Гранты

Проект направлен на исследование влияния состояния ионосферной плазмы на структуру поля у земной поверхности очень низкочастотных (ОНЧ, 3-30 кГц) естественных магнитосферных излучений типа авроральные шипения с привлечением данных риометрического поглощения с целью формирования научно-методологической базы для организации мониторинга ионосферы в арктической зоне.

Для мониторинга арктической ионосферы в качестве зондирующих могут быть использованы естественные сигналы внеземного происхождения, которые регистрируются у земной поверхности. Одним из них является радиошум, испускаемый далекими звездами и галактиками. Затухание этого сигнала в ионосфере измеряется у земной поверхности с помощью риометров (риометрическое поглощение). Известно, что наибольшее затухание происходит при прохождении радиошума через нижние слои ионосферы (слои D и E).

Другой зондирующий сигнал — ОНЧ авроральное шипение. Это шумовое излучение с максимумом интенсивности на частотах 8-10 кГц, которое регистрируется на спутниках и на земной поверхности. Общепринятым механизмом выхода аврорального шипения к земной поверхности является его рассеяние на мелкомасштабных неоднородностях электронной концентрации в верхней ионосфере (выше 300-500 км). Эти излучения регистрируются на низкоорбитальных спутниках практически при каждом их пересечении авроральных широт в вечернее и ночное время, в то время как частота регистрации шипений у земной поверхности гораздо меньше вследствие влияния условий прохождения. Из этого следует, что авроральные шипения можно рассматривать как индикатор наличия мелкомасштабных неоднородностей в верхней ионосфере, обеспечивающих прохождение ОНЧ волн к земной поверхности.

Таким образом, совместный анализ данных наземных наблюдений риометрического поглощения и ОНЧ авроральных шипений позволит получить информацию об особенностях состояния ионосферной плазмы, определяющих ту или иную структуру поля регистрируемых сигналов. Сегодня является актуальной задача создания средств комплексного анализа и сопоставления данных наземных наблюдений ОНЧ авроральных шипений и риометрического поглощения, а также исследования влияния состояния ионосферной плазмы на результаты этих наблюдений. Научная новизна планируемого исследования заключается в получении новых сведений о влиянии состояния ионосферы на пространственно-временную структуру регистрируемых полей.

В настоящее время на станциях Полярного геофизического института (ПГИ) ведется непрерывная регистрация ОНЧ полей (обсерватории Ловозеро и Баренцбург, расположенные на Кольском полуострове и архипелаге Шпицберген соответственно) и риометрического поглощения (обсерватории на Кольском полуострове Ловозеро и Туманный, а также обсерватория Баренцбург). Научным коллективом накоплен большой опыт в обработке и анализе наземных данных, а также с их участием разработана модель распространения ОНЧ авроральных шипений от области генерации до наземного наблюдателя. Имеющиеся у коллектива материальная и методологическая база позволит провести данное исследование.

Результаты, которые будут получены в ходе выполнения проекта, важны для улучшения прогноза космической погоды и для изучения влияния гелиогеофизических возмущений на качество КВ и сверхнизкочастотной радиосвязи в арктической зоне. Благодаря наличию точек регулярных точек наблюдений будет создана основа для мониторинга арктической ионосферы.

Проект предполагает исследование динамики магнитосферно-ионосферной плазмы по её отображению в пространственно-временной структуре полярных сияний. В значительной степени эта динамика зависит от внешнего воздействия на магнитосферу солнечного ветра, однако, из-за процессов структурной самоорганизации в магнитосферно-ионосферной плазме эта динамика имеет также внутренние закономерности, которые в первую очередь являются предметом исследования этого проекта. Для крупномасштабных переходных процессов (магнитных бурь и магнитосферных суббурь), предполагается классифицировать структуры неоднородностей свечения, наблюдаемые в полярных сияниях, используя фрактальные характеристики и представления нелинейной динамики, привязывая их к физически различимым фазам переходных процессов и границам доменов в магнитосфере. Это позволит построить эмпирическую модель - «портрет» магнитосферного переходного процесса, масштабируемый согласно условиям внешнего воздействия. Использование фрактальных характеристик позволит включить в описание не только средние характеристики масштабов неоднородностей, но и каскадные явления, характерные для переходных процессов в плазме. Несмотря на отдельные работы в этом направлении, построение такой эмпирической модели и систематическое получение фрактальных характеристик будет выполнено впервые. Численное описание структуры ионосферных неоднородностей в зоне полярных сияний, вызванных высыпаниями энергичных частиц из ионосферы, актуально для построения комплексных моделей окружающей среды, а также различных прикладных моделей, в частности ориентированных на интересы регионального туристического бизнеса.

Наличие неоднородностей в ионосфере вызывает изменения в прохождении/распространении радиоволн в широком диапазоне частот. С привлечением разработанной модели и моделей распространения радиоволн предполагается исследовать влияние ионосферных неоднородностей на прохождение/распространение электромагнитных волн как искусственного (ионозонды, сигналы систем геопозиционирования и т.п.) так и естественного происхождения (ОНЧ хоры и шипения). Будет проведено сравнение с результатами натурных наблюдений и проведены оценки возможности мониторинга состояния ионосферы при зондировании такими радиоволнами.

В ходе выполнения Проекта 2021 будут продолжено исследование воздействия потоков заряженных частиц (в основном протонов и электронов) в широком диапазоне энергий, от единиц кэВ до десятков ГэВ, на высокоширотную атмосферу. Будут рассмотрены солнечные и галактические космические лучи, электроны внешнего радиационного пояса Земли, авроральные частицы. Потоки этих частиц влияют на радиационную обстановку в атмосфере Земли и в ближнем космосе, изменяют химический состав атмосферы, негативно влияют на качество радиосвязи, на наземные и спутниковые технологические системы, оказывают влияние на климат. Будет рассмотрен широкий круг вопросов: воздействие космических лучей на радиационную обстановку и химический состав высокоширотной атмосферы, воздействие высокоэнергичных электронов на озоновый слой, воздействие авроральных частиц на сигналы ГНСС приемников, воздействие высокоэнергичных электронов и протонов на ОНЧ/КНЧ сигналы от наземных передатчиков.

В ходе выполнения проекта будут исследованы вариации потоков заряженных частиц (в основном протонов и электронов) в широком диапазоне энергий, от единиц кэВ до десятков ГэВ, в магнитосфере Земли и их воздействие на высокоширотную атмосферу. Будут рассмотрены заряженные частицы радиационных поясов Земли, авроральные частицы, солнечные и галактические космические лучи. Потоки этих частиц определяют состояние космической погоды, изменяют химический состав атмосферы, оказывают влияние на климат. Будет рассмотрен широкий круг вопросов: ускорение до релятивистских энергий и потери электронов внешнего радиационного пояса, воздействие космических лучей и авроральных частиц на химический состав высокоширотной атмосферы, физическая природа геомагнитной суббури и пульсирующих полярных сияний, воздействие заряженных частиц на ионосферу и распространение радиоволн различных частотных диапазонов.

Одна из наиболее актуальных проблем космической физики – определение механизма ускорения электронов до релятивистских энергий (несколько МэВ) во внешнем радиационном поясе Земли при развитии геомагнитных возмущений. Электроны релятивистских энергий могут выводить из строя аппаратуру на спутниках, что может приводить даже к потере спутника. В данном проекте будет оценен вклад различных механизмов (ОНЧ, УНЧ волны) в магнитосфере Земли в ускорение электронов с использованием современных спутниковых наблюдений (спутники RBSP, ERG, GOES, THEMIS, LANL). Будет оценен вклад суббурь в ускорение электронов.

В ходе выполнения проекта будут детально исследованы механизмы, приводящие к высыпаниям релятивистских электронов в атмосферу на основе данных низколетящих спутников (NOAA POES), данных баллонных измерений. Полярным геофизическим институтом (ПГИ) совместно с ФИАН создана уникальная база данных по регистрации тормозного рентгеновского излучения, измеряемого с помощью баллонов, запускаемых вблизи города Апатиты на высоты около 30-35 км. По тормозному рентгеновскому излучению можно судить о величине потоков высыпающихся в атмосферу релятивистских электронов. Высыпание в атмосферу релятивистских электронов приводит к уменьшению содержания озона в атмосфере.

Галактические и солнечные космические лучи (ГКЛ и СКЛ) представляют собой высокоэнергичную часть потока частиц, приходящих из космического пространства на Землю. СКЛ генерируют каскады вторичных частиц в атмосфере Земли и регистрируются наземными установками, представляя собою особый класс событий – так называемые наземные возрастания (ground level enhancement – GLE). Эти события представляют большой интерес для определения радиационной опасности в околоземном пространстве. ПГИ располагает двумя нейтронными мониторами, расположенными в полярных широтах, а именно в г. Апатиты и в поселке Баренцбурге (архипелаг Шпицберген). По данным измерений на мониторах и шарах-зондах на основе разработанной в ПГИ новой комплексной методики будет решаться обратная задача – определение первичного спектра энергичных частиц на границе магнитосферы, т.е. форма спектра частиц, их плотность и угловое распределение. Это принципиально новое отличие от других мировых групп, где форма спектра задана, а наземные данные используются для определения вариаций интенсивности потока. Кроме того, будут использованы данные о потоках солнечных протонов меньших энергий (< 450 МэВ) со спутников серии GOES. Методом Монте-Карло c использование пакета GEANT будут строиться высотные профили ионизации в атмосфере для различных энергий частиц от МэВ до десятков ГэВ.

Солнечные высокоэнергичные протоны и электроны, проникая на высоты средней атмосферы Земли, инициируют процессы диссоциации, ионизации, электронного и колебательного возбуждения атмосферных составляющих. Вновь образованные нейтральные и ионные компоненты, а также возбужденные молекулы и атомы активно участвуют в различных плазмохимических процессах, тем самым воздействуя на химический состав, тепловой и излучательный баланс атмосферы Земли. В проекте будет разработана кинетическая модель трансформации энергии вторгающихся в атмосферу Земли высокоэнергичных частиц (протонов и электронов) в колебательное возбуждение и инфракрасное излучение малых составляющих атмосферы СО2, О3 и т.п.;

Визуальный индикатор состояния космической погоды – такое красивое природное явление, как полярные сияния. В проекте будет исследована физическая природа пульсирующих полярных сияний с использованием одновременных наземных и спутниковых наблюдений.

Область наибольшей вероятности их появления называют «авроральным овалом». Для аврорального овала характерно наличие резких градиентов и высокого уровня турбулентности плазмы, что значительно снижает устойчивость и провоцирует сбои в системах радиосвязи и работе глобальных навигационных спутниковых (ГНСС) систем GPS/ГЛОНАСС. В проекте будет исследовано влияние высыпаний заряженных частиц во время геомагнитных возмущений на сигналы ГНСС с использованием различных моделей аврорального овала и оптических наблюдений полярных сияний. Оценка положения овала полярных сияний будет произведена с использованием модели ПГИ (http://pgia.ru/lang/ru/webapps). Будут использованы геофизические наблюдения в обсерватории ПГИ Баренцбург (архипелаг Шпицберген), где в зимний период возможны круглосуточные наблюдения полярных сияний, что делает ее уникальной для мониторинга состояния космической погоды.

Будет исследованы особенности реакции нижней ионосферы Земли на протонные вторжения на основе данных радара частичных отражений и путем сравнения наблюдений с результатами численного моделирования. Будет построена локальная численная модель распространения КНЧ, СНЧ электромагнитных волн в волноводе Земля - ионосфера на основе численной схемы решения уравнений Максвелла, разработанной в Полярном геофизическом институте. Проведена серия численных экспериментов для исследования влияния высокоэнергичных частиц на распространение электромагнитных сигналов КНЧ и СНЧ диапазона в резонаторе Земля-ионосфера. Полученные результаты исследований будут полезны для обеспечения работы систем СНЧ связи в условиях высоких широт, для проведения электроразведки полезных ископаемых по сигналам естественных и искусственных источников электромагнитного излучения большой мощности, действующих в атмосфере Земли.

Данный Проект 2018 является прямым продолжением Проекта 2015. Основная проблема, на решение которой направлены оба проекта - проблема формирования спектров и пространственно-временной динамики дискретных и шумовых сигналов естественного и искусственного (антропогенного) происхождения в космических магнитных ловушках (в первую очередь, в магнитосферах Земли и планет) и их лабораторных аналогах при их циклотронном взаимодействии с энергичными заряженными частицами и эволюция функции распределения энергичных электронов и ионов при таком взаимодействии.

Тематика проекта, обозначенная в названии, несомненно остается популярной в мире, и по ней публикуется значительное количество новых результатов. За 2012-2014 годы в Web of Science найдено 106 статей на темы об электромагнитных ионно-циклотронных (ЭМИЦ) волнах и 131 о волнах ОНЧ диапазона (3-30 кГц), и почти столько же (соответственно 112 и 121) за период 2015-середина ноября 2017 года.

Это можно связать как с достаточно широким кругом задач, существующих в рамках данной проблемы, так и с продолжающимся ростом количества и качества экспериментальных данных на эту тему. В частности, во время выполнения Проекта-2015 стартовала миссия Arase/ERG (Япония, с декабря 2016), посвященная исследованиям взаимодействия волн и частиц в радиационных поясах Земли. Можно упомянуть и проект MMS (США, с 2015 года), который также приносит новые данные об этих процессах, хотя его основная цель иная (исследование процессов в токовых слоях). Основной объем спутниковых данных по тематике проекта в настоящее время, по-видимому, поступает от спутников Van Allen Probes, которые продолжают успешно функционировать на орбите.

Таким образом, в общей формулировке в полной мере сохраняет свою актуальность задача Проекта 2015: исследование самосогласованной эволюции низкочастотной волновой турбулентности и функции распределения энергичных электронов и ионов в космических магнитных ловушках и их лабораторных аналогах при их циклотронном взаимодействии с дискретными и шумовыми сигналами естественного и искусственного происхождения: ускорения заряженных частиц волнами и их потерь из магнитных ловушек, обусловленных взаимодействием с волнами; явлений, сопутствующие потерям частиц (оптическое свечение атмосферы, модуляция проводимости ионосферы и генерация магнитных пульсаций и т.д.); взаимосвязи пространственно-временной и спектральной динамики сигналов и параметров энергичных заряженных частиц, генерирующих эти сигналы. Несомненно, эта задача является весьма масштабной.

Что касается конкретных задач Проекта 2018, то они основаны на заделе, созданном нами в ходе выполнения Проекта 2015 в виде частично решенных или только сформулированных задач, отобранных событий для анализа данных и усовершенствованных или вновь созданных моделей.

В плане теории намечена дальнейшая модернизация модели генерации дискретных излучений, ее использование для интерпретации новых данных спутниковых наблюдений - в частности, о свойствах спектров волн в области генерации; исследование механизмов формирования дискретных сигналов с понижающейся частотой; обсуждение свойств дискретных излучений в магнитосферах разных планет.

Также будет продолжен анализ режимов взаимодействия пробных частиц с разными видами дискретных сигналов. Результаты, полученные в ходе Проекта 2015, будут использованы и обобщены для получения интегральных характеристик взаимодействия электронов и протонов с ионно-циклотронными волнами, с авроральным километровым радиоизлучением, с сигналами, наблюдаемыми в лабораторных магнитных ловушках.

Созданные в рамках проекта 2015 базы данных по наблюдениям электромагнитных сигналов на Земле и на спутниках, по высыпаниям энергичных заряженных частиц, наблюдаемых на низких орбитах, и по пульсирующим полярным сияниям, сопряженным с ОНЧ излучениями, будут использованы для экспериментальных исследований параметров и механизмов формирования низкочастотных излучений с разными видами спектра, локализации источников (областей генерации) разных видов сигналов. Будут рассмотрены корреляции между глобальным распределением областей взаимодействия волн и частиц и параметрами геомагнитной активности и изучены механизмы таких корреляций.

По результатам работ в рамках Проекта 2015 опубликовано или принято к печати 20 (при плане 12) публикаций в изданиях, индексируемых в Web of Science/Scopus: 2 - Geophysical Research Letters (IF=4,253), 5 - Journal of Geophysical Research (IF=3,426), 1 - Radio Science (IF=1,581), 4 - Изв. вузов. Радиофизика (Radiophysics and Quantum Electronics, IF=1,06), 6 - Геомагнетизм и аэрономия (Geomagnetism and Aeronomy, IF=0,482), 2 - Космические исследования (Cosmic Research, IF=0,43). Это говорит о достаточно высокой активности нашего коллектива и о неплохом заделе (см. также предыдущие разделы), а также о высоком уровне результатов.

Полагаем, что на этой основе нам удастся и в рамках Проекта 2018 получить результаты мирового уровня и опубликовать их в ведущих научных изданиях.

Основная проблема, на решение которой направлен проект - проблема формирования спектров и пространственно-временной динамики дискретных и шумовых сигналов естественного и искусственного (антропогенного) происхождения в космических магнитных ловушках (в первую очередь, в магнитосферах Земли и планет) и их лабораторных аналогах при их циклотронном взаимодействии с энергичными заряженными частицами и эволюция функции распределения энергичных электронов и ионов при таком взаимодействии.

Взаимодействие энергичных заряженных частиц с волнами в космическом пространстве во многих случаях определяется неравновесным характером распределения частиц по скоростям. Такие частицы сами могут генерировать сигналы с достаточно сложной, в том числе, дискретной спектрально-временной структурой. Дискретный характер спектра волн кардинально изменяет эффективность воздействия волн на заряженные частицы, наиболее существенными последствиями которого является ускорение некоторой доли частиц до больших энергий (например, до нескольких МэВ в случае электронов в радиационных поясах Земли) и потери частиц (высыпания частиц, захваченных в магнитные ловушки, через конус потерь).

Указанные процессы представляют как фундаментальный, так и практический интерес. В фундаментальном плане речь идет об активных системах с достаточно сложным характером нелинейности, понимание которых далеко от полноты. В практическом плане такие процессы имеют важное значение для формирования электромагнитной обстановки в околоземном и околопланетном пространстве и для динамики радиационных поясов Земли и планет. Генерируемые электромагнитные сигналы, помимо их роли в ускорении заряженных частиц и потерях частиц из магнитных ловушек, несут важную диагностическую информацию. В последнее время интенсивно обсуждаются перспективы активного воздействия на радиационные пояса (их "очистки") посредством электромагнитных сигналов искусственного происхождения.

Обозначенная проблема привлекает в настоящее время большое внимание исследователей. Дополнительным стимулом к теоретической и экспериментальной работе в этом направлении является получение и необходимость обработки и анализа новых высококачественных данных с запущенных в 2012 году спутников Van Allen Probes (RBSP) и подготовка новых космических проектов, нацеленных на изучение внутренней магнитосферы, таких как "Резонанс" (Россия) и ERG (Япония).

В рамках сформулированной выше проблемы будут решаться следующие основные задачи:

- развитие теории и численных моделей генерации дискретных низкочастотных сигналов в магнитосфере Земли, таких как хоровые ОНЧ излучения, "жемчужины" в диапазоне короткопериодных геомагнитных пульсаций (Pc1), и пр.;

- теоретическое исследование ускорения и высыпаний заряженных частиц при их взаимодействии с дискретными сигналами разной природы;

- анализ данных по взаимодействию волн и частиц с околоземных спутников RBSP, THEMIS, Cluster и данных, полученных в магнитосферах Юпитера и Сатурна, и сопоставление теоретических и наблюдательных результатов;

- анализ наземных и спутниковых наблюдательных данных о высыпаниях энергичных заряженных частиц и коррелирующих с этими высыпаниями электромагнитных сигналов;

- развитие и применение модели формирования искусственных дактов плотности при нагреве земной ионосферы мощным КВ радиоизлучением и исследование распространения и усиления естественных и искусственных низкочастотных сигналов в ионосфере и магнитосфере с учетом таких дактов;

- исследование по спутниковым данным низкочастотной турбулентности, возникающей при воздействии мощных коротковолновых (КВ) передатчиков на ионосферно-магнитосферную плазму;

- поиск и детальный анализ случаев одновременных наблюдений пульсирующих сияний наземными камерами (ПГИ РАН, системы MAIN, Ловозеро) и ОНЧ волн наземными (Геофизическая обсерватория Соданкюля, Финляндия, и ПГИ РАН) и спутниковыми (RBSP, THEMIS) приемниками;

- развитие и применение новых методов обработки наблюдательных данных включая методы математической морфологии.

Коллектив включает руководителя проекта и его сотрудников (ИПФ РАН), являющихся квалифицированными специалистами в теоретическом исследовании взаимодействия волн и частиц в космической плазме, и участников проекта из ПГИ РАН, обладающих большим опытом анализа спутниковых и наземных данных о проявлениях такого взаимодействия. Между "теоретической" и "экспериментальной" подгруппами сложились тесные и плодотворные научные связи: они участвовали в 4 совместных проектах INTAS (1998-2007 г.г.), опубликовали совместно более 20 научных работ в индексируемых изданиях, из них 7 за последние 5 лет.