Регистрация эльфов в эксперименте «УФ атмосфера» с борта МКС и их реконструкция

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

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.

Full Text

Restricted Access

About the authors

С. Шаракин

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Author for correspondence.
Email: sharakin@mail.ru

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

Russian Federation, Москва

Д. Баргини

Национальный институт ядерной физики; Туринский университет; Национальный астрофизический институт

Email: sharakin@mail.ru

Физический факультет

Italy, Турин; Турин; Турин

М. Баттисти

Национальный институт ядерной физики; Университет Париж-Сите

Email: sharakin@mail.ru

Национальный центр научных исследований, лаборатория астрочастиц и космологии

Italy, Турин; Париж, Франция

А. Белов

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: sharakin@mail.ru

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

Russian Federation, Москва

М. Бертаина

Национальный институт ядерной физики; Туринский университет

Email: sharakin@mail.ru

Физический факультет

Italy, Турин; Турин

М. Бьянчиотто

Национальный институт ядерной физики; Туринский университет

Email: sharakin@mail.ru

Физический факультет

Italy, Турин; Турин

Ф. Бисконти

Национальный институт ядерной физики Рим Тор Вергата

Email: sharakin@mail.ru
Italy, Рим

К. Блексли

РИКЕН

Email: sharakin@mail.ru
Japan, Вако

С. Блин

Университет Париж-Сите

Email: sharakin@mail.ru

Национальный центр научных исследований, лаборатория астрочастиц и космологии

France, Париж

Дж. Камбье

Национальный институт ядерной физики Рим Тор Вергата; Университет Тор Вергата

Email: sharakin@mail.ru

Физический факультет

Italy, Рим; Рим

Ф. Капель

Физический институт Макса Планка

Email: sharakin@mail.ru
Germany, Мюнхен

М. Казолино

Национальный институт ядерной физики Рим Тор Вергата; РИКЕН; Университет Тор Вергата

Email: sharakin@mail.ru

Физический факультет

Italy, Рим; Вако, Япония; Рим

Т. Эбисузаки

РИКЕН

Email: sharakin@mail.ru
Japan, Вако

Й. Эзер

Чикагский университет

Email: sharakin@mail.ru

Кафедра астрономии и астрофизики

United States, Иллинойс

Ф. Феню

Итальянское космическое агентство

Email: sharakin@mail.ru
Italy, Рим

М. А. Франчески

Национальный институт ядерной физики

Email: sharakin@mail.ru
Italy, Фраскати

А. Гольцио

Национальный институт ядерной физики; Туринский университет

Email: sharakin@mail.ru

Физический факультет

Italy, Турин; Турин

Ф. Городецкий

Университет Париж-Сите

Email: sharakin@mail.ru

Национальный центр научных исследований, лаборатория астрочастиц и космологии

France, Париж

Ф. Каджино

Университет Конан

Email: sharakin@mail.ru
Japan, Кобе

Х. Касуга

РИКЕН

Email: sharakin@mail.ru
Japan, Вако

П. Климов

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: sharakin@mail.ru

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

Russian Federation, Москва

М. Манфрин

Национальный институт ядерной физики; Туринский университет

Email: sharakin@mail.ru

Физический факультет

Italy, Турин; Турин

В. Маржаль

Академия прикладных наук имени Стефана Батория

Email: sharakin@mail.ru
Poland, Скерневице

Л. Марчелли

Национальный институт ядерной физики Рим Тор Вергата

Email: sharakin@mail.ru
Italy, Рим

Х. Миямото

Национальный институт ядерной физики; Туринский университет

Email: sharakin@mail.ru

Физический факультет

Italy, Турин; Турин

М. Миньон

Национальный институт ядерной физики

Email: sharakin@mail.ru
Italy, Турин

А. Мурашов

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: sharakin@mail.ru

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

Russian Federation, Москва

Т. Наполитано

Национальный институт ядерной физики

Email: sharakin@mail.ru
Italy, Фраскати

Х. Охмори

РИКЕН

Email: sharakin@mail.ru
Japan, Вако

А. Олинто

Чикагский университет

Email: sharakin@mail.ru

Кафедра астрономии и астрофизики

United States, Иллинойс

Э. Паризо

Университет Париж-Сите

Email: sharakin@mail.ru

Национальный центр научных исследований, лаборатория астрочастиц и космологии

France, Париж

П. Пикоцца

Национальный институт ядерной физики Рим Тор Вергата; Университет Тор Вергата

Email: sharakin@mail.ru

Физический факультет

Italy, Рим; Рим

Л. В. Пиотровски

Варшавский университет

Email: sharakin@mail.ru

Физический факультет

Poland, Варшава

З. Плебаняк

Национальный институт ядерной физики Рим Тор Вергата; Университет Тор Вергата

Email: sharakin@mail.ru

Физический факультет

Italy, Рим; Рим

Г. Прево

Университет Париж-Сите

Email: sharakin@mail.ru

Национальный центр научных исследований, лаборатория астрочастиц и космологии

France, Париж

Э. Реали

Национальный институт ядерной физики Рим Тор Вергата; Университет Тор Вергата

Email: sharakin@mail.ru

Физический факультет

Italy, Рим; Рим

М. Риччи

Национальный институт ядерной физики

Email: sharakin@mail.ru
Italy, Фраскати

Дж. Ромоли

Национальный институт ядерной физики Рим Тор Вергата; Университет Тор Вергата

Email: sharakin@mail.ru

Физический факультет

Italy, Рим; Рим

Н. Сакаки

РИКЕН

Email: sharakin@mail.ru
Japan, Вако

К. Шинозаки

Национальный центр ядерных исследований

Email: sharakin@mail.ru
Poland, Лодзь

Я. Шабельски

Академия прикладных наук имени Стефана Батория

Email: sharakin@mail.ru
Poland, Скерневице

К. Де Ла Тай

Политехнический институт

Email: sharakin@mail.ru

Центр микроэлектроники

France, Палезо

Й. Такидзава

РИКЕН

Email: sharakin@mail.ru
Japan, Вако

М. Врабель

Национальный центр ядерных исследований

Email: sharakin@mail.ru
Poland, Лодзь

Л. Винке

Колорадская горная школа

Email: sharakin@mail.ru

Факультет физики

United States, Голден

М. Зотов

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: sharakin@mail.ru

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

Russian Federation, Москва

References

  1. Casolino 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/ptx169
  2. Capel 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.2017.08.030
  3. Bacholle 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/abd93d
  4. Capel 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.5.4.044009
  5. Casolino 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.2022.113336
  6. Belov 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.2017.10.044
  7. Bertaina 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.2022.167601
  8. JEM-EUSO Collaboration Science of atmospheric phenomena with JEM-EUSO // Experimental Astronomy. 2015. V. 40. P. 239–251. https://doi.org/10.1007/s10686-014-9431-0
  9. Marcelli 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/10.22323/1.395.0367
  10. Inan 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/10.1029/91GL00364
  11. Fukunishi 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/10.1029/96GL01979
  12. Chang 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/10.1029/2009JA014861
  13. Newsome 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/10.1029/2009JA014834
  14. Boeck 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/10.1029/91GL03168
  15. Chern 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)00317-6
  16. Klimov 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/rs11202449
  17. Klimov 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.
  18. 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/10.1029/2008JA013101
  19. Adashko J.G., Gurevich A. Nonlinear Phenomena in the Ionosphere. Book Series. Physics and Chemistry in Space. Springer Berlin Heidelberg, 1978. https://doi.org/10.1007/978-3-642-87649-3
  20. Taranenko 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.
  21. 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/10.22323/1.444.0333
  22. Romoli 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/10.22323/1.444.0223
  23. Jaynes E.T. Probability theory: The logic of science. Cambridge University Press, 2003.
  24. Sivia D.S., Skilling J. Data Analysis: A Bayesian Tutorial (Oxford science publications). Oxford University Press, 2006.
  25. Martin O. Bayesian Analysis with Python: Introduction to statistical modeling and probabilistic programming using PyMC3 and ArviZ. Packt Publishing Ltd, 2018.
  26. 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/10.1029/95GL03816
  27. Marshall 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/10.1029/2011JA017408
  28. Uman M.A. Lightning. Courier Corporation, 2012.
  29. 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/S1062873819080173
  30. Marshall 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/10.1002/2015GL064862
  31. Smith 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/10.1029/2002RS002790
  32. Nag 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.
  33. 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

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. An ELVES event recorded on 12.V.2019. Six snapshots (projections onto a height of 90 km) with an interval of 20 GTU = 50 μs are shown. The pink line in frame 210 shows the result of reconstructing the current position of the front.

Download (575KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. The ELVES20190512 elf signal in a separate channel (the horizontal axis shows the time in GTU = 2.5 μs, the vertical axis shows the signal in photons per GTU). The blue line is the (37.13) channel, the green line is the (36.14) channel. For the first signal, the asymmetric profile obtained as a result of approximating the bi-Gaussian function is shown in red.

Download (117KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3: Posterior distribution for the ELVES20190512 event. On the left is the one-dimensional distribution of the distance to the ring center ρ0, on the right is the two-dimensional distribution of the height of the EMP source H0 and the height of the glow He.

Download (110KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4: On the left is the ELVES20200821 event, which is a sequence of glow rings of giant diameter. On the right is the ELVES20200526 event, for which it is possible to localize the EMP source (the asterisk on the left indicates the direction to the source).

Download (295KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences