Аннотация результатов, полученных в 2018 году
1.5.1 Моделирование генерации хоровых излучений С помощью численного моделирования установлена зависимость характеристик хоровых ОНЧ излучений от положения наблюдателя в области генерации. Получено, что спектр возбуждаемого сигнала качественно почти не изменяется по мере распространения волн от магнитного экватора к выходу из области генерации, но заметно изменяется при распространении в сторону магнитного экватора. Наблюдаемые в численных расчетах особенности спектра волн позволяют объяснить данные спутников THEMIS, полученные в области генерации хоровых излучений. Согласно этим данным, частоты хоровых элементов (волновых пакетов), распространяющихся по направлению к геомагнитному экватору, несколько выше, а амплитуды ниже, чем для элементов, распространяющихся от экватора. 1.5.2 Анализ данных о квазипериодических ОНЧ излучениях Статистический анализ данных спутников Van Allen Probes по наблюдениям квазипериодических ОНЧ излучений в экваториальной области магнитосферы выявил, что такие сигналы, как правило, характеризуются малыми углами распространения по отношению к магнитному полю и наблюдаются практически исключительно на частотах ниже половины экваториальной гирочастоты электронов, что указывает на важность каналированного распространения для их генерации. Сопоставлены теоретические и полученные из наблюдений соотношения между параметрами модуляции интенсивности волн и параметрами плазмы. Медианное значение периода колебаний пропорционально корню из плотности холодной плазмы. Показано, что эта закономерность соответствует выводам теории автоколебательного режима циклотронной неустойчивости в геомагнитной ловушке. 1.5.3 Высыпания энергичных заряженных частиц, обусловленные взаимодействием с ЭМИЦ волнами По данным наблюдений на низкоорбитальных спутниках построены распределения вероятности высыпаний энергичных протонов в координатах L-MLT в зависимости от индексов геомагнитной активности и параметров солнечного ветра. Обнаруженные закономерности объяснены особенностями формирования поперечной анизотропии энергичных протонов в различных условиях. Показано, что интенсивность высыпаний релятивистских электронов не связана с текущей геомагнитной активностью. В то же время, средняя за некоторый интервал времени величина потока высыпающихся электронов коррелирует со средней за этот интервал геомагнитной активностью. Вероятность наблюдения высыпаний релятивистских электронов зависит от текущей геомагнитной активности и растет с ростом активности независимо от механизма рассеяния релятивистских электронов в конус потерь. 1.5.4 Пульсирующие полярные сияния, наблюдаемые одновременно с ОНЧ излучениями Продемонстрировано совместное перемещение в течение часа наблюдений области высокой корреляции между пульсирующими полярными сияниями в поле зрения камеры и дискретными (хоровыми) КНЧ/ОНЧ сигналами и проекции на высоту сияний силовой линии магнитного поля, на которой находится Arase. Это означает, что высыпающиеся электроны и волны происходят из одной и той же локальной области взаимодействия. Положение области с высокой корреляцией испытывало внезапные скачки, которые, вероятно, связаны с движением спутника через дискретные пространственные структуры плазмы в области взаимодействия волн и частиц. 1.5.5 Расчеты динамики релятивистских электронов при резонансном взаимодействии с ионно-циклотронными волнами 1.5.5.1 Интегральные характеристики взаимодействия. Проанализированы интегральные характеристики взаимодействия ансамбля релятивистских электронов в радиационных поясах Земли с электромагнитными ионно-циклотронными (ЭМИЦ) волнами при однократном пролете через волновой пакет конечной длины с переменной частотой. Сопоставлено влияние различных нелинейных режимов взаимодействия, которые, в отличие от квазилинейного режима, приводят к направленному движению, а не к диффузии частиц в фазовом пространстве. Зависимость характеристик взаимодействия от энергии электронов и положения пакета более существенно выражена для пакета с гауссовым профилем амплитуды, чем для пакета с прямоугольным профилем. Для пакета с гауссовым профилем амплитуды направленный и диффузионный перенос частиц в фазовом пространстве сравнимы, в то время как для пакета с прямоугольным профилем амплитуды величина направленного изменения экваториального питч-угла может заметно (в 3–5 раз) превосходить среднеквадратичное изменение. Доля частиц, которые могут попасть в конус потерь после однократного пролёта волнового пакета, составляет 1,0–1,7%. 1.5.5.2 Характеристики взаимодействия при многократных пролетах через волновой пакет. При многократном пролете через волновой пакет ЭМИЦ волн, как и в случае однократного пролета, результаты взаимодействия сильно различаются для волновых пакетов с гауссовым и постоянным профилем амплитуды поля. При характерных для ЭМИЦ волн амплитуд 1-2 нТл даже для гауссова пакета в области наибольшей нелинейности (для энергий около 1 МэВ) поток электронов в конус потерь находится на уровне сильной питч-угловой диффузии, т.е. равен потоку захваченных частиц. Для пакета с прямоугольным профилем поток в конус может превышать поток захваченных частиц, что связано с нарушением условий применимости уравнений, усредненных баунс-осцилляциям частиц в ловушке. С увеличением энергии электронов режим взаимодействия становится более близким к квазилинейному. 1.5.6 Зависимость характеристик приемной антенны для квазиэлектростатических свистовых волн от параметров источника сигнала Проанализирована зависимость эффективной длины приёмной электрической дипольной антенны, размещённой на космическом аппарате, от параметров пространственного распределения заряда в эффективном (модельном) источнике квазиэлектростатических хоровых ОНЧ излучений. Найдено, что эффективная длина спадает по степенному закону (с показателем -1∕2) по мере увеличения расстояния вдоль резонансного конуса групповой скорости от модельного источника до приёмной антенны. Расстояние, при котором предложенная модель остаётся применимой, сильно зависит от ориентации антенны относительно резонансного конуса, но в условиях магнитосферы Земли может достигать десятков тысяч км, т.е. быть порядка длины геомагнитной силовой линии. Эти оценки подтверждают важность обсуждаемого эффекта для корректной интерпретации данных электрических волновых измерений в свистовом диапазоне частот. Эффективная длина почти не зависит от характерного масштаба распределения заряда вдоль модельного источника, если этот масштаб более или порядка длины волны, соответствующей наблюдаемому спектральному максимуму излучения на данной частоте. 1.5.7 Анализ хоровых излучений с помощью методов математической морфологии Реализованы два метода автоматического поиска и параметризации дискретных элементов хоровых ОНЧ излучений. В основе одного метода лежит алгоритм сканирования изображений набором плоских шаблонов с применением операций математической морфологии. В качестве базового шаблона используется заполненный прямоугольник с переменной длиной, высотой и углом поворота. Этот метод позволяет непосредственно определить частотный диапазон и скорость дрейфа частоты каждого дискретного элемента. Второй метод основан на оконтуривании областей с достаточно большой спектральной интенсивностью. Он позволяет сразу определить спектральную область каждого элемента и определить его энергетические параметры. Результаты применения этого метода могут быть использованы как отдельно, так и совместно с методом сканирования, т.е. поиск множества точек, соответствующих параметризованному шаблону, может быть выполнен внутри отмеченных сегментов. Разработанные методы протестированы на нескольких случаях наблюдений хоровых излучений на спутниках Van Allen Probes. При оптимальном выборе параметров обоих методов суммарный процент ошибок, связанных с пропуском цели и ложным срабатыванием, при наблюдении интенсивных дискретных хоров составляет около 10% от числа элементов, видимых человеческим глазом. 1.5.8 ЭМИЦ волны и высыпания энергичных протонов 1.5.8.1 Коэффициенты питч-угловой диффузии энергичных протонов. Проанализированы несколько случаев наблюдения ЭМИЦ волн спутниками THEMIS, для которых имелись геомагнитно сопряженные наблюдения высыпаний энергичных протонов на низкоорбитальных спутниках NOAA/POES. С использованием частотного профиля интенсивности ЭМИЦ волн и данных о величине магнитосферного магнитного поля и плотности холодной плазмы были рассчитаны коэффициенты питч-угловой диффузии энергичных протонов на разных энергиях и питч-углах. Расчеты проводились в предположении, что холодная плазма содержит электроны, протоны, однократно ионизованные ионы гелия и кислорода. Результаты расчетов сопоставлялись с энергией высыпающихся протонов, зарегистрированных на спутниках POES. Установлено, что именно на этих энергиях наблюдались потоки протонов на сопряженном низкоорбитальном спутнике NOAA/POES. 1.5.8.2 Высыпания энергичных протонов во время наземных наблюдений пульсаций Pc1. По данным наземных магнитных измерений на разнесенных по широте и долготе станциях были исследованы особенности динамики спектров многополосных спорадических пульсаций в диапазоне Рс1 (0,2–10 Гц) во время события 05-06.03.2011. Событие характеризуется большой продолжительностью (около 16 часов), наличием нескольких полос с изменяющимися во времени частотами, расщеплением этих полос на более узкие полосы, значительными изменениями амплитуды и поляризации наземных сигналов и их наблюдением в широком интервале широт и долгот. На основе совместного анализа свойств пульсаций Pc1 и данных низкоорбитальных спутников о локализованных высыпаниях энергичных протонов в ионосферу определены возможные области генерации этих волн в магнитосфере и сделан вывод об их множественности. Результаты анализа позволили даже в отсутствие непосредственных наблюдений волн в магнитосфере определить причины уширения и расщепления частотных полос Рс1 и предложить объяснение нетипичного для наземной регистрации характера спектров двухполосных пульсаций Рс1, когда сигнал на частотах выше гирочастоты ионов гелия имеет большую амплитуду, чем в более низкочастотной полосе, а также неоднородный частотный профиль поляризации. Возможные изменения в параметрах магнитосферной плазмы, приводящие к наблюдаемой динамике амплитудных и поляризационных спектров пульсаций Рс1, были выявлены на основе расчетов циклотронного усиления волн энергичными ионами в магнитосфере.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1.5.1 Механизмы формирования дискретных излучений с понижающейся частотой Аналитически и численно проанализировано влияние неоднородности среды на знак дрейфа частоты в хоровых излучениях. С помощью численных расчетов показано, что направление дрейфа частоты в элементах с наибольшей амплитудой определяется знаком эффективной неоднородности вдоль магнитного поля (скорости изменения отстройки от резонанса вдоль траектории энергичного электрона) в области нелинейного взаимодействия. Рассмотрены различные способы изменения знака эффективной неоднородности: за счет вариаций профиля магнитного поля, изменения профиля концентрации плазмы, изменения положения границ системы относительно точки минимума магнитного поля. Предложено качественное объяснение наблюдаемых закономерностей. 1.5.2 Ускорение и высыпания электронов при взаимодействии с авроральным километровым излучением Детально проанализированы особенности движения электронов в волновом пакете быстрой необыкновенной волны с параметрами, отвечающими авроральному километровому излучению (АКР) с дискретной структурой. Продемонстрирована возможность эффективного ускорения электронов дискретными элементами АКР. Усредненное по фазам гировращения частиц изменение энергии может достигать 150% для частиц с энергиями 7–30 кэВ при амплитудах поля волны 0,2–0,4 мВ/м (такие амплитуды соответствуют наблюдаемым величинам). Энергия частиц с более высокими начальными энергиями (30–100 кэВ) уменьшается примерно на 10%. Небольшая доля частиц с энергиями 30–50 кэВ в результате взаимодействия попадает в конус потерь. 1.5.3 Анизотропия распределения энергичных протонов с учетом расщепления дрейфовых оболочек Количественно исследованы характеристики питч-угловой анизотропии энергичных протонов в дневном секторе магнитосферы, обусловленной дрейфом частиц в недипольном магнитном поле. Анизотропия формируется за счет двух эффектов: изменение питч-угла протонов в процессе их долготного дрейфа и расщепление дрейфовых оболочек, вследствие которого на одну и ту же силовую линию на дневной стороне приходят протоны из ночного сектора с разных радиальных расстояний. Показано, что оба эффекта могут обеспечить значительную величину анизотропию в дневном секторе (отношение поперечной и продольной энергий до 5–8). При наличии радиального градиента потоков протонов на ночной стороне магнитосферы расщепление дрейфовых оболочек может привести к появлению питч-угловой анизотропии потоков в дневном секторе, даже если в ночном секторе потоки изотропны по питч-углам. Исследование этого эффекта продемонстрировало линейную зависимость показателя анизотропии от показателя степенной зависимости потока протонов в ночном секторе потоки от радиального расстояния. Максимальная анизотропия, возникающая за счет долготного дрейфа в геомагнитном поле, достигается на радиальном расстоянии от 5,3 до 10 радиусов Земли в допустимом интервале значений входных параметров модели Цыганенко Т96, которая использовалась в расчетах. 1.5.4 Анализ временной структуры ОНЧ сигналов Теоретическая модель формирования квазипериодических ОНЧ излучений, основанная на автоколебательном режиме циклотронной неустойчивости в геомагнитной ловушке, впервые детально сопоставлена со статистическими результатами наблюдений на спутниках путем численного решения уравнений модели для большого набора параметров и аналитического исследования. Продемонстрировано согласие теории и наблюдений для ключевых соотношений между временными и энергетическими параметрами излучений, что доказывает корректность модели и развитых представлений о происхождении квазипериодических ОНЧ излучений в магнитосфере Земли. 1.5.5 Усовершенствование программы определения параметров распространения и поляризации электромагнитных сигналов Программа определения параметров распространения и поляризации электромагнитных сигналов с использованием метода сингулярного разложения, разработанная в рамках Проекта 2015, усовершенствована для анализа данных в ионно-циклотронном диапазоне. Пакет программ использован для анализа направления распространения и поляризации свистовых и ЭМИЦ волн в магнитосфере. 1.5.6 Связь потоков энергичных частиц на малых высотах с параметрами частиц и волн в экваториальной области магнитосферы Проанализированы одновременные наблюдения КНЧ/ОНЧ- и ЭМИЦ-волн на спутниках Van Allen Probes в дневной магнитосфере и на земной поверхности во время множественных сжатий магнитосферы, обусловленных флуктуациями динамического давления солнечного ветра. Каждое сжатие магнитосферы приводит к генерации всплеска волн в этих диапазонах частот. На основе данных о спектральных и амплитудных характеристиках волн, измерений магнитного поля и концентрации холодной плазмы рассчитаны коэффициенты питч-угловой диффузии протонов и электронов вблизи конуса потерь. Показано, что КНЧ-волны с частотами < 1 кГц могут быть ответственны за высыпания энергичных (> 30 кэВ) электронов, а ОНЧ-волны на частотах 2–5 кГц — за высыпания электронов с энергией ~ 1 кэВ. Наблюдавшиеся на спутниках и на Земле ЭМИЦ-волны связаны c высыпанием протонов с энергиями 10–100 кэВ. Энергии частиц, соответствующие максимумам коэффициента диффузии, сопоставлены с энергиями высыпающихся в ионосферу заряженных частиц, определенными по данным низкоорбитальных спутников серии POES, и показано их хорошее соответствие.