Магнитное поле возмущенное что это значит для человека: Возмущения в магнитном поле Земли

Содержание

Возмущения в магнитном поле Земли

 

 

 

 

Вызванная аномалиями на солнце, сегодня, 6 октября 2015, начнется магнитная буря. На Землю она обрушится ближе к вечеру, по времени Москвы.


По обращениям научных работников, данное событие может послужить причиной к проблемам со связью, смещению в худшую сторону качества теле- и радиосигналов, а кроме того может быть вывести из строя спутники. Магнитная буря продлится два дня, до дня четверга, 8 октября.

 

Метеозависимым людям рекомендуется не находиться долго на солнце, пить часто, но немного воды. Например, по 1 стакану раз в 2 часа. А причиной приближающейся магнитной бури является солнечный ветер, который с миллионной скоростью движется к нашей планете.

 

Он вырывается из так называемой корональной дыры на Солнце, ее диаметр в 27 раз больше диаметра нашей планеты, – сообщают специалисты.

 

Вечером не особо нагружайтесь, как физически, так и умственно.

Головные боли могут быть настолько сильными, что к утру вы не сможете подняться с кровати и пойти на работу.

 

А проблема с техникой и телефонной связью – дело не такое важное, как здоровье человека. Придется потерпеть. Интернет не будет в эти дни зависать и долго загружаться. Поэтому, если у вы думаете, что магнитная буря влияет на качество вашего интернета, то это не так. Ищите проблему в другом.

 

 

По данным ФГБУ «Института прикладной геофизики»,  5 октября 2015 г.Интегральная солнечная активность – низкая.   На диске Солнца наблюдалась одна группа пятен: 2427 (N18W58).   Ее площадь уменьшилась от 150 до 110 МДП, магнитная   конфигурация BETA. Вспышечной активности в группе   не зарегистрировано. Вспышечная активность – очень низкая.   Геомагнитное поле,по данным среднеширотных станций – неустойчивое.по данным высокоширотных станций – от неустойчивого до сильно  возмущенного. По данным Мурманского УГМС срывы КВ-радиосвязи были зарегистрированы:   на трассах Кольского п-ва в 00-06, 08-15, 17, 20-23 ч мск; северного, восточного направлений в 00-08, 10, 11, 13, 14, 20-22 ч мск; южного направления в 12-15, 22 ч мск.

           

ПРОГНОЗ КОСМИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ НА  6 –  7 ОКТЯБРЯ 2015 г.    Вспышечная активность ожидается низкая;геомагнитное поле 6 октября – спокойное; 7 октября – спокойное  с отдельными периодами неустойчивости;  радиационная обстановка – невозмущенная.  Ожидаются срывы КВ-радиосвязи в отдельные часы суток.

 

Подробный анализ и прогноз космической погоды можно узнать на сайте ФГБУ «Института прикладной геофизики»

 

 

 

 

 

 

 

Северное сияние и магнитная буря ходят парой

Любителей вечерних прогулок перед сном во вторник вечером ждал сюрприз. 

Полярное сияние – феерическое световое шоу в атмосфере, которое частенько наблюдается в приполярных широтах – было видно не только в Санкт-Петербурге, Карелии, Великом Новгороде, но и в куда более южных областях: Тверской, Смоленской, Московской.

Как же образуется полярное сияние, почему чем южнее, тем меньше шансов его наблюдать, и что случилось вчера? И что в этом плохого? 

Итак, полярное сияние – это свечение частиц в верхних слоях атмосферы. Для того, чтобы частица начала светиться, ее надо ионизировать. И эту работу на себя берет солнечный ветер – поток заряженных частиц от Солнца, который движется к Земле после солнечных вспышек. Именно после вспышек говорят о возмущенном геомагнитном фоне, а то и о магнитной буре. 

К высоким приполярным широтам северные сияния тяготеют потому что там располагаются магнитные полюса Земли. На юг северные сияние продвигаются при очень сильных вспышках на Солнце. 

Сильная вспышка на Солнце произошла 15 марта, а накануне вечером поток заряженных частиц достиг Земли. 

Интенсивность явления определяется Кр-индексом –индексом отклонения магнитного поля Земли от нормы. Этот параметр меняется от 0, когда обстановка полностью спокойная, до 9 – когда отклонение от нормы максимально. По данным Института земного магнитизма РАН, во вторник вечером Кр-индекс достиг 9, именно из-за этого полярное сияние можно было наблюдать в непривычно южных районах. 

Сегодня магнитное поле Земли остается в возмущенном состоянии, но Кр-индекс уже не максимален.

Конечно, можно понадеется на повторение светошоу, но на широте Москвы повторение северного сияния маловероятно. 

Кстати, глядя на всполохи в атмосфере, не стоит забывать о своем здоровье. 

Если уж поток был настолько сильным, что полярное сияние добралось до Москвы, значит в магнитном поле Земли разыгралась сильная буря. 

В сочетании с очень высоким атмосферным давлением, которое в эти дни отмечается в центре европейской территории России, такая погода может негативно отразиться на самочувствии метеозависимых людей. Особенно неблагоприятно такое сочетание природных факторов для людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями, в первую очередь, гипертонией. Берегите себя, и в такие дни избегайте чрезмерных нагрузок!

Магнитная буря: что это такое и как пережить?

Магнитные бури влияют на состояние здоровья многих людей, страдающих метеозависимостью. В этом предложении сразу два спорных момента: влияют ли магнитные бури на чье-то здоровье, и существует ли на самом деле метеозависимость. Попробуем привести доводы и за, и против.

Есть статистические данные о том, что во время магнитных бурь увеличивается частота инфарктов, инсультов, гипертонических  и гипотонических кризов. При особенно сильных бурях частота инфарктов возрастает на четверть.

Во время геомагнитных бурь увеличивается поток пациентов у психотерапевтов с жалобами на депрессию. Примерно 10-15% людей ощущают значительное ухудшение самочувствия и здоровья из-за магнитных бурь. Изменения силы магнитного поля Земли влияют на всех людей, однако здоровые люди адаптируются к этим изменениям незаметно для себя. К сожалению, абсолютно здоровых людей не так много, а остальные в той или иной степени реагируют на природные катаклизмы.

Что такое магнитная буря

Когда на Солнце происходит вспышка, к Земле несется поток ионизированных частиц. У частиц есть свое магнитное поле, и если эти поля ориентированы на север, «вдоль» поля магнитосферы, то сильных возмущений магнитосферы не происходит, а вот если на юг, то последствием становится магнитная буря.

Заряженные частицы с огромной скоростью приближаются к Земле.

Главная фаза бури, фаза нарастания возмущения, занимает примерно 7 часов, а фаза восстановления, когда магнитное поле приходит в норму – около 3 суток.

Шестое чувство

У многих животных есть «шестое чувство» – они чувствуют магнитные поля. Например, при дальних перелетах птицы находят правильное направление полета, ориентируясь по магнитному полю. Во время магнитных бурь их «внутренний компас» может сбиться. У многих животных обнаружены специальные магниточувствительные органы. Есть гипотеза, что в далеком прошлом и люди чувствовали магнитные поля подобно животным.

Исследования, проведенные 10 лет назад, показали, что головной мозг человека реагирует на магнитное поле электрической активностью, так же, как на сигналы от органов чувств.

Осторожность не помешает

Людям, имеющим заболевания сердечно-сосудистой и нервной системы, нужно внимательно относиться к метеопрогнозам, и особенно аккуратно принимать назначенные врачом лекарства.

В дни магнитных бурь у людей уменьшается выработка гормона мелатонина и увеличивается выделение адреналина и кортизола, в результате человек испытывает стресс. Из-за повышения уровня адреналина в крови может страдать тонус сосудов у людей с проблемами в сосудистой сфере. Им в дни магнитной бури не нужно резко подниматься с постели  утром, чтобы не спровоцировать головокружение или обморок. В «возмущенные» дни лучше не браться за решение сложных проблем, лучше отложить важные дела на потом.

В дни магнитных бурь нужно правильно питаться, не переедать. При переедании кровь приливает к перегруженному лишней едой желудочно-кишечному тракту, а мозг и сердце  начинают испытывать кислородное голодание, и есть риск сердечного приступа. Диета должна быть легкой: отварная рыба, каши, овощи и фрукты.

У многих людей в эти дни повышается раздражительность, у женщин появляется плаксивость.

Особенно сильно реагируют на магнитные бури женщины в период климакса, когда и без того организм вынужден реагировать на уменьшение уровня гормонов, идет сложная перестройка.

Разработанный  в научных центрах Дальнего Востока оздоровительный комплекс ЭКСТРА МОЛОДОСТЬ поддерживает женский организм в  самых разных условиях, и, в том числе, в разгар магнитной бури. ЭКСТРА МОЛОДОСТЬ укрепляет нервную систему, регулирует гормональный баланс, помогает преодолевать стрессы.

Земля в объятиях Солнца

КАК ВЛИЯЮТ НА НАШУ ЖИЗНЬ СОБЫТИЯ, ПРОИСХОДЯЩИЕ В 150 МИЛЛИОНАХ КИЛОМЕТРОВ ОТ ЗЕМЛИ


«По прогнозам гелиометеорологов, сегодня ожидается высокая солнечная активность, пик которой придётся на 17–18 часов по московскому времени. Ослабление магнитного поля Земли может привести к сбоям в работе электронной техники, систем навигации и телекоммуникаций. По данным спутника Solar Orbiter, в ближайшие сутки мощный солнечный ветер ворвётся в полярные области Земли. Спонсор нашего выпуска, компания „Полярные авиалинии“, рекомендует срочно покупать билеты в Мурманск, где ожидается необычайно яркое северное сияние». Так или примерно так — прогнозом солнечной погоды — будут заканчиваться новостные блоки уже в самой недалёкой перспективе. И пусть вас не смущают малознакомые слова («гелиометеоролога» мы, признаться, выдумали сами). Понятие космической погоды вошло в научный обиход недавно, в 1990-е годы, но область знаний, в недрах которой оно зародилось, развивается так активно, что уже через несколько лет подобные прогнозы станут реальностью, а термины будут знакомы каждой домохозяйке. Но обо всём по порядку.

   

Дует солнечный ветер

Интересующая нас область науки изучает активные события, происходящие на Солнце, и их влияние на магнитосферу, ионосферу и атмосферу Земли. Хотя как отдельное направление эта дисциплина сформировалась лишь около четверти века назад, само понятие «космическая погода» советский биофизик Александр Чижевский использовал ещё в начале XX века. Один из самых больших романтиков от науки, он писал: «Земля постоянно находится в объятиях Солнца. Солнечная активность, как настроение человека, передаётся Земле через эти объятия».

   

Новые поколения учёных разложили эти «объятия» на составляющие.

Внутри Солнца, как мы помним ещё со школы, идёт мощнейшая термоядерная реакция с выделением огромного количества энергии. Очень-очень медленно, иногда около миллиона лет, эта энергия поднимается из центра звезды к её поверхности. По пути ослабевает, поэтому процессы, происходящие в центре Солнца, можно «увидеть» только в рентгеновском диапазоне, а те, что на поверхности, — своими глазами (через защитный фильтр, конечно). Точнее говоря, слой, излучение в котором уже можно наблюдать воочию, фотосферу, и принято считать поверхностью Солнца, ведь твёрдой оболочки, как у Земли, у звезды нет. Свет Солнца долетает до нашей планеты за 8 минут — свет, зародившийся миллион лет назад!

Но кроме фотонов, прилетающих к нам со скоростью света, Солнце выделяет огромное количество электронов и протонов. Им, чтобы достичь нашей планеты, требуется от суток до трёх.

— С Солнца постоянно истекает так называемый солнечный ветер — поток заряженных частиц, который подлетает к Земле постоянно, каждый миг, 24 часа в сутки, — объясняет сотрудник Космического центра Сколтеха Татьяна Подладчикова.  

Татьяна Подладчикова. Фото: Sk.ru

  

Чтобы понять, как дует солнечный ветер, нужно вспомнить, что Солнце — это огромный газовый шар, экватор которого вращается вокруг своей оси намного быстрее, чем полюса. Это явление называют дифференциальным вращением Солнца.

— Частицы разлетаются примерно так же, как разносились бы брызги воды из шланга, если бы вы вращались вместе с ним. Улетая, заряженные частицы уносят с собой магнитное поле звезды и в итоге заполняют им всю Солнечную систему. А так как Солнце вращается вокруг своей оси, это поле в межпланетном пространстве приобретает особую форму, которую учёные называют «многослойной юбкой балерины», — говорит Татьяна.

Получается, и Земля, и другие планеты Солнечной системы, и конкретно мы с вами живём в складках этой юбки — складках магнитного поля Солнца.

Иногда солнечный ветер превращается в ураган, и тогда огромное магнитное облако заряженных частиц отрывается от поверхности звезды и уносится в космическое пространство. Это явление физики называют корональным выбросом масс. Если такое облако направится к Земле, то при определённых физических условиях будет способно прорваться к поверхности нашей планеты и натворить бед.

Научиться предсказывать подобные события —задача невероятно сложная. Так что нынешние прогнозы космической погоды иногда напоминают обычные: с утра обещают дождь, вы берёте зонтик и ни разу его не достаёте. Облако солнечных частиц в последний момент может пройти мимо планеты, как и туча мимо города. Ведь у Земли, в отличие, например, от Марса, есть магнитное поле — купол, который защищает нас от частиц, летящих из космоса, в частности солнечных.

Но так происходит не всегда. Бывает, что магнитные линии Солнца пересоединяются с линиями магнитного поля Земли, то есть сходятся с ними, смыкаются. После чего перемещаются на ночную сторону Земли, и там происходит ещё одно пересоединение — фактически разрыв той самой нашей естественной защиты. Прорвав её, заряженные частички «засыпаются» по магнитным линиям Земли в полярные области.

И в этот момент мы видим полярное сияние.

— Это единственное и очень красивое явление космической погоды, которое мы можем увидеть собственными глазами, — говорит Татьяна Подладчикова.

Солнечные циклы

Солнечные пятна — это реальные затемнения на поверхности звезды, их можно увидеть в оптический телескоп, пересчитать и измерить (диаметр такого пятнышка легко может достигать трёх земных).

Солнечные пятна кажутся тёмными из-за более низкой температуры: возмущённое магнитное поле в этих регионах сдерживает перенос энергии из внутренних слоёв Солнца.

  

Люди замечали солнечные пятна ещё в первом тысячелетии до нашей эры, с изобретением телескопа в XVII веке наблюдения стали более упорядоченными. Однако сама природа пятен вплоть до XX века оставалась загадкой.Сегодня мы знаем, что затемнения — это области усиления магнитного поля. В этих точках оно настолько мощное, что тормозит перенос энергии и тепла из недр Солнца на его поверхность. Соответственно, температура здесь на 200–300 градусов ниже, чем в остальных областях, поэтому мы видим пятна тёмными. Впрочем, долго удерживать энергию не получается — она накапливается и в какой-то момент прорывается. На Солнце происходит активное событие — солнечная вспышка, которая может сопровождаться корональным выбросом масс.

Нынешние учёные смотрят на Солнце не только в оптические телескопы с Земли, как Галилей. Наблюдения в других диапазонах, ультрафиолетовом и рентгеновском, позволяют понять, что происходит в верхних слоях Солнца, и разобраться в происхождении пятен.

Всё начинается с перепутывания магнитных линий Солнца. Как мы помним, экватор вращается быстрее, и в какой-то момент магнитные линии, обвивающие Солнце, начинают запутываться, будто нитки. Возникают так называемые петли — места наибольшей напряжённости. В рентгеновском диапазоне мы видим эти места как особые магнитные арки — потоки заряженных частиц, огибающих линии магнитного поля Солнца.

— Представьте, что мы разбираем капусту на листья, обнажая всё новые уровни. Наблюдая за Солнцем в разных диапазонах, мы видим разные его слои. В одном из них, например, — солнечные протуберанцы. А сопоставив всё увиденное, мы можем понять взаимосвязи и установить цепочку событий, — продолжает Татьяна.

После того как магнитные линии запутаются до предела, они начинают распутываться. То есть солнечная активность то повышается, то снижается. В XIX веке, спустя примерно двести лет после начала наблюдений за Солнцем в телескоп, выяснилось, что процесс этот цикличен. Открытие сделал астроном-любитель и фармацевт по профессии Генрих Швабе.

Он много лет наблюдал за Солнцем, считая пятна, и методично записывал данные в блокнотик. Спустя несколько лет после того, как Швабе опубликовал свою работу, профессиональные астрономы подтвердили открытие и уточнили длительность цикла — 11 лет.

Солнечный цикл начинается с зарождения пятен на полюсах Солнца. Постепенно пятен становится больше, они перемещаются от полюсов к экватору. В минимуме солнечной активности, когда пятна практически отсутствуют, магнитное поле Солнца выглядит как обычный магнит с круговыми линиями и двумя полюсами. В максимуме это клубок «ниток» с выраженными петлями.

— При этом каждые 11 лет полюса Солнца меняются местами: южный переходит на север и наоборот. Это сложный процесс так называемого солнечного динамо, — добавляет Татьяна.

После открытия циклов солнечной активности учёные обнаружили, что они не равнозначны: пики солнечной активности имеют разную интенсивность. В опубликованном недавно в The Astrophysical Journal исследовании, ведущим автором которого выступила Татьяна Подладчикова, учёные приводят результаты прогнозирования грядущих циклов. Ожидается, что сила следующего, 25-го, цикла солнечной активности будет ещё меньше, чем 24-го.

 

Предсказать погоду

Как и в случае с просто погодой, прогнозирование космической погоды строится на стыке физики и математики. Точность предсказания повышается по мере вникания в детали происходящих процессов, а математика помогает обработать большое количество данных.

— Сейчас около 80 обсерваторий в мире каждый день синхронно подсчитывают количество пятен на солнце, — рассказывает Татьяна. — Так как в солнечный телескоп смотреть нельзя, чтобы не повредить глаза, картинка с него проецируется на лист бумаги, и человек вручнуюобводит и считает пятна, отслеживает месторасположение их групп. Человеческий глаз до сих пор остаётся лучшим инструментом для таких подсчётов. Потом все данные отправляют на обработку в Брюссель, в Королевскую обсерваторию.

По структуре пятен можно предположить, произойдёт ли вспышка. И если это случится, когда группа пятен находится в центре солнечного диска, то облако плазмы полетит строго на нас. Возможность прогнозирования строится на знании того, что из-за вращения Солнца раз в 27 дней группа пятен обычно оказывается на одном и том же месте.

Но с Земли можно получить далеко не все данные, ведь атмосфера поглощает ультрафиолет и рентгеновское излучение, а большинство солнечных событий в видимом диапазоне не наблюдается. Приходится смотреть из космоса. Первые спутники для этих целей запустили в середине 1990-х, а в 2010 году на геостационарной орбите Земли заработала солнечная динамическая обсерватория NASA.

Кроме того, на орбите сейчас находится несколько коронографов, наблюдающих непосредственно за солнечной короной, то есть внешними слоями солнечной атмосферы. Поскольку солнечный диск слишком яркий, коронограф создаёт искусственное затмение, закрывая диск кружком, и в результате позволяет наблюдать за солнечной короной. Таким образом можно увидеть даже корональный выброс масс — как частицы отрываются от Солнца и уносятся в космос.

— Отслеживая выброс в режиме реального времени, можно понять, направляется ли облако частиц в сторону Земли. Если да, то примерно через три дня солнечный ураган попытается прорвать нашу атмосферу, — говорит Татьяна.

Ещё более точные данные получает спутник, находящийся в точке Лагранжа L1, примерно в 1,5 млн км от Земли. По его данным уже можно судить, произойдёт ли разрыв в магнитном поле Земли, или буря обойдёт нас стороной. Это самый надёжный на сегодня прогноз, но делается всего за несколько часов. Однако уже в 2018 году стартуют миссии Solar Probe и Solar Orbiter — эти спутники займут место значительно ближе к Солнцу, и обеспечат более долгосрочный прогноз.

— В 2000 году солнечная активность была очень высокая. Тогда упало и вышло из строя очень-очень много спутников. Но некоторые благодаря прогнозам удалось сохранить, введя в спящий режим на время прохождения облака частиц. Простой пример того, как наша работа помогает сэкономить миллионы долларов, — рассказывает Татьяна.

Важно это и для планирования космических миссий. Во время активных событий на Солнце космонавты, уже не защищённые в полной мере магнитным полем Земли, могут получить изрядную дозу облучения. Сегодня все миссии планируются с учётом прогноза космической погоды, а долгосрочные полёты, например на Марс, будут невозможны, пока наука не придумает способ защитить человека от солнечной радиации.

  

Бури и люди

— У поверхности Земли заряженные частицы, прилетевшие с Солнца, попадают в ловушку магнитного поля. Частицы в магнитосфере могут ускоряться до очень высоких энергий. Эти процессы формируют кольцевой электрический ток — он опоясывает нашу планету на расстоянии от трёх до пяти земных радиусов от поверхности. Ток порождает магнитное поле, направленное противоположно земному, и таким образом ослабляет его. На Земле происходит геомагнитная буря, — объясняет механизм явления Татьяна.

Результаты — насколько ослабло магнитное поле Земли — способны измерить наземные магнитные станции.

Геомагнитная буря — пожалуй, самый известный термин из области космической погоды. Сообщение о ней включают даже в традиционный прогноз.

В 1859 году английский астроном Ричард Кэррингтон, наблюдая за солнечными пятнами, впервые в истории увидел вспышку на Солнце. Примерно через сутки на Земле случилась сильнейшая магнитная буря. В Европе и Северной Америке отказал телеграф, а полярное сияние видели даже жители Карибских островов. Кэррингтон предположил, что причиной всех этих явлений стала вспышка на Солнце, но научное сообщество отнеслось к идее скептически.

Сейчас связь между солнечной активностью и возникновением магнитных бурь на Земле никто не оспаривает, но уж слишком много мифов вокруг самого понятия, сетуют учёные.

— Человек, да и любой живой организм, — слишком сложная структура, и до сих пор нет достоверных исследований, доказывающих прямое влияние на нас геомагнитных бурь и космической погоды в целом. Прежде всего сложно оценить, это Солнце повлияло или что-то иное. Сейчас идёт процесс накопления данных, так что открытия в этой области не за горами. Но могу точно сказать, что голова от магнитной бури заболеть не может: геомагнитное колебание, вызванное бурей, гораздо меньше колебания от проезжающего трамвая, — объясняет Подладчикова.

Некоторые исследования показывают, что в момент магнитной бури сгущается кровь. И если здоровому это ничем не грозит, то у человека в группе риска по сердечно-сосудистым заболеваниям может стать последней каплей и спровоцировать инсульт или инфаркт. Согласно статистике, число вызовов скорой помощи в периоды сильных магнитных бурь всегда возрастает.

Затрудняет работу учёных и то, что человек — существо очень адаптивное. Мы привыкаем к условиям, в которых живём. К примеру, жители полярных широт не страдают от магнитных бурь сильнее, чем жители экватора: организм приспособился. А вот совсем без геомагнитных бурь будет плохо, по-видимому, нам всем. По крайней мере крысы, которым создали в лаборатории соответствующие «тепличные» условия, стали вялыми и перестали размножаться.

 

— Александр Чижевский связывал активность Солнца также и с социальными процессами: войнами и революциями. Однако влияние солнечной активности на человека — вопрос очень сложный, и объективный ответ на него предстоит дать учёным будущего. Новые аспекты солнечно-земных связей, возможно, поможет раскрыть запуск спутников за пределы магнитосферы Земли. К тому же, на помощь приходят большие данные, ждём и гениальных идей относительно экспериментов. На мой взгляд, прорыв случится в ближайшие полвека, — говорит Татьяна.

Другое дело техника. Мы знаем, как она работает, поскольку сами её спроектировали, а значит, можем проследить, как влияет на электронные устройства космическая погода. Взять, например, геомагнитную бурю 13–14 марта 1989 года, вошедшую в историю как Квебекское событие. Тогда канадская провинция Квебек осталась без электричества из-за сгоревшего транзистора, а экономика страны потеряла миллиарды долларов. Кстати, полярное сияние в эти дни наблюдали опять-таки жители южных широт.

Заметные неудобства причинила вспышка на Солнце, случившаяся 4 сентября 2015 года. Тогда в Швеции пропали с радаров самолёты над всей южной частью страны. Диспетчеры экстренно посадили суда, находившиеся в воздухе; все полёты были отложены.

Сегодня мониторингом магнитных бурь занимаются многие железнодорожные перевозчики, а также компании, эксплуатирующие электростанции и даже трубо- и нефтепроводы. Кстати говоря, все данные, полученные в ходе дорогостоящих космических миссий, открыты для заинтересованных лиц на ресурсах ESA и NASA.

— Мы сейчас гораздо больше зависим от электричества, чем сто лет назад, — подытоживает Татьяна. — Не так давно не слишком сильная буря привела к тому, что в Архангельске светофоры внезапно стали произвольно переключаться с красного на зелёный. А что, если случится событие, подобное буре 1859 года? Это приведёт к непредсказуемым последствиям. Так что важность прогнозирования растёт день ото дня. А пока хорошей космической погоды всем нам!

 

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №1-2 (39-40) за январь-февраль 2018 г.

     

Источник: kot.sh

Влияние магнитного поля на человека

В индивидуальной ученической работе по физике на тему «Влияние магнитного поля на человека» рассматривается влияние магнитных полей на человека, анализируются имеющиеся сведения о магнитных полях и их воздействии на организм человека, выясняется, как магнитное поле влияет на развитие болезней у людей.

Подробнее о работе:


В рамках исследовательской работы по физике о магнитных полях подробно изучаются теоретические сведения и дается определение низкочастотных магнитных полей, солнечных геомагнитных бурь, солнечного воздействия и проводится практическое исследование магнитного поля на примере изучения состояния здоровья жителей г. Азнакаево в период магнитных бурь.

В ходе учебного исследовательского проекта по физике «Влияние магнитного поля на человека» учащийся школы изучает данные по количеству посетивших поликлиники г. Азнакаево в период магнитных бурь, демонстрирует графики Геомагнитного фона Земли в определенный период времени, выясняет, связано ли самочувствие человека с магнитным полем Земли.

Оглавление

Введение
1. Влияние магнитного поля на человека.
2. Основные знания о магнитных полях.
3. Низкочастотные магнитные поля.
4. Солнечные геомагнитные бури.
5. Солнечное воздействие.
6. Влияние магнитного поля на развитие болезней.
7. Исследование магнитного поля.
Заключение
Литература

Введение


Цель проекта: узнать, влияет ли магнитное поле Земли на здоровье человека.

Актуальность: в наше время все знают о неблагоприятных днях (сильных магнитных возмущениях на Солнце), влияющих на здоровье человека (особенно наших бабушек и дедушек). Так это или нет, мы решили выяснить в данной работе.

Задачи проекта:

  1. собрать теоретический материал по теме;
  2. показать графики Геомагнитного фона Земли в определенный период времени
  3. найти данные по количеству посетивших поликлиники г. Азнакаево в данный период
  4. проанализировать собранный материал;
  5. сделать выводы.

Область исследования: физика.

Предмет исследования: Азнакаевский район, детская и взрослая поликлиники.

Объём исследования: информация о вызовах врачей на дом на период с октября по ноябрь 2017-го года.

Характер работы: прикладной.

Этапы работы:

  1. Сбор материала по данной теме в поликлинике города, интернете, учебниках по физике, энциклопедиях и т.д.
  2. Анализ и обобщение собранного материала.
  3. Выполнение экспериментально-исследовательской части.
  4. Письменное изложение результатов исследования.
  5. Защита проекта.

Методы исследования:

  1. Изучение литературы по теме.
  2. Систематизация материала.
  3. Выполнение расчетов, построение таблиц, графиков.

Влияние магнитного поля на человека

Перед началом необходимо понять, что ежедневные и бытовые приборы, создающие магнитные поля вокруг себя, такие как микроволновые печи, телевизоры и т д не имеют веского влияния на человека, так как они низкочастотны и организм легко к ним адаптируется без значительных изменений, за исключением некоторых особенностей, упомянутых далее.

Поэтому в данном проекте акцент будет сделан именно на влияние Солнечных магнитных бурь, поскольку они наиболее сильные и симптомы их влияния выражены наиболее ярко.

Основные знания о магнитных полях


Магнитное поле — это силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и тела, обладающие магнитным моментом. Это одна из пяти известных нам сил, управляющих Вселенной от микромасштабов до масштабов межгалактических. Похоже, что магнитное поле — непременное условие для существования жизни. Оно представляет собой единственную защиту от убивающей радиации Солнца.

Северное сияние – это итог столкновения электрически заряженных солнечных частиц и атомов из нашей атмосферы — энергия от столкновения выделяется в виде света. То, что северное сияние наблюдается в основном на полюсах, объясняется тем, что там магнитное поле Земли особенно сильное.

Человек на планете Земля постоянно находится под воздействием магнитного поля. Человеческое тело также обладает собственным магнитным полем, различным для разных органов. Важным моментом является поддержание относительного баланса между внешними и внутренними магнитными полями. Бесспорным является факт, что внешние магнитные поля в значительной мере определяют состояние наших внутренних магнитных полей.

В макромолекулах (нуклеиновые кислоты, протеины и т.п.) под влиянием магнитных полей возникают заряды и изменяется их магнитная восприимчивость. Магнитная энергия макромолекул в результате такого воздействия превышает энергию теплового движения. Именно данный эффект даёт возможность использовать магнитное поле для запуска ориентационных и концентрационных изменений внутри биологически активных макромолекул.

Этот эффект влияет на скорость биохимических и биофизических процессов. Активность ионов является важнейшим регуляторным механизмом человеческого организма. Эта активность определяется, в первую очередь, связью с макромолекулами и степенью гидратации (то есть связью с молекулами воды). Благодаря возрастанию ионной активности в тканях организма под воздействием магнитных полей происходит стимуляция клеточного метаболизма, то есть увеличение обмена веществ.

Врачи и ученые эксперты в области физиологических процессов, происходящих под влиянием магнитного поля в человеческом организме, обращают повышенное внимание на влияние магнитного поля на кровеносно-сосудистую систему человека, эффективность переноса кислорода кровью, транспортировку питательных веществ, но наиболее чувствительной к магнитному полю является нервная система.

На магнитные поля реагирует и многие другие системы организма: эндокринная, сердечно-сосудистая, дыхательная, костно-мышечная и пищеварительная системы, органы чувств и кровь.

Низкочастотные магнитные поля


Слабые магнитные поля – техногенного и естественного происхождения – оказывают влияние на физиологические функции человека, что в итоге сказывается на общем состоянии. Особенности влияния магнитного поля на человека принципиально отличаются от любого другого воздействия — химического, теплового, радиационного, электрического. Например, если мускулатура и система кровообращения могут отчасти шунтировать опасный ток, а радиация частично поглотиться поверхностными слоями тела, то магнитное поле воздействует на организм целиком.

В природных условиях человек подвержен лишь естественным электромагнитным полям, на которые он настроился на протяжении всего процесса эволюции на планете Земля. Когда же в этот процесс взаимодействия вмешиваются искусственные источники магнитных, электрических и электромагнитных полей, то происходит нарушение синхронизации. Магнитное поле Земли изменяется с частотой в среднем 8 Гц, хотя это значение может значительно колебаться. Наш организм уже настроен на то, чтобы воспринимать эту частоту и считает её естественным фоном. Наши клетки таким образом являются чувствительными к данной частоте воздействия магнитного поля.

Различные научные исследования показали, что низкочастотное (2 — 8 Гц) электромагнитное поле воздействует на скорость реакции человека и на оптический сигнал. Магнитное поле в диапазоне 5 — 10 Гц изменяет время реакции мозга человека на многие другие внешние воздействия.

Исследования показали, что при воздействии на человеческий организм кратковременного переменного магнитного поля с частотой 0,01 — 5 Гц происходит резкое изменение характера электроэнцефалограммы мозга человека. Под воздействием слабых переменных магнитных полей у человека возрастает частота пульса, начинает болеть голова, ухудшается самочувствие и чувствуется слабость во всём организме.

При этом происходит сильное изменение электрической активности мозга.Человеческий организм реагирует на низкочастотные колебания геомагнитного поля: при увеличении поля на фундаментальной частоте магнитосферы Земли (8 Гц) время реакции человека уменьшается на 20 мс, а при наличии нерегулярных колебаний магнитного поля с частотой 2 — 6 Гц время реакции увеличивается на 15 мс.

По данным измерения артериального давления в течение года и определения количества лейкоцитов в крови у 43 пациентов было достоверно показано, что суточные изменения диастолического давления и содержания лейкоцитов совпадают с ежедневными изменениями магнитного поля Земли. Так же зависит от возмущенности магнитного поля Земли и частота сердечного ритма.

Солнечные геомагнитные бури

Наряду с повседневными окружающими нас магнитными полями, воздействие Солнца и его геомагнитных бурь оказывает на человека наиболее сильное и негативное влияние. Так же, влияние этих бурь наиболее ярко проявляет симптомы человека.

Геомагнитная Буря – возмущение геомагнитного поля длительностью от нескольких часов до нескольких суток. Причина возникновения геомагнитных бурь – взрывы на Солнце, отголоски которых долетают до Земли. Звезда выбрасывает множество заряженных частиц, которые на огромной скорости несет солнечный ветер. До земной атмосферы эти частицы долетают через день или два.

Большинство частиц поглощает электромагнитное поле, которое защищает нашу планету и ее обитателей. Оно выполняет роль купола, который отражает атаки из космоса. Именно эту защитную реакцию магнитного поля Земли называют бурей. “Оборона” планеты приводит к быстрому и сильному изменению характеристик купола.

Таким образом, геомагнитная буря – это быстрые и сильные изменения в магнитном поле Земли, которые возникают в периоды повышенной активности Солнца.

Наряду с суббурями, геомагнитные бури являются одним из видов геомагнитной активности. Они вызываются поступлением в окрестности Земли возмущённых потоков солнечного ветра и их взаимодействием с магнитосферой Земли. Геомагнитные бури являются проявлением усиления кольцевого тока Земли, постоянно существующего в области радиационных поясов Земли.

Это явление является одним из важнейших элементов солнечно-земной физики и её практической части, обычно обозначаемой термином «космическая погода». Геомагнитные бури имеют несимметричный по времени характер развития: в среднем фаза нарастания возмущения (главная фаза бури) составляет около 7 часов, а фаза возвращения к исходному состоянию (фаза восстановления) — около 3 суток.

Частота появления умеренных и сильных бурь на Земле имеет чёткую корреляцию с 11-летним циклом солнечной активности: при средней частоте около 30 бурь в год их число может составлять 1-2 бури в год вблизи солнечного минимума и достигать 50 бурь в год вблизи солнечного максимума. Это означает, что в годы солнечного максимума человечество до 50 % времени года живёт в условиях умеренных и сильных бурь, а за свою 75-летнюю жизнь среднестатистический человек проживает в условиях умеренных и сильных бурь в общей сложности 2250 бурь или около 15 лет.

Распределение геомагнитных бурь по их интенсивности имеет в области высоких интенсивностей быстро спадающий характер, и поэтому экстремально сильных магнитных бурь за историю их измерения было сравнительно мало.

Мощнейшей геомагнитной бурей за всю историю наблюдений была геомагнитная буря 1859 года («событие Кэррингтона»). С 28 августа по 2 сентября на Солнце наблюдались многочисленные пятна и вспышки. Сразу после полудня 1 сентября британский астроном Ричард Кэррингтон наблюдал наибольшую вспышку, которая вызвала крупный корональный выброс массы.

Он устремился к Земле и достиг её через 18 часов, что очень быстро, так как это расстояние обычно проходится выбросом за 3—4 дня. Выброс двигался так быстро потому, что предыдущие выбросы расчистили ему путь.

1—2 сентября началась крупнейшая за всю историю регистрации геомагнитная буря, вызвавшая отказ телеграфных систем по всей Европе и Северной Америке. Северные сияния наблюдались по всему миру, даже над Карибами; также интересно, что над Скалистыми горами они были настолько яркими, что свечение разбудило золотоискателей, которые начали готовить завтрак, думая, что наступило утро.

Геомагнитные бури являются одним из важнейших элементов космической погоды и влияют на многие области деятельности человека, из которых можно выделить нарушение связи, систем навигации космических кораблей, возникновения вихревых индукционных токов в трансформаторах и трубопроводах и даже разрушение энергетических систем.

На человека они влияют так же негативно, вызывая крайне сильные головные боли, нередко головокружение, явное замедление реакции, невнимательность и рассеянность.

Солнечное воздействие


В современном мире очень сильному воздействию подвержен озоновый слой Земли. Ценность озонового слоя заключается в том, что он выступает своеобразным фильтром, поглощает некоторое количество ультрафиолетовых лучей. Он защищает биосферу и людей от прямого солнечного излучения. Самыми большими врагами слоя модификации кислорода являются соединения водорода и хлор.

Это происходит из-за разложения фреонов, которые используются в качестве распылителей. При определенной температуре они способны закипать и увеличиваться в объеме, что актуально для изготовления различных аэрозолей. Именно из-за дефицита озонового слоя радиоактивные частицы проникают в большей степени в атмосферу и подрывают человеческое здоровье, иммунитет в особенности. Именно в этом ослабленном состоянии человек наиболее чувствителен к влиянию магнитных полей, симптомы которого описаны ниже.

Влияние магнитного поля на развитие болезней

Современная наука уже доказала, что магнитное поле Земли влияет на живые организмы. Установлено также, что живые существа не только воспринимают электромагнитные потоки, но и генерируют собственные.

Эксперименты подтверждают существование прямого воздействия крайне низкочастотных колебаний геомагнитного поля на организм человека. Исходя из этих сведений можно заключить, что во время магнитных возмущений на Земле (то есть во время магнитных бурь) низкочастотные вариации геомагнитного поля будут отрицательно воздействовать на самочувствие и здоровье людей.

Поскольку магнитные поля воздействуют на весь организм человека – в той или иной степени подвергаются воздействию все системы. Однако, если здоровый организм ещё может справляться, то есть адаптироваться к воздействию магнитных полей, то чем сильнее он заболевает, тем существеннее становится негативное воздействие. Организму, ослабленному продолжительной болезнью, даже незначительное, слабое воздействие может нанести существенный, а иногда и непоправимый урон.

Исследования показали, что в день прохождения магнитной бури и на протяжении ближайших 1-2 дней после неё сильно возрастает количество обращений людей с сердечно-сосудистыми проблемами и летальных исходов. Наш организм реагирует на воздействие не мгновенно, поэтому пик обращений приходится не на день самой магнитной бури, а на первый или второй день после неё. Также влияет и изменение самого магнитного поля, частота, амплитуда и модуляция которого изменяется по мере прохождения и спада магнитной бури.

Как уже было сказано: даже у здоровых людей во время магнитных бурь происходят некоторые изменения в составе крови. При непосредственном синхронном измерении концентрации лейкоцитов в крови и уровнем возмущённости магнитного поля Земли выяснилось, что они изменяются практически одновременно. Во время магнитных бурь повышается вероятность тромбообразования. Вертикальная составляющая магнитного поля Земли изменяется в течение суток и это приводит к изменению скорости оседания эритроцитов в крови.

Во время геомагнитных бурь у здоровых молодых людей замедляется свертываемость крови, в крови уменьшается количество лейкоцитов и тромбоцитов, увеличивается скорость оседания эритроцитов и активность тромбооразования. Исследования в различных городах показали, что характер изменения гемоглобина и эритроцитов в крови является схожим и связан с глобальными изменениями геомагнитной активности.

В Ереванском медицинском институте исследовали взаимосвязь между возмущениями геомагнитного поля и уровнем заболеваемости инфарктом миокарда. Инфаркт миокарда очень удобен для исследования, так как можно чётко определить время его возникновения, а затем соотнести с временем различных гелио-геофизических явления, например, магнитных бурь.

Исследование магнитного поля


Второй летний месяц, июль 2019, стал сильным испытанием для метеозависимых людей. Кроме несносной жары +27 в течение нескольких недель, на Солнце наблюдалась череда вспышек. Наиболее опасной для землян стала солнечная вспышка в середине месяца. Она была не просто сильной, но и многократной, меняющей свою амплитуду и характер воздействия. На 17 июля, день с самой опасной вспышкой, у меня имелась запись к врачу в районной поликлинике.

Цель визита – выявить отклонения от нормы. К слову, к 12 часам дня, фактически к моменту, когда Солнце находится в зените, мое давление с приемлемого для меня 120/75 возросло до 134/83, что вело за собой мучительные головные боли и потемнение в глазах.

Зрачки значительно сужены, нетерпимость к свету и раздражительность. Я сдал кровь на свертываемость, и исследование показало, что она заметно ниже моей привычной нормы, а в придачу, в ней уменьшилось количество лейкоцитов и тромбоцитов. Все вышесказанное вело к снижению реакции на 0.5 секунды. Данный аспект является опасным как для водителей, так и для пешеходов, которые могли бы попросту вовремя не успеть среагировать.

Заключение

Снижение уровня внешнего магнитного поля ведёт к нарушению магнитного поля в кровеносной системе, в результате чего нарушается кровообращение, транспортировка кислорода и питательных веществ к органам и тканям, что может в итоге привести к развитию болезни.

Таким образом, недостаточный уровень внешнего магнитного воздействия по степени вреда, наносимого им организму, может вполне соперничать с дефицитом минералов и витаминов.Следовательно, неимоверно важно подготовить организм человека к воздействию на него сильных м/бурь, и при этом чтобы человек чувствовал себя комфортно.

Для этого я подготовил специальный список рекомендаций с перечнем необходимых must-to-do пунктов, которые следует выполнять:

  1. нужно пить в 1,5 раза больше, чем обычно, даже если не чувствуется жажды. Сладкие напитки, молоко, компот –довольно сладкие и густые напитки, усиливающие жажду и требующие большей траты энергии для усвоения, которую лучше сберечь на укрепление иммунитета. Восполнять нехватку жидкости в организме нужно простой водой, причем лучше негазированной. Если обычная норма – 2 литра воды в день, то сейчас необходимо пить 3л. Вода разгущает кровь, что позволяет ей проще протекать по венам, снижая давление.
  2. Прием адаптогенов. Адаптогены – это препараты, которые улучшают приспособляемость организма к факторам окружающей среды. Если говорить про жаркое время года, специалисты рекомендуют помимо стандартных витаминов принимать препараты, содержащие микроэлементы калий и магний. Калий – отвечает за нормальное возбуждение мышечного волокна. Магний, наоборот, нужен для расслабления мышечных волокон, без него мышца не “отдыхает”. Таким образом, при дефиците калия и магния увеличивается риск скачков давления, нестабильности сердечного ритма. Магний, кроме того, участвует в регуляции работы нервной системы. Он входит в препараты, обладающие выраженным успокаивающим и антистрессовым эффектом.
  3. Избежание нахождения на Солнце. Лучше вообще старайтесь не выходить из дома в часы максимальной солнечной активности. Это приблизительно с 11:00 до 17:00. Снижение скорости реакции в это время провоцирует различного вида аварии и катастрофы.
  4. Находиться в прохладном помещении с мягким воздухом
  5. Бойтесь холодной воды. Это касается любого водоема, фонтана и даже обычного душа. Дело в том, что при резком перепаде температур расширенные кровеносные сосуды сужаются. Происходит так называемый спазм, который может спровоцировать приступ стенокардии и даже инфаркт. Помните, вода должна быть чуть теплой. Комфортной для тела и ни в коем случае не холодной.
  6. Однозначно, необходима смена питания. Ничего тяжелого в это время принимать не стоит. Самый лучший вариант – фрукты и овощи. Организму не требуется много сил и энергии для переваривания этих продуктов.

Литература

  1. «Курс общей физики» Г. А. Зисман, О. М. Тодес, Киев 1994 г.
  2. Энциклопедический словарь юного физика, Москва «Педагогика» 1985 г.
  3. Физический энциклопедический словарь, Москва «Советская энциклопедия» 1988 г.
  4. Физика Касьянов В. А., «Дрофа» 2003 г.

Если страница Вам понравилась, поделитесь в социальных сетях:

Меркурий, прекрати! Учёный о воздействии планет на состояние людей | ПОДРОБНОСТИ | ОБЩЕСТВО

Некоторые люди уверены, что планетарные явления серьёзно влияют на нашу жизнь. К примеру, отрезок времени, когда Меркурий становится ретроградным, они считают нестабильным, смутным.

Но так ли это? Что это за явление и как оно на нас воздействует? Об этом «АиФ-Прикамье» рассказывает доцент кафедры теоретической физики Пермского университета (ПГНИУ) Кирилл Циберкин.

Как влияет ретроградный Меркурий на человека?

«Меркурий становится ретроградным, когда Земля начинает обгонять его по движению по орбите. Для нас это выглядит так, будто он движется назад. Через какое-то время он делает петлю и идёт в обратную сторону. То есть это движение объекта относительно другого, естественный процесс. Так было всегда – с момента формирования Солнечной системы. То же самое происходит с Марсом, с Венерой и другими планетами. Ретроградный Меркурий, который наблюдается в мае-июне, уже третий за этот год. Это регулярное событие, – объясняет Кирилл Циберкин. – С научной точки зрения никакого влияния ретроградный Меркурий не оказывает. Он слегка воздействует на силу тяготения. Но этот эффект настолько микроскопический, что даже Луна влияет на нашу планету сильнее (речь про приливную волну). Вклад Меркурия же ничтожен. Никаких других существенных воздействий нет».

Опасен ли коридор затмений?

Ещё одно явление, которое впечатляет многих, – коридор затмений. Астрологи уверены, что оно обладает силой, запускает большие изменения в жизни человека и т. д. 

Все затмения просчитаны на долгие годы вперёд. Фото: pixabay.com

«Коридором затмений называют цепочку затмений, которые идут подряд за относительно короткий период времени. 26 мая было полное лунное затмение, которое мы не видели (у нас было около 14.00, Луна не взошла). В начале июня будет ещё кольцеобразное лунное затмение, – рассказывает учёный. – Астрологи видят в явлении тайный смысл, как будто он может на что-то или кого-то повлиять. На самом деле – нет. Все затмения просчитаны за многие годы, десятилетия и даже столетия вперёд и назад. С помощью расчётов можно делать достоверные прогнозы затмений на будущее, поскольку движение Земли вокруг Солнца и Луны вокруг Земли происходит по конкретным законам. В какие-то дни Луна закрывает Солнце, в какие-то – Луна оказывается в земной тени. Поэтому мы и видим затмение».

Астрологи видят в явлении тайный смысл, как будто он может на что-то или кого-то повлиять. На самом деле – нет.

Кстати, техника расчёта затмений известна очень давно.

«Ещё в Древней Греции люди наблюдали за движением небесных светил и научились предсказывать затмения, – объясняет эксперт. – В дальнейшем эти знания только совершенствовались. К примеру, в работах Иоганна Кеплера, который занимался астрономией и сделал одни из самых серьёзных открытий о нашей Солнечной системе. Но он был вынужден зарабатывать на жизнь астрологией.

С научной точки зрения коридор затмений не влияет на физиологическое и психическое состояние человека. Исключение – впечатлительные люди, которые убеждены, что ощущают какие-то воздействия. Но это уже сила самовнушения».

Что происходит во время магнитных бурь?

А вот с магнитными бурями ситуация более неоднозначная. Учёные их до сих пор изучают. И пока не пришли к единому мнению.

«Магнитные бури – это явления солнечной активности. На Солнце происходит вспышка. Отделившееся от него одноплазменное облако иногда попадает в Землю (а иногда – нет). Когда оно сталкивается с магнитным полем нашей планеты, возникают возмущения. Этот процесс и называют магнитной бурей. 27 мая была очередная – достаточно выраженная, но не столь мощная, – рассказывает Кирилл Циберкин. – Вопрос, как магнитное поле Земли (в том числе возмущённое магнитное поле) влияет на человека, до конца не изучен. Поэтому нельзя отрицать, что есть какое-то воздействие на физиологическом уровне. Но и однозначно это утверждать, что магнитные бури влияют на нас, мы тоже пока не можем».

Вопрос, как магнитное поле Земли (в том числе возмущённое магнитное поле) влияет на человека, до конца не изучен.

Почему люди верят в силу Меркурия и затмений?

«Во-первых, далеко не все люди склонны верить, что коридор затмений и ретрогадный Меркурий могут изменить их жизнь или судьбу. Какие же причины увеличивают склонность приписывать внешним факторам доминирующую роль в объяснении событий собственной жизни и интерпритации поведения других людей? Во-первых, принадлежность к восточной культуре, где традиционно человек при оценке собственного поведения больше уделяет внимание факторам окружения, – рассказывает кандидат психологических наук, доцент кафедры психологии развития ПГНИУ Екатерина Дудорова. – Например, носители западной идеологии при описании причин чьего-нибудь успеха скорее скажут: «Человек – хозяин своей судьбы». Восточное самосознание эту же ситуацию проинтерпретирует фразой: «С ним были его друзья». Во-вторых, при описании событий, которые происходили в прошлом люди более склонны подмечать причины, связанные с внешними факторами. Третьей причиной боязни ретроградного Меркурия может быть внешний локус контроля – склонность некоторых людей ориентироваться больше на внешние, а не на внутренние факторы. Кроме того, тревожные люди, обладающие более чувствительной нервной системой, оказываются в своего рода группе риска относительно склонности придавать большое значение подобным явлениям».

Вспышки на Солнце и магнитные бури

Солнечные вспышки

Солнечная вспышка взрывной процесс выделения энергии (кинетической, световой и тепловой) в верхних слоях Солнца.

Вспышки охватывают все слои солнечной атмосферы: фотосферу, хромосферу и корону. Сразу отметим, что солнечные вспышки и корональные выбросы массы являются различными и независимыми проявлениями солнечной активности.

Солнечные вспышки, как правило, происходят в местах взаимодействия солнечных пятен противоположной магнитной полярности, а точнее вблизи нейтральной линии магнитного поля, разделяющей области северной и южной полярности. Энерговыделение мощной солнечной вспышки может достигать 6×1025 Дж, что составляет 160 миллиардов мегатонн в тротиловом эквиваленте или приблизительный объем мирового потребления электроэнергии за 1 миллион лет.

Анимация, показывающая две солнечные вспышки (X2.2, X9.3), произошедшие 6 сентября 2017 года. Credit: SDO

Вспышки – это самые большие взрывные события Солнечной системы. Они видны яркими областями на Солнце и могут длиться от нескольких минут до нескольких часов. Фотоны от вспышки достигают Земли примерно за 8,5 минут после ее начала; далее в течение нескольких десятков минут доходят мощные потоки заряженных частиц, а облака плазмы достигают нашей планеты только через двое-трое суток.

Интенсивность вспышек на Солнце

Энергию вспышки определяют в видимом диапазоне электромагнитных волн по произведению площади свечения в линии излучения водорода, характеризующей нагрев нижней хромосферы, на яркость этого свечения, связанную с мощностью источника.

Также используют классификацию, основанную на непрерывных однородных измерениях амплитуды теплового рентгеновского всплеска в диапазоне энергий 0,5—10 кэВ (с длиной волны 0,5—8 ангстрем), проводимых некоторыми искусственными спутниками Земли.

Согласно классификации, которая была предложена в 1970 году Д.Бейкером, солнечной вспышке присваивается балл — обозначение из латинской буквы и индекса за ней. Буквой может быть A, B, C, M или X в зависимости от величины пика интенсивности рентгеновского излучения.

Вспышки на Солнце онлайн
Обозначение Интенсивность в пике (Вт/м2)
A меньше 10-7
B от 10-7 до  10-6
C (слабые вспышки) от 10-6 до  10-5
М (средние вспышки) от 10-5 до  10-4
X (сильные вспышки) больше 10-4

Выбор для классификации вспышек рентгеновского диапазона обусловлен более точной фиксацией процесса: если в оптическом диапазоне даже крупнейшие вспышки увеличивают излучение на доли процентов, то в области мягкого рентгеновского излучения (1 нанометр) — на несколько порядков, а жесткое рентгеновское излучение спокойным Солнцем не создается вообще и образуется исключительно во время вспышек.

Обсерватория «Solar Dynamics Observatory» захватила солнечную вспышку (X8.2) 10 сентября 2017 года. На изображении показана комбинация длин волн ультрафиолетового света, выделяющая чрезвычайно горячий материал во вспышках. Credits: NASA/SDO/Goddard

Регистрация рентгеновского излучения Солнца, так как оно полностью поглощается атмосферой Земли, началась с первого запуска космического аппарата «Спутник-2», поэтому данные об интенсивности рентгеновского излучения солнечных вспышек до 1957 года полностью отсутствуют.

Опасны или нет? Влияние солнечных вспышек

Солнечные вспышки имеют прикладное значение при исследовании элементного состава поверхности небесного тела с разреженной атмосферой или при ее отсутствии, выступая в роли возбудителя рентгеновского излучения для рентгенофлуоресцентных спектрометров, установленных на борту космических аппаратов.

Жесткое ультрафиолетовое и рентгеновское излучение вспышек — основной фактор, ответственный за формирование ионосферы, способный также существенно менять свойства верхней атмосферы Земли: плотность ее существенно повышается, что ведет к быстрому снижению высоты орбиты искусственных спутников (до 1 километра в сутки).

Плазменные облака, выбрасываемые во время вспышек, приводят к возникновению геомагнитных бурь, которые определенным образом влияют на технику и самочувствие людей. Раздел биофизики, изучающий влияние изменений активности Солнца и вызываемых ею возмущений земной магнитосферы на организмы, называется гелиобиологией. Также вспышки создают полярное сияние, чаще всего вблизи полюсов.

Геомагнитные бури

Геомагнитная бурявозмущение геомагнитного поля длительностью от нескольких часов до нескольких суток.

Геомагнитные бури являются одним из видов геомагнитной активности. Они вызываются поступлением в окрестности Земли возмущенных потоков солнечного ветра и их взаимодействием с магнитосферой Земли.

Частота появления умеренных и сильных бурь на Земле имеет четкую корреляцию с 11-летним циклом солнечной активности: при средней частоте около 30 бурь в год их число может составлять 1-2 бури в год вблизи солнечного минимума и достигать 50 бурь в год вблизи солнечного максимума.

Классификация магнитных бурь

K-индексэто отклонение магнитного поля Земли от нормы в течение трехчасового интервала. Индекс был введен Юлиусом Бартельсом в 1938 году и представляет собой значения от 0 до 9 для каждого трехчасового интервала (00:00 – 03:00, 03:00 – 06:00, 06:00 – 09:00 и т. д.) мирового времени.

Kp-индекс – это планетарный индекс. Вычисляется как среднее значение К-индексов, определенных на 13 геомагнитных обсерваториях, расположенных между 44 и 60 градусами северной и южной геомагнитных широт. Его диапазон также от 0 до 9.

G-индекспятибалльная шкала силы магнитных бурь, которая была введена Национальным управлением океанических и атмосферных исследований США (NOAA) в ноябре 1999 года. G-индекс характеризует интенсивность геомагнитного шторма по воздействию вариаций магнитного поля Земли на людей, животных, электротехнику, связь, навигацию и т. д. По этой шкале магнитные бури подразделяются на уровни от G1 (слабые бури) до G5 (экстремально сильные бури). G-индекс соответствует Kp минус 4; то есть G1 соответствует Kp=5, G2 соответствует Kp=6 и т.д.

Магнитные бури онлайн. Прогноз магнитных бурь
Роль звездных вспышек в зарождении жизни

Как ни странно, ученые полагают, что солнечные бури были ключом к зарождению жизни на Земле. Мощные солнечные взрывы, возможно, имели решающую роль в разогреве Земли. Выбрасываемая энергия превратила простые молекулы в сложные, такие как ДНК и РНК, необходимые для жизни.

Около 4 миллиардов лет назад Земля получала лишь 70% энергии от Солнца, по сравнению с тем, что мы имеем сегодня. Это означает, что наша планета должна была быть ледяным шаром. Вместо этого, геологические свидетельства говорят о том, что она была теплой и имела океаны жидкой воды. Ученые называют это «Парадокс слабого молодого Солнца».

Солнце до сих пор производит вспышки и выбросы масс, но они не являются столь частыми и интенсивными, как ранее. Более того, на сегодняшний день Земля имеет сильное магнитное поле, которое уберегает нас от большей части энергии, достигающей нашей планеты. Но наша молодая планета имела более слабое магнитное поле. Расчеты ученых показывают, что в то время частицы космической погоды путешествовали вниз по линиям магнитного поля, врезаясь в изобилие молекул азота в атмосфере, изменяя химию и создавая условия для жизни.

В тоже время, слишком большое количество энергии может быть губительно для молодых планет. Постоянная цепь звездных извержений и ливней из частиц может содрать атмосферу, если магнитосфера слишком слаба. Понимание этих процессов поможет ученым определить, какие звезды и какие планеты могут быть гостеприимными для жизни.

Отклик сенсоров на основе атомного спина на магнитные и немагнитные возмущения

Численные модели

В этом разделе мы описываем теоретические модели, используемые для моделирования отклика магнитометров и комагнитометров SERF на магнитные и немагнитные возмущения спина.

Модель магнитометра SERF

В обычном магнитометре SERF в качестве буферного газа может использоваться NG с нулевым спином. {i}}, \end{выровнено} \end{выровнено}$$

(6)

, где и могут означать либо AM, либо NG.{NG}_j}{\mu _Ng_{K}}\chi _j\varvec{\Xi}, \end{align}$$

(7б)

, где j указывает на протон или нейтрон, \(\sigma _j\) соответствует доле протона или нейтрона в поляризации ядерного спина AM и NG (обозначается верхними индексами), \(\mu _B\) равно магнетон Бора, \(\mu _N\) – ядерный магнетон, \(g_S\) – AM-фактор Ланде и \(g_K\) – ядерный спин NG g -фактор. Уравнение (7) показывает, что эффективные псевдомагнитные поля для NG обычно отличаются от полей для AM.{NG}_j}\frac{\mu _N g_K}{\mu _Bg_S}. \end{выровнено}$$

(9)

В моделировании, представленном в этой статье, мы рассматриваем отклики магнитометров на возмущение той же силы связи. Этот подход учитывает коэффициенты масштабирования, определенные в уравнении. (9). Более подробное обсуждение немагнитных спиновых взаимодействий в SERF и сомагнитометре можно найти в дополнительной информации.

Параметры моделирования

В случае SERF и комагнитометра спиновая поляризация контролируется посредством измерений проекции АМ-поляризации на заданное направление (здесь это \({\mathbf {x}} \) ось).Поскольку в обеих системах атомы изначально поляризованы вдоль оси \({\mathbf {z}}\), оба магнитометра в первую очередь чувствительны к возмущениям вдоль оси \({\mathbf {y}}\) (направление чувствительности определяется крутящим моментом, создаваемым внешними полями, вращающими спины вокруг чувствительного направления). В частности, это можно показать из уравнений. (1) и (4) магнитное или псевдомагнитное поле, приложенное вдоль \({\mathbf {y}}\), поворачивает исходную поляризацию в плоскости \(\mathbf {xz}\), что приводит к изменению проекции поляризации на ось \({\mathbf {x}}\).{3}Он}}, \end{выровнено}$$

(10б)

, где информация о содержании ядерных спинов была взята из Ref. 9 .

%PDF-1.4 % 1 0 объект > эндообъект 9 0 объект /Заголовок /Тема /Автор /Режиссер /Ключевые слова /CreationDate (D:20220226142739-00’00’) /Комментарии () /Компания (IEEE) /ModDate (D:20150806155802+01’00’) /SourceModified (D:20150806145629) >> эндообъект 2 0 объект > эндообъект 3 0 объект > эндообъект 4 0 объект > эндообъект 5 0 объект > эндообъект 6 0 объект > поток 2015-08-06T15:58:02+01:002015-08-06T15:57:55+01:002015-08-06T15:58:02+01:00Acrobat PDFMaker 11 для Worduuid:b892c9a9-6cd0-4d01-97f4- 5a59fb3bcc42uuid:54258e63-b386-4411-83eb-89c5ad51d4b7

  • 9
  • заявка/pdf
  • мфаллон
  • Библиотека Adobe PDF 11. 0D:20150806145629IEEE конечный поток эндообъект 7 0 объект > эндообъект 8 0 объект > эндообъект 10 0 объект > эндообъект 11 0 объект > эндообъект 12 0 объект > эндообъект 13 0 объект > эндообъект 14 0 объект > /ProcSet [/PDF /Text /ImageC /ImageB /ImageI] >> эндообъект 15 0 объект > поток xڝXˎ+5i[@;drÆ+tW>pI’eFv^,~qKmmy?mGayk^o!] ?:>9/r:’z :-_*>ιҜK\y!{$xe&99T\PMpIL

    \[dnthQD W”:(?lŻٯE4:5BFx# p-R#/'(G. }M [email protected]*ĉ *5d0kCiջEy `ΓP;Oc3%DHtzGkJGL]p)41i&N”m`Ѡ( a09o!&xhdu*PuAbAfR+mY?”zl’Ǧ1 +{

    определение возмущения по The Free Dictionary

    Каждый раз, когда я поднимался на палубу со своих часов внизу, я мгновенно смотрел на корму, чтобы отметить, не было ли видно какое-нибудь странное лицо; ибо мое первое смутное беспокойство, касавшееся неизвестного капитана, теперь в уединении моря, стало почти смущением. Временами это странным образом усиливалось дьявольской бессвязностью оборванного Элайджи, непрошено возвращавшейся ко мне с тонкой энергией, о которой я раньше не мог и помыслить.какое смятение и какие злые помыслы, не видя под печалями непостоянства, нечистоты, нереальности! Когда они были возвещены, среди слуг заметно смятение. и хотя это вызвало крайнее беспокойство в ее уме, тем не менее оно имело действие другого тошнотворного лекарства и на время изгнало ее чумку. прикроватная тумбочка с успокаивающим порошком готова.Радость Марианны была почти выше счастья, так велики были волнение ее духа и ее нетерпение уйти. что в эти минуты я не был похож на того господина, который в смятении своего куриного сердца надел на шинель воротник из немецкого бобра. приглашая Анну Австрийскую внести возмущение в разгар незаконного собрания, как вдруг Бернуэн, войдя из-за гобелена спальни, прошептал на ухо Мазарини: «Монсеньор, посланник его величества, король Англии .«Когда Эдгар стал расспрашивать его о том, о чем он послал за ним, старый Саймон выказал сильное смущение. В самом деле, он так испугался, что его хозяин, вполне полагая, что он что-то утаивает, приказал ему немедленно рассказать, что В его глазах я увидел причину ее смятения: обычно серые, холодные и суровые, теперь они были теплыми, мягкими и золотыми, и все плясали с крошечными огоньками, которые затемняли и исчезали, или вспыхивали до тех пор, пока полные сферы не были залиты пылающим сиянием.Смятение в моем уме, связанное с мыслью об этом, было поистине ужасным после того, как моя дама ушла, и я применил средство, которое никогда еще не подводило меня в случаях сомнения и крайней необходимости. Признаюсь, я чувствовал себя более чем обычно, даже совершенно иррациональное, возмущение крови, поскольку, подойдя к ней вровень, я осмелился взглянуть ей в лицо.

    границ | Сравнение методов глубокого обучения с моделированием связей между солнечным ветром и магнитными возмущениями земли

    1.Введение

    Геомагнитно-индуцированные токи (GIC) являются одним из наиболее значительных эффектов космической погоды из-за их способности повреждать энергосистему и вызывать широкомасштабные долгосрочные отключения электроэнергии. Таким образом, возможность прогнозирования GIC представляет значительный интерес для специалистов по космической погоде, отраслевых партнеров и национальных интересов. Интенсивность ГИТ определяется напряженностью геоэлектрического поля. Однако ни измерения GIC, ни геоэлектрического поля не доступны.Геоэлектрическое поле определяется временными изменениями магнитного поля и местной геологии. Таким образом, измерения дБ / dt с использованием наземных магнитометров используются в качестве косвенного показателя для изучения GIC. Нгвира и др. (2018) изучили два шторма, во время которых произошли интенсивные пики дБ / dt , и указали, что суббури, по-видимому, являются движущей силой GIC, но заявляют, что неясно, как широко распространенные черты суббурь приводят к локализованным пикам дБ . / дт .Они предполагают, что это может быть связано с «отображением магнитосферных токов на локальные ионосферные структуры», но указывают, что необходимы дальнейшие исследования. Физические модели используются для определения флуктуаций магнитного поля, но для получения пространственно локализованных вариаций необходимы модели с высоким разрешением (Welling et al., 2019). Такие модели требуют больших вычислительных ресурсов и требуют больше времени для запуска, что создает проблемы при их использовании в качестве инструмента прогнозирования. Модели, основанные на машинном обучении, могут предоставлять эффективные и не требующие вычислительных затрат прогнозы.Винтофт и др. (2015) разработали модели с использованием нейронных сетей Элмана для прогнозирования 30-минутного максимума дБ H / dt (горизонтальная составляющая дБ / dt ) по измерениям солнечного ветра и магнитного поля ACE. Их модели обычно хорошо предсказывают время GIC, вызванных внезапными импульсами, даже когда они обучают модель, используя только измерения магнитного поля ACE.

    Хотя многие исследования GIC сосредоточены на высоких магнитных широтах (> 60°), которые лежат под авроральным овалом, было показано, что регионы средних (50°–60°) и низких (<50°) широт также находятся на риска (Gaunt and Coetzee, 2007; Ngwira et al., 2008; Пулккинен и др., 2010; Оливейра и др., 2018). Lotz and Cilliers (2015) разработали модель на основе нейронной сети с использованием входных данных солнечного ветра и IMF, а также измерений дБ / dt на станции средних широт Южного полушария в качестве выходных данных. Они разработали отдельные модели для северной и восточной составляющих геомагнитного поля и обнаружили, что колебания восточной составляющей больше зависят от межпланетного магнитного поля (ММП) B z .Подобно Wintoft et al. (2015), они нашли разумные прогнозы времени интенсивных колебаний, с меньшей точностью по мере развития шторма.

    Более сложные архитектуры нейронных сетей можно использовать для улучшения прогнозов для данных временных рядов. Например, рекуррентные нейронные сети, такие как методы долговременной кратковременной памяти (LSTM), используются для «запоминания» параметров из более ранних времен, которые оказывают сильное влияние на выходные функции. В этом исследовании мы представляем сравнение моделей, использующих искусственную нейронную сеть (ИНС) с прямой связью со встроенной временной зависимостью и нейронную сеть LSTM для прогнозирования северной и восточной составляющих магнитного поля Земли (и, следовательно, возмущений дБ H / dt ) на среднеширотной наземной магнитометрической станции, расположенной в Оттаве (ОТТ).Затем мы обсудим производительность моделей с использованием двух эталонных геомагнитных бурь, предложенных Welling et al. (2018) и Pulkkinen et al. (2013). Наконец, мы обсудим несколько вариантов моделей, которые были реализованы в ходе этого исследования, чтобы определить возможные улучшения производительности моделей.

    2. Данные

    Для этого исследования мы используем данные о солнечном ветре и межпланетном магнитном поле (IMF), полученные из набора данных OMNIWeb, доступного через Центр данных космической физики НАСА с 1995 по 2010 год для целей обучения и проверки моделей, а также с 2011 и 2015 годов для тестирование.Эти 2 года были выбраны для тестирования, поскольку они включают бури из проверочного набора Пулккинена-Веллинга для наземных магнитных возмущений (Pulkkinen et al., 2013; Welling et al., 2018). Данные наземного магнитометра с удаленной базовой линией от OTT были получены от SuperMag (Gjerloev, 2012). Наземный магнитометр в Оттаве расположен на магнитной широте 54,98 ° северной широты и отстает от UT на 5 часов (что означает, что местная полночь наступает в 05:00 UT). Выбор использования данных о солнечном ветре из OMNI вместо более традиционных и постоянно доступных геомагнитных индексов основан на долгосрочной цели: иметь возможность заблаговременно прогнозировать изменения магнитного поля Земли и параметры солнечного ветра в реальном времени, полученные в положение L1, как правило, дает 30–40-минутное окно для распространения предупреждения. Однако в прошлом набор данных OMNI в основном избегали, поскольку он содержит примерно 20% отсутствующих данных, распределенных примерно равномерно по годам в параметрах плазмы, и ~ 8% в измерениях ММП. Это было отмечено Wintoft et al. (2015), что побудило их сравнить модели, обученные только магнитному полю, с комбинированными измерениями магнитного поля и плазмы. Мы намерены использовать как IMF, так и параметры плазмы. Поскольку для обучения предпочтителен относительно непрерывный набор данных, в наборе данных для обучения/проверки была выполнена некоторая линейная интерполяция продолжительностью до 10 минут по всем отсутствующим параметрам, что уменьшает отсутствующие значения до ~ 6% как в измерениях IMF, так и в плазме.Измерения наземного магнитного поля OTT имеют менее 1% отсутствующих данных за период исследования. Эти отсутствующие точки данных были удалены из обучающего набора. Для тестовых периодов 2011 и 2015 годов была выполнена полная линейная интерполяция данных солнечного ветра для получения полностью непрерывного набора данных.

    Хотя дБ H / dt является лучшим прокси-измерением для прогнозирования GIC, оно также очень шумное, и поэтому его трудно прогнозировать напрямую с помощью моделей, управляемых данными.Тот и др. (2014) также обнаружили, что это верно для моделей, основанных на первых принципах. Поэтому мы стремимся сначала предсказать северную и восточную компоненты удаленного от базовой линии наземного магнитного поля, B N и B E соответственно, используя две независимые модели, а затем объединить их для получения предсказанная горизонтальная составляющая

    Для сравнения с показателями, определенными Pulkkinen et al. (2013) нам также необходимо получить ( d B / dt ) H , что вычисляется как

    (dBdt)H=dBNdt2+dBEdt2    (2)

    где

    dBidt=[Bi(t+1 мин.) -Bi(t)]1 мин.

    t определяется разрешением наземных данных (1 мин), а i представляет компоненты N или E . Мы подчеркиваем, что большие вариации, скорее всего, приведут к значительным событиям GIC.

    3. Модели

    3.1. Искусственная нейронная сеть с прямой связью

    В нашей первой попытке спрогнозировать компоненты B E и B N мы выбрали для обучения полностью связанную искусственную нейронную сеть с прямой связью (ANN), разработанную с использованием TensorFlow. -окружение Керас (Abadi et al., 2015). Среда Tensorflow-Keras имеет высокую модульность и позволяет легко интегрировать данные и различные типы сетей. Это также позволяет интегрировать и выполнять вычисления с помощью графических процессоров вместо традиционных вычислений на центральном процессоре, что значительно (в нашем случае до 10 раз) сокращает время обучения. Для сетевой архитектуры мы выбрали 4-х слойную глубокую сеть со скрытыми слоями из 291-146-73-36 нейронов плюс слой отсева (коэффициент 0,1) между первым и вторым слоями, чтобы избежать переобучения. Такой выбор нейронов соответствует размерности векторов признаков, а затем каждый слой делится пополам. Мы выбрали среднеквадратичную ошибку (MSE) в качестве нашей функции потерь, ADAM в качестве нашего оптимизатора и REctified Linear Unit (RELU) в качестве нашей функции активации. Мы отслеживаем потери в наборе данных проверки и останавливаем обучение после того, как MSE не снижается в течение 25 эпох, чтобы избежать переобучения. Чтобы включить временную зависимость в ИНС, входной вектор для t включает функции из предыдущих временных шагов, например.g., t − 1, t − 2. Мы решили включить 2-часовую динамику скорости солнечного ветра ( V T , V x 9017 x x x V

    3 Y

    , V

    3 Z ), МВФ ( B T , B x , B Y , B z ), плотность протонов, динамическое давление, температура и электрическое поле солнечного ветра с использованием 1-минутной каденции в течение первых 12 предшествующих минут (т. е., до t − 12) плюс 10-минутные средние по всему интервалу (что дает 12 дополнительных значений). Кроме того, были включены значения sin(MLT) и cos(MLT) наземного магнитометра, чтобы обеспечить циклическую зависимость от вращения Земли и зенитного угла Солнца в качестве показателя как долготы, так и годовой сезонности. Таким образом, результирующий вектор признаков содержит 291 признак, что объясняет наш выбор нейронов в первом слое. Данные OMNI с 1995 по 2010 год были последовательно разделены на 70% для обучения и 30% для проверки.Затем модель была обучена, и результат использовался на тестовых данных с 2011 по 2015 год.

    На рис. 1 (верхний ряд) представлен график плотности логарифма 10 (реальная) по сравнению с логарифмом 10 (прогнозируемая) B H значений, рассчитанных с использованием результатов валидации и испытаний, полученных для B E и B N и уравнение (1). ANN выполняет относительно хорошую работу по прогнозированию значений для набора проверки со среднеквадратичной ошибкой (RMSE) ~ 8.7 нТл и объясненной дисперсией 39%, что дает коэффициент корреляции 0,61. Для тестовых случаев соответствующие значения RMSE составляют ~ 9,2 нТл с объясненной дисперсией 36% и коэффициентом корреляции 0,60 для 2011 года и RMSE ~ 14,7 нТл и объясненной дисперсией 44% с корреляцией 0,66 для 2015 года. Хотя прогнозы могут быть улучшены, согласованность значений на рис. 1 указывает на то, что модель не переоснащается. Значения коэффициента корреляции немного ниже полученных Lotz et al.(2017) 0,71 и 0,69 для моделей, предсказывающих отдельные компоненты горизонтального магнитного поля на среднеширотной станции. Винтофт и др. (2015) получают гораздо более высокие коэффициенты корреляции, хотя они учитывают только максимальное значение в каждом 30-минутном окне. Несколько худшие значения RMSE, полученные для 2015 г., могут быть связаны с более высокой годовой изменчивостью солнечного максимума. Мы также нанесли на график распределения ошибок для прогнозов проверочных и тестовых наборов 2011 и 2015 годов (см. Дополнительный материал).Сходство в распределениях ошибок также указывает на то, что модель не является переоснащенной, что соответствует рисунку 1.

    Рисунок 1 . Графики плотности реальных и прогнозируемых значений B H для ANN (вверху) и LSTM (внизу). Показаны сравнения фактических измерений с предсказаниями модели с использованием данных проверки (левый столбец) и тестовых данных за 2011 г. (средний столбец) и 2015 г. (правый столбец). Коэффициент корреляции R приведен на каждой панели.

    3.2. Долгосрочная кратковременная память

    Рекуррентная нейронная сеть с долговременной кратковременной памятью (LSTM) (Hochreiter and Schmidhuber, 1997) была разработана с использованием TensorFlow-Keras (Abadi et al., 2015). Входные функции, используемые в модели LSTM, были такими же, как и для ИНС, как и разделение обучения и проверки данных OMNI за 1995-2010 гг. Модель LSTM требует дополнительного измерения во входном векторе для построения временной истории. Чтобы модели согласовывались друг с другом, модель LSTM также использует предыдущие 12-минутные плюс 10-минутные средние значения за предшествующую 2-часовую временную историю.Ограничения памяти требовали использования специального генератора данных, который последовательно загружал в модель пакеты из 512 обучающих выборок для обучения. Сеть состоит из одного слоя LSTM со 147 нейронами и одного плотного слоя с одним нейроном. В качестве функции активации используется RELU, в качестве оптимизатора используется ADAM, а в качестве функции потерь MSE. Как и в случае с ANN, отслеживалась потеря проверки, и обучение прекращалось после того, как MSE не уменьшалась в течение 25 эпох. Хотя рекуррентные нейронные сети и, в частности, LSTM, способны использовать временную историю целевого параметра (в данном случае B N или B E ) для улучшения прогноза, в В этом исследовании мы решили не использовать его, чтобы получить более близкое сравнение с моделью ANN. После обучения модель была протестирована на данных за 2011 и 2015 годы.

    Реальные и прогнозируемые значения B H для проверочных и тестовых наборов данных показаны в виде графика плотности на рис. 1 (нижняя строка). RMSE проверочного набора составляет 8,7 нТл с объясненной дисперсией 33%, 9,7 нТл для набора данных 2011 г. с объясненной дисперсией 35% и 16,8 нТл для набора данных 2015 г. с объясненной дисперсией 36%. Согласованность коэффициентов корреляции (показанных на рисунке 1) указывает на то, что модель не страдает от переобучения, которое могло быть связано с объемом входных данных.Учитывая эти параметры, модель LSTM, по-видимому, уступает ИНС. Как и в случае с ИНС, распределение ошибок для прогнозов модели LSTM также указывает на то, что модель не является сильно переоснащенной (см. Дополнительный материал).

    4. Результаты

    Два типа моделей, которые мы обучили, используются для прогнозирования B N и B E во время штормов, которые произошли 5 августа 2011 г. и 17 марта 2015 г.Выбор был основан на рекомендациях проверочного набора Пулккинена-Веллинга для наземных магнитных возмущений (Pulkkinen et al., 2013; Welling et al., 2018). Эти две бури были выбраны потому, что они находятся за пределами временного диапазона, используемого для обучения и проверки моделей, а также потому, что они соответствуют двум очень разным годам с точки зрения геомагнитной активности: 2011 год приходится на период минимального возрастания солнечного цикла, а 2015 год соответствует максимуму солнечного цикла. Прогнозные значения используются для расчета B H (уравнение 1) и дБ H / dt (уравнение 2), и оба значения сравниваются с реальными измерениями.Результаты третьего шторма из проверочного набора, 17 марта 2013 г., показаны в дополнительных материалах.

    4.1. 5 августа 2011 г. Шторм

    На рис. 2 показана временная эволюция геомагнитной бури 5 августа 2011 г., включая индекс SYM-H, скорость солнечного ветра V x , магнитное поле ММП z -компонента, а также измеренное значение B h и дБ и дБ

    3 h

    6/ dt на станции Оттава, а прогнозируемые b и дБ и дБ и ч / дт / дт от Энн и Летм модели. Это сильный шторм с минимальным значением SYM-H –126 нТл, вызванный комбинацией выброса корональной массы и высокоскоростного потока, при этом ударная волна, достигшая Земли, привела к внезапному началу шторма около 18 UT 5 августа. В этом случае B H представляет собой четкую реакцию на шторм, который показывает повторяющиеся дБ H / dt колебания до ~50 нТл/мин, происходящие в течение нескольких часов в течение нескольких часов. главная фаза бури, следующая за периодом быстрого увеличения скорости солнечного ветра и преимущественно в то время, когда компонента ММП B z сильно и устойчиво направлена ​​на юг.

    Рисунок 2 . Измерения и прогнозы шторма 5 августа 2011 г., включая индекс Sym-H, скорость солнечного ветра, компонент межпланетного магнитного поля z , измеренное (синяя сплошная линия) и прогнозируемое (красная пунктирная линия) горизонтальное магнитное поле и зависящие от времени вариации на земле OTT. станция для моделей ANN и LSTM.

    С точки зрения реконструкции эволюции B H ни одна из моделей не может хорошо предсказать первые два усовершенствования.ИНС неплохо справляется с прогнозированием третьего и четвертого улучшений. После примерно 23:00 UT 5 августа ИНС предсказывает некоторые увеличения, но не соответствует величине, вероятно, из-за того, что они произошли позже во время бури, когда возмущения магнитного поля в большей степени контролируются параметрами в магнитосфере или ионосфере, хотя это также период, в течение которого фактические колебания B H относительно невелики. LSTM не очень хорошо предсказывает улучшения во время этого шторма в целом.Принимая во внимание дБ H / dt , ИНС приближается к предсказанию времени наибольшего всплеска в дБ H / dt 9001: примерно вдвое меньше, в то время как LSTM полностью упускает это из виду.

    4.2. 17 марта 2015 г. Шторм

    На рис. 3 показана эволюция геомагнитной бури 17 марта 2015 г. в том же формате, что и на рис. 2. Это была крупнейшая геомагнитная буря 24-го солнечного цикла с минимальным индексом SYM-H –234 нТл.Картер и др. (2016) проанализировали наземные магнитные возмущения во время этой бури, показав, что средне- и низкоширотные флуктуации преимущественно происходили при внезапном начале бури. Это свидетельствует о том, что параметры солнечного ветра наиболее важны для прогноза ГИТ в средних широтах.

    Рисунок 3 . Измерения и прогнозы шторма 17 марта 2015 г., включая индекс SYM-H, скорость солнечного ветра, межпланетное магнитное поле z -компонент, измеренное (синяя сплошная линия) и прогнозируемое (красная пунктирная линия) горизонтальное магнитное поле и зависящие от времени вариации на земле OTT станция для моделей ANN и LSTM.

    Обе модели пропускают первоначальный всплеск при внезапном начале шторма незадолго до 5:00 UT и начинают предсказывать усиление B H примерно через 2–3 часа. Обе модели предсказывают некоторое усиление около 8:00 UT, хотя совпадение с реальным усилением маловероятно, поскольку это интервал линейной интерполяции входных данных (как видно на прямой линии скорости солнечного ветра и IMF B z за 7:00–9:00 UT).Эта линейная интерполяция приводит к тому, что ИНС завышает величину, а LSTM предсказывает значительные всплески. LSTM лучше предсказывает усиление сразу после 12:00 UT, даже приближаясь по общей величине к B H . Опять же, линейно интерполированные входные данные (~ 15:00–17:00 UT) снижают возможность точного предсказания второй половины этого улучшения. Только ANN предсказывает наибольшее усиление примерно в 21:00 UT, но не соответствует форме пика или времени.

    Важно отметить, что во время этой конкретной бури есть некоторые пробелы в измерениях солнечного ветра, особенно между 06–08 UT и затем 16–18 UT 17 марта. была линейно интерполирована. Несмотря на недостающие данные, простая линейная интерполяция позволяет моделям восстановить часть изменчивости флуктуаций магнитного поля Земли, предполагая, что усилия по заполнению пробелов, включая эмпирическое моделирование данных солнечного ветра, все еще могут дать положительные результаты в оценке риска. GIC.

    4.3. Метрики проверки

    Рекомендации Пулккинена-Веллинга включают четыре показателя для проверки прогнозов магнитных возмущений земли (Pulkkinen et al., 2013; Welling et al., 2018) с использованием анализа бинарных событий. Для конкретного шторма интересующий интервал делится на неперекрывающиеся 20-минутные окна, и для каждого окна значение dBH*/dt рассчитывается как максимальное измеренное значение. внутри окна.В дополнение к методу расчета ( d B / dt ) H с использованием уравнения (2), мы используем эмпирическую аппроксимацию по степенному закону для станции OTT, описанную Tóth et al. (2014),

    dBHdt=(Bh348nT)1.04nTs,    (3)

    и представить оба результата для сравнения. Пулккинен-Веллинг предлагает четыре различных пороговых значения 0,3, 0,7, 1,1 и 1,5 нТл/с, чтобы оценить, способна ли модель предсказать изменение этой величины. Поскольку пороговые значения указаны в нТл/с, а наши расчетные значения дБ H / dt выражены в нТл/мин, мы умножаем пороговые значения на 60. Используя значения предсказанных dBH*/dt, мы определяем, точно ли модель предсказывает события, вычисляя истинные положительные, ложные положительные, истинные отрицательные и ложные отрицательные значения. Точность определяется путем расчета следующих показателей: вероятность обнаружения (POD), вероятность ложного обнаружения (PFD), правильная пропорция (PC) и показатель навыка Хейдки (HSS). В таблице 1 показаны показатели для ANN и LSTM для штормов 2011 и 2015 годов. Отсутствующие значения возникают из-за того, что реальные и прогнозируемые значения не пересекают более высокие пороговые значения.Показатели шторма 2013 г. также показаны в дополнительном материале, и, хотя они немного лучше, чем для штормов 2011 и 2015 гг., он страдает от того, что для станции в Оттаве очень мало пересечений пороговых значений за пределами 0,3 нТл/с.

    Таблица 1 . Показатели проверки для геомагнитных бурь 5 августа 2011 г. и 17 марта 2015 г. с использованием дБ H / dt максимальных значений каждые 20 минут, рассчитанных на основе определения Пулккинена (уравнение 2) и эмпирической аппроксимации Тота (уравнение 3) .

    Плохой прогноз LSTM для шторма 2011 года проявляется в низких значениях POD и HSS. Низкий PFD (чем ниже, тем лучше) и высокий PC указывают на небольшое количество реальных пересечений пороговых уровней. Тот и др. (2014) метод эмпирической подгонки приводит к улучшению показателей для этих моделей, как они обнаружили для модели, основанной на первых принципах. Фактически, ANN имеет аналогичный HSS для порога 0,3 нТл / с, поскольку они сообщают для станций средних широт (0,583). Тем не менее, наши методы имеют большой потенциал для улучшения.Первоначально мы обучили и оптимизировали одну модель каждого типа, которая предсказывала B H , а не независимые модели для B N и B E 9. Отдельные модели каждого типа имели лучшие коэффициенты корреляции, объясненную дисперсию и среднеквадратичную ошибку, чем значения, обсуждавшиеся в разделе 3, но гораздо более низкие показатели проверки, чем те, которые показаны в таблице 1. требуется расчет дБ H / dt напрямую, а не возможность использовать уравнение 2, так что показатели не имеют однозначного сравнения.Мы внедрили раздельное моделирование северного и восточного компонентов для более прямого сравнения с другими моделями, поскольку Pulkkinen et al. (2013) широко распространен.) Используя этот метод одной модели, мы также обучили модели, которые используют только 24-минутную временную историю, но все с 1-минутной частотой. Использование 10-минутных средних дало более высокие оценки объясненной дисперсии B H . Однако это привело к сглаживанию прогноза B H .Это сглаживание вызывает меньшую вариацию в предсказаниях дБ H / dt и уменьшает HSS. Кроме того, LSTM работает плохо, вероятно, из-за того, что мы не использовали временную историю целевого параметра, несмотря на то, что это является сильной стороной LSTM.

    5.

    Выводы

    Мы разработали и сравнили два типа моделей, которые предсказывают северную и восточную компоненты магнитного поля Земли, B N и B E , на одной среднеширотной наземной станции.Одна модель представляет собой искусственную нейронную сеть с прямой связью, которая включает временную зависимость в качестве входных признаков, а другая представляет собой нейронную сеть с долговременной кратковременной памятью. Прогнозы каждой модели сравниваются с реальными измерениями за 2 года, 2011 и 2015 гг., включая шторм в течение каждого года. Каждая из моделей обладает некоторой способностью предсказывать время возмущений магнитного поля, хотя эта способность не всегда лучше для любой модели между бурями, и ни одна из них не может предсказать величину улучшений или предсказать усиления позже во время бури.Метрики валидации показывают, что LSTM едва ли лучше, чем случайные или постоянные прогнозы, и что использование эмпирической подгонки улучшает HSS, как и для моделей, основанных на первых принципах. Следующие шаги по улучшению моделей включают в себя корректировку входных параметров, увеличение частоты временной истории и сравнение с дополнительными методами временных рядов. Еще одним ограничением этих моделей является использование только одной наземной магнитометрической станции. Мы ожидаем лучших прогнозов, если мы включим больше наземных станций в диапазоне средних широт, чтобы получить больше покрытия MLT.

    Заявление о доступности данных

    Данные о солнечном ветре, ММП и индексе Sym-H доступны в OMNIWeb по адресу https://omniweb.gsfc.nasa.gov, а данные наземного магнитометра доступны в SuperMAG по адресу http://supermag.jhuapl.edu.

    Вклад авторов

    AK был основным автором статьи, руководил разработкой и анализом модели и участвовал в интерпретации. В.П. проводил подготовку данных, разработку модели, анализ и интерпретацию и помогал в написании.MC проводил разработку и анализ модели и помогал в написании. ММ дал рекомендации по подготовке данных и разработке моделей. CL помогала с подготовкой данных. HC помогал в общих обсуждениях проекта и предоставлял редакционные комментарии. Все авторы внесли свой вклад в статью и одобрили представленную версию.

    Финансирование

    Эта работа была поддержана NSF EPSCoR Award OIA-1920965.

    Конфликт интересов

    Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

    Благодарности

    Мы благодарим членов проектной группы UNH и UAF и Chigo Ngwira, которые участвовали в обсуждениях этой работы. Мы благодарим OMNIWeb и SuperMag за предоставление данных.

    Дополнительный материал

    Дополнительный материал к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fspas.2020.550874/full#supplementary-material

    .

    Каталожные номера

    Абади, М., Агарвал, А., Бархам, П., Brevdo, E. , Chen, Z., Citro, C., et al. (2015). TensorFlow: крупномасштабное машинное обучение на гетерогенных системах . Программное обеспечение доступно на сайте tensorflow.org.

    Академия Google

    Картер Б.А., Йизенгау Э., Прадипта Р., Вейганд Дж.М., Пьерсанти М., Пулккинен А. и соавт. (2016). Геомагнитно-индуцированные токи по всему миру во время шторма 17 марта 2015 г. JGR Космическая физика. 121, 10496–10507. дои: 10.1002/2016JA023344

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Гонт, К.Т. и Кутзи Г. (2007). «Отказы трансформаторов в регионах, которые ошибочно считаются имеющими низкий риск GIC», в 2007 IEEE Lausanne POWERTECH, Proceedings , 807–812.

    Академия Google

    Гьерлоев, Дж. В. (2012). Метод обработки данных SuperMAG. Ж. Геофиз. Рез. Космическая физ. 117:A09213. дои: 10.1029/2012JA017683

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Лотц, С.И., и Сильерс, П. Дж. (2015). Модель флуктуаций геомагнитного поля на среднеширотной станции на основе солнечного ветра. Доп. Космический Рез. 55, 220–230. doi: 10.1016/j.asr.2014.09.014

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Лотц, С.И., Хейнс, М.Дж., и Силлиерс, П.Дж. (2017). Регрессионная модель прогноза наведенного геоэлектрического поля. Космическая погода 15, 180–191. дои: 10.1002/2016SW001518

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Ngwira, C.M., Pulkkinen, A., McKinnell, L.A., and Cilliers, P.J. (2008). Улучшенное моделирование токов, вызванных геомагнитным полем, в энергосети Южной Африки. Космическая погода 6, 1–8. дои: 10.1029/2008SW000408

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Ngwira, C.M., Sibeck, D., Silveira, M.V.D., Georgiou, M., Weygand, J.M., Nishimura, Y., et al. (2018). Исследование интенсивных локальных вариаций dB/dt во время двух геомагнитных бурь. Космическая погода 16, 676–693. дои: 10.1029/2018SW001911

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Оливейра, Д. М., Арел, Д., Редер, Дж., Зеста, Э., Нгвира, К.М., Картер Б.А. и соавт. (2018). Геомагнитно-индуцированные токи, вызванные межпланетными толчками с разными углами падения и скоростями. Космическая погода 16, 636–647. дои: 10.1029/2018SW001880

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Пулккинен А., Катаока Р., Ватари С. и Ичики М. (2010). Моделирование геомагнитно-индуцированных токов на Хоккайдо, Япония. Доп. Космический Рез. 46, 1087–1093. doi: 10.1016/j.asr.2010.05.024

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Пулккинен, А., Rastätter, L., Kuznetsova, M., Singer, H., Balch, C., Weimer, D., et al. (2013). Проверка в масштабах всего сообщества прогнозов возмущений наземного магнитного поля геокосмической модели для поддержки перехода модели к эксплуатации. Космическая погода 11, 369–385. doi: 10.1002/swe.20056

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Тот, Г., Менг, X., Гомбози, Т. И., и Растеттер, Л. (2014). Прогнозирование производной по времени от локальных магнитных возмущений. Ж. Геофиз. Рез. Космическая физ. 119, 310–321. дои: 10.1002/2013JA019456

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Веллинг Д. Т., Диммок А. П., Л. Р., Морли С. и Йорданова Э. (2019). «Разрешение небольших графических эффектов: каковы наши возможности?», Abstract Sh42B-05, представленный на осенней встрече 2019 г. (Сан-Франциско, Калифорния: AGU).

    Академия Google

    Welling, D.T., Ngwira, C.M., Opgenoorth, H., Haiducek, J.D., Savani, N.P., Morley, S.K., et al. (2018). Рекомендации по валидации наземных магнитных возмущений следующего поколения. Космическая погода 16, 1912–1920. дои: 10.1029/2018SW002064

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Винтофт, П. , Вик, М., и Вильянен, А. (2015). Эмпирические модели прогноза производной магнитного поля Земли по времени, управляемые солнечным ветром. J. Космическая погода Космический полет. 5, A7–P9. doi: 10.1051/swsc/2015008

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Суббуревые возмущения магнитного поля в полярной магнитосфере: наблюдения POLAR | Земля, планеты и космос

  • Каан, М.Н., Р.Л. Макферрон и К.Т. Рассел, Статистическая магнитная сигнатура магнитосферных суббурь, Planet. Космические науки. , 26 , 269–279, 1978.

    Статья Google ученый

  • Хендерсон, М. Г., Г. Д. Ривз, Р. Д. Белиан и Дж. С. Мерфри, Наблюдения за магнитосферными суббурями, происходящими без запуска видимого солнечного ветра/МВФ, J. Geophys. Рез. , 101 , 10773–10791, 1996.

    Артикул Google ученый

  • Jacquey, C., JA Sauvaud, and J. Dandouras, Расположение и распространение разрыва тока хвоста магнитосферы во время расширения суббури — анализ и моделирование события ISEE с множественным началом, Geophys. Рез. лат. , 18 , 389–392, 1991.

    Статья Google ученый

  • Жаки, К., Дж. А. Сово, Дж.Дандурас и А. Корт, Нарушение поперечного тока, распространяющегося в хвостовом направлении, и динамика околоземного хвоста — анализ многоточечных измерений, Geophys. Рез. лат. , 20 , 983–986, 1993.

    Артикул Google ученый

  • Кавано, Х., К. Т. Рассел, Г. Ростокер, Т. Мукаи и Х. Спенс, Начальное наблюдение POLAR MFE признаков суббури в полярной магнитосфере, Geophys. Рез. лат. , 24 , 1459–1462, 1997.

    Артикул Google ученый

  • Кистлер Л.М., Э. Мобиус, В. Баумйоханн и Г. Пашманн, Изменения давления в плазменном слое во время суббуревых инъекций, J. Geophys. Рез. , 97 , 2973–2983, 1992.

    Артикул Google ученый

  • Леппинг, Р. П., М. Х. Акуна, Л. Э. Бурлага, В. М. Фаррелл, Дж. А. Славин, К. Х. Шаттен, Ф. Мариани, Н.Ф. Несс, Ф. М. Нойбауэр, Ю. К. Ванг, Дж. Б. Бирнс, Р. С. Кеннон, П. В. Панетта, Дж. Шайфеле и Э. М. Уорли, Исследование магнитного поля WIND, Space Sci. , 71 , 207–229, 1995.

    Статья Google ученый

  • Лопес Р.Э., Луи А.Т.и., Сибек Д.Г., Макинтайр Р.В., Занетти Л.Дж., Потемра Т.А. и Кримигис С.М. Продольное и радиальное распределение магнитных реконфигураций в околоземном хвосте магнитосферы, наблюдаемое с помощью AMPTE/CCE, J .Геофиз. Рез. , 93 , 997–1001, 1988.

    Артикул Google ученый

  • Луи, А. Т. Ю., Текущие нарушения в магнитосфере Земли: наблюдения и модели, J. Geophys. Рез. , 101 , 13067–13088, 1996.

    Артикул Google ученый

  • Мишин В.М., Сайфудинова Т., Базаржапов А., Рассел К.Т., Баумйоханн В., Р.Накамура, М. Кубышкина, Два различных начала суббури, J. Geophys. Рез. , 106 , 13105–13118, 2001.

    Артикул Google ученый

  • Накаи, Х. и Ю. Камид, Модель крупномасштабного распределения течения нейтрального слоя и его изменений, связанных с суббурями, J. Geophys. Рез. , 99 , 2365–2373, 1994.

    Артикул Google ученый

  • Огилви, К.В., Д. Чорней, Р. Дж. Фритценрайтер, Ф. Хансакер, Дж. Келлер, Дж. Лобелл, Г. Миллер, Дж. Д. Скаддер, Э. С. Ситтлер-младший, Р. Б. Торберт, Д. Боде, Г. Ниделл, А. Дж. Лазарус, Дж. Т. Стейнберг , JH Tappan, A. Mavretic и E. Gergin, SWE, комплексный плазменный прибор для космического корабля WIND, Space Sci. , 71 , 55–77, 1995.

    Статья Google ученый

  • Отани, С., С. Кокубун и К. Т. Рассел, Радиальное расширение разрыва хвостового течения во время суббури — новый подход к области начала суббури, J.Геофиз. Рез. , 97 , 3129–3136, 1992.

    Артикул Google ученый

  • Перро П. и С.-И. Акасофу, Исследование геомагнитных бурь, Geophys. Дж. Р. Астр. соц. , 54 , 547–573, 1978.

    Статья Google ученый

  • Ростокер Г., Дж. К. Самсон, Ф. Кройцберг, Т. Дж. Хьюз, Д. Р. МакДиармид, А. Г. Макнамара, А.В. Джонс, Д. Д. Уоллис и Л. Л. Коггер, CANOPUS — набор наземных приборов для дистанционного зондирования высокоширотной ионосферы в рамках программы ISTP/GGS, Space Sci. , 71 , 743–760, 1995.

    Статья Google ученый

  • Рассел, К. Т., Как повороты ММП на север могут привести к началу расширения суббури, Geophys. Рез. лат. , 27 , 3257–3259, 2000.

    Артикул Google ученый

  • Рассел, К.Т. и Р.Л. Макферрон, Хвост магнитосферы и суббури, Space Sci. , 11 , 111–122, 1973.

    Google ученый

  • Russell, C.T., RC Snare, JD Means, D. Pierce, D. Dearborn, M. Larson, G. Barr, and G. Le, Исследование полей GGS/POLAR, Space Sci. , 71 , 563–582, 1995.

    Статья Google ученый

  • Торр, М.Р., Д. Г. Торр, М. Зукич, Р. Б. Джонсон, Дж. Аджелло, П. Бэнкс, К. Кларк, К. Коул, К. Кеффер, Г. Паркс, Б. Цурутани и Дж. Спанн, Устройство формирования изображений в дальнем ультрафиолетовом диапазоне для Международной миссии по солнечно-земной физике, Space Sci. , 71 , 329–383, 1995.

    Статья Google ученый

  • Цыганенко Н. А. Влияние условий солнечного ветра на глобальную конфигурацию магнитосферы по данным моделей поля, Материалы конференции ICS-3 по суббурям, Спец.Опубл. SP-389 , стр. 181–185, Европейское космическое агентство, Париж, Франция, 1996 г.

    Google ученый

  • (PDF) Локальные возмущения магнитного поля, вызванные неоднородностью магнитной восприимчивости в миелин-водных слоях внутри аксона :58

    Авторские права: American Scientific Publishers

    Journal of Coupled Systems and Multiscale Dynamics

    Исследовательская статья

    один раз на каждые 100 диаметров аксона.20В-четвертых, мы предполагаем, что

    магнитная восприимчивость миелина изотропна. Миелин

    был смоделирован с анизотропной восприимчивостью, 21–23

    , и наша модель может быть расширена на этот случай. В-пятых, мы

    предполагаем, что ткань, окружающая аксон, и аксоплазма

    внутри него имеют магнитную восприимчивость, равную нулю. Хотя это

    может быть неточным, можно просто повторить расчет

    , используя другое значение восприимчивости (возможно,

    , значение восприимчивости воды), и ключевым параметром, входящим в наши выражения

    , будет разница между восприимчивость воды и миелина.Наконец, мы игнорируем другие факторы,

    которые могут способствовать гетерогенности сигнала, такие как вклад протонов, которые не находятся в воде, а вместо этого

    находятся в самом жировом миелине, химический сдвиг, возмущения, вызванные

    кровеносных сосудов, различия в диффузии, химический обмен протонами между водой и макромолекулами и т. д. Ключевой вопрос заключается в том, способствует ли восприимчивость миелина большему или меньшему вкладу, чем эти другие факторы, в уменьшение

    Т*

    2.

    5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

    Наш анализ показывает, как миелиновая вода в нервной ткани

    влияет на сигнал МРТ. В расчете используется теория возмущений

    для учета многомасштабного поведения ткани. Микроскопические неоднородности восприимчивости снижают

    макроскопическую Т*

    2 миелиновой воды. Для магнитного поля, перпендикулярного аксону, относительный сдвиг

    ларморовской частоты внутри аксона равен нулю.В пределах

    миелиновой оболочки частотный сдвиг колеблется между

    жировым и водным слоями, а во внеклеточном пространстве

    неоднороден. Когда магнитное поле прикладывается вдоль

    аксона, восприимчивость не сдвигает ларморовскую частоту

    миелиновой воды.

    Благодарности: Это исследование было поддержано грантом

    Национальных институтов здравоохранения R01EB008421 (Брэдли

    Дж. Рот, Штефан Пувал) и программой внутренних исследований

    Национального института Юнис Кеннеди Шрайвер

    Детского здоровья. Развитие человека (Питер Дж.Бассер).

    Ссылки и примечания

    1. P. J. Basser; Уравнение кабеля для миелинизированного аксона, полученное на основе его микроструктуры

    ; Мед. биол. англ. вычисл. 31, С87 (1993).

    2. Р. Берридж и Дж. Келлер; Уравнения пороупругости получены из микроструктуры

    ; Дж. Акус. соц. Являюсь. 70, 1140 (1981).

    3. S.C.L. Deoni, E. Mercure, A. Blasi, D. Gasston, A. Thomson,

    и M. Johnson; Картирование миелинизации головного мозга младенцев с помощью магнитно-резонансной томографии

    ; Дж.Неврологи. 31, 784 (2011).

    4. С. К. Л. Деони, округ Колумбия Дин III, Дж. О’Мюрчартей, Х. Диркс и

    Б. А. Джерси; Изучение развития белого вещества в младенчестве

    и раннем детстве с использованием водной фракции миелина и картирования времени релаксации

    ; НейроИзображение 63, 1038 (2012).

    5. C.J. Durrant, M.P. Hertzberg, and P.W. Kuchel; Магнитная восприимчивость

    способность: Дальнейшее понимание макроскопических и микроскопических полей и

    сферы Лоренца; Магн.Резон. А 18, 72 (2003).

    6. Э. М. Хааке и Дж. Р. Рейхенбах; Взвешенная визуализация восприимчивости —

    в МРТ, Wiley, Hoboken, New Jersey (2011).

    7. E.M. Haacke, S. Mittal, Z. Wu, J. Neelavalli, and Y.-C. №

    Ченг; Восприимчиво-взвешенная визуализация: технические аспекты и клинические применения

    , часть 1; AJNR 30, 19 (2009).

    8. X. Он и Д. А. Яблонский; Биофизические механизмы фазового контраста в МРТ с градиентным эхом; ПНАС 106, 13558 (2009).

    9. Дж. Д. Джексон, Классическая электродинамика, 3-е изд., Wiley, New York

    (1999).

    10. H.H. Kitzler, J. Su, M. Zeineh, C. Harper-Little, A. Leung,

    M. Kremenchutzky, S.C. Deoni и B.K. Rutt; Дефицитное картирование

    MWF при рассеянном склерозе с использованием трехмерной многокомпонентной релаксационной МРТ всего мозга

    ; НейроИзображение 59, 2670 (2012).

    11. Колинд С.Х., Мэдлер Б., Фишер С., Ли Д.К.Б., Маккей А.Л.;

    Визуализация миелиновой воды: внедрение и разработка на 3.0T

    и сравнение с измерениями 1,5T; Магн. Резон. Мед. 62, 106

    (2009).

    12. Дж. Ли, К. Шмуэли, Б. -Т. Kang, B. Yao, M. Fukunga, P. van

    Gelderen, S. Palumbo, F. Bosetti, AC Silva и JH Duyn; Вклад

    миелина в контрасты, взвешенные по магнитной восприимчивости

    в высокопольной МРТ головного мозга; НейроИзображение 59, 3967 (2012).

    13. В. Ли, Б. Ву и К. Лю; Количественное картирование восприимчивости

    человеческого мозга отражает пространственные вариации состава ткани; Neu-

    roimage 55, 1645 (2011).

    14. В. Ли, Б. Ву, А. В. Аврам и К. Лю; Молекулярные основы

    анизотропии магнитной восприимчивости в белом веществе головного мозга; проц.

    ISMRM, Мельбурн, Австралия (2012 г.), Vol. 20, с. 379.

    15. К. Лю; визуализация тензора восприимчивости; Магн. Резон. Мед. 63, 1471

    (2010).

    16. А. Маккей, К. Уиттолл, Дж. Адлер, Д. Ли, Д. Пати и Д. Грэб;

    Визуализация миелиновой воды в головном мозге in vivo методом магнитного резонанса;

    Маг.Резон. Мед. 31, 673 (1994).

    17. E.L. MacMillan, B. Madler, N. Fichtner, M.F. Dvorak, D.K.B. Li,

    A. Curt и A.L. MacKay; Измерения миелиновой воды и релаксации Т2

    в здоровом шейном отделе спинного мозга при 3,0 Тл: повторяемость

    и изменения с возрастом; НейроИзображение 54, 1083 (2011).

    18. S.M. Meyers, C. Laule, I.M. Vavasour, S.H. Kolind, B. Madler,

    R. Tam, A.L. Traboulsee, J. Lee, D.K.B. Li и A.L. MacKay;

    Воспроизводимость анализа водной фракции миелина: сравнение

    исследуемой области и методов анализа на основе вокселей; Магн.Резон.

    Изображ. 27, 1096 (2009).

    19. Э. Озарслан и П.Дж. Бассер; Зависимость формы МР-линии белого вещества

    от ориентации поля B0: данные трехфазной модели

    ; 11-я международная конф. на Магн. Резонансная микроскопия,

    Пекин, Китай (2011).

    20. У. А. Х. Раштон; Теория влияния размера волокна в мозговом

    нерве; Дж. Физиол. 115, 101 (1951).

    21. П. Сати, П. ван Гельдерен, А.C. Silva, D. S. Reich, H. Merkle, J. A.

    Zwart и J. H. Duyn; Микрокомпартмент-специфический Т*

    2релаксация в

    головном мозге; НейроИзображение 77, 268 (2013).

    22. Сукстанский А., Яблонский Д.А.; О роли магнитной восприимчивости нейронов и симметрии структуры в формировании сигналов градиентного эха MR

    ; Магн. Резон. Мед. 71, 345 (2014).

    23. С. Уортон и Р. Боутелл; Белое вещество, зависящее от ориентации волокон

    контраст в МРТ с градиентным эхом; ПНАС 109, 18559 (2012).

    232 http://www.aspbs.com/jcsmd J. Связанная система. Многомасштабная динамика, Vol. 3(3), 228–232

    Магнитосфера Земли | NOAA / NWS Центр прогнозирования космической погоды

    Магнитосфера — это область окружающего Землю пространства, где преобладающим магнитным полем является магнитное поле Земли, а не магнитное поле межпланетного пространства. Магнитосфера образуется при взаимодействии солнечного ветра с магнитным полем Земли. На этом рисунке показаны форма и размер магнитного поля Земли, которое постоянно меняется под действием солнечного ветра.

    Прошло несколько тысяч лет с тех пор, как китайцы открыли, что некоторые магнитные минералы, называемые магнитами, выстраиваются примерно в направлении север-юг. Однако причина этого эффекта не была понята до 1600 года, когда Уильям Гилберт опубликовал De Magnete и продемонстрировал, что наша Земля ведет себя как гигантский магнит, а магнитные камни выравниваются с магнитным полем Земли.

    После еще нескольких столетий исследований стало известно, что магнитное поле Земли довольно сложное, но все же в значительной степени его можно рассматривать как диполь с северным и южным полюсами, как у простого стержневого магнита.Магнитная ось Земли, диполь, наклонена примерно на 11 градусов к оси вращения Земли. Если бы космос был вакуумом, магнитное поле Земли простиралось бы до бесконечности, слабея с расстоянием, но в 1951 году, изучая, почему хвосты комет всегда направлены в сторону от Солнца, Людвиг Бирманн обнаружил, что Солнце излучает то, что мы сейчас называем солнечным ветром. Этот непрерывный поток плазмы, состоящий в основном из электронов и протонов, со встроенным магнитным полем взаимодействует с Землей и другими объектами в Солнечной системе.

    Давление солнечного ветра на магнитное поле Земли сжимает поле на дневной стороне Земли и вытягивает поле в длинный хвост на ночной стороне. Форму полученного искаженного поля сравнивают с видом воды, обтекающей камень в ручье. На дневной стороне Земли магнитное поле простирается не в бесконечность, а в пределах примерно 10 земных радиусов от центра Земли, а на ночной стороне поле простирается на сотни земных радиусов, далеко за пределы орбиты Земли. Луна в 60 земных радиусах.

    Граница между солнечным ветром и магнитным полем Земли называется магнитопаузой. Граница постоянно находится в движении, так как Земля сотрясается постоянно меняющимся солнечным ветром. Хотя магнитопауза в некоторой степени защищает нас от солнечного ветра, она далеко не непроницаема, и энергия, масса и импульс передаются солнечным ветром в области внутри магнитосферы Земли. Взаимодействие между солнечным ветром и магнитным полем Земли и влияние нижележащей атмосферы и ионосферы создает различные области полей, плазмы и токов внутри магнитосферы, такие как плазмосфера, кольцевой ток и радиационные пояса.Следствием этого является то, что условия внутри магнитосферы очень динамичны и создают то, что мы называем «космической погодой», которая может повлиять на технологические системы и деятельность человека. Например, радиационные пояса могут влиять на работу спутников, а частицы и потоки из магнитосферы могут нагревать верхние слои атмосферы и приводить к торможению спутников, что может влиять на орбиты низкоорбитальных спутников Земли. Влияние магнитосферы на ионосферу также может влиять на системы связи и навигации.Все эти эффекты более подробно обсуждаются в другом месте.

    .

    Оставить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.