КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2007, том 45, № 1, с. 31-43
УДК 550.385.36
ИССЛЕДОВАНИЕ СУББУРИ 12 МАРТА 1991. 1. СТРУКТУРА СУББУРЕВОЙ АКТИВНОСТИ И АВРОРАЛБНЫЕ ИОНЫ
© 2007 г. Л. Л. Лазутин1, Т. В. Козелова2, Н. П. Мередит3, М. Даниелидис4, Б. В. Козелов2, Дж. Юссила4, А. Корт5
Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д. Скобельцына МГУ
lazutin@srd.sinp.msu.ru 2Полярный геофизический институт КНЦ РАН, г. Апатиты 3Университетский колледж, Лондон; Британская антарктическая служба, Кембридж, Великобритания
4Университет Оулу, Финляндия 5Институт Макса-Планка, Линдау, Германия Поступила в редакцию 13.04.2005 г.
Суббуря 12.III.1991 г. исследуется по данным наземной сети магнитометров, камер всего неба и ТВ-записям полярных сияний и измерениям потоков частиц и магнитного поля на спутнике в плоскости экватора. В первой части рассмотрена структура суббуревой активности и связанная с суббурей динамика авроральных ионов центрального плазменного слоя (ЦПС) и энергичных квазизахва-ченных ионов. Показано, что несколько резких изменений потоков и питч-углового распределения ионов, из которых складывается суббуревая инжекция ионов, предшествуют диполизации магнитного поля и возрастаниям энергичных электронов и совпадают с активизациями полярных сияний, которые регистрировались на 20° восточнее спутника. Сделан вывод о разных механизмах суббуревого ускорения (инжекции) ионов и электронов.
PACS: 94.30.Aa
1. ВВЕДЕНИЕ
В данной работе исследуется суббуря 12.111. 1991 г. по наземным магнитным и телевизионным данным и по измерениям на спутнике CRRES. Высокое временное разрешение спектрометров частиц на спутнике и ТВ-записей полярных сияний позволяет провести исследование с такой точностью, которую требуют взрывные процессы начала суббури и последующих активизаций, когда нескольких секунд достаточно, чтобы картина сияний или поток авроральных частиц изменились существенно. За год работы спутника CRRES, в котором удачный подбор детекторов сочетался с орбитой, надолго оставлявшей спутник вблизи экватора в области квазизахвата, всего лишь два раза полярные сияния регистрировались вблизи области, сопряженной с положением спутника. В первом случае [1] спутник находился восточнее вспышек свечения, что позволило исследовать геометрию области ускорения электронов. В нашем случае спутник сначала был западнее эпицентра активности, затем авроральная выпуклость WTS докатилась и накрыла спутник, спектр доступных исследованию процессов оказался в этом случае намного шире.
В первой части работы исследуется детальная пространственно-временная структура возмущения и связь процессов подготовительной фазы и начала экспансии с потоками авроральных ионов.
Вторая часть [2] посвящена проблемам ускорения (инжекции) авроральных электронов.
Динамика ионов в области квазизахвата, там, где начинается суббуря, играет ведущую роль в подготовке и развитии суббури: именно дрейфующие ионы дают основной вклад в частичный кольцевой ток, меняющий конфигурацию магнитосферы, а градиенты плазменного давления определяют структуру продольных токов [3, 4]. Вместе с тем о динамике авроральных ионов известно мало и в основном по усредненным, статистическим данным, работ, рассматривающих динамику ионов с хорошим временным разрешением - единицы, а с приемлемым пространственным разрешением и вовсе нет.
Поскольку и спутник, и область, охваченная возмущением, находились во внутренней магнитосфере, в области квазизахвата, мы ничего не говорим о процессах в хвосте магнитосфере, которые могли там иметь место.
2. НАБЛЮДЕНИЯ
Наземные наблюдения включали сеть магнитных станций Скандинавии и русского севера, три камеры всего неба с разрешением в 1 мин и телевизионную камеру полярных сияний в Килписяр-ви со стандартным разрешением 24 кадра в сек.
Таблица 1. Координаты наземных обсерваторий, град
Сокр. Станция Геогр. шир. Геогр. долг. CGM шир. СПМ долг.
APA Apftity 67.58 N 33.31 E 63.86 N 112.9 E
BJN Dear Island 74.50 19.20 71.45 108.07
BOR Borok, CIS 58.03 38.33 54.06 113.41
DIK Dixon 73.5 80.6 68.3 155.9
FAR Earoes 62.05 7.02 W 60.72 77.44
KEV Kevo 69.76 27.01 66.32 109.24
KIL Kiplisjarvi 69.02 20.79 65.88 103.79
LOZ Lovozero 67.97 35.08 64.23 114.49
MUO Muonio 68.02 23.53 64.72 105.22
NOR Nordli, Norway 64.37 13.36 E 61.50 94.92
NUR Nurmijarvi 60.50 24.65 56.89 102.18
OUJ Oulujarvi 64.52 27.23 60.99 106.14
PEL Pello 66.90 24.08 63.55 104.92
SOD Sodankyla 67.37 26.63 63.92 107.26
TRO Tromso 69.66 18.94 66.64 102.90
YMN YanMayen 70.90 8.70 W 70.29 82.93
Координаты станций приведены в табл. 1 и некоторые из них - на рис. 1. Здесь же показана расчетная проекция вдоль силовых линий положения спутника CRRES (пунктир). Спутник CRRES был запущен 25.VII.1990 г. на переходную геосинхронную орбиту с периодом 14 часов, перигеем 305км, апогеем 35768 км и наклонением 18°. На борту спутника работало несколько детекторов частиц, из которых мы используем блок LEPA (low energy plasma analyzer), измерявший электроны и ионы в 20 дифференциальных энергетических каналах в диапазоне 100 эВ < E < 30 кэВ и питч-угловое распределение с разрешением 5.625° х 8° от 0° до 180° каждые 30 с. оборота спутника вокруг своей оси [5]. Детектор энергичных частиц EPAS (electron proton angular spectrometer) измерял электроны в 14 каналах в диапазоне
21-285 кэВ и ионы в 12 каналах с энергиями 37 кэВ - 3.2 МэВ [6]. В табл. 2 приведены энергетические пороги каналов.
Данные ферромагнитного магнитометра [7] были доступны с усреднением 2 сек. Измерения электрического поля были также доступны, но для детального анализа непригодны, так как временное разрешение определялось медленным вращением спутника и составляло 30 сек.
2.1. Анализ суббуревой активности. Как видно из графика Ае индекса, представленного на рис. 2, день 12.Ш.1991г. был умеренно возмущенный с несколькими суббурями нарастающей интенсивности. Двойной пунктирной линией показано время начала интересующей нас суббури 20.26 иТ и экспансии 20.30 ит. Здесь и далее - время мировое. Суббуря развивалась на возмущенном фоне, была довольно сильной, но с постепенным разви-
60 Рис. 1
Ae, Al, Au, нТ 1000 г
500-
0 -
-500-
12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 UT Рис. 2
тием: Ае нарастает в течении получаса, до 21.00 и достигает величины 500 нТ.
Из рис. 3, на котором представлены Н-состав-ляющие нескольких магнитометров, видно, что эта постепенность включает серию активизаций, разбросанных по скандинавскому полуночному сектору. Современная суббурелогия придает важное значение моменту Т0 начала взрывной фазы.
Для отождествления Т0 мы могли использовать все основные способы - по началу цуга пульсаций Pi2, по вспышке экваториальной дуги полярного сияния, по резкому началу отрицательной магнитной бухты и по началу диполизации магнитного поля и инжекции энергичных электронов в геостационарной области. Скажем сразу, что однозначного результата мы не получили.
Цуг пульсаций Pi2, зарегистрированный на обсерватории Борок и представленный на рис. 4, начинается в 20.22 с нарастанием амплитуды до 20.30, что подтверждает постепенный и многоступенчатый характер развития суббури. Анализ магнитограмм и записей полярных сияний показывает, однако, что в 20.22 (момент А) наблюдалась лишь активизация дуги сияния, и по этому признаку можно ее отнести к возмущению типа псевдобрейкапа.
Подробный просмотр ТВ записи, который здесь, к сожалению, воспроизвести нельзя, говорит о том, что активизация была вращательного типа, на дуге образуется вихревое уярчение, сви-
Bz, нТ 120
80 1200
800 1400 1000 600
200 800
600 400 200
Таблица 2. Энергетические каналы детектора электронов (E) и ионов (P) EPAS, кэв
19.00
20.00
21.00
22.00 UT
E1 21.5-31.5 P1 37-54
E2 31.5-40 P2 54-69
E3 40-49.5 P3 69-85
E4 49.5-59 P4 85-113
E5 59-69 P5 113-147
E6 69-81 P6 147-193
E7 91-94.5 P7 193-254
E8 94.5-112 P8 254-335
E9 112-129.5 P9 335-447
E10 129.5-151 P10 447-602
E11 151-177.5 P11 602-805
E12 177.5-208 P12 805-3200
E13 208-242.5
E14 242.5-285
детельствующее о возникновении струи продольного вытекающего из ионосферы тока. Аналогичными признаками обладали и более ранние уярчения дуг, которые видны на кеограмме рис. 5.
В то же время, в 20.22-20.24 отмечается небольшой спад Х-компоненты на магнитометрах PEL, KIL и APA, свидетельствующий о росте западного электроджета, который оставался небольшим до резкого усиления с началом активной фазы. Некоторое усиление фона свечения в районе южной дуги наблюдается в 20.24, а брей-кап экваториальной дуги по измерениям на трех финских камерах всего неба, начиналась в 20.26. В этот же момент магнитограмма ст. Апатиты фиксирует резкое начало отрицательной бухты, так что есть все основания считать, что суббуря начинается в T0 = 20.26.
Телекамера в Килписярви регистрирует свечение примено 15° над горизонтом, поэтому брей-кап в момент T0 на кеограмме не виден. Кеограм-ма, сделанная по этим данным, представлена на
обе. Борок
A
B
C D
E
20,
00
21.00 UT
Рис. 3
Рис. 4. A - псевдобрейкап, B - Г0, C - Г1, D - брейкап на Диксоне, E - локальная активизация на меридиане CRRESa.
20.26 ит К 20.28 ит К
W
v* г
N
Z
19.40
20.20
21.00
21.40 ит
Рис. 5
рис. 5. На кеограмме и еще более отчетливо на телевизионной записи брейкап полярных сияний виден в Т1 = 20.28. Всплески сияний, появлявшиеся на дугах, движущихся к экватору до этого второго брейкапа, закономерно отнести к подготовительной фазе суббури. И, наконец, третья значимая временная отметка, Тд = 20.30, относится к началу быстрой экспансии активности к полюсу и началу крупномасштабной диполизации магнитного поля, события, которые тоже часто относят к Т0 (см. рост Бг CRRES на рис. 3).
На рис. 6 приведено несколько кадров сияний, относящихся к трем моментам Т0, Т1 и Тд. Не вдаваясь в подробное описание деталей развития активности, можно сказать, что она разгоралась по экспоненте - сначала небольшие вспышки в конце подготовительной фазы и брейкап Т0 в южной дуге с ограниченной экспансией, и затем - с ускоренной крупномасштабной экспансией после второй активизации.
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.