Cosmic ResearchCosmic ResearchКосмические исследования0023-42063034-5502The Russian Academy of Sciences68292710.31857/S0023420625010072HEAUSVArticlesСтатьиResearch ArticleSimulation of earth's radiation during solar proton events in the process of geomagnetic reversalМоделирование радиационной обстановки на земле во время солнечных протонных событий в процессе геомагнитной инверсииLevashovN. N.ЛевашовН. Н.
Russian Federation
nn.levashov@physics.msu.ruTsarevaO. O.ЦареваО. О.
Russian Federation
nn.levashov@physics.msu.ruPopovV. Yu.ПоповВ. Ю.
Russian Federation

Физический факультет

nn.levashov@physics.msu.ruMalovaH. V.МаловаХ. В.
Russian Federation

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

nn.levashov@physics.msu.ruZelenyiL. M.ЗеленыйЛ. М.
Russian Federation
nn.levashov@physics.msu.ruSpace Research InstituteИнститут космических исследований РАНLomonosov Moscow State UniversityМГУ имени М.В. ЛомоносоваHSE UniversityНациональный исследовательский университет «Высшая школа экономики»15012025631717805062025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0023-4206/article/view/682927

The radiation from galactic and solar cosmic rays as they pass through the modern and rarefied (as a result of multiple reversals) atmosphere during solar proton events and at the time of geomagnetic reversal is studied. We assume that during the reversal process the geomagnetic field weakens and takes on an axisymmetric quadrupole configuration. It is shown that in the case of a single reversal, when the atmosphere does not have time to change, radiation dose powers increase only at low latitudes and are identical to the modern radiation at the poles. However, during the period of multiple inversions, when the atmosphere is rarefied, the level of radiation at the moment of reversal on the Earth's surface increases, on average, twice as much as today's radiation at all latitudes, which can affect the biosphere.

Исследуется радиационная опасность на Земле от галактических и солнечных космических лучей при прохождении их через современную и разреженную (в результате множественных инверсий) атмосферу во время солнечных протонных событий и в момент геомагнитной инверсии. Полагается, что в процессе инверсии геомагнитное поле ослабевает и принимает осесимметричную квадрупольную конфигурацию. Показано, что в случае однократной инверсии, когда атмосфера не успевает измениться, мощности доз радиации увеличиваются только на низких широтах и идентичны современному радиационному уровню у полюсов. Однако, в период множественных инверсий, когда атмосфера разрежена, уровень радиации в момент инверсии на поверхности Земли повышается, в среднем, в два раза, по сравнению с современным уровнем на всех широтах, что может влиять на биосферу.

Министерство науки и высшего образования Российской ФедерацииMinistry of Science And Higher Education of the Russian FederationМК-5053.2022.6Маурчев Е.А., Балабин Ю.В., Германенко А.В. и др. Влияние протонов космических лучей на образование вторичных частиц и ионизацию в атмосфере Земли // Труды Кольского научного центра РАН. 2019. Т. 10. № 8(5). С. 240–249. https://doi.org/10.25702/KSC.2307-5252.2019.10.8.240-249Snyder C.W., Neugebauer M., Rao U.R. The solar wind velocity and its correlation with cosmic ray variations and with solar and geomagnetic activity // J. Geophys Res. 1963. V. 68. Iss. 34. P. 6361–6370. https://doi.org/10.1029/JZ068i024p06361Криволуцкий А.А., Репнев А.И. Воздействие космических энергичных частиц на атмосферу земли (обзор) // Геомагнетизм и аэрономия. 2012. Т. 52. № 6. С. 723–754.Dehant V., Lammer H., Kulikov Y.N. et al. Planetary Magnetic Dynamo Effect on Atmospheric Protection of Early Earth and Mars // Space Science Reviews. 2007. V. 129(1–3). P. 279–300. https://doi.org/10.1007/s11214-007-9163-9Wei Y., Pu Z., Zong Q.-W. et al. Oxygen escape from the Earth during geomagnetic reversals: Implications to mass extinction // Earth and Planetary Science Letters. 2014.V. 394. P. 94–98. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2014.03.018Царёва О.О., Зелёный Л.М., Малова Х.В. и др. Что ожидает человечество при инверсии магнитного поля Земли: угрозы мнимые и подлинные // Успехи физических наук. 2018. № 188. С. 207–220. https://doi.org/10.3367/UFNr.2017.07.038190Laurenza M., Consolini G., Storini M. et al. The Weibull functional form for SEP event spectra // J. Physics Conference Series. 2015. V. 632. Art.ID012066. https://doi.org/10.1088/1742-6596/632/1/012066Agostinelli S., Allisonas J., Amako K. et al. Geant4 – A Simulation Toolkit // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 2003. V. 506. P. 250–303. https://doi.org/10.1016/S0168-9002(03)01368-8Allison J., Amako K., Apostolakis J. et al. Recent developments in geant4 // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Section A. 2016. V. 835. P. 186–225. https://doi.org/10.1016/j.nima.2016.06.125Picone J., Hedin A.E., Drob D. et al. NRLMSISE-00 empirical model of the atmosphere: Statistical comparison and scientific issues // J. Geophysical Research. 2002. V. 107. Iss. A12. Art.ID. 1468. https://doi.org/10.1029/2002JA009430Störmer C. The polar Aurora. Oxford: Clarendon Press, 1955.Tsareva O.O. Generalization of Störmer theory for an axisymmetric superposition of dipole and quadrupole fields // J. Geophysical Research: Space Physics. 2019. V. 124. P. 2844–2853. https://doi.org/10.1029/2018JA026164Stadelmann A., Vogt J., Glassmeier K.H. et al. Cosmic ray and solar energetic particle flux in paleomagnetospheres // Earth Planets and Space. 2010. V. 62. P. 333–345. https://doi.org/10.5047/eps.2009.10.002Мурзин В. Астрофизика космических лучей. М.: Университетская книга; Логос, 2007.Glatzmaier G.A., Roberts P.H. A three-dimensional convective dynamo solution with rotating and finitely conducting inner core and mantle // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 1995. V. 91. Iss. 1. P. 63–75. https://doi.org/10.1016/0031-9201(95)03049-3Valet J.-P., Thevarasan A., Bassinot F. et al. Two records of relative paleointensity for the past 4 Myr. // Frontiers in Earth Science. 2020. V. 8. Iss. 148. https://doi.org/10.3389/feart.2020.00148Herrero-Bervera E., Valet J.-P. Absolute paleointensity and reversal records from the Waianae sequence (Oahu, Hawaii, USA) // Earth and Planetary Science Letters. 2005. V. 234. Iss. 1–2. P. 279–296. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2005.02.032Poluianov S., Batalla O. Cosmic-ray atmospheric cutoff energies of polar neutron monitors // Advances in Space Research. 2022. V. 70. Iss. 9. P. 2610–2617. https://doi.org/10.1016/j.asr.2022.03.037Vogt J., Glassmeier K.H. On the location of trapped particle populations in quadrupole magnetospheres // J. Geophysical Research: Space Physics. 2000. V. 105. Iss. A6. P. 13063–13071. https://doi.org/10.1029/2000ja900006Berner R.A. Geological nitrogen cycle and atmospheric N2 over Phanerozoic time // Geology. 2006. V. 34. Iss. 5. Art.ID. 413. https://doi.org/10.1130/g22470.1Ilie R., Liemohn M.W. The outflow of ionospheric nitrogen ions: A possible tracer for the altitude dependent transport and energization processes of ionospheric plasma // J. Geophysical Research: Space Physics. 2016. V. 121. P. 9250–9255. https://doi.org/10.1002/2015JA022162Cannell A., Nel A. Paleo-air pressures and respiration of giant Odonatoptera from the Late Carboniferous to the Early Cretaceous // Palaeoentomology. 2023. V. 6. Iss. 4. https://doi.org/10.11646/palaeoentomology.6.4.6Sato T., Yasuda H., Niita K. et al. Development of PARMA: PHITS-based analytical radiation model in the atmosphere // Radiation research. 2008. V. 170. Iss. 2. P. 244–259. https://doi.org/10.1667/RR1094.1