ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2004, том 44, № 5, с. 607-615
УДК 550.385
ОЦЕНКА СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВОЛН ДИАПАЗОНА 0.2-5 Гц В ИОНОСФЕРНОМ ВОЛНОВОДЕ
© 2004 г. В. В. Сафаргалеев1, Е. В. Пчелкина1, Н. В. Кудряшова1' 2, А. И. Воронин1,
А. Е. Козловский3, 4
1Полярный геофизический институт КНЦ РАН, Апатиты (Россия)
2Кольский филиал ПетрГУ, Апатиты (Россия) 3Геофизическая обсерватория Соданкюля, Соданкюля (Финляндия) 4Отдел физики университета Оулу, Оулу (Финляндия) e-mail: safar@pgi.kolasc.net.ru Поступила в редакцию 27.10.2003 г. После доработки 11.02.2004 г.
По данным сети индукционных магнитометров на Кольском и Скандинавском полуострове и на архипелаге Шпицберген оценена скорость ионосферного распространения пульсаций герцового диапазона, возбуждаемых внезапным увеличением динамического давления солнечного ветра. Минимальная величина скорости составила 80 км/с, что заметно меньше величин, полученных ранее другими авторами. Возможные причины наблюдаемого расхождения обсуждаются с точки зрения различия источников, используемых для анализа пульсаций.
1. ВВЕДЕНИЕ
Геомагнитные пульсации диапазона 0.2-5 Гц обычно связывают с ионно-циклотронной неустойчивостью анизотропной плазмы, развивающейся в экваториальной плоскости магнитосферы [Cornwall, 1966]. Распространяясь вдоль силовых линий, ионно-циклотронные волны попадают из области генерации в ионосферу, вызывают там вариации ионосферных токов, что и регистрируется наземным магнитометром как пульсации Pc 1.
Данный тип пульсаций может быть использован в задачах волновой диагностики магнито-сферной плазмы [Гульельми и Троицкая, 1973]. Однако здесь возникают две существенные трудности. Первая обусловлена неопределенностью причины, вызвавшей генерацию пульсаций. В зависимости от широты, на которой располагается пункт регистрации, и местного времени, появление Pel можно связать с инжекцией горячих протонов во время магнитных бурь [Kozyra et al., 1984], оторвавшимися от плазмосферы облаками холодной плазмы [Yahnina et al., 2003], внезапным скачком давления плазмы солнечного ветра [Kan-gas et al., 1998], проникновением солнечноветро-вой плазмы непосредственно через касп [Menk et al., 1992] или в результате пересоединения [Ляцкий и Сафаргалеев, 1989], наличием в солнечном ветре определенных структур [Довбня и др., 2002]. Вторая трудность связана с распространением исследуемых волн в ионосферном волноводе. Такая возможность была продемонстрирована как экспериментально [Tepley et al., 1965; Campbell and Thornberry, 1972; Fraser, 1975; Duong
and Fraser, 1977; Althouse and Davis, 1978; Neudegg et al., 1995], так и теоретически [Manchester, 1966; Greifinger and Greilinger, 1968; Fujita, 1987]. По этой причине, в частности, для определения места попадания ионно-циклотронной волны в ионосферу, а значит и места положения источника в магнитосфере, приходится вместо триангуляции прибегать к специальным методам [Headcock, 1971; Троицкая и др., 1975].
Первую трудность можно обойти, если в качестве диагностического средства использовать пульсации, генерируемые в результате сжатия магнитосферы во время внезапных импульсов. На сонограммах данные пульсации, как правило, имеют вид одиночного всплеска на частоте ~1 Гц, длящегося 1-3 мин [Tepley et al., 1962]. В этом случае известен источник пульсаций - фронт распространяющегося в магнитосфере магнитозвукового импульса [Olson and Lee, 1983], а отчетливое начало всплеска снижает погрешность измерений.
С использованием вышеупомянутого вида пульсаций, в работе [Safargaleev et al., 2000] показано, что периодический характер ULF-активнос-ти, наблюдаемой в некоторых случаях после первого всплеска, может указывать на наличие в дневной магнитосфере горячих протонов и формирование крупномасштабного резонатора (см. также работу [Сафаргалеев и др., 2003а]). В работе [Сафаргалеев и др., 20036] по запаздыванию таких пульсаций относительно бухты в риометри-ческом поглощении была оценена скорость распространения альвеновской волны в магнитосфере. Мы полагаем, что при соблюдении некоторых
Долгота
Широта
Рис. 1. Положение обсерваторий относительно границ магнитосферных доменов по данным спутника DMSP F12.
условий эти пульсации могут с успехом использоваться для решения и второй проблемы - изучения характера распространения волн герцового диапазона в ионосферном волноводе.
Цель данного исследования состоит в том, чтобы при помощи генерируемых внезапными импульсами пульсаций Pel оценить скорость ионосферного распространения волн данного частотного диапазона.
2. АППАРАТУРА И МЕТОДИКА
В работе анализировались данные нескольких цифровых автоматических магнитных станций, осуществляющих непрерывную регистрацию вариаций геомагнитного поля с частотой 40 отсчетов в с, что позволяет исследовать пульсации в диапазоне частот от 0.2 до 20 Гц. Базовыми являлись обсерватории ПГИ в Ловозеро (LOZ; 67.37°N, 35.02°E; MLT = UT + 2.6) и Баренцбург (BAB; 78.05°N, 14.12°E; MLT = UT + 2.4) на архипелаге Шпицберген. По этим станциям определялось, сопровождался или нет внезапный импульс пульсациями Pel диапазона. Для детального ана-
лиза привлекались данные финских обе. Ивало (IVA; 68.56°N, 27.29°E; MLT = UT + 2.1), Килпи-съярви (KIL, 64.52°N, 27.23°E, MLT = UT + 2.0) и Оулуярви (OUJ; 64.52°N, 27.23°N; MLT = UT + 2.0). Расположение станций показано на рис. 1. Внезапный импульс определялся как быстрое увеличение Я-компоненты геомагнитного поля на наземных низкоширотных обсерваториях, вызванное усилением динамического давления плазмы солнечного ветра на спутнике WIND. Для определения положения обсерваторий относительно границ магнитосферных доменов использовались данные спутников серии DMSP.
Скорость распространения волны в ионосфере рассчитывалась по времени запаздывания сигнала (далее для краткости ULF-отклика) на одной из пар станций. При этом сигнал представлялся в виде сонограмм, дающих возможность судить о запаздывании сигнала по запаздыванию общих для всех станций особенностей динамических спектров, что невозможно сделать с обычным временным рядом. Привязка станций к мировому времени осуществлялась системой синхронизации с использованием GPS приемников, поэтому основной вклад в ошибку могли давать спектральная обработка сигналов и неотчетливое начало ULF-отклика на сонограмме. Для построения сонограмм быстрое преобразование Фурье применялось для интервалов длительностью 256 отсчетов (~6 с). Перекрытие двух соседних интервалов составляло 20 отсчетов, что вносило неопределенность в определение момента начала отклика на каждой станции ~0.5 с. При характерных временах 10-15 с это дает погрешность расчета времени запаздывания ~10%.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ
3.1. Исследование ионосферного распространения сигнала на примере отдельного события 11 апреля 2001 г.
3.1.1. Описание события. Временной интервал, к которому относится исследуемое событие, характеризуется низким уровнем геомагнитной активности (Dst = -8). Значительное увеличение динамического давления солнечного ветра было зарегистрировано на спутнике около 14.30 UT (см. рис. 2а). Соответствующее ему кратковременное усиление горизонтальной компоненты геомагнитного поля, внезапный импульс (Si), было отмечено на низкоширотной станции Guimar (GUI, 28.32°N 343.56°E; MLT = UT - 2.0) спустя 50 мин (около 15.20 UT). При скорости солнечного ветра 600 км/с такая задержка соответствует времени распространения фронта неоднородности от спутника до подсолнечной точки на магнитопаузе, рассчитанного по формуле из работы [Lester et al., 1993].
11 апреля 2001 г.
a
11 апреля 2001 г.
се 15 к 10 ^ 5
WIND х = 3 Re, „ -260 R E
GUI 10 нТл
14.00
14.30
15.00 UT
15.30
16.00
15.30 UT
16.00
Рис. 2. Для события 11.04.2001 г. (сверху вниз): вариации давления солнечного ветра и Я-компонента геомагнитного поля на низкоширотной обсерватории GUI (а); динамические спектры пульсаций на трех обсерваториях (•). Белой стрелкой отмечен пролет спутника DMSP F12.
Форма отклика на SI в t/LF-диапазоне (0.1-5 Гц) представлена на сонограммах на рис. 26. Видно, что на всех станциях внезапный импульс вызвал кратковременное усиление активности в полосе частот 1-2 Гц. Согласно [Tepley and Wentworth, 1962], такой одиночный всплеск является типичным проявлением SI в исследуемом частотном диапазоне.
На рис. 3 форма отклика в полосе частот от 1 до 2 Гц представлена с большим временным разрешением. Сонограмма самой высокоширотной станции находится в верхней части рисунка, а самой низкоширотной - в нижней части (см. также рис. 1). Здесь добавлены данные среднеширотной станции Оулуярви (OUJ), располагающейся на том же меридиане, что и IVA, но на ~ 415 км южнее. Видно, что в OUJ интенсивность отклика на SI мала по сравнению с шумовым фоном. На обычной сонограмме полезный сигнал слабо различим, и
0 10 20 30 40 50 60 Время после 15.20 ит, секунды
Рис. 3. Запаздывание начала пульсаций, вызванных внезапным импульсом 11 апреля 2001 года.
поэтому на рис. 26 данные OUJ не приводятся. Стрелкой на каждой сонограмме обозначен момент появления общей для всех станций особенности сигнала. Вначале сигнал появился в LOZ, потом в OUJ и в IVA и, наконец, в BAB. Максимальная задержка имела место между LOZ и BAB и составляла 10 секунд.
3.1.2. Интерпретация. В этом разделе мы покажем, что наблюдаемая задержка соответствует скорее ионосферному распространению сигнала, чем обусловлена движением источника в магнитосфере.
1. На рис. 1 по данным спутника DMSP F12 показано расположение станций относительно ионосферной проекции границ магнитосферных доменов. Жирной линией со стрелкой обозначен фрагмент траектории спутника, точки указывают границы доменов (cps это центральный плазменный слой, bps - пограничный плазменный слой, mantle - мантия), время соответствует моменту пересечения спутником соответствующей границы. Видно, что две авроральные станции IVA и LOZ связаны посредством магнитных силовых линий с центральным плазменным слоем
Рис. 4. Схема, иллюстрирующая генерацию Pel распространяющимся в магнитосфере фронтом магни-тозвукового импульса.
(eps), в то вр
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.