УДК 550.385
РЕЗКОЕ ИЗМЕНЕНИЕ РЕЗОНАНСНОЙ СТРУКТУРЫ В СПЕКТРЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ШУМА В ГЕРЦОВОМ ДИАПАЗОНЕ ВО ВРЕМЯ СУББУРИ
© 2014 г. Н. В. Семенова, А. Г. Яхнин
Полярный Геофизический институт КНЦ РАН, г. Апатиты, (Мурманская обл.)
e-mail: semenova@pgia.ru Поступила в редакцию 19.07.2013 г. После доработки 06.11.2013 г.
Данные комплекса геофизических наблюдений в обсерватории Баренцбург на архипелаге Шпицберген с привлечением данных других станций и спутниковых наблюдений использованы для интерпретации резкого увеличения частотного интервала в резонансной структуре спектра (РСС) электромагнитного шума в герцовом диапазоне, которое произошло во время суббури 24 декабря 2005 г. Показано, что такое изменение в РСС связано с уменьшением электронной концентрации в /-слое ионосферы, что согласуется с теорией ионосферного альвеновского резонатора (ИАР). В свою очередь, уменьшение электронной концентрации, вероятно, связано с тем, что станция оказалась в области "авроральной полости", связанной с втекающим в ионосферу продольным током.
DOI: 10.7868/S0016794014030158
1. ВВЕДЕНИЕ
Хотя первые наблюдения резонансных структур в спектре (РСС) электромагнитного шума в герцовом диапазоне были, по-видимому, опубликованы в работе [Tepley and Amundsen, 1965], интенсивные экспериментальные исследования этого явления начались в 80-х годах прошлого века с работ П.П. Беляева [Беляев и др., 1987; 1989а]. Резонансные структуры в частотном диапазоне 0.1— 10 Гц интерпретируются как проявление ионосферного альвеновского резонатора (ИАР) [Поляков и Рапопорт, 1981; Belyaev et al., 1989b, 1990; Lysak, 1991, 1993]. Согласно теории ИАР, нижней стенкой резонатора является Е-слой ионосферы, верхней — область выше максимума F-слоя, где нарушается приближение геометрической оптики для альвеновских волн. Параметры, характеризующие РСС (интервал между характерными частотами, глубина "модуляции" интенсивности сигнала в зависимости от частоты) зависят, главным образом, от особенностей высотного распределения электронной концентрации и ионного состава ионосферы над точкой наблюдения.
Свойства ионосферы определяются, в свою очередь, освещенностью Солнцем и процессами в магнитосферно-ионосферной системе (геомагнитной активностью), которые в разной степени влияют на формирование ИАР, генерацию и свойства РСС на разных широтах [Bosinger et al., 2002; Belyaev et al., 2000; Ermakova et al., 2000; Yah-nin et al., 2003; Semenova and Yahnin, 2008]. На низких широтах определяющую роль в генерации
РСС играет освещенность ионосферы; здесь РСС наблюдаются практически каждую ночь, но никогда не наблюдаются днем [Bosinger et al., 2002; см. также, Tepley and Amundsen, 1965]. На высоких широтах на возможность наблюдения РСС существенное влияние оказывает геомагнитная активность, в частности, суббури. По данным наблюдений в авроральной зоне было отмечено, что во время регистрации геомагнитных пульсаций PiB, которые являются индикатором суббури, РСС исчезают [Yahnin et al., 2003]. Это может объясняться тем, что суббури сопровождаются высыпанием электронов, которые увеличивают проводимость Е-слоя и уменьшают добротность ИАР [Trakhtengerts et al., 2000], а также и тем, что параметры ионосферы в окрестности станции наблюдения испытывают флуктуации с характерными временами меньшими, чем необходимо для устойчивой регистрации РСС.
В работе [Parent et al., 2010] динамика РСС во время суббури сопоставлена, в частности, с наблюдениями полярных сияний. Наблюдения проводились в Гаконе (Аляска, L ~ 5). Из приведенных в этой работе данных следует, что резонансная структура исчезла после начала суббури и появилась вновь после ее окончания. Исчезновение РСС совпало по времени со смещением экваториальной границы области сияний, которые до суббури были видны на северном горизонте, к зениту станции (рис. 4 в работе [Parent et al., 2010]). Более детальное рассмотрение данных камеры всего неба в Гаконе для этого события, которые можно найти на сайте (http://www.haarp.alaska.edu), показыва-
ч н я
о о
3
19:00 20:00 21:00 22:00
UT
Рис. 1. Вариации X- и Z-компоненты магнитного поля в период 19:00—22:00 UT 24 декабря 2005 г. на нескольких высокоширотных станциях сети IMAGE.
ет, что до суббури, когда резонансные структуры уверенно наблюдались, сияния находились на северном горизонте, на расстоянии большем, чем 200 км от станции. После того, как суббуря закончилась, экваториальная кромка сияний вновь сместилась к полюсу. Когда сияния оказались на
расстоянии около 180 км к полюсу от станции, резонансная структура вновь появилась в спектре шумового фона.
В работе [Семенова и др., 2008] рассматриваются два случая наблюдения РСС на станции Ба-ренцбург (BAB, L ~ 15) на фоне суббуревой актив-
ности. В одном из случаев, резонансные структуры исчезли вскоре после начала пульсаций PiB, в другом — резонансные структуры оставались различимыми и во время регистрация PiB. Анализ данных магнитометров сети IMAGE показал, что в первом случае, область ионосферных токов (а значит, и высыпаний частиц), связанных с суббурей, распространилась до широты станции наблюдения. Во втором событии, суббуря развивалась на достаточно низких широтах (на удалении более 300 км к экватору от станции). Пульсации PiB во втором событии, регистрировались на высоких широтах, очевидно, благодаря распространению в ионосферном волноводе [Arnoldy et al., 1998; Young et al., 2012].
Результаты работ [Семенова и др., 2008; Parent et al., 2010] указывают на то, что областью источника РСС, в соответствии теории ИАР, действительно является силовая трубка с горизонтальным размером порядка первых сотен километров в окрестности точки наблюдения. Появление в этой области суббуревых полярных сияний и электроджета, связанных с интенсивными высыпаниями авроральных электронов, модифицирующих ионосферу, приводит к уменьшению добротности ИАР и/или разрушению стационарного ИАР. Оба этих фактора, по-видимому, и приводят к прекращению регистрации РСС.
В данной работе мы также рассмотрим динамику параметров РСС во время суббури, которая произошла в ~20—21 UT 24 декабря 2005 г. Наш интерес к этому событию связан с тем, что во время суббури произошло необычное, резкое увеличение частотного интервала РСС. Для анализа суббури и динамики РСС использованы данные магнитометров IMAGE, индукционного магнитометра и ТВ камеры всего неба в обсерватории Баренцбург, данные ионозонда в обс. Longyearby-en (LYR), расположенной на расстоянии ~40 км к западу от Баренцбурга, а также результаты измерений потоков авроральных (E < 20 кэВ) электронов на низкоорбитальных (h ~ 800 км) спутниках NOAA POES.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ
Магнитометры сети станций IMAGE, расположенные в северной Европе, измеряют вариации магнитного поля с 10-с разрешением. На рисунке 1 показаны X- и Z-компоненты магнитного поля во время суббури на нескольких высокоширотных станциях, расположенных вдоль геомагнитного меридиана. Вариации этих компонент указывают на то, что западный электроджет, связанный с суббурей, сформировался к экватору от станции BJN, затем (судя по смене знака Z-компоненты в BJN) центр тяжести западного электроджета продвинулся к полюсу, но не далее станции HOR
24 декабря 2005 г.
я
14
н о ^ 1 8 3
я
1-4
* 4
н о
8 3
19:00
20:00
21:00
UT
Рис. 2. (а) — Спектрограмма флуктуаций геомагнитного поля в диапазоне 0.1—7 Гц для 19:00—21:40 ЦТ 24 декабря 2005 г (б) — То же, что и на рис. 2а. Белыми треугольниками показаны минимумы интенсивности шумового фона в наблюдаемой РСС. (в) — Критическая частота /дЕ2 полученная с помощью ионозонда, расположенного в обс. ГУЯ для 24 декабря 2005 г.
(в обс. НОЯ и более высокоширотных станциях знак ^-компоненты не изменился).
Спектрограмма флуктуаций магнитного поля Земли в частотном диапазоне 0.1—7 Гц, измеренных с помощью индукционного магнитометра Полярного геофизического института КНЦ РАН с частотой оцифровки 40 Гц, показана на рис. 2а. (В напечатанном виде РСС может быть плохо различима, поэтому мы приводим также рис. 2б, на
а
в
котором треугольниками показаны минимумы интенсивности шумового фона в РСС, видные на экране монитора). Для построения спектрограммы использовалось стандартное преобразование Фурье с окном — 1024 точки (25.6 с) и сдвигом по времени 3.2 с. На спектрограмме видны РСС, частотный интервал которых составлял около 0.9 Гц в 20:18 UT. Около 20:40 UT регистрация РСС на короткое время прекратилась, после чего наблюдалось резкое изменение частотного интервала, который в 20:50 UT составил ~1.5 Гц. На спектрограмме также видны всплески геомагнитных пульсаций PiB в интервале 19:45—20:40 UT, что, также как и магнитограммы на рис. 1, указывает на развитие суббури. Тот факт, что наблюдения РСС продолжались во время первых всплесков PiB, может означать, что область, где происходили интенсивные высыпания частиц, была вначале достаточно удалена от Баренцбурга. Около 20:40 UT эта область, по-видимому, приблизилась к станции [Семенова и др., 2008].
Такое развитие суббури подтверждается и данными оптических наблюдений на ст. Баренцбург. Наблюдения проводились с помощью ТВ камеры всего неба. На рисунке 3 приведены изображения, полученные камерой всего неба для четырех моментов времени: 20:16, 20:37, 20:43 и 20:54 UT. В 20:16 UT яркие дуги появились на южном горизонте. Расширение сияний к полюсу в поле зрения камеры всего неба началось со вспышки новой лучистой дуги в 20:29 UT на удалении 250— 300 км от станции. В 20:34—20:44 UT зарегистрировано минимальное удаление края авроральной выпуклости от наземной станции, которое составило 100—150 км. Заметим, что в интервале ~20:30—20:45 UT наблюдается исчезновение РСС (рис. 2). После 20:44 UT сияния в окрестности Баренцбурга затухают. В 20:48 UT на расстоянии 200 км от зенита формируется дуга, которая затем смещается к экватору. В это время на спектрограмме мы видим появление резонансных структур, но с другим, существенно большим, частотным интервалом. Такое поведение частотного ин-
тервала очевидно связано с резким изменением ионосферных параметров.
На рисунке 2в приве
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.