научная статья по теме ДИНАМИКА ПОЛЯРНОЙ ГРАНИЦЫ АВРОРАЛЬНОГО ОВАЛА ПО ДАННЫМ СПУТНИКА IMAGE Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ДИНАМИКА ПОЛЯРНОЙ ГРАНИЦЫ АВРОРАЛЬНОГО ОВАЛА ПО ДАННЫМ СПУТНИКА IMAGE»

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.

Показать целиком