Работы по проекту можно условно разделить на три блока:
1. Работы по построению эмпирической модели структуры полярных сияний
2. Работы по уточнению особенностей физических механизмов в авроральном овале.
3. Работы по исследованию прохождения радиоволн через ионосферу, возмущенную полярными сияниями.
--------------------------
1. Построение эмпирической модели структуры полярных сияний.
1.1. Сделан и опубликован 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. Типичное динамическое состояние МИ системы описывается как самоорганизованная критичность или турбулентность, для которых свойственны статистическая масштабная инвариантность (скейнинг) в распределениях флуктуаций многих характеристик. Пространственно-временная структура авроральных возмущений в большой степени отражает структуру процессов в МИ плазме, чем объясняется актуальность ее исследования.
1.2. 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).
1.3. Пространственная структура полярных сияний описано фрактальными индексами: максимумом фрактальной размерности флуктуаций свечения (индекс A) и ее анизотропией в зависимости от направления (индекс B). Фрактальная размерность оценивается из наклона в логарифмических осях спектра в диапазоне 1,5-50 км, полученного дискретным вейвлет-преобразованием флуктуаций интенсивности свечения с использованием вейвлетов Добеши 5 порядка. Вариабельность структур характеризуется наклоном спектра вариации анизотропии во времени (индекс C). Приведена статистика этих характеристик по данным наземной камеры всего неба Полярного геофизического института в г. Апатиты за 2013-2020 годы и сделана привязка по положению внутри аврорального овала и значениям геомагнитного поля в обсерватории Ловозеро.
1.4.
Результаты статистического анализа фрактальных характеристик использованы для построения эмпирической модели структуры полярных сияний внутри аврорального овала. Моделирование строит шершавую поверхность фильтрацией спектра белого шума с заданными показателями Херста hx = (А - 1)/2 и hy = (A*B - 1)/2, где ось x направлена вдоль овала, а y — поперек овала, а показатели Херста hx и hy выражены через индексы A=max(a) (максимум фрактального индекса на кадре) и B=min(a)/max(a) (индекс анизотропии, равный отношению минимума фрактального индекса к максимому). Здесь для упрощения считаем, что вдоль овала распределение флуктуаций свечения характеризуется индексом A=max(a) и поперек овала A * B= max(a) * min(a)/max(a) = min(a).
Для обработки данных наблюдений разработаны и использовались ряд утилит, в том числе:
1.5. 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.
1.6. Разработана утилита для пакетной обработки данных для выявления периодических структур в полярных сияниях, основанная 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.
Для выполнения работ по проекту использовались и реализованы на сайте проекта модели овала:
1.7. Модель построения аврорального овала по данным низкоорбитальных спутниковысотных спутников POES (MetOp-1, MetOp-2, NOAA-15,-18,-19) 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). Млдель используется для сравнения с положением крупномасштабных границ овала с модельными и нормировки потока энергии частиц в овале.
1.8. В качестве начального варианта модели аврорального овала использованы модели GDMF2 [Шубин В.Н., Деминов М.Г., 2019] и [Hardy et al., 1985; D.A. Hardy at al., 1989]. Модели реализованы на сервере ПГИ на сайте проекта. К моделям сделан web-интерфейс для проведения оценок при анализе событий.
Для предсказания возмущений в авроральном овале использовались нейросети:
1.9. 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 используются при построении прогностической модели овала полярных сияний.
1.10. Реализована нейросеть с использованием слоев LSTM для прогнозирования рядов индексов геомагнитной активности Dst и ap (Kp). Использованы данные из базы OMNI за 2000-2023 с часовым разрешением. По предыстории значений параметров солнечного ветра (Bz ММП, скорость Vtot, плотность Np) и Dst за 80 часов прогнозируются следующие за ними 12 часовых значений Dst и ap. Программы работают на сайте проекта. Для оперативного прогноза данные по Bz ММП, Vtot и Np в виде картинок загружаются с сайта [https://lasp.colorado.edu/space_weather/ dsttemerin/] и оцифровываются. Данные индекса Dst геомагнитной активности были взяты с сайта [http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/]. Текущие значение ap берутся с сайта [https://www-app3.gfz-potsdam.de/ kp_index/ Kp_ap_nowcast.txt] . Прогноз обновляется через 3 часа. С 12 ноября 2024 доступ к сайту данными закрыт, ищутся пути адаптации к другим источникам данных. При анализе статистики фрактальных индексов, характеризующих локальные структуры полярных сияний, явной зависимости от глобальных авроральных индексов AL, AE не прослеживается и показано, что лучше использовать локальные (на близкой станции) изменения магнитного поля. К тому же нет источника оперативных данных о индексах AL и AE, поэтому сделан вывод, что их не имеет смысла использовать, как входные параметры модели прогноза аврорального овала.
1.11. Искусственная нейронная сеть (ИНС), построенная по принципу слоя Кохонена, использована для классификации магнитосферных суббурь по признаку длительности различных её фаз, которые приняты в качестве входных рядов для ИНС. Всего рассмотрено 106 изолированных суббурь разной интенсивности. Результатом работы ИНС явилось определение числа классов, которое лучше всего соответствует информации о длительности фаз суббри, и выделены характеристики каждого класса. В результате нейросетевых экспериментов суббури были классифицированы на пять классов: класс 1 – суббури с продолжительными фазами развития и восстановления и с укороченной фазой зарождения; класс 2 – суббури с продолжительной фазой зарождения; класс 3 – суббури с равными по длительности фазами; класс 4 – суббури с относительно продолжительной фазой развития; класс 5 – суббури с относительно короткой фазой восстановления. Результаты будут интегрированы в модель аврорального овала.
2. Работы по уточнению особенностей физических механизмов в авроральном овале.
2.1. 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.
2.2. Были проведены сопоставления спектров высыпающихся электронов в различных типах полярных сияний со спектрами электронов в конусе потерь в сопряженной районе экваториальной области. Для этих исследований были использованы наблюдения несколькими камерами всего неба полярных сияний, сопряжённых с пролетами спутников Van Allen Probe (VAP). Анализ спектров высыпающихся электронов на спутнике показал его плавное спадание с увеличением энергии, что не соответствует регулярно наблюдавшимся пучкам электронов в диапазоне 2-10 кэВ непосредственно в дугах полярных сияний на малых высотах. Таким образом генерация дуги полярных сияний происходила при одновременном ускорении электронов в экваториальной области и на “промежуточных” высотах между экватором и ионосферой. Причем если ускорение электронов в дугах на высотах 1 Re многократно обсуждалась в литературе, одновременное ускорение электронов в экваториальной области ранее не отмечалось.
2.3. 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.
2.4. 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. 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. Полученные в настоящем исследовании результаты позволили выявить не полностью описанные ранее особенности распределения потоков частиц в каспах. Вычисление давления ионов в областях каспов на малых высотах и его сравнение с давлением в магнитослое позволило подтвердить существование баланса давлений в области, где мал или полностью отсутствует вклад давления магнитного поля.
2.5. Одновременные наблюдения спутника DMSP F16 и оптические наблюдения на арх. Шпицберген использованы для изучения полярных сияний и авроральных высыпаний в области дневного полярного каспа при северной ориентации ММП. Обнаружено, что высыпания полярного каспа связаны с областью вытекающих продольных токов, в то время как лучистая дуга сияний, зарегистрированная на приполюсной кромку каспа, располагается в области втекающего продольного тока. Спектры высыпающихся частиц, полученные спутником F16, дают основание предположить, что лучистая дуга сияний формируется продольной разностью потенциалов, возникающей вследствие резкого уменьшения потоков высыпающихся электронов к полюсу от каспа. Данные спутника F16 также показывают, что в системе координат, связанной с дугой сияния, существует значительная компонента скорости плазмы, направленная на север поперёк дуги сияния. Ускоряясь в продольном электростатическом поле, холодные электроны ионосферного происхождения формируют коллимированный электронный пучок, который быстро расплывается вдоль магнитного поля возбуждая волны в широком частотном диапазоне и формируя спектр с плато по энергии.
2.6. Исследованы широтные профили характеристик авроральных высыпаний на высотах ионосферы, полученные по наблюдениям спутника DMSP F7, и радиальное распределение ионного давления в экваториальной плоскости магнитосферы по данным спутников миссии THEMIS в спокойные периоды и в моменты близкие к авроральному брейкапу. Определены средние широтные профили ионного давления на низких высотах и проведено их сопоставление с усредненными распределениями давления в экваториальной плоскости при близких средних значениях параметров солнечного ветра и геомагнитной активности. Показано, что, если в спокойных геомагнитных условиях положение границы изотропизации (ГИ) на высотах ионосферы проецируется в экваториальной плоскости на геоцентрические расстояния в ~7-8 Re, то перед началом фазы развития суббури ГИ проецируется на расстояние ~5-6 Re. Проведены оценки широтного профиля яркости аврорального свечения в эмиссии 557.7 нм, рассчитанные по наблюдениям средней энергии и потока энергии высыпающихся электронов спутником F7.
3. Работы по исследованию прохождения радиоволн через ионосферу, возмущенную полярными сияниями.
3.1. Проведен анализ траекторий распространения аврорального хисса к земной поверхности с помощью численного моделирования. Выявлено, что при распространении хисса к Земле формируется два пучка волн, разнесенных по широте относительно силовой линии, на которой происходила его генерация. Данный эффект позволяет объяснить одновременные наблюдения аврорального хисса в точках Ловозеро и Баренцбург, расположенных в авроральных и приполярных широтах соответственно.
3.2. Проанализированы всплески аврорального хисса, зарегистрированные сначала в обсерватории Ловозеро (LOZ, Кольский полуостров), а спустя несколько минут в обсерватории Баренцбург (BAB, Архипелаг Шпицберген). Выявлено, что в рассматриваемых событиях область у земной поверхности, засвеченная хиссом, возникает в авроральных широтах и перемещается к полюсу. Перемещение этой области происходит одновременно с перемещением геомагнитной активности и источника фазовых сцинтилляций GPS сигналов к полюсу, что указывает на связь этих явлений. Мы полагаем, что наземную регистрацию хисса и GPS-сцинтилляций могли вызвать одни и те же ионосферные неоднородности электронной концентрации, поскольку для возникновения этих явлений необходимо наличие в ионосфере неоднородностей близких масштабов. Причиной возникновения таких неоднородностей могло стать развитие токово-конвективной и (или) дрейфовой неустойчивости в ионосфере, обусловленных развитием продольных токов во время суббури.
3.3. Проведен анализ сигналов СДВ передатчиков радионавигационной системы РСДН-20, зарегистрированных в обсерваториях Ловозеро, Верхнетуломский (обе Кольский полуостров) и Баренцбург (архипелаг Шпицберген). Рассмотрены события нетипичного уменьшения амплитуды горизонтального магнитного поля сигнала краснодарского передатчика в обс. Ловозеро. В периоды рассмотренных событий проанализированы данные о геомагнитной обстановке. Так же результаты наблюдений сигналов передатчиков сопоставлены с положением аврорального овала, полученным из эмпирической модели авроральных электронных высыпаний модели, и результатами измерений риометрического поглощения. В одном из рассмотренных событий аномального уменьшения амплитуды сигнала передатчика проведен анализ данных о высыпаниях заряженных частиц полученных при помощи группировки полярно орбитальных спутников POES. При помощи численного моделирования процессов модификации профиля электронной концентрации ионосферы при высыпаниях высокоэнергичных частиц и процессов распространения сигналов СДВ передатчиков, произведена интерпретация данных наблюдений.
3.4. Изучалось прохождение через ионосферную плазму радиоволн КВ-диапазона при наличии в Е-слое неоднородностей, возникающих при высыпаниях энергичных протонов и электронов из магнитосферы. 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. 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.
3.5. Подготовлены описания особенностей разработанных и изготовленных в Полярном геофизическом институте риометров, предназначенных для измерения космического радиошума. Они установлены на Кольском полуострове в обсерваториях Ловозеро (67.97° N, 35.02°E) и Туманный (69.07° N, 35.73° E). Показано, что применение риометров с узкой апертурой позволяет исследовать реакцию нижней ионосферы на локальные высыпания заряженных частиц, влияющие на поглощение космического радиошума в ионосфере.