PN 23-39-04-01

Geomagnetismul, instrument modern în prognoza vremii spatiale și în reacția rapidă la hazardele naturale asociate pentru protecția infrastructurilor critice și securitatea traficului aerian național

Cod proiect: PN 23-39-04-01

Responsabil proiect: Dr. Ing. Laurențiu Asimopolos

Descriere

Proiectul urmăreste în primul rând valorificarea inteligentă a rezultatelor științifice avansate prin tehnici moderne de stocare și analiză matematică obținute prin prelucrarea arhivei de aproape 80 de ani a seriilor lungi de timp de date geomagnetice și a parametrilor cheie de activitate geomagnetică și declinație procesate și analizate în timp real la Observatorul Geomagnetic Național Surlari. Corelarea acestor date geomagnetice cu ciclurile și variațiile emisiilor solare, cu evoluția spațio-temporală a compoziției, densității și vitezei vântului solar și a efectelor ionosferice, va putea oferi un instrument de prognoză pentru schimbarile climatice, vremea spațială, și de cuantificare rapidă a posibilelor efecte ale furtunilor geomagnetice extreme la latitudini medii. În al doilea rând, actualizarea periodică a valorilor absolute de declinatie din Rețeaua de Variație Seculară Aeroportuară cu ajutorul modelelor globale, a valorilor de referință națională determinate din înregistrările de observator, și a măsurătorilor in situ, va pune în evidență dinamica anomaliilor de declinație la nivel național în timp real, și va reprezenta un instrument modern de diminuare a riscurilor într-un domeniu strategic – securitatea traficului aerian național. Astfel, geomagnetismul va putea fi un instrument de reacție rapidă în cuantificarea efectelor vremii spațiale asupra sistemelor tehnologice esențiale necesare pentru durabilitatea și reziliența standardelor socio-economice și de securitate ale societății actuale.

Obiective

1. valorificarea superioară a bazei de date geomagnetice de aproape 80 de ani pentru a răspunde unor nevoi actuale: prognoza vremii spațiale, cuantificarea efectelor asupra calității vieții în societatea modernă
2. cercetări avansate asupra dinamicii spațio-temporale a câmpului geomagnetic în relație cu sursele heliosferice prin metode statistice și tehnici de analiză multirezoluție în special cele spectrale bazate pe utilizarea transformatei wavelet;
3. evaluarea hazardului generat de clima și vremea spațială și a riscului furtunilor geomagnetice extreme;
4. analize avansate și comparative asupra furtunilor geomagnetice înregistrate simultan în observatoarele INTERMAGNET, inclusiv în Observatorul Geomagnetic Surlari.
5. dezvoltarea unor modele pentru diagnoza și predicția furtunilor geomagnetice;
6. cercetări fundamentale și exploratorii, utilizînd metode moderne, pentru care criteriile de evaluare sunt legate de excelența științifică, dar cu scopul de integrare a unor componente de cercetare fundamentală în studii cu caracter aplicativ, orientat în domeniul strategic al siguranței traficului aeronautic.
7. dezvoltarea dialogului dintre știință și societate prin proiectarea și dezvoltarea unei platforme web cu servicii interactive complexe și multidisciplinare utilizând tehnologii informatice și de comunicații de tip Cloud-in-a-Box.

Rezultate  PN_23_39_04_01.pdf

• Aplicație Web GIS– un serviciu cu un înalt grad de complexitate bazat pe un sistem de management de conținut cu cod-sursă liber (open-source) și suport pentru protocolul criptat HTTPS.
• Sistem actualizat anual cu componentă de E-learning dedicată la nivelul organizațiilor interesate în securitatea traficului aerian (Aplicație ArcGis cu tehnici de modelare specifice pentru predicția spațio – temporală a valorilor de declinație magnetică din Rețeaua de Variație Aeroportuară).

A fost realizată aplicația web-GIS cu ARCGIS Server din dotarea IGR, ce poate fi vizualizată într-un browser de internet la adresa: http://harti.igr.ro/masuratori_aeroporturi . Figura 1 arată straturile tematice din aplicație la nivelul întregii țări.

Fig. 1 Aplicația web-GIS privind măsurătorile de declinație magnetică efectuate de ONGS în perioada 2010-2024

În acest scop, de pe portalul ANCPI, secțiunea „Descărcare TopRO50”, au fost descărcate, la nivelul județelor din România, bazele de date ce conțin poligoanele reprezentând aeroporturile, heliporturile și radiobalizele pentru care institutul a efectuat măsurători geomagnetice necesare siguranței zborurilor. S-a dorit utilizarea bazelor de date GIS standardizate pentru România conform Directivei INSPIRE în scopul realizării în final a unei aplicații GIS cu date corecte, aprobate la nivel național. Adresa portalului de descărcare INIS al României este: https://geoportal.gov.ro/arcgis/apps/sites/#/inspire/

Toate poligoanele selectate au fost introduse ca „feature classes” într-o „file geodatabase” – extensie gdb. Acolo unde bazele de date ANCPI nu conțineau aeroporturi mai noi (precum cel de la Ghimbav, de lânga Brasov, dat în funcțiune în 2022), conturul a fost trasat dupa imaginile Google Earth.

• Consolidare și uniformizare date geomagnetice în format digital pentru 7 cicluri solare  (1943-2023). Configurarea bazelor de date cu serii de timp de date geomagnetice și indici de activitate geomagnetică, ce vor fi actualizate apoi periodic ; Consolidare și actualizare periodică indici globali de activitate geomagnetică, date ionosferice și heliosferice relevante pentru interacția dintre vântul solar – magnetosfera terestră – ionosferă.

Au fost configurate, în mod unitar bazele de date geomagnetice din arhiva observatorului :  BD_YearMean (H,D,Z,X,Y,F1958_2006.dat), BD_Hour Mean (H,D,Z,X,Y,F1958_2006.dat), BD_MinuteMean ,Y,Z,F1999_2022.dat).

Au fost configurate bazele de date cu următorii parametri de activitate geomagnetică globală,  ionosferici și heliosferici: BD_KP (fișiere anuale de tip 1932…2023KP, BD_AE-AP (1932…2023AP.dat, 1957…2011AE.dat), BD_DST (1957…2016DEF-DST.dat, 2017…2021PROV-DST.dat, 2023RAW-DST.dat,  BD_SUN (2004…2023F10.7.dat, 1932…2023QDDAYS.dat, 1923….2023SSN.dat.

Bazele de date sunt actualizate periodic și vor constitui parametri cheie în experimentele ulterioare. Astfel, indicele geomagnetic Dst și corelația acestui indice cu alți indici geomagnetici cu serii mai lungi de date (Ap, Kp) poate ajuta la reconstrucția câmpului geomagnetic extern respectiv a furtunilor geomagnetice majore pe fiecare ciclu solar în vederea investigărilor din fazele următoare a posibilei legături Soare (clima spațială)  – clima terestră.

• Analize statistico-spectrale și wavelet ale furtunilor geomagnetice

Pentru exemplificare, prezentam analiza spectrala si wavelet pentru datele inregistrate in zilele 23 si aprilie 2023, la OGNS. In partea de sus a acestei figuri sunt prezentate graficele seriilor de timp compuse din 2880 esantioane la minut, Aprilie, 23-24.

In partea centrala sunt coeficientii wavelet, folosind functia Morlet, de nivel 5. In partea de jos a fiecarei figure 2 și 3 sunt analizele wavelet, unde abscisa corespunde timpului (2880 minute), ordonata corespunde frecventei iar culoarea corespunde intensitatii campului la fiecare frecventa si fiecare minut (galben – maxima intensitate, albastru – minima intensitate).

In figura 3 este prezentata coerenta wavelet pentru cele doua componente orizontale

Fig.3 – Coerenta wavelet dintre Hx si Hy

• Realizarea de analize avansate și comparative asupra furtunilor geomagnetice înregistrate simultan în observatoarele INTERMAGNET, inclusiv în Observatorul Geomagnetic Surlari.

Exemplificam analiza dintre doua observatoare din Romania (Surlari) si Germania (Niemek) in timpul furtunii din 10-12 mai 2024 prin metodologia spectrala si wavelet în figurile 4 și 5. Am analizat datele pentru perioada 10-12 Mai 2024, cu pasul de eșantionare de 1 minut. În fiecare din aceste grafice semnificația culorilor este : -cu rosu este reprezentat câmpul magnetic pe direcția Nord (X) ; -cu verde este reprezentat câmpul magnetic pe direcția Est (Y) ; -cu albastru este reprezentat câmpul magnetic pe direcția verticală (Z) ; -cu negru este reprezentat câmpul magnetic Total (F).

a) – magnetograma (10-12 Mai 2024)

b) – Analiza spectrală a componentei Hx și coeficienții wavelet (nivel 5)

c) – Analiza wavelet a componentei Hx (timp-frecvență-intensitate) Figura 4 a,b,c– Observatorul Surlari (SUA)

1. Figura 5 a,b,c – Observatorul Niemegk (NGK); magnetograma (10-12 Mai 2024) Hx, Analiza spectrală a componentei Hx și coeficienții wavelet (nivel 5), Analiza wavelet a componentei Hx (timp-frecvență-intensitate)

Fig. 6 – Corelația wavelet dintre componentele Nord (Hx) ale observatoarelor SUA și NGK.

• Implementarea de conținut în cadrul platformei WEB, privind bazele fizico-matematice ale câmpului geomagnetic, sursele câmpului geomagnetic, determinare declinației în zonele aeroportuare, curenții geomagnetici induși GIC și impactul lor asupra infrastructurilor critice precum și realizarea conținutului capitolelor de curs și implementarea link-urilor externe video explicative de pe site-uri de specialitate.
• Dezvoltarea de metode noi de predicție folosind metode statistico-spectrale de analiză numerică / inteligență artificială/ machine learning pentru prototipuri de prognoză și predicție a climei și vremii spațiale.

Wavelet Toolbox din Matlab ne permite eliminarea interactivă a zgomotelor din semnalele pe care le analizăm, putând efectua analize multirezoluție și wavelet. In acest scop, setul de instrumente include algoritmi pentru analiza wavelet continuă și discretă, analiza pachetelor wavelet, analiză cu rezoluție multiplă, împrăștiere wavelet și alte analize multiscale.

Coerența wavelet definită prin funcția wcoherence(x,y) din Matlab, este o măsură a corelației dintre doua semnale reale de tip vector 1D si de aceeași lungime x și y în planul timp-frecvență. Coerența wavelet este aplicabilă pentru analiza semnalelor nestaționare și folosește unda analitică Morlet, putând detecta evenimente precum anomalii ale campului geomagnetic, puncte de schimbare și tranzitorii.

Săgețile din diagrama „wcoherence” indică relația de fază dintre cele două semnale la fiecare moment și punct de frecvență (sau perioadă).

Unghiul de fază al spectrului încrucișat este același cu decalajul de fază dintre semnale.

Direcția săgeților în regiunile cu coerență ridicată poate ajuta la înțelegerea relației de fază. De exemplu, dacă săgețile sunt îndreptate spre dreapta, indică faptul că cele două semnale sunt în fază (întârziere 0), iar dacă sunt îndreptate spre stânga, indică o relație anti-fază (întârziere de 1/2 ciclu) . Un decalaj de 1/4 de ciclu într-un semnal la o anumită frecvență este indicat de o săgeată îndreptată vertical. Prin urmare, o săgeată îndreptată în direcția nord-est (între 0 și 1/4 direcție de decalaj de ciclu) corespunde unei întârzieri de 1/8 ciclu (jumătate de 1/4) și, în mod similar, o săgeată îndreptată în direcția nord-vest (între 1/4 și direcția de decalaj de 1/2 ciclu) corespunde unei întârzieri de 3/8 ciclu (adăugând jumătate din 1/4 la 1/4). Întârzierile se deplasează în sens invers acelor de ceasornic. Aceste corelații foarte bune sunt confirmate și de figurile 3 și 6.

• Diseminarea rezultatelor prin lucrări publicate și participări la conferințe.

Asimopolos Natalia-Silvia et.al. 2024 – Analysis of the geomagnetic storm from March 23-24, 2024, which had a strong impact on the Earth      BGS 2024, www.scopus.org, www.earthdoc.org

DOI: https://doi.org/10.3997/2214-4609.202149BGS42

Asimopolos Laurentiu et.al. 2024 – Analysis of geomagnetic databases impacting space weather, SGEM 2024, Space Technologies and planetary Science, https://www.sgem.org/, www.scopus.org,  DOI: 10.5593/sgem2024/6.1/s28.63, ISBN : 978-619-7603-74-3, ISSN: 1314-2704,

Asimopolos Natalia-Silvia et. al. 2024 – Study on the strongest geomagnetic events in the current solar cycle, Studii şi comunicări. Ştiinţele Naturii. ISSN 1454-6914, indexed in Master Journal List, „B+” category,  http://biozoojournals.ro/Muzeul Olteniei Craiova. Oltenia, Studii şi comunicări. Ştiinţele Naturii. ISSN 1454-6914, Tom 40, nr. 2/2024, pag 7-12

Asimopolos Natalia-Silvia et. al. 2025 – IMPLEMENTATION OF THE GEOMAGNETISM WEB PLATFORM IN THE GEOLOGICAL INSTITUTE OF ROMANIA WEB DOMAIN, SGEM2025, Section Education, Training, and Capacity Building in GeoSciences; Innovative Educational Approaches in GeoSciences, www.scopus.org

Asimopolos Laurentiu et.al. 2025 – CONSIDERATIONS REGARDING THE EVALUATION OF THE VARIABILITY OF THE GEOMAGNETIC FIELD, SGEM2025, Section Space Technologies and Planetary Exploration. Space Mining; Use of Space Technology for Environmental Monitoring on Earth, , www.scopus.org

Asimopolos Laurentiu et.al. 2025 – The design of a web site with studies of geomagnetism – Studii şi comunicări. Ştiinţele Naturii. ISSN 1454-6914, indexed in Master Journal List, „B+” category,  http://biozoojournals.ro/Muzeul Olteniei Craiova. Oltenia, Studii şi comunicări. Ştiinţele Naturii. ISSN 1454-6914 (in print)

Asimopolos Natalia-Silvia et.al. 2025 – The numerical analysis applied in the evaluation of geomagnetic activity Studii şi comunicări. Ştiinţele Naturii. ISSN 1454-6914, indexed in Master Journal List, „B+” category,  http://biozoojournals.ro/Muzeul Olteniei Craiova. Oltenia, Studii şi comunicări. Ştiinţele Naturii. ISSN 1454-6914 (in print)