Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проект «Потоки энергичных электронов внешнего радиационного пояса в высокоширотной магнитосфере и их влияние на состояние верхней и средней атмосферы» направлен на изучение физических процессов, обеспечивающих передачу энергии в цепи солнечный ветер – хвост магнитосферы – внешний радиационный пояс – ионосфера/атмосфера. Эти процессы связаны с развитием геомагнитных возмущений и генерацией волн разной природы, воздействующих на динамику внешнего электронного радиационного пояса и влияющих, в том числе, на климатические изменения и состояние верхней атмосферы Земли. На первом этапе выполнения проекта разработаны методы идентификации высыпаний и восстановления спектров потоков высыпающихся электронов по данным спутниковых измерений. Выполнена оценка скоростей ионизации атмосферы, связанной с высыпанием энергичных электронов, для нескольких событий. Велась подготовка каталога высыпаний энергичных электронов в атмосферу Земли, которые зарегистрированы в окрестности наземных обсерваторий ПГИ, как в измерениях на аэростатах, так и в спутниковых экспериментах. Ожидается, что детальный анализ событий, одновременно регистрируемых в ходе нескольких космических экспериментов, позволит лучше понять механизмы процессов, обеспечивающих воздействие солнечной активности на динамику внешнего радиационного пояса Земли (ВРПЗ) и состояние атмосферы. В ходе выполнения работ по проекту были разработаны и использованы при анализе рассматриваемых событий 2 метода идентификации высыпаний потоков электронов внешнего радиационного пояса Земли на авроральных и субавроральных широтах по данным измерений низкоорбитальных полярных космических аппаратов (КА) Метеор-М2 и NOAA/POES. Первый метод основан на сравнительном анализе пространственно-временных профилей потоков электронов, регистрируемых ортогонально направленными детекторами на КА Метеор-М2, с целью определения периодов изотропизации потоков энергичных электронов (>100 кэВ), характерных для высыпаний. Второй метод идентификации высыпаний на малых спутниковых высотах основан на автоматической регистрации событий по данным измерений спутников NOAA/POES с использованием заданных пороговых значений для потоков высыпающихся частиц. Полученные события высыпаний релятивистских электронов разделены на три группы, качественно различающиеся по своим характеристикам. На основе разработанных методов идентификации высыпаний создан каталог высыпаний энергичных электронов, наблюдаемых в окрестности наземных обсерваторий ПГИ по данным КА NOAA/POES и Метеор-М2. Каталог включает в себя события с данными измерений КА NOAA/POES и Метеор-М2 для участков траекторий спутников, удовлетворяющих условию нахождения их в окрестности обсерватории ПГИ Ловозеро (1); события высыпаний по пролетам спутников NOAA/POES во время наблюдений пульсаций Pc1 в период 2012-2022 гг. (2); события из каталога высыпаний энергичных электронов, зарегистрированных в ходе баллонных экспериментов ФИАН в Апатитах, произошедшие во время пролетов спутников в окрестности обсерваторий ПГИ в интервале времени до двух часов до и после измерений на аэростатах (3). Выполнен предварительный анализ некоторых событий из каталога. Проанализированы потоки энергичных электронов в ходе пролетов спутников NOAA/POES и Метеор-М2 в окрестности обсерваторий ПГИ во время избранных запусков баллонов ФИАН с полигона Апатиты в 2016, 2018, 2019 и 2020 гг. Получены характеристики высыпаний энергичных электронов в атмосферу для отобранных событий. Рассмотрены высыпания, зарегистрированные при пролетах NOAA/POES вблизи обсерваторий ПГИ во время наблюдения на них пульсаций Pc1 с частотами выше 2 Гц за период 2012-2022 годов. Проведен отбор отдельных событий для последующего анализа с привлечением данных магнитосферных спутников Van Allen Probes и Arase. Проведено исследование пространственно-временной структуры высыпаний энергичных электронов во время геомагнитной бури 01-05.02.2015, во время которой (02.02.2015) было обнаружено высыпание потока электронов ВРПЗ с энергией более 100 кэВ в ходе баллонного эксперимента в Мурманской области. Для изучения источников солнечного ветра, связанных с событием 1-5 февраля 2015 года, был использован инструментарий, разработанный в НИИЯФ МГУ, предназначенный для прогнозирования различных типов потоков солнечного ветра по их корональным источникам. Было определено, что событие 1-5 февраля 2015 года можно ассоциировать с приходом высокоскоростного потока солнечного ветра (ВСП СВ) со скоростью ~700 км/с, корональным источником которого являлась обширная южная полярная корональная дыра, протянувшаяся до 30 градусов южной широты. Приполярные корональные дыры, протянувшиеся до средних и низких широт, являются источником повторяющихся ВСП СВ, которые могут вызывать средние или слабые геомагнитные бури, а также рост потоков релятивистских электронов. Результаты исследования пространственно-временной динамики потоков электронов, высыпающихся из внешнего радиационного пояса во время геомагнитной бури 01-05.02.2015, показали, что наиболее интенсивные высыпания наблюдаются во время главной фазы бури и в начале фазы восстановления, в периоды высокой суббуревой активности. По данным измерений спутника Метеор-М2 восстановлены спектры высыпающихся электронов на разных фазах бури. Получены пространственно-временные профили максимальных потоков высыпающихся и захваченных электронов, а также, временная зависимость положения областей изотропизации потоков электронов на орбите спутника. Обнаружено смещение области высыпаний к Земле (до L~3) на главной фазе бури, и последующий уход на L>6. Потоки захваченных электронов с E>2 МэВ в максимуме ВРПЗ, измеренные вблизи геомагнитного экватора (по данным КА Van Allen Probes) и на высоких широтах (по данным КА Метеор-М2), превысили добуревой уровень на фазе восстановления. В то же время, а потоки электронов с E>0.1 МэВ практически не изменились. Из каталога высыпаний энергичных электронов (ВЭЭ), зарегистрированных в ходе долговременного аэростатного эксперимента, были выбраны 4 события, произошедшие во время периодов умеренной геомагнитной возмущенности с Кр=4. В ходе событий исследовались скорости ионизации атмосферы, обусловленной высыпаниями энергичных электронов. В качестве входных параметров использовались спектры электронов, восстановленные по данным аэростатных наблюдений в обсерватории Апатиты в Мурманской области с использованием методики на основе метода Монте-Карло. Во время выбранных событий интенсивность дифференциального потока электронов с энергиями 30 кэВ превышала 107 см-2c-1ср-1кэВ-1. Интенсивность дифференциального потока для электронов 100 кэВ составила около 104 см-2c-1ср-1кэВ-1. Были вычислены высотные профили скорости ионизации для отобранных четырех ВЭЭ. Получено, что характерное ионное образование на высотах около 120 км не превышает 1013 ионных пар на грамм в секунду. Выполнена оценка разрушения озона для четырех событий ВЭЭ зарегистрированных в ходе аэростатных наблюдений в Мурманской области. Результаты расчетов, полученные с использованием радиационно-конвективной модели, показывают, что происходит значительное истощение озона по сравнению со спокойным периодом. Сделанные расчеты позволили выделить для дальнейшего детального изучения уровень 75 км, где происходит наиболее значимое уменьшение озона. На основе численного моделирования изменения NOy с использованием двух версий одномерной радиационно-конвективной-фотохимической модели (модель с параметризованной и модель с интерактивной ионной химией), показано, что наблюдается значительное влияние высыпаний энергичных электронов на содержание окислов азота. Наиболее сильное падение озона (до 30%) наблюдается в мощном событии 10.05.1994, вызванном высыпанием электронов с более жестким спектром.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Проект «Потоки энергичных электронов внешнего радиационного пояса в высокоширотной магнитосфере и их влияние на состояние верхней и средней атмосферы» направлен на изучение физических процессов, обеспечивающих передачу энергии в цепи: солнечный ветер – хвост магнитосферы – внешний радиационный пояс – ионосфера/атмосфера. Эти процессы связаны с развитием геомагнитных возмущений и генерацией волн разной природы, воздействующих на динамику внешнего электронного радиационного пояса и влияющих, в том числе, на климатические изменения и состояние верхней атмосферы Земли. На втором этапе выполнения проекта разработаны методы автоматической регистрации пространственных параметров внешнего радиационного пояса (положения высокоширотной границы и максимума потока электронов) и значений потока в максимуме пояса. Создана база данных максимальных потоков электронов с энергиями выше 100 кэВ и координат пересечений внешнего радиационного пояса на орбите спутника Метеор-М2 за 2014-2022 гг. (https://ftp.sinp.msu.ru/meteor_m2/Outer_RadBelt/). Проведено сравнение с данными измерений на орбитах приэкваториальных космических аппаратов Van Allen Probes. Показано, что спектры захваченных (на орбите VAP-A) и квазизахваченных (на низкой орбите ИСЗ Метеор М2) электронов демонстрируют сходную динамику. На обеих орбитах происходит падение потоков высокоэнергичных частиц на главной фазе бури, которое сменяется возрастанием на фазе восстановления. Потоки частиц более низких энергий возрастают на главной фазе бури, после чего остаются примерно постоянными. Обнаруженные закономерности свидетельствуют о различных механизмах ускорения захваченных частиц разных энергий. В ходе выполнения работ по проекту разработаны количественные методы, позволяющие выполнять автоматическую идентификацию высыпаний по спутниковым измерениям на полярной орбите двумя взаимно-ортогональными детекторами. Методы основаны на анализе соотношений между данными измерений вертикального и горизонтального детекторов. Метод позволяет выполнить черновую обработку большого массива данных. Создан каталог высыпаний энергичных электронов, зарегистрированных на орбите ИСЗ Метеор-М2, в периоды событий, произошедших во время аэростатных экспериментов ФИАН с 2014 до 2022 г. Определены геомагнитные условия в магнитосфере для событий, обнаруженных во время измерений аэростатной аппаратурой. В течение каждого геомагнитного возмущения определены моменты первого события на орбите ИСЗ Метеор-М2, геомагнитные условия и параметры высыпаний энергичных электронов. Файл каталога содержит 56 событий и доступен по адресу: https://ftp.sinp.msu.ru/meteor_m2/Outer_RadBelt/LPIbaloon-MeteorM2-Catalogue.xlsx. Детальный анализ событий, одновременно регистрируемых в ходе нескольких космических экспериментов, дает возможность лучше понять механизмы процессов, обеспечивающих воздействие солнечной активности на динамику внешнего радиационного пояса Земли и состояние атмосферы. Из каталога аэростатных экспериментов ФИАН было выбрано событие 11.10.2017. Показано, что на аэростате высыпание было зарегистрировано на главной фазе умеренной бури, а по данным спутников Метеор-М2 и NOAA/POES, имеющих сходные орбиты, высыпания имеют глобальный характер и захватывают большую область околоземного пространства: по L-параметру, выраженному в радиусах Земли, и по местному магнитному времени (MLT). Проведено исследование положения источников высыпаний в магнитосфере, происходивших 10-16 октября 2017 г. Для трех различных групп высыпаний релятивистских электронов определены области в магнитосфере, где происходит рассеяние электронов на волнах, приводящее к высыпанию частиц в атмосферу. Выполнено проектирование вдоль силовых линий геомагнитного поля из точки на орбите низкоорбитального космического аппарата на плоскость геомагнитного экватора. Показано, что высыпания релятивистских электронов 1-ой группы, связанные с питч-угловым рассеянием вследствие малого радиуса кривизны силовых линий, происходят в ночном секторе, высыпания релятивистских электронов 2-ой группы, характеризующиеся отсутствием протонных высыпаний, – во всех секторах по местному магнитному времени с максимальным количеством в вечернем секторе, высыпания релятивистских электронов 3-ей группы, обусловленные рассеянием на электромагнитных ионно-циклотронных волнах (ЭМИЦ - волны), – в вечернем секторе. Выполнено исследование характеристик высыпаний на спутниковых высотах и их локализации в магнитосфере по L и MLT в зависимости от геомагнитной и волновой активности и параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля, а также от энергии частиц. Для событий, происходивших 10-16 октября 2017 г., исследовались пространственные характеристики областей высыпаний в магнитосфере на разных фазах магнитной бури и для разных условий в солнечном ветре. Показано, что после прихода высокоскоростного потока солнечного ветра наблюдалось увеличения числа интенсивных высыпаний релятивистских электронов третьей группы, происходивших, в большинстве своем на L от 3.5 до 4.5, далее появились высыпания второй, а затем первой и второй групп на более высоких L. Определены скорости ионизации атмосферы во время высыпаний энергичных электронов с использованием их энергетических спектров. Для спектров высыпаний, полученных на основе измерений на аэростатах (высота около 30 км) и на основе данных спутниковых измерений (высота около 850 км), рассчитаны профили скоростей ионизации в атмосфере для геомагнитных возмущений разной мощности. Разработан критерий, позволяющий отобрать данные измерений спутников NOAA/POES, сопряженных линиями магнитного поля с областью, где проходили измерения в ходе аэростатного эксперимента. В ряде случаев удалось восстановить степенные спектры с использованием данных обоих экспериментов. Показано, что количество ионных пар, производимых высыпающимися электронами на высоте аэростатных наблюдений около 25 км, зависит от степени геомагнитных возмущений. Исследовалось разрушение озона на высотах мезосферы и стратосферы, вызванное высыпаниями энергичных электронов, в зависимости от сезона и уровня геомагнитных возмущений. Для спектров высыпаний, полученных на основе измерений на аэростатах (высота около 30 км) и на основе данных спутниковых измерений (высота около 850 км), рассчитаны вариации полярного озона на высотах мезосферы и стратосферы. Показано, что несмотря на интенсивность ионизации, вызванной высыпаниями энергичных электронов, содержание мезосферного озона не может быть разрушено под действием этих высыпаний в летнее время при УФ-излучении. В зимнее время максимальное разрушение озона на высоте около 80 км может достигать 80% во время сильных геомагнитных возмущений. Осенью и весной максимальное разрушение озона менее интенсивно и может достигать 20% при сильных геомагнитных возмущениях. Присутствие УФ-излучения ослабляет воздействие высыпаний энергичных электронов на образование HOx и NOy и приводит к меньшему разрушению озона полярной осенью, весной или летом. Получены линейные зависимости разрушения озона, вызванного высыпаниями энергичных электронов, в зависимости от геомагнитных возмущений и времени года. Показано, что наблюдения на спутнике Aura прибором MLS (Microwave Limb Sounder) подтверждают модельные расчеты с использованием трехмерной химико-климатической модели HAMMONIA и демонстрируют значимое увеличение гидроксильной группы во время высыпаний энергичных частиц, протонов и электронов радиационных поясов.