УДК 550.385.36
НАБЛЮДЕНИЯ ВОДОРОДНОЙ ЭМИССИИ Ha НА О-ВЕ ШПИЦБЕРГЕН ВО ВРЕМЯ ПРОТОННОГО СОБЫТИЯ
22 ЯНВАРЯ 2012 г. © 2014 г. А. В. Ролдугин, С. В. Пильгаев, В. К. Ролдугин
Полярный геофизический институт КНЦРАН, г. Апатиты (Мурманская обл.)
e-mail: rold_val@pgia.ru Поступила в редакцию 08.11.2013 г. После доработки 21.05.2014 г.
Исследовано поведение водородной эмиссии Ha в обс. Баренцбург во время вторжения высокоэнергичных солнечных протонов и внезапного импульса (SI) 22 января 2012 г. Интенсивность эмиссии определялась спектрометром, дающим изображение спектра дуги меридиана. Показано, что начало свечения эмиссии Ha совпадает с SI и вызвано вторжением протонов солнечного ветра через касп.
DOI: 10.7868/s0016794014060169
1. ВВЕДЕНИЕ
Полярные сияния, в большинстве случаев, соотносятся с понятиями овала полярных сияний и суббурями. Однако можно указать на некоторые виды свечений в ионосфере в высоких широтах, не связанные с этими понятиями. Кроме сияний полярной шапки, это свечение в высоких широтах в момент внезапного начала (SC) или внезапного импульса (SI), отмеченное в работах Воробьёва [1974] и Ролдугина [1974], и свечение, связанное со странствующими вихрями (TCV). Можно также ожидать свечение во время вторжения высокоэнергичных солнечных протонов, вызывающих поглощение радиоволн в полярной шапке (ППШ). Не связано ни с овалом сияний, ни с суббурями проникновение частиц солнечного ветра в ионосферу через касп или низкоширотный пограничный слой на флангах магнитосферы (LLBL).
Newell and Meng [1994] по данным спутника DMSP с почти круговой орбитой на высоте ~835 км и наклонением 98.7°, так что спутник пролетает над приполюсной ионосферой, обнаружили частое возрастание потоков электронов и ионов с энергиями от 32 эВ до 30 кэВ при пересечении силовых линий каспа и LLBL. Было найдено, что размер области каспа зависит от давления солнечного ветра: при росте давления касп и LLBL увеличиваются. Измеряемые на ИСЗ DMSP энергии соответствуют энергиям авроральных частиц, и Frey et al. [2002] по наблюдениям на спутнике IMAGE водородной эмиссии La обнаружили, что иногда на дневной стороне в области по-лярнее овала сияний она усиливается. Авторы интерпретировали это явление как свидетельство протонных высыпаний в касп при пересоедине-
нии силовых линий. По этим же самым данным IMAGE в работе Fuselier et al. [2002] исследовалось положение протонных сияний в области каспа в зависимости от направления и величины Bz-компоненты межпланетного магнитного поля, и было найдено, что при северном направлении (Bz > 0) водородная эмиссия наблюдается к полюсу от дневной стороны овала сияний, а при южном (Bz < 0) пятно протонных сияний сливается с овалом вблизи полудня.
Наземное наблюдение водородной эмиссии Hß при проникновении протонов через касп впервые было представлено в работе [Robertson etal., 2006] по данным сканирующего фотометра на о-ве Шпицберген в обс. Longyearbyen. Описанный случай характеризовался Bz > 0 и высоким давлением в солнечном ветре. Это проникновение связывается авторами с пересоединением By-компо-ненты.
Настоящая работа посвящена исследованию водородной эмиссии в области каспа на Шпицбергене, не связанной с суббурями.
2. ДАННЫЕ
Мощная вспышка на Солнце класса X 23 января 2012 г. породила интенсивные потоки протонов вблизи Земли. По измерениям на ИСЗ GOES-13 потоки с энергией >100 МэВ достигали до 2 прот/см2 с стер. Магнитное поле скоростных потоков вызвало Форбуш-эффект, апатитский нейтронный монитор показал 24 января заметное, более 5%, понижение счета космических лучей. Результаты измерений солнечных протонов на GOES-13 с 19 по 25 января даны на рис. 1. Эту
105 104
о
S 102
о
в
о ,
g 101 р
С
100 10-1
19 20 21 22 23 24 25 Дни января 2012 г.
26
Рис. 1. Вариации потоков солнечных протонов разных энергий за 19—25 января 2012 г. по данным спутника ООБ8-13.
вспышку предваряло, как видно из рисунка, появление энергичных протонов >10 МэВ на ООБ8-13 ранее, еще 20 января, с потоками на три порядка ниже, чем 23 января. 22 января в 06:12 иТ имел место и внезапный импульс 81 с положительным знаком поля на экваториальных и среднеширотных станциях. Таким образом, этот импульс случился на фоне несколько повышенного уровня космических лучей.
Во время этих событий в обс. Баренцбург (ПГИ) на о-ве Шпицберген (ф = 78°06' N X =
= 14° 12' E, Ф = 75.4°, Л = 110.1°) работал спектрометр для исследования полярных сияний.
Используемый прибор является изображающим спектрометром. Оптическая система — классическая щелевая с дифракционной решеткой в качестве диспергирующего элемента, а фотоприемником служит камера ATIK с ПЗС матрицей 1440 х 1100 пикселей и USB интерфейсом. Поле зрения вдоль меридиональной оси (вдоль щели) составляет 180 град; вдоль саггитальной оси (поперек щели) — 0.2 град; угловое разрешение вдоль меридиональной оси — 1 град; спектральный диапазон 420—780 нм; спектральное разрешение 0.75 нм; скорость следования данных — 1 кадр/мин; порог чувствительности для эмиссии 557.7 нм ~25 рэлей; разрядность АЦП — 16 бит. Прибор синхронизован с мировым временем посредством системы GPS. Обеспечен удаленный доступ к прибору через сеть Internet. Спектрометр работал синхронно с фотографической камерой всего неба.
Пример полученного прибором изображения спектра за 08:43 UT 22 января 2012 г. приведен на рис. 2. На спектре отмечены основные авроральные эмиссии 427.8, 557.7, 630.0/636.4 нм, Ha 656.2 нм, и Нв 486.1 нм. Присутствуют эмиссии натрия и ртути паразитной антропогенной подсветки, а также фраунгоферовы линии поглощения в рассеянном солнечном свете.
С момента SIв 06:12 UT (~09:00 MLT, местного магнитного времени) 22 января меридиональный спектрометр в Баренцбурге отметил появление водородных эмиссий. В этот день до 14:00 UT на небе была сплошная облачность, поэтому нет данных о наличии и формах сияний вблизи обсерватории. Для всех спектров, экспозиция их равна 1 мин, были определены интенсивности в линии Ha 656.2 нм и в фоне рядом, и их разность
7 2 4
не
47
7 5 5
06 33 55
N
На v
S
Рис. 2. Спектр за 08:43 UT 22 января 2012 г.
д
е л.
с у
£
ть
с о н в и с н
тен
н И
10 8 6 4 2
0 10 8 6 4 2
3 6 9 12 15 18 21
б
1 4
- 3
^ 1
24
т 4000 ч
12 15 UT
18 21
24
В
э
л
р, тер
с с
■1
с
Я
3000
о р
П
2000
1000
1.5 х 106
В
э
к 6
& 1.0 х 106 те
с
5.0 х 105
Ьц
! 1 " i II ■ 22.01.2012 г.
h < « ---0.25-1.1 кэВ, х0.01 1.3 7 кэВ
......... 8-30 кэВ, х10
1 V XI kJ
j ... . i. Г i I ** , , • ""т""--
а
2
0
0
6
0
3
9
в
0 3 6 9 12 15 18 21 24
UT + 42 мин
Рис. 3. а — вариации интенсивности водородной эмиссии (сплошная линия) и потока протонов E > 10 МэВ по данным GOES (пунктир) за 22 января 2012 г.; б — то же для 23 января; в — потоки протонов солнечного ветра в трех энергетических каналах по измерениям на спутнике WIND 22 января.
в качестве интенсивности На в условных единицах представлена на рис. 3а и б сплошными линиями для 22 и 23 января. Там же точками представлены вариации потока протонов на ИСЗ ООБ8-15 с энергией >10 МэВ.
Видно, что 22 января изменения интенсивности На до 12:00 иТ повторяют изменения потока солнечных энергичных протонов; после 17:00 водородная эмиссия не наблюдается, а поток протонов увеличивается. Водородная эмиссия не наблюдается и 23 января, хотя поток протонов воз-
рос по сравнению с предыдущим днем в 1000 раз. Наблюдаемое небольшое повышение интенсивности в 09:00—14:00 иТ объясняется рассеянием солнечного континуума в верхней атмосфере в местный полдень.
Можно сделать очевидный вывод, что не высокоэнергичные протоны являются причиной появления водородной эмиссии 22 января, несмотря на хорошее соответствие обеих вариаций после Б1.
Кроме высокоэнергичных протонов от солнечной вспышки, в момент 81 к магнитосфере
д
о ч
о =К
и
о о
и
m
IS
о о
н в и
о
н
в
н И
14 12 10 8 h 6 4 2
1000
800
н600
0 3 6
400
200
12
10
12
200
150
н
100
7 5 5
50
6
UT
10
12
Рис. 4. Вариации интенсивности эмиссий На, 630.0 и 557.7 нм 22 января 2012 г.
0
0
2
4
6
8
0
2
4
8
пришли протоны солнечного ветра с энергиями ~1 кэВ и низкоэнергичный хвост протонов СКЛ с энергией в десятки кэВ. Они представлены на рис. 3в по данным спутника WIND. Жирной линией показаны вариации потока протонов с энергией 1.3—7 кэВ, тонкой — 0.25—1.1 кэВ (поток на графике уменьшен в 100 раз), и пунктирной линией — протоны 8—30 кэВ (поток увеличен в 10 раз). Протоны всех эти энергий способны вызвать свечение водородной эмиссии. Вариации Ha визуально более близки изменениям 10-Мэв-ных протонов СКЛ, чем низкоэнергичных; однако надо иметь в виду, что 1) измерения последних проводились на расстоянии более 200 земных радиусов, и за 42 минуты полета до Земли они могли измениться, учитывая разброс по скоростям, и 2) вариации потоков разных энергий на рис. 3в раз-
личны, и результирующая скорость фотонообра-зования будет отличаться от них.
По тем же спектрам были построены вариации эмиссий атомарного кислорода 630.0 и 557.7 нм, таким же способом, как и для водородной эмиссии. Для интервала 00:00—12:00 иТ все три эмиссии представлены на рис. 4. Хорошо видно увеличение обеих кислородных эмиссий в момент 8/, а также около 08:00 иТ, как и водородной. Хотя данные не имеют абсолютной калибровки, можно сделать некоторые заключения о соотношении интенсивностей в свечении. Квантовые выходы ПЗС-матрицы в красной и зеленой областях примерно равны, поэтому лишь в течение нескольких минут после Б/ свечение могло бы иметь зеленый цвет, но в дальнейшем красный цвет превалировал и свечение неба над Баренцбургом должно выгля-
деть красным; до SI эмиссия 630.0 отсутствовала. Облачность и условия солнечной освещенности не позволили получить данные камер всего неба в нашем долготном интервале и в зоне сияний.
Представляет интерес рассмотреть картину магнитных возмущений на станциях вблизи Ба-ренцбурга. На рисунке 5 приведены магнитограммы за 22 января обсерваторий Thule (THU), Ny Alesund (NAL), Longyearbyen (LYB), Hopen (HOP), Bjornaya (BJN), Nordkapp (NOR), Tromso (TRO) и A
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.