Инжекции энергичных частиц во внутреннюю магнитосферу в периоды магнитосферных суббурь являются основным источником пополнения радиационного пояса Земли (где они претерпевают дальнейшее ускорение), а также основным источником интенсивных высыпаний энергичных электронов (с энергиями в десятки-сотни кэВ) в авроральную ионосферу, которые существенно модифицируют нижнюю ионосферу высоких широт, создают угрозы устойчивой радиосвязи и спутниковой навигации. Явления эти важны в практическом плане как одни из основных угроз
«космической погоды», исследованию которой посвящены специальные крупные программы в США, Евросоюзе, Китае и Японии.
С точки зрения физики, процесс инжекций сложен, и известен лишь в общих чертах. Установлено, что рожденные при импульсном магнитном пересоединении в локальных участках токового слоя хвоста магнитосферы быстрые выбросы плазмы (струйные течения, BBFs), вследствие пониженного в них значения энтропии плазменной трубки поляризуются и могут перемещаться в область более сильного магнитного поля. При торможении в сравнительно небольшой области стыка токового слоя и внутренней магнитосферы, BBF генерируют азимутальные течения плазмы, ускоряют и инжектируют энергичные частицы поставляемые в кольцевой ток и радиационный пояс, и создают вследствие высыпаний разнообразные структуры ионизации и свечения ионосферы. Сами же процессы торможения и инжекции , которые кратки, локализованы в пространстве, динамичны и обладают многомасштабными свойствами весьма скудно исследованы как в спутниковых экспериментах, так и в численном моделировании (из-за отсутствия в прошлом требуемого высокого разрешения и адекватных задаче методов моделирования).Таким образом, задача детального описания на физическом уровне процессов взаимодействия плазменных струй со внутренней магнитосферой и его последствий научно значима и актуальна.
В настоящем проекте, используя результаты численных моделей и экспериментальные данные об этих процессах,полученные по измерениям много-спутниковых систем и наземных сетей, предлагается исследовать несколько аспектов процесса инжекции энергичных электронов, важных как для понимания физической картины инжекций, так и для физического-обоснования возможных практических приложений.
Конкретная задача и комплексность
(1). На основе глобального самосогласованного численного моделирования внедрения струйных течений во внутреннюю магнитосферу, учитывающего дрейфы частиц (RCM-I модель), рассмотреть пространственно-временную взаимосвязь магнитной диполизации и вариаций потоков ЭЭ в области инжекции и закономерности долготного распределения потоков частиц после единичной инжекции. Получить по данным моделирования радиальное распределения инжектированных потоков энергичных электронов и функции отклика на разных долготах в магнитосфере и в проекции на ионосферу; сравнить эти данные моделирования с эмпирическими данными, полученными для высыпаний энергичных электронов в авроральной зоне.
(2)., Исследовать эмпирически связь амплитуд диполизации и инжекции энергичных электронов вблизи области торможения струйных течений и соотношения их амплитуд с изменениями МРВ индекса и тока в системе токового клина суббури (SCW) в периоды суббурь. По совокупности модельных и эмпирических данных изучить особенности радиальной структуры областей диполизации и инжекции в зоне торможения. На основе спутниковых измерений в окрестности геостационарнй орбиты установить в области инжекции локальную эффективную зависимость инжектируемых потоков ЭЭ от амплитуды диполизации, выяснить: как соотносятся эти величины с величиной наземных возмущений связанных с диполизацией, как меняются коэффициенты связи в этих соотношениях в зависимости от расстояния спутника и степени вытянутости магнитной конфигурации и пр.
(3). Исследовать механизм известной сильной корреляции скорости солнечного ветра с уровнем потоков энергичных электронов в плазменном слое. Используя координированные измерения спутников находящихся в разных областях (в солнечном ветре и на разных расстояниях в плазменном слое) выяснить -является ли определяющим влияние скорости солнечного ветра на зффективность механизмов ускорения в магнитосфере (и какого из них), либо эффект задается изменением исходных электронных спектров в солнечном ветре; уточнить соответствующий ускорительный механизм. С учетом этих данных построить эффективное эмпирическое соотношение описывающее среднюю зависимость потоков энергичных электронов на входе во внутреннюю магнитосферу (11-13Re) от межпланетных параметров с учетом широкого диапазона задержек влияния.
Таким образом, при комплексном подходе сочетающем численное моделирование и эмпирические исследования с помощью спутниковых систем и наземных измерений мы рассчитываем получить существенные подтверждения модели «инжектируемого дрейфующего облака», уточнить физическую модель инжекций (в плане зависимости инжектируемого потока от сопутствующих магнитных возмущений, пп.1, 2, и исходного уровня потоков ускоряемых частиц , п.3), и получить набор соотношений для развития в будущем прообраза оперативной модели, использующей величины наземных магнитных вариаций (напр.,МРВ индекса) для задания интенсивности инжекции (с учетом коррекции по параметрам СВ), функцию описывающую радиальное распределение инжектированных потоков дрейфующего электронного облака (в проекции на ионосферу) и зависящую от долготы функцию отклика
Научная новизна исследований, обоснование достижимости решения поставленной задачи
Полагаем, что упомянутые выше результаты будут новыми на мировом уровне (см. о состоянии дел в последующем разделе 4.5). С высоким разрешением и в реалистичной постановке численное моделирование инжекций в результате внедрения струйного течения пока не проводилось. Локальные соотношения между амплитудами диполизации и инжекции по спутниковым измерениям не исследованы.
Механизм реализующий сильное влияние скорости солнечного ветра на уровень потоков энергичных электронов в плазменном слое пока не установлен.
Тематика является новой для научного коллектива с точки зрения метода, и конкретного предмета исследования, в том числе:
- Проблематика взаимосвязи диполизаций и инжекций энергичных частиц с точки зрения получения локальных количественных соотношений между ними ранее не изучалась. В нашем случае мы воспользуемся как результатами численного RCM моделирования, так и эмпирическим исследованием вариаций магнитного поля и потоков энергичных частиц в окрестности геостационарной орбиты для определения связи этих величин.
- Вопрос о механизме преимущественного влияния скорости СВ на уровень потоков энергичных электронов в плазменном слое не изучался, как и соотношение потоков энергичных электронов в разных областях околоземного пространства (СВ, переходная область, дальний и ближний плазменный слой) при разных состояниях СВ и разных уровнях активности;
- Анализируя результаты RCM моделирования группа приобретет новые для себя компетенции, связанные с обработкой и анализом результатов численного суперкомпьютерного моделирования магнитосферных процессов с высоким разрешением.
Достижимость и возможность получения заявленных результатов определяется тем, что:
-Участники группы имеют значительный опыт анализа разнообразных спутниковых данных применительно к проблемам магнитосферной динамики; Группа располагает опытом и программами инверсии наземных магнитных вариаций для определения параметров токовой системы SCW, опытом восстановления функций отклика высыпаний ЭЭ на элементарное возмущение суббури, и пр.
- Группа имеет рабочие контакты с коллективом Южного Университета Науки и Технологий В ее (SUSTech, China) под руководством профессора J. Yang ; проводящим суперкомпьютерное моделирование струйных течений с высоким разрешением. Для начальной стадии исследования задачи (1) в нашем распоряжении есть материалы одной симуляции внедрения струйных течений
-Необходимые спутниковые и наземные данные находятся в открытом доступе на сайте CDAWeb и пр..
Три разных задачи предполагается решать следующим образом.
(1) В нашем распоряжении есть (из предыдущей совместной работы с группой проф.J.Yang‘a ) результаты RCM-I расчета параметров плазмы и Е-В полей в течение инжекции BBF с последующим дрейфом ЭЭ в течение получаса после инжекции. Эти материалы будут использованы на начальном этапе для отработки программ анализа и визуализации данных, и построения радиальных профилей (зависимости потока J(r)). и функций отклика (зависимости потока J(t)). Параллельно предполагается получить от китайских коллег материалы симуляций с другими условиями (случай с другими исходными параметрами фонового плазменного слоя, случай наложенных инжекций и др) для последующего более детального исследования. Параллельно, используя базы риометрических и МРВ данных и метод реализованный в статье (Sergeev et al.SW 2020), будут рассчитаны функции отклика аврорального поглощения (высыпаний ЭЭ) для суббурь короткой длительности, пригодные для сопоставления с модельными данными для единичных инжекций. Сравнение модельных и эмпирических радиальных (широтных) зависимостей и функций отклика (профилей J(t) на разных долготах), мы надеемся, позволит доказать реалистичность и перспективность сценария «инжектированного дрейфующего облака» для оперативных динамических моделей высыпаний.ЭЭ.
(2) Явления диполизации (роста В) и инжекции (роста потоков энергичных частиц) генетически связаны (переносятся струями BBF), а соотношение их интенсивностей (вдоль дрейфовой траектории частицы) определяется бетатронным эффектом. Для изучения эффективных локальных соотношений между вариациями δBZ и возрастаниями потока (фазовой плотности) энергичных электронов в областях инжекции, наиболее часто достигающих расстояний 5-7 Re в около-полуночной области, мы воспользуемся данными координированных измерений спутников GOES-15 (эпизодически также -13 и -14) и RBSP-A,-В, за интервал 2012-2017гг. Для отбора событий диполизации в около-полуночном секторе мы воспользуемся прежде всего событиями сопряжений спутников, исследованными в работах (Ohtani et al JGR 2020, Motoba et al JGR 2018). Для выделения других событий и количественной оценки наземных эффектов диполизации (системы SCW) - в нашем распоряжении MPB индекс и магнитные данные сети ИНТЕРМАГНЕТ,а также программы инверсии магнитограмм.
Эмпирические соотношения между δBZ и δJ будут сравнены с результатами моделирования и немногочисленными измерениями нескольких спутников в области торможения для физической интерпретации этих результатов. По совокупности модельных и эмпирических данных мы рассмотрим особенности радиальной структуры областей диполизации и инжекции, в частности в области заторможенного фронта диполизации. .
(3) Для эмпирического исследования механизма сильной зависимости потоков ЭЭ в магнитосфере от скорости солнечного ветра нужно воспользоваться одновременными их измерениями в СВ и магнитосфере (для контроля влияний обусловленных вариациями источника). Мы воспользуемся базой измерений спутников THEMIS в области входа ЭЭ во внутреннюю магнитосферу (10-12Re) за 2007-2018 (использованной в нашей работе Stepanov et al.JGR2021) и дополним ее измерениями ACE/WIND в солнечном ветре и ARTEMIS (r~60Re) в периоды их нахождения в хвосте магнитосферы. Используя координированные измерения, мы сделаем акцент на анализе измерений в быстром
(V>550 км\с) и медленном (V<350км\с) солнечном ветре в сравнительно спокойные периоды, когда акты ускорения внутри магнитосферы отсутствуют или единичны. При контроле утро-вечерней асимметрии потоков в магнитосфере и дополняя количественными соотношениями потоков ЭЭ (как функции V и АЕ индекса) мы рассчитываем получить сведения о зависимости потоков ЭЭ от потоков в СВ, расстояния в хвосте, локализации поперек хвоста и др.), на основе чего уточнить возможный зависящий от скорости СВ механизм ускорения.
Используя упомянутую базу данных THEMIS в области входа ЭЭ во внутреннюю магнитосферу (10-12Re, вне области основного торможения BBF) мы построим наибоолее эффективные соотношения описывающие зависимость параметров тепловой плазмы (Ne,Te), потоков и фазовых плотностей энергичных электронов от внешних параметров (с учетом задержек в широком диапазоне) и исследуем выборки, относящиеся к эпизодам быстрого перехода от активного к спокойному состоянию для оценки времен релаксации. Эти данные позволят получить соотношение для
инициализации потоков ЭЭ в модели дрейфующего облака.
Общий план работы на весь срок выполнения проекта таков:
(1). По данным численного моделирования внедрения струйных течений во внутреннюю магнитосферу в модели RCM-I изучить пространственно-временную взаимосвязь магнитной диполизации и вариаций потоков ЭЭ в области инжекции при инжекции плазменных струй. Построить модельные радиальное распределения инжектированных потоков
энергичных электронов J(r) и их функции отклика J(t) на разных долготах [2022-2023]. Сравнить модельные данные с эмпирическим широтными распределением и функциями отклика на разных долготах полученными для аврорального поглощения методом описанным в работе Sergeev et al.SW2020 для суббурь короткой длительности [2022-2023].
(2). На основе кординированных спутниковых измерений в окрестности геостационарной орбиты (GOES(-13),-15, RBSP-A,В) получить количественные соотношения между локальными вариациями магнитного поля (δBZ) и возрастаниями потока энергичных электронов (30 и 100кэв) на спутнике в области инжекции и соотношения этих величин с приращениями наземного МРВ индекса и параметрами токового клина суббури [2022]. Сравнить эмпирические данные с результатами моделирования, определить как меняются коэффициенты связи в этих соотношениях в зависимости от расстояния спутника и степени вытянутости магнитной конфигурации и пр. , по совокупности модельных и эмпирических данных изучить особенности радиальной структуры областей диполизации и инжекции в области заторможенного фронта диполизации; [2023] (3). Собрать базу данных координированных измерениий спутников находящихся в разных областях (THEMIS r~10-13 Re в плазменном слое, ARTEMIS r~60Re в СВ и плазменном слое, ACE/WIND в СВ) [2022];- изучить базовый уровень потоков ЭЭ энергий 1-100 кэВ в плазменном слое в длительные спокойные периоды по одновременным измерениям в разных областях (СВ, ПО, ПС) в состояниях быстрого (V>550 км/с) и медленного (V<350км/с) солнечного ветра; получить информацию о утро-вечерней асимметрии потоков ЭЭ и их радиальной зависимости для определения .[2022-2023].
На основе обширной базы измерений спутников THEMIS в области входа ЭЭ во внутреннюю магнитосферу (10-12Re,вне области основного торможения BBF) получить наиболее эффективные соотношения описывающие зависимость параметров тепловой плазмы (Ne,Te), потоков и фазовых плотностей энергичных электронов от внешних параметров [2022]. Исследовать выборки относящиеся к эпизодам быстрого перехода от активного к спокойному состоянию для оценки времен релаксации. Сделать заключения об основном канале влияния Vsw на потоки электронов и о механизме такого влияния . [2023]
Статьи задела
Sergeev, V. A., Sun, W., Yang, J., & Panov, E. V. (2021). Manifestations of magnetotail flow channels in energetic particle signatures at low-altitude orbit. Geophysical Research Letters, 48, e2021GL093543. https://doi.org/10.1029/2021GL093543
Stepanov, N. A., Sergeev, V. A., Sormakov, D. A., et al. (2021). Superthermal proton and electron fluxes in the plasma sheet transition region and their dependence on solar wind parameters. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 126, e2020JA028580. https://doi.org/10.1029/2020JA028580
Stepanov, N. A., Sergeev, V. A., Shukhtina, M. A., Ogawa, Y., Chu, X., & Rogov, D. D. (2021). Ionospheric electron density and conductance changes in the auroral zone during substorms. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 126, e2021JA029572. https://doi.org/10.1029/2021JA029572
Nikolaev, A. V., Sergeev, V. A., Shukhtina, M. A., Spanswick, E., Rogov, D. D., & Stepanov, N. A. (2021). Study of Substorm-Related Auroral Absorption: Latitudinal Width and Factors Affecting the Peak Intensity of Energetic Electron Precipitation. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 126,N12, e2021JA029779. https://doi.org/10.1029/2021JA029779
Sergeev, V. A., Shukhtina, M. A., Stepanov, N. A., Rogov, D. D., Nikolaev, A. V., Spanswick, E., et al. (2020), Toward the reconstruction of substorm‐related dynamical pattern of the radiowave auroral absorption. Space Weather, 18, e2019SW002385. https://doi.org/10.1029/2019SW002385
