КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2013, том 51, № 1, с. 53-61
УДК 529.745 550.386
ДИНАМИКА ПОЛЯРНОЙ ГРАНИЦЫ АВРОРАЛЬНОГО ОВАЛА ПО ДАННЫМ СПУТНИКА IMAGE © 2013 г. Р. Лукьянова1, А. Козловский2
1Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, г. Санкт-Петербург Институт космических исследований РАН, г. Москва 2Геофизическая обсерватория Соданкюля Университета Оулу, Финляндия
renata@aari.nw.ru alexander.kozlovsky@oulu.fi Поступила в редакцию 29.03.2012 г.
На основе новой базы данных о положении границ аврорального овала по измерениям спутника IMAGE в 2000—2002 гг. с корректным определением границ свечения получены статистические оценки широтного положения границы полярной шапки (ГПШ) в зависимости от By и Bz ММП, а также проанализирована эволюция ГПШ во время магнитной бури. При нулевом ММП в полуденном (полуночном) секторе ГПШ расположена приблизительно 80° (76°) CGMLat. Смещение ГПШ вдоль меридиана полдень-полночь контролируется Bz ММП и в полуденном (полуночном) секторе составляет 0.45° (0.15°) CGMLat при изменении Bz на 1 нТл. Смещение ГПШ вдоль утренне-вечер-него меридиана зависит от By ММП и составляет 0.1° CGMLat на 1 нТл By, при этом северная полярная шапка как целое сдвигается на утреннюю (вечернюю) сторону при By > 0 (By < 0). После поворота ММП к северу в восстановительную фазу бури на дневной стороне ГПШ смещается к северу практически без временной задержки. Ночной границе требуется 25 и более часов, чтобы сдвинуться к полюсу на широту, соответствующую значению Bz > 0.
DOI: 10.7868/S002342061301007X
1. ВВЕДЕНИЕ
Электродинамическое взаимодействие между энергией солнечного ветра (СВ) и магнитосферой Земли происходит, главным образом, в пограничных слоях и хвосте магнитосферы, которые являются сопряженными по силовым линиям геомагнитного поля с высокоширотными областями — авроральным овалом, каспом и полярной шапкой (ПШ). В околоземном пространстве границу полярной шапки (ГПШ) можно рассматривать как границу между открытыми в СВ и замкнутыми на противоположное полушарие силовыми линиями геомагнитного поля. Силовые линии, выходящие из полярной шапки, вытянуты в хвост магнитосферы и открыты для проникновения плазмы СВ и межпланетного электрического поля. Здесь ярко проявляются эффекты взаимодействия СВ с магнитосферой, и анализ динамики ГПШ дает возможность проследить развитие многих магнитосферных процессов.
В цикле Данжи [1], в процессе которого происходит поступление энергии из СВ в магнитосферу и ионосферу, конвекция плазмы определяется пересоединением силовых линий магнитного поля на дневной магнитопаузе и в хвосте магнитосферы. Было показано, что когда доминирует днев-
ное (ночное) пересоединение, по мере того как открытый магнитный поток увеличивается (уменьшается), полярная шапка расширяется (сжимается), и соответственно ГПШ сдвигается к экватору (полюсу). Сжатие—расширение ПШ происходит и в цикле суббури [2—4]. Аврораль-ный овал и ГПШ асимметричны относительно полюса как вдоль меридиана полдень-полночь, так и вдоль утренне-вечернего меридиана. Средняя линия аврорального овала находится приблизительно на 78° и 68° МЬа^ а толщина овала составляет около 3° и 10° (при Кр = 3) соответственно на дневной и ночной стороне [5]. Эта линия, также как и ГПШ сдвигается к экватору с ростом геомагнитной активности [6]. Сдвиг ГПШ вдоль меридиана утро-вечер контролируется знаком Ву ММП так, что в северном полушарии при Ву > 0 (Ву < 0) полярная шапка как целое смещается на утреннюю (вечернюю) сторону [7—9]. В южном полушарии направление сдвига противоположно [10].
Динамика ГПШ усложняется во время геомагнитных бурь. Главная фаза бури обычно инициируется южным ММП достаточно большой амплитуды. Соответственно увеличению открытого магнитного потока в магнитосфере ГПШ смещается к экватору. За время главной фазы большое
количество энергии накапливается в хвосте магнитосферы, а происходящие диссипативные процессы во многом нелинейны [11]. Вследствие этого динамика ГПШ во время бури может существенно отличаться от внебуревых периодов. Большое количество изображений аврорального овала, сделанных спутником IMAGE, и развитие метода их обработки [12] позволяют провести углубленный анализ эволюции ГПШ. В данной работе на основе измерений IMAGE получены статистические зависимости положения ГПШ от параметров ММП и проанализирована динамика ГПШ в различных секторах местного времени в ходе двух геомагнитных бурь.
2. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГПШ
Существует несколько методов определения ГПШ. Наиболее надежным считается идентификация ГПШ по спектрам высыпающихся частиц [13, 14]. Высыпания наблюдаются спутниками DMSP, находящимися на полярных орбитах на высоте около 800 км. Однако эти измерения не являются глобальными, поскольку последовательные пролеты спутника отделены друг от друга примерно 100-минутным интервалом. Наземные оптические фотометры позволяют осуществлять непрерывный мониторинг ГПШ по скачку интенсивности эмиссии на длине волны 630 нм, который происходит на границе замкнутых линий [15, 16]. Такие наблюдения ограничены местом расположения фотометра и возможны только в ночное время при безоблачном небе. По данным радаров когерентного рассеяния SuperDARN можно идентифицировать ГПШ по увеличению спектральной ширины (СШ) отраженного сигнала [17]. Но интерпретация данных измерений СШ часто неоднозначна. Так, в работе [18] показано, что СШ увеличивается при усилении ионосферного электрического поля, на фоне которого развиваются ионосферные неоднородности, причем это не связано с ГПШ. Более точное местоположение ГПШ можно получить по данным измерений температуры электронов и по резкому изменению электронной плотности в Е и F областях ионосферы с помощью радаров некогерентного рассеяния [19]. Однако такие измерения были сделаны только в ходе специальных экспериментов.
Оптические измерения авроральных эмиссий спутником IMAGE [20], который находился на высокой полярной орбите с марта 2000 г. по декабрь 2005 г. предоставляют возможность наблюдать весь овал в течение длительного времени. В этом случае положение ГПШ идентифицируется с полярной кромкой аврорального свечения. В результате работы спутника было получено большое количество (>1 млн) изображений, сделанных через каждые 2 минуты с 10-секундным временем экспозиции.
3. ДАННЫЕ
Для интерпретации полученных изображений был предложен ряд процедур оценки интенсивности и определения положения границ свечения, включая визуальную оценку [21] и различные методы градации яркости [22—25]. Сравнение положения ГПШ по данным о высыпаниях частиц с положением, определенным по изменению свечения на полярной кромке аврорального овала, показало, что оптическая ГПШ регулярно находится несколько экваториальнее, что объяснялось недостаточным пространственным разрешением оптических приборов [4, 26]. При автоматизированной обработке большого количества изображений технически непростой задачей оказалась также интерпретация двойного овала. Между тем, около 30% изображений показывали двойной овал на ночной стороне, а в возмущенные периоды доля таких изображений доходила до 50%.
Для более корректного определения границ овала был разработан улучшенный метод оценки интенсивности свечения и поиска пороговых значений интенсивности, основанный на использовании комбинации одинарного и двойного гауссова распределения [12]. Метод был автоматизирован, что позволило обработать большое количество изображений и создать базу данных, в которой содержится более миллиона значений границ аврорального овала. Сравнение полученных оптических границ с данными по высыпающимся частицам со спутников DMSP показало, что результаты, полученные двумя методами, находятся теперь в гораздо большем согласии. Таким образом, полярная граница яркости свечения может быть использована в качестве индикатора ГПШ.
В период с мая 2000 г. по декабрь 2002 г. орбита IMAGE была наиболее благоприятной для того, чтобы наблюдать область высоких широт северного полушария. Метод идентификации границ аврорального овала, описанный в [12], был применен к полученным в этот период изображениям, результатом чего стала база данных, содержащая более 2 млн 2-минутных значений геомагнитных широт полярной и экваториальной границ овала для каждого часа MLT. Наибольшее количество данных приходится на сектор 16—06 MLT (~ 150000 точек в час), а наименьшее — на сектор 10—13 MLT (~20000 точек в час). Данные по трем инструментам IMAGE доступны на сайте Британской Антарктической Службы http:// www.antarctica.ac.uk/. В настоящей работе используются измерения широкополосной камеры (WIC), работающей в диапазоне дальнего УФ 140— 190 нм и фиксирующей излучение в полосе N2 Лай-ман-Хопфилд с разрешением 256 х 256 пикселей [20]. Исходные значения широты ГПШ усреднялись в среднечасовые значения при условии наличия не
В &
1-1 с«
О
О
80
70
60
20
Вг, нТл
Рис. 1. Статистическая зависимость между Вг ММП и широтой ГПШ для ноября 2000 г. 05 МЕГ (всего 1613 точек) и линейная аппроксимация зависимости.
менее 50% 2-минутных данных в час. В результате для каждого часа ночного сектора (21—03 МЕГ) получено порядка 12000 точек, для утреннего (05— 07 МЕГ) и вечернего (17-19 МЕГ) - около 10000, а для дневного (10-14 МЕГ) — 4000 точек.
4. ОЦЕНКА СМЕЩЕНИЯ ГПШ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ Ву И ММП
Большое количество обработанных изображений аврорального овала позволяет получить статистические характеристики широтного положения ГПШ в различных секторах местного времени и оценить степень сдвига ГПШ в зависимости от величины и направления ММП. Базовой характеристикой, которая может использоваться как нулевой уровень отсчета при количественной оценке смещения полярной шапки, является положения ГПШ при ММП ~ 0. Для определения "нулевого" расположения ГПШ из всей базы данных были отобраны периоды времени, когда
V2 2 Вг + Ву не превышал
значения 1 нТл, и для каждого часа МЕГ было рассчитано среднее значение широты ГПШ. Величина смещения ГПШ при увеличении интенсивности ММП отдельно по Вги Ву компонентам определялась по регрессионным соотношениям между соответствующей компонентой и
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.