В ходе выполнения проекта были получены следующие результаты:

1. Подготовленные обзоры, базы данных и программы

- Опубликован обзор исследований по динамике релятивистских электронов в области геосинхронной орбиты. Перечислены физические процессы, приводящие к ускорению электронов, заполняющих внешний радиационный пояс. Являясь одним из факторов космической погоды, потоки высокоэнергичных электронов представляют серьезную угрозу для функционирования спутниковой аппаратуры. Подчеркнута необходимость усилий по разработке методов прогноза обстановки в этой области магнитосферы, перечислены возможные предикторы и дана их классификация. Приведен пример прогностической модели для предсказания потока релятивистских электронов с заблаговременностью 1-2 суток. Обсуждаются некоторые вопросы практической организации прогноза. В отличие от ранее публиковавшихся зарубежных обзоров по этой теме в данном обзоре большое внимание уделено вкладу отечественных исследователей.

- Подготовлен и опубликован краткий обзор отечественных работ (начиная с середины прошлого века и заканчивая современностью), связанных с изучением источников электромагнитных УНЧ колебаний и волн за пределами магнитосферы Земли, в том числе c поисками наземными и спутниковыми средствами УНЧ-волн, возбужденных колебаниями поверхности Солнца, распространяющихся в межпланетной среде и достигающих Земли. Показано, что большой вклад в инициирование таких работ внесла проф. В.А. Троицкая (столетие со дня рождения которой отмечалось в 2017 году), а исполнители Проекта продолжили и развили исследования в этом направлении.

- Составлен атлас динамических спектров многополосного излучения ионосферного альвеновского резонатора (ИАР), открытого в последней трети прошлого века отечественным радиофизиком Павлом Беляевым. В атлас вошли спектрограммы нескольких станций за 2010-2018 гг. Эти материалы позволили разработать методы использования измерений частотной структуры эмиссий ИАР для оценки ионного состава надионосферной плазмы и для определения критической частоты f0 слоя F2 ионосферы.

- Накоплена база наблюдательных данных, включающая в себя амплитуды и спектральные характеристики УНЧ флуктуаций, зарегистрированных в течение 23-го и большей части 24-го циклов солнечной активности (1996-2015 гг.) в солнечном ветре, в магнитосфере на геостационарной орбите и на нескольких наземных обсерваториях. В базу данных включены соответствующие значения параметров солнечного ветра (СВ), индексов состояния магнитосферы и ионосферы, а также дополнительные данные о крупномасштабных альвеновских волнах в межпланетной плазме на орбите Земли.

- Составлены следующие программы для обработки, визуализации и вычисления необходимых характеристик: специализированные программы построения динамических спектров УНЧ эмиссий диапазона 0.1-10 Гц; программа поиска оптимального высотного профиля ионного состава надионосферной плазмы, программа вычисления оптимальных коэффициентов многофакторного регрессионного анализа, адаптированная к прогнозу потоков релятивистских электронов, программа автоматического поиска ?магнитных дыр? в плазме солнечного ветра и ряд других программ.

2. Изучение проявлений турбулентности межпланетной плазмы

- По материалам массива данных о высокоскоростных потоках солнечного ветра за годы 23-го цикла солнечной активности проанализированы данные наблюдений в околоземном СВ трех десятков событий коротирующих областей взаимодействия (CIR-потоков) быстрого и медленного солнечного ветра с целью исследования ряда статистических характеристик тонкой структуры таких потоков, в частности, частоты появления токовых и плазменных (холодных и горячих) слоев, распределения этих слоев по толщине и времени наблюдения. Показано, что в CIR-потоках наиболее вероятно появление тонких, до 12 земных радиусов, горячих (с бета более 5) плазменных слоев и еще более тонких, до 8 земных радиусов, токовых слоев. Значение бета в горячих плазменных слоях не зависит от толщины слоя, а между плотностью тока и толщиной токового слоя имеется слабая пропорциональная зависимость.

- Найдено, что в 17% случаев фронт CIR-потока совпадает с гелиосферным токовым слоем (ГТС), при переходе через который меняется знак сектора ММП, еще в 37% случаев имеется запаздывание между ГТС и фронтом CIR-потока, составляющее от 3 до 40 часов. В остальных случаях, составляющих примерно половину всех событий, связь фронта CIR-потока с ГТС отсутствует.

- Рассмотрено редкое событие, когда удалось проследить прохождение CIR-потока через магнитосферу по данным двух космических аппаратов (КА) АСЕ и WIND, находившихся перед магнитосферой и в удаленном геомагнитном хвосте, соответственно. Показано, что плазменно-магнитная структура CIR-потока до и после прохождения магнитосферы почти не изменилась, хотя и несколько расплылась. Переносятся через магнитосферу и некоторые детали тонкой структуры. Один из элементов турбулентной структуры фронта CIR-потока, "магнитная дыра", сохранилась, не изменив своей глубины, но расширившись примерно вдвое в направлении движения потока.

- Создан алгоритм, позволяющий вести автоматический поиск так называемых кинетических ?магнитных дыр? в данных КА ACE и Wind. Результаты использования алгоритма для интервалов высокоскоростных потоков СВ в 23 цикле солнечной активности с 1996 по 2011 гг. позволили выявить статистические закономерности появления этих элементов турбулентности межпланетной плазмы. Показано, что вероятность наблюдения магнитных дыр продолжительностью не более 2 мин в потоках альвеновского типа (это в основном CIR-потоки) намного превышает среднюю частоту их появления в окрестности эклиптики, но приближается к вероятности наблюдения в высокоширотном ветре. Анализ проводился отдельно для передней части потока (от минимума скорости СВ до ее максимума в потоке) и начала спада скорости СВ (36 часов вслед за максимумом). В спадающих частях потоков частота наблюдения магнитных дыр оказалась выше, чем в передних, но не намного. Распределение дыр по их длительности в обеих частях потоков имеет максимум при delta_t ~ 5-9 c, но для глубоких дыр он выражен слабее. В прилагаемом файле приведена сводка графиков, иллюстрирующих выявленные статистические закономерности. Полученные данные будут использоваться для дальнейшего изучения роли магнитных дыр в общей картине турбулентности солнечного ветра, в частности, их потенциала для процессов локального магнитного пересоединения.

- Одно из исследований в виде case study позволило предложить возможный сценарий комплекса процессов в магнитосфере, обеспечивших генерацию необычно длительного узкополосного излучения в диапазоне Рс1 с возрастающей в ступенчатом режиме от 0.5 до 3.5 Гц несущей частотой. Излучение длительностью около 9 часов имело локальный характер, проявляясь лишь на трех станциях, находящихся в интервале географических долгот от 100 до 130 градусов в.д. и магнитных оболочек L = 2.2-3.4. Интерпретация предложена на основе стандартной модели генерации ионно-циклотронных волн в магнитосфере за счет резонансного взаимодействия с потоками ионов умеренных энергий. Предполагается, что непрерывный сдвиг области генерации, располагающейся во внешней области плазмосферы, на меньшие L-оболочки способен объяснить как локальность явления, так и диапазон повышения частоты. Узкая полоса излучения обязана образованию так называемых носовых структур в энергетическом спектре потоков ионов, внедряющихся из геомагнитного хвоста в магнитосферу. Выполненные численные оценки подтверждают возможность осуществления предложенного сценария. Основной вывод ? главной причиной явления явился очень продолжительный интервал отрицательных значений Bz компоненты межпланетного магнитного поля, поддержавший многочасовой турбулентный характер передачи энергии из солнечного ветра в магнитосферу.

3. Исследование процессов на границе ионосферы и магнитосферы

- На примере анализа спектрограмм эмиссий ионосферного альвеновского резонатора Беляева, построенных по наблюдениям обсерваторий в средних широтах (Монды, Восточная Сибирь) и в авроральной зоне (Соданкюля, Финляндия), показана возможность получения информации об ионном составе на высотах от 2000 до 6000 км. Анализ выполнялся на основе сопоставления измеренных на спектрограммах разностей частот соседних гармоник излучения с характеристиками резонатора, вычисленными на основе модели IRI-2012, экстраполированной до высоты 10000 км. Путем подбора коэффициентов в формулах экстраполяции высотных профилей ионов для достижения минимальной невязки между измеренной разностью частот и ее оценкой, вычисленной на основе модели, находились профили ионного состава в области выше предельной высоты модели IRI-2012, т.е, выше 2000 км. В результате получены графики высотных профилей содержания и абсолютной концентрации трех типов ионов: кислорода, водорода и гелия; прослежены изменения вычисленных профилей при переходе от дневного времени к ночному. Сравнение результатов, полученных для средних и высоких широт, показало их значительное различие.

- Описаны также наблюдения эмиссий ИАР, выполненные впервые одновременно на трех станциях с использованием идентичных индукционных магнитометров. Станции расположены вдоль одного меридиана; две из них среднеширотные, третья находится в авроральной зоне. Мы сравнили основные характеристики наблюдаемого многополосного излучения (частоту, амплитуду и разности частот между соседними гармониками) с ионосферными параметрами, измеренными на станциях с помощью ионозондов и GPS-наблюдений. Сопоставлены также дневные вариации ионосферных параметров и характеристик УНЧ излучения. Результаты показывают, что существует достаточно надежная связь между частотами полос ИАР и критической частотой слоя F2 ионосферы, а именно, частота излучения резонатора изменяется обратно пропорционально критической частоте ионосферы. Это связано с тем, что частота колебаний, захваченных в резонаторе, в первую очередь определяется альвеновской скоростью (которая зависит от плотности плазмы) в ионосферном слое F2. Связь меняется на разных станциях, но, как правило, хорошо наблюдается вдоль всего меридиана. Это дает надежду на возможность выработать метод оценки критической частоты слоя F2 ионосферы по УНЧ наблюдениям в диапазоне частот 0.5-10 Гц. Метод особенно востребован на высоких широтах, так как там часто невозможно бывает измерить критическую частоту традиционными методами из-за значительных возмущений.

- Обнаружена слабая, но статистически достоверная зависимость суточной активности колебаний в ионосферном резонаторе от ориентации межпланетного магнитного поля (ММП) перед фронтом магнитосферы. Предложена оригинальная интерпретация результата, сущность которой в том, что электромагнитные флуктуации проникают в магнитосферу из межпланетной среды и воздействуют на ионосферный резонатор.

4. Волновой канал передачи энергии из солнечного ветра в магнитосферу

- В рамках работы по построению феноменологической модели волнового канала передачи энергии СВ в магнитосферно-ионосферную систему рассмотрено несколько конкретных вопросов. Для высокочастотной части УНЧ-диапазона (0.1-10 Гц) предложен оригинальный механизм частотной модуляции ионно-циклотронных волн, возбуждаемых в плазме солнечного ветра и распространяющихся вдоль силовых линий ММП, низкочастотными осцилляциями. Исследовано соответствующее дисперсионное уравнение и найдены его корни в параксиальном приближении. Проанализирован частный случай, когда модулирующее воздействие вызывается волнами Альвена, источником которых являются движения фотосферы с характерным периодом в пять минут. Длины и периоды волн Альвена намного больше, чем длины и периоды ионно-циклотронных волн. Результаты показывают, что рассматриваемый эффект приводит к глубокой частотной модуляции.

- Чтобы проверить эти теоретические предсказания, мы проанализировали наземные наблюдения геоэлектромагнитных волн УНЧ с целью найти квазимонохроматические колебания, несущая частота которых изменяется со временем в широких пределах. Так называемая "серпентинная эмиссия" (serpentine emission, SE) оказывается наиболее подходящим типом колебаний для наших целей. По данным антарктической станции Восток мы исследовали частотную модуляцию SE и показали, что наиболее характерной и устойчивой в модуляционном спектре эмиссии является 5-минутная модуляция несущей частоты. Колебания частоты с таким периодом присутствуют при умеренно спокойной геомагнитной возмущенности (Kр=0-2) примерно в 70% от общего времени наблюдения SE. В спектре мощности модуляции SE, полученном после попиксельной оцифровки исходной спектрограммы сигнала, отчетливо выделяется пик на периодах, близких к 5 мин. При детальном изучении впервые показано соответствие спектра эмиссии спектру короткопериодных колебаний Солнца. По результатам проведенного анализа сделан вывод, что модуляцию несущей частоты SE с периодом 5 мин можно рассматривать как отражение колебаний в фотосфере с тем же периодом, который, как известно, характерен для собственных колебаний Солнца.

- Дополнительное свидетельство связи модуляции SE с колебаниями Солнца дают результаты сопоставления набора типичных периодов частотной модуляции SE с набором известных из литературы периодов колебаний поверхности Солнца. Методом спектрального анализа большого числа событий SE выявлен ряд модуляционных периодов в интервале от 1 до 60 мин. Наиболее часто встречается 5-минутный период модуляции частоты SE, но существуют и другие периоды: 1, 3, 7, 12, 15-16, 30, 40 и 60 минут. Все эти периоды (или очень близкие к ним) наблюдались и в спектре солнечных колебаний и описаны в публикациях разных исследователей. Это еще раз подтверждает высказанную ранее гипотезу о существовании генетической связи частотной модуляции эмиссии SE с пульсациями солнечной поверхности.

- Более низкочастотный участок наземного спектра УНЧ (0.01-0.1 Гц) тоже подвержен модуляции процессами в СВ, а именно, альвеновской турбулентностью. Еще в конце 60-х годов прошлого века была обнаружена связь амплитуды геомагнитных пульсаций Рс3-4 с ориентацией ММП (эффект Троицкой-Большаковой). Нам удалось впервые показать, что в большинстве случаев именно крупномасштабная альвеновская турбулентность в СВ приводит к вариациям направления силовых линий ММП, модулируя таким образом процесс генерации Рс3-4 перед фронтом околоземной ударной волны. Для анализа привлекались измерения геомагнитных пульсаций на среднеширотной обсерватории и наблюдения плазмы и магнитного поля на трех КА. Результаты показывают, что влияние оказывают лишь волны с периодом более 40-60 мин в неподвижной относительно Земли системе координат.

- Еще более низкочастотные УНЧ колебания типа IPCL наблюдаются в дневном секторе овала полярных сияний в диапазоне периодов 3-10 мин и представляют собой один из самых мощных типов колебаний магнитосферы Земли. Мы впервые показали, что активность IPCL в Мирном (Антарктида) зависит от наклона (северно-южной асимметрии) силовых линий ММП к плоскости геомагнитного экватора перед фронтом магнитосферы. Результат свидетельствует о контролирующем воздействии ММП на режим колебаний магнитосферы и дает основание высказать гипотезу о том, что IPCL представляют собой вынужденные колебания нелинейной динамической системы, важнейшими структурными элементами которой являются дневные полярные каспы.

- Отдельные волновые пакеты, чаще всего наблюдающиеся в приполярных областях, также ощущают на себе воздействие межпланетной среды. Длительность рассматриваемых сигналов составляет от нескольких единиц до десятков минут, а частота лежит в диапазоне от десятых долей герца до нескольких герц, падая от переднего фронта сигнала к заднему. В зависимости от ориентации вектора ММП в вертикальной плоскости область так называемого форшока (области перед околоземным ударным фронтом, силовые линии ММП в которой пронизывают фронт) располагается к югу или к северу от плоскости геомагнитного экватора. Путем анализа данных антарктической обсерватории Восток показано, что в южной полярной шапке вероятность наблюдения изолированных волновых пакетов примерно в два раза выше при южной ориентации форшока, чем при северной. Результат свидетельствует о том, что, по крайней мере, заметная часть таких пакетов проникает в магнитосферу из межпланетной среды.

- В целом, полученные результаты, в сочетании с ранее опубликованными работами членов коллектива Проекта, закладывают основу феноменологической модели ультранизкочастотного волнового канала солнечно-земных связей. В качестве основного элемента такого канала выступает альвеновская волновая турбулентность, зарождающаяся в фотосфере Солнца и распространяющаяся в солнечном ветре до орбиты Земли и далее [Potapov et al., 2013]. В магнитосферу и на земную поверхность волны из солнечного ветра могут проникать глобально во время возмущений в виде геомагнитных пульсаций типа Рс5 [Potapov et al., 2006; Potapov, Polyushkina, 2010] и регионально в полярные шапки в виде IPCL. Кроме того, приходящие с солнечным ветром альвеновские волны модулируют амплитуду среднеширотных пульсаций Рс3 и частоту наблюдаемой в полярных шапках серпентинной эмиссии (см. также [Guglielmi et al., 2015]). К тому же ориентация ММП в плоскости XOZ, на которую влияют также альвеновские волны, вызывает северно-южную асимметрию таких типов УНЧ колебаний в магнитосфере, как IPCL, эмиссии ИАР и дискретные сигналы в полярных шапках.

- Несомненна информационная важность УНЧ-волнового канала солнечно-земных связей. Во-первых, наблюдаемые в магнитосфере и на земле УНЧ колебания разных поддиапазонов несут полезную информацию о плазменных процессах в СВ, а возможно, и о явлениях в атмосфере Солнца, в том числе о процессах подготовки вспышек и других нестационарных событий. Во-вторых, знание свойств этого волнового канала предоставляет возможность нащупывать причинно-следственные связи между возмущениями на Солнце, наблюдаемыми в оптическом или радиодиапазоне, и магнитосферными возмущениями. Примером этого служит разрабатываемая сейчас рядом научных коллективов система краткосрочного прогноза резких усилений потока релятивистских электронов на геосинхронной орбите. Эта проблема описана в нашем обзоре.

5. Исследования, имеющие прикладную направленность

Помимо чисто фундаментальных исследований, в ходе выполнения проекта были выполнены и две прикладные работы: (1) по разработке метода диагностики свойств ионосферы на основе слежения за частотной структурой ИАР и (2) по созданию способа краткосрочного прогноза потока релятивистских электронов с использованием данных о волновой турбулентности в СВ и магнитосфере Земли. В них получены следующие результаты:

- Частотные параметры излучения ИАР демонстрируют тесную связь с критической частотой слоя F2 ионосферы. Однако количественные характеристики связи нестабильны и могут существенно меняться ото дня ко дню. Для преодоления этой нестабильности предложено использование многофакторного регрессионного анализа с включением в него в качестве предикторов дополнительных факторов, отражающих состояние ионосферы. На основе обучающей выборки вычислен набор уравнений регрессии с использованием различных комбинаций предикторов, из которых выбраны наиболее результативные с точки зрения минимизации среднеквадратичной ошибки прогноза. Проверка эффективности полученных уравнений для оценки критической частоты выполнена на данных контрольной выборки. Результаты свидетельствуют, что предложенный метод позволяет оценивать значение критической частоты с точностью около 0.5 МГц. Высказано предложение использовать информацию о частотной структуре излучения ИАР при разработке ассимиляционных моделей ионосферы.

- Предложен способ прогноза потоков релятивистских электронов внешнего радиационного пояса, основанный на методе множественной регрессии со скользящим окном предикторов. Эти потоки представляют серьезную угрозу бортовой аппаратуре космических аппаратов, находящихся на геостационарной орбите. В настоящее время известен один работающий метод прогноза релятивистских электронов, демонстрируемый на веб-сайте Национальной администрации США по изучению океана и атмосферы (NOAA). Он, однако, основан на единственном предикторе - среднесуточной скорости солнечного ветра, и не может точно предсказывать резкие изменения потоков частиц во время возмущений. На самом деле, для успешного прогноза необходимо учитывать все сложные процессы пополнения внешнего радиационного пояса вследствие ускорения затравочных электронов, а также процессы опустошения потока электронов в области геостационарной орбиты из-за адиабатического переноса и радиальной диффузии. Для этого приходится привлекать в качестве предикторов разнообразные параметры, измеряемые как на земной поверхности, так и в солнечном ветре. Хорошо известны основные параметры, коррелирующие с потоками энергичных электронов: скорость солнечного ветра, плотность и динамическое давление межпланетной плазмы, интенсивность УНЧ колебаний, характеризующая турбулентность среды, перед фронтом магнитосферы и на земле, поток затравочных электронов (с энергией в сотни эВ) на геостационарной орбите. Мы добавили к ним величину магнитного поля на геостационарной орбите и значение межпланетного электрического поля перед фронтом магнитосферы. Коэффициенты в модели уравнения регрессии рассчитываются из экспериментальных данных методом наименьших квадратов. Проведенные тесты показали хорошие результаты предлагаемой прогностической модели, включая предсказание поведения потоков в ходе воздействия на магнитосферу высокоскоростных потоков солнечного ветра. Полученные результаты опубликованы и приняты к печати в высокорейтинговых научных журналах, как международных, так и отечественных, а также представлены в виде докладов на ряде международных и всероссийских конференций.

Цитированная по фамилиям авторов литература: Guglielmi et al., Solar Phys. 2015, v. 290, 3023; Potapov et al., Adv. Space Res. 2006, v. 38, 1582; Potapov, Polyushkina, Geomagn. Aeronomy 2010, v. 50, 950; Potapov et al., J. Atmosph. Solar-Terrestrial Phys. 2013, v. 102, 235. 3.6. Сопоставление результатов, полученных при реализации, с мировым уровнем

Выполненные в рамках проекта работы находятся в русле ведущихся в мире исследований по взаимодействию солнечной плазмы с магнитосферой, выяснению роли магнитной и плазменной турбулентности в плазме солнечного ветра. Анализ тонкой структуры высокоскоростных потоков, решение задач по диагностике и прогнозу состояния магнитосферно-ионосферной системы, изучение прогностических возможностей параметров волновой турбулентности в солнечном ветре и внутри магнитосферы для мониторинга радиационных поясов и надионосферной плазмы и полученные при этом результаты явились, с одной стороны, продолжением работ авторского коллектива по изучению взаимосвязи УНЧ волн в солнечном ветре и на земной поверхности и их корреляции с потоками релятивистских электронов, а с другой стороны, они развивают работы как отечественных (Demekhov et al., 2000; Fedorov et al., 2016; Yahnin et al., 2003; Yermolaev et al., 2017), так и зарубежных авторов (Regi, et al., 2014; Borovsky et al., 2010; Crooker and Owens, 2012). Полученные результаты опубликованы или приняты к публикации в ведущих международных и отечественных журналах (J. Atmosph. Solar-Terrestr. Phys., Acta Astronautica, Solar Physics, Planetary and Space Science, Astrophys. Space Science, Космические исследования, Солнечно-земная физика, Физика Земли, Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса). Основные выводы проведенных исследований были представлены на международных конференциях, где вызвали живой интерес. В целом, есть все основания полагать, что постановка задач, методы исследования и результаты, полученные в ходе реализации проекта, соответствуют мировому уровню.

Цитированная литература: Yermolaev Yu.I. et al. Solar Physics, 2017. Vol. 292. P. 193; Demekhov A.G. et al. J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2000. Vol. 62. P. 257?265; Yahnin A.G. et al., Ann. Geophys. 2003. Vol. 21. P. 779?786; Regi M. et al., Earth Planets Space, 2014. Vol. 66. P. 43; Borovsky J.E. et al. J. Geophys. Res. Space Physics, 2010, Vol. 115, P. A10101; Crooker N.U., Owens M.J. Space Sci. Rev., 2012. Vol. 172(1?4). P. 201?208; Fedorov E. J. et al. Geophys. Res. Space Physics, 2016. Vol. 121. P. 321.