ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2007, том 47, № 3, с. 379-388
УДК 533.951
НЕОДНОРОДНОСТИ В НЕУСТОЙЧИВОЙ ПЛАЗМЕ ВЕРХНЕЙ ИОНОСФЕРЫ ПО ДАННЫМ ЗОНДИРОВАНИЯ НА СПУТНИКЕ
"ИНТЕРКОСМОС-19"
© 2007 г. Н. И. Ижовкина, Г. Ф. Деминова, А. Т. Карпачев
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова
РАН, Троицк (Московская обл.) Поступила в редакцию 18.04.2006 г. После доработки 30.08.2006 г.
Представлены данные измерений профилей плотности плазмы в верхней ионосфере по данным зондирования на спутнике "Интеркосмос-19". Показано, что крупномасштабные колебания плазменной плотности могут быть связаны с распространением и затуханием в динамо-области ионосферы волн атмосферного происхождения, например, акустико-гравитационных. Возможно образование надтепловых потоков частиц и модуляция плазменной плотности в верхней ионосфере при затухании в плазменных ямках мелкомасштабных электростатических колебаний электронного компонента плазмы. При убегании поляризационных потоков заряженных частиц из областей нагрева могут формироваться плазменные вихри. Вихревое поле придает устойчивость неоднородной плазменной структуре, необходимую для ее экспериментального обнаружения.
PACS: 94.20.Lk; 94.20wf
1. ВВЕДЕНИЕ
Волнообразные возмущения с широким пространственно-временным спектром, например, с горизонтальными периодами порядка несколько десятков-тысячи километров и временным периодом ~10 минут и более, многократно наблюдались в ионосфере по данным наземного зондирования до высот максимума слоя F2 (см., например, [Гончарова и др., 1986; Francis, 1975; Hocke, Schlegel, 1996; Richmond, 1978; Richmond, Matsushita, 1975]). Они были обнаружены и во внешней ионосфере по спутниковым данным [Гдалевич и др., 1988; Ан-накулиев и др., 1988; Солодовников и др., 1981; Ферстер и др., 1994; Деминова, 2004].
В этой работе приведены данные измерений плотности плазмы во внешней ионосфере в период магнитосферной суббури, полученные путем зондирования ионосферы сверху на спутнике "Интеркосмос-19". Показано, что подпитка электростатической неустойчивости плазмы внешней ионосферы надтепловыми потоками заряженных частиц, распространяющихся в верхнюю ионосферу из областей нагрева плазмы в нижней ионосфере при затухании мощных пакетов атмосферных волн, может быть источником появления во внешней ионосфере волнообразных возмущений, подобных возмущениям в нижней ионосфере. При этом углубление волнообразной модуляции плазменной плотности в неустойчивой плазме внешней ионосферы может быть следствием затухания коротковолновых электростатических колебаний электронного компонента
плазмы в ямках плазменной плотности при выходе колебаний из режима собственных мод на уровнях плотности плазмы ниже критической. Устойчивость плазменных неоднородностей может быть связана с вихревыми полями, инициируемыми поляризационными потоками заряженных частиц, убегающих из нагреваемых электростатическими колебаниями плазменных ямок. Следует отметить, что плазменный вихрь движется во внешних постоянных электрическом и магнитном полях как единое целое.
2. ДАННЫЕ ИЗМЕРЕНИЙ
Спутник "Интеркосмос-19" работал с 1979 по 1982 г. Его орбита была эллиптической с перигеем и апогеем соответственно ~500 и 1000 км и имела наклонение ~74°, так что спутник пересекал средние и низкие широты в почти меридиональном направлении с интервалом по долготе между витками ~25°. Период обращения спутника вокруг Земли составлял ~100 мин. В рассмотренные ниже периоды ионозонд спутника снимал ионограм-мы каждые 64 с, т.е. расстояние по горизонтали между измерениями составляло около 450 км [Васильев и др., 1980]. В данной работе исследуются плазменные возмущения, медленные в сравнении со скоростью движения спутника ~7 км/с, связанные, например, с акустико-гравитационными (АГВ) волнами, распространяющимися со скоростью на порядок ниже, чем скорость спутника. Поэтому последовательность ионограмм, полученных со
нТл 15
10
5
0
-5
-10
нТл 1000 Г
500
30 ноября 1979 г.
-500
-1000^
нТл 50
25-
- Кр
12
16
ит, ч
Рис. 1. Вариации параметров геомагнитной активности в период суббури 30 ноября 1979 г.
спутника за время его движения в определенном интервале широт практически вдоль меридиана, дает как бы моментальный снимок состояния ионосферы в меридиональном разрезе на высотах от ИтГ2 до высоты спутника. На приведенных ниже рисунках пролет спутника в указанном на них широтном интервале занимал в среднем 30 мин, спутник двигался с севера на юг.
По данным зондирования со спутника были рассчитаны внешние Ж(И)-профили для его пролетов через средние и низкие широты северного и южного полушарий в период суббури 30 ноября 1979 г. и для сравнения на близких долготах для спокойного дня 28 ноября 1979 г. При этом точ-
ность расчетов ИтГ2 для ионограмм с четким следом составляла 12-15 км [Васильев и др., 1985]. Для анализа использовались также ионограммы с небольшой диффузностью, для которых ошибка расчета ИтГ2 предположительно не превышала 25 км. На большей части витков в ночные часы на геомагнитных широтах выше примерно 45° ионограммы были диффузны и не позволяли выдержать указанную выше точность. Поэтому для ночной стороны Земли анализ проводился лишь на более низких широтах.
На рис. 1 приведены вариации ^-компоненты межпланетного магнитного поля, индексы геомагнитной активности Кр, Dst и авроральной активности АЕ, Аи, ЛЬ в зависимости от мирового времени ит для 30 ноября 1979 г. С изменением направления межпланетного магнитного поля (^-компоненты поля, рис. 1) связаны стохастические процессы пересоединения магнитных силовых линий, бетатронное ускорение заряженных частиц на границе и в "хвосте" магнитосферы, индуцированные вихревые электрические поля
го1;(Е) = - и токи - магнитосферная суббуря.
Суббуря в магнитном поле 30 ноября началась около 07.45 ит и продолжалась примерно три ч, максимальные значения АЕ-индекса составили ~800 нТл. После резкого всплеска авроральных электроструй по данным станций наземного зондирования на ночной стороне Земли в северном полушарии было зарегистрировано перемещающееся ионосферное возмущение, которое двигалось от авроральной зоны к более низким широтам фронтом в интервале долгот от Якутска (к ~ 130°) до Оттавы (к ~ 284°). На рис. 2 для примера приведены вариации ИГ по данным наземных станций в американском (послеполуночном-утреннем) секторе. В северном, зимнем полушарии подъем слоя Г, вызванный прохождением АГВ, достигал 80-100 км и длился ~3 ч, что хорошо видно по данным низкоширотной ст. Мехико. На средних широтах возможно влияние магнитосферного электрического поля, что проявилось на ст. Боулдер в виде дополнительного пика ИТ в ~11 ит, а на ст. Пойнт Аргуэлло - в увеличении амплитуды суммарного эффекта до 120 км. На субавроральной станции Оттава после прохождения АГВ наблюдалось сильное Г-рассеяние, поэтому высота ИТ долгое время не определялась. Оцененная по часовым данным скорость распространения возмущения составляла 600 ±100 м/с (временная задержка эффекта на рис. 2 показана наклонной штриховой линией). Хотя возмущение было довольно сильным над ст. Мехико (28° MLAT), оно не достигало экваториальной ст. Уанкайо. В южном, летнем полушарии по наземным данным на широтах ниже 50° влияния АГВ не наблюдалось,
0
0
4
8
что видно из сравнения вариаций И¥ на станциях Порт Стэнли и Аргентинские острова.
Рассмотрим вариации внешней ионосферы, выделенные по данным спутника "Интеркосмос-19" в околополуночном секторе (23-02 LT). Для анализа были отобраны три последовательных пролета спутника по ночной стороне Земли в период суббури 30 ноября 1979 г. Для этих витков на основе рассчитанных Ы(И)-профилей были построены широтные разрезы ионосферы от Ит¥2 до высоты спутника. Они представлены на рис. 3 слева. Для сравнения справа приведены данные для спокойного дня 28 ноября 1979 г. для витков спутника, отстоящих по долготе от соответствующих витков 30 ноября на 8° к востоку. Кривыми показаны высоты, для которых значения Ыв (плотность электронов) составляют соответственно 0.9, 0.7, 0.5, 0.3 и 0.1 значения Ыт¥2. Отдельно показаны кривые Ит¥2. Величины Ыт¥2 даны в единицах 105 см-3. Штриховыми линиями указана высота спутника. Значения Ит¥2 и Ыт¥2 для 28 ноября приведены также в левой части рисунка тонкими линиями.
Некоторые из Ы(И)-профилей для второго и третьего витков, приведенных на рис. 3, помеченные на нем жирными точками и номерами, представлены на рис. 4. Сплошные линии - 30 ноября, штриховые - 28 ноября. Профили 1-4 для 30 ноября относятся ко времени примерно через 2 ч, а профили 5-8 примерно через 3 ч 40 мин после резкого усиления авроральных электроструй. Величины Ыв даны в единицах см-3.
На первом из витков на рис. 3 спутник пересек геомагнитный экватор на долготе 256° в 08:07 ит, т.е. менее чем через полчаса после начала суббури в магнитном поле. Видно, что на этом витке в северном полушарии и вблизи экватора разница в характеристиках ионосферы между 28 и 30 ноября лежит в пределах точности расчетов Ы(И)-про-филей и обычных вариаций параметров спокойной ионосферы ото дня ко дню, по крайней мере, на геомагнитных широтах ниже 45°. В южном полушарии эта разница больше, но это связано с большей изменчивостью ионосферы в спокойных условиях на этих долготах в южном полушарии. Однако на витке, где спутник пересек экватор на долготе 230° в 09:44 ит, т.е. примерно через два часа после всплеска авроральных электроструй, картина совершенно иная. В то время как на низких широтах ионосфера остается еще невозмущенной, на средних широтах северного полушария четко виден резкий подъем ¥2-слоя и всей внешней ионосферы, который указывает, что возмущение достигло широты немного ниже 20°. На широтах ~30° этот подъем составил более 150 км относительно спокойного дня, что существенно превышает разброс значений Ит¥2 на этих широтах в северном полушарии в спокойные дни. При этом, как
н 0
X
^ -400 -8001100 50
0 100
50
0 100
50 Ь
0 100
3 50
ьС
^ п < 0
100
50
0 100
5010 100
501-
12
16
Оттава 57, 284
Аргентинские о-ва, -50, 296
16 ит, ч
Рис. 2. Вариаци
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.