Расчет жесткости геомагнитного обрезания с помощью трейсинга на основе метода Бунемана−Бориса

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Работа включает в себя разработку метода определения жесткости геомагнитного обрезания, основанного на трассировке заряженных частиц в магнитном поле Земли по методу частица-в-ячейке, реализованного в схеме Бунемана–Бориса. Для тестирования метода были проведены расчеты жесткости геомагнитного обрезания в поле идеального диполя и в поле, заданном моделью IGRF. В первом случае полученные данные сопоставлялись с аналитическими значениями. Точность расчета в этом случае составила 3 МВ. Во втором случае была воспроизведена картина полутени в различных географических точках, за различные периоды, а также исследована устойчивость метода к малым возмущениям начальных параметров. В качестве основных результатов в работе построены и проанализированы карты жесткости геомагнитного обрезания на высотах низкоорбитальных спутников для разных направлений в пространстве, а также их вариации с 1900 по 2015 года.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

П. А. Кручинин

Московский инженерно-физический институт

Автор, ответственный за переписку.
Email: kruchinin_01@inbox.ru
Россия, Москва

В. В. Малахов

Московский инженерно-физический институт

Email: vvmalakhov@mephi.ru
Россия, Москва

В. С. Голубков

Московский инженерно-физический институт

Email: vlad10433@mail.ru
Россия, Москва

А. Г. Майоров

Московский инженерно-физический институт

Email: agmayorov@mephi.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Голубков В.С., Майоров А.Г. Пакет программ для численных расчетов траектории частиц в магнитосфере Земли и его применение для обработки данных эксперимента PAMELA // Изв. РАН. Сер. физ. Т. 85. № 4. С. 512–514. 2021.
  2. Данилова О.А., Птицына Н.Г., Тясто М.И., Сдобнов В.E. Изменения жесткостей обрезания космических лучей во время бури 8–11 марта 2012 г. в период CAWSES-II // Солнечно-земная физика. Т. 9. № 2. 2023. https://doi.org/10.12737/szf-92202310
  3. Птицына Н.Г., Данилова О.А., Тясто М.И., Сдобнов В.Е. Динамика жесткости геомагнитного обрезания космических лучей и параметров магнитосферы во время разных фаз бури 20 ноября 2003 г. // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 61. № 2. С. 160–171. 2021. https://doi.org/10.31857/S0016794021010120
  4. Тясто М.И., Данилова О.А., Птицына Н.Г., Сдобнов В.Е. Вариации жесткостей обрезания космических лучей во время сильной геомагнитной бури в ноябре 2004 г. // Солнечно-земная физика. Т. 1. № 2. C. 97–105. 2015. https://doi.org/10.12737/7890
  5. Adriani O., Barbarino G.C., Bazilevskaya G.A. et al. PAMELA’smeasurements of geomagnetic cutoff variations during the 14 December 2006 storm // Space Weather. V. 14. P. 210–220. 2016. https://doi.org/10.1002/2016SW001364
  6. Alken P., Thébault E., Beggan C.D. et al. International Geomagnetic Reference Field – The Thirteen Generation // Earth, Planets and Space. V. 73:49. 2021. https://doi.org/10.1186/s40623-020-01288-x
  7. Boris J.P. The acceleration calculation from a scalar potential // Technical report MATT-152, Princeton: Princeton Univ. 1970.
  8. Boris J.P. Relativistic plasma simulation-optimization of a hybrid code // Proc. 4th Conf. on Numerical Simulation of Plasmas, Washington. P. 3. 1971.
  9. Gelvam A., Hartmann, Pacca I.G. Time evolution of the South Atlantic Magnetic Anomaly // Anais da Academia Brasileira de Ciências. V.81. №2. P. 243–255. 2009.
  10. Koldobskiy S.A., Bindi V., Corti C., Kovaltsov G.A., Usoskin I.G. Validation of the Neutron Monitor Yield Function Using Data From AMS-02 Experiment, 2011–2017 // J. Geophys. Res. Space Physics. 124. P. 2367 – 2379. 2019. https://doi.org/10.1029/2018JA026340
  11. Kress B.T., Hudson M.K., Selesnick R.S., Mertens C.J., Engel M. Modeling geomagnetic cutoffs for space weather applications // J. Geophys. Res. Space Physics. V. 120. 5694–5702. https://doi.org/10.1002/2014JA020899
  12. Mao H. and Wirz R.E. // Comparison of Charged Particle Tracking Methods for Non-Uniform Magnetic Fields // 42nd AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference. 2011.
  13. Mishev A.L., Koldobskiy S.A., Kovaltsov G.A., Gil A., Usoskin I.G. Updated Neutron-Monitor Yield Function: Bridging Between In Situ and Ground-Based Cosmic Ray Measurements // J. Geophys. Res. Space Physics. 125. 2020. https://doi.org/10.1029/2019JA027433
  14. Mishev A., Poluianov S. About the Altitude Profile of the Atmospheric Cut-Off of Cosmic Rays: New Revised Assessment // Solar Physics. V. 296:129. 2021. https://doi.org/10.1007/s11207-021-01875-5
  15. Qin R., Zhang S., Xiao J., Liu J., Sun Y. Tang W. // Why is Boris algorithm so good? // Physics of Plasmas V. 20.8. P. 084503. 2013. https://doi.org/10.1063/1.4818428
  16. Sarkar R., Roy A. Monte Carlo simulation of CRAND protons trapped at low Earth orbits // Adv. Space Res. V. 69. P. 197–208. 2022. https://doi.org/10.1016/j.asr.2021.10.006
  17. Selesnick R.S., Looper M.D., Mewaldt R.A. A theoretical model of the inner proton radiation belt // Space Weather. V. 5. 2007. https://doi.org/10.1029/2006SW000275.
  18. Smart D.F., Shea M.A. Geomagnetic cutoffs: A review for space dosimetry applications // Adv. Space Res. V. 14. № 10. P. 787–796. 1994.
  19. Smart D.F., Shea M.A. A review of geomagnetic cutoff rigidities for earth-orbiting spacecraft// Adv. Space Res. V. 36. P. 2012–2020. 2005.
  20. Smart D.F., Shea M.A. Fifty years of progress in geomagnetic cutoff rigidity determinations // Adv. Space Res. V. 44. P. 1107–1123. 2009.
  21. Smart D.F., Shea M.A. Vertical Geomagnetic Cutoff Rigidities for Epoch 2015 // Proceedings of science. 2019. // 36th International Cosmic Ray Conference. ICRC2019. July 24th August 1st. 2019.
  22. Stormer C. The Polar Aurora. Clarendon Press Oxford. 1955

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Карта отклонений ЖГО смоделированной частицы относительно значения, полученного по формуле Штёрмера для геомагнитной широты λ = 30°. Расстояние 5 радиусов Земли от центра диполя.

Скачать (154KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость от широты относительной разницы между рассчитанным и теоретическим значениями ЖГО. Расстояние: 5 радиусов Земли от центра диполя.

Скачать (67KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Иллюстрация полутени геомагнитного обрезания. Sioux Falls. Модель IGRF-13 (слева). 1975 год. Высота 30 км. Зенитный угол прилета частицы 5°. Справа – результат Смарта и Ши [D.F. Smart and M.A. Shea, 2009]. Белым обозначены разрешенные области, черным – запрещенные.

Скачать (207KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Исследование устойчивости полутени геомагнитного обрезания от начальных параметров прилета частиц.

Скачать (359KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Карта жесткости геомагнитного обрезания для: (а) вертикального направления прилета частиц; (б) зенитный угол 15°, азимутальный угол 200°; (в) зенитный угол 30°, азимутальный угол 200°. Модель IGRF-13. 2006 год. Высота 500 км.

Скачать (401KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Карты ЖГО для азимутальных углов от 0° до 350° с шагом 50°. Зенитный угол = 30°. 2006 год. Высота 500 км.

Скачать (557KB)
Метаданные
8. Рис. 7. (а) Карта относительных отклонений значений жесткости геомагнитного обрезания в 1903 и 2023 годах; (б) зависимость от времени жесткости геомагнитного обрезания (кресты) и напряженности магнитного поля (квадраты) [Gelvam et al., 2009] в области Южно-Атлантической магнитной аномалии (40° S; 50° W).

Скачать (330KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024