Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В течение первого года выполнения проекта работа была сосредоточена на сборе данных и их первичном анализе в рамках рабочих пакетов связанных c изучением: - экстремальных солнечных вспышек, где работа была направлена на количественную оценку параметров экстремальных событий; - экстремальных геомагнитных бурь, где работа была направлена на оценку параметров геомагнитных бурь (от спокойных до экстремальных) для эпохи геомагнитных измерений (последние несколько веков); - экстремальных геомагнитных экскурсий и инверсий, где работа была направлена на изучение уменьшения крупномасштабного геомагнитного поля, в частности его дипольной компоненты. Предложенные сценарии развития экстремальных солнечных вспышек и геомагнитных бурь были проанализированы с помощью химико-климатических моделей и впервые получены: - оценки реакции глобальной электрической цепи Земли на экстремальное солнечное протонное событие; - оценки реакции химических компонент стратосферы на уменьшение ионизации галактических космических лучей во время Форбуш-понижений, сопровождающих экстремальное солнечное событие. К концу первого года реализации проекта получены следующие конкретные результаты: 1) Параметры функции плотности вероятности возникновения солнечных вспышек были оценены на основе данных измерений космических аппаратов и космогенных изотопов , а также статистических исследований солнцеподобных звезд. • Произведен полный ре-анализ опорного солнечного события 23 февраля 1956, которое является самым сильным из непосредственно измеренных событий в инструментальную эпоху. • Впервые достоверно оценена чувствительность метода космогенных изотопов к экстремальным солнечным событиям . • Впервые показано существование инструментального провала между прямыми и косвенными наблюдениями за солнечными событиями. • Показано, что оценки вероятности возникновения экстремальных вспышек на солцеподобных звездах маргинально согласуется с методом космогенных изотопов, для более детального сравнения требуется продолжение исследований. • Заново оценена солнечная активность в 18-ом и 19-ом веках с помощью ADF (Active-Day Fraction) метода и показана устойчивость эмпирических правил Валдмайера и Гневыщева-Оля развития солнечных циклов. 2) Параметры солнечных эруптивных событий, включая их энергетические спектры и анизотропию, были оценены для всех основных солнечных событий в космической эре и для исторически известных экстремальных солнечных эруптивных событий , с особым вниманием к сценарию наихудшего случая. • Создана и опубликована база данных по интегральным спектрам солнечных космических лучей (СКЛ), зарегистрированных нейтронными мониторами в 58 самых мощных события GLE (Ground Level Enhancement) . • Для описания интегральных спектров СКЛ в рамках единой удобной для пользователя модели была проведена аппроксимация полученных значений интегрального спектра СКЛ степенной функцией с экспоненциальным обрезанием, а также оценка неопределенностей параметров аппроксимации. • Показано, что солнечное экстремальное событие 774 года может рассматриваться в качестве наихудшего сценария. • Оценены параметры наихудшего события на примере 774 года: энергетический спектр, ионизация и влияние на Земли, и вероятности возникновения. 3) Параметры основных геомагнитных бурь прошлых веков были оценены с использованием существующих наборов данных и литературы. • Созданы базы данных геомагнитных бурь прошлого века на основе классификации NOAA, а так же экстремальных геомагнитных бурь за прошлые столетия на основе аа индекса. • Анализ экстремальных геомагнитных событий по классификации NOAA (уровень G5 по шкале NOAA, что соответствует Kp = 9) показывает, что экстремальных геомагнитных событий не наблюдалось на протяжении последних 17 лет (полтора солнечного цикла). За последнее столетие такая ситуация происходит впервые. 4) Параметры высыпаний энергичных частиц для крупных геомагнитных бурь были оценены для космической эры и рассмотрены возможности их экстраполяции к экстремальным геомагнитным событиям. • Установлено, что в спокойный период (Kp = 0-0,7) минимальное высыпание частиц происходит в полярной шапке в диапазоне 73° –75° широты. Усреднённая карта высыпаний для экстремального (Kp = 8-9) периода показывает их смещение к экватору на 25° и достигает в максимуме 45° геомагнитной широты. Анализ высыпаний энергичных частиц (электронов, протонов и альфа частиц) во время отобранных геомагнитных бурь, будет продолжен в следующем году. 5) Параметры события Лашамп были оценены с использованием существующих палеомагнитных моделей. • С помощью палеомагнитной модели GFZ (Центр Изучения Земли/GFZ Потсдам, Германия) построено распределение жесткости геомагнитного обрезания космических лучей во время события Лашамп, с использованием стандартного подхода. • Показано, что результаты, полученные традиционным методом, являются ненадежным для периодов геомагнитных экскурсий, и требуется разработка прямого МГД моделирования связи магнитосферы и солнечного ветра. • Соответствующая МГД модель разрабатывается, работа по данному направлению будут продолжена в следующем году. 6) Была изучена реакция глобальной электрической цепи на солнечное экстремальное событие. • Химико-климатическая модель SOCOL была дополнена модулями расчета концентрации радона, электрической проводимости и токов хорошей погоды. • Показано, что учет ионизации порождаемой экстремальными солнечными протонными событиями типа события 774 года нашей эры может привести к почти десяти кратному усилению токов хорошей погоды. 7) Исследован атмосферный вклад высотно-широтного распределения скоростей ионизации во время солнечного протонного события и экстремального солнечного события типа GLE (20 января 2005 года), а так же Форбуш-понижений галактических лучей сопровождающих экстремальное солнечное событие в январе 2005. Данное GLE событие является самым мощным современным GLE событием за последние полвека, после GLE 23 февраля 1956 г.. • С помощью химико-климатической модели SOCOL показано, что в полярной зимней атмосфере около половины общей концентрации оксида водорода может теряться во время Форбуш-понижений ГКЛ, сопровождающих экстремальное солнечное событие типа GLE . • Анализ высотно-широтного распределения скоростей ионизации, вызванной солнечными протонами во время солнечного протонного события в январе 2005 и учет высыпаний солнечных протонов в моделях HAMMONIA и EAGLE позволили показать, что высыпания магнитосферных протонов во время солнечных событий, ведет к возмущениям на высотах F2 слоя ионосферы. В рамках реализации проекта, в отчетном периоде, были организованы мероприятия на базе СПбГУ с чтением ведущими учеными открытых онлайн лекций по тематике проекта. По результатам проекта в 2020 г. опубликованы 7 статей индексируемых в базах данных WoS и/или Scopus, из них 4 статьи представлены в журналах Q1 (принадлежность издания к Q1 определяется по базе данных http://www.scimagojr.com/).

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Аннотация результатов, полученных в 2021 году: В течение второго года выполнения проекта работа велась в рамках рабочих пакетов связанных c изучением: - экстремальных солнечных вспышек, где работа была направлена на оценку энергетических параметров и вероятности возникновения экстремальных событий; - экстремальных геомагнитных бурь, где работа была направлена на оценку вероятности возникновения геомагнитных бурь (от сильных до экстремальных), сбор статистики экстремальных бурь за период около двухсот лет; - экстремальных геомагнитных экскурсий и инверсий, где работа была направлена на изучение уменьшения интенсивности крупномасштабного геомагнитного поля, описание пространственного распределения и высотных профилей скоростей ионизации атмосферы во время события Лашамп. Предложенные сценарии развития экстремальных солнечных вспышек, геомагнитных бурь и ослабления крупномасштабного геомагнитного поля были проанализированы с помощью химико-климатических моделей, и даны оценки воздействия данных событий на состояние атмосферы, озона и климата. К концу второго года реализации проекта получены следующие конкретные результаты: 1) Даны оценки энергетических параметров (светимость, GOES класс, флюенс солнечных космических лучей) экстремальных событий, как солнечных, так и звездных супер вспышек. • Показано, что принятая на настоящий момент статистика супер-вспышек может быть существенно пересмотрена. • Построено распределение достоверных супер-вспышек по светимости и GOES-классу. Связь светимости вспышек с флюенсом солнечных протонных событиях была учтена в рамках существующих моделей. 2) Даны количественные оценки вероятности возникновения (с учетом неопределенностей) экстремально сильных солнечных протонных событий, их параметров (энергетических) и возможной связи событий с общим уровнем солнечной активности. • Составлено уточненное распределение вероятностей возникновения экстремально сильных солнечных протонных событий, с учетов вновь обнаруженных событий за эпоху Голоцена. • Не выявлено статистически значимой связи между возникновением экстремальных солнечных событий и уровнем солнечной активности. • Выполнено восстановление интегральных потоков солнечных энергичных частиц с использованием данных нейтронных мониторов, спутниковых экспериментов и ионосферных измерений потоков энергичных частиц. 3) Даны оценки частоты / вероятности возникновения экстремальных геомагнитных бурь на основе сравнения данных российских геомагнитных станций, по геомагнитной активности, а также с учетом каталога наблюдения полярных сияний в центральной Европе. • Создан временной ряд экстремальных бурь в течение 180 лет, начиная с 9-го солнечного цикла, т.е. для 15,5 циклов солнечной активности. • Дана новая оценка частоты возникновения сильных и экстремальных геомагнитных бурь по классификации NOAA, результаты показывают уменьшение частоты появления экстремальных геомагнитных бурь после 19-го цикла солнечной активности. 4) Оценены энергетические параметры и спектры высыпаний высокоэнергичных электронов во время отобранных геомагнитных бурь по результатам наблюдений на спутниках. Представлена новая параметризация образования ионов под воздействием высыпающихся энергичных электронов и новая спектральная функция для расчета скорости ионизации атмосферы. • Анализ высыпаний высокоэнергичных электронов по данным со спутников показал, что кратковременное уменьшение потоков на главной фазе бури и увеличение на фазе восстановления потоков высыпающихся и захваченных частиц чаще всего происходят синхронно. • Отношение потоков захваченных/высыпающиеся частиц существенно зависит от добуревого состояния радиационного пояса – его интенсивности и положения. • Оценены энергетические параметры и рассчитаны скорости ионизации атмосферы во время геомагнитной бури в сентябре 2017 года. • Представлена новая функция отклика атмосферы на высыпания изотропного потока высокоэнергичных электронов с учетом их тормозного излучения для расчета скоростей ионизации атмосферы. 5) Сделана подготовка сценария (карты и высотные профили ионизации атмосферы) события Лашамп в спокойный солнечный период и во время сильного/экстремального солнечного события. • Рассчитаны 3D (географические координаты и высота) профили скоростей ионизации в атмосфере Земли во время разных фаз события Лашамп. 6) Дана предварительная оценка изменений ионосферного потенциала в зависимости от свойств облаков в глобальной электрической цепи. • Показано изменение бальности облачности, примерно соответствующее увеличению токов хорошей погоды на 50%, которые в свою очередь подвержены воздействию вариаций космической погоды. 7) Дана оценка изменений химии и динамики атмосферы, вызванных ионизацией верхней и средней атмосферы энергичными частицами и усилением ультрафиолетового излучения для сентября 2017 года. Сделан вывод ,что изменения озона в основном связано с высыпанием энергичных частиц, а не с процессами связанными с воздействием электромагнитного излучения на атмосферу Земли во время вспышек на Солнце. • Показано, что в верхней мезосфере увеличение концентрации азотной группы после слабой вспышки может превосходить эффект от более мощной вспышки (интенсивности солнечных вспышек определяются по стандартной классификации вспышек, по интенсивности рентгеновского излучения). • В высоких широтах влияние энергичных частиц доминирует, хотя вспышки дают некоторое увеличение концентраций азотной группы. • Полученные результаты также показывают, что высыпания энергичных частиц во время возмущений сентября 2017 года привело к разрушению мезосферного озона в высоких широтах, что подтверждается предварительным анализом спутниковых данных. • Солнечные вспышки сентября 2017 привели к увеличению концентрации азотных окислов в экваториальной атмосфере, однако это никак не сказалось на содержании озона. 8) Дана оценка изменений климата и атмосферной химии вызванных ослаблением интенсивности геомагнитного поля с помощью химико-климатических моделей. • Получены результаты, показывающие заметные глобальные и долгосрочные изменения окружающей среды и климата около 42 тыс. лет назад, во время геомагнитного экскурса Лашамп и различной солнечной активности. • Показано, что уменьшение концентрации озона в стратосфере привело к климатическим последствиям в средних и высоких широтах обоих полушарий. • Предположение о солнечном протонном событии во время ослабленного магнитного поля привело к драматическому падению общего содержания озона в глобальном масштабе. Показано, что падение озона доходящее до 40% относительно фонового случая наблюдается повсеместно и может привести к катастрофическим для биосферы увеличениям эритемной радиации на 30-40%. Наше исследование показывает, что геомагнитный механизм в сочетании с минимумом солнечной активности и экстремальным солнечным протонным событием может объяснить эти и многие другие палеоклиматические и археологические наблюдения и дать ответ на многие современные загадки касающиеся жизни, роли Вселенной и космической погоды в цепочке солнечно земных связей. Во второй год реализации проекта, по результатам проекта в 2021 году: • Приняты к печати и частично уже опубликованы 9 статей в рецензируемых научных журналах входящих в «Сеть науки» (Web of Science Core Collection), «Скопус» (Scopus), РИНЦ. 5 из 9 статей опубликованы в журналах Q1, из них одна в журнале Science. Принадлежность издания к Q1 определяется по базе данных http://www.scimagojr.com/. • Представлено 9 докладов на Российских и международных научных конференциях. • Ведущими учеными проведены открытые лекции на молодежной школе-конференции и на общем семинаре физического факультета СПбГУ. • По оценкам изменения климата и атмосферной химии, вызванных ослаблением интенсивности геомагнитного поля и экстремальным солнечным протонным событием, даны интервью для публикаций в СМИ. • Руководителем проекта и ведущими учеными разработан онлайн-курс лекций "Космическая погода: оценка воздействия на окружающую среду" для студентов и аспирантов Российских и зарубежных вузов. В следующем году планируется размещение данного курса на платформах Coursera и Открытое образование. Публикации: 1. Алан Купер, Крис С.М. Терни, Джонатан Палмер, Алан Хогг, Мэтт МакГлоун, Джанет Уилмсхерст, Эндрю М. Лорри, Тимоти Дж. Хитон, Джеймс М. Рассел, Кен Маккракен, Жюльен Г. Анет, Евгений Розанов и др. : A global environmental crisis 42,000 years ago, Science (год публикации - 2021). 2. Александр Мишев, Степан Полуянов About the Altitude Profile of the Atmospheric Cut-Off of Cosmic Rays: New Revised Assessment Solar Physics (год публикации - 2021). 3. Ирина Миронова, Геннадий Ковальцов, Александр Мишев и Антон Артамонов: Ionization in the Earth’s Atmosphere Due to Isotropic Energetic Electron Precipitation: Ion Production and Primary Electron Spectra, Remote Sensing (год публикации - 2021). 4. Колдобский С., О. Раукунен, Р. Вайнио, Г. А. Ковальцов, И. Усоскин: New reconstruction of event-integrated spectra (spectral fluences) for major solar energetic particle events, Astronomy & Astrophysics (год публикации - 2021). 5. М.В. Клименко, В.В. Клименко, Ф.С. Бессараб, А.В. Тимченко, И. А. Миронова, Е. В. Розанов: О возможных причинах положительного возмущения глобального электронного содержания в период сложного гелио-геофизического события
в сентябре 2017 года, Космические Исследования (год публикации - 2021). 6. Тамаш Бозоки, Габриэлла Сатори, Эрл Уильямс, Ирина Миронова, Петер Штайнбах, Эмма К. Бланд и др.: Solar Cycle-Modulated Deformation of the Earth–Ionosphere Cavity, Frontiers in Earth Science (год публикации - 2021). 7. Усоскин И., Колдобский С., Ковальцов Г., Розанов Е., Суходолов Т., Мишев А., Миронова И.: Strongest directly observed Solar Proton Event of 23-Feb-1956: Revised reference for the cosmogenic-isotope method, Proceedings of Science (год публикации - 2021). 8. Голубенко К., Розанов Е., Ковальцов Г., А.-П. Леппянен, Т. Суходолов, И. Усоскин: Application of CCM SOCOL-AERv2-BE to cosmogenic beryllium isotopes: Description and validation for polar regions, Geoscientific Model Development (год публикации - 2022). 9. Пикулина П.О., Миронова И.А., Розанов Е.В., Суходолов Т.В., Карагодин А.В.: Response of the upper atmosphere to irradiance increase after the solar flare on 6 September 2017, Proceedings of SPIE (год публикации - 2022).

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В течение третьего года реализации проекта, как и в предыдущие годы, работа велась в рамках рабочих пакетов связанных c изучением: - экстремальных солнечных вспышек и корональных выбросов масс; - экстремальных геомагнитных бурь; - геомагнитных экскурсий и инверсий. - Моделированием воздействий экстремальных явлений космической погоды на земную среду. - Оценкой технологических и социальных последствий и рисков связанных с экстремальными событиями исследованными в рамках проекта. К концу третьего года реализации проекта получены следующие конкретные результаты: 1) Дана наиболее точная, на настоящий момент, статистика супер-вспышек на звездах солнечного типа и оценена вероятность их возникновения применительно к Солнцу. Полученная ожидаемая частота супервспышек на солнечно-подобных звездах составляет приблизительно одно событие за 90 лет на звезду, что в 10-15 раз чаще, чем экстремальные солнечные события. 2) Получена сводная статистика возникновения солнечных экстремальных событий для разных типов данных. Сейчас статистика экстремальных солнечных протонных событий (ЭСПС) составляет пять подтвержденных событий и три кандидата за последние ~12 000 лет. Сейчас можно достоверно утверждать, что событий, значительно более мощных, чем ЭСПС 774-775 н.э., за время Голоцена не было. Выявлено, что ни одно из известных событий не произошло во время гранд-минимумов активности, с другой стороны, они также не ассоциируются с гранд-максимумами – все известные событий произошли в солнечных циклах умеренной интенсивности. 3) Дана оценка ионизационной и радиационной обстановки в атмосфере Земли во время мощных геомагнитных бурь с индексом Кр=9-8 на основе отобранных событий разных классов интенсивности и продолжительности. Для данных оценок отобраны 8 завершенных циклов солнечной активности, с 17 по 24 циклы. 4) На основе опубликованных палеомагнитных данных, измеряемой интенсивности геомагнитного поля, сделан вывод, что вероятность возникновения геомагнитной эскурсии/инверсии на шкале времени в десятки тысяч лет ничтожно мала. Глобальное распределение атмосферных эффектов (ионизация и генерация космогенных изотопов) в эти периоды критически отличается от современной эпохи, так как основные эффекты наблюдаются в тропических областях, что исключает шкалирование существующих (полу)эмпирических моделей, а требует разработки новых подходов. 5) Были рассчитаны скорости автоконверсии и агрегации облачных капель при токах хорошей погоды во время ЭСПС 774- 775 г. н.э. В результате, зафиксированы локальные изменения полного содержания облаков в пределах +/- 20-25% в зависимости от примененного микрофизического механизма и в основном в высоких широтах. Подобное изменение облачности привело к появлению ряда аномалий приземной температуры воздуха, со значениями в пределах 1-1.5K. Важно отметить, что полученные результаты имеют низкую статистическую значимость. 6) Однократное ЭСПС в современном геомагнитном поле увеличивает концентрации NOx, в основном, в полярной стратосфере и мезосфере после события, и впоследствии снижает содержание полярного стратосферного озона в течение примерно года. Напротив, в периоды сильного понижения напряженности геомагнитного поля то же ЭСПС может привести к увеличению содержания NOx во всей атмосфере с последующим резким (до 60%) истощением стратосферного озона в последующие несколько лет. 7) Расчет скоростей ионизации при высыпании высоко-энергичных электронов показывает возможную сопоставимость данных скоростей ионизации со скоростями ионизации от солнечного протонного события. Моделирование данного воздействия на атмосферу с помощью трехмерной химико-климатической модели свидетельствует о почти полном разрушении озона в верхней мезосфере над регионом, где произошло высыпание высокоэнергичных электронов. 8) Оценены эффективные энергии генерации углерода-14 и отложения бериллия-10 и хлора-36 солнечными энергичными частицами и галактическими космическими лучами. С использованием полученных оценок рассчитан интегральный поток солнечных энергичных частиц с энергий 234 МэВ для 6 экстремальных солнечных событий, зарегистрированных в углероде-14. 9) Были получены средние зональные профили генерации изотопов 14C, 36Cl, 10Be и 7Be отдельно для стратосферы и тропосферы в трех широтных зонах: тропической (0°–30°), средней широты (30°–60°) и полярной (60°–90°). Вычисления были выполнены для различных сценариев с разными спектрами солнечного протонного события. Результаты подтверждают, что производство изотопов от солнечного протонного события в тропической зоне малы и ими можно пренебречь. 10) Получена качественная оценка технических и социальных рисков для различных сценариев солнечных эруптивных событий и сопровождающих их геомагнитных бурях с учетом вероятности их возникновения. • Показано, что частота геомагнитных бурь класса G5 (Кр=9) составляет от одного до пяти событий за цикл. При этом вероятность возникновения бури класса G5 выше в нечетные циклы солнечной активности. • ЭСПС могут приводить к необычайно сильным увеличениям радиационного фона около Земли. В полярных областях, где отсутствует геомагнитная защита, уровень радиации на высоте авиационных коридоров может быть смертельно опасным для пассажиров и экипажей самолетов. Оценка радиационной дозы на высоте ~15.24 км, может достигать 1.2 Зв/час, а излучение в 3—4 Зв, полученное в течение нескольких часов, приводит к 50% смертности в последующие дни. Кроме того, столь интенсивный поток ионизирующего излучения с большой вероятностью выведет из строя электронику на борту самолета. • Показано, что ЭСПС, происходящий во время геомагнитного отклонения или инверсии, может значительно увеличить УФ-излучение, достигающее земли в течение 6 лет после события, первоначально увеличивая УФ-индекс на 20-25%, производство витамина D3 на 20-30%. и уровень повреждения ДНК, вызванного солнечными лучами, на 40-50%, что потенциально влияет на земную жизнь. В третий год реализации проекта, по результатам проекта: • Опубликованы 5 статей (3 из них в журналах Q1, принадлежность издания к Q1 определяется по базе данных http://www.scimagojr.com/
) в рецензируемых научных журналах входящих в «Сеть науки» (Web of Science Core Collection), «Скопус» (Scopus), РИНЦ. Статьи подготовлены совместно с молодыми участниками проекта, в том числе со студентами Организации (Санкт- Петербургский государственный университет (СПбГУ)) вовлеченными в реализацию проекта. • Тематики научно-исследовательских работ (НИР) студентов, входящих в члены научного коллектива проекта, были обозначены как выпускные квалификационные работы (ВКР) на 2022г, выполняемые под руководством руководителя проекта и ведущими учеными проекта. В 2022 молодыми участниками проекта в СПбГУ защищены: 1 бакалаврская ВКР, 1 магистерская ВКР, 1 аспирантская ВКР. • Подготовлена одна кандидатская диссертация, которая находится в открытом доступе: https://disser.spbu.ru/zashchita-uchenoj-stepeni-spbgu/780-karagodin-arsenij-vladislavovich.html. • Представлено 6 докладов на Российских и международных научных конференциях. • Руководителем проекта и ведущими учеными подготовлен онлайн-курс на английском языке "Space Weather: environmental impact assessment" (для студентов и аспирантов Российских и зарубежных вузов), который открыт для всех на платформе Открытое образование https://openedu.ru/course/spbu/KOSMOP_ENG/?session=self_paced_2022. В онлайн курсе широко представлены результаты проекта.