Развитие ГИС «Аврора-Арктика» и моделей ионосферы для нее, методов дистанционной диагностики

В 2020 г продолжено наполнение и развития ГИС. Реализовано добавление в БД полных данных со спутника DMSP (Спектры: 121,6 нм, 130,4 нм, 135,6 нм, LBH S, LBH L) в потоковом режиме квазиреального времени и визуализация в растровом виде за период 01.01.01 – по настоящее время. Также добавлены данные Российского сегмента когерентных радаров декаметрового диапазона (http://sdrus.iszf.irk.ru/) и данные сети ИНТЕРМАГНЕТ (https://www.intermagnet.org/) по арктической зоне.

Отдельное направление в системе занимает работа по добавлению моделей прогноза состояния ионосферы. До 2020 г была реализована модель границ аврорального овала Старкова (1994), которая в качестве входного параметра использует геомагнитный индекс авроральной электроструи AL. Оценка индекса AL производится на основе часовых усредненных данных солнечного ветра и межпланетного магнитного поля, измеряемых спутником DSCOVR в реальном времени (Petrukovich, 2006). Прогноз дается на период 2 часа, и обновляется каждый час.  В 2020 г также реализована и тестируется Модель границ аврорального овала OVATION Prime, особенностями этой модели являются отсутствие необходимости использования авроральных индексов, а также возможность создания прогнозов по отдельным составляющим авроральных явлений: двух типов рассеянного сияния (хаотическое движение электронов и ионов) и двух типов дискретного сияния (моноэнергетические пики и “broadband” ускорение). Работа по развитию пользовательского интерфейса для упрощения использования и расширения возможностей индивидуальной настройки позволила реализовать в функционал управление слоями данных (наложение, прозрачность и прочее).

Суммирован и опубликован большой объем результатов по использованию спутниковых наблюдений авроральных свечений для целей диагностики ионосферы. Свечение эмиссий в многообразных авроральных структурах разных масштабов отображает информацию о мгновенных энергетических распределениях высыпающихся заряженных частиц, и, как следствие, информацию о мгновенных распределениях электронной концентрации Ne на разных высотах ионосферы и поперечных проводимостей Σp и Σh, интегрированных по высоте, благодаря которым магнитосферные токи замыкаются в толще ионосферы.

Результаты наблюдений с вытянутых орбит типа Молния за время экспозиции изображений ~ несколько десятков сек позволяют получать глобальную крупномасштабную картину свечения ВУФ-эмиссий электронного и протонного овалов целиком, отображающую их мгновенную локацию в пространстве и положения границ высыпаний протонов и электронов из магнитосферы с пространственным разрешением ~ 50÷70 км/пиксель. С полярных орбит до 1000 км возможно картографирование среднемасштабных (~5 х 5 км/пиксель) участков аврорального овала, а в отдельных случаях до ~1÷2 км/пиксель при времени экспозиции изображения 0,1-0,2 с, что позволяет «видеть» структуры мелкомасштабной авроры.

Разработан модернизированный вариант проекта функциональной блок-схемы оценки состояния фактической фоновой спектральной обстановки и электродинамической обстановки полярной ионосферы на основе наблюдений авроральных свечений, в который добавлены блоки расчетов глобальных и локальных карт энергетических характеристик высыпающихся частиц по данным распределений интенсивности измеряемых эмиссий и их отношений, а также расчет и картирование электронной концентрации, потока энергии и средней энергии, и поперечных проводимостей ионосферы по данным полей распределений энергетических характеристик частиц, полученных на основе распределений интенсивности эмиссий. Особенный интерес представляет наблюдение высыпаний электронов в разных ракурсах с разных позиций одновременно.

Орбитальная методика авроральной диагностики ионосферы позволит в ближайшем будущем приблизиться к пониманию того, как формируются локальные условия в возмущенной полярной ионосфере, приводящие к сцинтилляциям сигналов во время геомагнитных возмущений, почему сцинтилляции в одних и тех же условиях возникают в одних авроральных структурах (или их фрагментах) и не возникают (либо возникают более слабые) в других соседних с ними. Предполагается что методика буде отлажена на двух перспективных космических аппаратах Метеор-МП и Зонд при проведении экспериментов, связанных с рядом геофизических научных и прикладных задач. Их запуск планируется в 2025 г.

Кроме того, выполнены работы по развитию оригинальных прикладных моделей ионосферы:

• Разработана глобальная медианная модель F2-слоя ионосферы для определения высоты максимума (hmF2) и критической частоты (максимальной концентрации электронов Nme) F2-слоя ионосферы Земли. Планируется её регистрация как РИД в 2021 году.
• Разработан алгоритм расчёта положения крупномасштабных неоднородностей высокоширотной модели ионосферы и их параметров для различных гелиогеофизических условий.
• Создан алгоритм расчета оптимальных условий для прецизионных одновременных наблюдений авроральных структур в основных эмиссиях (λ630,0 нм [OI], λ427,8 нм (N2+), и λ486,1 нм (Hβ) с разных ракурсов с двух разновысотных орбит. Цель: получение изображений эмиссий в F и Е – слоях ионосферы, и их использование для 3D реконструкций распределений интенсивности эмиссий, и вычисления на их основе объемных дифференциальных распределений потоков электронов и проводимости Холла и Педерсена, определяемых ими.

 
Рисунок 1.4.1 — Модель Ovation Prime аврорального овала, когерентный радар декаметрового диапазона и DMSP-18 SSUSI 135.6 нм, 01.01.2018, 00.00 UTC.