ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2012, том 52, № 1, с. 82-92
УДК 550.385.37
КВАЗИПЕРИОДИЧЕСКИЕ ОНЧ ИЗЛУЧЕНИЯ, ОНЧ ХОРЫ И ГЕОМАГНИТНЫЕ ПУЛЬСАЦИИ Рс4 (СОБЫТИЕ 3 АПРЕЛЯ 2011 г.)
© 2012 г. Ю. Маннинен1, Н. Г. Клейменова2, 3, О. В. Козырева2, П. А. Беспалов4, Т. Раита1
1 Геофизическая обсерватория Соданкюля, Финляндия 2 Учреждение РАН Институт физики Земли, г. Москва, Россия 3 Учреждение РАН Институт космических исследований, г. Москва, Россия 4 Учреждение РАН Институт прикладной физики, г. Нижний Новгород, Россия
e-mail: jyrki.manninen@sgo.fi Поступила в редакцию 26.07.2011 г.
Обсуждаются результаты анализа наземных наблюдений ОНЧ излучений в Скандинавии (L ~ 5) в апреле 2011 г. Детально исследуется нетипичное событие (3 апреля 2011 г.) одновременной генерации ОНЧ хоров на частотах ниже 3 кГц и квазипериодических ОНЧ излучений (QP) в полосе 4—6 кГц, которые не являлись дискретными излучениями, а представляли собой отдельные короткие (порядка 20 с) всплески шипений. Показано, что указанные излучения характеризовались, в основном, правой поляризацией, что свидетельствует о нахождении точки выхода волн из ионосферы вблизи пункта наземных наблюдений. На основе анализа спектральных особенностей излучений делается вывод о том, что области генерации хоров и QP излучений располагались на разных L оболочках. Появление QP излучений совпало с возбуждением в магнитосфере резонансных геомагнитных пульсаций диапазона Рс4, период которых был близким к квазипериоду повторения спектральных форм в QP излучениях. Однако на основе имеющихся данных нельзя сделать вывод, что именно эти геомагнитные пульсации вызвали квазипериодическую генерацию всплесков ОНЧ шипений. Временной сдвиг между всплесками QP и геомагнитными пульсациями был непостоянным и менялся от одного всплеска шипений к другому. Высказано предположение, что обсуждаемые QP излучения были результатом развития автоколебаний в радиационных поясах Земли.
1. ВВЕДЕНИЕ
Квазипериодические ОНЧ излучения (QP-emissions) известны давно. Разнообразие их спектральных форм приведено в монографии [Helli-well, 1965]. Эти излучения наиболее часто наблюдаются в дневное время на частотах меньше 3 кГц [Kimura, 1974]. В сопряженных точках QP излучения, как правило, появляются одновременно [Коротова и др., 1975; Sato and Kokubun, 1981].
В работах [Kitamura et al., 1969; Sato et al., 1974] QP излучения были разделены на два типа: связанные и не связанные с геомагнитными пульсациями. Первый тип (QP-1) — это ОНЧ излучения, обычно представляющие собой полосу КНЧ-ОНЧ шипения (hiss) на частотах ниже 2—3 кГц, интенсивность которых (или только верхняя граничная частота) флюктуирует с периодами одновременно наблюдаемых геомагнитных пульсаций. Второй тип квазипериодических ОНЧ излучений (QP-2) обычно не сопровождается геомагнитными пульсациями (по крайней мере, на земной поверхности) и состоит из отдельных регулярно повторяющихся спектральных элементов на частотах порядка 1.5—3.0 кГц. QP-1 излучения обычно наблюдаются в умеренно возмущенных условиях
при Kp ~ 2—4, а QP-2 — в магнитоспокойных условиях при Kp < 2.
Первый тип (QP-1), т.е. модулированные шипения — довольно частое явление в субаврораль-ных широтах [Распопов и Клейменова, 1977], при этом обычно модулированным оказывается не весь всплеск, а только его часть. Наиболее часто модулирующими геомагнитными пульсациями в ночные часы являются колебания типа Pi2 [например, Коротова и др., 1975], а в дневные Рс3 и Рс5 [Распопов и Клейменова, 1977; Маннинен и др., 1994, Morrison et al., 1990]. Многочисленные экспериментальные факты свидетельствуют о синхронных вариациях с одними и теми же периодами интенсивности ОНЧ излучений, геомагнитных пульсаций, потоков высыпающихся энергичных частиц и светимости полярных сияний [Kitamura et al., 1969; Kimura, 1974; Fukunishi et al., 1974; Коротова и др., 1975; Распопов и Клейменова, 1977; Sato and Kokubun, 1980; Morrison, 1990; Маннинен и др., 1994; Engebretson et al., 2004; Manninen, 2005]. Так, в ракетном эксперименте в обс. Кергелен (L ~ 3.8) была обнаружена одновременная модуляция интенсивности ОНЧ излучения и потоков энергичных частиц с периодом около 80 с со сдвигом фазы ~30° [Gendrin et al., 1970]. Моду-
лированные ОНЧ излучения и пульсирующие с теми же периодами (~12—25 с) потоки высыпающихся энергичных электронов наблюдались также и на спутниках Интеркосмос-3 и Интеркос-мос-5 [Захаров и др., 1974] вблизи плазмопаузы в ограниченных областях L-оболочек, где, по мнению авторов, происходило возбуждение ОНЧ излучений.
Второй тип (QP-2), т.е. излучения, не сопровождающиеся геомагнитными пульсациями, как правило, наблюдаются за плазмопаузой и имеют период повторения дискретных элементов от 10 до 50 с. Обычно во время каждого отдельного события период повторения дискретных ОНЧ сигналов остается постоянным. Так, наблюдения на спутнике GEOS-1 вблизи экваториальной плоскости показали [Tixier and Cornilleau-Wehrlin, 1986], что квазипериодические ОНЧ излучения наблюдались преимущественно вне плазмопаузы на магнитных оболочках L ~ 5—7, излучения регистрировались одновременно на спутнике и на земной поверхности в точке, расположенной вблизи проекции спутника, с ослаблением ~20 дБ. При этом авторы не обнаружили четкой разницы между QP-1 и QP-2 излучениями, а в качестве модулирующих колебаний рассматривались волны сжатия (com-pressional component), отвечающие гармоникам фундаментальной частоты резонансных колебаний силовых линий.
Иногда QP-2 излучения представляют собой квазипериодические "пятна" шумовых излучений, часто распадающиеся на отдельные сигналы длительностью ~3—5 с [Sato and Kokubun, 1981]. В работе [Bespalov et al., 2010] приведены спутниковые и наземные экспериментальные данные, относящиеся к таким короткопериодическим сигналам, а возбуждение этих сигналов объяснено в рамках теории пассивной синхронизации мод в плазменном магнитосферном мазере.
Исследования квазипериодических излучений обычно проводится с помощью наземных наблюдений, поскольку спутники слишком быстро пересекают широтные зоны и не могут различать пространственные и временные вариации, а геостационарные спутники находятся на экваторе на L-оболочке большей, чем те, на которых происходит генерация этих ОНЧ излучений. Отметим, что в многоспутниковых проектах Cluster, Double Star, THEMIS указанное ограничение было преодолено для хоровых излучений.
К сожалению, в настоящее время на Земле осталось всего несколько станций, где выполняется регулярная регистрация ОНЧ излучений. При этом на многих из них проводится лишь запись интегральной интенсивности ОНЧ излучений в выбранных полосах частот (filter bank record), при которой оба типа квазипериодических излучений проявляются одинаково — как до-
вольно регулярные осцилляции огибающей ОНЧ излучений в некоторой полосе частот.
Регулярные кампании ОНЧ наблюдений ежегодно проводятся в северной Финляндии на временных точках, расположенных на расстояниях ~35—40 км от населенных пунктов, линий электропередач и промышленных объектов, т.е. от возможных источников индустриальных помех. Цифровая компьютерная регистрация ОНЧ сигналов выполняется в полосе 0.5—10 кГц с пороговой чувствительностью приемника порядка 10-15 Тл при отношении сигнал/шум 150 дБ, с частотой опроса ~40 кГц и разрешением в 16 бит. Регистрация ОНЧ излучений осуществляется с помощью двух вертикальных ортогональных рамочных антенн, что позволяет исследовать поляризационные характеристики сигналов. В работе [Manninen, 2005] приведено описание регистрирующей аппаратуры и метода анализа цифровой информации с помощью специальных компьютерных программ, разработанных проф. Т. Туруненом.
Целью данной работы является исследование особенностей нетипичных квазипериодических ОНЧ излучений на частотах выше 4 кГц, зарегистрированных в ходе последней ОНЧ кампании в марте—апреле 2011 г. Детально рассмотрено событие 3 апреля 2011 г., когда необычные квазипериодические ОНЧ излучения на частотах ~3.5—6.0 кГц наблюдались одновременно с хорами на частотах меньше 3 кГц. Такого типа ОНЧ излучения ранее в литературе никогда не обсуждались.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА НАБЛЮДЕНИЙ
В апреле 2011 г. на севере Финляндии был проведен сеанс ОНЧ наблюдений вблизи обс. Содан-кюля (временный пункт Kannuslehto, географические координаты: ф = 67.74° N, X = 26.27° E, исправленные геомагнитные координаты: Ф = = 64.2°; Л = 107.9°, L ~ 5). В данной работе будет рассмотрен всплеск квазипериодических ОНЧ излучений, зарегистрированный 3 апреля в интервале 04—06 UT в умеренно возмущенных условиях (Кр ~ 3) при высокоскоростном потоке солнечного ветра (~600 км/с) и небольших отрицательных значениях Bz ММП.
На рисунке 1 приведена 3-х часовая спектрограмма ОНЧ излучений (quick-look plot) в диапазоне частот 0.5—7.0 кГц. Горизонтальные сплошные линии на рисунке — это индустриальные помехи в виде гармоник излучений от линий электропередач. Темные вертикальные линии в верхней части спектрограммы — дальние атмосферики (твики). Заметим, что исходные спектрограммы ОНЧ излучений строятся в виде цветных графиков, перевод которых в черно-белый вариант, к сожалению, приводит к значительной потери наглядности и выразительности. На ОНЧ спектрограмме (рис. 1)
7
6 5
Й4
Total power 03.04.2011 г.
KAN
03.04.2011 г.
50 40 30 20 10 0
04
05
в 5
SOD
06
07
я
1-ч
413 2 1
04
' : -äi:»
■m
Щ
Щ
ч.'
И
у '
К'й
II
"■* if^ Ai>
I к
50 40 30 20 10
05
UT
06
07
—
д
ч х
H
«
0 0 2
_R \Л*1 -
- M^/iL
' X
S, 1 -
J\ -
iva (64.5°)
sod (63.8°) ouj (60.9°) mas (66.1°)
sod (63.8°)
ouj (60.9°)
01
03
UT
05
07
Рис. 1. Спектрограмма ОНЧ излучений 3 апреля 2011 г. в интервале 04—07 UT (а), отфильтрованные в полосе 7—50 мГц геомагнитные пульсации в обс. SOD (б) и спектрограмма геомагнитных пульсаций типа Pi1C (в).
видно, что интенсивные хоровые излучения на частотах ниже ~1.5—2.0 кГц наблюдались в интервале ~04.30—06.20 UT. Несколько позже (~05.10—06.30 UT) хоры отмечались также и в более высокочастотной полосе (f ~ 1.8—3.0 кГц), а в интервале 04.55—05.
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.