ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 6, с. 763-766
УДК 551.510.523
ДИНАМИКА АВРОРАЛЬНОГО СЛОЯ ВО ВРЕМЯ СЛАБЫХ И СИЛЬНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ В МАГНИТОСФЕРЕ
© 2014 г. Л. Н. Макарова, А. В. Широчков, В. Д. Николаева
Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт, г. Санкт-Петербург
e-mail: lumak@aari.nw.ru Поступила в редакцию 29.07.2013 г.
После доработки 05.02.2014 г.
Работа посвящена изучению динамики авроральной ионосферы на уровне спорадического Es-слоя во время магнитосферных возмущений. Новый подход к этой проблеме, предложенный в работе, состоит в том, что используется геомагнитный индекс РС, который рассчитывается по магнитным данным в полярных шапках северного и южного полушарий и отражает геоэффективность межпланетного электрического поля. В работе показано, что вариации спорадической концентрации электронов в авроральном Es-слое с высокой степенью статистической достоверности могут быть связаны с изменениями индекса PC. Однако характер высыпаний спорадических частиц в ионосферу при высокой (РС > 2 мВ/м) и низкой (РС < 2 мВ/м) магнитной активности существенно отличается. Во время сильных магнитных возмущений и при усиленных электрических полях в межпланетном пространстве, интенсивность высыпания частиц из магнитосферы в E-область высокоширотной ионосферы определяется значением магнитного индекса PC. Во время слабой магнитной возму-щенности основным фактором появления спорадической ионизации в Es-слое являются кратковременные импульсы увеличения значений РС-индекса, вызванные изменчивостью электрических полей в магнитосфере.
DOI: 10.7868/S0016794014050095
1. ВВЕДЕНИЕ
В последнее время экспериментальное изучение авроральной ионосферы было затруднено из-за того, что в высоких широтах не было сети ионозондов вертикального зондирования ионосферы. В настоящее время ситуация меняется потому, что в последние годы возобновляется сеть наблюдений за ионосферой в высоких широтах российской Арктики и Антарктиды. Оснащение высокоширотных станций цифровыми ионозон-дами позволяет получать параметры ионосферы в реальном времени и использовать их для сопоставления с другими геофизическими параметрами, из чего увеличивается интерес к исследованию процессов, происходящих в ионосфере высоких широт.
В данной работе динамика авроральной ионосферы на уровне Е-слоя во время магнитосфер-ных возмущений изучалась на основе анализа данных вертикального зондирования ионосферы на ст. Тромсе (Норвегия, ф = 69.60° N X = 19.20° Е; инвариантная широта Л = 66.40°). Были рассмотрены формы спорадических ионизированных образований на уровне Е-слоя ионосферы, связанные с высыпанием частиц и отмеченные в утренние, ночные и вечерние часы за исключением дневной стороны. Плоские слои в данной работе также не рассматривались. Для оценки магнит-
ной возмущенности использовались глобальные геомагнитные индексы kp, AE, Dst. Кроме того, был использован магнитный индекс PC, рассчитываемый по наземным геомагнитным наблюдениям на станциях "Восток" (южное полушарие PCS) и Туле (северное полушарие PCN).
Индекс РС был введен в работах [Troshichev and Andrezen, 1985; Stauning and Troshichev, 1988] как показатель магнитной активности, создаваемой в полярных шапках геоэффективным межпланетным электрическим полем Em. Последующие исследования показали [Janzhura et al., 2007; Stauning and Troshichev, 2008], что РС-индекс адекватно реагирует также и на импульсы динамического давления солнечного ветра. Значения индекса РС являются идентичными, будь они рассчитаны по магнитным данным северного или южного полушарий [Stauning and Troshichev, 1988].
Процедура расчета РС-индекса обеспечивает соответствие между величинами РС-индекса и поля Em независимо от сезона года, времени суток и места наблюдения (северное или южное полушарие). Преимущество использования магнитного РС-индекса для описания динамики авроральной ионосферы состоит в том, что этот индекс является неким индикатором энергии солнечного ветра, перенесенной внутрь магнитосферы Земли. То обстоятельство, что индекс РС получается в режиме реального времени с очень высоким временным раз-
764
МАКАРОВА и др.
6.12.2006 г.
00:00 06:00 12:00 18:00 24:00
00:00 06:00 12:00 18:00 24:00 Время, UT
Рис. 1. Суточные вариации магнитного индекса PCN и критической частоты слоя Es на ст. Тромсе 06.12.2006 г.
решением (минуты), делает его удобным в целях диагностики возмущений в ароральной ионосфере. Интерес к использованию индекса РС в качестве индикатора ионосферных возмущений в последнее время возрастает, несмотря на то, что ионосфера высоких широт управляется различными физическими процессами и многие внешние факторы ответственны за ее формирование.
Цель данной работы — проанализировать развитие авроральных электроджетов на геомагнитном меридиане Тромсе с помощью данных, полученных на меридиональной цепочке наземных IMAGE магнитометров (геомагнитные широты от 54.47° до 75.25°). Главной задачей работы системы IMAGE является изучение полярных сияний и авроральных электроджетов [Ritter et al., 2004; Palmroth et al., 2009] на географических широтах от 58 до 79°, что особенно важно для исследования высыпания заряженных частиц из плазменного слоя магнитосферы Земли.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Анализ данных вертикального зондирования на станциях авроральной зоны показывает наличие спорадических ионизированных образований на уровне E-слоя, как при высокой, так и слабой
геомагнитной активности. Исследования динамики полярных сияний в авроральной зоне показали сильную изменчивость во времени и пространстве, особенно ярко выраженную во время низкого уровня магнитной активности, что совпадает с появлением спорадических слоев в этих условиях [Hoffman et al., 1988]. Изучение статистической связи между значением критической частоты foEs спорадического слоя Es и такими параметрами, как глобальными индексами геомагнитной активности kp и авроральными индексами AE, AL, AU, AO, не выявило какой-либо значимой зависимости между этими параметрами. Расчет глобальных индексов геомагнитной активности проводится путем усреднения магнитных данных нескольких станций, и результаты описывают среднестатистическую ситуацию воз-мущенности проводимости, электрических полей, продольных и горизонтальных токов в целом в авроральной зоне ионосферы Земли, что не соответствует выбросам спорадических частиц в локальных точках зоны. Проведенное нами исследование показало, что состояние авроральной ионосферы во время сильной возмущенности магнитосферы и сильных электрических полей (когда индекс PC > 2 мВ/м) отличается от поведения ионосферы во время слабых отдельных маг-нитосферных суббурь (когда индекс PC < 2 мВ/м). Мы провели сопоставления суточных вариаций foEs и магнитного индекса РС. Результат такого сопоставление показан на рис. 1, где представлены вариации индекса PCN, полученные по данным ст. Туле, и значений foEs на ст. Тромсе 06.12.2006 г.
Из рисунка 1 видно, что увеличенным значениям РС-индекса соответствуют высокие значения foEs при наличии спорадических слоев на уровне ^-области ионосферы в утренние, вечерние и ночные часы LT. Нами было выбрано 67 случаев в 2006—2009 гг., когда значения РС-индекса были больше 2. Для этих периодов были определены максимальные значения foEs по ионограм-мам ст. Тромсе на ночной стороне. В результате сопоставления была получена высокая корреляция между величиной РС-индекса и foEs. На рисунке 2, где представлена зависимость между foEs и PCS, видно, что значения коэффициента корреляции между этими параметрами ~0.77. Полученный результат означает, что в возмущенных условиях, когда наблюдаются большие электрические поля в солнечном ветре, которым соответствуют значения РС > 2 мВ/м, определяющим фактором высыпания авроральных частиц в ионосферу становится величина электрического поля в магнитосфере.
В работе также было проведено сопоставление критической частоты foEs слоя Es с величиной токов в авроральных электроджетах на геомагнитном
ДИНАМИКА АВРОРАЛЬНОГО Es-СЛОЯ ВО ВРЕМЯ
765
меридиане Тромсе, полученных на меридиональной цепочке наземных IMAGE магнитометров.
Во время сильных магнитных возмущений величины электрических токов превышают значения 1 х 106 A. Увеличение токов в ионосфере зависит не только от концентрации электронов в спорадическом слое E, но и от напряженности электрического поля. Поэтому нами не было обнаружено связи между токами в электроджетах и концентрацией в Es-слое во время сильных магнитных возмущений.
Для анализа динамики авроральной ионосферы во время слабых магнитных возмущений были использованы значения PC-индекса, рассчитываемые с 10 минутным временным разрешением, и ионограммы ионозонда ст. Тромсе. Анализ ионо-грамм показал, что высыпания в E область ионосферы во время слабых магнитных возмущений обычно наблюдаются, когда имеются импульсы увеличения индекса РС. Было проведено сопоставление импульсной изменчивости РС-индекса с шагом по времени 10 мин со значениями foEs. На рисунке 3 приведены результаты такого сопоставления. Степень взаимосвязи между foEs и dPC/dt оказалось достаточно высокой со значением коэффициента корреляции, равным 0.81. В работе также было проведено сопоставление foEs и величины тока в элетроджетах при значениях РС < 2 мВ/м, полученных на меридиональной цепочке наземных IMAGE магнитометров, которые находятся на геомагнитном меридиане ст. Тромсе. Было проанализировано 47 случаев с апреля 2004 по ноябрь 2009 г. Полученные результаты можно просуммировать следующим образом: величина полного тока в ионосфере не связана со значением критической частоты foEs отдельной ст. Тромсе. Тогда как плотность тока и foEs связаны между собой. Значение коэффициента корреляции между этими параметрами превышает 0.8 (г2 = 0.82). Тесная связь плотности тока в электроджетах с критической частотой слоя Es свидетельствует о том, что во время слабых магнитных возмущений (случаи слабых электрических полей в межпланетном пространстве) плотность горизонтальных токов в авроральной зоне определяется, прежде всего, ионосферной проводимостью, создаваемой вы
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.