УДК 550.388.2
АНОМАЛИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ПЛАЗМОПАУЗЫ И ИОНОСФЕРНОГО ПРОВАЛА ПО ДАННЫМ СПУТНИКА DEMETER
© 2014 г. Ю. Я. Ружин1, М. Парро2, В. М. Смирнов3, В. Х. Депуев1
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН),
г. Москва, г. Троицк 2LPCE/CNRS, Франция
3Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, г. Фрязино (Московская обл.)
e-mail: ruzhin@izmiran.ru Поступила в редакцию 12.05.2014 г.
Настоящая работа посвящена изучению особенности состояния субавроральной ионосферы, которая проявилась в аномальном положении плазмопаузы, экваториальной стенки главного ионосферного провала и провала в концентрации легких ионов при спокойных гелиогеофизических условиях вблизи магнитосферной оболочки с параметром Мак-Илвейна L = 3. Аномалия была обнаружена на основе экспериментального материала, полученного в ходе спутникового проекта DEMETER при проведении активных экспериментов на нагревном стенде "СУРА" (02.10.2007 г.) по программе "СУРА"—МКС. Совместный анализ орбитальных данных DEMETER и МКС, а также результатов комплексных наземных измерений показал, что обнаруженный эффект, характерный для предполуночного времени севернее трассы Москва—"СУРА", не является локальным. Его можно наблюдать на обширной территории, протяженной с запада на восток вдоль одной и той же L-оболочки, по крайней мере, от Швеции до Камчатки. Данные спутника DEMETER подтверждены результатами анализа меридионального распределения критической частоты слоя F2, полученными при радиопросвечивании ионосферы сигналами спутников сети GPS. Сравнение с модельными расчетами (модели IRI 2007, СИМ) долготно-широтного и меридионального распределений концентрации плазмы для максимума слоя F2 показало явное расхождение с экспериментальными результатами.
DOI: 10.7868/S0016794014060170
1. ВВЕДЕНИЕ
Хотя за годы существования физики ионосферы как отдельной отрасли геофизики (период почти 100 лет) сложились основные представления о морфологии ионосферы и теории ее образования [Fifty ..., 1974; Энциклопедия ..., 2008], по-прежнему большой интерес представляет физика отдельных ее областей, в частности, субавроральной ионосферы — зоны перехода от среднеширот-ной ионосферы к высокоширотной. Эта зона (58—62° инвариантной широты) соответствует в магнитосфере плазмопаузе и внутренней границе плазменного слоя [Бенькова и др., 1993]. Здесь наиболее ярко проявляются ионосферно-магнито-сферные взаимодействия, так как активно работают все три канала ионосферно-магнитосферных связей: высыпание энергичных частиц, проникновение электрических полей и обмен холодной плазмой между ионосферой и плазмосферой [Деми-нов и Шубин, 1987; Chappell, 1988; Фельдштейн и Гальперин, 1996]. Положение плазмопаузы и плазменного слоя изменяются в зависимости от геомагнитной активности [Брюнелли и Намга-ладзе, 1988; Гальперин и др., 1990; Деминов и др., 1992]. В результате над одними и теми же пункта-
ми наблюдений в спокойных условиях ионосфера проявляет все признаки, характерные для средне-широтной ионосферы, а в возмущенных условиях — признаки, характерные для субавроральной или даже авроральной ионосферы.
На широты субавроральной ионосферы приходится также провал легких ионов (ПЛИ) — провал в широтном ходе концентрации ионов Н+ и Не+, наблюдаемый во внешней ионосфере на высотах 500—3000 км [Taylor, 1972; Taylor and Cordier, 1974; Карпачев и Сидорова, 1999]. В этот же интервал широт проецируется по силовым линиям геомагнитного поля положение плазмопаузы — области резкого падения плотности холодной плазмы в экваториальной плоскости магнитосферы [Taylor and Walsh, 1972].
Настоящая работа посвящена изучению аномалии субавроральной ионосферы на основе нового экспериментального материала, накопленного в процессе выполнения спутникового проекта DEMETER, и физической интерпретации этих данных.
2. ЭКСПЕРИМЕНТ "СУРА"-МКС.
ГЕЛИОГЕОФИЗИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ.
РЕЗУЛЬТАТЫ НАЗЕМНО-КОСМИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
При проведении серии экспериментов по программе "СУРА"—МКС [Ruzhin et al., 2008; Кара-баджак и др., 2009; Ружин и др., 2013] обнаружено, что при определенных сопутствующих условиях КВ излучение среднеширотного нагревного стенда "СУРА" (56.13° N, 46.1° E) перенаправляется в меридиональной плоскости в сторону субавро-ральных широт, где на расстояниях 400—700 км к северу от стенда образуется область фокусировки КВ излучения. В ряде случаев это приводит к возможности инициирования изолированных одиночных суббурь [Ружин и др., 2009; 2012]. Активный эксперимент 02.10.2007 г. совпал с пролетом спутника DEMETER вблизи области модификации ионосферы за счет нагрева стендом "СУРА" (рис. 1). Это позволило провести совместный анализ данных измерений спутника DEMETER и всего комплекса сопутствующих наземных наблюдений. В результате было установлено наличие аномального резкого градиента плазменной концентрации (точнее, аномальное падение концентрации плазмы в несколько раз на участке 100—150 км вдоль орбиты спутника) к северу от стенда, который способствовал перенаправлению и перераспределению излучения стенда и успешному стимулированию суббури. Рассмотрим подробнее этот случай (эксперимент 02.10.2007 г.).
Заметных естественных возмущений гелио-геофизической обстановки в период проведения эксперимента не отмечено. По данным сети INTERMAGNET планетарный индекс магнитной активности не превышал 2-х (рис. 2), наблюдался спокойный авроральный овал, отсутствовали значительные вариации солнечного ветра и межпланетного магнитного поля (по данным спутников GOES, SOHO и др.). Структура конвективных полей и плазменных дрейфов в северном полушарии во время рассматриваемого эксперимента контролировалась по данным системы радаров Super DARN. Скорости конвекции и ко-ротации в предполуночном (вечернем) секторе (21 ч местного времени) направлены противоположно и наиболее вероятно активное влияние динамичных изменений направления и величины скоростей конвекции плазмы в зоне слоя Гартмана (узкой полосе субавроральной ионосферы вблизи проекции плазмопаузы).
Отметим также, что на ионограммах вертикального зондирования хорошо видны рассеянные отражения в области F ионосферы (F-рассея-ние, F-spread). Это свидетельствует о наличии не-однородностей, которые являются результатом действия плазменных неустойчивостей разной природы. Сравнение ионограмм станций Калининград, Москва и Казань, расположенных на
65
60
3 &
55
50
45
х- ^ •Карпогоры
ЗМИРАН СУРА
4.50 4.50
DEMETER
1 7.00
20
30
40
Долгота, град
50
60
Рис. 1. План эксперимента (в географических координатах) и изолинии полного электронного содержания (интегральной по высоте концентрации электронов) в единицах TECU по результатам радиопросвечивания сигналами навигационных спутников GPS.
5
3 -
£
26.09
28.09
30.09 2007 г.
2.10
4.10
Рис. 2. Планетарный Кр индекс в период 26.09—03.10. 2007 г. При проведении эксперимента 02.10.2007 г. (отмечено стрелкой) Кр = 1.5.
почти одной широте и разнесенных по долготе на 25°, или ~2000 км, показало, что характеристики ионосферы практически неизменны, а явление /'-рассеяния охватывает обширную территорию.
3. ДАННЫЕ, ПОЛУЧЕННЫЕ АППАРАТУРОЙ СПУТНИКА DEMETER
При анализе результатов наземных магнитометрических измерений, показавших вариации суббуревого характера [Ружин и др., 2009], у нас была возможность использовать данные, полученные бортовой аппаратурой французского микроспутника DEMETER (Detection of Electro-
4
2
1
Magnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions). Сеанс нагрева был произведен, когда орбита спутника проходила вблизи магнитной силовой трубки, модифицированной мощным радиоизлучением стенда "СУРА".
Спутник DEMETER был запущен на круговую орбиту с высотой ~700 км для диагностики ионосферных возмущений, связанных с землетрясениями, извержениями вулканов, а также электромагнитных антропогенных воздействий. Его характеристики подробно изложены в серии статей специального выпуска журнала [First..., 2006]. Уникальный набор высокочувствительных инструментов спутника позволил регистрировать основные параметры плазмы: ее электронную и ионную концентрации и температуры, скорость ионов, энергетический спектр электронов в диапазоне 70 кэВ—2.5 МэВ, а также проводить измерения напряженности электрического поля в диапазоне частот от 0 Гц до 3.3 МГц и магнитного поля от 10 Гц до 20 кГц. Спутниковая аппаратура дала возможность решать задачи, связанные с изучением влияния мощных радиоизлучений существующих КВ радиоцентров на ионосферу Земли, изучать механизмы распространения плазменных возмущений различной природы вдоль силовых линий геомагнитного поля, исследовать условия формирования спектра неоднородностей ионосферной плазмы как искусственной, так и естественной природы и т.п.
На рисунке 3 приведены результаты измерений приборами, установленными на спутнике DEMETER, на высоте ~660 км во время эксперимента 02.10.2007 г., когда спутник пролетал между Москвой и стендом "СУРА" (проекцию орбиты см. на рис. 1) на минимальном расстоянии ~400 км от стенда. Рисунок 3а демонстрирует поведение концентрации электронов плазмы вдоль орбиты. На рисунке 3б показано изменение ионного состава плазмы, а рис. 3в представляет частоту обрезания низкочастотных шумов в районе нижнегибридного резонанса (НГР). Стрелкой отмечен момент пересечения спутником широты стенда "СУРА" (или момент максимального сближения ИСЗ с центром возмущенной магнитной силовой трубки).
Видно, что, судя по падению концентрации плазмы (при пересечении широты 56°) и появлению признаков сильной нестационарности в распределении концентрации и температуре электронов, граница плазмосферы находилась именно в этом месте, т.е. значительно южнее обычного ее положения. Здесь же начинают резко нарастать компонента энергичных электронов с энергиями до 100 кэВ и концентрация тяжелых ионов кислорода. Последний факт является свидетельством наличия продольного тока, вытекающего из ионосферы. О неустойчивости ионосферной плазмы в этой же области свидетельствует ионосферное рассеяние радиоволн типа F-spread, обнаруженное на
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.