Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проект РНФ № 22-27-00280 «Новый метод исследования верхней атмосферы — ультранизкочастотная спектроскопия ионосферы» ______________________________________________________________________________________________________________________ Проект направлен на разработку научного обоснования для использования данных ультранизкочастотной (УНЧ) спектроскопии излучения ионосферного альвеновского резонатора (ИАР) в исследованиях верхней атмосферы и магнитосферы в совокупности с традиционными способами зондирования. Практическая часть исследований заключается в отработке методики получения данных об ионосферных параметрах путем детального анализа спектральных особенностей УНЧ излучения ИАР. На первом этапе (2022 г.) выполнения проекта по итогам критического анализа имеющихся моделей ИАР было высказано предположение, что в резонаторе может существовать два типа стоячих альвеновских волн. Первый из них (тип 1) соответствует случаю, при котором волновая структура достаточно однородна в поперечном к геомагнитному полю направлению, и характерный масштаб поперечной неоднородности превышает толщину воздушной прослойки между ионосферой и землей. Поле первого типа стоячих волн проникает к земной поверхности. Нижней стенкой резонатора в этом случае служит поверхность земли, а не нижняя ионосфера. Благодаря высокой проводимости земли здесь возникает пучность магнитного поля. Тип 2 стоячих альвеновских волн возникает при обратной ситуации, то есть, при сильной неоднородности волновой структуры в поперечном направлении. В этом случае волна не может проникнуть через воздушную прослойку, и нижней границей такого типа стоячих волн будет служить ионосфера, на которой формируется узел магнитного поля волны. На земле при этом колебания наблюдаться не могут. Измерения гармоник ИАР позволяют установить, имеет ли место пучность или узел на нижней границе. В первом случае частоты гармоник соотносятся как ряд нечетных чисел 1:3:5:7:9…, во втором — как натуральный ряд чисел 1:2:3:4:5. Для решения путем наблюдений вопроса о четности гармоник ионосферного резонатора Альвена была разработана и применена специальная математическая процедура, в основе которой лежит представление о треугольных матрицах, представляющих частоты гармоник ИАР. Мы использовали наземные наблюдения ИАР в среднеширотной обс. Монды с 2009 по 2019 гг. и частично обс. Узур [Potapov et al., 2022]. Получены суммарные диаграммы отношения частот гармоник в зависимости от времени суток, сезона, фазы солнечного цикла. Основной результат заключается в том, что отношения частот спектральных полос, как и их обобщенные значения в виде детерминантов треугольных матриц, составленных из отношений частот первых пяти гармоник, оказываются намного ближе к случаю отношения гармоник в виде ряда нечетных чисел. Это свидетельствует о том, что на нижней границе резонатора имеется пучность магнитного поля волны, а на верхней – узел. Большое значение для поведения ИАР может иметь источник энергии, запитывающий резонатор. По мнению большинства исследователей, таким источником являются молниевые разряды, однако в литературе очень мало информации о том, какие типы молний играют основную роль. Одним из наиболее подходящих типов разрядов в качестве источника энергии для ИАР являются разряды, проявляющиеся в виде ультракороткопериодных пульсаций (импульсов) (УКИ) в диапазоне УНЧ-КНЧ, перекрывающемся с диапазоном излучения ИАР. По данным российских и зарубежных станций выполнен морфологический анализ обнаруженных импульсов, получены их статистические характеристики и их частотный состав. Проведены предварительные расчеты временной задержки распространения УКИ в глобальной системе ионосфера-земля. Выдвинуто предположение о том, что основным источником их генерации являются электрические спрайты – мощные разряды, происходящие в верхней атмосфере над грозовыми областями на средних и низких широтах. Обнаружено, что основным источником УКИ являются не любые молниевые разряды, а возникающие при особо мощных грозах красные спрайты, излучение которых лежит в диапазоне УКИ, а частота их следования примерно равна частоте следования УКИ. Показано, что УКИ возникали после каждого случая появления красных спрайтов из ряда событий, зафиксированных по литературным данным в Северном Китае. Практическая часть работы основывается на обработке большого объема УНЧ магнитных наблюдений, выполненных с помощью индукционных магнитометров. Были построены суточные динамические спектры наблюдавшихся за 24-й солнечный цикл УНЧ колебаний. Полученные спектрограммы содержат спектральные полосы (гармоники) излучения ИАР. Создана база данных динамических спектров, доступная по адресу https://data.kmio.istp.ac.ru/ и охватывающая наблюдения с 2009 по 2019 гг. на обс. Монды (52 с.ш., 101 в.д.). Используя накопленные за 11 лет динамические спектры излучения ИАР и результаты радиозондирования, построены сравнительные графики вариаций (суточных, сезонных и солнечно-циклических) спектральных характеристик ИАР и основных параметров ионосферы. Все три типа вариаций оказываются подобными в свойствах спектра ИАР и ионосферных параметрах, однако есть и различия, отражающие сложный характер формирования спектра резонансных колебаний. Природа этих различий будет анализироваться на следующем этапе работ по проекту. По результатам предварительной теоретической проработки сделан вывод, что проточность ИАР несущественно влияет на спектральный состав колебаний, который практически полностью определяется граничными условиями и распределением плотности плазмы вдоль геомагнитной силовой линии – оси резонатора. В то же время, поперечная структура волнового поля может заметно зависеть от протекания энергичных заряженных частиц в процессе азимутального дрейфа через боковые стенки резонатора. А именно, при условии черенковского резонанса поперечная длина волны определяется скоростью азимутального дрейфа и частотой колебаний, которая практически не зависит от поперечной структуры волнового поля. Основные сведения о ходе выполнения проекта «Новый метод исследования верхней атмосферы — ультранизкочастотная спектроскопия ионосферы» доступны по адресу http://magnit.iszf.irk.ru/index.php?page=ulf . База динамических спектров, доступна по адресу https://data.kmio.istp.ac.ru/ и охватывает наблюдения с 2009 по 2019 гг. на обс. Монды (52 с.ш., 101 в.д.). Дополнительный набор спектрограмм и таблицы отношений частот гармоник ИАР можно найти по адресу URL: https://ieee-dataport.org/documents/iar-spectrograms (требуется подписка).

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Проект направлен на разработку научного обоснования для использования данных ультранизкочастотной (УНЧ) спектроскопии излучения ионосферного альвеновского резонатора (ИАР) в исследованиях верхней атмосферы и магнитосферы в совокупности с традиционными способами зондирования. Практическая часть исследований заключается в отработке методики получения данных об ионосферных параметрах путем детального анализа спектральных особенностей УНЧ излучения ИАР. На 2-м этапе Проекта завершено создание компьютерной базы суточных динамических спектров УНЧ колебаний, содержащих спектральные полосы излучения ИАР. В базу включены материалы наблюдений на среднеширотной обсерватории Монды за весь 24-й цикл солнечной активности (2009–2019 гг.), на авроральной станции Исток (2015–2019 гг.) и отдельных суточных наблюдений на среднеширотной обс. Узур в течение периода с 2012 по 2022 гг. Обеспечен открытый доступ к материалам базы по адресу URL https://data.kmio.istp.ac.ru. Составлен календарь наблюдений, включенных в базу данных. Разработанная база данных будет весьма полезна для исследователей, занимающихся анализом спектрального состава резонансной структуры ИАР. С ее помощью можно изучать как отдельные события, выбирая предварительно наиболее яркие или необычные случаи, так и статистические свойства излучения на протяжении больших интервалов времени. Пользование базой динамических спектров значительно облегчает исследование временных свойств спектральных характеристик — от сезонных вариаций до изменений в солнечном цикле таких важных параметров, как частота появления, глубина модуляции, соотношение частот гармоник. Важное значение имеет также заложенная в базе возможность сравнивать события ИАР, одновременно наблюдаемые на средних и высоких широтах. Выполнена теоретическая проработка вопроса о возможной неавтономности колебаний ионосферного альвеновского резонатора по отношению к общей системе альвеновских колебаний геомагнитных силовых линий. IAR в этой отношении рассматривается как специфическая подсистема общей системы альвеновских колебаний геомагнитных силовых линий. Мы исходим из того, что IAR, вообще говоря, не является автономной колебательной системой. Задача о спектре IAR обсуждается в рамках общей задачи о спектре магнитогидродинамических колебаний магнитосферы Земли. Сформулирована соответствующая задача Штурма–Лиувилля. Аналитические решения задачи рассмотрены в приближении Вентцеля–Крамерса–Бриллюэна. Указано на необходимость численного решения задачи о спектре IAR ввиду довольно сложного распределения скорости Альвена вдоль геомагнитных силовых линий. Рассмотрена возможность оценки в разных условиях максимума электронной концентрации N области F2 ионосферы (NmF2) по данным о частоте спектральных полос (гармоник) излучения ИАР. Описана простая методика отслеживания частоты спектральных полос в течение суток по измерению их положения на графике суточного динамического спектра ИАР. С привлечением расчетов в рамках глобальной ионосферной модели IRI-2016 проверена корректность сравнения измеренных в одной точке частот резонансных полос с данными радиозондирования, выполнявшегося в других точках, удаленных от пунктов измерения частот ИАР на некоторое расстояние. Предложен алгоритм сравнения измеряемой радиозондом NmF2 с частотами спектральных линий путем предварительного вычисления оценочного фактора. Он формируется на основе нелинейной комбинации частот трех наблюдаемых гармоник. Затем временной ряд этого фактора сравнивается с результатами радиозондирования, и вычисляются коэффициенты корреляции и регрессии, подсчитываются ошибки оценок. На материале редких случаев круглосуточного наблюдения излучения ИАР в зимние месяцы 2011–2012 гг. была прослежена зависимость средней ошибки определения NmF2 от местного времени. Приведены данные о наиболее благоприятных интервалах местного времени для определения NmF2 по данным о частотах гармоник ИАР в зависимости от сезона. Обсуждаются некоторые дополнительные факторы, влияющие на точность оценок и определяющие частотный диапазон излучения ИАР. Подводя итоги, можно сказать, что УНЧ колебания играют важную роль в развитии методов диагностики околоземной плазмы и даже свойств земной коры. Что касается резонансных колебаний ИАР, мы показали, что в прикладном аспекте, при всех своих недостатках (глубокая сезонная вариация, отсутствие их регистрации в отдельные дни), они могут эффективно использоваться в качестве вспомогательного инструмента зондирования электронной концентрации в максимуме слоя F2 ионосферы. Одновременно имеется потенциал использования этого вида альвеновских резонансных колебаний ионосферы для получения новой информации и о других свойствах ионосферы, например, для восстановления высотного профиля концентрации ионов — водорода, гелия и кислорода. Цели, задачи, полученные результаты 2-го этапа проекта перечислены и описаны на сайте проекта http://magnit.iszf.irk.ru/index.php?page=projectRNF222700280, там же приведен список публикаций и аннотации к ним; база данных излучений ИАР представлена на сайте https://data.kmio.istp.ac.ru.