УДК 550.388
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЛЯ И КРУПНОМАСШТАБНЫЕ ВОЛНЫ СВЕЧЕНИЯ В ВЕЧЕРНЕМ СЕКТОРЕ ДИФФУЗНОЙ АВРОРАЛЬНОЙ ЗОНЫ
© 2010 г. Д. Г. Баишев1, Е. С. Баркова1, А. Е. Степанов1, F. Rich2, K. Yumoto3
Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера СО РАН 2Air Force Research Laboratory, Hanscom Air Force Base, Massachusetts, USA 3Space Environment Research Center, Kyushu University, Fukuoka, Japan e-mail: baishev@ikfia.ysn.ru Поступила в редакцию 14.04.2009 г. После доработки 08.07.2009 г.
Выполнен анализ синхронных наземных и спутниковых наблюдений сильных электрических полей и крупномасштабных волн свечения, наблюдавшихся 12.12.2004 г. в вечернем секторе диффузной авроральной зоны 09:00—10:00 UT 17—18 MLT). Появление сильного направленного к северу электрического поля в ~09:00 UT было зарегистрировано практически одновременно ионосферной станцией в Тикси (71.6°N, 128.9°E, L = 5.6) и спутником DMSP F15. В интервале 09:10-10:00 UT ТВ камера всего неба в Тикси и спутники DMSP (F13, F14, F15) зафиксировали 8 волн свечения, распространяющихся на запад со скоростью 0.7-0.8 км/с. Параметры волн, зарегистрированные телевизионными наблюдениями, согласуются с данными спутниковых измерений. Отличительная особенность анализируемого события в том, что интенсивное электрическое поле и волны диффузного свечения были локализованы внутри диффузной зоны в области повышенного высыпания кэВ-ных электронов. Сопоставление данных наземных и спутниковых измерений позволило сделать предположение о необходимых условиях для формирования волн диффузного свечения.
PACS: 94.20.Ac, 94.30.Ny, 94.20.Ss, 94.30.cq, 94.20.wc
1. ВВЕДЕНИЕ
Крупномасштабные волны свечения впервые были обнаружены по данным спутников серии DMSP [Lui et al., 1982]. Волны с амплитудой 40400 км и длиной волны ~200-900 км наблюдались на экваториальной границе диффузных сияний (Ф' ~ 60°) в вечернем секторе вблизи максимума кольцевого тока. Согласно [Kelley, 1986], волны возникают в результате развития неустойчивости Кельвина-Гельмгольца, обусловленной генерацией интенсивных электрических полей, направленных к полюсу, локализованных экваториаль-нее авроральных электронных высыпаний.
Одним из ярких проявлений интенсивных электрических полей в области главного ионосферного провала является возникновение субав-роральных поляризационных потоков (SAPS) [Foster and Burke, 2002]. Исследованию морфологии и характеристик SAPS посвящена работа [Foster and Vo, 2002] по данным радара некогерентного рассеяния в Миллстоун-Хилле в течение 1979-2000 гг. Показано, что такие потоки регистрируются с вечерних до ранне-утренних часов при Kp > 4. В предполуночном секторе поляризационный поток наблюдается экватори-альнее L = 4, охватывая по широте 3-5°, и имеет максимальную скорость >900 м/с.
Несколько случаев крупномасштабных волн свечения было зарегистрировано прибором GU-VI на спутнике TIMED [Zhang et al., 2005]. Крупномасштабные структуры свечения наблюдались на экваториальной границе диффузного протонного сияния во время магнитных бурь (Dst < —60 нТл) на дневной, ночной и утренней стороне. На дневной стороне структуры сопровождались сильным конвекционным сдвигом в области их наблюдения. Синхронные измерения со спутников DMSP и TIMED в периоды регистрации волн диффузного свечения показали, что необходимыми условиями для генерации крупномасштабных структур свечения являются высокие дрейфовые скорости (>1000 м/с) и их резкий градиент по широте (>0.1 с-1).
Целью данной работы является исследование пространственно-временной динамики и условий генерации крупномасштабных волн диффузного свечения, зарегистрированных в вечернем секторе 12.12.2004 г., по синхронным наземным и спутниковым измерениям.
2. АНАЛИЗ ДАННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ
Для анализа использованы данные телевизионных наблюдений в Тикси с временным разре-
Список станций, используемых в анализе
№ Название станции Условные обозначения Географические координаты Геомагнитные координаты Местная магнитная полночь (UT)
широта, град. долгота, град. широта, град. долгота, град.
1 Котельный KTN 76.0 135.9 70.3 200.1 15:53
2 Тикси TIX 71.6 128.9 66.1 197.7 16:02
3 Жиганск ZGN 66.8 123.4 61.4 194.6 16:13
4 Gillam GILL 56.4 265.4 66.3 332.5 06:34
5 Island Lake ISLL 53.9 265.3 63.9 332.8 06:33
шением ~4 с [Shiokawa е! а1., 1996], серии спутников ОМ8Р, вариаций магнитного поля проектов САК^МА и CPMN и ионосферных возмущений в Тикси (ионосферная станция российской разработки "Парус") и Жиганске (дигизонд DPS-4). Геомагнитные и географические координаты, международные коды и местное геомагнитное время используемых станций приведены в таблице. Данные о межпланетном магнитном поле получены со спутника ОЕОТАТЬ (20.2, 21.9, 3.1) ЯЕ в
GSE координатах. Время распространения возмущения от спутника до подсолнечной точки составляло ~3 мин.
Геомагнитную обстановку в полуночном и вечернем секторе с 07:30 до 11:00 ИТ 12.12.2004 г. иллюстрирует рис. 1. На рисунке представлены вариации межпланетного магнитного поля (ММП), магнитограммы авроральных станций, а внизу приведены вариации авроральной светимости в северо-южном направлении (кеограмма)
10
£ я
cd н Я
(D
Я о я
о
а *
cd н я
<D
Я о я
S
я
^ а
^ 3
о *
£ &
cd О
а л
м а
° В я
1-ч
S 0
-5
1 1 - ! By ; Geotail i' А /\ А гХтТЛ Л /\ 1ч
Г W'^r^y-J wv/ s 'Vi \J i i i i
<D £
Я
0 0
(D £
ж
0 0
i i i i
- j - i GILL "1 ISLL " i i l l - I l l l 1 1 V чу
76 74 727068
TIX t J — ' -----f. —
1 — 1 1 i 1 i
08:00
09:00
10:00
UT
5
Рис. 1. Сверху вниз: вариации By (штриховая) и Bz (сплошная) компоненты по данным спутника Geotail, вариации X(H) компоненты магнитного поля на авроральных станциях в вечернем (KTN, TIX) и послеполуночном (GILL, ISLL) секторе и кеограмма в северо-южном направлении ст. Тикси для события 12.12.2004 г.
р
св Н О
р и
св
о <0
и
-е
св
р
О <0 1-ч
74
73
72
71
09:00
09:10
09:20
09:30
09:40
09:50
UT
W
N
09:13:52
09:21:04
09:25:03
09:28:28
09:33:10
09:38:52
09:45:29
09:56:09
Рис. 2. Кеограмма в северо-южном направлении в интервале 09:00—10:00 UT и ТВ кадры сияний на станции Тикси.
по данным ТВ камеры на ст. Тикси. Кеограмма построена в координатах географическая широта-мировое время с учетом высоты сияний ~110 км. Из рисунка видно, что Bz компонента осциллировала от —3 до 3 нТл, а значения By ММП оставались положительными (~5 нТл) в течение всего рассматриваемого интервала. Плотность солнечного ветра, измеренная спутником АСЕ на X = —240 RE, была около 14 см-3, а скорость ~440 км/с (не показано). Отметим, что значение Dst индекса составило -43 нТл. Вариации магнитного поля ав-роральных станций в интервале ~07:30—10:00 UT свидетельствуют о развитии двухвихревой DP2 токовой системы и усилении конвекции, а в ~10:00 UT — о начале суббури. Интенсивности западного электроджета в полуночном (GILI, ISLL) секторе и восточного электроджета в вечернем (K1N, TIX) секторе были сравнимы (АН ~ 200 нТл).
Вариации экваториальной границы диффузных сияний можно проследить по кеограмме. Из-за облачности в период наблюдения кеограмма
получилась темной. Видно, что экваториальная граница в интервале 08:30—09:00 иТ смещалась к югу (с ~74° до ~71°) со скоростью ~200 м/с. Синхронно с движением границы перемещалась и область максимальной интенсивности восточного (западного) электроджета в вечернем (полуночном) секторе.
В интервале 09:10—10:00 иТ ТВ камерой были зарегистрированы 8 волн свечения. Следует отметить, что крупномасштабные волны были локализованы внутри диффузной зоны, при этом положение экваториальной границы диффузных сияний оставалось неизменным (~71°).
Рассмотрим более подробно динамику развития крупномасштабных волн диффузного свечения. На рис. 2 показаны кеограмма в направлении север-юг (рис. 2а) и ТВ кадры серии наблюдавшихся волн (рис. 2б). ТВ кадры сияний приведены в негативе. Из-за облачности на всех кадрах виден слабый серый фон, поэтому дискретная дуга сияний севернее зенита Тикси, отчетливо
р
Í-C
03
н о
Í-C
4
о д
«
св
О
(U ^
и
-е
св
р
О (U 1-ч
134 132 130 128 126' 124
09:00 09:10 09:20 09:30 09:40 09:50 ИТ
Рис. 3. Кеограмма в восточно-западном направлении в интервале 09:00—10:00 иТ на географической широте 73°.
зарегистрированная на спутниках ЭМ8Р (см. рис. 5), на кеограмме сливается с волнообразными структурами. Крупномасштабные структуры наблюдались на географических широтах 74—72.5°, т.е. внутри диффузной зоны. Оценки показали, что амплитуда волн изменялась в пределах ~100— 150 км, а длина волны составляла ~200—300 км.
Чтобы определить скорости распространения диффузных волн свечения, по данным ТВ камеры была построена кеограмма в направлении восток-запад на географической широте 73° (рис. 3). На кеограмме отчетливо прослеживаются 7 волн, распространяющихся на запад. Из-за смещения области формирования диффузных волн к югу, восьмая волна, локализованная на широте ~72.5°, не видна. Волны в начале распространялись с постоянной скоростью ~800 м/с, а в конце
анализируемого интервала скорость уменьшилась до ~700 м/с.
Развитие ионосферных возмущений в интервале 08:15—09:00 UT представлено на рис. 4, где приведены ионограммы станций Тикси и Жи-ганск. Данные вертикального зондирования в Тикси показали, что станция находилась в зоне диффузных сияний и ионограмма в 08:15 UT иллюстрирует типичную картину с диффузными следами нерегулярных отражений в F и E слоях ионосферы. В 08:30 UT в Тикси наблюдался спорадический Esr слой с частотой 2.7 МГц, обусловленный высыпаниями высокоэнергичных протонов. В Жиганске регистрировался регулярный F2 слой с критическими частотами 3.1 и 2.7 МГц в 08:15 и 08:30 UT, соответственно. Отсутствие отражений от E слоя и понижение критических частот foF2 в Жиганске свидетельствует о локализации ст. Жиганск в пределах главного ионосферного провала. В 08:45 UT в Тикси критическая частота Esr слоя уменьшилась до 2 МГц, а в слое F появился диффузный нерегулярный след. В Жи-ганске критическая частота foF2 в этот момент понизилась до 2.0 МГц. С 09:00 UT в Жиганске началось полное
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.