Cosmic ResearchCosmic ResearchКосмические исследования0023-42063034-5502The Russian Academy of Sciences67235410.31857/S0023420624040049JJDBLSArticlesСтатьиResearch ArticleРегистрация эльфов в эксперименте «УФ атмосфера» с борта МКС и их реконструкцияРегистрация эльфов в эксперименте «УФ атмосфера» с борта МКС и их реконструкцияШаракинС.
Russian Federation

Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына

sharakin@mail.ruБаргиниД.
Italy

Физический факультет

sharakin@mail.ruБаттистиМ.
Italy

Национальный центр научных исследований, лаборатория астрочастиц и космологии

sharakin@mail.ruБеловА.
Russian Federation

Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына; Физический факультет

sharakin@mail.ruБертаинаМ.
Italy

Физический факультет

sharakin@mail.ruБьянчиоттоМ.
Italy

Физический факультет

sharakin@mail.ruБисконтиФ.
Italy
sharakin@mail.ruБлекслиК.
Japan
sharakin@mail.ruБлинС.
France

Национальный центр научных исследований, лаборатория астрочастиц и космологии

sharakin@mail.ruКамбьеДж.
Italy

Физический факультет

sharakin@mail.ruКапельФ.
Germany
sharakin@mail.ruКазолиноМ.
Italy

Физический факультет

sharakin@mail.ruЭбисузакиТ.
Japan
sharakin@mail.ruЭзерЙ.
United States

Кафедра астрономии и астрофизики

sharakin@mail.ruФенюФ.
Italy
sharakin@mail.ruФранческиМ. А.
Italy
sharakin@mail.ruГольциоА.
Italy

Физический факультет

sharakin@mail.ruГородецкийФ.
France

Национальный центр научных исследований, лаборатория астрочастиц и космологии

sharakin@mail.ruКаджиноФ.
Japan
sharakin@mail.ruКасугаХ.
Japan
sharakin@mail.ruКлимовП.
Russian Federation

Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына

sharakin@mail.ruМанфринМ.
Italy

Физический факультет

sharakin@mail.ruМаржальВ.
Poland
sharakin@mail.ruМарчеллиЛ.
Italy
sharakin@mail.ruМиямотоХ.
Italy

Физический факультет

sharakin@mail.ruМиньонМ.
Italy
sharakin@mail.ruМурашовА.
Russian Federation

Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына

sharakin@mail.ruНаполитаноТ.
Italy
sharakin@mail.ruОхмориХ.
Japan
sharakin@mail.ruОлинтоА.
United States

Кафедра астрономии и астрофизики

sharakin@mail.ruПаризоЭ.
France

Национальный центр научных исследований, лаборатория астрочастиц и космологии

sharakin@mail.ruПикоццаП.
Italy

Физический факультет

sharakin@mail.ruПиотровскиЛ. В.
Poland

Физический факультет

sharakin@mail.ruПлебанякЗ.
Italy

Физический факультет

sharakin@mail.ruПревоГ.
France

Национальный центр научных исследований, лаборатория астрочастиц и космологии

sharakin@mail.ruРеалиЭ.
Italy

Физический факультет

sharakin@mail.ruРиччиМ.
Italy
sharakin@mail.ruРомолиДж.
Italy

Физический факультет

sharakin@mail.ruСакакиН.
Japan
sharakin@mail.ruШинозакиК.
Poland
sharakin@mail.ruШабельскиЯ.
Poland
sharakin@mail.ruДе Ла ТайК.
France

Центр микроэлектроники

sharakin@mail.ruТакидзаваЙ.
Japan
sharakin@mail.ruВрабельМ.
Poland
sharakin@mail.ruВинкеЛ.
United States

Факультет физики

sharakin@mail.ruЗотовМ.
Russian Federation

Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына

sharakin@mail.ruМосковский государственный университет имени М.В. ЛомоносоваНациональный институт ядерной физикиТуринский университетНациональный астрофизический институтУниверситет Париж-СитеНациональный институт ядерной физики Рим Тор ВергатаРИКЕНУниверситет Тор ВергатаФизический институт Макса ПланкаЧикагский университетИтальянское космическое агентствоУниверситет КонанАкадемия прикладных наук имени Стефана БаторияВаршавский университетНациональный центр ядерных исследованийПолитехнический институтКолорадская горная школа0512202462434134927022025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0023-4206/article/view/672354

В данных орбитального многоканального детектора «УФ атмосфера» (Mini-EUSO) на сегодняшний день надежно идентифицировано более трех десятков суб-миллисекундных событий типа ELVES («эльфы»), являющихся следствием взаимодействия фронта электромагнитного импульса от грозового разряда и нижнего слоя ионосферы. Каждое событие имеет характерный кольцевой паттерн свечения и занимает значительную часть поля зрения детектора, а сигнал в отдельном канале имеет асимметричный профиль с ярко выраженным пиком. Распределение времен пиков содержит информацию как о локализации разряда, так и о высоте свечения.

В настоящей работе предлагается байесовская (вероятностная) модель реконструкции событий типа «эльф», реализованная методами вероятностного программирования в PyMC-5. На примере нескольких событий показаны возможности модели по определению положения разряда. Намечены способы модификации модели для восстановления ориентации разряда и уточнения высоты свечения.

В данных орбитального многоканального детектора «УФ атмосфера» (Mini-EUSO) на сегодняшний день надежно идентифицировано более трех десятков суб-миллисекундных событий типа ELVES («эльфы»), являющихся следствием взаимодействия фронта электромагнитного импульса от грозового разряда и нижнего слоя ионосферы. Каждое событие имеет характерный кольцевой паттерн свечения и занимает значительную часть поля зрения детектора, а сигнал в отдельном канале имеет асимметричный профиль с ярко выраженным пиком. Распределение времен пиков содержит информацию как о локализации разряда, так и о высоте свечения.

В настоящей работе предлагается байесовская (вероятностная) модель реконструкции событий типа «эльф», реализованная методами вероятностного программирования в PyMC-5. На примере нескольких событий показаны возможности модели по определению положения разряда. Намечены способы модификации модели для восстановления ориентации разряда и уточнения высоты свечения.

ГК РоскосмосRoscosmos State CorporationJEM-EUSOJEM-EUSOCasolino M., Klimov P., Piotrowski L. Observation of ultra high energy cosmic rays from space: Status and perspectives // Progress of Theoretical and Experimental Physics. 2017. Iss. 12. Art. ID. 12A107. https://doi.org/10.1093/ptep/ptx169Capel F., Belov A., Casolino M. et al. Mini-EUSO: A high resolution detector for the study of terrestrial and cosmic UV emission from the International Space Station // Advances in Space Research. 2018. V. 62. Iss. 10. P. 2954–2965. https://doi.org/10.1016/j.asr.2017.08.030Bacholle S., Barrillon P., Battisti M. et al. Mini-EUSO mission to study Earth UV emissions on board the ISS // The Astrophysical Journal Supplement Series. 2021. V. 253. Iss. 2. P. 36. https://doi.org/10.3847/1538-4365/abd93dCapel F., Belov A., Cambiè G. et al. Mini-EUSO data acquisition and control software // J. Astronomical Telescopes, Instruments and Systems. 2019. V. 5. Iss. 4. https://doi.org/10.1117/1.JATIS.5.4.044009Casolino M., Barghini D., Battisti M. et al. Observation of night-time emissions of the Earth in the near UV range from the International Space Station with the Mini-EUSO detector // Remote Sensing of Environment. 2023. V. 284. Art. ID. 113336. https://doi.org/10.1016/j.rse.2022.113336Belov A., Bertaina M., Capel F. et al. The integration and testing of the Mini-EUSO multi-level trigger system // Advances in Space Research. 2018. V. 62. Iss. 10. P. 2966–2976. https://doi.org/10.1016/j.asr.2017.10.044Bertaina M., Barghini D., Battisti M. et al. Description and performance results of the trigger logic of TUS and Mini-EUSO to search for Ultra-High Energy Cosmic Rays from space // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2023. V. 1045. Art. ID. 167601. https://doi.org/10.1016/j.nima.2022.167601JEM-EUSO Collaboration Science of atmospheric phenomena with JEM-EUSO // Experimental Astronomy. 2015. V. 40. P. 239–251. https://doi.org/10.1007/s10686-014-9431-0Marcelli L., Arnone E., Barghini M. et al. Observation of ELVES with Mini-EUSO telescope on board the International Space Station // Proc. 37th International Cosmic Ray Conference. 2021. https://doi.org/10.22323/1.395.0367Inan U.S., Bell T.F., Rodriguez J.V. Heating and ionization of the lower ionosphere by lightning // Geophysical Research Letters. 1991. V. 18. Iss. 4. P. 705–708. https://doi.org/10.1029/91GL00364Fukunishi H., Takahashi Y., Kubota M. et al. Elves: Lightning‐induced transient luminous events in the lower ionosphere // Geophysical Research Letters. 1996. V. 23. Iss. 16. P. 2157–2160. https://doi.org/10.1029/96GL01979Chang S.C., Kuo C.L., Lee L.J. et al. ISUAL far‐ultraviolet events, elves, and lightning current // J. Geophysical Research: Space Physics. 2010. V. 115. Iss. A7. https://doi.org/10.1029/2009JA014861Newsome R.T., Inan U.S. Free‐running ground‐based photometric array imaging of transient luminous events // J. Geophysical Research: Space Physics. 2010. V. 115. Iss. A7. https://doi.org/10.1029/2009JA014834Boeck W.L., Vaughan O.Jr., Blakeslee R. et al. Lightning induced brightening in the airglow layer // Geophysical Research Letters. 1992. V. 19. Iss. 2. P. 99–102. https://doi.org/10.1029/91GL03168Chern J.L., Hsu R.R., Su H.T. et al. Global survey of upper atmospheric transient luminous events on the ROCSAT-2 satellite // J. Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2003. V. 65. Iss. 5. P. 647–659. https://doi.org/10.1016/S1364-6826(02)00317-6Klimov P., Khrenov B., Kaznacheeva M. et al. Remote sensing of the atmosphere by the ultraviolet detector TUS onboard the Lomonosov satellite // Remote Sensing. 2019. V. 11. Iss. 20. Art. ID. 2449. https://doi.org/10.3390/rs11202449Klimov P.A., Sharakin S.A., Kaznacheeva M.A. Double elves measured by the TUS space detector // Proc. Intern. Conf. Atmosphere, Ionosphere, Safety. 2020. P. 137–140.Chen A.B., Kuo C.L., Lee Y.J. et al. Global distributions and occurrence rates of transient luminous events // J. Geophysical Research: Space Physics. 2008. V. 113. Iss. A8. https://doi.org/10.1029/2008JA013101Adashko J.G., Gurevich A. Nonlinear Phenomena in the Ionosphere. Book Series. Physics and Chemistry in Space. Springer Berlin Heidelberg, 1978. https://doi.org/10.1007/978-3-642-87649-3Taranenko Y.N., Inan U.S., Bell T.F. Interaction with the lower ionosphere of electromagnetic pulses from lightning: heating, attachment, and ionization // Geophysical Research Letters. 1993. V. 20. Iss. 15. P. 1539–1542.Piotrowski L.W. for the JEM-EUSO Collaboration. A search for Elves in Mini-EUSO data using CNN-based one-class classifier // Proceedings of Science. 2023. V. 444. Art. ID. 333. https://doi.org/10.22323/1.444.0333Romoli G. for the JEM-EUSO Collaboration. Study of multiple ring ELVES with the Mini-EUSO telescope on-board the International Space Station // Proceedings of Science. 2023. V. 444. Art. ID. 223. https://doi.org/10.22323/1.444.0223Jaynes E.T. Probability theory: The logic of science. Cambridge University Press, 2003.Sivia D.S., Skilling J. Data Analysis: A Bayesian Tutorial (Oxford science publications). Oxford University Press, 2006.Martin O. Bayesian Analysis with Python: Introduction to statistical modeling and probabilistic programming using PyMC3 and ArviZ. Packt Publishing Ltd, 2018.Inan U.S., Sampson W.A., Taranenko Y.N. Space‐time structure of optical flashes and ionization changes produced by lighting‐EMP // Geophysical Research Letters. 1996. V. 23. Iss. 2. P. 133–136. https://doi.org/10.1029/95GL03816Marshall R.A. An improved model of the lightning electromagnetic field interaction with the D‐region ionosphere // J. Geophysical Research: Space Physics. 2012. V. 117. Iss. A3. https://doi.org/10.1029/2011JA017408Uman M.A. Lightning. Courier Corporation, 2012.Kaznacheeva M.A., Klimov P.A., Khrenov B.A. Transient UV background when registering EASes with the TUS orbital detector // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2019. V. 83. P. 1024–1027. https://doi.org/10.3103/S1062873819080173Marshall R.A., Da Silva C.L., Pasko V.P. Elve doublets and compact intracloud discharges // Geophysical Research Letters. 2015. V. 42. Iss. 14. P. 6112–6119. https://doi.org/10.1002/2015GL064862Smith D.A., Heavner M.J., Jacobson A.R. et al. A method for determining intracloud lightning and ionospheric heights from VLF/LF electric field records // Radio Science. 2004. V. 39. Iss. 1. P. 1–11. https://doi.org/10.1029/2002RS002790Nag A., Rakov V.A., Cramer J.A. Remote measurements of currents in cloud lightning discharges // IEEE transactions on electromagnetic compatibility. 2010. V. 53. Iss. 2. P. 407–413.Kostinskiy A.Y., Marshall T.C., Stolzenburg M. The mechanism of the origin and development of lightning from initiating event to initial breakdown pulses (v. 2) // J. Geophysical Research: Atmospheres. 2020. V. 125. Iss. 22. Art.ID. e2020JD033191. https://doi.org/10.1029/2020JD033191