Глобальные аномалии нейтральной плотности термосферы во время магнитных бурь по наблюдениям КА SWARM

Космические аппараты (КА) на низкой околоземной орбите испытывают значительное влияние атмосферного сопротивления. Основными факторами, влияющими на вариации плотности нейтрального газа, являются солнечное УФ-излучение и геомагнитная активность. Во время магнитных бурь плотность и состав термосферы претерпевают резкие изменения вследствие джоулева нагрева из-за диссипации ионосферных электрических токов, передачи импульса при усилении конвекции ионосферной плазмы, высыпания энергичных частиц, изменения состава ионов и нейтралов. При этом эффекты могут существенно отличаться от события к событию.
Группировка спутников SWARM состоит из трех идентичных КА, которые обращаются вокруг Земли по низкой околополярной орбите. Два КА летят на высоте ~450 км параллельно друг другу на долготном расстоянии 1°–1.5°, наклонение орбиты 87.4°. Третий КА летит в другой меридиональной плоскости на высоте ~500 км, наклонение 87.8°. За сутки КА делают 14-15 оборотов вокруг Земли. Постепенно смещаясь по долготе, орбиты покрывают все сектора местного времени. В число бортовых измерительных приборов входят векторный и скалярный магнитометры, ленгмюровский зонд и GPS-приемники. Сигналы GPS используются для высокоточного определения орбиты (POD, Precise Orbit Determination). Плотность термосферы рассчитывается через определение негравитационных ускорений на основе данных POD. 30-секундные значения плотности (пространственное разрешение около 200 км) вдоль орбиты каждого КА SWARM являются продуктом уровня 2 и представлены на официальном веб-сайте ESA.
Период работы SWARM пришелся на вторую половину 24-го солнечного цикла, минимум и начало следующего цикла. За это время произошло шесть относительно крупных магнитных бурь, когда среднесуточные значения Dst достигали −100 нТл: 17 марта и 23 июня 2015 г., 8 сентября 2017 г., 26 августа 2018 г., 24 марта и 24 апреля 2023 г. Для каждой бури построены диаграммы в координатах географическая широта – мировое время, приблизительно центрированное на минимум Dst, которые показывают эволюцию нейтральной плотности, на двух высотах орбит. Увеличение плотности на 200-300% относительно предбуревого фонового уровня наблюдается во всем вертикальном диапазоне. КА, который летит выше, дает ожидаемо меньшие значения из-за экспоненциального уменьшения плотности с высотой. Шкала высот при этом несколько увеличивается с ростом солнечной активности. Разность плотностей, измеряемых выше- и нижелетящим КА, меняется в солнечном цикле примерно три раза: от 0.4∙10-12 до 1∙10-12 кг/м3. Структуры, обнаруживаемые на высотах 450 км, не обязательно могут простираться вверх до 500 км. Размывание подобия более характерно для бурь при высокой солнечной активности. Во время геомагнитного возмущения между полюсами и низкими широтами существуют чередующиеся области повышения плотности и депрессии, которые имеют вид стоячей волны. Аномалии проявляются в виде квазигоризонтальных полосчатых структур, простирающихся от полюса к низким широтам. Анализ наблюдений SWARM позволяет оценить возможную величину деградации орбит КА при сильных бурях.