научная статья по теме ИДЕНТИФИКАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ГЕОМАГНИТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ РС1 НА ОСНОВЕ НАБЛЮДЕНИЙ ПРОТОННЫХ СИЯНИЙ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ИДЕНТИФИКАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ ГЕОМАГНИТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ РС1 НА ОСНОВЕ НАБЛЮДЕНИЙ ПРОТОННЫХ СИЯНИЙ»

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.

Показать целиком