статуса и анамнестических данных более 3,5 тыс. детей в возрасте от 6 до 14 лет, проживающих в разных районах Москвы, городах Химки и Сходня Московской области. Были измерены с помощью автоматизированного рабочего места психофизиолога, разработанного ПФД г. Смоленска психофизиологические показатели (скорость простой слухо- и зрительно-моторной реакции, уровня работоспособности, утомления, остроты зрения при ближнем видении, скорости зрительного различения, динамики простой слухо-моторной реакции, отражающих уровень фонематического восприятия, уровень развития когнитивных процессов – произвольного внимания – показатели продуктивности и точности, смысловой памяти – показатели точности и скорости выполнения задания, механической памяти – точности выполнения заданий) Достоверность различий между показателями оценивалась с помощью непараметрического критерия Вилкоксона для независимых групп

           Поскольку изменение психофизиологических показателей отражает воздействие экологических факторов не только глобального (космическая погода), но и местного  масштаба, для изучения эффектов геомагнитной активности на первом этапе проведен детальный сравнительный анализ различных психофизических параметров для всех представленных в базе районов проживания детей. Полученная в результате такого анализа зависимость послужила «нормировочной картой» для дальнейшего анализа эффектов геомагнитной активности.

           Установлено, что психофизиологические показатели детей, проживающих в различных районах Москвы и Московской области, вне зависимости от района проживания,  согласуются с общими тенденциями психофизиологических возрастных кризисов, а степень их нарушений согласуется  с экологической обстановкой в районе проживания. В экологически неблагополучных районах (Братеево, Нагатино, г. Москвы) степень нарушения психофизиологических показателей достоверно выше, чем в экологически благоприятных (Новые Химки Московской области). Достоверность различий между отдельными показателями была  p<0.05  

-        Хорсева Н.И. «Мониторинг психофизического здоровья детей и подростков» Тезисы Межвузовской научно-практической конференции «Институт XXI века: подготовка педагогических кадров (актуальность, проблемы, перспективы)» 28 марта 2005 года, в печати).

9. Возможное влияние солнечной активности на индивидуально-типологические особенности детей - подростков

Исследования частоты встречаемости различных типов силы нервной системы (способности выдерживать длительные и значительные нагрузки без видимых признаков утомления или торможения) и показателя лабильности нервной системы (свойство нервной системы быстро реагировать на внешние воздействия)  в различные фазы (минимумов и максимумов) циклов солнечной активности (СА) по всей  когорте детей (3,5 тыс.) в возрасте от 6 до 14 лет, проживающих в разных районах Москвы, городах Химки и Сходня Московской области, показали, что в годы с высокой СА частота встречаемости сильного и средне-сильного типов силы нервной системы среди рожденных детей выше, чем в годы минимумов СА. Для индивидуумов со слабым и средне-слабым типом нервной системы наблюдается обратная тенденция – процент таких детей выше среди родившихся в годы минимумов СА, чем в годы максимумов. Для показателя, характеризующего лабильность нервной системы, таких различий не обнаружено.

           Обнаружены линейные тенденции изменения процентного соотношения детей с разным типом силы нервной системы в зависимости от года рождения: за период от 1980 по 1993 гг. Достоверно возрастает частота встречаемости слабого и средне-слабого типов силы нервной системы с 3,4% до 10,5% и с 10,3% до 21,1% соответственно. Для показателя лабильности нервной системы установлено значительное повышение процента лиц с низкой лабильностью за тот же период.

-        Хорсева Н.И., Зенченко Т.А., Сравнение индивидуально-типологических особенностей людей, рожденных в разные годы 21-23 циклов солнечной активности, Тезисы VI Международной крымской конференции «Космос и биосфера:», Партенит, Крым, Украина, 26сентября-1 октября 2005, с. 76, 2005).