Развитие математических методов интеллектуального анализа данных геофизического мониторинга для изучения электромагнитных параметров Земли и околоземного пространства

Подготовлен подробный обзор современных представлений о физической природе волновых вариаций геомагнитного поля в ультранизкочастотном (УНЧ) диапазоне – от долей мГц до первых Гц. Особое внимание обращено на то, что, хотя космическая погода активирует глобальные электромагнитные и плазменные процессы в околоземной среде, однако наибольший риск геомагнитно-индуцированных токов (ГИТ) связан не непосредственно с крупномасштабными процессами с огромным выделением энергии, а с более локальными и быстрыми процессами. Разработана технология оценивания параметров нестационарных геофизических сигналов. Использована двухэтапная аппроксимация c локальными аппроксимационными моделями на первом этапе и взвешенными усреднениями на втором. Рассмотрен пример оценивания амплитудных, частотных и трендовых параметрических функций (частотной дисперсии и скорости нарастания/убывания амплитуды со временем) для геомагнитных пульсаций Рс1. Была исследована модель DIFI-7, входящая в пакет продуктов датасета спутниковых данных группировки Swarm с кодом SW_MIO_SHA_2D. В процессе исследования была поставлена и решена задача верификации модели и разработки методики выделения ионосферного поля при полевых и обсерваторских наблюдениях. Для решения задачи было выполнено 12 высокоточных наблюдений абсолютным деклинометром/инклинометром, сопровождаемые непрерывными записями скалярного и векторного магнитометров. Исследован отклик в вариациях геомагнитного поля, который был вызван землетрясениями 2020-2023 гг. с магнитудами Mw≥7.0 в Эгейском море и на востоке Турции. Проведено детальное сопоставление высокоточных наблюдений геомагнитного поля и сейсмограмм, зарегистрированных на комплексных геофизических обсерваториях в радиусе 3000 км от эпицентров. Оценены их характеристики как во временной, так и частотной областях, отдельно сопоставлены спектральные характеристики объемных и поверхностных волн с характеристиками геомагнитного сигнала. Показано, что начало возмущения магнитного поля в каждом пункте наблюдений строго совпадает с приходом P-волны и усиливается при вступлении S-волн. Максимальное геомагнитное возмущение вызывается поверхностными волнами. Амплитуда электромагнитных возбуждений пропорциональна амплитуде порождающих его сейсмических фаз. Таким образом, подтверждена косейсмическая природа наблюдаемого электромагнитного сигнала. В рамках изучения быстрых вариаций главного магнитного поля Земли продолжены исследования, посвященные выделению и изучению сигнала векового хода и векового ускорения. В результате системного подхода к обработке обсерваторских магнитных данных, их пространственно-временной интерполяции и спектрального анализа впервые подтверждено существование 3-летней квазипериодичности всплесков векового ускорения знакопеременной полярности на протяжении 90-летнего периода (1932–2022 гг.), т.е. задолго до наступления космической эры геомагнитных измерений. Полученный результат подтверждает гипотезу о волновой природе процессов в жидком ядре, являющихся причиной быстрых вариаций главного поля. Развитие дискретного математического анализа (ДМА) велось по двум направлениям. Первое направление было связано с изучением временных рядов и построением для них трех версий нечетких спектров, помогающих более объективно, непараметрически понять их динамическую сущность и природу геофизических процессов, стоящих за ними. Второе направление было связано с развитием анализа конечных векторных полей – был построен алгоритм выделения в них вихрей с помощью нечеткой математики и классического векторного анализа. Среди прочего, полученные результаты востребованы при распознавании вихревых токовых систем в ионосфере. Высокая актуальность получения в оперативном режиме наземных геомагнитных наблюдений приводит к важности непрерывного обновления и расширения функционала АПК МАГНУС. Спрос к данным российского сегмента ИНТЕРМАГНЕТ приводит к росту запроса на разработку и внедрение оригинальных алгоритмов анализа геомагнитных данных на лету. АПК МАГНУС был улучшен в части организации доступа к оперативным наблюдениям. Другим развитием стало добавление удобных инструментов оперативного контроля качества данных и отслеживания искажений в измерениях на длительных временных интервалах с помощью оперативного расчета среднесуточных и среднечасовых значений компонент МПЗ. Новые функции прошли закрытое тестирование и стали доступны как через интерфейс веб-доступа, так и в режиме работы через программный интерфейс приложений (API).