Потоки высокоэнергичных заряженных частиц в околоземном космическом пространстве, и их воздействие на атмосферу Арктики

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-77-10018

НазваниеПотоки высокоэнергичных заряженных частиц в околоземном космическом пространстве, и их воздействие на атмосферу Арктики

Руководитель Белаховский Владимир Борисович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Полярный геофизический институт" , Мурманская обл

Конкурс №30 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-606 - Верхняя и средняя атмосфера

Ключевые слова магнитосфера, ионосфера, атмосфера, космические лучи, релятивистские электроны, арктическая зона РФ, аэрономия, полярные сияния, космическая погода, суббури, GPS/ГЛОНАСС приемники

Код ГРНТИ37.15.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Кириллов А.С., Белаховский В.Б. Расчет интенсивностей свечения полос первой и второй положительных систем молекулярного азота в атмосфере Земли во время высыпания релятивистских электронов Труды Кольского научного центра РАН, выпуск 4. Т. 5(9). С. 61-68. (год публикации - 2018)
10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.5.61-68

2. Маурчев Е.А., Балабин Ю.В. Оценка влияния протонов солнечных космических лучей на скорость ионизации нижней атмосферы земли во время события GLE no 61 Труды Кольского научного центра РАН. Гелиогеофизика., Выпуск №4. Т. 5(9). С. 82-86. 2018. (год публикации - 2018)
10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.5.82-86

3. Балабин Ю.В., Гвоздевский Б.Б., Германенко А.В., Маурчев Е.Н. GLE events in 24th solar cycle E3S Web of Conferences, 62, 01006 (год публикации - 2018)
10.1051/e3sconf/2018620100

4. Ахметов О.И., Мингалев И.В., Мингалев О.В., Суворова З.В., Черняков С.М., Белаховский В.Б. Влияние D-области ионосферы высоких широт на распространение электромагнитных сигналов с частотой 82 Гц во время солнечной вспышки 15.03.2013 Труды Кольского научного центра РАН. Гелиогеофизика., Выпуск №4. Т. 5(9). С. 117-126. (год публикации - 2018)
10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.5.117-126

5. Белаховский В.Б., Джин Я., Милош В. Influence of different ionospheric disturbances on the GPS scintillations at high latitudes Springer Proceedings in Earth and Environmental Scineces (год публикации - 2019)

6. Кириллов А.С., Белаховский В.Б. The Kinetics of N2 Triplet Electronic States in the Upper and Middle Atmosphere During Relativistic Electron Precipitation Geophysical Research Letters, Volume46, Issue13 16 July 2019 Pages 7734-7743 (год публикации - 2019)
10.1029/2019GL083135

7. Кириллов А.С., Белаховский В.Б. Свечение полос молекулярного азота в атмосфере Земли во время высыпания высокоэнергичных электронов Геомагнетизм и аэрономия (год публикации - 2019)

8. О.И. Ахметов, И.В. Мингалев, О.В. Мингалев, З.В. Суворова, В.Б. Белаховский, С.М. Черняков Определение характеристик ИНЧ-волн, наиболее сильно реагирующих на незначительные изменения электронной плотности ионосферы в области высоких широт Солнечно-земная физика, Т. 5. № 4; Solar-Terrestrial Physics 5(4): 81-90 (год публикации - 2019)
10.12737/szf-54201911

9. Балабин Ю.В., Германенко А.В., Гвоздевский Б.Б. Solar cosmic rays by the ground level observation: anisotropy E3S Web of Conferences, 127, 02027 (год публикации - 2019)
10.1051/e3sconf/20191270

10. Михалко Е.А., Маурчев Е.А. A mobile complex to record several secondary cosmic rays components E3S Web of Conferences, 127, 02001 (год публикации - 2019)
10.1051/e3sconf/201912702001

11. Кириллов А.С., Белаховский В.Б. EMISSION INTENSITIES OF FIRST AND SECOND POSITIVE SYSTEM BANDS OF N2 IN THE EARTH’S MIDDLE ATMOSPHERE DURING PRECIPITATIONS OF RELATIVISTIC ELECTRONS Physics of Auroral Phenomena, pp. 206-209 (год публикации - 2019)
10.25702/KSC.2588-0039.2019.42.206-209

12. Белаховский В.Б., Шиокава К., Лосев А.В., Матсуока А., Ванг С.-И., Казама И., Там С., Касахара С., Йоката С., Кейка К., Хори Т., Шинохара И., Миоши И. THE STUDY OF THE GENERATION MECHANISM OF MONOCHROMATIC PC4 PULSATIONS WITH USING ERG SATELLITE DATA Physics of Auroral Phenomena, pp. 69-72 (год публикации - 2019)
10.25702/KSC.2588-0039.2019.42.69-72

13. Ахметов О.И., Мингалев И.В., Мингалев О.В., Суворова З.В., Белаховский В.Б., Черняков С.М. О влиянии горизонтальных неоднородностей концентрации электронов на распространение ИНЧ сигналов в волноводе Земля-ионосфера Труды XXVI Всероссийской открытой научной конференции, Том I, с. 460–463 (год публикации - 2019)

14. Ахметов О.И., Мингалев О.В., Мингалев И.В., Суворова З.В., Белаховский В.Б., Черняков С.М. About Horizontal Inhomogeneities of Electron Concentration Influence on the Propagation of ULF Signals in the Earth-Ionosphere Waveguide IEEE Xplore. 2019 Russian Open Conference on Radio Wave Propagation (RWP), p. 224-227 (год публикации - 2019)
10.1109/RWP.2019.8810389

15. Кириллов А.С., Белаховский В.Б. Свечение полос Лаймана-Бирджа-Хопфилда N2 в атмосфере Земли во время высыпания высокоэнергичных электронов Геомагнетизм и аэрономия (год публикации - 2020)

16. Маурчев Е.А., Балабин Ю.В. Расчет скорости ионизации нижней атмосферы Земли протонами космических лучей в области высоких широт во время события GLE no 61 и оценка вклада в этот процесс ядер кислорода в случае спектра чисто галактических космических лучей Physics of Auroral Phenomena, с. 140-142 (год публикации - 2019)
10.25702/KSC.2588-0039.2019.42.140-142

17. Ахметов О.И., Мингалев И.В., Мингалев О.В., Белаховский Б.В., Суворова З.В. Моделирование распространения несущей радиосигналов системы точного времени СДВ диапазона в условиях магнитной суббури 11.12.2015 г. в области полярных широт ТРУДЫ КОЛЬСКОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РАН, 8/2019(10), С. 153-160 (год публикации - 2019)
10.25702/KSC.2307-5252.2019.10.8.153-160

18. В.Б. Белаховский, Я.Джин, В. Милош Influence of the substorm precipitation and polar cap patches on GPS signals at high latitudes Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, Т. 17. № 6. С. 139-144 (год публикации - 2020)
10.21046/2070-7401-2020-17-6-139-144

19. Балабин Ю.В., Гвоздевский Б.Б., Германенко А.В., Михалко Е.А., Маурчев Е.А., Щур Л.И. Компактный мюонный телескоп для мониторинга потоков вторичных космических лучей Приборы и техника эксперимента, № 6, 2020, стр. 71-75 (год публикации - 2020)
10.31857/S0032816220060038

20. О.И. Ахметов, И.В. Мингалев, О.В. Мингалев, В.Б. Белаховский, З.В. Суворова The propagation of the electromagnetic waves at frequencies of the Russian radio navigation system RSDN-20 (Alpha) during a substorm at high latitude ionosphere IEEE Xplore, pp. 1-4, URSI GASS 2020, doi: 10.23919/URSIGASS49373.2020.9232139 (год публикации - 2020)
10.23919/URSIGASS49373.2020.9232139

21. Кириллов А.С., Белаховский В.Б. The Kinetics of O2 Singlet Electronic States in the Upper and Middle Atmosphere During Energetic Electron Precipitation Journal of Geophysical Research: Atmospheres (год публикации - 2021)
10.1029/2020JD033177

22. Маурчев Е.А., Балабин Ю.В., Германенко А.В., Гвоздевский Б.Б. Моделирование прохождения протонов солнечных космических лучей через атмосферу Земли для событий GLE42 и GLE44 Известия РАН. Серия физическая, Т. 85, № 3,С. 383-387 (год публикации - 2021)
10.31857/S0367676521030170

23. Маурчев Е.А., Балабин Ю.В., Германенко А.В., Михалко Е.А., Гвоздевский Б.Б. Расчет скорости ионизации во время события GLE с использованием глобальной модели атмосферы Земли и оценка вклада в этот процесс частиц галактических космических лучей с z > 2 Известия РАН. Серия физическая, № 3, том 85, с. 388–392 (год публикации - 2021)
10.31857/S0367676521030182

24. Ахметов О.И., Мингалев И.В., Мингалев О.В., Белаховский В.Б., Суворова З.В. Распространение электромагнитных волн в области высоких широт при различном состоянии ионосферы на частотах системы точного времени “Бета” Известия РАН. Серия физическая, том 85, № 3, с. 315–320 (год публикации - 2021)
10.31857/S0367676521020034

25. Михалко Е.А., Маурчев Е.А., Балабин Ю.В., Германенко А.В. Направленный детектор нейтронов умеренных энергий Приборы и техника эксперимента (год публикации - 2021)

26. Ахметов О.И., Мингалев И.В., Мингалев О.В., Белаховский В.Б., Суворова З.В. Распространение электромагнитных волн в области высоких широт при различном состоянии ионосферы на частотах системы радионавигации РСДН-20 (Альфа) Геомагнетизм и аэрономия (год публикации - 2021)

27. Маурчев Е.А., Балабин Ю.В., Германенко А.В., Гвоздевский Б.Б. Расчет прохождения солнечных космических лучей через атмосферу земли для события GLE №69 Известия РАН. Серия физическая, № 8, том 85 (год публикации - 2021)

28. Белаховский В.Б. , Шиокава К., Матцуока А., Касахара Ю., Шинохара И., Миёши Ю., Вонг С.-Ю., Казама Ю., Касахара С., Йокота С. The long-lasting QP emissions observed on Arase satellite and Lovozero station IEEE Xplore (год публикации - 2020)
10.23919/URSIGASS49373.2020.9232442

29. Белаховский В.Б., Джин Я., Милош В. Influence of different types of ionospheric disturbances on GPS signals at polar latitudes Annales geophysicae, 39, 687-700 (год публикации - 2021)
10.5194/angeo-39-687-2021

Публикации