Моделирование магнитосферы Земли и динамики её возмущений на основе новых методов и современных архивных данных: 2020 г. этап 1

Project

Project Details

Description

Магнитосферное магнитное поле является главным связующим фактором, определяющим процессы в околоземном космосе. Его изменения в ходе геомагнитных бурь сопровождаются накоплением и быстрым высвобождением значительных объёмов энергии, всплесками электрических полей, ростом потоков частиц в радиационных поясах, ионосферными возмущениями, полярными сияниями, нагревом верхней атмосферы и другими эффектами, объединяемыми термином «космическая погода». Их понимание и предсказание имеют первостепенное значение в обеспечении надёжности спутниковых систем, а роль моделей магнитосферы в этих задачах с полным правом уподобляют роли карт в эпоху географических открытий. Моделирование магнитосферы по спутниковым данным было и остаётся эффективным инструментом исследований солнечно-земных связей, успешно развивающимся и дополняющим теоретические модели, основанные на численных симуляциях. В последние годы авторами настоящей заявки разработаны новые методы и основанные на них прототипы моделей, позволяющие воспроизводить ключевые области магнитосферы с недоступным ранее пространственным разрешением. Данный проект - логическое продолжение тех исследований, с главным акцентом на моделировании временной динамики магнитосферы в ходе геомагнитных бурь и суббурь.

Layman's description

Магнитосферное магнитное поле является главным связующим фактором, определяющим процессы в околоземном космосе. Его изменения в ходе геомагнитных бурь сопровождаются накоплением и быстрым высвобождением значительных объёмов энергии, всплесками электрических полей, ростом потоков частиц в радиационных поясах, ионосферными возмущениями, полярными сияниями, нагревом верхней атмосферы и другими эффектами, объединяемыми термином «космическая погода». Их понимание и предсказание имеют первостепенное значение в обеспечении надёжности спутниковых систем, а роль моделей магнитосферы в этих задачах с полным правом уподобляют роли карт в эпоху географических открытий. Моделирование магнитосферы по спутниковым данным было и остаётся эффективным инструментом исследований солнечно-земных связей, успешно развивающимся и дополняющим теоретические модели, основанные на численных симуляциях. В последние годы авторами настоящей заявки разработаны новые методы и основанные на них прототипы моделей, позволяющие воспроизводить ключевые области магнитосферы с недоступным ранее пространственным разрешением. Данный проект - логическое продолжение тех исследований, с главным акцентом на моделировании временной динамики магнитосферы в ходе геомагнитных бурь и суббурь.

Key findings for the project

Полностью обновлена и расширена многолетняя база данных спутниковых измерений в магнитосфере и межпланетной среде, а также индексов наземной возмущённости, за период 1995-2019гг. Разработана техника динамического моделирования эволюции магнитосферного магнитного поля в процессе космических бурь на основе синтеза (1) нового математического представления поля посредством цилиндрических базисных функций и (2) нового метода "ближайших соседей" (NN), осуществляющего динамический отбор архивных данных в пространстве параметров состояния магнитосферы. С использованием этих методов и обновлённой базы данных, осуществлено моделирование динамики магнитосферы в ходе интенсивной геомагнитной бури 27-29 мая 2017г. с мощным внезапным началом вследствие прихода ударной волны от Солнца.

Key findings for the stage (in detail)

Полностью обновлена и расширена многолетняя база данных спутниковых измерений в магнитосфере и межпланетной среде, а также индексов наземной возмущённости, за период 1995-2019гг. Помимо новых данных Cluster-3, Themis-A/D/E, Geotail, Van Allen-A/B и ММS-1, в базу впервые включены данные Cluster-1, -2, и -4 с самого начала эксперимента в 2001г по 2018г. В настоящем варианте, итоговая база содержит данные 14 спутников и насчитывает в сумме 8 840 460 записей с 5-минутным осреднением. Разработана техника динамического моделирования эволюции магнитосферного магнитного поля в процессе космических бурь на основе синтеза (1) нового математического представления поля посредством цилиндрических базисных функций и (2) нового метода "ближайших соседей" (NN), осуществляющего динамический отбор архивных данных в пространстве параметров состояния магнитосферы. С использованием этих методов и обновлённой базы данных, осуществлено моделирование динамики магнитосферы в ходе интенсивной геомагнитной бури 27-29 мая 2017г. с мощным внезапным началом вследствие прихода ударной волны от Солнца. Обнаружена интересная особенность распределениЙ поля при внезапном начале бури: именно, резкий выброс части магнитного потока из ночного сектора внутренней магнитосферы. При этом быстро растёт плотность тока в ближней приполуночной области и происходит кратковременное, но очень сильное вытягивание магнитных силовых линий. По окончании фазы внезапного начала поле частично релаксирует к более спокойной конфигурации, но на последующих этапах бури вновь вытягивается вследствие накопления магнитного потока в долях хвоста. К моменту максимума бури в предполуночном секторе формируется глубокая и асимметричная околоземная депрессия магнитного поля, связанная с ростом частичного кольцевого тока. На фазе восстановления депрессия постепенно обволакивает Землю по всему интервалу долгот, а частичный кольцевой ток переходит в симметричный, в соответствии с общепринятыми представлениями о его динамике.

Key findings for the stage (summarized)

Полностью обновлена и расширена многолетняя база данных спутниковых измерений в магнитосфере и межпланетной среде, а также индексов наземной возмущённости, за период 1995-2019гг. Разработана техника динамического моделирования эволюции магнитосферного магнитного поля в процессе космических бурь на основе синтеза (1) нового математического представления поля посредством цилиндрических базисных функций и (2) нового метода "ближайших соседей" (NN), осуществляющего динамический отбор архивных данных в пространстве параметров состояния магнитосферы. С использованием этих методов и обновлённой базы данных, осуществлено моделирование динамики магнитосферы в ходе интенсивной геомагнитной бури 27-29 мая 2017г. с мощным внезапным началом вследствие прихода ударной волны от Солнца.

Academic ownership of participants (text description)

Н. А. Цыганенко - общее руководство проектом, разработка математической формулировки моделей магнитосферы, создание расчётных алгоритмов, представление результатов на семинарах и конференциях, написание статей.
В. А. Андреева - подготовка экспериментальных данных для расчётов, обсуждеие результатов, участие в написании статей.

Transfer of the full copy of the report to third parties for non-commercial use: permitted/not permitted

разрешается

Check of the report for improper borrowing in external sources (plagiarism): permitted/not permitted

разрешается
AcronymRFBR_a_2020 - 1
StatusFinished
Effective start/end date15/01/2031/12/20