научная статья по теме КРУПНОМАСШТАБНЫЕ ВОЛНЫ ДИФФУЗНОГО СВЕЧЕНИЯ В ВЕЧЕРНЕМ СЕКТОРЕ. ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И УСЛОВИЯ ГЕНЕРАЦИИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «КРУПНОМАСШТАБНЫЕ ВОЛНЫ ДИФФУЗНОГО СВЕЧЕНИЯ В ВЕЧЕРНЕМ СЕКТОРЕ. ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И УСЛОВИЯ ГЕНЕРАЦИИ»

ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2015, том 55, № 1, с. 45-55

УДК 550.338.1

КРУПНОМАСШТАБНЫЕ ВОЛНЫ ДИФФУЗНОГО СВЕЧЕНИЯ В ВЕЧЕРНЕМ СЕКТОРЕ. ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

И УСЛОВИЯ ГЕНЕРАЦИИ

© 2015 г. В. Г. Воробьев, В. К. Ролдугин, О. И. Ягодкина

Полярный Геофизический институт КНЦРАН, г. Апатиты (Мурманская обл.)

e-mail: vorobjev@pgia.ru Поступила в редакцию 04.06.2014 г.

Исследованы оптические характеристики крупномасштабных волн диффузного свечения (КВС), наблюдаемых камерами всего неба на Кольском п-ове 28 декабря 2010 г. Проанализированы условия в межпланетной среде и характеристики геомагнитной активности до начала КВС и в период их регистрации. Показано, что генерация волн свечения могла быть инициирована резким кратковременным ~20 мин импульсом динамического давления солнечного ветра, а их существование в течение ~2-х часов поддерживалось электрическим полем стационарной магнитосферной конвекции, установившейся под влиянием большой, слабо изменяющейся отрицательной Bz компоненты ММП величиной —12 нТл. Высота свечения волн, определенная триангуляционным методом, составляла 120 ± 10 км. Амплитуда волн изменялась в интервале от ~ 100 до 300 км, а средняя длина волны составляла ~250 км. Волны свечения перемещались в западном направлении со средней фазовой скоростью ~0.7 км/с. Пролет спутника DMSP F16 вдоль "языка" свечения показал, что волна свечения располагалась в области исключительно ионных (протонных) высыпаний, средняя энергия которых составляла ~18 кэВ. Внутри области диффузного свечения в период регистрации КВС непрерывно наблюдались лучистые структуры, перемещающиеся в западном направлении со средней скоростью ~2 км/с, что соответствует направленному на север электрическому полю ~100 мВ/м.

DOI: 10.7868/S0016794015010137

1. ВВЕДЕНИЕ

Крупномасштабные волны свечения (КВС) на экваториальном крае диффузных сияний впервые были представлены в работе [Lui et al., 1982]. По снимкам сияний со спутников серии DMSP эти авторы обнаружили четыре события КВС и представили их обобщенные характеристики. Все волны свечения были зарегистрированы в вечернем секторе в периоды магнитных бурь около пиковых значений в Dst индексе. Длительность существования волн свечения в отдельных событиях оценена в интервале от 0.5 до 3.5 ч, амплитуда волн составляла от 40 до 400 км, а длина волны варьировалась от 200 до 900 км. Статические снимки спутников DMSP не позволили авторам определить динамические характеристики КВС. Такие исследования были проведены позднее по наблюдениям наземных камер всего неба. Первые данные, указывающие на то, что КВС перемещаются в западном направлении, были представлены в работе [Nishitani et al., 1994]. Авторы проанализировали одно событие длительностью чуть более 20 мин, в котором удалось выделить четыре полные волны свечения. Амплитуда волн составляла от 70 до 140 км, средняя длина волны ~140 км, а фазовая скорость движения колебаний 0.5—0.7 км/с.

При выполнении этих расчетов высота сияний принималась равной 100 км.

По данным камеры всего неба в восточной Сибири Baishev et al. [2000] исследовали событие КВС длительностью ~80 мин, в котором амплитуда волн составляла 50—250 км, а длина волны 200—300 км. Скорость распространения "языков" свечения в западном направлении была оценена в ~0.7 км/с в предположении их высоты 110 км. Недавно Henderson et al. [2010] опубликовали результаты исследования более масштабных волн свечения, которые существовали примерно 2 часа в период магнитной бури 24 ноября 2001 г. Скорость движения волн свечения амплитудой ~900 км и длиной волны ~700 км составляла ~0.9 км/с относительно поверхности Земли. Для определения характеристик КВС по наземным данным необходимо знать высоту свечения. Исходя из общих соображений о высоте авроральных эмиссий, высота свечения волн разными авторами принималась равной 100—110 км, хотя ни триангуляционным методом, ни какими-либо другими методами до настоящего времени специально не исследовалась.

В работе [Lui et al., 1982] и других цитируемых выше исследованиях было отмечено, что в перио-

ды КВС на приполюсном крае диффузного свечения наблюдались яркие формы сияний и двигающиеся к западу изгибы — формы, характерные для фазы развития суббури. В настоящее время не совсем ясно играет ли наличие суббуревой активности существенную роль для генерации волн свечения. Так, Баишев и др. [2010] рассмотрели событие КВС 12 декабря 2004 г., в котором наземной камерой всего неба в обсерватории Тикси было зарегистрировано 8 волн свечения амплитудой 100—150 км и длиной волны 200—300 км. Это событие длилось ~1 ч в относительно магнитоспокойный период между двумя суббурями в магнитном поле. Тем не менее, и в этом событии яркие дискретные формы сияний и авроральные изгибы были зарегистрированы спутниками DMSP в приполюсной части полосы свечения. Наличие таких форм сияний в вечернем секторе обусловлено, по всей вероятности, тем обстоятельством, что рассматриваемый интервал приходился на фазу восстановления магнитной бури.

Механизм возбуждения крупномасштабных волн свечения до настоящего времени окончательно не установлен, однако существует устойчивое мнение, что большие градиенты скорости конвекции на субавроральных широтах играют существенную роль в их генерации. Наличие струй усиленной конвекции на широтах ниже овала сияний впервые было отмечено в работе [Galperin et al., 1974], в которой они именовались как "поляризационный джет". В дальнейшем такие явления получили более общее название — "субавроральный поляризационный поток", SAPS [Foster J.C. and Burke, 2002]. В работе [Goldstein et al., 2005] представлена магнитосферная модель SAPS и показана возможность возникновения волн на плазмопаузе в результате суббуревых инжекций. Mishin and Mishin [2007] показали, что в периоды магнитных бурь поляризационные потоки резко усиливаются примерно через 10 мин после начала суббури. Эта интенсификация начинается тогда, когда движущийся к западу изгиб (WTS) в вечернем секторе достигает сопредельной авроральной области.

Появление КВС можно рассматривать как достаточно редкое явление. Это вытекает хотя бы из того факта, что снимки спутников DMSP имеются в наличии с 1972 г., а первая публикация об этом явлении появилась лишь в 1982 г. [Lui et al., 1982]. В этом исследовании за десятилетний период наблюдений обнаружено только 4 события КВС. Все последующие публикации акцентированы, главным образом, на исследовании единичных событий или, в исключительных случаях, нескольких.

В настоящей работе проведено детальное исследование крупномасштабных волн свечения, зарегистрированных обсерваториями на Коль-

ском п-ове 28 декабря 2010 г. Цель работы состоит в том, чтобы детально исследовать оптические характеристики волн свечения и определить условия в межпланетной среде и в магнитосфере Земли, сопутствующие их генерации. Показано, что волны свечения могли быть инициированы импульсом динамического давления солнечного ветра, а их существование примерно в течение 2-х часов поддерживалось электрическим полем стационарной магнитосферной конвекции.

2. КВС И УСЛОВИЯ ИХ ГЕНЕРАЦИИ

Крупномасштабные волны свечения, исследуемые в настоящей работе, были зарегистрированы камерами всего неба на Кольском п-ове 28 декабря 2010 г. в интервале 14:00—16:00 UT На рисунке 1а показана кеограмма сияний в направлении геомагнитного меридиана, полученная по наблюдениям в обсерватории Ловозеро (LOZ, Ф' = 64.17°, MLT = UT + 2.6). Кеограмма построена в области зенитных углов ±80°, по горизонтальной оси отложено мировое время. Из рисунка видно, что КВС наблюдались в ранние вечерние часы ~16:40—18:40 MLT на экваториальном крае диффузных сияний, в то время как в приполюсной части свечения располагались яркие дискретные формы. Рисунок 1б иллюстрирует эти волны свечения в координатах исправленная геомагнитная широта — мировое время (CGL-UT).

Параметры солнечного ветра и межпланетного магнитного поля (ММП), а также характеристики магнитной активности анализировались по 1 мин данным OMNI (http://cdaweb.gsfc.nasa.gov), часть из которых в расширенном интервале от 10:00 до 18:00 UT представлена на рис. 2. Интервал наблюдения крупномасштабных волн свечения выделен вертикальными линиями. Из рисунка видно, что волны свечения появились после резкого кратковременного (~20 мин) импульса динамического давления солнечного ветра, который сопровождался почти синхронным увеличением магнитной активности в авроральной зоне (AL индекс) и ростом SYM/H, связанным с поджатием дневной магнитосферы. Импульс давления был обусловлен исключительно скачком плотности плазмы примерно от 14 до 56 см-3, сразу же после которого в интервале ~14:00—16:00 UT параметры межпланетной среды изменялись незначительно: величины Bz и By компонент ММП составляли примерно —12 и +7 нТл соответственно, динамическое давление ~4 нПа. В AL индексе в этот период, хотя и наблюдались некоторые вариации активности, средние значения оставались примерно на уровне около —700 нТл. Такие характеристики ММП, плазмы солнечного ветра и магнитной активности могут указывать на существование в интервале 14:00—16:00 UT стационарной магнитосферной конвекции (СМК). Впервые су-

N

Ф', град 66

64

62

60

58 14:00

14:30

15:00

15:30

16:00 ит

Рис. 1. Кеограмма сияний в интервале 14:00—16:00 ит, выполненная в направлении геомагнитного меридиана (а). Положение экваториальной границы диффузного свечения в координатах исправленная геомагнитная широта — мировое время (б).

ществование длительных периодов СМК, развивающихся под влиянием длительного, квазистационарного, направленного на юг ММП было показано в работах [8е^ееу, 1977; РШ;е е! а1., 1978]. В периоды СМК наблюдаются заметные возмущения в Бй индексе, флуктуирующие возмущения на авроральных широтах и 2-х вихревая токовая система в полярной области. С другой стороны, анализ наземных и спутниковых наблюдений указывает на отсутствие черт суббури в течение нескольких часов высокой геомагнитной активности, что свидетельствует о квазистационарном состоянии магнитосферы и ионосферы [8е^ееу, 1977; Р1«е е! а1., 1978].

На рисунке 3 п

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