Institute of Solar-Terrestrial Physics RAS SB

         Institute of Solar-Terrestrial Physics
         Russian Academy of Sciences,
         Siberian Branch, Irkutsk

Department 5.00 | Laboratories | Observation | Russian

п║п╬п╢п╣я─п╤п╟п╫п╦п╣

п·я│п╫п╬п╡п╫я▀п╣ я├п╣п╩п╦ п©я─п╬п╣п╨я┌п╟

п▓п╟п╤п╫п╣п╧я┬п╦п╣ я─п╣п╥я┐п╩я▄я┌п╟я┌я▀ п©я─п╬п╣п╨я┌п╟

п║п©п╦я│п╬п╨ п©я┐п╠п╩п╦п╨п╟я├п╦п╧

п░п╫п╫п╬я┌п╟я├п╦п╦ п╬я│п╫п╬п╡п╫я▀я┘ я─п╟п╠п╬я┌

п·я│п╫п╬п╡п╫я▀п╣ я─п╣п╥я┐п╩я▄я┌п╟я┌я▀ п©я─п╬п╣п╨я┌п╟ (п╫п╟я┐я┤п╫п╬-п©п╬п©я┐п╩я▐я─п╫п╬п╣ п╦п╥п╩п╬п╤п╣п╫п╦п╣)

п═я┐п╨п╬п╡п╬п╢п╦я┌п╣п╩я▄:
п╢п╬п╨я┌п╬я─ я└п╦п╥.-п╪п╟я┌. п╫п╟я┐п╨
п░.п║. п÷п╬я┌п╟п©п╬п╡

п╬я┌п╡. п╦я│п©п╬п╩п╫п╦я┌п╣п╩я▄
п╒.п². п÷п╬п╩я▌я┬п╨п╦п╫п╟

Аннотации основных печатных работ

Потапов А.С., Полюшкина Т.Н., Ойнац А.В., Пашинин А.Ю., Райта Т., Цэгмэд Б. Первый опыт оценки ионного состава над ионосферой по данным о частотной структуре излучения ИАР // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. N 2. С. 192-202. DOI: 10.21046/2070-7401-2016-13-2-192-202.

В работе на примере анализа спектрограмм эмиссий ионосферного альвеновского резонатора (ИАР), 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 Δf 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 Δf 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. Так, если над обс. Монды относительное содержание ионов кислорода близко к нулю во всем исследуемом диапазоне высот, то на высоких широтах в ранние вечерние часы оно снижается от более 70% на высоте 2000 км до 20% на высоте 4000 км, при этом медленно убывая с приближением к ночи.

Potapov A.S., Ryzhakova L.V., Tsegmed B. A new approach to predict and estimate enhancements of "killer" electron flux at geosynchronous orbit. Acta Astronautica. 2016. V. 126. P. 47-51. DOI: 10.1016/j.actaastro.2016.04.017.

Так называемые "электроны-убийцы" -это электроны релятивистских энергий (более 1-2 МэВ), формирующие внешний радиационный пояс. Их потоки представляют серьезную угрозу для бортовой электроники космических аппаратов на геостационарной орбите. Это обусловливает актуальность проблемы прогноза потока электронов. Заселенность внешнего радиационного пояса энергичными электронами растет после погружения магнитосферы Земли в поток высокоскоростного солнечного ветра. Одним из основных механизмов ускорения магнитосферных электронов до релятивистских энергий считается их взаимодействие типа волна-частица с ультранизкочастотными (УНЧ) или с очень низкочастотными (ОНЧ) волнами. Соответственно, предложенные ранее прогностические методы были основаны на связи интенсивности электронных потоков внешнего радиационного пояса со скоростью солнечного ветра и активностью низкочастотных волн в магнитосфере. В этой статье мы предлагаем строить прогноз на основе нового вида модели множественной регрессии со скользящим окном предикторов. Набор предикторов, используемых в успешной модели множественной регрессии, включают в себя параметры, отражающие процессы пополнения внешнего радиационного пояса за счет ускорения затравочных электронов, а также процессы опустошения потока электронов в области геосинхронной орбиты из-за направленных наружу адиабатического переноса и радиальной диффузии. Для того, чтобы учесть эти процессы, мы используем следующий набор параметров, измеренных на земле и в космосе: скорость солнечного ветра, плотность и динамическое давление межпланетной плазмы, интенсивность УНЧ колебаний перед магнитосферой и на земле, поток затравочных электронов (с энергией в сотни эВ) на геостационарной орбите, фактические значения магнитного поля на оболочке L = 6.6, и межпланетное электрическое поле. Коэффициенты в уравнении модели получены на основе экспериментальных данных, используя метод наименьших квадратов. Тестовые расчеты с использованием предложенной модели показали обнадеживающие результаты.

Потапов А.С., Рыжакова Л.В., Цэгмэд Б. Метод прогнозирования потока релятивистских электронов на геостационарной орбите // Вестник СибГАУ. 2016. Т. 17, N3. C. 611-617.

Потоки релятивистских электронов внешнего радиационного пояса представляют серьезную угрозу бортовой аппаратуре космических аппаратов, находящихся на геостационарной орбите, что делает актуальной разработку методов прогноза потоков энергичных частиц в этой области околоземного пространства. В данной статье предлагается способ прогноза, основанный на методе множественной регрессии (МР). В настоящее время известен один работающий метода 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 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 МР 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.

Потапов А.С., Довбня Б.В., Баишев Д.Г., Полюшкина Т.Н., Рахматулин Р.А. Узкополосное излучение с изменяющейся от 0.5 до 3.5 Гц частотой на фоне главной фазы магнитной бури 17 марта 2013 года // Солнечно-земная физика. 2016. Т. 2. N 4. С. 13-23. Doi: 10.12737/21240.

Представлены результаты анализа необычно длительного узкополосного излучения в диапазоне Рс1 с возрастающей несущей частотой. Событие наблюдалось на фоне главной фазы сильной магнитной бури, вызванной приходом высокоскоростного потока солнечного ветра с ударной волной в голове потока и длительным интервалом отрицательных значений вертикальной компоненты межпланетного магнитного поля. Излучение длительностью около 9 часов имело локальный характер, проявляясь лишь на трех станциях, находящихся в интервале географических долгот λ = 100°-130° в.д. и магнитных оболочек L = 2.2-3.4. Несущая частота сигнала возрастала в ступенчатом режиме от 0.5 до 3.5 Гц. Предложена интерпретация излучения 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 внедряющихся из геомагнитного хвоста в магнитосферу потоков ионов. Составлен один из возможных вариантов умозрительного сценария развития процессов, приводящих к генерации наблюдавшегося излучения с указанием конкретных значений положения области генерации, плотности плазмы, магнитного поля и энергии резонансных протонов. Обсуждаются морфологические отличия рассмотренного излучения от известных типов геомагнитных пульсаций и причины, приведшие к появлению столь необычного события.

Потапов А.С. Релятивистские электроны внешнего радиационного пояса и методы их прогноза (обзор) // Солнечно-земная физика. 2017. Т. 3, N1. С. 46-58.
DOI: 10.12737/22210.

В статье дан 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.

Potapov A.S., Polyushkina T.N., Tsegmed B., Oinats A.V., Pashinin A.Yu., Edemskiy I.K., Mylnikova A.A., Ratovsky K.G. Considering the potential of IAR emissions for ionospheric sounding // J. Atmosph. Solar-Terr. Phys. 2017. V. 164. P. 229-234. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jastp.2017.08.026.

Ионосфера, будучи самой верхней частью атмосферы, представляет собой пограничную область между нейтральной околоземной воздушной оболочкой и полностью ионизированной магнитосферой. Мониторинг ионосферы является важной задачей, поскольку позволяет составлять прогнозы распространения радиоволн, корректировать модели среды, а также следить за изменениями космической погоды. В настоящее время зондирование ионосферы производится с радиоволнами с поверхности Земли с использованием ионозондов, а также путем просвечивания сигналами со спутников. Нашей целью является привлечь внимание к возможности диагностики ионосферных параметров путем регистрации ультранизкочастотных (УНЧ) электромагнитных эмиссий, возбуждаемых в ионосферном альвеновском резонаторе (ИАР). Для этого мы описываем 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 сравниваем 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. Сопоставляются также дневные вариации ионосферных параметров и характеристик УНЧ излучения. Результаты показывают, что существует достаточно надежная связь между частотами полос резонатора и критической частотой слоя F2 ионосферы, а именно, частота излучения IAR 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. Этот метод особенно востребован на высоких широтах, так как там часто невозможно бывает измерить критическую частоту традиционными методами из-за значительных возмущений.

Гульельми А.В., Потапов А.С. Влияние межпланетного магнитного поля на УНЧ колебания ионосферного резонатора // Космические исследования. 2017. Т. 55. N 4. С. 263-267. DOI: 10.1134/S0010952517030042.

По данным наблюдения УНЧ колебаний в Саянской солнечной обсерватории Монды ИСЗФ СО РАН обнаружена слабая, но статистически достоверная зависимость суточной активности колебаний в ионосферном резонаторе Альвена от ориентации межпланетного магнитного поля перед фронтом магнитосферы. Предложена интерпретация результата, сущность которой в том, что электромагнитные флуктуации проникают в магнитосферу из межпланетной среды и воздействуют на ионосферный резонатор. Постановка задачи и метод решения являются частью широкой программы экспериментального и теоретического исследования воздействия межпланетного магнитного поля на режим УНЧ колебаний магнитосферы.

Довбня Б.В., Клайн Б.И., Гульельми А.В., Потапов А.С. Спектр частотной модуляции серпентиной эмиссии как отражение спектра солнечных колебаний // Солнечно-земная физика. 2017. Т. 3, N1. С. 59-62. DOI: https://doi.org/10.12737/23043.

По данным антарктической станции Восток исследуется частотная модуляция серпентинной эмиссии (SE). Показано, что обнаруженная ранее 5-минутная модуляция несущей частоты является наиболее характерной и устойчивой в спектре эмиссии. 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 сонограммы сигнала, отчетливо выделяется пик на периодах, близких к 5 мин. При детальном изучении найдено соответствие спектра эмиссии спектру короткопериодных колебаний Солнца. По результатам проведенного анализа делается вывод, что модуляцию несущей частоты серпентинной эмиссии с периодом 5 мин можно рассматривать как отражение колебаний в фотосфере с тем же периодом, характерным для собственных колебаний Солнца.

Гульельми А.В., Потапов А.С. Волны от Солнца: к 100-летию со дня рождения В.А. Троицкой // Солнечно-земная физика. 2017. Т. 3, N 3. С. 95-99. DOI: https://doi.org/10.12737/szf-33201709 .

Прошло сто лет со дня рождения выдающегося ученого - профессора В.А. Троицкой. Ее достижения в солнечно-земной физике широко известны. На протяжении многих лет Валерия Алексеевна была президентом Международной ассоциации по геомагнетизму и аэрономии. Данная статья посвящена лишь одному аспекту многогранной творческой активности В.А. Троицкой. Он относится к проблеме поиска источников ультранизкочастотных (УНЧ) электромагнитных колебаний и волн за пределами магнитосферы Земли. Авторам статьи посчастливилось работать под руководством В.А. Троицкой над этой проблемой. Мы кратко изложили историю исследований от зарождения идеи внемагнитосферного происхождения дневных перманентных УНЧ-колебаний в конце 60-х гг. прошлого века до современных поисков наземными и спутниковыми средствами УНЧ-волн, возбужденных колебаниями поверхности Солнца, распространяющихся в межпланетной среде и достигающих Земли.

Гульельми А.В., Клайн Б.И., Потапов А.С. Северно-южная асимметрия ультранизкочастотных колебаний электромагнитного поля Земли // Солнечно-земная физика. 2017. Т. 3. N 4. C.27-33.

В статье мы представляем результат экспериментального исследования северно-южной асимметрии ультранизкочастотных электромагнитных колебаний Pi3C по данным наблюдения в обс. Мирный (Антарктида). Pi3C возбуждения в дневном секторе овала полярных сияний в диапазоне периодов 3-10 мин и представляют собой один из самых мощных типов колебаний магнитосферы Земли. Эти колебания были обнаружены в 70-х годах прошлого века в ходе полярных экспедиций ИФЗ АН СССР, организованных проф. В.А. Троицкой. Мы показали, что активность Pi3C в Мирном зависит от наклона (северно-южной асимметрии) силовых линий межпланетного магнитного поля (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 Pi3C представляют собой вынужденные колебания нелинейной динамической системы, важнейшими структурными элементами которой являются дневные полярные каспы.

Potapov A.S., Polyushkina T.N., Guglielmi A.V. Troitskaya-Bolshakova effect as a manifestation of the solar wind wave turbulence // Planetary Space Sci. 2017. DOI: 10.1016/j.pss.2017.11.008.

На примере двух десятков 6-часовых интервалов наблюдения геомагнитных пульсаций типа Рс3 продемонстрировано воздействие изменений направления межпланетного магнитного поля (ММП) на амплитуду пульсаций (эффект Троицкой-Большаковой). Показано, что источником изменений конусного угла ММП часто являются альвеновские волны, распространяющиеся в солнечном ветре. Для анализа привлекались измерения геомагнитных пульсаций на среднеширотной обсерватории Узур и на трех космических аппаратах за пределами околоземной ударной волны. Результаты показывают, что влияние оказывают лишь волны с периодом более 40-60 мин в неподвижной относительно Земли системе координат. Альвеновская турбулентность более высокой частоты некогерентна, колебания носят хаотический характер, не согласованный по амплитуде и фазе ни между спутниками, ни с вариациями амплитуды Рс3. В отдельных случаях модуляция амплитуды пульсаций оказывается связанной с прохождением границы сектора ММП. Оценка направления распространения альвеновских волн показала, что преимущественно они распространяются от Солнца, но нормали волновых фронтов могут отклоняться от линии Солнце-Земля. Это вполне согласуется с ранее опубликованными результатами. Приведена статистика основных свойств колебательных структур в межпланетной среде, обнаруженных нами в период наблюдений.

Potapov A.S. Current and high-ß sheets in CIR streams: Statistics and interaction with the HCS and the magnetosphere // Astrophysics and Space Science. 2018. V. 363. Iss. 4. Article 81. DOI: 10.1007/s10509-018-3304-3.

Три десятка событий коротирующих областей взаимодействия (CIR) потоков быстрого и медленного солнечного ветра было проанализировано, чтобы оценить вероятность появления в структуре CIR токовых слоев и областей с повышенным значением параметра бета. Найдено, что в среднем каждый из CIR-потоков имел в своей структуре четыре токовых слоя с плотностью тока более 0.12 А/м2 и около полутора плазменных областей со значением бета более пяти. Фронт каждого шестого CIR-потока совпадал по времени в пределах часа с гелиосферным токовым слоем (ГТС), в половине случаев связь CIR с ГТС полностью отсутствовала. Детально рассмотрено одно событие одновременного наблюдения CIR-потока перед магнитосферой спутником ACE в окрестности точки либрации L1 и спутником Wind в удаленном хвосте магнитосферы. Измерения компонент межпланетного магнитного поля и плазменных параметров показывают, что общая структура потока сохраняется. Переносятся через магнитосферу и некоторые детали тонкой структуры, в частности, так называемая "магнитная дыра".

Dovbnya B.V., Potapov A.S. The frequency modulation of serpentine emission as compared to the set of the known periodicities of solar oscillations // Izvestiya, Physics of the Solid Earth. 2018. V. 54(5). P. 680?687. DOI: 10.1134/S1069351318050051.

По данным антарктической станции Восток за период с 1966 по 1971 годы исследуются свойства частотной модуляции геомагнитных пульсаций типа серпентинная эмиссия (SE). Методом спектрального анализа колебаний выбранных событий выявлен ряд модуляционных периодов в интервале от 1 до 60 минут. Наиболее часто встречается 5-минутный период модуляции частоты SE. Проведено сравнение полученных результатов с результатами наблюдений колебательных движений атмосферы Солнца. Обнаружено соответствие периодов модуляции частоты SE периодам осцилляций солнечной фотосферы. Тем самым подтверждается высказанная ранее гипотеза о существовании генетической связи частотной модуляции эмиссии с пульсациями солнечной поверхности.

Guglielmi A.V., Potapov A.S. Do 5-minute oscillations of the Sun affect the magnetosphere and lithosphere of the Earth? 2018. arXiv:1808.05367 [physics.geo-ph]

В этой статье мы проанализировали ряд проблем, имеющих отношение к физике солнечно-земных связей и динамике геосфер. Показано, что хорошо известные в гелиосейсмологии постоянные 5-минутные колебания фотосферы, вероятно, влияют на режим сверхнизкочастотных (УНЧ) геоэлектромагнитных волн. Мы обнаружили максимумы в период около 5 мин в спектрах УНЧ-волн типов SE, BMP и Pc5. Что касается вопроса о влиянии 5-минутных колебаний фотосферы на геосейсмичность, то ответ отрицательный. Это можно было предвидеть заранее, но сама постановка вопроса неожиданно привела к повороту темы и дала нам возможность обсудить проблему скрытой периодичности природных процессов, синхронизируемых мировыми часами.