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 22-62-00010

НазваниеПульсации свечения высокоширотной атмосферы: технологии физики высоких энергий для геофизических исследований атмосферы Арктики

РуководительКлимов Павел Александрович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова», г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2022 г. - 2025 г. 

Конкурс№75 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации» (междисциплинарные проекты).

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-503 - Ионосферная и космическая плазма

Ключевые словапульсирующие полярные сияния, телескоп-спектрометр, высокоэнергичные высыпающиеся электроны, ускорение частиц в магнитосфере, вероятностный вывод, нейронная сеть, реконструкция события

Код ГРНТИ29.05.45

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Исследование пульсирующих полярных сияний является важной задачей, так как пространственно-временная структура свечения определяется потоками и энергетическими спектрами магнитосферных частиц, что, в свою очередь, характеризует механизмы ускорения/рассеяния частиц на относительно малых временных масштабах. Эти механизмы до сих пор не достаточно полно изучены, однако существуют измерения и теоретические работы, показывающие существенную долю электронов высокой энергии, вызывающих дополнительную ионизацию на низких высотах, воздействие на озоновый слой на квазистационарной (ежедневной) основе. Стереометрические наблюдения интенсивности, высоты и спектра излучения позволят определить энергетический спектр частиц, инициирующих свечение, и их поток. Впервые предполагается проведение стереометрических измерений пульсирующих полярных сияний с высоким временным разрешением телескопами с высокой чувствительностью. Один телескоп находится в обсерватории «Верхнетуломский», второй будет установлен в обсерватории «Ловозеро» Полярного геофизического института. Технология изготовления многопиксельных камер (на основе ФЭУ) разработана НИИЯФ МГУ при участии международной коллаборации JEM-EUSO в рамках проектов по регистрации космических лучей предельно высоких энергий (КЛ ПВЭ) и транзиентного свечения атмосферы, что определяет ключевые характеристики аппаратуры (временное разрешение от 1 мкс, однофотонный режим). Это позволяет регистрировать быстрые транзиентные процессы и детально реконструировать пространственно-временную динамику (особенно в случае стерео-режима) и обеспечивает максимальную чувствительность аппаратуры. Автоматическая регулировка усиления расширяет динамический диапазон измерений, что позволяет регистрировать слабое свечение высокоэнергичного (>500 кэВ) хвоста распределения электронов, высыпающихся в атмосферу на высоте вплоть до 50-60 км. Обсерватории ПГИ оснащены камерами, позволяющими проводить непрерывный мониторинг аврорального свечения в видимом диапазоне и в отдельных характерных эмиссиях как на всем небе, так и в отдельно выбранной области. Типичное временное разрешение патрульных наблюдений составляет 1 с, они синхронизованы по сигналам GPS/GLONASS. Данные архивируются на HDD, их поток составляет около 1.5 Гб/час с одной камеры. Для целей проекта используются камера всего неба в обсерватории «Верхнетуломский» и камера с полем зрения 75 град в «Ловозеро». Измерения предполагают автоматизацию поиска, реконструкции и типологизации пространственно-временных структур. Анализ данных будет проводиться с использованием современных методов машинного обучения, включая вероятностный (байесовский) вывод и нейронные сети. В алгоритмах, основанных на вероятностном выводе, наиболее просто учесть априорную информацию, связанную с неидеальностью детектора (не-гауссовость и несимметричность изображения, неоднородность распределения чувствительности каналов и др.), а нейронная сеть должна быть «откалибрована» не на модельных примерах, а на реально регистрируемых прибором событиях. Разработка алгоритмов отбора и реконструкции и их проверка будут произведены на трековых событиях (видимое движение звезд, спутников, самолетов, метеоров) и будет востребована в дальнейшем при развитии экспериментов по исследованию КЛ ПВЭ. Таким образом, эффективность проекта и получение результата обеспечивается пересечением трех областей знаний: экспериментальной астрофизики космических лучей, физики авроральных явлений и математических методов анализа больших данных.

Ожидаемые результаты
В ходе реализации проекта ожидается получение следующих результатов: 1) Усовершенствование телескопа-спектрометра для измерения полярных сияний в обсерватории «Верхнетуломский»: увеличение временного разрешения непрерывного мониторинга, ввод в эксплуатацию спектрометра. 2) Разработка, изготовление и ввод в эксплуатацию телескопа-спектрометра в обсерватории «Ловозеро». Организация стереометрических измерений пульсирующих полярных сияний. 3) Совместная обработка данных телескопов-спектрометров, камер всего неба спутниковых детекторов заряженных частиц. Оценка нижней границы свечения пульсирующих сияний, временной и пространственной структуры. Определение условий возникновения высыпаний высокоэнергичных частиц в авроральной зоне и их влияния на состояние и свечение атмосферы. 4) Усовершенствование и автоматизация алгоритмов обработки больших массивов данных, реконструкции пространственно-временных паттернов свечения атмосферы, в том числе трековых событий для дальнейшего использования в телескопах для регистрации КЛ ПВЭ. 5) Отработка интеллектуальных он-лайн алгоритмов отбора событий в ПЛИС телескопа на основе модели искомых пространственно-временных паттернов. В результате работы партнера по проекту (ПГИ) ожидаются следующие результаты: 1) Совместное функционирования научной аппаратуры НИИЯФ МГУ в обсерватории «Верхнетуломский» и обсерватории «Ловозеро» с видеокамерами ПГИ. 2) База данных оптических наблюдений пульсирующих полярных сияний по материалам обработки изображений камер всего неба с возможностью быстрого доступа (quick-look) к интегральным образам мониторинговых измерений (кеограммы). 3) Разработан автоматический алгоритм определения минимальной высоты свечения авроральных пульсаций по данным стереометрических наблюдений и произведена оценка максимальной энергии заряженных частиц. Разработанные высокочувствительные телескопы-спектрометры на основе многоанодных фотоэлектронных умножителей будут впервые использованы для исследования тонкой пространственно-временной структуры аврорального свечения, в частности, пульсирующих полярных сияний. Высокая чувствительность и временное разрешение дают существенные преимущества перед используемыми на сегодняшний день камерами. Использование телескопов-спектрометров совместно с камерами всего неба, имеющими высокое пространственное разрешение, в высокоширотной обсерватории позволяет применить новые методы для исследования аврорального свечения, что обуславливает синергетический эффект проекта. Измерения детекторами с большим динамическим диапазоном сигнала и широким набором временных разрешений выступят своеобразной «лабораторией» для отработки алгоритмов отбора и реконструкции событий совершенно различной природы.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе реализации проекта в 2022 году были выполнены следующие работы: 1. Проведена модернизация высоко чувствительного телескопа-спектрометра МЛТ-С (изображающего фотометра) и его установка в оптическом павильоне полигона ПГИ «Верхнетуломский». 2. Получена база данных совместных измерений пульсирующих полярных сияний камерами всего неба ПГИ и телескопа-спектрометра МЛТ-С (изображающего фотометра) НИИЯФ МГУ и проведена предварительная обработка и анализ. 3. Проведена разработка механической конструкции, оптической системы и основных схемо-технических решений для высокочувствительного широкоугольного изображающего фотометра для установка в обсерватории «Ловозеро» для осуществления стереоскопических измерений в 2023 году. 4. По данным детектора-фотометра за сезон наблюдений 2021/2022 выделены классы трековых событий на разных временных масштабах: движение звезд, самолетов, спутников, метеоров, а также получены характеристики фонового излучения неба. Проведены оценки их кинематических характеристик. С учетом этих оценок разработан алгоритм триггера «трека» на основе нейронной сети с трехмерным сверточным слоем на входе, который был обучен на частично синтетических данных. Алгоритм успешно применен для автоматического обнаружения ярких треков от спутников и звезд в базе данных за осень 2022 г. Для поиска менее ярких треков требуется увеличить размер обучающей выборки. Для реализации этих и других используемых при анализе алгоритмов создан прототип приложения TULOMA_TRACK_ANALYSER. База данных камер всего неба (кеограммы) размещена на сайте: http://78.25.105.127:8109/keogram/obs_list.php?cameraname=VTL База данных фотометра сервере НИИЯФ МГУ: ftp://ftp.sinp.msu.ru/

 

Публикации

1. Климов П.А., Шаракин С.А., Белов А.А., Козелов Б.В., Мурашов А.С., Сараев Р.Е., Трофимов Д.А., Ролдугин А.В., Любчич В.А. System of Imaging Photometers for Upper Atmospheric Phenomena Study in the Arctic Region Atmosphere, Atmosphere,13(10):1572 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/atmos13101572

2. П.А. Климов, Г.И. Антонюк, В.В. Бенгин, А.Р. Иванова, В.В. Калегаев, К.Ф. Сигаева, Н.А. Власова, И.А. Золотарев Пульсирующие полярные сияния в ультрафиолетовом диапазоне и высыпания электронов высокой энергии по данным спутников «Ломоносов» и «Метеор-М2» “Physics of Auroral Phenomena”, Proc. XLV Annual Seminar, Apatity, pp. 53-57, 2022 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.51981/2588-0039.2022.45.012

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Разработан, изготовлен широкоугольный фотометр PAIP-L. Произведены его калибровки и установка в обсерватории «Ловозеро». В ходе работ подготовлена конструкторская документация, ПО для просмотра и визуализации данных. С 13.11.2023 детектор работает совестно с широкоугольным фотометром PAIP-V в обсерватории «Верхнетуломская». Таким образом, создана система стереометрических наблюдений пульсирующих полярных сияний PAIPS. Создан микрокод ПЛИС и разработана основная микропрограмма для системы на кристалле Zynq7000, являющаяся центральным узлом управления прибора. 2. Разработана и создана система записи и хранения данных широкоапертурных фотометров PAIPS. Созданы и размещены в сети интернет данные в формате quick-look, позволяющие оперативно просматривать результаты измерений. Quick-look размещены в двух форматах: посуточные изображения кривых свечения, кеограмм и спектрограмм на сайте лаборатории (https://uhecr.sinp.msu.ru/ru/paips.html), а также онлайн просмотровщик данных с возможностью масштабирования, предварительного анализа и скачивания файлов (http://213.131.12.31:5000/). На сайте лабоартатории космических лучей предельно высоких энергий создана страница, посвященная проекту, на которой можно найти информацию о проекте, ссылки на базы данных, quick-look и публикации. 3. Интенсивность излучения двух линий молекулярного азота: 391 нм (N2 2P) и 337 нм (N2+ 1N) во время пульсирующих полярных сияний коррелирует с авроральной геомагнитной активностью, отражающей интегральный поток заряженных частиц в атмосферу. Отношение интенсивности свечения этих линий (R391/337) ниже модельных расчетов для высыпающихся электронов в диапазоне энергий от 0,1 до 16 кэВ. Это указывает на то, что роль электронов более высоких энергий в процессе образования пульсирующих полярных сияний недооценена в текущих теоретических моделях. 4. Анализ одновременных наблюдений оптических камер в поле зрения спектрометра показывает, что в пульсациях свечение на фазе «включено» является более «зеленым», т.е. соответствует менее энергичным высыпающимся электронам, при этом стереометрические наблюдения с камерой в обс. «Ловозеро» дают максимумы коэффициента корреляции временных рядов камер на высотах 145–150 км и ~92 км. 5. В ходе работы над статистической обработкой событий за сезон 2021/2022 создана и проанализирована база данных событий. Был предложен и разработан метод анализа пространственно-временных структур на основе вейвлет-преобразования, позволивший установить частоты, характерные для зарегистрированных пульсаций атмосферного свечения. Более подробно рассмотрен ряд случаев с длительным наблюдением квази-постоянной частоты. Создана база данных и quick-look для событий сезона 2022/2023, включающих в себя суммарную кривую свечения со всего поля зрения детектора, спектрограмму данной кривой и кеограмму по данным детектора. 6. При анализе данных первого сезона измерений многоканального фотометра системы PAIPS (2021/2022) было обнаружено 36 серий УФ-вспышек, схожих по характеристикам с микровсплесками релятивистских электронов. Длительность обнаруженных серий составляет от нескольких минут до часа и более. Также благодаря высокому временному разрешению была обнаружена тонкая временная структура отдельных вспышек. Подробный анализ серий вспышек за 27, 28 и 29 ноября. В первые два дня в районе обсерватории была спокойная геомагнитная обстановка. Частота регистрации событий составляла в среднем составила 8,3 события в минуту. 29 ноября наблюдалась суббуря (AE-индекс до 280 нТл), и частота регистрации событий возросла примерно в 4 раза до 34 событий в минуту. 7. Модификация нейросетевого триггера трековых событий позволила значительно понизить вероятность ложно-положительных срабатываний и собрать базы данных треков с разными временными разрешениями. Информация по основной базе трековых событий сезона 2022/23 с разрешением 100 мс размещена на сайте: https://uhecr.sinp.msu.ru/track-events-database.html. При нажатии на соответствующую иконку-превью выводится Quick-Look Info, представляющая собой набор из четырех png-картинок (цвета сигналов и пикселей на всех рисунках согласованы): Snap Shot - 2D отображения пиковых значений сигналов на триггерном интервале, Pattern_PM - карта активных каналов, Pattern_Signal - графики активных сигналов, LightCurve - стек-гистограмма активных каналов. 8. Для широкого семейства зарегистрированных событий (видимое движение звезд, пролет в поле зрения детектора спутника или самолета, явление метеора) была сформулирована вероятностная модель, связывающая данные измерений и параметры трекового события. Реализация процедуры байесовского вывода осуществлена методом вероятностного программирования с помощью библиотеки PyMC-5. Было создано приложение, позволяющее проводить предварительный анализ отобранных треков, назначать различные типы прайоров, настраивать гиперпараметры и параметры сэмплирования и осуществлять байесовский вывод, а также количественно и графически анализировать результаты реконструкции. Контроль вероятностной методики реконструкции произведен на модельных примерах, а также на трековых событиях с известной дополнительной (априорной) информацией – идентифицированные спутники и потоковые метеоры. Реконструкция метеоров потока Геминид 2022 года с временным разрешением 5 мс позволила получить важную информацию о динамике свечения. 9. Было предложено несколько процедур оценки коэффициентов относительной чувствительности каналов фотоприемника PAIP-V, с помощью которых удалось получить карты их распределения для большинства ночей сезона 2022/23 и исследовать их вариации. Значение эффективного фокусного расстояния оптической системы детектора, 154-155 мм, и характерного диапазона значений размера формируемого ею изображения (при гауссовой аппроксимации), 0.5-1.0 мм, определены с помощью процедуры Orientation (минимизация специально подобранной функции ошибок). База данных камер всего неба (кеограммы) размещена на сайте: http://78.25.105.127:8109/keogram/obs_list.php?cameraname=VTL База данных фотометра сервере НИИЯФ МГУ: ftp://ftp.sinp.msu.ru/ Данные в режиме Quick-look https://uhecr.sinp.msu.ru/ru/paips.html http://213.131.12.31:5000/

 

Публикации

1. А. Коулман, Дж. Эзер, Э. Майотт, П.А. Климов, Б.В. Козелов, и др. Ultra high energy cosmic rays The intersection of the Cosmic and Energy Frontiers Astroparticle Physics, V. 149, 102819 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.astropartphys.2023.102819

2. Белов А.А., Климов П.А., Козелов Б.В., Мурашов А.С., Ролдугин А.В., Трофимов Д.А. Модернизированный оптический комплекс на полигоне “Верхнетуломский”: научная аппаратура и первые результаты Известия Российской академии наук. Серия физическая, том 87, № 2, с. 241–247 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3103/S1062873822700940

3. К.Ф. Сигаева, П.А. Климов, А.А. Белов, С.А. Шаракин Частотный анализ временных структур свечения атмосферы 22.02.2022 по данным изображающего фотометра в обсерватории «Верхнетуломская» Proc. XLVI Annual Seminar, pp. 149-153 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.51981/2588-0039.2023.46.032

4. Климов П.А., Николаева В.Д., Белов А.А., Козелов Б.В., Мурашов А.С., Ролдугин А.В., Шаракин С.А. Variations in Pulsating Aurora Emission in 337 nm and 391 nm Nitrogen Spectral Lines During Geomagnetic Substorms Universe, 9(10), 441 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/universe9100441

5. П.А. Климов, В.В. Калегаев, К.Ф. Сигаева, А.Р. Иванова, Г.И. Антонюк, В.В. Бенгин, И.А. Золотарев Near-UV Pulsations in the Aurora Region Measured by Orbital Telescope TUS during High-Intensity and Long-Duration Continuous AE Activity MDPI Remote Sensing, 15(1), 147 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/rs15010147

6. Р. Сараев, С. Шаракин Современные методы анализа данных на примере обнаружения и реконструкции трековых событий УФ детектора «Верхнетуломский» “Physics of Auroral Phenomena”, Proc. XLVI Annual Seminar, pp. 145-148 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.51981/2588-0039.2023.46.031

7. Сигаева К.Ф., Климов П.А., Козелов Б.В., Шаракин С.А. Pulsating Auroras from Data of Fast Imaging Photometer in Verkhnetulomsky Observatory Problems of Geocosmos—2022, pp 375–382 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1007/978-3-031-40728-4_28