ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2012, том 52, № 5, с. 660-665
УДК 550.338.1
СОПОСТАВЛЕНИЕ ШИРОТНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ Рс1 И ПОЛОЖЕНИЯ СУБАВРОРАЛЬНЫХ ПЯТЕН ПРОТОННОГО СИЯНИЯ
© 2012 г. Т. А. Яхнина, А. Г. Яхнин
ФГБУнауки Полярный геофизический институт КНЦРАН, г. Апатиты (Мурманская обл.)
e-mail: yahnin@pgia.ru Поступила в редакцию 01.02.2011 г.
После доработки 06.04.2011 г.
Широтное положение субавроральных пятен протонного сияния (особого типа протонных сияний, наблюдавшихся со спутника IMAGE) сопоставлено с распределением интенсивности пульсаций Рс 1, определенным по данным меридиональной сети индукционных магнитометров, расположенных в Финляндии. Показано, что максимум интенсивности Рс1 всегда наблюдается на той станции, которая находится ближе к проекции пятна протонного сияния. В событии, когда наблюдалось одновременно два пятна протонного сияния на разных широтах, регистрировались две полосы Рс 1. При этом максимум в распределении интенсивности Рс1 на более низких частотах был связан с пятном протонного сияния на большей широте, и наоборот. Такая пространственная корреляция пульсаций Рс1 и пятен протонного свечения вместе с ранее установленной временной корреляцией этих явлений доказывают, что субавроральные пятна протонного сияния являются отображением на уровне ионосферы области циклотронной неустойчивости ионов в экваториальной магнитосфере.
1. ВВЕДЕНИЕ
Электромагнитные ионно-циклотронные (ЭМИЦ) волны в диапазоне от десятых долей до нескольких герц генерируются в экваториальной плоскости магнитосферы в результате развития циклотронной неустойчивости ионов (протонов) кольцевого тока. Предполагается, что ЭМИЦ волны, распространяясь в магнитосфере вдоль магнитного поля в волноводе, образованном градиентом концентрации холодной плазмы (на плазмопаузе или в оторвавшихся от плазмо-сферы трубках с холодной плазмой), могут достичь ионосферы и вызвать возмущение, которое регистрируется наземными магнитометрами как геомагнитные пульсации Рс1 (например, обзор [Kangas et al., 1998]).
Ионно-циклотронное взаимодействие предполагает как генерацию ЭМИЦ волн, так и рассеяние протонов кольцевого тока по питч-углам (например, [Cornwall et al., 1970]), которое приводит к заполнению конуса потерь [Erlandson and Ukhorsky, 2001; Yahnin et al., 2002; Yahnin and Yah-nina, 2007] и, соответственно, высыпанию протонов. В работах [Yahnina et al., 2000; Yahnina et al., 2003; Яхнина и др., 2002] по данным низкоорбитальных спутников к экватору от границы изотропии потоков энергичных (Е > 30 кэВ) протонов были обнаружены локализованные высыпания энергичных протонов, которые оказались статистически связаны с генерацией геомагнитных пульсаций Рс1. Широтный размер таких вы-
сыпаний составляет около одного градуса, что согласуется с широтной локализацией пакетов ЭМИЦ волн при наблюдениях на низкоорбитальных спутниках [Iijima and Hayashi, 1989; Enge-bretson et al., 2008]. Наилучшая корреляция наблюдалась, когда локализованные высыпания протонов наблюдались вблизи (в пределах двух часов MLT) меридиана наземной станции, на которой регистрировались Рс1. Это позволило предположить, что локализованные высыпания энергичных протонов являются ионосферной проекцией области развития ионно-циклотрон-ной неустойчивости в экваториальной магнитосфере [Yahnin and Yahnina, 2007].
Высыпания энергичных протонов могут вызвать достаточно интенсивные протонные сияния — излучение возбужденных атомов водорода, образовавшихся в результате обмена зарядом между высыпающимися протонами и атмосферными молекулами. В последние годы такие сияния интенсивно изучались по данным высоко-апогейного спутника IMAGE. Одним из типов протонных сияний, вызываемых локализованными протонными высыпаниями, являются пятна (области с размерами менее 300 км в диаметре) протонного свечения в субавроральной области [Frey et al., 2004], морфология которых сходна с морфологией Рс1. В работах [Yahnin et al., 2007; Яхнин и др., 2008] на нескольких примерах показано, что в тех случаях, когда проекция пятна протонного сияния находилась вблизи меридиа-
Координаты станций сети индукционных магнитометров в Финляндии
Название станции Аббревиатура Географические координаты (град) Исправленные геомагнитные координаты (град)
Широта Долгота Широта Долгота
Kilpisjarvi KIL 69.02 N 20.86 E 65.9 104.2
Ivalo IVA 68.55 N 27.28 E 65.1 108.9
Sodankyla SOD 67.42 N 26.39 E 64.0 107.4
Rovaniemi ROV 66.78 N 25.94 E 63.6 106.6
Oulu OUL 65.08 N 25.90 E 61.7 105.6
Nurmijarvi NUR 60.51 N 24.65 E 56.9 102.4
на станции, регистрирующей Рс1, наблюдалось хорошее соответствие моментов появления (исчезновения) пятна и начала (конца) регистрации Рс 1. С увеличением долготного расстояния между проекцией пятна протонного сияния и наземной станцией это соответствие пропадало. Был сделан вывод о том, что пятно протонного сияния является двумерным отображением области циклотронного взаимодействия на ионосферном "экране". Заметим, однако, что в цитируемых выше работах рассматривались лишь временные корреляции Рс1 и протонных сияний и, отчасти, их зависимость от расстояния по долготе, поскольку для регистрации геомагнитных пульсаций использовалась лишь одна наземная станция (Ловозеро или Соданкюля). Проводить детальные пространственные сопоставления можно лишь с использованием сети разнесенных магнитометров.
Область падения на ионосферу локализованного пакета ЭМИЦ волн является областью источника волнового возмущения, которое распространяется в ионосферном МГД волноводе и регистрируется наземными магнитометрами как геомагнитные пульсации Рс1. Распространяющийся в ионосферном волноводе сигнал испытывает затухание, поэтому в области ионосферного источника должен наблюдаться максимум амплитуды Рс1. Таким образом, наземные наблюдения на сети станций позволяют локализовать источник пульсаций Рс1. Действительно, как показано в работах [Виноградова и Харченко, 1974; Вагашку й а1., 1981, Иауа8Ы й а1., 1981] амплитудное распределение Рс1 на земной поверхности неоднородно и наблюдается выраженный максимум амплитуды в субавроральных широтах.
Сопоставление максимума интенсивности Рс1 с положением пятна протонного свечения позволило бы проверить, действительно ли локализованные высыпания энергичных протонов и пятна протонных сияний являются индикатором области ионно-циклотронного взаимодействия. Для такого сопоставления желательно иметь плотную двумерную сеть станций, регистрирующих Рс1. К
сожалению, такой сети в период работы спутника IMAGE не было. Поэтому, в данной работе мы сопоставим наблюдения протонных сияний со спутника IMAGE с данными меридиональной сети индукционных магнитометров в Финляндии. Мы рассмотрим те же события, что и в работе [Yahnin et al., 2007] за исключением одного, для которого цифровые данные регистрации геомагнитных пульсаций оказались утраченными. Во время этих наблюдений проекции пятен протонного свечения находились не более чем в двух часах MLT от сети наземных станций.
2. ДАННЫЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ
В таблице приведены координаты станций финской сети индукционных магнитометров. Станции сети расположены на геомагнитных широтах 56.9—65.9° и MLT = UT + 2. Магнитометры имеют одинаковый линейный отклик 1.4 В/(нТл Гц) на частотах выше 0.05 Гц с уровнем шума около 1 пТл/Гц1/2 на частоте 1 Гц. Частота сбора данных — 40 Гц. Магнитометры идентичны и взаимно калиброваны, поэтому их можно использовать для сопоставления интенсивности пульсаций вдоль меридиана.
Данные о протонных сияниях получены с помощью детектора SI12 прибора FUV на спутнике IMAGE [Mende et al., 2000]. Этот детектор измеряет линию 121.82 нм, которая соответствует смещенной из-за эффекта Доплера линии Лайман Н-альфа излучения возбужденных атомов водорода, образующихся в процессе перезарядки высыпающихся протонов при соударении с атмосферными молекулами.
В работе [Yahnin et al., 2007] для рассматриваемых событий приведены спектрограммы геомагнитных пульсаций по данным обсерватории Полярного геофизического института Ловозеро, находящейся вблизи финской сети магнитометров. На этих динамических спектрах в каждом событии видны пульсации Рс 1.
662
ЯХНИНА, ЯХНИН
50
28.02.2001 г.
S 50
В
о £
8 0
я
<ч
S
о
Я
В
К 50
50
10.02.2005 г.
21.11.2004 г.
17.09.2005 г.
100
50
50
50
50
0
1.0 1.5 Частота, Гц
2.5 55
60 65
Широта, град.
70
Рис. 1. Слева: спектры геомагнитных пульсаций для событий 28 февраля 2001 г. (а), 10 февраля 2005 г. (б), 21 ноября 2004 г. (в), 17 сентября 2005 г. (г). Справа: распределение интенсивности сигнала на частоте максимума вдоль меридиана для тех же событий. Широтное положение пятен протонного сияния показано горизонтальными отрезками.
а
0
0
б
0
в
0
0
г
0
По данным станций финской сети были построены спектры мощности геомагнитных пульсаций в Н и D компонентах за выбранные интервалы времени. Для характеристики интенсивности сигнала была рассчитана величина P = РН + PD, т.е. сумма спектральной плотности мощности Н и D компонент, соответственно. Для каждой станции были определены значения интенсивности на частоте спектрального максимума. Эти значения были использованы для построения широтных распределений интенсивности.
Спектры геомагнитных пульсаций приведены на рис. 1 (слева) для: 07:00—07:10 UT 28 февраля 2001 г. (а), 15:30-15:40 UT 10 февраля 2005 г. (б), 01:34-01:39 UT21 ноября 2004 г. (в) и 23:20-23:30 UT 17 сентября 2005 г. (г). (Отметим, что в событии 28 февраля 2001 г. на станциях OUL и NUR на-
блюдения не проводились). В каждом событии на всех станциях видны усиления интенсивности в диапазоне частот, соответствующем Рс1. На рис. 1 (справа) показаны соответствующие широтные распределения интенсивности сигнала. В событии 28 февраля 2001 г. максимальная интенсивность Рс1 наблюдалась на станции KIL, в событии 10 февраля 2005 г. — на станции OUL, а в событиях 21 ноября 2004 г. и 17 сентября 2005 г. — на станции NUR. Во всех этих случаях спутник IMAGE регистрировал пятно протонного сияния (примеры глобальных изображений протонных сияний для этих событий опубликова
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.