УДК 550.338. 1
АВРОРАЛЬНОЕ СВЕЧЕНИЕ К ЭКВАТОРУ ОТ ОВАЛА ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ
© 2012 г. В. Л. Зверев1, Я. И. Фельдштейн2, В. Г. Воробьев1
1 Учреждение РАН Полярный геофизический институт КНЦ РАН, г. Апатиты (Мурманская обл.)
2 Учреждение РАН Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова, г. Троицк (Московская обл.)
e-mail: zverev@pgia.ru
Поступила в редакцию 22.02.2011 г.
После доработки 24.06.2011 г.
По визуальным наблюдениям за период МГГ (визоплотам) показано, что во время магнитных бурь диффузное свечение регистрируется на всех широтах между наиболее низкой широтой визуально наблюдаемого аврорального свечения в зените и овалом полярных сияний. Область диффузного свечения пространственно совпадает с областью мягких электронных вторжений, простирающихся к экватору от границы овала до широты проекции плазмопаузы вдоль магнитных силовых линий на ионосферу. Используя опубликованные материалы о динамике диффузного свечения и SAR-дуг на якутском меридиане и одновременные измерения спутника DMSP F9, обсуждается вклад вторжений низкоэнергичных электронов, переносимых конвекцией к Земле из плазменного слоя магнитосферы, в возбуждение эмиссии 630.0 нм в SAR-дугах низкой (<1.0 kR) интенсивности.
1. ВВЕДЕНИЕ
Яркие и подвижные дискретные формы полярных сияний в высоких широтах наблюдаются практически непрерывно, окружая геомагнитный полюс и располагаясь вдоль овала полярных сияний [Фельдштейн, 1960, 1963; Хорошева, 1962]. Обычно в дискретных формах сияний наиболее интенсивной является зеленая линия атомарного кислорода (OI) 557.7 нм. К средним широтам частота появления дискретных форм резко уменьшается. В период МГГ (1957—1959 гг.) основным методом наблюдений сияний в средних широтах являлись визуальные, проводившиеся на многих сотнях метеорологических станций. Результаты их систематической обработки в Международных центрах данных опубликованы в закодированном виде в Анналах МГГ [Annals IGY, 1964]. Интенсивное авроральное свечение регистрируется на средних широтах в интервалы магнитных возмущений, сопровождая развитие магнитных бурь [Chapman, 1957]. К экватору от овала существует протяженная полоса субвизуального свечения атмосферы [Sandford, 1968; Lui et al., 1973]. Эта полоса с трудом различима визуально из-за слабой контрастности свечения по небосводу, зачастую низкой интенсивности и слабой чувствительности глаза к основной эмиссии в этом свечении — красному дублету (OI) 630.0—636.4 нм [Красов-ский, 1967]. Зеленая эмиссия хотя и существует, но крайне ослаблена. Отношение интенсивно-стей эмиссий I6300/I5577 ~ 2—4. Из-за своей особен-
ности — отсутствия в свечении на больших площадях отчетливо выраженных структур, оно получило название диффузного. Интенсивность диффузного свечения убывает с уменьшением широты и возрастает в магнитно-возмущенные интервалы [Akasofu and Chapman, 1962; Красов-ский, 1967]. По данным параллактических наблюдений на меридиональной цепочке станций Якутск—Тикси [Алексеев и др., 1975] высота максимума фонового свечения в эмиссии 630.0 нм охватывала интервал высот от 140 до 317 км. Обычно экваториальная граница диффузного свечения относительно гладкая, однако во время сильных геомагнитных возмущений на ней могут появляться крупномасштабные волнообразные структуры. Амплитуда и длина волны меняются со временем, в среднем длина волны составляет 400 км [Lui et al., 1982].
К экватору от диффузного свечения в средних широтах наблюдается резкое усиление интенсивности монохроматической эмиссии 630.0 нм, получившее название М-дуг [Roach and Roach, 1963] или SAR (Stable Auroral Red) — дуг [Rees and Roble, 1975]. SAR-дуги являются одним из типов аврорального свечения, так как их появление обычно связано с усилением геомагнитной активности, а расположение — с геомагнитным полем. Отличительными особенностями SAR-дуг являются: длительное, до 10 часов, существование (отсюда и термин устойчивые); расположение вдоль Z-оболочек дрейфов энергичных заря-
женных частиц в геомагнитном поле; протяженность в несколько тысяч километров по долготе; расположение на низкой (~42°) геомагнитной широте во время интенсивных магнитных бурь; практически монохроматическое излучение эмиссии 630.0 нм (отношение 1б300//5577 ~ 50) на высоте ~400—450 км; сопряженность в северном и южном полушариях. Интенсивность SAR-дуг в период МГГ составляла несколько kR (килоРэ-лей) [Marovich and Roach, 1963], во время очень интенсивных магнитных бурь может достигать десятков kR [Barbier, 1960]. Так, во время магнитной бури 21 сентября 1957 г. (Dst = —250 нТл) зарегистрировано увеличение интенсивности эмиссии 630.0 нм до 125 kR, а в эмиссии 557.7 нм до 1.5 kR [Barbier, 1960]. Таким образом, отношение интенсивностей I6300/I5577 составило ~80. Между SAR-дугами и границей овала существует разрыв по широте, достигающий ~14°, в котором идентифицировано свечение с интенсивностью на уровне свечения ночного неба [Marovich and Roach, 1963].
Согласно установившимся представлениям формирование SAR-дуг происходит в магнитосфере вблизи плазмопаузы в результате взаимодействия горячих ионов кольцевого тока с холодной плазмой плазмосферы. Возникающие при этом волны разогревают холодные электроны плазмосферы. Их поток вдоль силовых линий в ионосферу и вызывает свечение атмосферы (SAR-дугу) в красной эмиссии на высотах ~400 км. Таким образом, SAR-дуги имеют природу, отличную от природы обычных полярных сияний, располагающихся в более высоких широтах. Полярные сияния в овале и диффузное свечение к экватору от овала обусловлены вторжениями в атмосферу энергичных электронов из плазменного слоя хвоста магнитосферы и из внутренней магнитосферы в результате переноса их направленной к Земле конвекцией. SAR-дуги возникают за счет вторжения в атмосферу холодных электронов плазмосферы, разогреваемых при взаимодействии ионов кольцевого тока с плазмосферной плазмой.
Цель данной работы: показать, что во время магнитных бурь диффузное свечение регистрируется на всех широтах между наиболее низкой широтой визуально наблюдаемого аврорального свечения и овалом полярных сияний, появление SAR-дуг небольшой интенсивности связано с высыпаниями электронов очень низких энергий вблизи внутренней (околоземной) границы маг-нитосферной конвекции.
Геом. 66 64 62 60 58 56 54 52 50 48 46 44 42 40 10
широта, град ' • • •
• : • ••
j_■ ■ ■ |
+ 2 + + ,
50
100
500 |Dst|, нТл
Рис. 1. Точки — положение экваториальной границы овала сияний в зависимости от й^-индекса [Старков, 1993]. Крестики — предельные значения широты распространения аврорального свечения в зените по ви-зоплотам.
2. ОВАЛ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ И ДИФФУЗНОЕ СВЕЧЕНИЕ К ЭКВАТОРУ ОТ ОВАЛА
Известно, что минимальная широта экваториальной границы овала полярных сияний, характеризующая наименьшее геоцентрическое расстояние внутренней кромки плазменного слоя в хвосте магнитосферы, приходится на около полуночные часы [Старков, 1993]. Во время магнитных бурь граница смещается к экватору, величина смещения определяется интенсивностью Й8^ва-риации. На рисунке 1 точками обозначены систематизированные Старковым [1993] положения экваториальной границы овала сияний в зависимости от йй-иидекса по данным разных исследователей. Штриховой линией показано полученное методом наименьших квадратов уравнение регрессии исправленной геомагнитной широты Ф' от интенсивности йй:
ф' = 77.3° -9.8lg , коэффициент корреляции r = 0.92.
(1)
Крестиками на этом рисунке нанесены предельные значения широты распространения авро-рального свечения в зените, определенные нами по данным визуальных наблюдений полярных сияний, содержащиеся за период МГГ на визоплотах [Annals IGY, 1964]. Для анализа использовались все интервалы наблюдений с Dst < —100 нТл. Данные охватывали преимущественно долготные сектора D (Восточная Сибирь), G и H (североамериканский континент). Уравнение регрессии, полученное методом наименьших квадратов, изображено сплошной линией:
1
широта, град
Геом. 62
60
58
56
54
52
50
48
46
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
\Dstj, нТл
Рис. 2. Точки — положение экваториальной границы свечения по визоплотам в зависимости от Dst-индекса в периоды появления SAR-дуг по работе [Marovich and Roach, 1963], сплошная линия — линия регрессии.
ф' = 74.7°- 12.05lg\Dst\, коэффициент корреляции r = 0.7.
(2)
На существование среднеширотного максимума в частоте появления полярных сияний обращали внимание Исаев [1962] и Пудовкин и др. [1971], связывая его с расщеплением высокоширотной полосы полярных сияний. Согласно Хорошевой [1987] такое расщепление происходит во время магнитных бурь, достигая 12° по широте при интенсивных магнитных бурях. Между овалом и SAR-дугами имеется разрыв в интенсивности свечения.
По визуальным наблюдениям в период МГГ [Annals IGY, 1964] на близких к Rapid City долготах в секторах G и H нами были определены наиболее низкие широты аврорального свечения в зените для всех периодов наблюдений SAR-дуг, указанных в [Marovich and Roach, 1963, табл. 2]. Получены в геомагнитных координатах уравнения регрессии для предельных широт свечения в зависимости от индексов Kp и \Dst\. Соотношения имеют вид:
Линия регрессии для экваториальной границы визуального свечения сдвинута на ~7.5° к югу от границы области существования обычных полярных сияний. Это означает, что во время магнитных бурь граница области появления на визопло-тах аврорального свечения в зените, отражает не экваториальную границу обычных сияний овала, а характеризует располагающееся на более низких широтах диффузное свечение. При изменении Dst от—100 нТл до —400 нТл граница свечения по визоплотам сдвигается к экватору на ~7°. Действительно, в главную фазу магнитных бурь интенсивность диффузного свечения резко возрастает [Akasofu and Chapman, 1962]. В результате оно начинает фиксироваться как камерами всего неба, так и при визуальных наблюдениях.
3. ВИЗУАЛЬНОЕ СВЕЧЕНИЕ И SAR-ДУГИ
В работе [Marovich and Roach, 1963] исследованы положения SAR-дуг, наблюдавшихся на станции Rapid City (исправленная геомагнитная широта Ф' = 53.3°) в период МГГ.
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.