научная статья по теме ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА АВРОРАЛЬНЫХ ПРЕДВЕСТНИКОВ БРЕЙКАПА ПО НАБЛЮДЕНИЯМ СОБЫТИЯ 5 МАРТА 2008 Г Геофизика

Текст научной статьи на тему «ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА АВРОРАЛЬНЫХ ПРЕДВЕСТНИКОВ БРЕЙКАПА ПО НАБЛЮДЕНИЯМ СОБЫТИЯ 5 МАРТА 2008 Г»

ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2015, том 55, № 2, с. 222-230

УДК 550.383

ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА АВРОРАЛЬНЫХ ПРЕДВЕСТНИКОВ БРЕЙКАПА ПО НАБЛЮДЕНИЯМ СОБЫТИЯ 5 МАРТА 2008 г. © 2015 г. И. А. Корнилов, Т. А. Корнилова, И. В. Головчанская

Полярный геофизический институт КНЦРАН, г. Апатиты (Мурманская обл.) e-mail: kornilov@pgia.ru, golovchanskaya@pgia.ru Поступила в редакцию 29.05.2014 г.

После доработки 16.07.2014 г.

По данным телевизионных камер на станциях наземной поддержки системы спутников THEMIS мы изучили событие аврорального брейкапа, в котором авроральные формы, являющиеся его предвестниками, имели восточно-западную (E-W) ориентацию, и обнаружили, что их динамика в течение 30—40 мин до начала брейкапа (Т0) указывает на волновой процесс. В рассмотренном событии имело место магнитное сопряжение наземных оптических наблюдений с наблюдениями четырех спутников THEMIS, расположенных примерно вдоль хвоста магнитосферы, которые измеряли характеристики плазмы и энергичных частиц, а также магнитное В и электрическое Е поля, с временным разрешением 3 с. Данные спутников THEMIS, отфильтрованные в диапазоне периодов 12—120 с, свидетельствовали о присутствии низкочастотной волновой активности в плазменном слое в рассматриваемый период времени. Антикорреляция магнитного и плазменного давления, а также синфазное изменение во времени производной —dBx/dt и вертикальной компоненты скорости ионов, позволили отождествить моду плазменных колебаний как баллонную моду и предположить, что имеет место связь между E-W предвестниками аврорального брейкапа и баллонными волнами в плазменном слое хвоста магнитосферы. Обсуждаются следствия полученных результатов для механизмов триггирования суббури.

DOI: 10.7868/S0016794015020108

1. ВВЕДЕНИЕ

Со времен работы [Akasofu, 1964] физика маг-нитосферной суббури — крупномасштабной реконфигурации магнитного поля, сопровождающейся выделением большого количества запасенной магнитной энергии, была в значительной степени объяснена, однако механизм перехода к взрывной фазе суббури до сих пор окончательно не понят. В этом отношении оптические наблюдения начала аврорального брейкапа, и, в особенности, его предвестников представляют большой интерес, поскольку могут отражать процесс триг-гирования перехода к магнитной диполизации в хвосте магнитосферы [Akasofu et al., 2010].

В последние несколько десятилетий большое внимание уделялось изучению предвестников брейкапа, проявляющихся на all-sky изображениях как авроральные формы, вытянутые в направлении север-юг (N-S), зарождающиеся на полярной границе аврорального овала, предположительно в связи с ее интенсификациями (PBIs), и продвигающиеся на более низкие широты [Rostoker et al., 1987; Henderson et al., 2002; Nishimu-ra et al., 2010]. Эти N-S формы обычно рассматриваются как ионосферные проявления быстрых плазменных потоков (BBFs) в хвосте магнитосферы [Baumjohann et al., 1989], имеющих узкую ази-

мутальную протяженность (1—3^Б, где ЯБ — радиус Земли).

В то же время хорошо известен другой тип ав-роральных предвестников брейкапа, когда вытянутые под малым углом к геомагнитной параллели (далее Б-^) авроральные дуги появляются на высоких широтах (часто в связи с уярчением полярной кромки аврорального овала), распространяются в экваториальном направлении на более низкие широты, где при определенных условиях приводят к авроральному брейкапу [0§иИ, 1973; КогпПоуа й а1., 2006, 2008; Ыепёе й а1., 2011; Ког-пПоуа е! а1., 2012]. Предбрейкаповой дугой при этом становится либо ранее существующая в экваториальной области овала E-W дуга, либо, как в исследуемом нами событии, одна из распространяющихся из области высоких широт E-W дуг. События, в которых в авроральной динамике, предшествующей брейкапу, наблюдаются исключительно E-W авроральные формы, были выделены в работе [Ыепёе е! а1., 2011] в отдельный класс так называемых E-W событий. Также авторы [Ыепёе е! а1., 2011] отмечают, что E-W аврораль-ные дуги являются обычным авроральным проявлением, предшествующим переходу к взрывной фазе суббури.

Именно динамика E-W возмущений, предшествующих авроральному брейкапу, составляет

предмет нашего исследования. Далее мы представим наземные оптические наблюдения E-W события по данным all-sky телевизионных камер станций наземной поддержки спутников THEMIS (раздел 2), привлекая сопряженные спутниковые измерения в магнитосфере, выясним, какие возмущения в плазменном слое могут быть поставлены им в соответствие, и приведем аргументы в пользу того, что эти возмущения можно отождествить с распространяющимися баллонными волнами (раздел 3). Значение результатов исследования для понимания механизма триггирования суббури обсуждается в разделе 4.

2. ДИНАМИКА E-W ПРЕДВЕСТНИКОВ АВРОРАЛЬНОГО БРЕЙКАПА ПО НАЗЕМНЫМ ОПТИЧЕСКИМ НАБЛЮДЕНИЯМ

В этом разделе мы иллюстрируем основные черты динамики предвестников аврорального брейкапа на примере события 5 марта 2008 г. (по оптическим наблюдениям брейкап начался в Т0 = = 06:04:00 UT). С привлечением мозаик, составленных из all-sky изображений станций наземной поддержки THEMIS [http://themis.ssl.berkeley. edu/gbo/], мы убедились, что в течение примерно 40 мин, предшествующих брейкапу, наблюдаемые авроральные формы имели E-W протяженность, в то время как N-S структур не наблюдалось ни на одной из станций. Таким образом, рассматриваемое событие относится к E-W событиям по классификации Mende et al. [2011]. Мозаика, нанесенная на карту с географическими координатами, в момент времени Т0 показана на рис. 1а. Оптические данные станций, составляющих мозаику, были отфильтрованы и скомпонованы в виде avi-фильмов, что позволило получить наглядное представление о динамике слабых авро-ральных возмущений, предшествующих брейкапу. Avi-фильм со сжатием времени примерно в 60 раз по сравнению с реальным временем, построенный по данным канадской станции GILL в интервале 05:50—06:15 UT, можно посмотреть на ftp:// pgia.ru/kornilov/gill.avi. Отличительной чертой исследуемых авроральных возмущений является их волновой характер. Распространение самих структур происходит в направлении близком к меридиональному (к экватору). Внутри отдельных структур изредка появляются неоднородности свечения, длина волны которых в несколько раз превышает длину волны в меридиональном направлении. Неоднородности обнаруживают быстрое азимутальное распространение (вдоль E-W структур) в нашем случае преимущественно на запад, хотя иногда наблюдается и распространение на восток [Uritsky et al., 2009].

Волновые процессы в динамике авроральных структур до начала брейкапа — часто наблюдае-

мое явление, примеры которого можно увидеть и в других событиях (см., например, аvi-фильмы по данным ст. Ловозеро на ftp://pgia.ru/kornilov/ 220301l4.avi).

Построенные по данным находящейся в центре мозаики станции GILL (географические координаты 56.4° N, 265.3° E, магнитная полночь в 06:34 UT) кеограммы по N-S профилю показаны на рис. 1б для исходных оптических наблюдений и на рис. 1в с применением фильтрации. На фильтрованной кеограмме отчетливо видна полярная кромка аврорального овала и ее периодические интенсификации, а также авроральные возмущения (вытянутые в E-W направлении, как можно видеть из avi-фильма), распространяющиеся с севера на более низкие широты. Некоторые из них отделяются из уярчений полярной кромки.

На рисунке 1г приведены характерные фильтрованные all-sky изображения за ~7 мин до и ~3 мин после начала брейкапа. Телевизионные кадры иллюстрируют более детально E-W предвестники брейкапа.

3. СРАВНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ДАННЫХ

С СОПРЯЖЕННЫМИ НАБЛЮДЕНИЯМИ НА СПУТНИКАХ THEMIS

Для рассматриваемого события имело место магнитное сопряжение наземных оптических наблюдений предвестников брейкапа с одновременными измерениями плазменных параметров, а также электрического и магнитного полей (с временным разрешением 3 с) спутниками THEMIS, четыре из которых (Р1, Р2, Р3, Р4) располагались примерно вдоль хвоста магнитосферы. Их проекции в Т0 = 06:04:00 UT, полученные с использованием модели магнитного поля Т96, нанесены на мозаику (рис. 1а). В это время GSM координаты спутников в магнитосфере были следующими: P1 (-19.33, +4.91, -1.65) RE, P2 (-15.72, +4.85, -2.33) RE, P3 (-10.94, +3.95, -1.88) RE, P4 (-10.53, +4.79, -1.85)RE.

Мы исследовали измерения полей и плазмы на спутниках Р1-Р4 в интересующий нас промежуток времени (05:20-06:20 UT) и обнаружили, что датчики регистрируют низкочастотные плазменные колебания (с периодом ~1-2 мин), в которых выделяются волновые пакеты большей амплитуды. Они отчетливо видны на рис. 2 в измерениях магнитного и плазменного давлений (показанных, соответственно, серой и черной линиями), отфильтрованных в диапазоне периодов 12-120 с. Вариации давлений 8Рмагн и 8Рплазм оказываются в противофазе. Кроме того, из рис. 3в и 3ж следует, что производная -dBx/dt (показана серыми линиями) варьирует в фазе с ^-компонентой скорости плазмы (черные линии), указывая на вертикальные движения, то есть flapping плазменного

05.03.2008 г.

05:57:06

05:57:24

05:57:57

06:00:00

06:01:12

в

г

06:01:24 06:03:24 06:04:00 06:05:48 06:06:48

Рис. 1. Авроральные данные для события 5 марта 2008 г.; а — фрагмент мозаики, построенной по данным наземной поддержки спутников проекта THEMIS; положения проекций спутников Р1—Р4 отмечены разными символами (круг, треугольник, квадрат, ромб, соответственно); б и в — стандартная и фильтрованная кеограммы станции GILL; г — фильтрованные all-sky изображения сияний, полученные на станции GILL.

05.03.2008 г.

Р1

Р2

а

И

я

в"

г

се Рч

СО

св

с

в

в' г

се

Р3

Рч

СО

св

С

в

в~ г

се Рч

СО

0.0008

0.0008

-0.0016 05:20

0.0008

-0.0008 -

05:20

05:30

05:40

05:50

06:00

0.0016

0.0016

-0.0032

05:20

св

с

в

Р4 в

г

Рч

СО

0.0016 -

-0.0016 -

0.0032

05:20

05:30

05:40

05:50

06:00

8P магн

V vv

II I

I

8P плазм'

_i_I_

05:30

05:40

05:50

06:00

05:30

05:40

05:50

06:00

06:10

0.016 0

- -0.016

06:20UT 0.048 0.032 0.016 0

а Па

н

а Па

н

а л п

06:10

0.016 P

со

-0.032 06:20UT

0.096 0.064 0.032 0

-0.032

06:10

0.064 06

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.

Показать целиком