Потоки энергичных электронов внешнего радиационного пояса в высокоширотной магнитосфере и их влияние на состояние верхней и средней атмосферы

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 22-62-00048

НазваниеПотоки энергичных электронов внешнего радиационного пояса в высокоширотной магнитосфере и их влияние на состояние верхней и средней атмосферы

Руководитель Калегаев Владимир Владимирович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №75 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации» (междисциплинарные проекты)

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-503 - Ионосферная и космическая плазма

Ключевые слова Магнитосфера Земли, солнечный ветер, межпланетное магнитное поле, магнитные бури, внешний радиационный пояс, высыпанияэнергичных электронов, верхняя атмосфера Земли

Код ГРНТИ37.15.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Настоящий проект посвящен изучению физических процессов, приводящих к передаче энергии в цепи солнечный ветер – хвост магнитосферы – внешний радиационный пояс – ионосфера/атмосфера. Эти процессы связаны с развитием геомагнитных возмущений и генерацией волн разной природы, влияющих, в том числе, на климатические изменения и состояние верхней атмосферы Земли. Научная значимость таких исследований обусловлена фундаментальным значением указанных процессов, реализующих воздействие солнечного ветра на структуру и динамику высокоширотной магнитосферы, а также, на состояние ионосферы и верхней атмосферы. Их актуальность связана с расширением поля человеческой деятельности за пределы земной атмосферы, в космическое пространство, которое является неотъемлемой частью природной среды, окружающей человека. Динамические процессы во внешнем радиационном поясе: ускорение, перенос и потери энергичных электронов обусловлены радиальной и питч угловой диффузией, а также их локальным ускорением. Энергетика этих процессов непосредственно, или опосредованным образом, контролируется солнечным ветром. Важным источником вариаций потоков энергичных электронов является волновая активность в магнитосфере, которая приводит как к ускорению, так и к потерям частиц. Высыпания электронов приводят к разогреву и ионизации атмосферы и влияют на химический состав верхней и средней атмосферы, приводя к различным динамическим процессам, влияющим на температуру и разрушая озоновый слой. В проекте будут исследованы спектральные характеристики и закономерности развития высыпаний энергичных электронов во время геомагнитных возмущений и определены магнитосферные источники высыпаний. Важное направление предлагаемых исследований связано с изучением физических процессов передачи энергии из околоземного космического пространства в атмосферу Земли, воздействующих на климатические изменения на нашей планете. Высокоширотная средняя атмосфера характеризуется сильной изменчивостью и высокой динамической активностью что проявляется, в нагреве и дополнительной ионизации средней атмосферы энергичными заряженными частицами космического происхождения, в частности потоками энергичных электронов внешнего радиационного пояса Земли. Настоящее исследование будет базироваться на экспериментальных данных и на данных моделирования. Исполнители проекта из Московского государственного университета будут использовать данные измерений потоков частиц на борту полярных низкоорбитальных аппаратов серии Метеор-М2 и NOAA/POES для оценки состояния внешнего радиационного пояса. Cовместно с Партнером (научным коллективом Полярного геофизического института), исполнители проекта будут использовать данные научных миссий Themis, Van Allen Probes и других, а также, данные геостационарных КА GOES и Электро-Л и наземные электромагнитные измерения для определения уровня геомагнитной и волновой активности. Другой партнер настоящего проекта (научный коллектив Санкт-Петербургского государственного университета, мега-Лаборатория Исследования Озонового Слоя и Верхней Атмосферы https://o3lab.spbu.ru/) будет изучать процессы в атмосфере Земли, связанные с высыпаниями энергичных электронов. Данные аэростатных экспериментов научной группы ФИАН, а также, результаты экспериментов BARELL будут использоваться для лучшего понимания взаимосвязанных процессов, происходящих в ходе магнитосферно-атмосферного взаимодействия. Междисциплинарный характер предлагаемого исследования обусловлен объединением исследований в области физики солнечно-земных связей, магнитосферы, ионосферы и атмосферы. Полученные результаты позволят связать в единую цепь процессы в солнечном ветре, магнитосфере и атмосфере, что может быть использовано в системах прогнозирования и мониторинга космической погоды.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Яхнина Т.А., Демехов А.Г., Любчич А.А., Федоренко Ю.В., Ермакова Е.Н. Локализация магнитосферных источников геомагнитных пульсаций диапазона рс1 по наблюдениям высыпаний энергичных заряженных частиц для события 20 июня 2013 года “Physics of Auroral Phenomena”, Proc. XLV Annual Seminar, Apatity, Polar Geophysical Institute, “Physics of Auroral Phenomena”, Proc. XLV Annual Seminar, Apatity, pp. 66-69, 2022 (год публикации - 2022)
10.51981/2588-0039.2022.45.015

2. Миронова И.А., Базилевская Г.А., Махмутов В.С., Миронов А.Д., Бобров Н.В. Energetic Electron Precipitation via Satellite and Balloon Observations: Their Role in Atmospheric Ionization. Remote Sensing, 15(13), 3291 (год публикации - 2023)
10.3390/rs15133291

3. Миронова И.А., Базилевская Г.А. Estimation of Characterized Ionization Rates During Geomagnetic Disturbances with Kp = 4 Based on Balloon Observations Рroblems of Geocosmos—2022. ICS 2022. Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences. Springer, Cham., ICS 2022: Problems of Geocosmos—2022 pp 383–389 (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-40728-4_29

4. Махмутов В.С., Маурчев Е.А., Миронова И.А., Базилевская Г.А., Development of a Method for Recovery of the Energy Spectra of Precipitating Electrons from the Data of Measurements in the Atmosphere Geomagnetism and Aeronomy, 63, 602–607 (год публикации - 2023)
10.1134/S0016793223600479

5. Махмутов В.С., Маурчев Е.А., Базилевская Г.А., Миронова И.А., Estimation of energy spectrum of precipitating magnetospheric electrons based on bremsstrahlung X-ray fluxes recorded in the atmosphere. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 128, e2023JA031370 (год публикации - 2023)
10.1029/2023JA031370

6. Миронова И.А., Гранкин Д.В., Розанов Е.В. Mesospheric Ozone Depletion Depending on Different Levels of Geomagnetic Disturbances and Seasons Atmosphere, 14(8), 1205 (год публикации - 2023)
10.3390/atmos14081205

7. Гранкин Д.В., Миронова И.А., Базилевская Г.А., Розанов Е.В., Atmospheric Response to EEP during Geomagnetic Disturbances Atmosphere, 14(2), 273 (год публикации - 2023)
10.3390/atmos14020273

8. Вахрушева А.А, Шугай Ю.С, Капорцева К.Б. , Еремеев В. Е., Калегаев В.В. ПАРАМЕТРЫ КОРОНАЛЬНЫХ ДИММИНГОВ И ИХ ВАРИАЦИИ В ТЕЧЕНИЕ 24-ГО СОЛНЕЧНОГО ЦИКЛА Геомагнетизм и аэрономия, Том 64, номер 1 (год публикации - 2024)

9. Ву Х., Чен Т., Калегаев В.В, Йе С. Different behaviors of outer radiation belt keV and MeV electrons during two sequential geomagnetic storms Journal of Geophysical Research: Space Physics, 128, e2023JA031700. (год публикации - 2023)
10.1029/2023JA031700

10. Калегаев В.В., Иванова А.Р., Груздов Д.С., Власова Н.А., Базилевская Г.А., Махмутов В.С. Energetic Electrons Precipitation into the Earth’s Atmosphere During Magnetic Storm on 1–5 February 2015. Рroblems of Geocosmos—2022. ICS 2022. Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences. Springer, Cham., ICS 2022: Problems of Geocosmos—2022 pp 301–312 (год публикации - 2023)
10.1007/978-3-031-40728-4_22

11. Грач В. С., Демехов А.Г. Взаимодействие релятивистских электронов с пакетами электромагнитных ионно-циклотронных волн конечной длительности и малой амплитуды Физика плазмы, T. 49, № 7, стр. 683-694 (год публикации - 2023)
10.31857/S0367292123600334

12. Климов П.А., Калегаев В.В., Сигаева К.Ф., Иванова А.Р., Антонюк Г.И., Бенгин В.В., Золотарев И.А Near-UV Pulsations in the Aurora Region Measured by Orbital Telescope TUS during High-Intensity and Long-Duration Continuous AE Activity. Remote Sensing, Т. 15.,№. 1., С. 147. (год публикации - 2023)
10.3390/rs15010147

13. Климов П.А., Антонюк Г.И., Бенгин В.В., Иванова А.Р., Калегаев В.В., Сигаева К.Ф., Власова Н.А., Золотарев И.А. Пульсирующие полярные сияния в ультрафиолетовом диапазоне и высыпания электронов высокой энергии по данным спутников «Ломоносов» и «Метеор-М2» “Physics of Auroral Phenomena”, Proc. XLV Annual Seminar, Polar Geophysical Institute, “Physics of Auroral Phenomena”, Proc. XLV Annual Seminar, Apatity, pp. 66-69, 2022 (год публикации - 2022)
10.51981/2588-0039.2022.45.012

14. Шугай Ю.С., Калегаев В.В., Капорцева К.Б., Слемзин В.А., Родькин Д.Г., Еремеев В.Е. Modeling of Solar Wind Disturbances Associated with Coronal Mass Ejections and Verification of the Forecast Results Universe, 8(11), 565 (год публикации - 2022)
10.3390/universe8110565

15. Капорцева К.Б., Шугай Ю.С., Вахрушева А.А., Калегаев В.В., Ширяев А.О., Еремеев В.Е. CME Forecasting System: Event Selection Algorithm, Dimming Data Application Limitations, and Analysis of the Results for Events of the Solar Cycle 24 Universe, 10(8), 321 (год публикации - 2024)
10.3390/universe10080321

16. Вахрушева А.А., Капорцева К.Б., Шугай Ю.С., Еремеев В.Е., Калегаев В.В. Modeling Arrival Time of Coronal Mass Ejections to Near-Earth Orbit Using Coronal Dimming Parameters Cosmic Research, 62, 350–358 (год публикации - 2024)
10.1134/S0010952524600422

17. Власова В.Н., Калегаев В.В. On Consistent Dynamics of the Magnetic Field and Relativ Cosmic Research, Vol. 62, No. 4, pp. 339–349 (год публикации - 2024)
10.1134/S0010952524600410

18. Грач В.С., Артемьев А.В., Демехов А.Г., Занг Х.Дж., Бортник Я., Ангелопулос В. Electron Precipitation Driven by EMIC Waves: Two Types of Energy Dispersion Geophysical Research Letters , 51, e2023GL107604 (год публикации - 2024)
10.1029/2023GL107604

19. Климов П.А., Сигаева К.Ф., Калегаев В.В. Registration of Auroral Oval Emission in the Near-UV Range by the TUS Orbital Detector Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, Т. 88, №. 2., С. 281-284 (год публикации - 2024)
10.1134/S1062873823705408

20. Грач В. С. , Демехов А.Г. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОНОВ С ПАКЕТАМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИОННО-ЦИКЛОТРОННЫХ ВОЛН КОНЕЧНОЙ ДЛИНЫ В МАГНИТОСФЕРЕ ЗЕМЛИ Известия вузов. Радиофизика, Том LXVII, № 5 (год публикации - 2024)

21. Доронин Г.Г., Миронова И.А., Миронов А.Д., Бобров Н.В. Сhanges in the chemical composition of the polar atmosphere according to satellite observations in January 2005 Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics (год публикации - 2025)

22. Миронова И.А., Галкин Д.В., Иванова А.P., Розанов Е.В., Калегаев В.В. Atmospheric response to energetic electron precipitation during weak magnetic storm 1- 4 February 2015 Springer Nature (год публикации - 2025)

23. Миронова И.А., Иванова А.Р.,Базилевская Г.А., Миронов А.Д., Калегаев В.В. Ionization effects caused by precipitation of energetic electrons during geomagnetic disturbances Atmospheric and Oceanic Optics (год публикации - 2024)

24. Яхнина Т.А., Демехов А.Г., Попова Т.А., Любчич А.А. ВЫСЫПАНИЯ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОНОВ, СВЯЗАННЫЕ С ОСЛАБЛЕНИЕМ НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В РАЙОНЕ ЮЖНО-АТЛАНТИЧЕСКОЙ АНОМАЛИИ, ВО ВРЕМЯ ГЕОМАГНИТНОЙ БУРИ 10 – 17 ОКТЯБРЯ 2017 Г. “Physics of Auroral Phenomena”, Proc. XLVII Annual Seminar, Apatity, Polar Geophysical Institute, “Physics of Auroral Phenomena”, Proc. XLVII Annual Seminar, Apatity, pp. 64-67 (год публикации - 2024)
10.51981/2588-0039.2024.47.014

25. Махмутов В.С., Базилевская Г.А., Квашнин А.Н., Крайнев М.В., Свиржевский Н.С., Свиржевская А.К., Стожков Ю.И. Magnetospheric Electron Precipitation Recorded in the Atmosphere at Middle and Polar Latitudes in 2022–2023 Cosmic Research, Vol. 62, No. 6, pp. 558–563 (год публикации - 2024)
10.1134/S0010952524600446

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проект «Потоки энергичных электронов внешнего радиационного пояса в высокоширотной магнитосфере и их влияние на состояние верхней и средней атмосферы» направлен на исследование динамики потоков электронов внешнего радиационного пояса Земли под воздействием глобальных физических процессов, обеспечивающих передачу энергии в цепи: солнечный ветер – хвост магнитосферы – внешний радиационный пояс – ионосфера/атмосфера. Динамические процессы, происходящие во внешнем радиационном поясе: ускорение, перенос и потери энергичных электронов, - происходят под воздействием межпланетной среды и обусловлены волновой и геомагнитной активностью в магнитосфере. Вариации магнитосферного магнитного поля сопровождаются генерацией электрических полей и приводят к ускорению и рассеянию заряженных частиц. Энергетика этих процессов непосредственно, или опосредованным образом, контролируется солнечным ветром, поскольку геомагнитные возмущения в магнитосфере развиваются под воздействием меняющихся условий в межпланетной среде. В 2024 году исполнителями проекта на примере нескольких событий проведено исследование пространственных и спектральных характеристик потоков энергичных электронов внешнего радиационного пояса на разных высотах. Для магнитной бури 6-13.11.2015 исследованы пространственно-временные характеристики потоков частиц внешнего радиационного пояса на высотах спутников VAP и Метеор М2. Максимальные потоки электронов релятивистских и субрелятивистских энергий различаются на два порядка, они понижаются на главной фазе бури и синхронно возрастают к добуревым значениям на фазе восстановления. На главной фазе бури наблюдается падение потоков электронов (>0.1 МэВ) на низкой орбите и возрастание в приэкваториальной области. Формирование такой популяции объясняется суббуревыми инжекциями электронов и их рассеянием: (1) на ОНЧ волнах; (2) в искривленном магнитном поле ночной магнитосферы. Для продолжительного периода (16.10.2016-16.02.2017) умеренной и слабой геомагнитной активности, вызванной приходом к Земле десяти последовательных высокоскоростных потоков солнечного ветра, показано, что крупномасштабные вариации потока электронов в области геостационарной орбиты могут объясняться адиабатическими изменениями внешнего радиационного пояса под воздействием бурь умеренной геомагнитной активности. Результаты сравнительного анализа вариаций потоков электронов и компонент магнитосферного поля свидетельствуют о преимущественном влиянии структуры магнитного поля в ночной магнитосфере на динамику потоков релятивистских электронов внешнего радиационного пояса. Определены области в магнитосфере, где происходит рассеяние электронов, приводящее к высыпанию частиц в атмосферу в зависимости от геомагнитной и волновой активности. При проектировании в экватор областей высыпаний энергичных электронов на орбитах низкоорбитальных спутников Метеор-М2 и NOAA/POES в течение периода 6-13.11.2015 использовалась динамическая модель магнитосферного поля А2000, учитывающая изменение структуры магнитосферы под воздействием солнечного ветра и геомагнитной активности. Высыпания начинаются под воздействием фронта давления солнечного ветра на внешних L-оболочках. На главной фазе бури и на ранней фазе восстановления магнитной бури, высыпания связаны с суббуревой и волновой активностью и смещаются на более низкие дрейфовые оболочки, вплоть до L=3. Показано, что процессы взаимодействия потоков электронов с волнами разной природы локализованы в различных областях магнитосферы. Высыпания могут наблюдаться во всех секторах по местному времени и в широких диапазонах по L. Присутствуют энергетические зависимости, связанные с разными механизмами рассеяния высыпающихся электронов разных энергий в различных MLT-секторах. Восстановлены спектры высыпаний энергичных электронов, одновременно зарегистрированных в ходе баллонных и спутниковых экспериментов на близких MLT во время геомагнитного возмущения 11-16.10.2017. Показано, что спектры высыпаний на высотах около 30 км и около 800 км имеют практически одинаковый наклон (в степенном представлении показатель примерно -3), меняется только интенсивность потока частиц. Исследовалась связь между интенсивностью волн в магнитосфере и высыпаниями релятивистских электронов. Использовались данные об электромагнитных сигналах в диапазоне КНЧ-ОНЧ со спутников VAP и ERG. Показано, что наблюдается корреляция между волновой и суббуревой активностью. С использованием восстановленных спектров высыпающихся энергичных электронов выполнен расчет скоростей ионизации атмосферы. Рассчитаны атмосферные эффекты от высыпаний релятивистских электронов разных групп по классификации [Yahnin et al., 2016]. Показано, что высотный профиль скорости ионизации атмосферы для высыпаний энергичных электронов группы 1, вызванных нарушением первого инварианта, существенно отличается от профиля скорости ионизации атмосферы во время высыпаний третьей группы, обусловленных ЭМИЦ волнами, и имеющих более жесткий энергетический спектр. В частности, скорость ионизации для высыпаний 1 группы на высоте 90 км выше на 2 порядка. С использованием химико-климатических моделей исследовались эффекты от воздействия высыпаний электронов, такие как: ионизация атмосферы, разрушение озонового слоя, стратосферные потеплению. Показано, что высыпания энергичных электронов в атмосферу под воздействием геомагнитной активности приводят к значительным изменениям атмосферной циркуляции и переносу примесей, сформировавшихся в верхней атмосфере, что обусловило сдвиг холодного вихря и внезапное стратосферное потепление в середине февраля 2018 года. Наряду с высокоскоростными потоками солнечного ветра из корональных дыр важным источником вариаций магнитосферного поля и внешнего радиационного пояса являются корональные выбросы солнечного вещества. В 2024 году детально исследованы источники корональных выбросов массы и параметры, характеризующие их потенциальное воздействие на магнитосферу Земли. Предложены методы моделирования прихода корональных выбросов массы на орбиту Земли.

Публикации