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