Высокоширотная ионосфера, ионосфера Арктической зоны – это регион, на который непосредственно влияют процессы магнитосферно-ионосферного взаимодействия, процессы в околоземном космосе. Наиболее наглядно эти процессы проявляются в виде высыпаний заряженных частиц в атмосферу, что вызывает характерные для высокоширотной ионосферы полярные сияния, структура которых и пространственно-временная динамика несут полезную научную информацию о магнитосферно-ионосферной плазме. Более того, наблюдения полярных сияний – это единственная технология наблюдений, дающая информацию в детальном двумерном виде в широком диапазоне пространственных и временных масштабов. Это особенно важно для изучения процессов самоорганизации в магнитосферно-ионосферной системе, их взаимодействия и диссипации энергии и потоков частиц, что является причиной сложного поведения плазмы в этом регионе. Известными следствиями влияния этого сложного поведения на состояние высокоширотной ионосферы являются: особенности в прохождении радиоволн в широком диапазоне (что затрагивает системы связи и геопозиционирования), геоиндуцированные токи в протяженных металлических объектах (что затрагивает функционирование энергетической, транспортной и трубопроводной инфраструктуры). Это создает дополнительные риски для жизнедеятельности человека и хозяйственного развития в высокоширотных Арктических регионах, в том числе Мурманской области. То есть детализация знаний о пространственно-временной структуре геофизических явлений в высокоширотной ионосфере Земли важно и значимо для правильной оценки этих рисков, для выполнения планов хозяйственного освоения Арктики, решения задач социально-экономического развития региона.
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.