УДК 550.338.1
ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ РЕЗКИМИ УВЕЛИЧЕНИЯМИ ДИНАМИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА, ВСПЫШКАМИ ПРОТОННЫХ СИЯНИЙ И ГЕОМАГНИТНЫМИ ПУЛЬСАЦИЯМИ В ДИАПАЗОНЕ Pc 1
© 2010 г. Т. А. Попова1, А. Г. Яхнин1, Т. А. Яхнина1, Х. Фрей2
Учреждение РАН Полярный геофизический институт КНЦ РАН, г. Апатиты (Мурманская обл.)
2Лаборатория космических исследований, Университет Беркли, Калифорния, США
e-mail: yahnin@pgia.ru Поступила в редакцию.01.03.2010 г.
После доработки 20.04.2010 г.
На основе одновременных наблюдений параметров плазмы солнечного ветра, протонных сияний со спутника IMAGE и геомагнитных пульсаций в обс. Ловозеро рассмотрена взаимосвязь между резкими увеличениями динамического давления солнечного ветра, вспышками протонных сияний к экватору от овала на дневной стороне и геомагнитными пульсациями в диапазоне Рс 1. Показано, что во время скачков давления солнечного ветра в 70% случаев наблюдались вспышки протонного свечения к экватору от овала сияний. При этом во время скачков давления, которые были связаны с межпланетными ударными волнами, вспышки протонных сияний наблюдались в 85% случаев. Увеличения давления во время тангенциальных разрывов сопровождались вспышками протонных сияний только в 45% случаев. Когда наземная станция была сопряжена с областью, занимаемой вспышкой протонных сияний, появление или интенсификация уже существующих пульсаций в диапазоне Рс1 наблюдались в 96% случаев. Когда наземная станция не была сопряжена с областью вспышки протонного свечения, отклик в геомагнитных пульсациях наблюдался в 32% событий. В случаях, когда скачок давления солнечного ветра не сопровождался вспышкой протонного свечения, отклик в пульсациях диапазона Рс1 практически не наблюдался.
1. ВВЕДЕНИЕ
Резкие увеличения динамического давления солнечного ветра проявляются во множестве транзиентных явлений в ионосфере и на земной поверхности. С ними связаны, например, резкие возрастания напряженности геомагнитного поля (£1, 5С), увеличение яркости полярных сияний в авроральном овале, появление вихрей конвекции в дневной ионосфере и другие явления. В геомагнитных пульсациях диапазона Рс1 наблюдается несколько типов отклика на увеличение динамического давления. К ним относятся, в частности, широкополосные всплески геомагнитных пульсаций или "всплески гидромагнитных эмиссий" [Рикиш8Ы й а1., 1981], которые здесь для краткости мы будем называть как "всплески Рс1". Характеристики и возможные механизмы таких пульсаций рассматривались, например, в работах [Пархо-мов и др., 1985, 2010; Кап§а8 й а1., 2001; 8а1аг§а1ееу й а1., 2002; ^аЪшпа е! а1., 2008]. Кроме того, после скачка давления могут появляться квазимонохро-магические Рс1, либо, если такие пульсации уже существовали, может наблюдаться увеличение их амплитуды, сопровождающееся ростом центральной частоты, например [Тго^кауа е! а1., 1961; Троицкая и др., 1968; Кап§а8 е! а1., 1986].
В то же время известно, что далеко не каждый скачок давления вызывает отклик в пульсациях Рс1 на наземной станции [Tepley and Wentworth, 1962; Kangas et al., 1986; Safargaleev et al., 2002]. Обычно пульсации, возникающие сразу после скачка динамического давления, наблюдаются в дневном секторе, например [Fukunishi et al., 1981; Olson and Lee, 1983; Пархомов и др., 1985; Kangas et al., 1986; Safargaleev et al., 2002]. Общепризнано, что пульсации в диапазоне Рс1 являются индикатором электромагнитных ионно-циклотронных (ЭМИЦ) волн, генерирующихся в результате возрастания анизотропии температурного распределения энергичных протонов кольцевого тока при сжатии магнитосферы, например [Olson and Lee, 1983; Anderson and Hamilton, 1993].
После запуска спутника IMAGE, предназначенного для получения глобальных "изображений" околоземных плазменных структур, было обнаружено новое явление, связанное со скачками давления в солнечном ветре — вспышки протонного свечения, которые наблюдаются в дневном секторе к экватору от протонного аврораль-ного овала [Zhang et al., 2002; Hubert et al., 2003; Fusilier et al., 2004]. Продолжительность и распределение по MLT для вспышек протонных сияний
и всплесков Pel оказались подобны. В работах [Yahnina et al., 2008; Zhang et al., 2008] было показано, что пространственно-временная динамика вспышек протонных сияний коррелирует с вариациями интенсивности и спектральных характеристик всплесков Pel (всплесков ЭМИЦ волн), и сделан вывод, что высыпания протонов, вызывающие вспышки протонных сияний, как и геомагнитные пульсации, являются результатом циклотронной неустойчивости протонов кольцевого тока. В работах [Yahnina et al., 2008; Zhang et al., 2008] рассмотрены лишь два конкретных события. Целью нашего сообщения является статистическое рассмотрение взаимосвязи между скачками динамического давления солнечного ветра, вспышками протонного свечения и пульсациями диапазона Pel.
2. ДАННЫЕ И ОТБОР СОБЫТИЙ
Для исследования были использованы одноминутные значения динамического давления солнечного ветра из базы данных OMNI за 2001— 2005 гг. (http://omniweb.gsfc.nasa.gov). Отбирались случаи достаточно больших, резких (не менее l нПа в течение l мин) и изолированных скачков динамического давления. Момент времени отклика магнитосферно-ионосферной системы на увеличение давления солнечного ветра и интенсивность сжатия магнитосферы контролировались по вариациям геомагнитного индекса SYM-H (одноминутного аналога индекса Dst, например [Iemory and Rao, l996]). Из этих событий, в свою очередь, были отобраны случаи, для которых имелись данные детектора SIl2 прибора FUV на спутнике IMAGE. Детектор SIl2 позволяет получать глобальные изображения сияний, которые вызываются исключительно высыпаниями протонов [Mende et al., 2000]. В результате были отобраны 62 события. Изображения протонных сияний для этих событий были проанализированы совместно с данными индукционного магнитометра обс. Ловозеро (CGMLat = 64.2, MLT = = UT+3), который регистрирует вариации геомагнитного поля в частотном диапазоне 0.05—10 Гц.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ
В согласии с данными предыдущих исследований, например [Tepley and Wentworth, l962; Троицкая и др., l968; Пархомов и др., l985, 20l0; Kangas et al., l986] анализ данных индукционного магнитометра обс. Ловозеро позволил выявить следующие типы отклика в пульсациях на резкое увеличение давления солнечного ветра: l) широкополосные всплески Pel; 2) "монохроматические" Pel, появляющиеся (или усиливающиеся) после скачка давления; 3) низкочастотные шумовые излучения сходные с пульсациями PiC или
PiB, и 4) события, когда во время и после резкого увеличения давления изменений в режиме геомагнитных флуктуаций не наблюдалось. Стоит отметить, что всплески Pel и "монохроматические" Pel часто наблюдаются одновременно с низкочастотным шумом.
На рис. l показаны наземные и спутниковые данные для случая резкого увеличения давления солнечного ветра (AP = l9 нПа в течение 5 мин), наблюдавшегося около 06.25 UT 4 ноября 2003 г. На верхней панели показана спектрограмма геомагнитных пульсаций для интервала 05.30— 07.30 UT Ниже показано динамическое давление солнечного ветра. Резкий рост динамического давления сопровождался в данном случае ростом величины межпланетного магнитного поля (не показано), что указывает на прохождение межпланетной ударной волны. Резкое сжатие магнитосферы в этом случае подтверждается поведением геомагнитного индекса SYM-H (третья панель). В интервале 06.25—06.28 UT SYM-H возрастает на 55 нТл. Синхронно со скачком индекса SYM-Hна спектрограмме пульсаций видно появление низкочастотного шума и всплеска излучения с нарастающей частотой от ~l Гц до 2.5 Гц. Такая частотная дисперсия часто наблюдается во всплесках Pel во время скачков давления [Пархомов и др., l985, 20l0; Kangas et al., 2001; Safargaleev et al., 2002; Yahnina et al., 2008]. Три последовательных изображения протонных сияний, наблюдавшихся спутником IMAGE в 06.25, 06.27 и 06.29 UT в южном полушарии, представлено на рис. l, внизу. (Положение спутника и ориентация камеры не позволяют в этом случае видеть вечерний сектор, а также часть ночного сектора.) На каждом изображении протонных сияний кружком и стрелкой отмечена область, сопряженная с обс. Ловозеро. Скачок давления солнечного ветра сопровождался вспышкой протонных сияний, произошедшей между 06.25 и 06.27 UT, к экватору от протонного овала на дневной стороне. Размер области вспышки по широте составляет около l0°. Проекция обс. Ловозеро в южное полушарие попадает в область протонных сияний.
Аналогичные данные для событий l7 августа 200l г. (AP = 6 нПа, A(SYM-H) = 40 нТл) и 6 мая 2005 г. (AP = 3.5 нПа, ASYM-H = l2 нТл) показаны на рис. 2 и 3. В событии l7 августа 200l г. откликом в пульсациях Pel на скачок давления солнечного ветра было появление "монохроматических" Pel (рис. 2). Наземная станция находилась в долготном секторе вспышки протонных сияний, область которой располагалась к экватору от овала, но на более высоких широтах (CGMLat > 65°), чем в событии, показанном на рис. l. В событии 6 мая 2005 г. откликом на скачок давления солнечного ветра явилась интенсификация уже существовавших Pel с ростом частоты (рис. 3). Станция Ловозеро в этом случае находилась вне
7
UT, ч
18
12
12
12
06:25:16 UT
06:27:20 UT
06:29:24 UT
Рис. 1. Явления, сопровождающие скачок давления солнечного ветра 4 ноября 2003 г.
Сверху вниз: спектрограмма вариаций геомагнитного поля в диапазоне 0.05—4 Гц в обс. Ловозеро; динамическое давление солнечного ветра; геомагнитный индекс SYM-H; последовательность изображений протонных сияний со спутника IMAGE.
6
долготного сектора протонных сияний, на удале- со
нии ~1 час МЫ. Вспышка протонного свечения ме
также развивалась на широтах выше 65°. В этих со- ет
бытиях рост динамического давления также был ме
связан с прохождением межпланетной ударной к<
волны. ув
Не каждый случай резкого увеличения давле- ни
ния солнечного ветра сопровождался вспышкой мы
протонных сияний (во время 62 скачков давления П
наблюдались 44 вспышки, т.е. они наблюдались в Вс
70% событий) и откликом в пульсациях диапазо- во
на Рс1 (32 из 62 случаев, 5
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.