УДК 550.383;550.385.37
ТОНКАЯ СТРУКТУРА ГЕОМАГНИТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ ТИПА Pi2
© 2011 г. А. В. Петленко1, Ю. А. Копытенко1, В. А. Мартинес2, В. А. Пилипенко2, В. С. Исмагилов1
Учреждение РАН С.-Петербургский филиал института земного магнетизма ионосферы и распространения
радиоволн им. Н.В. Пушкова, С.-Петербург. 2Учреждение РАН Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта, Москва е-mail: petlenko.58@mail.ru Поступила в редакцию 24.09.2009 г. После доработки 28.12.2010 г.
На основе анализа данных эксперимента "BEAR" и спутника Polar показано, что может иметь место практически одновременное действие нескольких ионосферных источников в области генерации геомагнитных пульсаций Pi2. Задачей работы является определение положений этих источников и их когерентности в узкой полосе частот (6—10) х 10-3 Гц. Методами градиентного анализа установлена когерентность (фазированность) колебаний локальных источников, что позволяет трактовать их вклады как проявления тонкой структуры поля Pi2 пульсаций.
1. ВВЕДЕНИЕ
Исследования особенностей распределения поля геомагнитных пульсаций в диапазоне периодов 1—500 с были и остаются одним из основных средств диагностики магнитосферы [Распопов и Троицкая, 1974; Гульельми и Троицкая, 1973]. Флуктуации поля измеряются с высокой точностью (порог чувствительности современных магнитометров составляет 10-3 нТл/Гц1/2).
Основную проблему представляет интерпретация наблюдаемых изменений поля. Главная трудность состоит в пространственно-временном разрешении особенностей поля флуктуаций, регистрируемых малым числом магнитовариационных станций, так как ни время включения, ни положение источника, или источников геомагнитных пульсаций, не известны. Другая сложность — неопределенность начальных и граничных условий, влияющих на распространение возмущений. Следует также выяснить, что в наблюдаемых изменениях естественного поля представляет собой полезный сигнал, а что следует рассматривать как аддитивную помеху. В свое время успешным ответом на этот вопрос стала монография [Пудовкин и др., 1976], в которой были сформулированы морфологические свойства различных типов геомагнитных пульсаций и их связь с физическими процессами в магнитосфере Земли. Традиционным для исследования этих процессов стал магнитогидродинами-ческий подход. Применительно к теории генерации магнитосферных пульсаций он характеризуется адиабатическим приближением, эффективным для описания квазиволновых пакетов (цугов) пульсаций.
Это приближение является серьезным ограничением при разрешении особенностей регистрируемого поля в течение одного периода пульсаций. В экспериментальном плане основу для такого разрешения составляют попытки идентификации ионосферных источников магнитных пульсаций и авро-ральных эмиссий [Зайцев и др., 1994; Zaitsev et al., 1992], хотя хорошо известно [Мальцев и др., 2000], что связь между этими явлениями наблюдается далеко не всегда. Часто причинами этого являются удаленность ионосферных источников магнитных пульсаций и существенная локализация областей их возбуждения.
По мнению Новикова Ю.П. — одного из авторов работ [Зайцев и др. 1994; Zaitsev et al., 1992] некоторые из ионосферных источников пульсаций могут возбуждаться одновременно, а их возмущения в узкой полосе частот фазированы, то есть когерентны, что затрудняет их локализацию удаленными станциями. Известным примером когерентного возбуждения пространственно-разнесенных источников является трехмерная токовая система Pi2 [Baumjohann and Glassmeier, 1984; Пашин и др., 1982]. Когерентность возбуждения ионосферных, преимущественно, холловских токов, поле которых в основном и фиксируется наземными станциями [Kivelson and Southwood, 1992], обусловлена альве-новским режимом колебаний магнитосферных продольных токов (FAC) Pi2, замкнутых на ионосферу. Размер ионосферных источников магнитных пульсаций зависит от периода их колебаний. Для пульсаций типа Pi2 по оценкам [Baumjohann, 1983] он составляет ~100 км. Однако по данным геомагнитных измерений наземных станций и результатам спутниковых наблюдений установлено, что область генерации Pi2 может достигать 30—40° по дол-
готе [Пудовкин и др., 1976; Takahashi et al., 1992], поэтому возникает вопрос о локализации источника или источников Pi2 в этой области.
Эволюция области генерации Pi2 исследовалась многими авторами. Некоторые из них [Samson and Harrold, 1985; Webster et al., 1989] пытались объяснить наблюдаемые особенности распределения фазовых скоростей и поляризации Pi2 движением их источников, ассоциированных с проекциями продольных токов Pi2 на ионосферу. Другие [VOronkov et al., 1999a; 1999b] полагают, что токовая система Pi2 неподвижна, а генерация Pi2 происходит как возбуждение стоячей альвеновской волны вследствие развития неустойчивости Кельвина—Гельм-гольца. Появились и экспериментальные свидетельства о выделении нескольких, почти одновременных источников в цуге Pi2 пульсаций [Uozumi et al., 2000; 2004; Tokunaga et al., 2007].
Эта точка зрения допускает проверку предложенным в работе [Петленко, 1994] методом анализа поля геомагнитных пульсаций, предполагающим интерпретацию наблюдаемых изменений поля суперпозицией импульсных воздействий разных источников. Считается, что "полезный" сигнал каждого источника зашумлен аддитивными вкладами других, подобных ему [Петленко, 1994], а вклады этих источников в компонентах поля пульсаций разделяются в узкой спектральной полосе. В диапазоне частот 5 х (10-4—10-2) Гц поля геомагнитных вариаций и пульсаций узкой считаем ширину полосы пропускания селективного фильтра ~10-3 Гц.
Такая проверка предполагает анализ поля по данным высокоширотных станций в области замыкания продольных токов 3D токовой системы Pi2 на ионосферу. Но даже установленное наличие вкладов нескольких (>2) почти одновременно срабатывающих ионосферных источников Pi2 еще не означает, что они принадлежат одной и той же токовой системе. Принадлежность локальных источников общей для них области генерации Pi2 подразумевает, что их вклады в узкой полосе частот фазированы (когерентны). Когерентность источников в отличие от [Althouse and Davis, 1978; Heilig et al., 2007] определяется не как результат корреляционного анализа, что предполагало бы усреднение геомагнитных данных, а путем сопоставления фазовых функций фильтрованных компонент поля пульсаций. Будем полагать, что когерентные источники образуют тонкую структуру области генерации PU. Покажем, что по фазам фильтрованных в узкой полосе откликов на импульсные воздействия ионосферных источников магнитных пульсаций положения этих источников можно определить градиентным методом.
Задача работы — найти положения источников токовой системы Pi2 по значениям поля на близко расположенных станциях сети "BEAR". Сопоставляя найденные градиентным методом положения ионосферных источников геомагнитных пульсаций
с особенностями последовательно наблюдаемых амплитудных распределений фильтрованных компонент поля и уярчениями полярных сияний по телевизионным данным спутника Polar, установим когерентность локальных источников Pi2 в узком диапазоне частот, то есть исследуем тонкую структуру и динамику токовой системы Pi2 в начальный период развития магнитосферной суббури.
2. СОБЫТИЯ ГЕНЕРАЦИИ Pi2 В ЭКСПЕРИМЕНТАХ "BEAR" И POLAR
Наблюдения поля магнитных пульсаций проводились в июле 1998 г. в рамках эксперимента "BEAR" на 50 магнитовариационных станциях, расположенных на территории Скандинавии, Карелии и Кольского полуострова. Координаты станций приведены в таблице. Сеть станций покрывает ~20° по широте и ~25° по долготе. Размеры покрытия охватывают значительную часть областей генерации пульсаций Pi2 в период суббуревой активности 07.09.1998 г. На рис. 1 представлены флуктуации вертикальной компоненты поля за этот период, так как особенности распределения Z компоненты на сети станций "BEAR" хорошо согласуются с особенностями распределений горизонтальных компонент поля, которые приведены ниже. Возмущение началось примерно в 18:33 UT и сопровождалось генерацией иррегулярных пульсаций типа Pi2. На рис. 2 показаны временные вариации 150-с спектральной составляющей вертикальных компонент поля магнитных пульсаций, фильтрованных в узкой полосе (6—10) х 10-3 Гц одномодовыми оптимальными узкополосными линейно-фазовыми фильтрами (с подавлением в полосе заграждения ~40 дБ относительно единичного значения в полосе пропускания). Синхронизация наблюдений поля на различных станциях не хуже 0.1 мс, дискретность данных 10 с. На равномерной сети ~100 х 80 узлов по совокупности данных всех станций была построена последовательность пространственных распределений ортогональных компонент поля магнитных пульсаций, фильтрованных с периодами 120, 130, 140 и 150 с равнополосными линейно-фазовыми фильтрами равной длины, с временным разрешением 10 с за период 18:00—20:00 UT
В период 18:30—19:05 UT наблюдались две области интенсификации Pi2, соответствующие наблюдаемым на рис. 2 цугам Pi2. Начало первого цуга (18:33 UT) соответствует активизации пульсаций на западных станциях сети. Другое событие генерации Pi2 началось в 18:52 UT соответствующая ему область генерации смещена в восточном направлении относительно первой.
Спутник Polar регистрировал авроральное ультрафиолетовое излучение длинноволновой 170 нм (LBHL) и коротковолновой 150 нм (LBHS) линий молекулярного азота N2. Эмиссии, регистрируемые
Географические координаты станций сети Baltic Electromagnetic Array Research
BEAR"
№ п/п Станция Код Широта (град.) Долгота (град.)
1 Abisko Abi 68.35 18.82
2 Andenes And 69.30 16.03
3 Are Are 63.42 13.42
4 Arvidsjaur Arv 65.70 18.54
5 Bearisland Bea 74.50 19.20
6 Boden Bod 65.64 21.75
7 Fibi Fib 59.90 17.35
8 Hankasalmi Han 62.31 26.65
9 Harnosand Har 63.08 17.99
10 Hemavan Hem 66.06 14.87
11 Hopenisland Hop 76.51 25.01
12 Hornsund Hor 77.00 15.60
13 Ilomantsi Ilo 62.92 31.48
14 Ivalo Iva 68.55 27.28
15 Jokkmokk Jok 66.88 19.01
16 Kevo Kev 69.76 27.01
17 Kilpisjarvi Kil 69.02 20.86
18 Kiruna Kir 67.84 20.42
19 Korpilahti Kor 62.14 24.86
20 Kuolio Kuo 65.83 28.69
21 Lahaugmaen Lah 59.97
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.