Прогноз вероятности и величины солнечных протонных событий на основе данных о вспышках и выбросах

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе исследуются различные характеристики солнечных вспышек и корональных выбросов массы, приведших или не приведших к регистрации у Земли солнечных протонных событий за период с 1996 по 2023 гг. Составлен подробный каталог событий, получены регрессионные зависимости параметров солнечных источников и возрастаний потока протонов около Земли. Предложен новый “индекс протонности” события, на основе которого произведены расчеты вероятности регистрации солнечных протонных событий и ожидаемых потоков частиц разных энергий. Также получены долготные распределения различных параметров, характеризующих возрастания потоков протонов. Установленные закономерности будут положены в основу эмпирической модели, позволяющей оценивать вероятность прихода высокоэнергичных частиц к Земле и ожидаемые уровни и времена регистрации максимумов возрастаний потоков протонов с энергиями > 10 и > 100 МэВ.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Н. С. Шлык

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: nshlyk@izmiran.ru
Россия, Троицк

А. В. Белов

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН

Email: nshlyk@izmiran.ru
Россия, Троицк

М. А. Абунина

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН

Email: nshlyk@izmiran.ru
Россия, Троицк

Список литературы

  1. Акиньян С.Т., Алибегов М.М., Козловский В.Д., Черток И.М. О количественной диагностике протонных вспышек по характеристикам микроволновых радиовсплесков на частотах ~9 ГГц // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 18. № 3. С. 410–414. 1978.
  2. Белов А.В. Вспышки, выбросы, протонные события // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 57. № 6. С. 1–12. 2017. https://doi.org/10.7868/S0016794017060025
  3. Буров В.А., Очелков Ю.П. О возможности прогноза интенсивности солнечных протонных событий по тепловому рентгеновскому излучению солнечных вспышек // Гелиогеофизические исслед. Вып. 25. С. 30–36. 2020.
  4. Очелков Ю.П. Модель вероятностной зависимости максимальных интенсивностей солнечных протонных событий и рентгеновских вспышек // Гелиогеофизические исслед. Вып. 31. С. 29–40. 2021. https://doi.org/10.54252/2304-7380_2021_31_29
  5. Черток И.М. Оценки показателя энергетического спектра протонов по данным о солнечных микроволновых всплесках // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 22. № 2. С. 182–186. 1982.
  6. Черток И.М. Корональные выбросы массы в аспекте космической погоды: I. О диагностике протонных вспышек по радиовсплескам // Изв. РАН. Сер. физ. Т. 70. № 10. С. 1495–1497. 2006.
  7. Aminalragia-Giamini S., Raptis S., Anastasiadis A., Tsigkanos A., Sandberg I., Papaioannou A., Papadimitriou C., Jiggens P., Aran A., Daglis I.A. Solar energetic particle event occurrence prediction using solar flare soft x-ray measurements and machine learning // J. Space Weather Space Clim. V. 11. Article ID 59. 2021. https://doi.org/10.1051/swsc/2021043
  8. Anastasiadis A., Papaioannou A., Sandberg I., Georgoulis M., Tziotziou K., Kouloumvakos A., Jiggens P. Predicting Flares and Solar Energetic Particle Events: The FORSPEF Tool // Solar Phys. V. 292. № 9. Article ID. 134. 2017. https://doi.org/10.1007/s11207-017-1163-7
  9. Aran A., Sanahuja B., Lario D. SOLPENCO: A solar particle engineering code // Adv Space Res. V. 37. № 6. P. 1240–1246. 2006. https://doi.org/10.1016/j.asr.2005.09.019
  10. Balch C. SEC proton prediction model: verification and analysis // Radiat Meas. V.30. № 3. P. 231–250. 1999. https://doi.org/10.1016/s1350-4487(99)00052-9
  11. Bazilevskaya G.A., Sladkova A.I., Svirzhevskaya A.K. Features of the solar X-ray bursts related to solar energetic particle events // Adv. Space Res. V. 37. № 8. P. 1421−1425. 2006. https://doi.org/10.1016/j.asr.2005.04.065
  12. Belov A., Garcia H., Kurt V., Mavromichalaki H., Gerontidou M. Proton enhancements and their relation to x-ray flares during the three last solar cycles // Solar Phys. V. 229. № 1. P. 135−159. 2005. https://doi.org/10.1007/s11207-005-4721-3
  13. Belov A., Kurt V., Mavromichalaki H., Gerontidou M. Peak-size distributions of proton Fluxes and Associated Soft X-Ray Flares // Solar Phys. V. 246. № 2. P. 457−470. 2007. https://doi.org/10.1007/s11207-007-9071-x
  14. Borovikov D., Sokolov I.V., Roussev I.I., Taktakishvili A., Gombosi T.I. Toward a quantitative model for simulation and forecast of solar energetic particle production during gradual Events. I. Magnetohydrodynamic background coupled to the SEP Model // Astrophys J. V. 864. № 1. 2018. https://doi.org/10.3847/1538-4357/aad68d
  15. Chertok I.M. On the correlation between the solar gamma-ray line emission, radio bursts and proton fluxes in the interplanetary space // Astronomische Nachrichten. V. 311. № 6. P. 379–381. 1990.
  16. Cliver E.W., Ling A.G., Belov A., Yashiro S. Size distributions of solar flares and solar energetic particle events // Astrophys. J. Lett. V. 756. № 2. P. L29−L33. 2012. https://doi.org/10.1088/2041-8205/756/2/L29
  17. Dierckxsens M., Tziotziou K., Dalla S., Patsou I., Marsh M.S., Crosby N.B., Malandraki O., Tsiropoula G. Relationship between solar energetic particles and properties of flares and CMEs: Statistical analysis of Solar Cycle 23 events // Solar Phys. V. 290. P. 841–874. 2015. https://doi.org/10.1007/s11207-014-0641-4
  18. Dorman L. Cosmic ray interactions, propagation, and acceleration in space plasmas. Springer, Dordrecht, 2006. 847 p.
  19. Dorman L., Pustil’nik L., Dai U., Idler M., Keshtova F., Petrov E. Is it possible to organize automatic forecasting of expected radiation hazard level from Solar Cosmic Ray (SCR) events for spacecraft in the heliosphere and magnetosphere and for aircraft in the low Atmosphere? // Adv Space Res. V. 64. № 12. P. 2490–2508. 2019. https://doi.org/10.1016/j.asr.2019.09.038
  20. Engell A.J., Falconer D.A., Schuh M., Loomis J., Bissett D. SPRINTS: A Framework for Solar-Driven Event Forecasting and Research // Space Weather. V. 15. № 10. P. 1321–1346. 2017. https://doi.org/10.1002/2017SW001660
  21. Falconer D., Barghouty A.F., Khazanov I., Moore R. A tool for empirical forecasting of major flares, coronal mass ejections, and solar particle events from a proxy of active-region free magnetic energy // Space Weather. V. 9. № 4. Article ID S04003. 2011. https://doi.org/10.1029/2009SW000537
  22. Gopalswamy N., Mäkelä P., Akiyama S., Yashiro S., Xie H., Thakur N., Kahler S.W. Large solar energetic particle events associated with filament eruptions outside of Active Regions // Astrophys J Lett. V. 806. № 1. Article ID 8. 2015. https://doi.org/10.1088/0004-637X/806/1/8
  23. Hu J., Li G., Ao X., Zank G.P., Verkhoglyadova O. Modeling particle acceleration and transport at a 2-D CME-Driven shock // J. Geophys. Res.: Space Phys. V. 122. № 11. P. 10938–10963. 2017. https://doi.org/10.1002/2017JA024077
  24. Kahler S.W. The role of the big flare syndrome in correlations of solar energetic proton fluxes and associated microwave burst parameters // Iulia Zagainova. V. 87. № A5. P. 3439–3448. 1982. https://doi.org/10.1029/JA087iA05p03439
  25. Kahler S.W. The correlation between solar energetic particle peak intensities and speeds of coronal mass ejections: Effects of ambient particle intensities and energy spectra // J. Geophys. Res. V. 106. P. 20947−20956. 2001. https://doi.org/10.1029/2000JA002231
  26. Kahler S.W., Ling A.G. Forecasting Solar Energetic Particle (SEP) events with Flare X-ray peak ratios // J. Space Weather Space Clim. V. 8. Article ID A47. 2018. https://doi.org/10.1051/swsc/2018033
  27. Kasapis S., Zhao L., Chen Y., Wang X., Bobra M., Gombosi T. Interpretable Machine Learning to Forecast SEP Events for Solar Cycle 23 // Space Weather. V. 20. № 2. Article ID e2021SW002842. 2022. https://doi.org/10.1029/2021SW002842
  28. Kihara K., Huang Y., Nishimura N., Nitta N.V., Yashiro S., Ichimoto K., Asai A. Statistical analysis of the relation between coronal mass ejections and solar energetic particles // Astrophys J. V. 900. № 1. Article ID 75. 2020. https://doi.org/10.3847/1538-4357/aba621
  29. Lario D., Aran A., Decker R.B. Major solar energetic particle events of solar cycles 22 and 23: Intensities close to the streaming limit // Solar Phys. V. 260. P. 407–421. 2009. https://doi.org/10.1007/s11207-009-9463-1
  30. Lavasa E., Giannopoulos G., Papaioannou A., Anastasiadis A., Daglis I.A., Aran A., Pacheco D., Sanahuja B. Assessing the predictability of solar energetic particles with the use of machine learning techniques // Solar Phys. V. 296. № 7. Article ID 107. 2021. https://doi.org/10.1007/s11207-021-01837-x
  31. Luhmann J.G., Ledvina S.A., Krauss-Varban D., Odstrcil D., Riley P. A heliospheric simulation-based approach to SEP source and transport modeling // Adv. Space Res. V. 40. № 3. P. 295–303. 2007. https://doi.org/10.1016/j.asr.2007.03.089
  32. Luhmann J.G., Mays M.L., Odstrcil D., Li Y., Bain H., Lee C.O., Cohen C.M.S., Mewaldt R.A., Leske R.A., Futaana Y. Prospects for Modeling and Forecasting SEP Events with ENLIL and SEPMOD // Proceedings of the International Astronomical Union. V. 13. № S335. P. 263–267. 2017. https://doi.org/10.1017/S1743921317007396
  33. Marroquin R.D., Sadykov V., Kosovichev A. et al. // Astrophys. J. V. 952. № 2. Article ID 97. 2023. https://doi.org/10.3847/1538-4357/acdb65
  34. Marsh M.S., Dalla S., Dierckxsens M., Laitinen T., Crosby N.B. SPARX: A modeling system for solar energetic particle radiation space weather forecasting // Space Weather. V. 13. № 6. P. 386–394. 2015. https://doi.org/10.1002/2014SW001120
  35. Mishev A.L., Adibpour F., Usoskin I.G., Felsberger E. Computation of dose rate at flight altitudes during ground level enhancements no. 69, 70 and 71 // Adv. Space Res. V. 55. P. 354–362. 2015. https://doi.org/10.1016/j.asr.2014.06.020
  36. Núñez M, Paul-Pena D. Predicting > 10 MeV SEP Events from solar flare and radio burst data // Universe. V. 6. № 10. Article ID 161. 2020. https://doi.org/10.3390/universe6100161
  37. Núñez M. Evaluation of the UMASEP-10 Version 2 Tool for Predicting All > 10 MeV SEP Events of Solar Cycles 22, 23 and 24 // Universe. V. 8. Article ID 35. 2022. https://doi.org/10.3390/universe8010035
  38. Papaioannou A., Sandberg I., Anastasiadis A., Kouloumvakos A., Georgoulis M.K., Tziotziou K., Tsiropoula G., Jiggens P., Hilgers A. Solar flares, coronal mass ejections and solar energetic particle event characteristics // J. Space Weather. Space Clim. V. 6. Article ID A42. 2016. https://doi.org/10.1051/swsc/2016035
  39. Papaioannou A., Vainio R., Raukunen O., Jiggens P., Aran A., Dierckxsens M., Mallios S.A., Paassilta M., Anastasiadis A. The probabilistic solar particle event forecasting (PROSPER) model // J. Space Weather. Space Clim. V. 12. Article ID 24. 2022. https://doi.org/10.1051/swsc/2022019
  40. Papaioannou A., Herbst K., Ramm T., Cliver E.W., Lario D., Veronig A.M. Revisiting empirical solar energetic particle scaling relations. I. Solar flares // A&A. V. 671. Article ID A66. 2023. https://doi.org/10.1051/0004-6361/202243407
  41. Papaioannou A., Herbst K., Ramm T., Lario D., Veronig A.M. Revisiting empirical solar energetic particle scaling relations. II. Coronal mass ejections // A&A. V. 690. Article ID A60. 2024. https://doi.org/10.1051/0004-6361/202450705
  42. Posner A. Up to 1-hour forecasting of radiation hazards from solar energetic ion events with relativistic electrons // Space Weather. V. 5. № 5. Article ID 05001. 2007. https://doi.org/10.1029/2006SW000268
  43. Richardson I.G., Mays M.L., Thompson B.J. Prediction of solar energetic particle event peak proton intensity using a simple algorithm based on CME speed and direction and observations of associated solar phenomena // Space Weather. V. 16. № 11. P. 1862–1881. 2018. https://doi.org/10.1029/2018SW002032
  44. Richardson I.G., von Rosenvinge T.T., Cane H.V. The properties of solar energetic particle event-associated coronal mass ejections reported in different CME catalogs // Solar Phys. V. 290. № 6. P. 1741–1759. 2015. https://doi.org/10.48550/arXiv.1505.03071
  45. Smart D.F., Shea M.A. PPS76: A computerized event mode solar proton forecasting technique. In: Donnelly, R.F. (Ed.), NOAA Solar-Terrestrial Predictions Proceedings. V. 1. P. 406–427. 1979.
  46. Sokolov I.V., Roussev I.I., Gombosi T.I., Lee M.A., Kóta J., Forbes T.G., Manchester W.B., Sakai J.I. A new field line advection model for solar particle acceleration // Astrophys. J. Lett. V. 616. № 2. P. L171–L174. 2004. https://doi.org/10.1086/426812
  47. Stumpo M., Laurenza M., Benella S., Marcucci M.F. Predicting the energetic proton flux with a machine learning regression algorithm // Astrophys. J. V. 975. № 1. Article ID 8. 2024. https://doi.org/10.3847/1538-4357/ad7734
  48. Torres J., Zhao L., Chan P. K., Zhang M. A machine learning approach to predicting SEP events using properties of coronal mass ejections // Space Weather. V. 20. Article ID e2021SW002797. 2022. https://doi.org/10.1029/2021SW002797
  49. Townsend L.W., Adams J.H., Blattnig et al. Solar particle event storm shelter requirements for missions beyond low Earth orbit // Life Sci. Space Res. V. 17 P. 32–39. 2018. https://doi.org/10.1016/j.lssr.2018.02.002
  50. Whitman K., Egeland R., Richardson IA.G. et al. Review of solar energetic particle prediction models // Adv. Space Res. V. 72. № 12. P. 5161–5242. 2023. https://doi.org/10.1016/j.asr.2022.08.006
  51. Zhang M., Zhao L. Precipitation and release of solar energetic particles from the solar coronal magnetic field // Astrophys. J. V. 846. № 2. Article ID 107. 2017. https://doi.org/10.3847/1538-4357/aa86a8
  52. Zhong Q., Wang J., Meng X., Liu S., Gong J. Prediction model for solar energetic proton events: Analysis and verification // Space Weather. V. 17. № 5. P. 709–726. 2019. https://doi.org/10.1029/2018SW001915

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Связь гелиодолготы солнечного источника: (а) с величиной потока рентгеновского излучения и (б) с начальной скоростью КВМ для разных групп исследуемых событий (светлые кружки – No SEP, темные кружки – P10, квадраты – P100, ромбы – GLE).

Скачать (381KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Связь реально наблюдавшегося максимального потока частиц с энергиями (а) > 10 МэВ и (б) > 100 МэВ с потоками, рассчитанными по формулам (3) и (4), для событий с уверенной привязкой к солнечным источникам в долготном диапазоне W22–W87.

Скачать (161KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость вероятности регистрации СПС от гелиодолготы и индекса протонности события.

Скачать (133KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Распределение параметра dtP10 (ч) – времени от начала соответствующей рентгеновской вспышки до регистрации максимального потока частиц с энергиями > 10 МэВ.

Скачать (74KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Долготная зависимость параметра dtP10.

Скачать (126KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Связь между реально наблюдавшимися значениями потоков частиц и модельными расчетами для групп (а) P10 и (б) P100 для событий со всего солнечного диска (E85–W88).

Скачать (225KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Связь ожидаемого максимального потока частиц с энергиями > 10 МэВ (десятичный логарифм) с начальной скоростью КВМ и вспышечным индексом.

Скачать (104KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025