КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2008, том 46, № 4, с. 344-347
УДК 539.1
ИДЕНТИФИКАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ГЕОМАГНИТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ Pel НА ОСНОВЕ НАБЛЮДЕНИЙ ПРОТОННЫХ СИЯНИЙ
© 2008 г. А. Г. Яхнин1, Т. А. Яхнина1, X. У. Фрей2
1Полярный геофизический институт Кольского научного центра РАН, г. Апатиты 2Лаборатория космических исследований, Калифорнийский университет, Беркли, Калифорния, США
Поступила в редакцию 26.09.2007 г.
По данным наблюдений протонных сияний со спутника IMAGE, наблюдений потоков частиц на низкоорбитальных спутниках NOAA и наблюдений геомагнитных пульсаций в обс. Ловозеро исследована взаимосвязь протонных сияний с геомагнитными пульсациями Рс1, которые являются индикатором развития ионно-циклотронной неустойчивости в экваториальной магнитосфере. Сделан вывод, что субавроральные пятна протонного свечения, проектирующиеся в магнитосферу в окрестность плаз-мопаузы, являются двумерным изображением на ионосферном "экране" области интенсивного рассеяния энергичных протонов в конус потерь при развитии ионно-циклотронной неустойчивости.
PACS: 94.30.Ms
ВВЕДЕНИЕ
Наблюдения протонных сияний прибором FUV (Far UltraViolet imager) с высоко-апогейного спутника IMAGE [1] позволили обнаружить и исследовать несколько новых типов сияний, в частности, субавроральные протонные пятна (СПП) [2]. СПП проектируются в экваториальную плоскость магнитосферы в окрестность плазмопаузы, где имеют размеры порядка 0.5-1.0 RE. Пятна движутся в восточном направлении вдоль постоянной широты со скоростью близкой к скорости коротации, что также указывает на их взаимосвязь с плазмосфе-рой. Авторы работы [2] предположили, что пятна связаны с высыпанием протонов, обусловленных развитием в экваториальной плоскости электромагнитной ионно-циклотронной (ЭМИЦ) неустойчивости.
Результатом развития ЭМИЦ неустойчивости являются рассеяние протонов кольцевого тока в конус потерь и генерация ЭМИЦ волн на частотах ниже гирочастоты протонов (например, [3]). Поперечные левополяризованные волны на частотах от десятых долей до нескольких герц могут, при определенных условиях, распространяться вдоль силовых линий магнитного поля до ионосферы [4]. От основания силовой линии источника колебания на этих частотах могут распространяться поперек магнитного поля в ионосферном волноводе (например, [5]). На земной поверхности эти волны регистрируются как квазимонохроматические геомагнитные пульсации Рс1.
В работах [6-8] была выявлена тесная взаимосвязь геомагнитных пульсаций Рс1 с локализованными по широте (~1°) высыпаниями протонов с энергией E > 30 кэВ, регистрируемых на низко-
орбитальных спутниках NOAA POES. Эта взаимосвязь подтверждается как сходством морфологии Рс1/ЭМИЦ волн и локализованных высыпаний энергичных протонов (ЛВЭП) [7, 8], так и прямыми сопоставлениями наблюдений Рс1 на земной поверхности и протонов на низкоорбитальном спутнике с одновременными наблюдениями ЭМИЦ волн и питч-углового рассеяния энергичных протонов в конус потерь вблизи экваториальной плоскости [9]. Поэтому наблюдения ЛВЭП могут быть использованы в качестве индикатора силовой трубки, где происходит ионно-циклотронное взаимодействие.
Измерения на спутниках с полярной орбитой (таких как NOAA) позволяют уверенно говорить лишь о широтной локализации протонных высыпаний, связанных с Рс1. Вопрос о долготной локализации этих высыпаний, а значит, и о долготной локализации области интенсивного рассеяния протонов циклотронными волнами в магнитосфере, остается открытым.
Субавроральные протонные пятна наблюдаются к экватору от протонного овала, на восстановительной фазе геомагнитных бурь, в основном, в утреннем и дневном секторах [2]. Сходство морфологических особенностей у СПП, ЛВЭП и Рс1 позволяет предположить взаимосвязь всех этих явлений. Чтобы проверить это предположение, в данной работе мы сопоставим одновременные наблюдения пятен протонных сияний, локализованных протонных высыпаний и наземные наблюдения пульсаций Рс1. Для этого будут использованы данные спутников IMAGE, NOAA и наблюдения геомагнитных пульсаций в обсерватории Полярного геофизического института Ловозеро.
05.37.24 06.46.56 07.01.15
Рис. 1. Изображения протонных сияний по данным спутника IMAGE для трех моментов времени 28.II.2001. Субавро-ральное протонное пятно отмечено стрелкой около 09 MLT на широте 65°-67°. Положение обс. Ловозеро отмечено звездочкой.
ДАННЫЕ
Наблюдения протонных сияний на высоко-апо-гейном (~9 RE) спутнике IMAGE обеспечивались детектором SI12 прибора FUV [1], который получал глобальные изображения свечения в водородной эмиссии Лайман-а (121.8 нм) каждые 2 минуты. Геомагнитные пульсации в диапазоне 0.05-5 Гц в обс. Ловозеро (67.97° N, 35.02° E; MLT = UT + 3) регистрировались с помощью индукционного магнитометра. Частота сбора данных - 40 Гц. Также использовались измерения высыпающихся и квази-захваченных (с питч-углами, соответственно, 0° и 90°) протонов с энергией E > 30 кэВ на низкоорбитальных (800 км) спутниках NOAA POES [10].
РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ
В работе [2] было описано 7 событий субавро-ральных пятен протонного свечения, наблюдавшихся в северном полушарии в 2000-2002 гг. При сопоставлении с данными магнитных измерений в обс. Ловозеро, выяснилось, что в трех событиях (27.VIII.2000, 28.VII.2001, 03.VIII.2002) наблюдения СПП не сопровождались пульсациями. В этих случаях наземная станция находилась, соответственно, на долготном удалении 7, 11 и 11 часов MLT от области наблюдения пятна. В трех других случаях (20.IX.2000, 26.XI.2001, 6.IX.2002), когда наземная станция находилась, соответственно, на удалении 3.8, 6 и 6 часов MLT от пятна, на ней регистрировались пульсации Рс1, но эти пульсации имели малую амплитуду, а время начала и конца регистрации пульсаций не совпадало (более чем на час) со временем наблюдения протонного пятна. В одном событии (28.II.2001) протонное пятно и наземная станция располагались на удалении менее 1 часа MLT (рис. 1). В этом событии появление (исчезновение) протонного пятна хорошо коррелирует с началом (окончанием) регистрации Рс1. Пер-
вые признаки СПП появились в 04.11-04.13 UT на MLT = 7.2. Пятно наблюдалось в утреннем секторе на широтах 65-67°, его интенсивность была лишь ненамного выше предела чувствительности прибора FUV (100 Рл). Затем пятно исчезло и вновь появилось в 04.46 UT. Оно смещалось в восточном направлении со средней скоростью несколько меньшей скорости коротации (V/Vc = 0.7). После 07.28 UT на MLT = 9.5 протонное пятно исчезло.
На рис. 2 показана спектрограмма геомагнитных пульсаций, наблюдавшихся в обс. Ловозеро 28.II.2001. Ясно видны пульсации Рс1, частота которых составляла около 0.3-0.4 Гц. Пульсации небольшой интенсивности наблюдались с 04.10 UT; они резко усилились в 04.42 UT и прекратились около 07.38 UT. В этом событии моменты резкого усиления и окончания регистрации пульсаций Рс1 на наземной станции совпали с моментами появления и исчезновения пятна с точностью до нескольких минут.
В тех случаях, когда над СПП пролетали спутники серии NOAA POES, наблюдения были сопоставлены с измерениями потоков частиц. Пример такого сопоставления для одного из рассматриваемых событий (26.XI.2001) подробно представлен в работе [9]. Спутник NOAA-15 пересекая область, сопряженную с ярким протонным пятном, в секторе 06 MLT на широте около 55° геомагнитной широты, зарегистрировал мощный (4.2 ■ 106 (см2 ср с)-1) изолированный всплеск высыпаний энергичных (E > > 30 кэВ) протонов (с широтным размером ~1°). Локализованный всплеск энергичных протонов оказался одним из самых интенсивных среди событий ЛВЭП, которые связаны с пульсациями Рс1 [8].
В событии 28.II.2001 в 06.44 UT спутник NOAA-15 также пересек область СПП и зарегистрировал ЛВЭП, широтный размер которого составлял около 0.5°. При этом интенсивность всплеска высыпающихся протонов была доволь-
346
ЯХНИН и др.
я
1-ч
ей Н
о н о се
1-
9
UT, ч
Рис. 2. Спектрограмма флуктуации геомагнитного поля в обе. Ловозеро в диапазоне 0.05-2 Гц в интервале 03-09 иТ 28.11.2001. Горизонтальная линия показывает интервал наблюдения еубаврорального протонного пятна.
0
3
5
8
но низкая (1.1 ■ 103 (см2 ср с)1), что вызвано уменьшением яркости и размеров СПП как раз в момент пролета спутника.
Дополнительный просмотр изображений протонных сияний со спутника IMAGE за 2003-2005 гг. позволил отобрать 5 событий, в которых проекция СПП в северную полусферу находилась на удалении не более 2 часов MLT от обс. Ловозеро (эти события подробно рассмотрены в работе [11]). Пятна наблюдались в южном полушарии (это связано с эволюцией орбиты спутника и перемещением апогея спутника в южное полушарие). Во всех пяти случаях в обс. Ловозеро наблюдались пульсации Рс1, причем, как и в событии 28.II.2001, интервал наблюдения СПП в каждом случае совпадал (с точностью до нескольких минут) с интервалом наблюдения пульсаций.
ОБСУЖДЕНИЕ
Хорошее соответствие времени жизни протонного пятна и времени наблюдения Рс1 в тех случаях, когда наземная станция сопряжена с проекцией пятна, явно указывает на их общий источник, каким может быть процесс циклотронной неустойчивости протонов кольцевого тока в магнитосфере при их контакте с неоднородностями холодной плазмы. Такой неоднородностью в рассмотренных случаях является, по-видимому, азимутальная неоднородность внешней плазмосферы, проявляющаяся в волнообразной структуре плазмопаузы [2], либо отделившееся от плазмосферы "облако" холодной плазмы.
Несоответствие времени наблюдения СПП и времени регистрации Рс1 (и даже полное отсутствие этих пульсаций) для событий, когда наземная станция расположена на удалении более 3 часов MLT от СПП, согласуется с представлениями о быстром затухании Рс1 при распространении в ионосферном волноводе в долготном направлении. В частности, к подобному выводу пришли авторы работы [12], в которой наблюдения ЭМИЦ
волн на спутнике Polar сопоставлялись с наземными наблюдениями Рс1. В этой работе максимальное долготное удаление, на котором сходные по частоте ЭМИЦ волны одновременно наблюдаются и на земной поверхности и на спутнике, оценено как 1-1.5 часа MLT.
Широтная локал
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.