Магнитосфера Земли, плазменная оболочка ограничивающая в пространстве магнитное поле земного происхождения, является ареной разнообразных процессов в которых происходит выделение значительной энергии и ускорение частиц. Подобное происходит в периоды магнитосферных суббурь, и в периоды магнитных бурь, зачастую состоящих из последовательности многих интенсивных суббурь. Воздействия этих процессов на функционирование спутниковых и пр. технологических систем, включают инжекции энергичных частиц во время суббурь (они пополняют радиационный пояс и воздействуют на работу геостационарных и пр. спутников), а также высыпания энергичных электронов в высокоширотную атмосферу, которые меняют условия радиосвязи и навигации в высоких широтах.
В настоящем проекте изучались основные факторы определяющие интенсивность ускорительных процессов и на основе многолетних баз спутниковых и наземных измерительных данных развивались эмпирические модели, описывающие потоки захваченных в магнитосфере и эффекты высыпающихся в ионосферу энергичных электронов. Акцент сделан на ночной магнитосфере в области формирования инжекций, области наиболее интересной с точки зрения физики этих ускорительных процессов. В качестве измерителя высыпаний энергичных электронов использованы измерения аврорального поглощения космического радиошума в Д-области ионосферы, наблюдаемого обширной сетью высокоширотных риометров на территории Канады,
По измерениям спутников THEMIS за период 2007-2018 гг построены эмпирические модели потоков протонов и электронов энергий 10-150кэВ и фазовых плотностей энергичных электронов в переходной зоне в ночной магнитосфере (на расстояниях 6-14Re в секторе18-06 ч MLT) в зависимости от состояния солнечного ветра и его предыстории. Исследование показало, что разные факторы контролируют потоки энергичных протонов и электронов: так для электронов равно важны Vsw и Ekl=VByz sin2(θ/2), а для протонов Vsw и Pd, и в меньшей степени Ekl. Найдено, что оптимальные запаздывания меняются в широких пределах в зависимости от энергии частиц и расстояния.
Для проверки сценария «инжектированного дрейфующего облака электронов» применительно к высыпаниям энергичных электронов (ЭЭ) во время суббурь, и для сравнительной оценки факторов влияющих на амплитуду аврорального поглощения, на основе данных 148 изолированных суббурь исследован ряд многофакторных регрессионных моделей. Для пиковой величины поглощения в утреннем секторе, наиболее эффективная комбинация включает интенсивность и ширину диполизаций/инжекций в пике взрывной фазы суббури, с небольшими поправками на фоновые потоки энергичных электронов в плазменном слое. Эти результаты оправдывают исходные предположение о тесной связи местоположения и интенсивностей диполизации и инжекций энергичной плазмы, а также возможность использования рядов МРВ индекса для моделирования высыпаний ЭЭ.
На основе сценария дрейфующего облака с использованием метода линейных фильтров по материалам риометрических измерений в авроральной зоне и ряда магнитного среднеширотного магнитного MPB индекса за 2004-2012, впервые в разных секторах местного времени рассчитаны эмпирические функции отклика высыпаний на инжекцию электронов. Суммируя эти данные, построена эмпирическая динамическая модель, описывающая пространственно-временное развитие аврорального поглощения радиоволн в центре авроральной зоны в периоды изолированных суббурь с учетом различий интенсивности инжекций энергичных электронов, характеризуемых MPB индексом. Динамика развития поглощения подтверждает сценарий дрейфующего облака с высыпаниями как основы описания высыпаний ЭЭ. Также показано, что функции отклика высыпаний близки по форме и величине на разных широтах в основной зоне поглощения (63-69о исправленной геомагнитной широты) и незначительно меняются на выборке кластеров суббурь в сравнении с выборкой изолированных суббурь, что делает их пригодными для целей текущего прогноза поглощения по данным МРВ индекса. Будучи дополнена известными соотношениями связи величин поглощения с потоком энергичных электронов и информацией об энергетических спектрах электронов, данная модель представляет основу динамического описания высыпаний энергичных электронов в периоды суббурь.
Вплоть до настоящего времени отсутствовали количественные модели, описывавшие пространственно-временное развитие высыпаний энергичных электронов (и создаваемой ими авроральной ионизации) во время реальных суббурь. Выполненное исследование обосновывает физический подход (сценарий инжектированного дрейфующего электронного облака), идентифицирует практический метод параметризации реальных инжекций (на основе ряда МРВ индекса), тестирует формальный метод анализа (метод линейных фильтров), показывает устойчивость результатов и иллюстрирует возможность применения метода в ситуациях сложной непрерывной магнитной активности. Все эти результаты являются оригинальными и получены впервые.