Solnechno-Zemnaya Fizika Solnechno-Zemnaya Fizika Солнечно-земная физика 2712-9640 64831 10.12737/szf-94202314 Результаты исследований Results of current research Результаты исследований Online system for analyzing currents in the upper ionosphere according to Swarm satellite data Онлайн система для анализа токов в верхней ионосфере по данным спутников Swarm Белов Иван Олегович Belov Ivan Olegovich i.belov@gcras.ru https://orcid.org/0000-0002-6476-9471 Соловьёв Анатолий Александрович Soloviev Anatoly Aleksandrovich rjes@wdcb.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 https://orcid.org/0000-0003-3056-7465 Пилипенко Вячеслав Анатольевич Pilipenko Vyacheslav Anatolievich space.soliton@gmail.com

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 https://orcid.org/0000-0001-6930-3331 Добровольский Михаил Николаевич Dobrovolskiy Mikhail Nikolaevich m.dobrovolsky@gcras.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 https://orcid.org/0000-0002-3171-5768 Богоутдинов Шамиль Рафекович Bogoutdinov Shamil Rafekovich shm@gcras.ru Калинкин Кирилл Дмитриевич Kalinkin Kirill Dmitrievich Kirillkalinckin@yandex.ru Геофизический центр Российской Академии Наук RU Geophysical Center of the Russian Academy of Sciences RU Геофизический центр РАН Москва Россия Geophysical Center RAS Moscow Russian Federation Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН Москва Россия Schmidt Institute of Physics of the Earth, RAS Moscow Russian Federation Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН Москва Россия Schmidt Institute of Physics of the Earth RAS Moscow Russian Federation Геофизический центр РАН Москва Россия Geophysical Center RAS Moscow Russian Federation Институт космических исследований Москва Россия Space Research Institute Moscow Russian Federation Геофизический центр РАН Москва Россия Geophysical Center of RAS Moscow Russian Federation Геофизический центр РАН Россия Geophysical Center RAS Russian Federation Институт физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН Россия Schmidt institute of physics of the Earth of the RAS Russian Federation Геофизический центр РАН Москва Россия Geophysical Center RAS Moscow Russian Federation 20 12 2023 20 12 2023 9 4 121 133 16 06 2023 14 09 2023 https://naukaru.ru/en/nauka/article/64831/view

Описана онлайн-система TeslaSwarm [http://aleph.gcras.ru/teslaswarm] для визуализации продольных токов в верхней ионосфере по данным низкоорбитальных спутников Swarm. Система дает исследователям простой и удобный инструмент для отбора событий и детального анализа токов и электромагнитных полей в верхней ионосфере. Пользователю предоставляется возможность отбора пролетов спутников над заданным регионом, визуализации структуры геомагнитного поля и токов вдоль силовых линий, сопоставления картины продольных токов с картой высыпания авроральных частиц по модели OVATION-Prime и сохранения выбранных параметров в файле в текстовом формате. Показаны преимущества разработанной системы по сравнению с зарубежными аналогами. На практике сбор и подготовка исходных данных для экспериментов составляет примерно 80 % всей работы с данными. Использование предложенной онлайн-системы в значительной степени избавляет пользователя от наиболее трудоемкой работы по выбору интересующих сегментов пролета спутника и расчету характеристик по исходным измерениям.

In this paper, we describe the TeslaSwarm online system [http://aleph.gcras.ru/teslaswarm] for visualizing field-aligned currents in the upper ionosphere, using data from Swarm low-orbit satellites. The system provides researchers with a simple and convenient tool for event selection and detailed analysis of currents and electromagnetic fields in the upper ionosphere. The system user can select satellite passages over a given region, visualize the geomagnetic field structure and field-aligned currents, compare the pattern of field-aligned currents with the auroral particle precipitation map, using the OVATION-Prime model, and save the selected parameters in a file in text format. We demonstrate advantages of the developed system over its foreign analogues. In practice, the collection and pre-processing of raw data for experiments make up about 80 % of all work with data. The proposed online system largely saves the user from the most time-consuming work of choosing the required satellite passage segments and calculating the characteristics of interest from raw measurements.

 продольные электрические токи визуализация продольных токов данные спутников Swarm структура геомагнитного поля field-aligned electric currents visualization of field-aligned currents Swarm satellite data geomagnetic field structure Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 21-77-30010 The work was financially supported by RSF (Grant No. 21-77-30010)

Воробьев А.В., Соловьев А.А., Пилипенко В.А. и др. Интерактивная компьютерная модель для прогноза и анализа полярных сияний. Солнечно-земная физика. 2022. Т. 8, № 2. С. 93-100. DOI: 10.12737/szf-82202213. Agayan S., Bogoutdinov S., Soloviev A., Sidorov R. The study of time series using the DMA methods and geophysical applications. Data Sci. J. 2016, vol. 16, pp. 1-21. DOI: Data Sci. J. 2016. Vol. 16. P. 1-21, DOI: 10.5334/dsj-2016-016. Пилипенко В.А. Воздействие космической погоды на наземные технологические системы. Солнечно-земная физика. 2021. Т. 7, № 3, С. 73-110. DOI: 10.12737/szf-73202106. Alken P., Thébault E., BegganC. D., Amit H., Aubert J., Baerenzung J., et al. International Geomagnetic Reference Field: the thirteenth generation. Earth, Planets and Space. 2021, vol. 73 (1), no 49. DOI: 10.1186/ s40623-020-01288-x. Agayan S., Bogoutdinov S., Soloviev A., et al. The study of time series using the DMA methods and geophysical applications. Data Sci. J. 2016. Vol. 16. P. 1-21, DOI: 10.5334/dsj-2016-016. Dunlop M.W., Yang Y.Y., Yang J. Y., Lühr H., Shen C., Olsen N., et al. Multi-spacecraft current estimates at Swarm. J. Geophys. Res. 2015, vol. 120, iss.10, pp. 8307-8316. Alken P., Thébault E., Beggan C. D., et al. International Geo-magnetic Reference Field: the thirteenth generation. Earth, Planets and Space. 2021. Vol. 73 (1), art. no 49. DOI: 10.1186/ s40623-020-01288-x. Finlay C.C., Kloss C., Olsen N., Hammer M. Toeffner-Clausen L., Grayver A., et al. The CHAOS-7 geomagnetic field model and observed changes in the South Atlantic Anomaly. Earth Planets and Space. 2020, vol. 72. DOI: 10.1186/s40623-020-01252-9. Dunlop M.W., Yang Y.Y., Yang J.Y., et al. Multi-spacecraft current estimates at Swarm. J. Geophys. Res. 2015. Vol. 120, iss. 10. P. 8307-8316. Forsyth C., Rae I.J., Mann I.R., Pakhotin I.P. Identifying intervals of temporally invariant field-aligned currents from Swarm: Assessing the validity of single-spacecraft methods. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2017, vol. 122. DOI: 10.1002/2016JA023708. Finlay C.C., Kloss C., Olsen N., et al. The CHAOS-7 geomagnetic field model and observed changes in the South Atlantic Anomaly. Earth Planets and Space. 2020. Vol. 72. DOI: 10.1186/s40623-020-01252-9. Friis-Christensen E., Lühr H., Hulot G. Swarm: A constellation to study the Earth’s magnetic field. Earth, Planets and Space. 2006, vol. 58, pp. 351-358. Forsyth C., Rae I. J., Mann I. R., Pakhotin I.P. Identifying intervals of temporally invariant field-aligned currents from Swarm: Assessing the validity of single-spacecraft methods. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2017. Vol. 122. DOI: 10.1002/2016JA023708. Gjerloev J. The SuperMAG data processing technique. J. Geophys. Res. 2012, no. 117, pp. A09213. Friis-Christensen E., Lühr H., Hulot G. Swarm: A constellation to study the Earth’s magnetic field. Earth, Planets and Space. 2006. Vol. 58. P. 351-358. Gvishiani A., Soloviev A., Krasnoperov R., Lukianova R. Automated hardware and software system for monitoring the Earth’s magnetic environment. Data Sci. J. 2016, vol. 15, p.18. DOI: 10.5334/dsj-2016-018. Gjerloev J. The SuperMAG data processing technique. J. Geophys. Res. 2012. Vol. 117. P. A09213. Kervalishvili G., Park J. Swarm L2 FAC-single product description. Swarm Expert Support Laboratories (5). 2017. https://cloud.gcras.ru/d/s/vsgRgEVWNkjvy7GDefXCxVkrT2Byy1EW/8FO5KX4RT-szECaxtrtgLOd5pXAvJzZt-_rvgPhG-3wo. Gvishiani A., Soloviev A., Krasnoperov R., et al. Automated hardware and software system for monitoring the Earth’s magnetic environment. Data Sci. J. 2016. Vol. 15. P. 18. DOI: 10.5334/dsj-2016-018. Lühr H., Park J., Gjerloev J.W., Rauberg J., Michaelis I., Merayo M.G., Brauer P. Field-aligned currents’ scale analysis performed with the Swarm constellation. Geophys. Res. Lett. 2015, vol. 42, pp. 1-8. DOI: 10.1002/2014GL062453. Kervalishvili G., Park J. Swarm L2 FAC-single product description. Swarm Expert Support Laboratories (5). 2017. https://cloud.gcras.ru/d/s/vsgRgEVWNkjvy7GDefXCxVkrT2Byy1EW/8FO5KX4RT-szECaxtrtgLOd5pXAvJzZt-_rvgPhG-3wo. Lühr H., Ritter P., Kervalishvili G., Rauberg J. Applying the dual-spacecraft approach to the Swarm constellation for deriving radial current density. Ionospheric Multi-Spacecraft Analysis Tools. ISSI Scientific Report Series, Springer, Cham. 2020, Vol. 17. DOI: 10.1007/978-3-030-26732-2_6. Lühr H., Park J., Gjerloev J.W., et al. Field-aligned currents’ scale analysis performed with the Swarm constellation. Geophys. Res. Lett. 2015. Vol. 42. P. 1-8. DOI: 10.1002/2014GL062453. Machol J.L., Green J.C., Redmon R.J., Viereck R.A., Newell R.T. Evaluation of OVATION Prime as a forecast model for visible aurora, Space Weather. 2012, no. 10, S03005. DOI: 10.1029/ 2011SW000746. Lühr H., Ritter P., Kervalishvili G., et al. Applying the dual-spacecraft approach to the Swarm constellation for deriving radial current density. Ionospheric Multi-Spacecraft Analysis Tools. ISSI Scientific Report Ser. Springer, Cham. 2020. Vol. 17. DOI: 10.1007/978-3-030-26732-2_6. Neubert T., Christiansen F. Small-scale, field-aligned currents at the top-side ionosphere. Geophys. Res. Lett. 2003, vol. 30, p. 2010. DOI: 10.1029/2003GL017808. Machol J.L., Green J.C., Redmon R.J., et al. Evaluation of OVATION Prime as a forecast model for visible aurora. Space Weather. 2012. Vol. 10, iss. 3. P. S03005. DOI: 10.1029/ 2011SW000746. Newell P.T., Liou K., Zhang Y., Sotirelis T., Paxton L.J., Mitchell E.J. OVATION Prime-2013: Extension of auroral precipitation model to higher disturbance levels. Space Weather. 2014, vol. 12, pp. 368-379. DOI: 10.1002/2014SW001056. Neubert T., Christiansen F. Small-scale, field-aligned currents at the top-side ionosphere. Geophys. Res. Lett. 2003. Vol. 30. DOI: 10.1029/2003GL017808. Papitashvili V. O., Christiansen F., Neubert T. A new model of field-aligned currents derived from high-precision satellite magnetic field data. Geophys. Res. Lett. 2002, vol. 29, p. 1683. Newell P.T., Liou K., Zhang Y., et al. OVATION Prime-2013: Extension of auroral precipitation model to higher disturbance levels, Space Weather. 2014. Vol. 12. P. 368-379. DOI: 10.1002/2014SW001056. Park J., Lühr H., Knudsen D.J., Burchill J.K., Kwak. Y.-S. Alfvén waves in the auroral region, their Poynting flux, and reflection coefficient as estimated from Swarm observations, J. Geophys. Res. 2017, vol. 122, pp. 2345-2360. DOI: 10.1002/2016JA023527. Papitashvili V. O., Christiansen F., Neubert T. A new model of field-aligned currents derived from high-precision satellite magnetic field data. Geophys. Res. Lett. 2002. Vol. 29. P. 1683. Pilipenko V.A. Space weather impact on ground-based technological systems. Solnechno-zemnaya fizika [Solar-terrestrial physics], 2021, vol. 7, no. 3, pp. 73-110. (In Russian). DOI: 10.12737/szf-73202106. Park J., Lühr H., Knudsen D. J., et al. Alfvén waves in the auroral region, their Poynting flux, and reflection coefficient as estimated from Swarm observations. J. Geophys. Res. 2017. Vol. 122. P. 2345-2360. DOI: 10.1002/2016JA023527. Pilipenko V., Heilig B. ULF waves and transients in the topside ionosphere, in: “Low-frequency Waves in Space Plasmas”. Geophysical Monograph. Ser. 2016. vol. 216, pp. 15-29. Wiley/AGU DOI: 10.1002/9781119055006. Pilipenko V., Heilig B. ULF waves and transients in the topside ionosphere, in: “Low-frequency Waves in Space Plasmas”. Geophys. Monograph Ser. 2016. Wiley/AGU. P. 15-29, DOI: 10.1002/9781119055006. Ritter P., Lühr H., Rauberg J. Determining field-aligned currents with the Swarm constellation mission. Earth Planets and Space. 2013, vol. 65, iss. 11, pp. 1285-1294. Ritter P., Lühr H., Rauberg J. Determining field-aligned currents with the Swarm constellation mission. Earth Planets and Space. 2013. Vol. 65, iss. 11. P. 1285-1294. Russell C.T., Snare R.C., Means J.D., Pierce D., Dearborn D., Larson M., et al. The GGS/POLAR magnetic fields investigation. Space Sci, 1995, vol. 71, pp. 563-582. Russell C.T., Snare R.C., Means J.D., et al. The GGS/POLAR magnetic fields investigation. Space Sci. 1995. Vol. 71. P. 563-582. Swarm Level 2 Processing System Consortium, Product specification for L2 Products and Auxiliary Products, Doc.no: SW-DS-DTU-GS-0001. 2019, p. 100. Swarm Level-2 Processing System Consortium, Product specification for L2 Products and Auxiliary Products, Doc.no: SW-DS-DTU-GS-0001. 2019. С. 100. Tsyganenko N.A. A magnetospheric magnetic field model with a warped tail current sheet. Planet. Space Sci. 1989, vol. 37, pp. 5-20. DOI: 10.1016/0032-0633(89)90066-4. Tsyganenko N.A. A magnetospheric magnetic field model with a warped tail current sheet. Planet. Space Sci. 1989. Vol. 37. P. 5-20. DOI: 10.1016/0032-0633(89)90066-4. Tøffner-Clausen L. Swarm level 1b product definition. SW-RS-DSC-SY-0007. 2021, iss. 5.26. [Available at https://cloud.gcras.ru/d/s/vsgRgEVWNkjvy7GDefXCxVkrT2Byy1EW/8FO5KX4RT-szECaxtrtgLOd5pXAvJzZt-_rvgPhG-3wo.. Tøffner-Clausen L. Swarm level 1b product definition, 2021. SW-RS-DSC-SY-0007, iss. 5.26. [Available at https://cloud.gcras.ru/d/s/vsgRgEVWNkjvy7GDefXCxVkrT2Byy1EW/8FO5KX4RT-szECaxtrtgLOd5pXAvJzZt-_rvgPhG-3wo. Vobobev A.V., Soloviev A.A., Pilipenko V.A., Vorobeva G.R. Interactive computer model for aurora forecast and analysis. Solar-Terr. Phys. 2022, vol. 8, no. 2, pp. 84-90. DOI: 10.12737/stp-82202213. Wu J., Knudsen D.J., Gillies D.M., et al. Swarm observation of field-aligned currents associated with multiple auroral arc systems. J. Geophys. Res. 2017. Vol. 122. DOI: 10.1002/ 2017JA024439. Wu J., Knudsen D.J., Gillies D.M., Donovan E.F., Burchill J.K. Swarm observation of field-aligned currents associated with multiple auroral arc systems. J. Geophys. Res. 2017, vol. 122. DOI: 10.1002/2017JA024439. Zanetti L.J., Anderson B.J., Potemra T.A., et al. Identification of auroral oval boundaries from in situ magnetic field measurements. J. Geophys. Res. 1998, Vol. 103. P. 4187. Zanetti L.J., Anderson B.J., Potemra T.A., Clemmon J. H., Wilmingham J.D., Sharbe J.R. Identification of auroral oval boundaries from in situ magnetic field measurements. J. Geophys. Res. 1998, vol. 103, p. 4187. URL: http://aleph.gcras.ru/teslaswarm (дата обращения 3 ноября 2023 г.). URL: http://aleph.gcras.ru/teslaswarm (accessed November 3, 2023). URL: http://ckp.gcras.ru (дата обращения 3 ноября 2023 г.). URL: http://ckp.gcras.ru (accessed November 3, 2023). URL: https://pypi.org/project/PyMySQL/ (дата обращения 3 ноября 2023 г.). URL: https://pypi.org/project/PyMySQL/ (accessed November 3, 2023 URL: ftp://swarm-diss.eo.esa.int (дата обращения 3 ноября 2023 г.). URL: ftp://swarm-diss.eo.esa.int (accessed November 3, 2023). URL: https://ccmc.gsfc.nasa.gov/models/Ovation-Prime~2.3 (дата обращения 3 ноября 2023 г.). URL: https://ccmc.gsfc.nasa.gov/models/Ovation-Prime~2.3 (accessed November 3, 2023). URL: https://supermag.jhuapl.edu (дата обращения 3 ноября 2023 г.). URL: https://supermag.jhuapl.edu (accessed November 3, 2023). URL: https://pypi.org/project/igrfu (дата обращения 3 ноября 2023 г.). URL: https://pypi.org/project/igrfu (accessed November 3, 2023). URL: https://pypi.org/project/chaosmagpy (дата обращения 3 ноября 2023 г.). URL: https://pypi.org/project/chaosmagpy (accessed November 3, 2023). URL: https://omniweb.gsfc.nasa.gov/ (дата обращения 3 ноября 2023 г.). URL: https://omniweb.gsfc.nasa.gov/ (accessed November 3, 2023). URL: https://vires.services/ (дата обращения 3 ноября 2023 г.). URL: https://vires.services/ (accessed November 3, 2023). URL: https://vre.vires.services (дата обращения 3 ноября 2023 г.). URL: https://vre.vires.services (accessed November 3, 2023). URL: https://github.com/hapi-server (дата обращения 3 ноября 2023 г.). URL: https://github.com/hapi-server (accessed November 3, 2023). URL: http://www.intermagnet.org (дата обращения 3 ноября 2023 г.). URL: http://www.intermagnet.org (accessed November 3, 2023). URL: http://geomag.gcras.ru (дата обращения 3 ноября 2023 г.). URL: http://geomag.gcras.ru (accessed November 3, 2023). URL: https://github.com/lkilcommons/OvationPyme (дата обращения 3 ноября 2023 г.). URL: https://github.com/lkilcommons/OvationPyme (accessed November 3, 2023).