Правительство Российской Федерации
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
(СПбГУ)


Индекс УДК 551.590.2
Рег. № НИОКТР АААА-А20-120012490103-3





УТВЕРЖДАЮ
Начальник Управления
научных исследований СПбГУ

_____________ Е.В. Лебедева
« » ______________2023 г.

ОТЧЁТ
О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ

по теме РФФИ проекта № 20-55-12020ННИО_а
ВЫСЫПАНИЯ ВЫСОКОЭНЕРГИЧНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ В АТМОСФЕРУ: ОЦЕНКА НА ОСНОВЕ АЭРОСТАТНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ И МОДЕЛЬНЫХ РАСЧЕТОВ
(H-EPIC)
(заключительный)






Руководитель НИР,
с.н.с.,
кандидат физ.-мат. наук И.А. Миронова



Санкт-Петербург
2023
РЕФЕРАТ
Отчет __12__ стр.,__0__ рис., __0__ табл., __16__ источн.,_0_прил.
ВЫПОЛНЕНИЕ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ ПО РФФИ ПРОЕКТУ № 20-55-12020 ВЫСЫПАНИЯ ВЫСОКОЭНЕРГИЧНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ В АТМОСФЕРУ: ОЦЕНКА НА ОСНОВЕ АЭРОСТАТНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ И МОДЕЛЬНЫХ РАСЧЕТОВ (H-EPIC)

Проект был направлен на изучение высыпаний высокоэнергичных электронов (ВВЭ в атмосферу Земли на основе баллонных и спутниковых наблюдений, и моделирование изменений химического состава и озонного слоя атмосферы Земли, вызванных ВВЭ, с помощью химико-климатических моделей разной сложности, которые позволяют оценить отклик в атмосфере на разных высотах над уровнем моря и в разных географических зонах. Использование наблюдений на спутниках малых химических составляющих стратосферы и мезосферы позволяет сравнить модельные результаты с данными спутниковых измерений. В рамках этого проекта мы объединяли знания и опыт российских и немецких ученых для достижения прогресса в данной области исследований.

В результате научного сотрудничества с немецкими участниками проекта появилась возможность использовать скорости ионизации атмосферы, восстановленные по данным баллонных и спутниковых наблюдений ВВЭ, в 3D моделировании изменения химического состава атмосферы, вызванного ВВЭ. Моделирование проводилось с помощью новой версии 3D химико-климатической модели HAMMONIA, которая была разработана путем включения параметризации ионной химии в ионосферном слое D на основе 1D модели ионной химии ExoTIC, предоставленной немецкими участниками проекта. Разработка новой версии модели HAMMONIA и получение первых результатов об изменениях озонного слоя атмосферы Земли, вызванных ВВЭ, выполнялась при взаимодействии российских и немецких коллег. Сравнение модельных результатов, полученных с помощью новой версии 3D модели HAMMONIA, осуществлялось с использованием данных, предоставленных немецкими участниками проекта, данных о химическом составе атмосферы со спектрометров SCIAMACHY и MIPAS, установленных на борту спутника ENVISAT. Сравнительный анализ данных наблюдений и модельных расчетов проводился в тесном сотрудничестве российских и немецких коллег. Первые оценки показывают, что высыпания высокоэнергичных электронов, в области средних широт, могут вызывать полное локальное разрушение озона в мезосфере.

В тесном сотрудничестве с немецкими коллегами проводилась совместная работа по сравнению оценок химического состава атмосферы с помощью двух 1D моделей (ExoTIC - немецкая модель и RACOP – радиационно-конвективная модель используемая российской стороной). Полученные результаты позволили дать более точную оценку вклада ионизации во время ВВЭ с учетом ионной химии и с параметризацией скоростей ионизации. Две модели были усовершенствованы в ходе плодотворной совместной работы. Использование данных по баллонным наблюдениям и усовершенствованная одномерная модель позволили оценить степень разрушения озона во время средних геомагнитных возмущений, а так же впервые было показано, что концентрация электронов может увеличиваться на два порядка в полосе высот примерно от 30 км до 120 км во время геомагнитных возмущений.

В ходе выполнения проекта была разработана процедура, которая позволяет пересчитывать измеряемые потоки рентгеновского излучения, получаемого с баллонных наблюдений, в степенные энергетические спектры электронов, а не только в экспоненциальные спектры как это происходило ранее. На основе данных спутников DEMETER и POES выявлены особенности высыпания энергичных электронов. Показано, что спектры ВВЭ могут быть описаны разными функциями (в большинстве случаев спектры хорошо описываются двумя зависимостями – экспоненциальной и степенной). Сильные высыпания электронов имеют сложный характер функциональной зависимости от энергии высыпающихся электронов.

Понимание воздействия высыпаний энергичных электронов на атмосферу далеко не полное из-за больших неопределенностей в оценках скоростей ионизации атмосферы, спутниковых наблюдениях и методов моделирования. В рамках проекта и совместно с сообществом SPARC SOLARIS/HEPPA-3 были также проанализированы неопределенности, связанные с моделированием атмосферных процессов, а также проведены специальные расчеты для оценки вклада всех основных внешних факторов, определяющих баланс окислов азота в мезосфере/нижней термосфере.

В ходе реализации проекта были организованы специальные запуски воздушных баллонов, наблюдения которых являются ценным дополнением к спутниковым измерениям ВВЭ, поскольку они проводятся в фиксированном месте, в то время как спутник быстро преодолевает большие расстояния. Благодаря данному проекту с 2020 по 2023 г. удалось провести дополнительные измерения ВВЭ и свести к минимуму пропуски в регулярных запусках баллонов.