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 19-72-10161

НазваниеИзучение динамики частиц в магнитосфере Земли на основе данных эксперимента ПАМЕЛА и численного моделирования потоков антипротонов, изотопов водорода и гелия

РуководительМайоров Андрей Георгиевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2024 

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (41).

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-104 - Космические лучи

Ключевые словаКосмические лучи, эксперимент ПАМЕЛА, магнитный спектрометр, антипротоны, изотопы водорода, изотопы гелия, радиационный пояс, альбедо Земли, прямое и возвратное альбедо, динамика радиационного пояса, солнечная активность, магнитосфера Земли, атмосфера Земли, Geant4, численное моделирование.

Код ГРНТИ29.05.45, 41.21.00, 41.25.37

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект является логичным продолжением уже выполняемых исследований и будет посвящён дальнейшему изучению химического состава, энергетических спектров и временной динамики потоков заряженных частиц в магнитосфере Земли, а также развитию Инструментария для теоретических расчётов и удобного представления результатов научной общественности. Исследования ядерной компоненты радиационных поясов важны как для решения практических задач, так и для проведения фундаментальных исследований. Практическая потребность связана, безусловно, с необходимостью знания радиационной обстановки в околоземном пространстве, где работают космические аппараты, на электронику которых оказывается воздействие со стороны заряженных частиц, в первую очередь наполняющих радиационные пояса. Фундаментальная значимость связана с необходимостью более глубокого понимания механизмов формирования и наполнения радиационных поясов Земли, их составе и временной динамике, а также характеристик космических лучей в околоземном пространстве в целом. При этом ядерная компонента представляется особенно интересной, так как она наименее изучена в области внутреннего радиационного пояса, особенно в высоком энергетическом диапазоне. Большинство измерений на сегодняшний день проведены во внешнем радиационном поясе, а энергии не превышают несколько МэВ/н. Такие ядра, как литий, бериллий и бор вообще не регистрировали в этой области пространства до измерений спектрометром PAMELA. Следующие два года основное внимание предполагается уделить исследованию характеристик ядерной компоненты вторичных космических лучей (альбедной и захваченной) - от лития до кислорода с энергией выше десятков МэВ/н. Как и при выполнении основного этапа Проекта, в новом анализе будут использованы данные эксперимента PAMELA, в которых предстоит идентифицировать указанные ядра методами машинного обучения с учётом особенностей работы прибора в области внутреннего радиационного пояса Земли. В состав спектрометра PAMELA входит набор необходимых детекторных систем для решения этой задачи; они позволят надёжно определять заряд ядра, возможно, разделять изотопы некоторых из них, измерять жёсткость и направление прилёта. Разработанный Инструментарий (http://pamela.mephi.ru/RBmodel.pdf) будет использован для трассировки идентифицированных частиц с целью корректного восстановления их природы, энергетических спектров, пространственных и угловых распределений. Это позволит продолжить анализ потоков заряженных частиц. В частности, будут исследованы вековые вариации потоков протонов, связанные изменениями в топологии главного поля, а также распределения точек взаимодействия и типа продуктов взаимодействия первичной частицы в атмосфере, уточнены механизмы генерации и захвата вторичных частиц, их характеристики, изучен процесс захвата аномальных космических лучей (считается что именно они составляют основную долю захваченных ядер тяжелее гелия), будет дана интерпретация уже полученным экспериментальным результатам. Независимо продолжится и работа над Инструментарием, в частности предполагается подготовить web-интерфейс для визуализации полученных результатов, как рассчитанных потоков в разных областях околоземного пространства так и отдельных траекторий. Это позволит ставить и решать новые научные задачи. Существующие сегодня средства дают недостаточную свободу действий исследователю: они, как правило, позволяют рассчитать поток при тех или иных начальных условиях (значениях L, B, питч-угла) в некоторой эмпирической модели. Доступная же редакция модельных данных и web-интерфейс для неё позволит исследователю самому проводить отбор событий и ставить задачу более гибко. Кроме того большая централизованная база данных, которая уже создана и содержит информацию о частицах в околоземном пространстве и которая будет регулярно обновляться, позволит работать в этой области тем исследователям, которые не имеют больших вычислительных мощностей, чтобы проводить такие расчёты локально.

Ожидаемые результаты
Будут впервые получены новые сведения о динамике ядер от лития до кислорода (а возможно и для более тяжёлых элементов) с энергиями от нескольких десятков МэВ/н в околоземном пространстве по данным эксперимента PAMELA: а) Направленные потоки ядер от лития до кислорода в области внутреннего радиационного пояса Земли, прямых и возвратных альбедо. б) Зависимости потоков от L-оболочки, К-инварианта и экваториального питч-угла. в) Временные вариации потоков этих ядер с 2006 года до 2016 года, включая периоды минимума (2009 год) и максимума (2014-2015 года) цикла солнечной активности. Для получения экспериментальных результатов также будут использованы возможности Инструментария, а именно будет восстановлена траектория каждого зарегистрированного ядра с Z > 2 и применены отборы геомагнитной области для определения его природы (галактическая, альбедная, стабильно-захваченная, квазизахваченная, и короткоживущая (precipitated) захваченная компоненты). Кроме уже разработанных алгоритмов для этого, предполагается применить методы машинного обучения. Также будет продолжено развитие методов обратной свёртки для обработки экспериментальных данных. Здесь будет выполнен анализ, в т.ч. подобный проведённому ранее, для ядер с большим зарядом, для которых значительно возрастает ионизация в приборе и ухудшается энергетическое разрешение. При помощи Инструментария и сравнения результатов расчёта с экспериментальными данными будут получены следующие результаты: а) Будет проведено дополнительное моделирование ядерной компоненты галактических космических лучей в околоземном пространстве в соответствии с их экспериментальными спектрами; рассмотрено образование вторичных тяжёлых ядер в результате взаимодействия первичных частиц с атмосферой, промоделированы различные механизмы их захвата и движения в радиационном поясе. На основе моделирования будет создана специальная редакция данных трассировки с набором параметров траектории частиц (координаты, типы частиц их природа). б) Будет разработан и размещён на стайте pamela.mephi.ru web-интерфейс для среды разработанного Инструментария и эмпирической модели PAMELA. Интерфейс предоставит доступ к разработанной эмпирической модели, которая будет дополнена информацией о потоках ядер с Z > 2. Кроме этого, интерфейс предоставит доступ к базе данных трассированных частиц, что позволит пользователю анализировать как отдельные события, так и распределения их характеристик, позволит визуализировать отобранные траектории и др. Для эмпирической модели интерфейс позволит извлекать информацию о потоках ядерной компоненты космических лучей до кислорода включительно в области внутреннего радиационного пояса, строить зависимости от таких параметров, как L-оболочка, K-инвариант, экваториальный питч-угол и время (или фаза солнечного цикла). На данный момент авторы могут делать это на внутренних ресурсах для изотопов водорода и гелия, однако по мере обработки данных о других ядрах, в частности C, N, O , потоки этой компоненты также могут будут включены в модель, открытую для других исследователей (аналогично моделям AP/AE). Также будет выполнен анализ всех результатов с целью нахождения новых особенностей, объяснения обнаруженных закономерностей. Так, с использованной подготовленной редакции данных трассировки будут изучены влияния многочисленных факторов неопределённости на моделируемые потоки, как-то: выбор модели магнитного поля, выбор модели ядерного взаимодействия в GEANT4, неопределённости связанные с параметрами трассировки (выбор временного шага, времени трассировки и др). Будет изучено влияние вековых вариаций поля на потоки частиц на нижней границе внутреннего радиационного пояса Земли, для чего будет проведена трассировка частиц в условиях конфигурации магнитного поля в прошлом; планируется провести расчёты для периода 1960-х годов, на данных которых в основном построена модель AP8. Такие расчёты могут объяснить обнаруженное несовпадение экспериментальных измерений прибора PAMELA потоков протонов на низких L-оболочках с выводами этой модели. Ожидается, что полученные результаты позволят значительно продвинутся в понимании механизмов захвата и эволюции ядерной компоненты во внутреннем радиационном поясе. Наконец будет завершена подготовка статей, описывающих результаты первых трёх лет работы, и подготовлены публикации по новым исследованиям: статья с описанием Инструментария (которое сейчас существует в виде технического описания); статья с описанием и анализом многомерной карты жёсткостей геомагнитного обрезания (в настоящее время ведётся разработка web-интерфейса для представления этого результата на том же web-ресурсе); статья о влиянии литосферного поля на траекторные расчёты в близком околоземном пространстве; статья с расчётам вариаций короткоживущих захваченных частиц (precipitated) в зависимости от фазы солнечного цикла; статьи с описанием экспериментальных результатов: измеренных в эксперименте PAMELA спектров и химического состава ядерной компоненты во внутреннем радиационном поясе и альбедо, включая элементы тяжелее гелия.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В рамках научной работы проводится исследование свойств внутреннего радиационного пояса Земли при помощи данных магнитного спектрометра PAMELA на околоземной орбите и теоретических расчётов движения заряженных частиц в магнитосфере нашей планеты. Радиационные пояса (внешний и внутренний) возникают из-за наличия у Земли магнитного поля, главными источниками которого являются токи в центре планеты, связанные с движением вещества в жидком ядре, и токи в околоземном пространстве, связанные с движением космической плазмы. Устройство магнитного поля Земли таково, что некоторые частицы оказываются как бы «заперты» в магнитной ловушке в некоторой области пространства, где фактически происходит их накопление. Поэтому их поток в околоземном пространстве заметно превышает потоки заряженных частиц из других источников, например, прилетающих к нашей планете из межзвёздного пространства. В результате проведённых работ удалось установить, что химический состав внутреннего радиационного пояса сравнительно беден при высоких энергиях частиц и ограничен только лёгкими ядрами – изотопами водорода и гелия. Более тяжёлые ядра обнаружены не были, и на их потоки установлены т.н. верхние пределы. Впрочем, они не менее важны, поскольку устанавливают некоторые ограничения на возможные механизмы генерации и захвата магнитным полем вторичных частиц в околоземном пространстве (природа частиц во внутреннем поясе преимущественно вторичная, т.е. это частицы, образованные при взаимодействии галактических частиц высокой энергии с ядрами атомов и ионов атмосферы Земли). Кроме этого, в рамках выполняемых теоретических расчётов удалось установить, что на движение частиц в магнитосфере Земли оказывает влияние т.н. литосферная компонента магнитного поля, значением которой ранее пренебрегалось при соответствующих расчётах. Природа литосферного магнитного поля связана с крупными ферромагнитными образовании в земной коре. Расчеты, выполненные в специально созданной для определения траекторий в магнитосфере Земли программной среде, показали, что отличие траекторий частиц с одинаковыми начальными условиями можно заметить уже на одном обороте вокруг Земли. Разница эта приводит к отличию в количестве проходимого частицей в атмосфере Земли вещества, значит изменится и её время жизни до поглощения, а, следовательно, это скажется на наполнении и эволюции радиационных поясов. Знания о строении радиационных поясов Земли представляют фундаментальный научный интерес, поскольку их существование связано с магнитными полями Земли, солнечной активностью, характеристиками ядерных реакций и др., но также имеют и прикладное значение для космонавтики и работы космических аппаратов, позволяя правильно рассчитывать радиационную нагрузку на космонавтов и электронику в космических миссиях.

 

Публикации

1. Кручинин П.А., Малахов В.В., Голубков В.С., Майоров А.Г. Определение жесткости геомагнитного обрезания и моделирования движения частиц в магнитосфере Земли Известия Российской Академии Наук. Серия физическая (Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics), - (год публикации - 2023)

2. Морозова Д.Н., Майоров А.Г. Взаимосвязь высыпаний частиц из радиационного пояса Земли и космических гамма-всплесков Международная Байкальская молодежная научная школа по фундаментальной физике. Труды XVII Конференции молодых ученых, С. 240-242 (год публикации - 2022)

3. Прошин С.А., Голубков В.С., Майоров А.Г., Малахов В.В. Движение частиц космических лучей в магнитном поле Земли, заданном моделями IGRF и CHAOS Известия Российской Академии Наук. Серия физическая (Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics), - (год публикации - 2023)

4. Малахов В.В., Алексеев В.В., Голубков В.С., Майоров А.Г., Роденко С.А., Юлбарисов Р.Ф. The Earth's magnetic field of the inner magnetosphere Physics-Uspekhi, - (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3367/UFNe.2022.12.039293