ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2013, том 53, № 3, с. 315-323
УДК 550.385.37
ДНЕВНЫЕ ОНЧ ИЗЛУЧЕНИЯ В ОБС. СОДАНКЮЛЯ (L ~ 5.3) НА ПЕРЕДНЕМ ФРОНТЕ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ПОТОКОВ
СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА © 2013 г. Ю. Маннинен1, Н. Г. Клейменова2, О. В. Козырева2
1Геофизичческая обсерватория Соданкюля, Финляндия 2Институт физики Земли РАН, г. Москва, Россия e-mail:jyrki.manninen@sgo.fi; kleimen@ifz.ru Поступила в редакцию 20.11.2012 г.
Обсуждаются результаты анализа цифровых высокочувствительных наземных наблюдений ОНЧ излучений, выполненных в северной Финляндии (L = 5.3) в мае—июне 2012 года. В это время был отмечен подход к магнитосфере Земли трех высокоскоростных потоков солнечного ветра, на переднем фронте которых отмечалась генерация длительных интенсивных дневных всплесков ОНЧ излучений в двух частотных полосах: выше и ниже ~2.5 кГц. На частотах выше ~2.5—3.0 кГц наблюдались ОНЧ шипения, временная структура которых часто состояла из квазипериодической последовательности отдельных более сильных пятен шумовых сигналов. Низкочастотную полосу представляли собой хоры, наложенные на интенсивные шипения на частотах ниже ~1.5 кГц. Высокочастотные f > 2.5 кГц) волны были эллиптическими, преимущественно лево-поляризованными, а низкочастотные — право-поляризованными. Высказано предположение, что генерация высокочастотных ОНЧ шипений происходила на L < 5, а ОНЧ хоров на L > 5. Обсуждается возможный сценарий генерации и распространения наблюдаемых ОНЧ излучений.
DOI: 10.7868/S0016794013030127
1. ВВЕДЕНИЕ
Естественные электромагнитные колебания в диапазоне частот между гирочастотами ионов и электронов называются ОНЧ (очень низкочастотными) излучениями. Эти волны играют важную роль в динамике энергичных частиц в околоземном пространстве, а именно, в поперечном переносе энергичных электронов, их локальном ускорении и высыпании из магнитосферы Земли. Среди ОНЧ излучений выделяются два основных класса: шумовые излучения, называемые шипениями (hiss), и дискретные излучения — хоры (chorus). Большая часть ОНЧ волн — это результат развития циклотронной неустойчивости в радиационных поясах Земли. Интерес к ОНЧ излучением возрос после появления классической теоретической работы Трахтенгерца [1963] и монографии Хелливела [Hel-liwell, 1965]. Основные результаты исследований ОНЧ излучений опубликованы в ряде обзоров, например [Распопов и Клейменова, 1977; Haykawa and Sazhin, 1992; Sazhin and Haykawa, 1992]. Недавно вышла новая монография Трахтенгрца и Райкрофта [2011], в которой изложен количественный и самосогласованный теоретический подход к взаимодействию волн и частиц в околоземной плазме с учетом обратных связей и внутренней нелинейности.
Известно, что на земной поверхности ОНЧ излучения наблюдаются, в основном, в ночные и
утренние часы, днем всплески ОНЧ излучения появляются лишь во время магнитных возмущений [Распопов и Клейменова, 1977 и цитируемая там литература].
Несмотря на то, что очень важную информацию о характеристиках ОНЧ излучений в магнитосфере Земли дают измерении на спутниках, однако временная динамика ОНЧ излучений может быть исследована только с помощью наземных наблюдений, число которых в последние годы, к сожалению, резко сократилось. В то же время в северной Финляндии ежегодно проводятся регулярные кампании наземных ОНЧ наблюдений в пункте, удаленном на расстояние ~35—40 км от возможных источников индустриальных помех (населенных пунктов, линий электропередач и промышленных объектов и т.д.). В отличие от используемой ранее аналоговой записи в выбранных полосах частот (filter bank record), в финских наблюдениях используется цифровая компьютерная регистрация ОНЧ сигналов с высокой пороговой чувствительностью приемника порядка 10-6 нТл при отношении сигнал/шум 150 дБ.
Очередная финская ОНЧ кампания проводилась с 7 мая по 8 июня 2012 г. В это время в солнечном ветре было зарегистрировано три высокоскоростных потока со скоростью, достигающей 750 км/с. Целью данной работы является детальный анализ динамики спектрально-временной структуры днев-
ных всплесков ОНЧ излучений, зарегистрированных во время этой кампании.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА ОНЧ НАБЛЮДЕНИЙ
Во время майской ОНЧ кампания 2012 г., как и в предыдущие кампании [Клейменова и др., 2011; Маннинен и др., 2012], регистрация ОНЧ волн проводилась на временном пункте Kannuslehto (KAN — географические координаты: ф = 67.74° N, X = 26.27° E, исправленные геомагнитные координаты: Ф = 64.2°; Л = = 107.9°, L = 5.3) в 35 км от обс. Соданкюля (SOD). Измерения осуществлялись с помощью двух вертикальных ортогональных рамочных антенн, что позволяло исследовать поляризационные характеристики сигналов. Описание регистрирующей аппаратуры и метода анализа цифровых данных с применением специальных компьютерных программ, разработанных проф. Т Туруненом (обс. Соданкюля), приведено в работе [Manninen, 2005].
В это время по данным OMNI [ftp://nssdcftp. gsfc. nasa.gov/spacecraft_data/omni/] было зарегистрировано три высокоскоростных потока солнечного ветра: 9—13 мая, 23—25 мая и 4—9 июня (рис. 1). Всем им за несколько часов предшествовал подход к магнитосфере Земли областей с повышенной плотностью солнечного ветра (Np). Такая ситуация характерна для CIR (Corotating Interactive Regions) потоков солнечного ветра, когда в ходе движения от Солнца быстрый поток солнечного ветра догоняет более медленный, и сжимая плазму, создает перед собой область повышенной плотности и магнитного поля (плотный транзи-ент). Такие высокоскоростные потоки, как правило, приводят к развитию в магнитосфере Земли слабой или умеренной магнитной бури. В данном случае наблюдались слабые магнитные бури, что видно на рис. 1, где кроме данных о параметрах солнечного ветра и ММП приведены вариации ^sí-индекса.
На переднем фронте каждого из этих потоков на земной поверхности наблюдались продолжительные дневные всплески ОНЧ излучений. Кроме того, интенсивный всплеск дневных ОНЧ излучений был также зарегистрирован 20 мая после прихода к магнитосфере Земли межпланетной ударной волны, когда одновременно было отмечено резкое возрастание скорости и плотности солнечного ветра и межпланетного магнитного поля (В ММП).
Рассмотрим подробнее всплеск ОНЧ излучений на переднем фронте первого высокоскоростного потока (9 мая) и сравним его характеристики с ОНЧ излучениями, вызванными межпланетной ударной волной (20 мая).
ОНЧ излучения 9 мая 2012. Ситуация в межпланетной среде (вариации динамического давления, скорости и плотности солнечного ветра и Bz-компоненты ММП) и на земной поверхности (вариации АЕ индекса) в обсуждаемый интервал времени показана на рис. 2а. В средней части рис. 2а приведены магнитограммы двух авро-ральных обсерваторий (IQA и FCC), находящихся в это время в ночном секторе Земли, и двух обсерваторий дневного сектора (SOR и SOD), расположенных на меридиане точки ОНЧ наблюдений (KAN).
В нижней части рис. 2а приведена спектрограмма ОНЧ излучений в диапазоне 0.5—6.0 кГц. Горизонтальные сплошные линии на рисунке — это индустриальные помехи в виде гармоник излучений от линий электропередач (избавиться от них не представляется возможным). Следует заметить, что при проведении спектрально-временного анализа спектрограммы ОНЧ излучений строятся в виде цветных графиков, перевод которых в черно-белый вариант, к сожалению, приводит к значительной потери качества и наглядности результатов анализа.
Всплеск ОНЧ излучений начался в ~03.50 UT после прихода к магнитосфере Земли резкого скачка плотности и динамического давления солнечного ветра (до 8 нПа), вызвавшего небольшую суббурю, зарегистрированную в предполуночном секторе на высокоширотной обсерватории IQA (рис. 2а). В вариациях АЕ индекса эта суббуря не видна, потому что этот индекс определяется по данным наблюдений обсерваторий, расположенных на широтах ниже обс. IQA. В начале ОНЧ всплеска это были хоровые излучения в полосе ~1.6—3.5 кГц, типичные для утреннего сектора после окончания ночной суббури. Они традиционно наблюдались при отрицательных значениях Bz ММП. Затем, после поворота Bz ММП к северу и резкого скачкообразного уменьшения динамического давления солнечного ветра до 4 нПа, ОНЧ излучения резко усилились (в 04.40 UT), и одновременно с хорами внезапно появились интенсивные шипения в полосе частот ~0.5—3.0 кГц.
В ~05.50 UT в структуре излучений появились два новых всплеска ОНЧ шипений в более высокой частотной полосе ~3.5—5.5 кГц. В это время на геостационарных спутниках GOES-13 и GOES-15 в ночном секторе магнитосферы наблюдалось нестационарное высыпание высокоэнергичных электронов (эти графики здесь не приводятся). Известно, что локальная инжекция энергичных электронов в ночном секторе сопровождается их магнитным дрейфом, вследствие чего внутри плазмосферы или в оторвавшихся плазменных облаках может происходить генерация шумовых ОНЧ излучений за счет циклотронной неустойчивости [Трахтенгерц и Райкрофт, 2011].
Ч А
Н 0
я
07.05-07.06.2012 г.
Np
Bz
Dst
£ 0 я
07.05
11.05 15.05 19.05 23.05 27.05 31.05
04.06
Рис. 1. Вариации плотности (Лр) и скорости (V) солнечного ветра, межпланетного магнитного поля (В) и его вертикальной компоненты (Вг), а также Д^-вариация в период ОНЧ кампании мая 2012 г., стрелками показаны анализируемые события.
Результаты поляризационного анализа обсуждаемого всплеска ОНЧ излучений (рисунки здесь не приводятся, поскольку перевод цветных поляризационных спектрограмм в черно-белые делает невозможным воспроизведение различий в их тонких цветовых деталях) показал, что данный ОНЧ всплеск характеризовался правой, близкой к круговой поляризацией волн. Это может быть проинтерпретировано как расположение точки выхода ОНЧ волн из ионосферы в окрестности станции KAN [Yearby and Smith, 1994].
В верхней части рис. 3 показаны две 10-ти минутные спектрограммы обсуждаемого ОНЧ всплес-
ка в 05.50 иТ и 07.08 иТ, на которых видно, что спектральная структура излучений в 05.50 иТ включала одновременное появление трех различных, по-видимому, независимых частотных полосы эмиссий. Полоса более высокочастотных (~3.5—5.5 кГц) шипений представляла собой квази
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.