ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2009, том 49, № 2, с. 213-223
УДК 550.388.2
МЕХАНИЗМЫ РОСТА КРИТИЧЕСКОЙ ЧАСТОТЫ ОБЛАСТИ F ИОНОСФЕРЫ ДО НАЧАЛА ВЗРЫВНОЙ ФАЗЫ СУББУРИ
© 2009 г. Д. В. Благовещенский, А. С. Калишин
С.-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, С.-Петербург, Россия
e-mail: dvb@ppp.delfa.net Поступила в редакцию 15.04.2008 г. После доработки 28.07.2008 г.
По данным станций вертикального зондирования ионосферы Европы и Северной Америки обнаружены специфические вариации критической частоты слоя F2 ионосферы во время магнитосфер-ных суббурь. Наибольшее внимание уделено положительным пикам AfoF2 продолжительностью 6— 8 ч до момента T0 — начала развития взрывной фазы суббури. Рассмотрены возможные физические механизмы образования указанных пиков. Эти механизмы связаны с воздействием быстрых частиц в области форшока (foreshock) солнечного ветра на магнитосферу Земли и различны для средних и высоких широт. Положительные пики AfoF2 могут быть использованы как средство при краткосрочном прогнозировании начала возмущений ионосферы и космической погоды в целом.
PACS: 94.30.Lr, 94.20.dj
1. ВВЕДЕНИЕ
Активные области на Солнце, такие как вспышки и корональные дыры, являются, как известно, причиной большинства нестационарных процессов в межпланетной среде и магнитосфере Земли. Энергия солнечных возмущений выделяется в виде электромагнитного и корпускулярного излучений, ударных волн и выбросов вещества. Начало взаимодействия ударной волны с магнитосферой определяет момент зарождения ее возмущения, появляется внезапное начало магнитных бурь SSC в виде скачка ^-компоненты геомагнитного поля за счет поля токов, текущих по поверхности магнитосферы. Для магнитных бурь характерна чрезвычайно высокая возмущенность магнитосферы. В отличие от бурь магнитосфер-ные суббури [Lyons, 1996] представляют собой быстропротекающие процессы, при которых существенное, но далекое от максимума количество энергии, полученной из взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой, поступает в авро-ральную ионосферу и магнитосферу. Суббури имеют место, если скорость накапливаемой в магнитосфере энергии значительно перекрывает скорость потерь. Проявлениями магнитосферной суббури являются: магнитная суббуря, суббуря в полярных сияниях, ионосферная суббуря и т.д. Магнитная суббуря, или бухта в записи горизонтальной составляющей геомагнитного поля H, является следствием развития авроральных элек-троджетов, или струйных токов, текущих на высотах области E ионосферы в зоне полярных сияний. Отрицательные бухтообразные возмущения происходят утром и ночью за счет западного элек-
троджета, а положительные — вечером за счет восточного электроджета. Интенсивной и изолированной суббуре предшествует поворот Б1 ММП к югу, после чего в магнитосфере усиливается крупномасштабное электрическое поле конвекции. Период нарастания возмущенности от момента появления признаков до начала взрывной фазы является предварительной фазой суббури. А началом суббури считается момент приближения неоднородного потока солнечного ветра к границам магнитосферы. Плазма через полярные кас-пы юга и севера проникает вплоть до уровня ионосферы, а через входной слой — внутрь магнитосферы. Происходит рост интенсивности вторгающихся частиц в дневные каспы на полуденных широтах порядка 78°.
В настоящей работе мы уделим основное внимание малоизученным процессам в ионосфере Земли, предшествующим началу развития активной фазы изолированной магнитосферной суббури (момент Т0). Имеются в виду описанные в работах [В1а§оуе8ксИеп8ку й а1., 1992, 2000, 2003, 2006; Благовещенский и др., 1996] положительные возмущения критической частоты /о/2, т.е. подъемы значений Д/о/2, которые по данным наблюдений, в частности, на станциях ВЗ ионосферы Европы и Америки [В1а§оуе8ИсИеп8ку е! а1., 2003, 2006] имеют место за 6—8 ч до момента Т0. Эти положительные возрастания значений Д/о¥2 перед Т0 по экспериментальным данным наблюдаются практически всегда, независимо от полярности изолированной суббури (положительной или отрицательной). Подобный анализ важен для выработки алгоритмов прогнозирования начала
развития активной фазы суббурь за 2—3 ч до момента T0. Последнее важно в прикладных задачах распространения радиоволн, проблемах космической погоды и т.п.
2. АНАЛИЗ ФИЗИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМОВ
ОБРАЗОВАНИЯ ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ ФАЗЫ ИОНОСФЕРНОЙ БУРИ (bfoF2 > 0) ПЕРЕД SSC
2.1. Магнитосферное возмущение, как известно, образуется в результате взаимодействия магнитосферы с неоднородным потоком плазмы солнечного ветра. Когда фронт межпланетной ударной волны от Солнца входит в контакт с магнитосферой Земли, возникает внезапный магнитный импульс SI, или SSC — внезапное начало магнитной бури. Происходит сжатие магнитосферы. Результатом сжатия может служить, в частности, появление электромагнитных волн типа Pel, существующих в диапазоне 0.2—5 Гц. Частоты Pel близки к гирочастотам протонов. Считается, что генерация этих волн связана с развитием неустойчивостей протонных образований, а местоположение областей генерации Pel связано с положением плазмопаузы [Пудовкин и др., 1976]. Нестационарность Pel обусловлена радиальным перемещением разных участков плазмопаузы. Согласно работам [Гульельми и др., 2001; Kangas et al., 2001], возбуждение Pel может происходить не только после Si, но и до него. Дело в том, что перед ударными волнами, распространяющимися в бесстолкновительной плазме, существуют так называемые предударные области. Примером подобной области может служить плазменно-волновая турбулентность, образующаяся перед фронтом околоземной ударной волны, или турбулентность перед межпланетной ударной волной. Последняя турбулентность будет воздействовать на магнитосферу за некоторое время до момента образования SI, вызывая появление волн Pel. В работе [Kangas et al., 2001] указано, что эти Pel-пульсации, наблюдаемые перед SSC, являются проявлениями воздействия межпланетной предударной областью (upstream) на геомагнитное поле. Рис. 1а из работы [Kangas et al., 2001] иллюстрирует появление Pel-пульса-ций, инициируемых этой областью, за 4 ч до SSC.
Помимо Pel существует также другое явление, создаваемое межпланетными предударными областями. Известно, что в них присутствуют пучки отраженных от фронта частиц, летящих от Солнца со скоростями большими, чем скорость ударной волны. В работах [Гульельми и др., 2001; Золотухина, 1983] показано, что области солнечного ветра перед ударной волной (от Солнца), связанные магнитным полем с последней, возмущены присутствием ударного фронта (возле Земли). Для околоземной волны этими возмущениями
являются пучки отраженных ионов и электронов, так называемые диффузные и промежуточные частицы, а также электромагнитные волны, часть из которых регистрируется на поверхности Земли. Подобные корпускулярные и волновые явления наблюдаются на ИСЗ также и перед межпланетными ударными волнами в течение нескольких часов, предшествующих прохождению фронта межпланетной ударной волны. Средняя энергия отраженных и диффузных частиц составляет для протонов 5 кэВ и электронов 1—2 кэВ, хотя эти энергии могут достигать соответственно 30 кэВ и 100 кэВ. С приближением к моменту 8/ многократное отражение частиц солнечного ветра в промежутке между фронтами межпланетной и околоземной ударных волн усиливается и происходит дополнительное ускорение отраженных частиц. В результате до момента 8/ происходит рост потока высокоэнергичных частиц непосредственно перед фронтом магнитосферы. Можно уверенно полагать, что за несколько часов до 88С (5—6 ч) вблизи окрестности Земли в утреннем и полуденном секторах магнитосферы (ЬТ < 14 ч) может происходить рост интенсивности флуктуирующих потоков ионов и электронов с энергиями до десятков кэВ. Далее ускоренные частицы солнечного ветра высыпаются в ионосферу Земли, вызывая следующие геофизические эффекты: дополнительную ионизацию, нагрев и повышенное поглощение за несколько часов до момента 8/. Наиболее вероятной областью их появления следует считать ионосферную проекцию дневного каспа. Другой областью является авроральный овал, где возможно высыпание из входного слоя магнитосферы. Указанные эффекты ионизации, нагрева и поглощения могут служить ионосферными предвестниками 8/.
2.2. В работах [Гульельми и др., 2001; Золотухина, 1983] исследовалось поведение риометриче-ского поглощения в дневном секторе магнитосферы по обс. Кируна и Соданкюля за несколько часов до момента 8/ (88С). Риометрическое поглощение обычно вызывается протонами с энергиями 1—10 МэВ. Хотя Кируна и Соданкюля расположены значительно южнее каспа, тем не менее однозначно выявлено нарастание уровня риомет-рического поглощения до начала 88С. Причиной этого указывается усиление потоков отраженных частиц, движущихся перед фронтом вспышечно-го потока. В работе [Золотухина, 1983] показано, что уровень риометрического поглощения имеет сначала максимум, а затем минимум перед 88С. То есть характер поглощения имеет форму положительной бухты. Это можно видеть из рис. 1б [Золотухина, 1983], где методом наложения эпох исследовалось риометрическое поглощение до 88С. Поэтому можно полагать, что в хвостовой части межпланетного форшока частицы, вызывающие риометрическое поглощение, отсутствуют,
о
PQ £
Pc1 500
400
1.5
а „ Upstream j \ 1 1 1 кАг- SSC |
08:00
10:00
12:00
14:00
UT
б
1
1 1 SSC 1
1.0
Б
0.5
0 90°
80°
н
S
60°
- 06
- 03
03 ч
0
0 06 12 18 24
UT
Рис. 1. Примеры эффектов солнечного ветра: а — интервал с наличием Pc 1 (черный цвет) по данным обс. Соданкюля 22.09.1999 г., вариации скорости солнечного ветра Vcb 22.09.1999 г. по данным спутника WIND; б — вариации поглощения уровня космического радиоизлучения по ст. Тромсе; в — зоны повышенных значений foF2 по данным спутников.
а те, которые сосредоточены в лобовой его части, образуют положительную бухту поглощения [Гу-льельми и др., 2001; Золотухина, 1983].
2.3. В работах [Данилов и др., 1991, 1985] предлагается следующая нетрадиционная схема образования положительной фазы ионосферной бури (Д/о¥2 > 0) до начала магнитного воз
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.