В 2023 году продолжена техническая работа по обработке данных: отбор событий, подготовка списков, разработка утилит для пакетной отработки, перенос данных. Промежуточные результаты докладывались на конференциях, некоторые доведены до публикаций. По заявленным пунктам плана выделим следующее:
1. По данным высокоширотных наблюдений Полярного геофизического института проанализировано развитие авроральной суббури 13 сентября 2013 г. Событие по спутниковым данным привязано к параметрам солнечного ветра, физическим магнитосферным доменам и границам. Определены характеристики пространственной структуры полярных сияний (показатели скейлинга, анизотропия) для типичных авроральных форм (спокойные и лучистые дуги, брекап, пульсирующие полосы, омега-формы).
2. Опубликован методический обзор о подходах и наработках для построения модели пространственно-временной
структуры в области аврорального овала, основанных на фрактальных и мультифрактальных характеристиках.
В качестве исходных данных свойства ионосферы диагностируются с помощью оптических измерений свечений верхней атмосферы при взаимодействии
с потоками энергичных частиц магнитосферного происхождения в арктическом регионе.
3. Данные специализированных триангуляционных измерений в г.Апатиты использованы для определения энергетических спектров высыпающихся электронов в лучевых авроральных структурах в случае 17 марта 2015 года. Эти уединеные лучевые структуры наблюдались в 19:10-19:25 UT, в спокойное время между двумя суббуревыми авроральными возмущениями. Показано, что основной вклад в энергетический спектр электронов вносит пик с энергией 50-400 эВ, а дополнительный поток на энергиях в несколько десятков эВ расширяет профиль на большие высоты. Сравнение полученных спектров высыпающихся электронов в авроральных лучах с измеренными на спутнике Van Allen Probe A (VAP-A) спектрами электронов в экваториальной области магнитосферы, магнитно-сопряженной с полярными сияниями, показало их соответствие. Также наблюдается соответствие времени усиления широкополосных электрических волн на VAP-A и вариаций полярных сияний, измеренных наземной камерой полярных сияний, в то время, как значительных изменений в магнитной компоненте на спутнике не наблюдалось. Это показывает, что широкополосные электростатические волны могут быть ответственны за высыпания электронов, приводящие к образованию лучевых структур в полярных сияниях.
4.
Построена численная модель предсказания параметров солнечной активности — числа солнечных пятен R и потока радиоизлучения на волне 10.7 см F10.7 вперед на 28 суток. Численная модель использует искусственную нейронную сеть (ИНС) с LSTM (Long short-term memory) слоями. Как для числа солнечных пятен, так и для потока радиоизлучения модель предсказывает уровни и пределы вариации значений на 28 дней. Средняя абсолютная ошибка предсказания модели составляет менее 2 %. Модель в реальном времени реализована на сайте http://aurora.pgia.ru/AI/?id=R_f107 и ее предсказания будут использоваться при построении прогностической модели овала полярных сияний.
5.
Для детализация пространственно-временной структуры модели авроральных ионосферных возмущений принят подход, использованный ранее в моделях Харди [Hardy, D. A., M. S. Gussenhoven, E. Holeman, A statistical model of auroral electron precipitation, J. Geophys. Res., 90, 4229, 1985; D.A. Hardy, M. S. Gussenhoven, D. Brautigam, A statistical model of auroral ion precipitation, J. Geophys. Res. ,94, P.370-392 1989]. Модель выдает поток энергии и среднюю энергию высыпающихся электронов и протонов в зависимости от широты и долготы в исправленных геомагнитных координатах. Модель реализована на сайте по адресу http://aurora.pgia.ru/model_oval/?id=hardy. Предполагается обобщить модели Шубина и Харди и дополнить информацией о более мелкомасштабной пространственно-временной структуре авроральных возмущений.
6.
Написана утилита для построения аврорального овала по данным низкоорбитальных спутниковвысотных спутников POES (MetOp-1, MetOp-2, NOAA-15,-18,-19) в базе [Redmon, R. J., W. F. Denig, L. M. Kilcommons, and D. J. Knipp (2017), New DMSP database of precipitating auroral electrons and ions, J. Geophys. Res. Space Physics, 122, 9056–9067, doi:10.1002/2016JA023339], для определения области авроральных высыпаний частиц с энергией>40 кэВ и определения границ изотропизации (отношение потоков высыпающихся и захваченных частиц >40 кэВ), http://aurora.pgia.ru/model_oval/?id=sats). Утилита используется для сравнения с положением крупномасштабных границ овала с модельными и нормировки потока энергии частиц в овале.
7.
Проведен анализ результатов наблюдений низколетящих спутников, пересекающих дневной сектор авроральной зоны, и высокоапогейных спутников в экваториальной плоскости магнитосферы с целью выделения основных процессов, приводящих к формированию дневных полярных каспов. Данные спутника DMSP F7 использованы для анализа широтных характеристик ионных высыпаний в области каспа и изучения широтного профиля ионного давления в каспе в зависимости от параметров ММП. Обнаружено существенное различие в идентификации границ каспа, осуществляемой автоматизированной системой обработки данных и прямым анализом спутниковых наблюдений. Показано, что при небольших отрицательных значениях Bz-компоненты ММП (Bz = –3.0 нТл) характерной чертой каспа является широтный профиль ионного давления (Pi) шириной ~1° широты с двумя максимумами, один из которых находится в экваториальной, а другой в приполюсной части каспа. При больших отрицательных значениях Bz (–6, –8 нТл) приполюсный максимум в широтном профиле Pi исчезает, остается только экваториальный максимум, уровень Pi в максимуме увеличивается, а ширина каспа уменьшается до ~0.7°. При Bz ММП > 0 наиболее характерным является профиль Pi с максимумом ионного давления в приполюсной части каспа. Касп при Bz > 0 располагается в более высоких широтах, чем при Bz < 0, его средние широтные размеры увеличиваются до ~1.4° широты. В предполуденном секторе MLT наиболее характерным для периодов с большой отрицательной By-компонентой ММП (By = –6.3 нТл, Bz = –1.7 нТл) является касп шириной ~1.4° широты с плоской вершиной в широтном профиле Pi. Сравнение наблюдаемых на низких высотах распределений давления с данными высокоапогейных спутников подтвердило возможность описания формирования каспа как диамагнитной полости и использования наблюдений в каспе для определения давления ионов в магнитослое.
8. Проведен анализ сигналов СДВ передатчиков радионавигационной системы РСДН-20, зарегистрированных в обсерваториях Ловозеро, Верхнетуломский (обе Кольский полуостров) и Баренцбург (архипелаг Шпицберген) в 2017 году. Обнаружены события нетипичного уменьшения амплитуды горизонтального магнитного поля сигнала передатчика, расположенного в г. Краснодар, в ночное время в точках наблюдений обс. Ловозеро и Верхнетуломский практически при полном отсутствии изменений амплитуды этого сигнала в обс. Баренцбург. При этом существенных изменений амплитуды сигналов передатчиков, расположенных в г. Комсомольск-на-Амуре и Новосибирск, в точках наблюдений отмечено не было. Наблюдаемые вариации амплитуды этих сигналов происходили на фоне возникновения суббурь при значениях AL индекса от -500 нТл и ниже. В ходе сопоставления результатов наблюдений сигналов передатчиков с положением аврорального овала и результатами измерений риометрического поглощения для выделенного события 19:00 UT 21-24 марта 2017 года было получено, что наблюдаемое понижение амплитуд сигналов не может быть объяснено перекрытием радиотрасс овалом полярных сияний. По-видимому, наблюдаемый эффект обусловлен наличием локальной области ослабления сигнала из-за интерференции TM0 и TM1 -нормальных волн. Причиной возникновения такой области могли стать локальные высыпания электронов с энергиями выше 30 кэВ во время суббури.
9. В результате анализа данных наземных наблюдений ОНЧ аврорального хисса на станциях обс. Ловозеро (Кольский полуостров) и обс. Баренцбург (Архипелаг Шпицберген) выявлено 6 событий, которые характеризовались тем, что всплески хисса были зарегистрированы сначала в авроральных широтах (Ловозеро), а затем в приполярных (Баренцбург). При этом интенсивность излучений в Ловозеро уменьшалась со временем, а в Баренцбурге - увеличивалась. Полученные в этих случаях результаты интерпретируются, как перемещение источника излучений на более высокие широты. Согласно результатам наблюдений на меридиональной цепочке сети магнетометров IMAGE эти всплески наблюдались во время перемещения геомагнитной активности из авроральных в приполярные широты.
10. Изучалось прохождение через ионосферную плазму радиоволн КВ-диапазона при наличии в Е-слое неоднородностей, возникающих при высыпаниях энергичных протонов и электронов из магнитосферы. Эти неоднородности вытянуты вдоль силовых линий геомагнитного поля и имеют размеры поперек магнитного поля в широком диапазоне от десятков метров до десятков километров. Концентрация электронов в этих неоднородностях может на 1-3 порядка превышать концентрацию в окружающей плазме. Если размеры неоднородности больше длины волны, а критическая частота плазмы в этих неоднородностях превышает частоту радиосигнала, то радиосигналы отражаются от этих неоднородностей, что создает помехи работе РЛС загоризонтного обнаружения. Проведено численное моделирования прохождения КВ сигналов через области повышенной электронной концентрации, вызванной высыпаниями частиц энергий от 10 до 40 кэВ на высотах D и E слоев ионосферы на высоких широтах. Для моделирования использовалась разработанная ранее в ПГИ модель для расчета лучевых траекторий коротких радиоволн и поглощения этих волн на траекториях. Расчеты проводились в приближении геометрической оптики с учетом анизотропии ионосферной плазмы и поглощения за счет столкновений электронов без каких-либо упрощений. Для расчета концентрации и температуры электронов в ионосферной плазме используется глобальная эмпирическая модель ионосферы ГДМИ, разработанная в ИЗМИРАН, с дополнительной ионизацией энергичными электронами по модели, разработанной в ПГИ ранее. Для расчета частоты столкновений электронов используются концентрации нейтральных составляющих атмосферы и их температура, рассчитанные с помощью эмпирической модели NRLMSISE-00. Получены результаты, демонстрирующие влияние пространственных размеров областей высыпаний частиц на высотах D и E слоев ионосферы, а также энергии высыпающихся электронов и плотности их потока на возможности загоризонтного обнаружения и на односкачковую связь в КВ диапазоне в высоких широтах.
1) Показано, что широкополосные электростатические волны могут быть ответственны за высыпания электронов, приводящие к образованию лучевых структур в полярных сияниях. При этом лучевые структуры формируют две компоненты в энергетическом спектре электронов: основной вклад вносит пик с энергией 50-400 эВ, а дополнительный поток на энергиях в несколько десятков эВ расширяет профиль на большие высоты.
2) Обнаружено существенное различие в идентификации границ каспа, осуществляемой автоматизированной системой обработки данных и прямым анализом спутниковых наблюдений. Показано, что при небольших отрицательных значениях Bz-компоненты ММП (Bz = –3.0 нТл) характерной чертой каспа является широтный профиль ионного давления (Pi) шириной ~1° широты с двумя максимумами, один из которых находится в экваториальной, а другой в приполюсной части каспа. При больших отрицательных значениях Bz (–6, –8 нТл) приполюсный максимум в широтном профиле Pi исчезает, остается только экваториальный максимум, уровень Pi в максимуме увеличивается, а ширина каспа уменьшается до ~0.7°. При Bz ММП > 0 наиболее характерным является профиль Pi с максимумом ионного давления в приполюсной части каспа. Касп при Bz > 0 располагается в более высоких широтах, чем при Bz < 0, его средние широтные размеры увеличиваются до ~1.4° широты. В предполуденном секторе MLT наиболее характерным для периодов с большой отрицательной By-компонентой ММП (By = –6.3 нТл, Bz = –1.7 нТл) является касп шириной ~1.4° широты с плоской вершиной в широтном профиле Pi. Сравнение наблюдаемых на низких высотах распределений давления с данными высокоапогейных спутников подтвердило возможность описания формирования каспа как диамагнитной полости и использования наблюдений в каспе для определения давления ионов в магнитослое.
3) Обнаружены события нетипичного уменьшения амплитуды горизонтального магнитного поля сигнала СДВ передатчика, расположенного в г. Краснодар, в ночное время в точках наблюдений обс. Ловозеро и Верхнетуломский практически при полном отсутствии изменений амплитуды этого сигнала в обс. Баренцбург. При этом существенных изменений амплитуды сигналов передатчиков, расположенных в г. Комсомольск-на-Амуре и Новосибирск, в точках наблюдений отмечено не было. Наблюдаемый эффект может быть обусловлен наличием локальной области ослабления сигнала из-за интерференции TM0 и TM1-нормальных волн. Причиной возникновения такой области могли стать локальные высыпания электронов с энергиями выше 30 кэВ во время суббури.
4) Получено, что согласно наблюдениям в высоких широтах перемещающиеся потоки высыпающихся энергичных электронов выступают источником одновременно как аврорального хисса, так и наземных иррегулярных геомагнитных пульсаций.
5) Проведено численное моделирования прохождения КВ сигналов через области повышенной электронной концентрации, вызванной высыпаниями частиц энергий от 10 до 40 кэВ на высотах D и E слоев ионосферы на высоких широтах. Получены результаты, демонстрирующие влияние пространственных размеров областей высыпаний частиц на высотах D и E слоев ионосферы, а также энергии высыпающихся электронов и плотности их потока на возможности загоризонтного обнаружения и на односкачковую связь в КВ диапазоне в высоких широтах.