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 25-22-00953
НазваниеМодель области пенумбры космических лучей в околоземном пространстве на основе траекторных расчётов заряженных частиц в магнитосфере Земли и экспериментальных данных спектрометра ПАМЕЛА
Руководитель Малахов Виталий Валерьевич, канд. физ.-мат. наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" , г Москва
Конкурс №118 - Конкурс на получение грантов РНФ по мероприятию «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» приоритетного направления деятельности Российского научного фонда «Поддержка проведения научных исследований и развития научных коллективов, занимающих лидирующие позиции в определенных областях науки»
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-104 - Космические лучи
Ключевые слова Пенумбра, жёсткость геомагнитного обрезания, космические лучи, околоземное пространство, спектрометр ПАМЕЛА
Код ГРНТИ29.05.45
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Область пенумбры космических лучей в околоземном пространстве отличается высокой степенью хаотичности, довольно сложна для анализа и как следствие плохо структурирована. Это в свою очередь мешает как экспериментальным измерениям в этой области, так и численным расчётам, хотя существует очевидный ряд исследований (от вычислений дозовой нагрузки до моделирования вторичных космических лучей), где такие данные были бы весьма полезны . Основным и почти единственным широко используемым типом анализа, затрагивающим эту область, являются расчёты жёсткости геомагнитного обрезания (ЖГО). Но и в этом случае в большинстве случаев используется лишь одно характерное значение жёсткости, специальным образом усреднённое по всей ширине пенумбры. И хотя существует достаточно большое число инструментов и сервисов, основанных на траекторных расчётах, они тем не менее не являются удобными инстументами для структурирования этой области. Кроме того сами по себе траекторные расчёты имеют здесь ограниченную точность. Главным их недостатком, особенно сильно проявляющимся именно в области пенумбры, является сильная зависимость результатов от большого числа параметров, конкретных алгоритмов и схем их реализации, которые достаточно сложно стандартизировать. Для обширных областей околоземного пространства это, например, приводит к различиям в сотни МВ (а иногда несколько ГВ) в значениях эффективного ЖГО (напрямую зависящими от структуры пенумбры), рассчитанных независимо разными авторами. При этом без точных экспериментальных измерений невозможно подтвердить тот или иной результат.
Основной целью Проекта является структурирование этой области, которое позволит дать основу как для экспериментальных расчётов потоков с использованием существующих данных, так и для разработки дизайна новых экспериментов. Полученный результат будет оформлен в виде модели, которая будет включать в себя ряды характерных значений жёсткостей, разделяющих отдельные области пенумбры, в зависимости от географических координат, высоты и направления обзора в условиях магнитоспокойного времени, а также функции для интерполяции, построения различных срезов и отбора отдельных областей пенумбры в пространстве координат, направлений и жёсткости.
Для построения такой модели предлагается комбинированный подход с использованием как траекторных расчётов так и прецизионных измерений потоков космических лучей по данным спектрометра ПАМЕЛА. Первая часть предполагает деление энергетического диапазона пенумбры, полученного на основе траекторных расчётов, на отдельные составляющие на основании соотношения суммарной ширины запрещённых и разрешённых полос в каждом диапазоне. Вторая - расчёт потоков в каждом из полученных энергетических диапазонов.
Такой подход позволит не только сравнить структуры пенумбры, полученные разными схемами трейсинга, сопоставлением с соответствующими экспериментальными распределениями (и в случае заметных расхождений определить наиболее подходящую), но и в целом валидировать траекторные расчёты в этой области.
Полученные значения потоков протонов в отдельных областях пенумбры также будут оформлены в отдельную эмпирическую модель потоков протонов в области пенумбры по данным эксперимента ПАМЕЛА.
Ожидаемые результаты
В рамках работы по Проекту будут получены следующие результаты:
1. По данным магнитного спектрометра PAMELA будут получены интенсивности потоков протонов в области пенумбры, для отдельных энергетических диапазонов в её пределах. На основе этих расчётов будет разработана эмпирическая модель потоков протонов. Модель будет описывать области пенумбры, характеризующиеся жёсткостями выше 400 МВ, и соответствующие высотам от 350 до 600 км для солнечного минимума 2006 по 2010 года в магнитоспокойные периоды. Такие данные будут важны для точных расчётов дозовой нагрузки как на космонавтов при проведении пилотируемых миссий, так и на электронику космических аппаратов (Copeland, 2020, Chen, 2023), а также для валидации комплексных моделей потоков заряженных частиц в околоземном пространстве (Selesnick, 2022).
2. Будет построена численная модель пенумбры протонов космических лучей магнитоспокойного времени, представляющая из себя ряды характерных значений жёсткости (разделяющие отдельные её области) в зависимости от географических координат, высоты и направления обзора. При этом модель будет валидирована прецизионными измерениями спектрометра ПАМЕЛА. Программная реализация модели будет содержать функции для интерполяции этих значений, построения различных срезов и отбора отдельных областей пенумбры в пространстве координат, направлений и жёсткости. Модель будет охватывать высоты от поверхности Земли до 2 радиусов, весь диапазон возможных направлений в каждой точке пространства и диапазон жёсткостей свыше 10 МэВ.
Подобная подробная модель позволит гораздо точнее разделять геомагнитные области как в пространстве, так и по направлениям прихода, а также жесткостям регистрируемых частиц. В первую очередь речь идёт о разделении области галактических и альбедных космических лучей, а также разных типов альбедных частиц. В экспериментальных измерениях более точные границы геомагнитных областей позволят увеличить статистику отбираемых событий в интересуемой области. Точная и структурированная граница геомагнитных областей позволит значительно улучшить исследования, в которых в качестве границы традиционно используются карты ЖГО. Например, при комплексном моделировании процессов происходящих со вторичными частицыми (Selesnick, 2022), или отдельных механизмах, например CRAND (Sarkar, 2022). Также такие значения могут быть важны для расчёта функции отклика нейтронных мониторов (Mishev, 2020), при которых на данный момен область пенумбры пренебрегается, часто с большим запасом.
В целом подобная подробная модель будет важна в задачах связанных с расчётом ЖГО и отчасти в условиях магнитоспокойного времени способна будет их заменить.
3. Будут выбраны оптимальные настройки траекторных расчётов, позволяющие наилучшим образом согласовать их результаты с экспериментальными измереними. Это позволит определить параметры, вариации которых наибольшим образом влияют на структуру пенумбры, и соответственно вычисленное значение жёсткости и дать рекомендации по их использованию, основанные на экспериментально подтверждённых данных, для траекторных расчётах в целом в околоземном пространстве, в том числе для задач, не связанных с ЖГО.
O. Adriani et al., “PAMELA Measurements of Cosmic-Ray Proton and Helium Spectra,” Science, vol. 332, no. 6025, pp. 69–72, Apr. 2011, doi: 10.1126/science.1199172.
R. S. Selesnick and M. D. Looper, “Modeling the Albedo Neutron Decay Source of Radiation Belt Electrons and Protons,” Journal of Geophysical Research: Space Physics, vol. 127, no. 7, Jul. 2022, doi: 10.1029/2022JA030405.
R. Sarkar and A. Roy, “Monte Carlo simulation of CRAND protons trapped at low Earth orbits,” Advances in Space Research, vol. 69, no. 1, pp. 197–208, Jan. 2022, doi: 10.1016/j.asr.2021.10.006.
K. Copeland, “CARI-7 Documentation: Geomagnetic Cutoff Rigidity Calculations and Tables for 1965-2010,” Oklahoma City, Jul. 2020.
X. Chen, S. Xu, X. Song, R. Huo, and X. Luo, “Astronaut Radiation Dose Calculation With a New Galactic Cosmic Ray Model and the AMS‐02 Data,” Space Weather, vol. 21, no. 4, Apr. 2023, doi: 10.1029/2022SW003285.
A. L. Mishev, S. A. Koldobskiy, G. A. Kovaltsov, A. Gil, and I. G. Usoskin, “Updated Neutron‐Monitor Yield Function: Bridging Between In Situ and Ground‐Based Cosmic Ray Measurements,” Journal of Geophysical Research: Space Physics, vol. 125, no. 2, Feb. 2020, doi: 10.1029/2019JA027433.