КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, том 52, № 4, с. 277-285
УДК 550.383
СВЯЗЬ ДИСКРЕТНЫХ АВРОРАЛЬНЫХ СТРУКТУР, ДРЕЙФУЮЩИХ К ЭКВАТОРУ ВО ВРЕМЯ ВЗРЫВНОЙ ФАЗЫ СУББУРИ, С ИНЖЕКЦИЯМИ ЭНЕРГИЧНЫХ ЧАСТИЦ НА ГЕОСТАЦИОНАРНОЙ ОРБИТЕ © 2014 г. Н. П. Дмитриева1, М. М. Белошкурская1, Т. А. Корнилова2, И. А. Корнилов2
1Санкт-Петербургский государственный университет 2Полярный геофизический институт, КНЦРАН, г. Апатиты ndpshka@yandex.ru Поступила в редакцию 09.01.2013 г.
Одним из главных проявлений взрывной фазы магнитосферной суббури на уровне ионосферы является образование авроральной выпуклости с яркой динамичной дугой на ее полярной границе. При этом область дискретных сияний расширяется не только к полюсу, но и в экваториальном направлении. Движущиеся к экватору дискретные формы сияний образуют динамичную экваториальную границу авроральной выпуклости, смещающуюся вместе с ними. В работе проведено пространственно-временное сопоставление дрейфующих дискретных сияний с инжекциями энергичных частиц на геостационарной орбите. Показано, что большинству наблюдаемых камерами всего неба дрейфующих дискретных структур сияний соответствуют всплески в потоках энергичных частиц на геостационарных спутниках 1АЫЬ, расположенных в том же секторе МЕГ. В случаях, когда всплески в потоках частиц отсутствуют, минимальная широта, достигаемая структурами сияний при экваториальном дрейфе, оказывается выше ионосферной проекции геостационарной орбиты. Обсуждается возможная связь дрейфующих дискретных сияний со струйными течениями плазмы в плазменном слое.
Б01: 10.7868/80023420614040049
1. ВВЕДЕНИЕ
Магнитосферная суббуря представляет собой сложный комплекс явлений, наблюдаемых в плазменном слое, во внутренней магнитосфере и в ионосфере. Наиболее ярким проявлением взрывной фазы суббури на уровне ионосферы является авроральный брейкап — уярчение и распад спокойной дуги, быстрый сдвиг ее к полюсу (в среднем до геомагнитных широт 68°—72°) [1] и образование авроральной выпуклости. На фазе экспансии область, охваченная активными сияниями, растет во всех направлениях: более динамично к полюсу, часто в виде новых локальных активизаций, более плавно в экваториальном направлении. Исследование поведения сияний во время суббури показывают, что полярная кромка авроральной выпуклости вероятнее всего проецируется в магнитосферу в окрестность очага взрыва (нейтральной линии) (см., например, [2]). Структура сияний к экватору от полярной кромки имеет сложный и нестационарный характер. Внутри авроральной выпуклости часто наблюдаются дискретные структуры сияний в виде дуг или пятен, имеющих меридиональную или зональную (широтную) ориентацию и быстро сме-
щающихся в экваториальном направлении. Для понимания источника этих форм сияний важно установить их связь с объектами, наблюдаемыми в плазменном слое ночной магнитосферы. Такими объектами могут предположительно быть нестационарные струйные течения плазмы, распространяющиеся к Земле из очага взрыва.
Изучению динамики дискретных структур в области авроральной выпуклости посвящена работа [3]. В этой работе, используя снимки с камер всего неба нескольких станции Канадского сектора, авторы исследовали образование и динамику развития авроральной выпуклости, а также динамику дискретных сияний внутри нее, во время взрывной фазы суббури. Было отмечено, что после брейкапа структуры систематически распространяются к экватору, а также на запад и на восток. Типичная схема ориентации и направления движения структур во время взрывной фазы суббури представлена на рис. 1а, взятом из работы [3]. Основная черта в динамике сияний, согласно этой схеме, — меридиональное движение авро-ральных структур и их разворот к западу (востоку) на западном (восточном) краю авроральной выпуклости. В работе [3] была высказана также ги-
278
ДМИТРИЕВА и др.
(а)
Ионосфера 70° 60°
00LT
(б) Полдень
Рис. 1
потеза о связи динамики сияний с движением плазмы в окрестности плазменной струи в плазменном слое (рис. 1б).
Однако для подтверждения этой гипотезы необходимо установить пространственно-временную связь между двумя явлениями, наблюдаемыми в пространственно разнесенных областях магнитосферы: движением к экватору дискретных структур сияний на уровне ионосферы и движением к Земле плазменных струй в плазменном слое.
Такое сопоставление было сделано в работе [4], где движение дискретных авроральных структур во время двух суббурь, наблюдаемых камерами всего неба обсерваторий Лопарская и Ловозе-ро, было сопоставлено с движением области ди-полизации в плазменном слое по данным наблюдений магнитного поля и плазмы спутниками THEMIS. Для определения широтного положения дрейфующих структур в каждый данный момент времени использовались кеограммы. Ключевым моментом при сопоставлении явлений в ионосфере и магнитосфере является точность проецирования положения объектов наблюдения вдоль силовых линий. При проецировании авроральных структур на экваториальную плоскость плазменного слоя в работе [4], кроме стандартных моделей магнитосферы, использовались подстраиваемые модели, более точно восстанавливающие конфигурацию магнитного по-
ля в локальной области. На основании анализа приведенного материала в работе было показано, что область активных дискретных сияний имеет отчетливую экваториальную границу, которая смещается к экватору со скоростью 30—50 км/мин во время взрывной фазы. Проекция этой границы в магнитосферу движется к Земле со скоростью порядка 100 км/с на расстоянии около 7 радиусов Земли. Ранее было показано [5, 6], что с такой скоростью движутся к Земле фронты диполиза-ции, связанные с инжекциями ускоренной во время взрыва плазмы. В одном из двух изученных в [4] событий действительно наблюдается пространственно-временное совпадение фронта ди-полизации, связанного с движением к Земле плазменной струи, с проекцией экваториальной границы авроральной выпуклости. Если это совпадение неслучайно и подтвердится при дальнейших исследованиях, то появляется возможность определения глубины проникновения струйных течений во внутреннюю магнитосферу по наблюдениям полярных сияний.
Большое внимание в последнее десятилетие уделялось исследованию авроральных стримеров — дискретных структур в полярных сияниях, которые наблюдаются внутри ночного аврорального овала спутниками POLAR и IMAGE (см., например, [7] и ссылки в ней, [8], [9]). Как правило, они наблюдаются в условиях расширенного овала и выглядят как вытянутые, чаще в направлении СЗ-ЮВ, дрейфующие от полярной кромки аврораль-ного овала к экватору светящиеся структуры. Появление стримеров характерно для периодов сильной магнитосферной конвекции и на фазе восстановления авроральной суббури.
При исследовании стримеров установлена пространственно-временная (и, по-видимому, причинно-следственная) связь между стримерами и инжекциями энергичных частиц во внутреннюю магнитосферу. Статистическое исследование этой взаимосвязи выполнено в работе [8], где получено, что в ~75% случаев наблюдения стримеров в двухчасовом интервале местного магнитного времени (MLT), центрированном на меридиан стримера, регистрируются бездисперсные инжекции на геостационарной орбите. Показано также, что по достижении экваториальной границы аврорального овала следы стримеров длительное время существуют в виде светящихся пятен, смещаясь азимутально вдоль границы.
С другой стороны, имеются данные, свидетельствующие о связи стримеров с нестационарными струйными течениями в плазменном слое магнитосферы. Тщательное исследование стримера, наблюдаемого спутником POLAR, а также камерой всего неба, выполнено в работе [10]. Было показано, что движение стримера совпадает с направлением конвекции в ионосфере (противо-
положно направлению эквивалентного тока, построенного по магнитным данным) таким образом, что при приближении к экваториальной границе стример разворачивается к западу в соответствии с вихрем конвекции вокруг вытекающего продольного тока. При этом продольный ток (и стример) привязан к вечернему краю плазменной струи в магнитосфере. Подобная картина наблюдается в динамике авроральных форм внутри выпуклости (рис. 1).
Одновременные наблюдения нестационарной плазменной струи в плазменном слое (тремя спутниками на расстояниях от 40 RE до 6.6 RE) и соответствующего ей стримера, а также инжек-ций энергичных частиц на геостационарной орбите (двумя спутниками LANL) в одном и том же секторе MLT проанализированы в работе [11]. Этот анализ установил причинно-следственную связь стримера и инжекций на геостационарной орбите с плазменной струей, движущейся из хвоста во внутреннюю магнитосферу.
Авроральные структуры, исследованные в [4], наблюдаются наземными оптическими средствами — телевизионными камерами всего неба. Они имеют меньшие размеры, чем стримеры, наблюдаемые со спутников, но, возможно, представляют собой объекты, аналогичные стримерам.
Учитывая тесную связь между стримерами и струйными течениями плазмы в плазменном слое, стримерами и инжекциями энергичных частиц во внутреннюю магнитосферу [8, 10, 11], в данной работе мы исследуем пространственно-временную связь между дрейфующими к экватору дискретными авроральными структурами и инжекциями на геостационарной орбите. Предполагается также проанализировать взаимное азимутальное положение авроральных структур, инжекций и токового клина суббури.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ОБРАБОТКИ НАБЛЮДЕНИЙ
По телевизионным данным станций Ловозеро (67.9° N, 35.02° E) и Туманный (69.07° N, 35.73° E) было отобрано 18 суббурь, в которых после брей-капа внутри авроральной выпуклости наблюдались такие дискретные структуры, имеющие на кеограммах вид наклонных полос (см. рис. 2). Список событий представлен в таблице. Дискретные структуры отбирались сначала по кеограм-мам, как наклонные полосы, затем контролировались по телевизионным снимкам. На телевизионных записях эти структуры чаще всего имеют вид зонально ориентированных (примерно вдоль авроральной зоны) дуг или их фрагментов. Для исследования поведения авроральных структур были использованы наблюдения полярных сияний с помощью телевизионных камер (ТВ) с вы-
Дата Станци
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.