За отчетный период выполнен большой объем технической работы по обработке
данных: отбор событий, подготовка списков, разработка утилит для пакетной
отработки, перенос данных и т. п. По заявленным пунктам плана сделано следующее:
1. Для отбора типичных авроральных событий взят список событий по системе камер MAIN и событий, содержащихся в информационных бюллетенях «PGI data». Из событий в списках на сайте http://aurora.pgia.ru/events оставлены случаи наблюдений камерой всего неба и камерой GC, без Луны и явных облаков.
Списки для зимних сезонов 2011-2012, 2012-2013 и 2013-2014 гг приведены в таблицах:
таб.2011-2012, таб.2012-2013, таб.2013-2014 .
2.1 Разработана утилита для пакетной обработки исходных кадров для получения спектральных индексов, характеризующих пространственные неоднородности аврорального свечения. Расчеты проводятся с учетом направления на кадре для определения наблюдаемой анизотропии неоднородностей свечения.
Методом лог-скейл скалограмм по данным камеры всего неба в Апатитах получены спектральные индексы, характеризующие пространственные неоднородности аврорального свечения для типичных авроральных явлений в диапазоне масштабов 1.5-50 км и их анизотропию:
| Форма | max | min | min/max | ||
| Спокойная дуга | 1.0 | <0.25 | <0.25 | ||
| Дуги с лучами | 1.5-2.0 | <0.25 | <0.25 | ||
| Брейкап | >2.5 | >1.5 | 0.8 | ||
| Пульсирующие полосы | 1.5-2.0 | 0.5-1.0 | 0.25-0.5 | ||
| Омега-структуры | 2.0-2.5 | 1.5-2.0 | 0.7 |
Для флуктуаций вблизи магнитного зенита (в поле зрения ~44 градусов ) в
диапазоне масштабов 0.5-20 км спектральные индексы такие же, с учетом
попадания структур в поле зрения. Максимальный индекс обычно имеют
неоднородности поперек полос аврорального свечения (направление
север-юг), минимальный — вдоль. Чем больше индекс — тем больше
диапазон амплитуд флуктуаций на разных масштабах.
Пример определения характеристик фрактальной пространственной структуры
полярных сияний приведен в докладе на конференции
(ссылка).
2.2 Для выявления периодических структур в полярных сияниях
использован метод, основанный на построении дифференциальных кеограмм
с временными задержками от 1 до 32 секунд из исходных 1-секундных данных.
Дифференциальные кеограммы усреднялись интервалами по 1 мин.
Тем самым определялось положение и доминирующие периоды пульсирующих
структур во время развития возмущения. Разработана утилита для пакетной
обработки данных (пример обработки по ссылке).
2.3 Сделан методический обзор о подходах и наработках для построения
модели пространственно-временной структуры аврорального овала, основанные
на фрактальных и мультифрактальных характеристиках. Взаимодействие
окружающей Землю магнитосферно-ионосферной (МИ) системы со средой
(солнечным ветром) происходит в форме череды переходных процессов
на разных масштабах. Наиболее крупные из них, магнитные бури, очевидно
триггируются возмущениями в солнечном ветре (direct driving). Роль
внутренней динамики МИ системы, вызванной в значительной степени
нелинейностью и временными запаздываниями процессов поступления и
сброса (load-unload processes) энергии и частиц из солнечного ветра в
магнитосферу, становится более существенной на меньших масштабах
(суббури, псевдобрейкапы, инжекции, активизации). Типичное динамическое
состояние МИ системы описывается как самоорганизованная критичность или
турбулентность, для которых свойственны статистическая масштабная
инвариантность (скейнинг) в распределениях флуктуаций многих характеристик.
Динамика МИ системы проектируется в область аврорального овала,
само существование которого обусловлено этой динамикой.
Пространственно-временная структура авроральных возмущений в большой
степени отражает структуру процессов в МИ плазме, чем объясняется
актуальность ее исследования. Констатируется, что:
| 1. Авроральный овал отражает динамику магнитосферно-ионосферной системы, управляемую как внешней средой, так и внутренними процессами. | |
| 2. Существующие модели не описывают внутреннюю структуру авроральных потоков заряженных авроральных частиц. | |
| 3. Наряду с регулярными структурами (дуги, пульсирующие пятна) в структуре авроральных высыпаний присутствует самоподобие (степенные распределения), как в статистических распределениях, так в индивидуальных переходных процессах. | |
| 4. Описание этих структур возможно включить в модель, используя представления фрактальной геометрии. |
(Сделан доклад на конференции, ссылка,
статья принята в печать в журнале «Космический исследования», 2023,№3).
3. Случаи наблюдения аврорального шипения в обс.Ловозеро за сезоны
2018-2019 и 2019-2020, отобранные для анализа, с кратким описанием каждого
события приведены в таблице. (
ссылка).
4.1 Список событий пересечения аврорального овала низковысотными
спутниками для определения границ изотропизации и положения области высыпания
(ссылка на список).
Такие события будут использоваться для сравнения с
положением крупномасштабных границ овала с модельными и нормировки
потока энергии частиц в овале.
4.2 Во время регистрации полярных сияний на камере всего неба в Апатитах в сезоне с октября 2014 по март 2015 гг. были отобраны пролеты спутников Van Allen Probe (A, B), когда проекция траектории спутника пересекала область наблюдений сияний. Таких удачных пролетов оказалось 5, даты и время совместных наблюдений на спутниках Van Allen Probe и сияний:
5.1 С использованием численного моделирования проанализированы
траектории распространения излучений типа авроральный хисс (шипение) в
ионосфере и магнитосфере Земли. Показано, что распространяясь к земной
поверхности формируется совокупность волн, которая в меридиональной
плоскости представляет собой два пучка, разнесенных по широте к полюсу
и к экватору от силовой линии, на которой происходила генерация хисса.
Полученные результаты позволяют объяснить результаты одновременных
наземных наблюдений аврорального хисса в точках Ловозеро и Баренцбург,
расположенных в авроральных и приполярных широтах соответственно.
(Доклад на конференции, ссылка, статья с результатом принята к публикации в
журнале "Динамические процессы в геосферах").
5.2 Проведен анализ сигналов передатчика радионавигационной системы
РСДН-20 в г. Краснодар, зарегистрированных в авроральных широтах на наземной
станции обс. Ловозеро. Обнаружены события, когда ночные значения амплитуды
компоненты магнитного поля, поперечной к трассе Краснодар – Ловозеро,
уменьшаются и практически достигают дневных. Наблюдаемые уменьшения происходят
во время серии авроральных суббурь, и увеличения Kp индекса до значений 3-5.
Наблюдаемый эффект может быть вызван локальными изменениями проводимости ионосферы,
возникающими в результате высыпаний заряженных частиц во время суббури.
(Доклад на конференции, ссылка).
6. Получены оценки размера «спокойного» аврорального овала и потока
энергии высыпающихся электронов в нем в зависимости от динамического давления
солнечного ветра. Данные спутников серии DMSP использованы для исследования
характеристик ионных и электронных высыпаний в ночном секторе авроральной зоны
в магнитоспокойные периоды при экстремальных значениях динамического давления
солнечного ветра (Psw). Показано, что давление ионов на границе изотропизации
увеличивается с ростом Psw. Широтные профили ионного давления, полученные
при различных уровнях Psw, указывают на то, что увеличение Psw сопровождается
расширением области ионных высыпаний и смещением границы изотропизации в
более низкие широты. (Опубликована статья: Воробьев В.Г., Ягодкина О.И.,
Антонова Е.Е. Кирпичев И.П. Влияние экстремальных уровней динамического
давления солнечного ветра на структуру ночных авроральных высыпаний //
Геомагнетизм и аэрономия. Т. 62. № 6. С. 713-720. 2022,
ссылка)
7. В качестве начального варианта модели аврорального овала выбрана модель GDMF2
[Шубин В.Н., Деминов М.Г., 2019]. Модель установлена на сервере
ПГИ по адресу
http://aurora.pgia.ru/model_oval/?id=shubin/.
В качестве параметров входных используются значения потока солнечного излучения F10.7 и
F10.7t (за 27 дней) и уровень возмущения магнитосферы (значения ap -
индексов, или Kp-индекса). Фактические значения можно выбрать по заданной
прошедшей дате, или задать произвольно. Модель дает границы аврорального овала,
положение максимума высыпаний в авроральном овале и положение минимума в
главном ионосферном провале. К модели сделан web-интерфейс для проведения
оценок при анализе событий.
Таким образом все пункты запланированые на 2022 пункты плана выполнены.
В качестве задела из плана на следующий год проведены расчеты по моделированию
прохождения волн метрового диапазона в ионосфере при наличии ионосферных неоднородностей:
8. Известно, что высыпания энергичных частиц в области высоких широт
и следующее за этим повышение концентрации электронов на высотах E-слоя
ионосферы (90-120 км) приводят к нарушениям прохождения КВ сигналов.
Пространственные размеры подобных высыпаний колеблются в широких
пределах – от нескольких сотен метров до десятков км. Моделировалось
прохождение КВ сигналов через неоднородности электронной концентрации
на высотах D и E слоев высокоширотной ионосферы. Были рассмотрены
неоднородности с горизонтальными размерами от 30 до 80 км, вызванные
высыпаниями частиц различных энергий (10, 20, 30, 40 кэВ) с различной
плотностью потока, как модель ионизации высыпаниями типа пульсирующих
пятен. Высотные профили энерговыделения и ионизации получены с помощью
ранее разработанной модели переноса энергичных частиц в атмосфере Земли.
Рассматривалась односкачковая радиотрасса между Санкт-Петербургом и
северным побережьем Кольского полуострова в двух случаях: в первом случае
на радиотрассе не было неоднородностей и пространственное распределение
параметров ионосферной плазмы задается по модели ГДМИ, во
втором случае на нисходящей части траектории задавалась ионосферная
неоднородность. Лучевые траектории проходили через неоднородность после
отражения от F2-слоя ионосферы. Результаты численного моделирования
показали, что появление в Е-слое полярной ионосферы неоднородности с
существенным увеличением электронной концентрации вызывает увеличение
геометрического расхождения пучка лучевых траекторий, проходящих через
эту неоднородность. Это ведет к ухудшению условий КВ-связи, а также
создает зоны, где связь невозможна. Если концентрация электронов в
неоднородности сравнима с таковой в F-слое, то лучевые траектории,
отразившись от F-слоя, отражаются и от неоднородности. Дальнейшее
увеличение пространственных размеров неоднородности увеличивает зоны,
где связь с передатчиком невозможна (сделан доклад на конференции,
ссылка)