УДК 550.338.1
СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИОННЫХ И ЭЛЕКТРОННЫХ ВЫСЫПАНИЙ В УТРЕННЕМ И ВЕЧЕРНЕМ СЕКТОРАХ © 2014 г. В. Г. Воробьев, О. И. Ягодкина
Полярный Геофизический институт КНЦРАН, г. Апатиты (Мурманская обл.)
e-mail: vorobjev@pgia.ru Поступила в редакцию 22.04.2013 г.
По данным спутников DMSP F6 и F7 исследованы характеристики ионных и электронных высыпаний в утреннем и вечернем секторах. Показано, что в вечернем секторе положение границы электронных и ионных высыпаний примерно совпадают при всех уровнях магнитной активности, однако широтное распределение потоков энергии свидетельствует о пространственном разделении положения максимумов для электронов и ионов. Наибольшие потоки энергии ионов наблюдаются на экваториальном крае, а электронов — на приполюсном крае высыпаний. В утреннем секторе область электронных высыпаний на 3°—4° шире области высыпания ионов. Граница изотропизации в вечернем секторе при всех уровнях магнитной активности находится в области диффузных высыпаний DAZ около ее приполюсного края, в то время как в утреннем секторе — в области структурированных высыпаний АОР. В утреннем секторе доминируют электронные высыпания. Здесь в области диффузных высыпаний DAZ потоки энергии ионов (Fi) составляют менее 5% от потока энергии электронов (Fe). В области структурированных высыпаний АОР доля Fi уменьшается с ростом магнитной активности от ~10—20% при AL « —100 нТл до <5% при AL « —1000 нТл. В вечернем секторе в области АОР также преобладают электронные высыпания, в то время как в DAZ потоки энергии ионов значительные. В секторе 15:00—18:00 MLT отношение Fi/Fe увеличивается от ~0.7 до ~3.0 при изменении AL от — 100 до —1000 нТл.
DOI: 10.7868/S0016794014010179
1. ВВЕДЕНИЕ
Характеристики ионных высыпаний и вклад протонов в общую картину авроральных высыпаний оценивались многими исследователями. Впервые по данным наземных оптических наблюдений водородные эмиссии, являющиеся индикатором протонных вторжений, были обнаружены Вегардом [Vegard, 1939]. Позднее, изучая допплеровский сдвиг эмиссии Ha, Meinel [1951] показал наличие протонных высыпаний в авро-ральной зоне. Эти наблюдения позволили ему сделать вывод, что протонные высыпания располагаются внутри кольцевой зоны и пространственно совпадают с электронными высыпаниями. Дальнейшее исследование характеристик ионных высыпаний проводилось по данным как наземных, так и спутниковых наблюдений. В работах [Akasofu, 1974; Feldstein and Galperin, 1985; Gussenhoven et al., 1987] на основе оптических наблюдений и спутниковых измерений высыпающихся частиц был сделан вывод, что экваториаль-нее овала дискретных форм сияний в вечерние и предполуночные часы существует зона диффузных ионных высыпаний. Basu et al. [1987] и Senior et al. [1987] по данным радара некогерентного рассеяния и спутниковым наблюдениям высыпающихся частиц сделали вывод, что протоны явля-
ются основным источником ионизации в этой области.
Широкий обзор наблюдений протонных сияний был выполнен в работе [Евлашин, 2000]. Основные выводы этого обзора сводились к тому, что водородные эмиссии присутствуют в диффузных сияниях зеленого цвета, но не обязательно, чтобы каждая диффузная форма полярных сияний излучала водородные эмиссии. Так, например, пульсирующие диффузные формы в утреннем секторе не содержат водородных эмиссий. Отмечалось, что водородные эмиссии в вечернее время смещаются в сторону экватора с увеличением MLT, а после полуночи — к полюсу; протонные сияния в вечернее время располагаются эква-ториальнее ярких лучистых форм сияний, а утром наблюдается обратная картина.
В работах Reidler [1972] и Reidler and Borg [1972] была предпринята попытка на основе данных спутника ESRO создать глобальную модель ионных высыпаний. Однако в этих исследованиях статистический набор данных и спектральный интервал измерений приборов на спутнике ESRO были ограниченными. Учитывая методику, предложенную в этих работах, Hardy et al. [1989] разработали первую статистически обоснованную модель ионных высыпаний по наблюдениям спутников DMSP F6 и F7. В качестве параметра
геомагнитной активности использовался 3-х часовой Кр индекс. Эти авторы показали, что область максимального распределения энергии ионов имеет C-образную форму с максимумом средней энергии на вечерней стороне овала около экваториальной границы ионных высыпаний, который сдвигается к полудню с увеличением магнитной активности. Сделан вывод, что статистически протонный овал в вечернем секторе располагается экваториальнее электронного, определенного по модели [Hardy et al., 1985].
Исследуя морфологию и динамику протонного аврорального свечения, Immel et al. [2002] и Burch et al. [2002] обнаружили субавроральные протонные дуги в послеполуденно-вечернем секторе. Подобные явления обнаружены и в исследовании Bisikalo et al. [2003] по результатам наблюдений протонных сияний спутником IMAGE. Величина потока энергии протонов в таких сияниях составляла 0.5—2.0 эрг/см2 с, а энергия высыпающихся протонов 10—17 кэВ. На основе изучения протонных высыпаний в спокойные периоды и в периоды суббурь [Coumans et al., 2002] показали, что в спокойных условиях вклад протонных высыпаний выше, чем в возмущенных. Анализ данных спутника IMAGE по свечению в эмиссиях N2 LBH, NI и Lyman-a подтвердил ранее полученный результат, что в вечернем секторе овал протонных высыпаний смещен к экватору относительно электронных высыпаний [Coumans et al., 2002]
Приведенный выше краткий обзор показывает, что ионы могут вносить существенный вклад только в высыпания вечернего сектора. Это создает определенную асимметрию на меридиане утро-вечер, которая, как и характеристики потоков электронно-ионных высыпаний в эти часы местного геомагнитного времени детально не изучены. В этой связи основной целью настоящей работы является исследование сравнительных характеристик электронных и ионных высыпаний в утреннем и вечернем секторах MLT в зависимости от уровня геомагнитной активности.
2. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ
Для исследования характеристик высыпаний использовалась база данных за 1986 г., созданная ранее по наблюдениям спутников DMSP F6 и F7 [Воробьев и Ягодкина, 2005]. В базу данных включено более 35 000 пересечений спутниками области авроральных высыпаний во всех секторах MLT. Данные спутников взяты на страницах JHU/APL по адресу http://sd-www.jhuapl.edu/. Спутниковые детекторы измеряли потоки электронов и ионов в 20 энергетических каналах на энергиях от 32 эВ до 30 кэВ. Для каждого пролета спутника в базе данных содержатся сведения о
положении границ различных типов высыпаний, средние характеристики электронов и ионов в этих областях, уровень геомагнитной активности, состояние межпланетной среды и фаза суббури. При обработке данных с целью увеличения статистической значимости результатов все пролеты были объединены в 3-х часовые интервалы MLT. В качестве меры магнитной активности использованы Dst и AL индексы, которые дают достаточно полную информацию об интенсивности геофизических процессов, происходящих в магнитосфере и ионосфере Земли. Так как спутники пересекают область высыпаний в течение 3— 5 мин, для анализа использовались 5 мин значения AL индекса. Ранее по этой схеме нами были исследованы характеристики электронных высыпаний, в результате чего создана и размещена по адресу http://apm.pgia.ru/ модель авроральных высыпаний (APM, Auroral Precipitation Model). В настоящей работе исследовано поведение высыпающихся ионов в утренних (03:00—06:00 MLT, 06:00-09:00 MLT) и вечерних (15:00-18:00 MLT, 18:00-21:00 MLT) секторах и проведено сопоставление их характеристик с характеристиками электронных высыпаний в зависимости от уровня магнитной активности.
Для выделения областей авроральных высыпаний с различными характеристиками использована обобщенная классификация, предложенная в работе [Старков и др., 2002]. По характеристикам авроральных частиц выделены три зоны высыпаний: диффузная авроральная зона (DAZ, diffuse auroral zone), высыпания аврорального овала (AOP, auroral oval precipitation) и мягкие диффузные высыпания (SDP, soft diffuse precipitation). Высыпания DAZ располагаются экваториальнее овала сияний и пространственно совпадают с полосой диффузного аврорального свечения. Область AOP связана со структурированными высыпаниями, экваториальная граница которых статистически совпадает с экваториальной границей овала сияний. Зона мягких диффузных высыпаний, SDP, окаймляет область АОР с ее приполюсной стороны.
3. ГРАНИЦЫ ЭЛЕКТРОННЫХ И ИОННЫХ ВЫСЫПАНИЙ
Высокоширотная граница авроральных высыпаний определяется положением приполюсной границы SDP, широта которой в каждом пролете спутника одинакова для электронов и ионов. По характеристикам высыпаний эта граница может рассматриваться как граница полярной шапки. Низкоширотной границей высыпаний является положение экваториальной границы DAZ^. Эта граница определяется отдельно для электронов и ионов и тождественна границам Ь1е и bli, соответственно, по номенклатуре [Newell et al., 1996].
Рис. 1. Положение границы БЛ2экв в утреннем 03:00—06:00 МЬТ (а) и вечернем 18:00—21:00 МЬТ (б) секторах в зависимости от уровня геомагнитной активности. Сплошные линии — экваториальная граница ионных высыпаний, штриховые линии — электронных. Отрезками вертикальных линий показана половина среднеквадратичного отклонения.
Положение границ Ь1е и bli в каждом пролете спутника регистрировалось как наименьшая широта, на которой показания детекторов соответствующих частиц в самых низких энергетических каналах (32 и 47 эВ) увеличиваются в 2 раза по сравнению с фоновым уровнем [Newell et al., 1996].
Положение границы DAZ^ в утреннем 03:00— 06:00 MLT (а) и вечернем 18:00-21:00 MLT (б) секторах в зависимости от уровня магнитной активности показано на рис. 1. По вертикальной оси отложена исправленная геомагнитная широта, Ф'. Чтобы не загружать рисунок, на графиках отрезками вертикальных линий в ту или другую сторону отложена половина среднеквадратичного отклонения. Сплошными линиями показана экваториальная граница ионных высыпаний, а штриховыми линиями — электронных. В у
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.