СПОСОБ ЗОНДИРОВАНИЯ ГРАНИЦ АВРОРАЛЬНОГО ОВАЛА И СОСТОЯНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ Российский патент 2023 года по МПК G01W1/00 G01V3/40 

Изобретение относится к геофизике и может использоваться в системе мониторинга окружающей среды, контроля космического пространства, обеспечения безопасности коммуникаций и транспортных систем.

Авроральный овал ограничивает полярную шапку в высокоширотной ионосфере [1]. Зона интенсивных полярных свечений в овале достигает 5-7° по широте. Положение зоны аврорального овала соответствует проекции склона внешнего радиационного пояса Земли (проекции авроральной магнитосферы) на границу атмосферы [2]. Размытая граница овала в сторону низких широт связана с внутренним радиационным поясом Земли [3]. Граница овала в сторону полюса достаточно условная.

Во время магнитных бурь авроральный овал смещается в средние широты синхронно с движением границы плазмосферы и максимума внешнего радиационного пояса [4, 5].

Область аврорального овала связана с высыпающимися частицами радиационных поясов Земли и дугой полярных сияний, в которой происходят взрывные вспышки высыпаний [6]. Источником электронов и ионов аврорального овала являются потоки плазмы, которые со всех сторон окружают радиационные пояса Земли. Потоки плазмы влияют на ионный состав высокоширотной ионосферы, обусловливая возможность зондирования положения аврорального овала по ионному составу высокоширотной ионосферы.

В настоящее время положение аврорального овала определяется в широком диапазоне высот по данным наблюдений полярных сияний, риометрических измерений уровня космического радиошума в высоких широтах, по результатам моделирования, по данным магнитометрической сети, по данным зондирования ионосферы, по данным зондирования потоков энергичных частиц [7], с использованием данных КА и авровизоров.

В качестве основной границы, чаще всего, используют положение центральной оси зоны аврорального овала - экваториальной границы овала, с которой связана интенсивная токовая струя в ионосфере и максимум повторяемости полярных сияний. Зону овала к полюсу по повторяемости полярных сияний ограничивает приполюсная граница, а к средним широтам размытая граница диффузных сияний. То есть, внешние границы овала достаточно условны. В прогнозах вероятности полярных сияний овал представляется деформированным кольцом шириной до 5-7° по широте [7].

Прототипом предлагаемого изобретения является способ зондирования характеристик аврорального овала и состояния магнитного поля Земли (Патент 2683113, Заявка: 2018110604, 26.03.2018, [7]) по результатам селекции энергий потоков заряженных частиц. Они участвуют в формировании ионной компоненты верхней ионосферы. Использование данных о концентрации ионной компоненты в высокоширотной ионосфере, регистрируемой масс-спектрометрами, является отличительной особенностью предлагаемого изобретения по диагностике границ аврорального овала. Принципы селекции газового и ионного состава верхней атмосферы, состояние и перспективы развития космических масс-спектрометров представлены в [8].

Целью заявленного изобретения является определение границ аврорального овала по регистрируемым в высокоширотной ионосфере характерным пространственно-временным экстремумам концентрации ионов на высоте орбиты газоанализатора и расчет состояния магнитного поля Земли, с которым связано положение аврорального овала.

Информационную основу предлагаемого решения по диагностике аврорального овала можно показать на основе результатов измерения концентрации иона кислорода ([O+]) радиочастотным масс-спектрометром (РИМС) с КА «Метеор-2М». На высотах орбиты КА «Метеор-2М» указанный ион превалирует среди других измеряемых ионов [8].

Пример типовой записи измерений [O+] представлен на фиг. 1 на витке КА "Метеор-2М" (солнечно-синхронная орбита, средняя высота на экваторе около 820 км, наклонение 98,4257°, длительность сеанса измерений около 115 минут). Анализаторы РИМС ориентированы вдоль траектории КА навстречу ионному потоку.

Основной режим сброса результатов зондирования газового и ионного состава верхней атмосферы настроен на утренний в (примерно в 6 часов мск) и вечерний (около 18 часов мск) витки, хотя есть возможность настройки зондирование на других витках, как и возможность корректировки дискретности измерений.

На фиг. 1 дискретность измерений 20 секунд. На ширину зоны аврорального овала при сильных магнитных бурях приходится до 5-6 измерений.

На верхнем фрагменте фиг. 1 показано распределение [O+] на витке орбиты вокруг упрощенного изображения земного шара. Окружности вокруг земного шара соответствуют разным значениям [O+] в условных единицах. Относительная единица [O+] соответствует примерно 200 ионам кислорода в см³, в соответствии с данными в [9]. На нижнем фрагменте представлены те же данные, но в другой проекции с привязкой по широте орбиты и времени. Геомагнитная возмущенность 05.01.2022 г. была низкой, (К-индекс=1--[10]), как и солнечная активность (по уровню излучения F_{10,7 см} [10]).

В обширной Южной полярной шапке границы аврорального овала и локальный минимум в его центре проявились лучше. Это обусловлено прогревом Южного полушария - положение Солнца показано на верхнем фрагменте. Пики [O+] внутри полярной шапки связаны также с внутренней зоной полярных сияний, которая создается суточным вращением дневной части аврорального овала [6]. Сложность морфологии Южной полярной шапки и ее большая площадь обусловлена также тем, что Южный магнитный полюс вышел с материка в прибрежные моря.

В зимней Северной полярной шапке концентрация иона кислорода меньше, чем в освещенной Солнцем Южной полярной шапке. Полярная шапка меньше. Поэтому и граница диффузных сияний выше полярного круга на утреннем витке выражены хуже. Но в приполюсной точке также проявился локальный минимум, обусловленный полярным ионосферным провалом.

Аномальное распределение концентрации иона кислорода над полярными шапками на фиг. 1 соответствует результатам магнитоэлектродинамического и химического моделирования морфологии полярной шапки в [11, 12] и проявлению аврорального овала в [O+]. При моделировании в [11, 12] было установлено, что морфология полярной шапки зависит от магнитной активности, солнечной активности (по уровню излучения F₁₀,_{7 см}), характеристик солнечного ветра, сезона. Но зона аврорального овала всегда проявляется в [O+]. Поэтому, пересечение аврорального овала РИМСом будет проявляться в локальном экстремуме [O+].

Для оперативного мониторинга локального экстремума [O+] в зоне аврорального овала предлагается схема фиксации [O+] (по интенсивности катодного тока в РИМС на частотах иона кислорода) по орбите, пересекающей полярную шапку, с диагностикой положения и амплитуды локальных экстремумов [O+] (кружки с штриховой границей 1-1* и 2-2* на фиг. 1; широта 2* соответствует модели реальных границ овала в [6]), разделенных локальным минимумом [O+] в языке холодной плазмы внутри аврорального овала. Орбита носителя РИМС известна с достаточной для измерений точностью. А значит и кординатно-временная привязка измерений. При выборе других орбит для других КА с приборами для определения газового и ионного состава необходимо пересечение зоны аврорального овала при соответствующем выборе диагностируемого параметра.

Интенсивность аврорального овала характеризует относительная, по сравнению с сезонными значениями, амплитуда экстремумов.

Положение середины куполообразного всплеска интенсивности [O+] на участке орбиты с повышенным уровнем повторяемости появления полярных сияний (по статистической модели) будет соответствовать экваториальной границе аврорального овала. Подошва всплеска (в сторону низких широт) - границе диффузных сияний, а удаление от экваториальной границы внутрь овала в сторону локального минимума [O+] на 2-4 градуса географической широты между локальным минимумом в полярной шапке и экваториальной границей овала - приполюсной границе аврорального овала (в сторону полюса). Указанные 2-4 градуса географической широты достаточны для фиксации приполюсной границы, учитывая сложную морфологию овала по [6], особенно вблизи границ терминатора, где внутри внешнего аврорального овала проявляется слабовыраженный внутренний ночной овал.

Вопрос со сложностью калибровки приборов предполагает возможность использования для диагностики локальных экстремумов [O+] разностного (дифференциального) метода измерений. Для этого подбирается ион с минимальной концентрацией (например, Н+ для высокоширотной ионосферы), на фоне которого анализируются относительные вариации основного иона на высоте орбиты.

Постоянное зондирование границ авроральных овалов позволяет использовать предыдущие данные измерений и расчетов в качестве начального приближения. Для восстановления границ вне пересечения зоны овала орбитой КА используется модель (статистическая или аналитическая) аврорального овала.

Для зондирования состояния магнитного поля Земли по полученным координатам экваториальной границы овала осуществляется подбор ее наилучшего совпадения с среднестатистическим (климатическим) положением по модели овала при задаваемых оценках магнитной активности. По длительным рядам наблюдений возможен расчет изменений состояния магнитного поля. Для уточнения полученных результатов могут использоваться данные доступных наблюдений в приавроральной зоне.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение оперативности, точности и надежности мониторинга границ аврорального овала, магнитной активности по зондируемым в высокоширотной ионосфере концентрациям ионов.

Технический результат заявленного изобретения достигается приемом и распознаванием не менее чем одним анализатором синхронизированного по времени состава ионов в высокоширотной ионосфере по орбите, пересекающей авроральный овал, с привязкой к подспутниковым координатам, раскодированием принятых сигналов, расчетом положения и интенсивности экстремумов в распределении концентрации используемых для анализа ионов вдоль траекторий КА, использованием статистических (климатических) моделей авроральных овалов. По положению экстремумов (экстремальных зон) в широтном распределении концентрации анализируемых ионов в высокошироной ионосфере по орбите движения масс-спектрометра фиксируется магнитная и географическая широта экваториальной границы, а по положению основания куполообразного всплеска концентрации анализируемых ионов - границы диффузных сияний и приполюсные границы аврорального овала. С помощью последовательных приближений устанавливается соответствие широт статистического (климатического) и зафиксированного положений границ аврорального овала, подбирается оценка возмущенности магнитного поля Земли, соответствующая минимальной невязке сравнения.

До накопления статистических данных для создания адаптируемой климатической модели границ аврорального овала для расчетов границ северного аврорального овала используется модель [13] или [14], данные по [7]. Для границ южного аврорального овала - модель критической частоты Е-слоя ионосферы по SIMP2 или модель [15, 16] с данными по [7]. В дальнейшем на основе длительных рядов наблюдений формируется адаптируемая модель границ аврорального овала, которая также используется при диагностике состояния магнитного поля Земли, а при наличии многолетних наблюдений для расчета тренда и смещения магнитных полюсов Земли. Интенсивность аврорального овала характеризует относительная, по сравнению с статистическими значениями, амплитуда зафиксированных экстремумов концентрации анализируемых ионов.

Для уточнения положения границ аврорального овала могут использоваться доступные данные зондирования.

Данные зондирования масс-спектрометрами могут обрабатываться на борту КА, в пунктах приема и обработки информации с КА. Анализатор (масс-спектрометр) должен обеспечить измерение состава ионов верхней атмосферы из одного направления. Технологические особенности исполнения анализаторов определяются имеющимися ресурсами, возможностями КА и факторами околоземного космического пространства. Дискретность измерений в полярной шапке должна быть малой скважности, учитывая космические скорости движения КА и небольшую ширину зоны аврорального овала.

Управление масс-спектрометром (команды, питание, бортовое время) осуществляется служебными системами КА. Информационный обмен масс-спектрометра с КА производится через контроллеры, которые обеспечивают сбор информации, запоминание и формирование кадра информации, подаваемого на соответствующую служебную систему КА [7].

Расчет положения границ аврорального овала заключается в следующем:

- устанавливается не менее одного масс-спектрометра для анализа концентрации ионов на не менее одном КА с околополярной орбитой, пересекающей зоны полярных шапок Земли;

- принимают не менее одним масс-спектрометром синхронизированные по времени концентрации анализируемых ионов по орбите движения прибора;

- раскодируют в бортовых приемовычислителях принятые информационные кадры, в том числе с координатно-временной привязкой измерений;

- фиксируют распределение, положение и амплитуду экстремумов в концентрации анализируемых ионов в высокоширотной ионосфере;

- передают через контроллеры и каналы связи принятые и обработанные данные в центр приема, обработки и анализа информации с ПЭВМ оператора на базе процессора с устройством отображения информации, где:

- рассчитывают в каждый установленный для измерений момент времени положение используемых для измерений КА, их подспутниковых точек в географических и исправленных магнитных координатах;

- определяют положение, размах (по орбите) и амплитуду экстремальных зон регистрируемых концентраций анализируемых ионов вдоль траекторий КА;

- фиксируют положение экваториальной границы аврорального овала по положению середины (в зависимости от дискретности измерений) зоны экстремума в широтном распределении концентрации анализируемого иона на фоне средних значений этого иона для времени измерений или при сравнении (дифференциальный метод) с концентрацией иона с наименьшей концентрацией в анализируемом диапазоне широт;

- определяют положение границы диффузных сияний и приполюсной границы аврорального овала, удаленных от экваториальной границы примерно на 2-4 градуса по широте по положению границ экстремальных зон - оснований куполообразных всплесков концентрации анализируемого иона, а для приполюсных границ до локального минимума концентрации анализируемого иона в полярной шапке;

- уточняют положение границ аврорального овала по доступным данным зондирования авроральной зоны и адаптируемым моделям аврорального овала;

- рассчитывают карты распределения авроральных овалов и формируют адаптивные модели аврорального овала (с границами) на основе длительных рядов наблюдений;

- подбирают оценку возмущенности магнитного поля Земли с помощью последовательных приближений на наибольшее соответствие широт статистического для времени зондирования (климатического) и выявленного положений границ аврорального овала;

- определяют при наличии многолетних расчетов состояния магнитного поля Земли тренды и смещение положения магнитных полюсов Земли;

- предоставляют полученные результаты потребителям и архивируют.

Архивы результатов мониторинга высокоширотной ионосферы используются для коррекции адаптивных моделей аврорального овала, полярной шапки и состояния магнитного поля Земли с индексами магнитной активности.

Для уточнения (верификации) положения аврорального овала используется сравнение (при наличии) с результатами других наблюдений аврорального овала и источниками проверяемой информации.

В составе структурной схемы, реализующей предлагаемый способ, предлагаются следующие скоммутированные основные элементы (фиг.2):

1 - Группировка бортовых масс-спектрометров для измерений концентрации ионов;

2 - Пункт приема и обработки данных;

3 - АРМ с ПЭВМ на базе процессора с устройством отображения информации;

4 - Блок исходных данных, архивов, результатов зондирования, адаптируемых моделей.

Программное обеспечение для реализации заявленных функций способа целесообразно выполнить на основе процессора, серверных приложений и коммуникационной сети на основе Интернет-связи, оптоволоконной связи, линий радиосвязи. В расчетах должна быть предусмотрена реализация процедур, представленных на фиг. 3.

Преимущество заявленного способа зондирования границ аврорального овала и состояния магнитного поля Земли обусловлено диагностикой физически обоснованных параметров, формирующих область аврорального овала, использованием космических технологий, в том числе малых и микро КА в качестве носителей анализаторов газового и ионного составов атмосферы и масс-спектрометров, совершенствованием технологических решений по диагностике аврорального овала, простотой схемы зондирования, возможностью оперативной оценки гораниц аврорального овала и состояния магнитного поля Земли, возможным обучением и использованием нейронных сетей для распознавания положения аврорального овала.

Литература:

1. ГОСТ 25645.109-84 Магнитосфера Земли. Термины и определения.

2. Ковтюх А.С., Панасюк М.И., Радиационные пояса Земли. В кн. Плазменная гелиофизика, в 2 т.(Под ред. Л.М. Зеленого, И.С. Веселовского). - М.: ФИ3-МАТЛИТ, 2008. т. 1. С. 510-534.

3. Барсуков Ю.С. Модель высыпаний электронов с энергией более 100 кэВ при развитии циклотронной неустойчивости в радиационных поясах Земли//Известия ПГПУ. 2011. №26. С. 418-424.

4. Хорошева О.В. Пространственно-временное распределение полярных сияний/Результаты исследований по международным геофизическим проектам, №16. - М: Наука, 1967.

5. Старков Г.В. Планетарная динамика аврорального свечения/Физика околоземного космического пространства. - Апатиты: ПГИ, 2000.

6. Лазутин Л.Л. Овал полярных сияний - прекрасная, но устаревшая парадигма // Солнечно-земная физика. 2014. Т. 1, №1. С. 23-35. DOI: 10.12737/5673.

7. Тертышников А.В. Способ определения характеристик аврорального овала и состояния магнитного поля Земли / Патент 2683113 /Заявка: 2018110604, 26.03.2018.

8. Тертышников А.В. Масс-спектрометр космический. Патент на изобретение №2726186. Заявка №2019121111/20(041262) от 05.07.2019 г. Опубликовано: 10.07.2020 Бюл. №19.

9. Гладышев В.А., Щекотов А.Ю., Ягова Н.В., Бертелье Ж.Ж., Парро М., Акеньтиева О.С, Баранский, Л.Н., Федоров Е.Н., Мулярчик Т.М., Молчанов О.А., Концентрация ионов в верхней ионосфере по измерениям на спутнике DEMETER. Морфология и зависимость от солнечной и геомагнитной активности // Космические исследования, 2012, том 50, №2, С. 109-121.

10. http://www.celestrak.com/SpaceData/

11. Уваров В.М., Самокиш Б.А. Электрические поля в ионосфере Земли. Численные модели. - СПб: ПГУПС. 2009. С 62.

12. Уваров В.М., Лукьянова Р.Ю. Моделирование высокоширотной ионосферы с учетом влияния параметров межпланетной среды//Гелиогеофизические исследования. 2014, Вып. 7. С. 108-118.

13. Старков Г.В. Математическое описание границ аврорального свече-ния//Геомагнетизм и аэрономия, 1994, т. 34, №3. С. 80-86.

14. Вадим В.И., Деминов М.Г., Деминов Р.Г., Шубин В.Н. Модель медианы критической частоты е-слоя для авроральной области //Солнечно-земная физика. Вып. 22 (2013) С. 24-26.

15. https://www.swpc.noaa.gov/products/aurora-30-minute-forecast

16. http://sd-www.jhuapl.edu/Aurora/ovation_live/ovationdisplay.cgi

Изобретение относится к геофизике и может использоваться в системе мониторинга окружающей среды, контроля околоземного космического пространства. Сущность: с использованием как минимум одного приемного устройства, установленного на как минимум одном космическом аппарате, находящемся на орбите, пересекающей авроральные овалы Земли, регистрируют с установленной периодичностью во времени концентрации ионов. Рассчитывают изменение концентрации анализируемых ионов вдоль орбиты космического аппарата с известными или рассчитываемыми координатами. Передают принятые данные и результаты обработки данных в пункты приема данных и в центр обработки данных. В центре обработки данных рассчитывают в каждый установленный для измерений момент времени положение приемных устройств и проекции их траекторий на поверхность Земли в географических и магнитных координатах. Рассчитывают характеристики авроральных овалов по статистическим моделям. Рассчитывают положение и координаты экстремумов концентрации анализируемых ионов вдоль орбиты приемных устройств в зонах статистических границ овалов. Фиксируют положение экваториальной границы аврорального овала по широте середины зоны экстремальных значений концентрации анализируемого иона или ионов вдоль траектории движения приемных устройств в высоких широтах. Фиксируют положение широты границ диффузных сияний и приполюсных границ аврорального овала вдоль траектории приемных устройств по положению основания куполообразных зон экстремальной интенсивности регистрируемых концентраций ионов или на удалении 2-4 градусов широты от экваториальной границы. Определяют интенсивность аврорального овала по относительной по сравнению со статистическими оценками амплитуды экстремальных значений концентрации анализируемых ионов. Восстанавливают пространственное расположение границ авроральных овалов по полученным данным измерений и статистическим моделям авроральных овалов. Рассчитывают состояние магнитного поля Земли последовательными приближениями положения статистических границ аврорального овала к выявленным границам аврорального овала при разных значениях магнитной активности, минимизирующей невязку сравниваемых границ. Формируют адаптивные модели границ аврорального овала и состояния магнитного поля Земли на основе длительных рядов наблюдений. Технический результат: повышение оперативности и точности определения характеристик аврорального овала и состояния магнитного поля Земли. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения характеристик аврорального овала и состояния магнитного поля Земли, заключающийся в том, что:

- регистрируют не менее одним приемным устройством на не менее одном космическом аппарате (КА) концентрации ионов с установленной периодичностью по времени;

- рассчитывают изменение концентрации анализируемых ионов вдоль орбиты КА с известными или рассчитываемыми координатами;

- передают принятые данные и результаты обработки данных об изменениях концентрации анализируемых ионов в пункты приема данных и в центр обработки с ПЭВМ оператора на базе процессора с устройством отображения информации, где:

- рассчитывают в каждый установленный для измерений момент времени положение приемных устройств и проекции их траекторий на поверхность Земли в географических и магнитных координатах;

- рассчитывают характеристики авроральных овалов по статистическим моделям,

отличающийся тем, что:

- приемные устройства находятся на орбите, пересекающей авроральные овалы Земли;

- рассчитывают положение и координаты экстремумов концентрации анализируемых ионов вдоль орбиты приемных устройств в зонах статистических границ овалов;

- фиксируют положение экваториальной границы аврорального овала по широте середины зоны экстремальных значений концентрации анализируемого иона или ионов вдоль траектории движения приемных устройств в высоких широтах;

- фиксируют положение широты границ диффузных сияний и приполюсных границ аврорального овала вдоль траектории приемных устройств по положению основания куполообразных зон экстремальной интенсивности регистрируемых концентраций ионов или на удалении 2-4 градусов широты от экваториальной границы;

- определяют интенсивность аврорального овала по относительной по сравнению с статистическими оценками амплитуды экстремальных значений концентрации анализируемых ионов;

- восстанавливают пространственное расположение границ авроральных овалов по полученным данным измерений и статистическим моделям авроральных овалов;

- рассчитывают состояние магнитного поля Земли последовательными приближениями положения статистических границ аврорального овала к выявленным границам аврорального овала при разных значениях магнитной активности, минимизирующей невязку сравниваемых границ;

- формируют адаптивные модели границ аврорального овала и состояния магнитного поля Земли на основе длительных рядов наблюдений.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что диагностика положения экстремумов концентрации анализируемого иона производится по сравнению с измерениями иона с наименьшей концентрацией на высотах орбиты КА.