Идентификации плазменных потоков в солнечном ветре нейросетевым классификационным подходом
Бархатов Н.А., Ревунов С.Е., Виноградов А.Б.
Нижегородский Государственный Педагогический Университет, Нижний Новгород
Исследование посвящено идентификации плазменных потоков в солнечном ветре, представленных в форме вейвлет-скелетонных картин, нейросетевым классификационным методом. В основу разрабатываемого подхода положена параметрическая классификация с дифференциацией по частотным диапазонам спектральных особенностей солнечных плазменных потоков в форме магнитных облаков (MC), областей взаимодействия потоков (CIR), ударных волн (Shocks) и высокоскоростных потоков от корональных дыр (HSS). Предварительная вейвлет-скелетонная обработка данных о параметрах солнечного ветра, регистрируемых на орбите Земли патрульными космическими аппаратами, и оригинальный алгоритм параметризации информации о потоках солнечного ветра для классификационной нейросети типа Кохонена, позволяют использовать предлагаемую технику в режиме онлайн мониторинга околоземного космического пространства. Такой подход позволит на ранних этапах в потоке солнечного ветра обнаруживать геоэффективные структуры с целью прогнозирования глобальных геомагнитных возмущений.
Для проверки работы классификационной техники отобрано 24 события в период с 2000 по 2007 гг. по данным каталогов NASA (http://cdaw.gsfc.nasa.gov) и NOAA (http://ngdc.noaa.gov). Каждый анализируемый кластер (MC, CIR, Shocks, HSS) представлен шестью событиями: MC (28.07.2000, 29.12.2000, 12.04.2001, 28.05.2001, 09.08.2001, 17.04.2002), CIR (27.07.2003, 05.04.2005, 07.05.2007, 20.09.2007, 27.09.2007, 25.10.2007), Shocks (19.12.2002, 27.02.2003, 14.07.2003, 17.07.2003, 12.04.2004, 22.07.2004), HSS (01.03.2000, 26.07.2003, 20.11.2004, 04.07.2006, 29.07.2007, 17.12.2007). С вэб-узла CDAW (http://cdaweb.gsfc.nasa.gov) для каждого из них были получены минутные данные параметров солнечного ветра: N (плотность), V (скорость), Т (температура), Р (динамическое давление) и данные о величине межпланетного магнитного поля (ММП) |В|, Bx, By, Bz в солнечно-эклиптической системе координат, зарегистрированные на патрульных космических аппаратах.
Применение алгоритма параметризации вейвлет-скелетонных картин позволяет работать с событиями произвольной продолжительности, т.е. нет необходимости предварительно выбирать равноценные/равнопродолжительные фрагменты данных, которыми представлено описание события в кластере. Предлагаемая методика значительно упрощает представление классификационных данных для нейросети и исключает субъективные оценки. В результате работы алгоритма нейросеть получает набор числовых параметров о каждом отдельно взятом событии, в котором сжата информация о динамике и степени согласованности колебательных процессов в конкретном диапазоне частот в параметрах потока солнечного ветра.
Выполненная нейросетевая классификация с дифференциацией по частотным диапазонам спектральных особенностей потоков демонстрирует разделение скелетонных картин возмущений параметров (N, V, Т, Р, |В|, Bx, By, Bz), что подтверждает отождествление внутренней динамики плазменных образований разных типов и масштабов. Показано, что потоки типа MC и HSS классифицируются как долгопериодные изменения в параметрах солнечного ветра. Потоки типа CIR и Shocks отождествляются нейросетью по относительно быстрым изменениям в параметрах, что особенно заметно при анализе высокочастотной части спектра.
