Орбитальная оптическая авроральная диагностика состояния полярной ионосферы, как часть системного контроля космической погоды

Орбитальная оптическая авроральная диагностика состояния полярной ионосферы, как часть системного контроля
космической погоды
Номер: 24 Год: 2019 Страницы: 35-60

УДК: 550.388.2; 550.388.8; 551.594.5

EDN: YEMQAS

Автор(ы):

Кузьмин Александр Константинович¹, e-mail: alkkuzmin@mail.ru

Вайсберг Олег Леонидович¹, e-mail: oleg@iki.rssi.ru

Мерзлый Алексей Михайлович¹, e-mail: pinega142@yandex.ru Петрукович Анатолий Алексеевич¹, e-mail: apetruko@iki.rssi.ru Крученицкий Григорий Михайлович², email: omd@cao-rhms.ru Баньщикова Мария Александровна³, e-mail: mba-tomsk@mail.ru

Учреждения:
1 - Институт космических исследований РАН
2 - Центральная Аэрологическая Обсерватория Росгидромет
3 - НИИ Прикладной математики Томского государственного университета

Аннотация:
В данной работе на конкретных представленных примерах рассматривается лишь малая часть характеристик, входящих в перспективную систему контроля космической погоды, относящихся к дистанционной оптической диагностике состояния полярной ионосферы. Примеры, иллюстрированные конкретными данными измерений авроральных эмиссий, полученными с различных орбит одновременно с характеристиками плазмы в окрестности космического аппарата (КА), рассматриваются в контексте использования экспериментального зарубежного и отечественного методического опыта, некоторых новых аспектов разработки и характеристик оптической изображающей аппаратуры в готовящихся проектах, а также перспектив их развития в ближайшем будущем.

Ключевые слова: ПОЛЯРНАЯ ИОНОСФЕРА, АВРОРАЛЬНЫЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ, ОРБИТАЛЬНАЯ ДИАГНОСТИКА, КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК, КОСМИЧЕСКАЯ ПОГОДА

Сведения об источниках финансирования: -

Скачать текст Ссылка на цитирование Ссылка на Elibrary

1. Аванпроект. ОКР «Создание перспективного оптического комплекса «Авровизор-ВУФ» в составе группировок высоко- и низкоапогейных КА для мониторинга и контроля состояния ионосферы Земли». Пояснительная записка, книга 1 (95 с.), и книга 1.1 (290 с.). 2013. 2. Аксёнов О.Ю., Аникин В.А., Борисов Ю.А., Кузьмин А.К., Лапшин В.Б., Ляхов А.Н., Мерзлый А.М., Потанин Ю.Н., Салтанов П.Я., Свидский П.М., Трекин В.В. Основы развития перспективной системы контроля состояния фоновой обстановки в полярной ионосфере и её краткосрочного прогноза с помощью комплексного мониторинга магнитосферно-ионосферного взаимодействия в части авроральной активности с орбит КА и поверхности Земли // Препринт 2015-1. Москва. ЦАО. МФТИ. 37 с. 2015. URL: http://www.cosmic-rays.ru/articles/13/201501.pdf 3. Баньщикова М.А., Чувашов И.Н., Кузьмин А.К. Прикладная программная система «Вектор-М» для расчета сопутствующей геофизической и астрономической информации для пространства наблюдений в эксперименте «Авровизор-ВИС/МП» на КА «Метеор-МП» // Известия вузов. Физика. 2012. №10/2. С.106-111. URL: http://www.cosmic-rays.ru/articles/13/201201.pdf 4. ДЭП (Дополнение к эскизному проекту) на ГГАК-МП в части трехканального имаджера видимого диапазона Авровизор-ВИС/МП). Пояснительная записка ЦИНВ.412125, РКС. 2015. 163 с. 5. Кузьмин А.К., Чиков К.Н. Панорамные изображающие монохроматические камеры для дистанционной диагностики характеристик ионосферы и верхней атмосферы // Оптика атмосферы и океана. 1995. Т.8. №6. С.897-909. URL: http://www.cosmic-rays.ru/articles/13/190505.pdf 6. Кузьмин А.К., Чиков К.Н. Патент №2112263 на изобретение "Устройство для построения монохроматического изображения". 1998. URL: http://www.cosmic-rays.ru/articles/13/199502.pdf 7. Кузьмин А.К., Чиков К.Н. Спектрофотометрическая диагностика энергетических характеристик и проводимости авроральной ионосферы с ИСЗ. 1. Методические особенности, вопросы точности, требования к характеристикам экспериментальной аппаратуры // Космические исследования. 2007. Т.45. №3. С.1-16. URL: http://www.cosmic-rays.ru/articles/13/200702.pdf 8. Кузьмин А.К., Мерзлый А.М. Перспективный эксперимент по контролю состояния ионосферы Земли с помощью оптического комплекса «Авровизор-ВУФ» в составе группировок высоко-апогейных и низкоорбитальных космических аппаратов // Вопросы электромеханики. 2014. Т.143. №6. С.19-28. URL: http://www.cosmic-rays.ru/articles/13/201402.pdf 9. Кузьмин А.К., Баньщикова М.А., Крученицкий Г.М., Мерзлый А.М., Потанин Ю.Н., Чувашов И.Н. Прикладные аспекты измерений авроральных эмиссий и характеристик полярной ионосферы имаджером Авровизор-ВИС/МП на перспективном КА «Метеор-МП» // Вопросы электромеханики. 2016. С.325-341. URL: http://www.cosmic-rays.ru/articles/13/201702.pdf 10. Кузьмин А.К., Баньщикова М.А., Чувашов И.Н., Крученицкий Г.М., Потанин Ю.Н. Преимущества наблюдений авроральных структур с двух орбит и возможности для реконструкций 3D-распределений эмиссий, получаемых с разных позиций имаджеров // Вопросы электромеханики. 2017. Т.158. №3. С.7-21. URL: http://www.cosmic-rays.ru/articles/13/201703.pdf 11. Кузьмин А.К., Баньщикова М.А., Крученицкий Г.М., Маслов И.А., Потанин Ю.Н. Варианты и выбор оптической схемы, оптимизация характеристик орбитального аврорального имаджера «Авровизор-ВИС/МП», сравнение с зарубежными аналогами // Вопросы электромеханики. 2017. Т.160. №5. С.20-36. URL: http://www.cosmic-rays.ru/articles/13/201704.pdf 12. Кузьмин А.К., Крученицкий Г.М., Потанин Ю.Н., Баньщикова М.А. Экспериментальный опыт и перспективы развития авроральной оптической диагностики состояния полярной ионосферы // Вопросы электромеханики. 2018. Т.163. №2. С.12-28. URL: http://www.cosmic-rays.ru/articles/13/201804.pdf 13. Кузьмин А.К., Мерзлый А.М. Дистанционная оптическая диагностика состояния полярной ионосферы в различных диапазонах спектра на основе данных наблюдений орбитального аврорального имаджинга. Часть 1 (ВУФ-диапазон) // Вопросы электромеханики. 2018. Т.167. №6. С.9-41. URL: http://www.cosmic-rays.ru/articles/13/201805.pdf 14. Кузьмин А.К., Мерзлый А.М. Дистанционная оптическая диагностика состояния полярной ионосферы в различных диапазонах спектра на основе данных наблюдений орбитального аврорального имаджинга. Часть 2 (видимый и ВУФ-диапазон) // Вопросы электромеханики. 2019. Т.168. №1. С.19-42. URL: http://www.cosmic-rays.ru/articles/13/201901.pdf 15. Кузьмин А.К., Вайсберг О.Л., Шувалов С.Д., Шестаков А.Ю., Крученицкий Г.М., Баньщикова М.А. Методика диагностики распределений интенсивности авроральных эмиссий с орбит одновременно с измерениями характеристик плазмы и ее роль в исследованияи и контроле условий распространения сигналов навигационных систем в полярной ионосфере // Вопросы электромеханики. 2019. Т.169. №2. С.9-25. URL: http://www.cosmic-rays.ru/articles/13/201902.pdf 16. Петков Н.П., Гогошева Ц.Н., Гогошев М.М., Кузьмин А.К., Ангаров В.Н. Фотометрическая сканирующая система ЭМО-5 на борту ИСЗ «ИК-Болгария-1300» // Научное космическое приборостроение. 1983. Вып.2. С.77-83. URL: http://www.cosmic-rays.ru/articles/13/198303.pdf 17. Avdyushev V.A., Banshchikova M.A., Chuvashov I.N., Kuzmin A.K. Capabilities of software "Vector-M" for a diagnostics of the ionosphere state from auroral emissions images and plasma characteristics from the different orbits as a part of the system of control of space weather // EPSC2017-834-1. 2017 European Planetary Science Congress. 2017. URL: http://www.cosmic-rays.ru/articles/13/2017EPSC.pdf 18. Balebanov V.M., Kuzmin A.K., Gogoshev M.M., Gogosheva Ts.N., Petkov N.P., Kinev K. Some results of scanner spectrophotometric measurements of aurora and airglow from IK-Bulgaria-1300 satellite and prospects of similar measurements // Results of the Arcad 3 project and of the recent programmes in magnetospheric and ionospheric physics. 1985. P.747-764. URL: http://www.cosmic-rays.ru/articles/13/198402.pdf 19. Cao Ch., Newman T.S., Germany G.A., Spann J.F. A new method for auroral oval detection in FUV imagery // MVA2007 IAPR Conference on Machine Vision Applications. 2007. P.583-586. 20. Carruthers G.R., Page T. Apollo 16 far ultraviolet imagery of the polar auroras, tropical airglow belts, and general airglow // Journ. Geophys. Res. 1976. V.81. №4. P.483-496. DOI: 10.1029/JA081i004p00483 21. Cogger L., Howarth A., Yau A., White A., Enno G., Trondsen T., Asquin D., Gordon B., Marchand P., Ng D., Burley G., Lessard M., Sadler B. Fast Auroral Imager (FAI) for e-POP mission // Space Sci. Rev. 2015. V.189. P.15-25. DOI: 10.1007/s11214-014-0107-x 22. Despirak L.V., Lubchich A.A., Yahnin A.G., Kozelov B.V., Biernat H.R. Development of substorm bulges during different solar wind structures // Ann. Geophys. 2009. V.27. P.1951-1960. DOI: 10.5194/angeo-27-1951-2009 23. Ebihara Y., Sakanoi T., Asamura K., Hirahara M., Thomsen M.F. Reimei observation of highly structured auroras caused by nonaccelerated electrons // Journ. Geophys. Res. 2010. V.115. A08320. DOI: 10.1029/2009JA015009 24. Enell C.-F., Gustavsson B., Brandstrom B.U.E., Sergienko T.I., Verronen P.T., Rydesater P., Sandahl I. Tomography-like retrieval of auroral volume emission ratios for the 31 January 2008 Hotel Payload 2 event // Geosci. Instrum. Method. Data Syst. Discuss. 2012. V.2. P.1-21. DOI: 10.5194/gid-2-1-2012 25. Frey H.U., Mende S.B., Carlson C.W., Gerard J.-C., Hubert B., Spann J., Gladstone G.R., Immel T.J. The electron and proton aurora as seen as by IMAGE-FUV and FAST // Geophys. Res. Lett. 2001. V.28. №6. P.1135-1138. 26. Frey H.U., Mende S.B., Immel T.J., Gerard J.-C., Hubert B., Habraken S., Spann J., Gladstone G.R., Bisikalo D.V., Shematovich V.I. Summary of quantitative of IMAGE far ultraviolet auroral data // Space Sci. Reviews. 2003. V.109. Issue 1-4. P.255-283. DOI: 10.1023/A:SPAC.0000007521.39348.a5 27. Gerard J.-C., Hubert B., Bisicalo D.V., Shematovich V.I. A model of the Lyman-α line profile in the proton aurora // Journ. Geophys. Res. 2000. V.105. P.15795-15805. 28. Germany G.A., Torr M.R., Torr D.G., Richards P.G. Use of FUV auroral emissions as diagnostic indicators // Journ. Geophys. Res. 1994. V.99. A1. P.383-388. DOI: 10.1029/93JA02357 29. Germany G.A., Torr M.R., Torr D.G., Richards P.G., John S. Determination of ionospheric conductivities from FUV auroral emissions // Journ. Geophys. Res. 1994. V.99. A12. P.23297-23305. 30. Germany G.A., Spann J.F., Parks G.K., Brittnacher M.J., Elsen R., Chen L., Lummerzheim D., Rees M.H. Auroral observations from the POLAR Ultraviolet Imager (UVI) // Geospace Mass and Energy Flow: Results the International Solar-terrestrial Physics Program. 1998. V.104. P.149-160. 31. Gladyshev V.A., Kuzmin A.K., Mularchik T.M., Angarov V.N., Issaikin V.P., Sauvaud J.A. Auroral photometers aboard the Aureol-3 satellite: the Altair experiment // Ann. Geophys. 1982. V.38. №5. P.631-634. URL: http://www.cosmic-rays.ru/articles/13/198201.pdf 32. Jin Y., Moen J.I., Oksavik K., Spicher A., Clausen L.B.N., Miloch W.J. GPS scintillations associated with cusp dynamics and polar cap patches // Journ. Space Weather Space Clim. 2017. V.7. Issue A23. P.1-12. DOI: 10.1051/swsc/2017022 33. Jin Y., Oksavik K. GPS scintillation and losses of signal lock at high latitudes during the 2015 St.Patric's day storm // Journ. Geophys. Res. 2018. V.123. P.7943-7957. DOI: 10.1029/2018JA025953 34. Holtzworth R.H., Meng C.-I. Mathematical representation of the auroral oval // Geophys. Res. Lett. 1975. V.2. №9. P.377-380. 35. Hubert B., Gerard J.-C., Bisicalo D.V., Shematovich V.I., Solomon S.C. The role of proton precipitation in the excitation of auroral FUV emissions // Journ. Geophys. Res. 2001. V.106. P.21475-21494. 36. Hubert B., Gerard J.-C., Evans D.S., Meurant M., Mende S.B., Frey H.U., Immel T.J. Total electron and proton energy input during auroral substorms: Remote sensing with IMAGE-FUV // Journ. Geophys. Res. 2002. V.107. A8. P.1183. DOI: 10.1029/2001JA009229 37. Hubert B., Milan S.E., Grocott A., Blockx C., Cowley S.W.H., Gerard J.-C. Dayside and nightside reconnection rates inferred from IMAGE FUV and super Dual Auroral Radar Network data // Journ. Geophys. Res., Space Physics. 2006. V.111. A03217. P.1-16. DOI: 10.1029/2005JA011140 38. Kendall E., Marshall R., Parris R.T., Bhatt A., Coster A., Pedersen T., Bernhardt P., Selcher C. Decameter structure in heater-induced airglow at the High frequency Active Auroral Research Program facility // Journ. Geophys. Res., Space Physics. 2010. V.115. A8. A08306. P.1-11. DOI: 10.1029/2009JA015043 39. Mende S.B., Heetderks H., Frey H.U., Lampton M., Geller S.P., Habraken S., Renotte E., Jamar C., Rochus P., Spann J., Fuselier S.A., Gerard J.-C., Gladstone R., Murphree S., Cogger L. Far ultraviolet imaging from the IMAGE spacecraft. 1. System design // Space Sci. Reviews. 2000. V.91. №1-2. P.243-270. DOI: 10.1023/A:1005271728567 40. Mende S.B., Heetderks H., Frey H.U., Lampton M., Geller S.P., Abiad R., Siegmund O.H.W., Tremsin A.S., Spann J., Dougani H., Fuselier S.A., Magoncelli A.L., Bumala M.P., Murphree S., Trondsen T. Far ultraviolet imaging from the IMAGE spacecraft. 2. Wideband FUV imaging // Space Sci. Reviews. 2000. V.91. №1-2. P.271-285. DOI: 10.1023/A:1005227915363 41. Mende S.B., Heetderks H., Frey H.U., Stock J.M., Lampton M., Geller S.P., Abiad R., Siegmund O.H.W., Habraken S., Renotte E., Jamar C., Rochus P., Gerard J.-C., Sigler R., Lauche H. Far ultraviolet imaging from the IMAGE spacecraft. 3. Spectral imaging of Lyman-α and OI 135.6 nm // Space Sci. Reviews. 2000. V.91. №1-2. P.287-318. DOI: 10.1023/A:1005292301251 42. Mende S.B., Frey H.U., Carlson C.W., McFadden J. IMAGE and FAST observations of substorm recovery phase aurora // Geophys. Res. Lett. 2002. V.29. №12. DOI: 10.1029/2001GL013027 43. Mende S.B., Carlson C.W., Frey H.U., Peticolas L.M., Ostgaard N. FAST and IMAGE-FUV observations of substorm onset // Journ. Geophys. Res. 2003. V.108. SMP 6-1. 1344. DOI: 10.1029/2002JA009787 44. Mende S.B. Observing the magnetosphere through global auroral imaging. 1. Observables // Journ. Geophys. Res., Space physics. 2016. V.121. Issue 10. P.10623-10637. DOI: 10.1002/2016JA022607 45. Meurant M., Gerard J.C., Hubert B., Coumans V., Shematovich V.I., Bisikalo D.V., Evans D.S., Gladstone G.R., Mende S.B. Characterization and dynamics of the auroral electron precipitation during substorms deduced from IMAGE-FUV // Journ. Geophys. Res. 2003. V.108. A6. P.1247. DOI: 10.1029/2002JA009685 46. Obuchi Y., Sakanoi T., Yamazaki A., Ino T., Okano S., Kasaba Y., Hirahara M., Kanai Y., Takeyama N. Initial observations of auroras by the multi-spectral auroral camera on board the REIMEI satellite // Earth Planet Space. 2008. V.60. P.827-835. 47. Paxton L.J., Schaefer R.K., Zhang Y., Kil H. Far ultraviolet instrument technology // Journ. Geophys. Res. Space Physics. 2017. V.122. P.2706-2733. DOI: 10.1002/2016JA023578 48. Paxton L.J., Meng C.I., Fountain G.H., Ogorzalek D.S., Darlington E.H., Gary S.A., Goldsten J.O., Kusnierkiewicz D.Y., Lee S.C., Linstrom L.A., Maynard J.J., Peacock K., Persons D.F., Smith B.E. SSUSI-Horizon-to-horizon and limb-viewing spectrographic imager for remote sensing of environmental parameters // Proc. SPIE 1764. Ultraviolet Technology IV. 1993. P.161. DOI: 10.1117/12.140846 49. Prikryl P., Ghoddoousi-Fard R., Weygand J.M., Viljanen A., Connors M., Danskin D.W., Jayachandran P.T., Jacobsen K.S., Andalsvik Y.L., Thomas E.G., Ruohoniemi J.M., Durgonics T., Oksavik K., Zhang Y., Spanswick E., Aquino M., Sreeja V. GPS phase scintillation at high latitudes during the geomagnetic storm of 17-18 March 2015 // Journ. Geophys. Res. Space Physics. 2016. V.121. P.10448-10465. DOI: 10.1002/2016JA023171 50. Raab W., Branduardi-Raymont G., Wang C., Dai L., Donovan E., Enno G., Escoubet P., Holland A., Jing L., Kataria D., Li L., Read A., Rebuffat D., Romstedt J., Runciman C., Sembay S., Spanswick E., Sykes J., Thornhill J., Wielders A., Zhang A., Zheng J. SMILE: A joint ESA/CAS mission to investigate the interaction between the solar wind and Earth's magnetosphere // SPIE. 2016. 9 pages. DOI: 10.1117/12.2331984 51. Steel D.P., McEwen D.J. Electron auroral excitation efficient and intensity ratios // Journ. Geophys. Res. 1990. V.95. P.10321-10336. 52. Zhang X.X., Chen B., He F., Song K.-F., He L.-P., Liu S.-J., Guo Q.-F., Li J.-W., Wang X.-D., Zhang H.-J., Wang H.-F., Han Z.-W., Sun L., Zhang P.-J., Dai Sh., Ding G.-X., Chen L.-H., Wang Z.-S., Shi G.-W., Zhang X., Yu Ch., Yang Z.-D. Wide-field auroral imager onboard the Fengyun satellite // Science&Applications. 2019. V.8. №47. P.1-12. DOI: 10.1038/s41377-019-0157-7

Ссылка на XML

Orbital optical auroral diagnostics of the state of polar ionosphere, as a part of the system control of space weather
Number: 24 Year: 2019 Pages: 35-60

Kuzmin Alexander Konstantinovich¹, e-mail: alkkuzmin@mail.ru
Oleg Leonidovich Vaisberg¹, e-mail: oleg@iki.rssi.ru

Merzlyi Alexei Mikhailovich¹, e-mail: pinega142@yandex.ru

Petrukovich Anatoly Alekseevich¹, e-mail: apetruko@iki.rssi.ru

Kruchenitsky Grigory Mikhailovich², email: omd@cao-rhms.ru

Banshchikova Maria Alexandrovna³, e-mail: mba-tomsk@mail.ru

Institutions:
1 - Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences
2 - Central Aerological Observatory of Roshydromet
3 - Research Institute of Applied Mathematics of Tomsk State University

Abstract
In this work, using the specific examples presented, we consider only a small part of the characteristics included in a promising space weather monitoring system related to remote optical diagnostics of the polar ionosphere. Examples illustrated by specific auroral emission measurements obtained from different orbits simultaneously with plasma characteristics in the vicinity of the spacecraft are considered in the context of using experimental foreign and domestic methodological experience, some new aspects of the development and characteristics of optical imaging equipment in upcoming projects, as well as their development prospects soon.

Keywords: POLAR IONOSPHERE, AURORAL IMAGES, ORBITAL DIAGNOSTICS, CHARACTERISTIC STATUS MONITORING, SPACE WEATHER

Information about sources of financing: -