Geomagnetism and AeronomyGeomagnetism and AeronomyГеомагнетизм и аэрономия0016-79403034-5022The Russian Academy of Sciences68154710.31857/S0016794024060032QOQMPNArticlesСтатьиResearch ArticleCalculation of Geomagnetic Cutoff Rigidity Using Tracing Based on the Buneman–Boris MethodРасчет жесткости геомагнитного обрезания с помощью трейсинга на основе метода Бунемана−БорисаKruchininP. A.КручининП. А.
Russian Federation
kruchinin_01@inbox.ruMalakhovV. V.МалаховВ. В.
Russian Federation
vvmalakhov@mephi.ruGolubkovV. S.ГолубковВ. С.
Russian Federation
vlad10433@mail.ruMayorovA. G.МайоровА. Г.
Russian Federation
agmayorov@mephi.ruMoscow Engineering Physics InstituteМосковский инженерно-физический институт1512202464675075930052025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0016-7940/article/view/681547

The work includes the development of a method for determining the rigidity of geomagnetic cutoff based on tracing charged particles in the Earth’s magnetic field using the particle-in-cell method, implemented in the Buneman–Boris scheme. To test the method, calculations of the geomagnetic cutoff rigidity were carried out in the field of an ideal dipole and in the field specified by the IGRF model. In the first case, the obtained data were compared with analytical values. The calculation accuracy in this case was 3 MV. In the second case, the penumbra pattern was reproduced at different geographical points for different periods, and the stability of the method to small perturbations of the initial parameters was also investigated. As the main results of the work, maps of geomagnetic cutoff rigidity at the altitudes of low-orbit satellites for different directions in space, as well as their variations from 1900 to 2015, were constructed and analyzed.

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.

geomagnetic cutoff rigiditygeomagnetic cutoff penumbraparticle tracingBuneman–Boris methodжесткость геомагнитного обрезанияполутень геомагнитного обрезаниятрассировка частицметод Бунемена-БорисаРоссийский научный фондRussian Science Foundation19-72-10161Голубков 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.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-92202310Птицына 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/S0016794021010120Тясто 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/10.12737/7890Adriani 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/10.1002/2016SW001364Alken 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-xBoris J.P. The acceleration calculation from a scalar potential // Technical report MATT-152, Princeton: Princeton Univ. 1970.Boris J.P. Relativistic plasma simulation-optimization of a hybrid code // Proc. 4th Conf. on Numerical Simulation of Plasmas, Washington. P. 3. 1971.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.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/10.1029/2018JA026340Kress 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/10.1002/2014JA020899Mao H. and Wirz R.E. // Comparison of Charged Particle Tracking Methods for Non-Uniform Magnetic Fields // 42nd AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference. 2011.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/10.1029/2019JA027433Mishev 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/s11207-021-01875-5Qin 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/10.1063/1.4818428Sarkar 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.2021.10.006Selesnick 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.Smart D.F., Shea M.A. Geomagnetic cutoffs: A review for space dosimetry applications // Adv. Space Res. V. 14. № 10. P. 787–796. 1994.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.Smart D.F., Shea M.A. Fifty years of progress in geomagnetic cutoff rigidity determinations // Adv. Space Res. V. 44. P. 1107–1123. 2009.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.Stormer C. The Polar Aurora. Clarendon Press Oxford. 1955