Аннотация результатов, полученных в 2015 году
1.5.1 Моделирование хоровых излучений. Проведено численное моделирование хоровых излучений для события, наблюдавшегося на спутнике THEMIS в утренней области магнитосферы. Использована самосогласованная нелинейная система уравнений, описывающая режим лампы обратной волны в магнитосферном циклотронном мазере в предположении о наличии перепада (ступеньки) на начальной функции распределения энергичных частиц по скоростям. Параметры для моделирования выбирались на основе имеющихся данных о магнитном поле, плотности холодной плазмы и функции распределения энергичных электронов. Недостающие параметры подбирались так, чтобы получить в расчетах хоровые элементы с параметрами, близкими к наблюдаемым. Единственной неизвестной характеристикой распределения энергичных частиц, использованной для “подгонки” результата, являлась высота ступеньки на функции распределения по скоростям. Этот параметр невозможно определить из данных детекторов энергичных частиц, поскольку их разрешающая способность по энергии и питч-углу недостаточна. Показано, что исходя из известных величин магнитного поля, плотности плазмы и частоты волны можно однозначно подобрать параметры энергичных частиц, обеспечивающих правильное воспроизведение в численных расчетах структуры отдельных хоровых элементов. В частности, при этом согласуются друг с другом и с расчетами амплитуда волн, инкремент их нарастания и скорость дрейфа частоты. По результатам сопоставления расчетов и данных наблюдений оценен относительный перепад на функции распределения, обеспечивающий генерацию наблюдаемых хоровых элементов. Он составил примерно 0,03, что согласуется с опубликованными ранее данными статистических исследований, в которых данный параметр определялся из сопоставления скорости дрейфа частоты в хорах, наблюдаемых на спутниках Cluster, с аналитическими оценками. С помощью численных расчетов проверены и уточнены аналитические соотношения между параметрами хоровых элементов, такими как инкремент неустойчивости на линейной стадии и характерная амплитуда волн в нелинейном режиме, амплитуда волн и скорость дрейфа частоты. Эти соотношения важны для количественного изучения наблюдательных данных по хоровым ОНЧ излучениям, особенно в условиях, когда неизвестны или известны неточно некоторые параметры фоновой и горячей плазмы и магнитного поля. 1.5.2 Совершенствование модели генерации дискретных излучений. Численная модель генерации дискретных излучений обобщена для расчетов генерации волн в ионно-циклотронном диапазоне частот. Уточнены и сопоставлены с численными результатами других авторов, использующих более полные численные модели, оценки скорости дрейфа частоты как функции амплитуды волн. Показано, что оценки для ионно-циклотронных волн типа гидромагнитных хоров, основанные на модели лампы обратной волны, хорошо согласуются с результатами расчетов. 1.5.3 Энергообмен между частицами и дискретными волновыми пакетами. С помощью численных расчетов определен суммарный энергообмен при резонансном взаимодействии между заряженными частицами и продольно распространяющимися свистовыми волнами, частота и амплитуда которых изменяются во времени. Показано, что, в согласии с ранее опубликованными аналитическими оценками, энергия, поглощенная захваченными волной электронами, может составлять значительную долю энергии волнового пакета и даже превышать ее (в последнем случае приближение заданной амплитуды волны становится несправедливым). Вместе с тем, также в соответствии с выводами, сделанными ранее для волн с постоянной частотой и амплитудой, полный энергобаланс в системе частиц и волн в значительной мере определяется незахваченными частицами. Лишь при достаточно высокой средней энергии начального распределения электронов (в магнитосфере Земли на L = 4 — для W > 200 кэВ при амплитуде волны порядка 200 пТл) вклад захваченных частиц в энергобаланс может превышать вклад незахваченных. 1.5.4 Источник квазипериодических ОНЧ излучений. По результатам одновременных наблюдений на спутнике Van Allen Probes в области экватора и на Земле определено вероятное положение источника квазипериодических ОНЧ излучений в событии, зарегистрированном 25.01.2013. Квазипериодические ОНЧ излучения впервые одновременно зарегистрированы в наземных данных (Kannuslehto, Финляндия) и на спутнике (Van Allen Probe A) вблизи геомагнитного экватора. Установлено однозначное соответствие ОНЧ сигналов и их спектральных форм на земле и на спутнике, что доказывает временной характер квазипериодической модуляции. В локализованной области L = 3.9–4.2 на спутнике зарегистрированы синхронные с волнами вариации функции распределения электронов по скоростям, свидетельствующие о пересечении спутником области источника квазипериодических ОНЧ излучений и о генерации этих сигналов в магнитосферном циклотронном мазере. 1.5.5 Фокусировка ОНЧ волн в искусственных дактах. С помошью численных расчетов лучевых траекторий определены амплитудные характеристики низкочастотных сигналов ОНЧ диапазона при их распространении в ионосфере и магнитосфере с учетом искусственных дактов плотности, формируемых при нагреве земной ионосферы мощным КВ радиоизлучением. Показано, что захват лучей в крупномасштабное возмущение плотности плазмы, создаваемое при ВЧ нагреве, может приводить к их фокусировке и существенному (до 10 раз) локальному увеличению амплитуды. Вытягивание дакта вдоль силовой линии геомагнитного поля приводит к увеличению интервала широт, из которых стартуют лучи, захватываемые и фокусируемые дактом. 1.5.6 Адаптация методов математической морфологии и анализ наблюдений пульсирующих сияний. Методы математической морфологии адаптированы для определения положения форм сияний на кадре при триангуляции пульсирующих структур. С использованием этих методов был выполнен анализ одновременных наземных наблюдений пульсирующих полярных сияний и ОНЧ шумовых излучений в авроральной зоне. Это позволило впервые выявить связь между всплесками ОНЧ шума в полосе 600–1000 Гц с характерным масштабом модуляции около 10 с и соответствующими этим всплескам интенсификациями сияний в локализованной области размером около 100 км. 1.5.7 Высыпания релятивистских электронов. Данные прибора MEPED на спутниках NOAA POES были использованы для изучения различных типов высыпаний релятивистских (> 0.8 МэВ) электронов. Наблюдения ВРЭ сопоставлены с данными о высыпаниях энергичных (> 30 кэВ) протонов и электронов. Связь ВРЭ с высыпаниями энергичных частиц позволила выделить три типа ВРЭ: (1) высыпания на приполюсной границе области захвата, характеризующиеся широтной дисперсией по энергиям электронов; (2) высыпания релятивистских электронов, совпадающие с высыпаниями энергичных электронов, и (3) высыпания релятивистских электронов, совпадающие с высыпаниями энергичных протонов. На основе морфологических особенностей ВРЭ разных типов, их взаимосвязи с плотностью холодной плазмы в экваториальной плоскости магнитосферы (в области генерации высыпаний) сделаны выводы о возможных механизмах рассеяния релятивистских электронов в конус потерь. ВРЭ первого типа не связаны с взаимодействием с волнами, а обусловлены рассеянием в конус потерь при нарушении адиабатичности движения заряженной релятивистской частицы в области малого магнитного поля в экваториальной плоскости магнитосферы. ВРЭ второго типа часто наблюдаются за плазмопаузой и, соответственно, могут быть связаны с рассеянием на электростатических волнах вблизи верхнегибридного резонанса. ВРЭ третьего типа (поскольку они совпадают с высыпанием протонов и наблюдаются внутри плазмосферного выступа) могут быть обусловлены взаимодействием релятивистских электронов с электромагнитными ионно-циклотронными (ЭМИЦ) волнами. По данным спутников NOAA POES проведен анализ протонных высыпаний во время геомагнитной бури 10–11.11.2004, когда на станции Новая Жизнь (L = 2, 6) были обнаружены геомагнитные пульсации в диапазоне до 15 Гц, не зарегистрированные на более высокоширотных станциях. Показано, что высокочастотным геомагнитным пульсациям соответствуют локализованные высыпания протонов на исправленной геомагнитной широте 50∘. Такие высыпания протонов являются индикатором ионно-циклотронной неустойчивости в экваториальной магнитосфере. Сделан вывод о том, что наблюдавшееся излучение является проявлением электромагнитных ионно-циклотронных (ЭМИЦ) волн, необычно высокая частота которых связана с низкоширотным положением источника.

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
1.5.1 Обобщение самосогласованной модели генерации дискретных излучений Уравнения, описывающие режим лампы обратной волны в магнитоактивной плазме при наличии перепада (“ступеньки”) на функции распределения энергичных заряженных частиц по скоростям, обобщены на случай произвольного направления распространения волны по отношению к внешнему магнитному полю и произвольной волновой моды. 1.5.2 Ускорение и высыпания энергичных заряженных частиц 1.5.2.1 - Высыпание энергичных протонов при взаимодействии с косыми ОНЧ волнами. На основе сопоставления данных низколетящих спутников NOAA по потокам энергичных протонов и спутников STEREO, регистрировавших интенсивные квази-электростатические ОНЧ шумы с полосой частот 1-2 кГц и амплитудой порядка 240 мВ/м на больших высотах, получено наблюдательное подтверждение возможности высыпаний энергичных протонов (порядка 100 кэВ) в ионосферу при их взаимодействии с квази-электростатическими свистовыми волнами. 1.5.2.2 - Расчеты взаимодействия заряженных частиц с косыми волнами. Показано, что при взаимодействии энергичных электронов в магнитосфере Земли с монохроматической свистовой волной, имеющей произвольный угол распространения по отношению к геомагнитному полю, в случае, когда для одной и той же частицы в разных точках ее траектории выполняются условия “нулевого” и основного циклотронного резонанса, взаимодействие на одном из резонансов может влиять на вероятность захвата при взаимодействии на другом резонансе. 1.5.3 Параметры хоровых ОНЧ излучений 1.5.3.1 - Моделирование режима генерации волн. На основе сопоставления инкремента циклотронной неустойчивости свистовых волн, вычисленного по измеренной на спутниках THEMIS и Van Allen Probes функции распределения электронов, с наблюдаемой скоростью нарастания волн в хоровых ОНЧ излучениях, сделан вывод о наличии на функции распределения гораздо более резких градиентов, чем определяются детекторами частиц. Показано, что даже в случаях, когда линейный инкремент достаточно велик и может объяснить наблюдаемые характеристики сигналов без предположения о наличии “ступеньки” на функции распределения энергичных частиц, упрощенная модели, основанная на этом предположении, адекватно описывает нелинейную динамику циклотронной генерации волн. 1.5.3.2 - Эффективная длина приемной антенны при регистрации квазиэлектростатических сигналов. Расчитана эффективная длина электрической приёмной антенны для нескольких типичных примеров квазиэлектростатических хоровых ОНЧ излучений, зарегистрированных спутниками THEMIS. Показано, что отношение эффективной длины длины к геометрической в рассмотренных примерах, как правило, больше 1 и достигает 30. Соответственно, напряжённость электрического поля излучения, вычисляемая по напряжению на антенне с учётом её эффективной длины, может быть значительно меньше, чем та, что определяется только из геометрических размеров антенны. 1.5.4 Усиление низкочастотных сигналов в магнитосфере при распространении Определено циклотронное усиление ОНЧ волн при их распространении в магнитосфере Земли при наличии крупномасштабных плазменных неоднородностей, таких как плазмопауза и дакты плотности, с учетом рефракции лучевых траекторий. 1.5.5 Интерпретация свойств квазипериодических ОНЧ излучений Численное моделирование квазипериодических излучений на основе модели проточного циклотронного мазера с использованием параметров плазмы, измеренных на спутнике Van Allen Probe A во время события 25.01.2013 г., позволило получить динамические спектры ОНЧ волн, схожие с наблюдаемыми сигналами. По результатам моделирования и на основе сопоставления с данными магнитных измерений сделан вывод, что формирование квазипериодической модуляции в данном событии обусловлено автоколебательным режимом циклотронной неустойчивости, не связанным с колебаниями геомагнитных силовых трубок. Проанализирована возможная роль нелинейного дрейфа частоты в квазипериодических экваториальных магнитозвуковых волнах, наблюдавшихся на спутниках Cluster в экваториальной области магнитосферы. Этот механизм частотного дрейфа связан с нелинейным захватом частиц в поле волны и развитием сателлитной неустойчивости за счет модификации функции распределения заряженных частиц (надтепловых протонов с энергиями от 100 эВ до 10 кэВ). Сделан вывод о том, что нелинейный механизм дрейфа частоты не может быть ответственным за наблюдаемый на спутниках Cluster частотный дрейф квазипериодических экваториальных магнитозвуковых волн. 1.5.6 Влияние параметров холодной и горячей плазмы на спектры ОНЧ волн Продемонстрировано соответствие частотно-временной зависимости инкремента циклотронной неустойчивости ОНЧ излучений и электромагнитных ионно-циклотронных волн, рассчитанной на основе данных спутников Van Allen Probes и частотно-временных характеристик наблюдаемых сигналов. Сделан вывод о важной роли канализированного распространения волн в обеспечении условий их генерации в рассмотренном событии. 1.5.7 Высыпания энергичных протонов и ионно-циклотронные волны На основе прямых сопоставлений измерений ЭМИЦ волн и высыпающихся частиц впервые детально и на большом количестве случаев исследована их взаимосвязь. Показано, что высыпания энергичных протонов к экватору от границы изотропных потоков находятся на тех же силовых линиях, что и области развития ионно-циклотронной неустойчивости. Построена карта вероятности наблюдения протонных высыпаний к экватору от границы изотропных потоков в координатах (исправленная геомагнитная широта - магнитное местное время). Сделан вывод о согласии распределения вероятности наблюдения протонов с картой распределения вероятности наблюдения ЭМИЦ волн в экваториальной плоскости. 1.5.8 Высыпания энергичных протонов на дневной стороне На основе данных комплексных наблюдений протонных сияний со спутника IMAGE, протонных высыпаний на спутниках POES, геомагнитных пульсаций на наземной станции Ловозеро, и наблюдений ЭМИЦ волн на спутниках THEMIS показано, что в дневном секторе к экватору от овала протонных сияний (к эватору от границы изотропии энергичных протонов) существует область долгоживущих, но при этом изменчивых, протонных высыпаний, связанная с генерацией ЭМИЦ волн в сопряженной экваториальной магнитосфере. Эти высыпания наблюдаются в широком диапазоне широт и долгот. Наблюдения интерпретируются как результат развития ионно-циклотронной неустойчивости в дневном секторе магнитосферы, где вследствие эффекта “расщепления дрейфовых оболочек” имеет место повышенная поперечная анизотропия энергичных протонов.

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
1.5.1 Взаимодействие релятивистских электронов с ЭМИЦ волнами Проанализированы особенности нелинейных режимов взаимодействия релятивистских электронов в радиационных поясах Земли в заданном поле с ионно-циклотронными волнами в виде волновых пакетов с дрейфом частоты (гидромагнитными хорами). Показано, что длительное пребывание частицы вблизи сепаратрисы на фазовой плоскости в области, далекой от седла, приводит к сильному уменьшению питч-угла частицы даже в отсутствие захвата полем волны, и что такой нелинейный режим можно считать переходным между режимом захвата частиц полем волны и пролетным режимом. Подтверждено, что, как и захват частиц, он может приводить к высыпанию релятивистских электронов в конус потерь. Принята к печати статья в ж. ”Изв. вузов. Радиофизика” (Грач, Демехов). 1.5.2 Определение пространственного положения источника ОНЧ излучений 1.5.2.1 Узкополосные ОНЧ излучения в субавроральной зоне С помощью анализа данных одновременных наблюдений на Земле и на спутниках Van Allen Probes найдено, что узкополосные ОНЧ излучения, регистрируемые на наземной авроральной станции в разных частотных полосах, коррелируют с сигналами, регистрируемыми на спутниках при их прохождении локализованных областей, в которых частота сигналов находится вблизи половины экваториальной гирочастоты электронов. Результаты наблюдений и расчетов распространения ОНЧ волн позволили впервые показать, что узкополосные ОНЧ излучения, регистрируемые на Земле, распространяются от магнитосферного источника каналированным способом внутри неоднородностей плотности плазмы, которые наблюдались на спутниках Van Allen Probes. Опубликована статья в ж. “Геомагнетизм и аэрономия” (Е.Е.Титова и др.). 1.5.2.2 Одновременное наблюдение хоровых ОНЧ излучений на Земле и на спутнике Впервые за более чем 50 лет наблюдений обнаружены одни и те же элементы хоровых ОНЧ излучений, зарегистрированные на земле и в магнитосфере. Анализировались данные обсерватории Каннуслехто в Финляндии и спутника Van Allen Probe A, когда спутник находился недалеко от геомагнитного экватора вблизи плазмопаузы, внутри локализованной неоднородности плотности плазмы с поперечным размером около 600 км и относительным повышением плотности около 30%. Визуальное сравнение и корреляционный анализ данных выявили однозначное соответствие нескольких (по меньшей мере 12) хоровых элементов в одном событии. Анализ задержки во времени и направления распространения волн показал, что сигналы сначала были зарегистрированы на Земле и лишь затем, спустя примерно полторы секунды, на спутнике. Таким образом, мы увидели, что хоровые сигналы могут достигать поверхности Земли, отражаться от неё и возвращаться в экваториальную область магнитосферы, проходя расстояния в десятки тысяч км. При этом они практически не изменяют своей тонкой структуры, которая определяет эффективность их взаимодействия с электронами радиационных поясов. Опубликована статья в ж. “Geophysical Research Letters” (A.G. Demekhov et al.). 1.5.3 ЭМИЦ волны и высыпания энергичных протонов во время сжатия магнитосферы На примере двух событий рассмотрены проявления ионной циклотронной неустойчивости (ИЦН) во время сжатия магнитосферы скачками давления солнечного ветра. Показано, что мощное сжатие магнитосферы сопровождается развитием ИЦН и генерацией электромагнитных ионно-циклотронных (ЭМИЦ) волн в диапазоне 0.2–5 Гц, который в виде всплеска Рс1 наблюдается на земной поверхности глобально. Относительно небольшой скачок давления вызывает всплеск пульсаций в узком (0.1–0.4 Гц) диапазоне частот, и только в высоких широтах на дневной стороне. Показано, что одновременно с развитием ИЦН в высокоширотной области, может происходить интенсификация неустойчивости и в других магнитосферных областях. Результаты описаны в статьях, опубликованных в журналах “Космические исследования” (В.А.Пархомов и др.) и "J. Geophys. Res. Space Phys." (H.Kim et al.). 1.5.4 Особенности глобального распределения высыпаний протонов кольцевого тока Обнаружен рост вероятности наблюдения высыпаний энергичных протонов в дневном секторе при росте активности от слабой (АЕ < 100 нТл) до умеренной (100 < AE < 300 нТл) и уменьшение вероятности наблюдений при высокой активности (AE > 300 нТл). Предложена интерпретация такой зависимости, согласно которой на развитие ИЦН на дневной стороне существенно влияют конкурирующие факторы: рост потока энергичных протонов за счет более интенсивной инжекции и уменьшение их питч-угловой анизотропии за счет уменьшения эффекта расщепления дрейфовых оболочек при более равномерном радиальном распределении потока частиц на ночной стороне магнитосферы. Краткая статья по этому результату опубликована в трудах семинара “Физика авроральных явлений” (Н.В. Семенова и др.). Готовится статья в международный журнал. 1.5.5 Обобщение результатов исследований протонных высыпаний, связанных с ионно-циклотронной неустойчивостью На основе анализа наблюдений протонных сияний, изучения их связи с ЭМИЦ волнами и сопоставления этих сияний с положением плазмопаузы построена обобщающая схема взаимосвязи областей ионно-циклотронной неустойчивости в магнитосфере и распределения холодной плазмосферной плазмы. Кроме изучавшихся ранее форм протонных сияний (пятен, дуг на вечерней стороне, дневных вспышек) описан новый вид — долгоживущие протонные сияния на дневной стороне. Результат описан в статье, принятой к печати в ж."Геомагнетизм и аэрономия" (А.Г.Яхнин и др.). 1.5.6 Отображение результатов проекта Результаты предварительной обработки и систематизации оптических наблюдений с 2011 г. размещены на сайте http://aurora.pgia.ru. Для представления данных по кампании наблюдений, сопряженных с пролетами спутника Arase/ERG, оформлена страница на сайте оптических данных ПГИ: http://aurora.pgia.ru/erg-pgi/. Для отображения результатов и публикаций по проекту оформлена страница на сайте ПГИ: http://pgi.ru/projects/details?id=3.