УДК 523.62.726
СВЯЗЬ АВРОРАЛЬНЫХ И ГЕОМАГНИТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ В ПОЛЯРНЫХ ШИРОТАХ ПО ДАННЫМ НАБЛЮДЕНИЙ НА ШПИЦБЕРГЕНЕ
© 2010 г. В. К. Ролдугин, А. В. Ролдугин
Учреждение РАН Полярный геофизический институт КНЦ РАН, г. Апатиты (Мурманская обл.)
e-mail: rold_val@pgia.ru Поступила в редакцию.15.07.2009 г. После доработки 09.02.2010 г.
Геомагнитные пульсации типа Pc4—5 на обс. Баренцбург за декабрь 2007 г.—январь 2008 г. были сопоставлены с вариациями интенсивности сияний по фотометрическим записям на той же обсерватории. Во всех случаях одновременно с геомагнитными наблюдались и сходные по форме аврораль-ные пульсации. В утренние и дневные часы максимумы пульсаций светимости приходятся на положительные полупериоды в ^-компоненте в точке наблюдения, а в вечерние и ночные — на отрицательные.
1. ВВЕДЕНИЕ
Хорошо известно, что геомагнитные пульсации типа Pi1 и Pi2 с характерными временами 1— 40 с и 1—3 мин соответственно сопровождаются чрезвычайно похожими по форме авроральными пульсациями в зоне сияний или несколько эква-ториальнее ее, например [Oguti et al., 1984; Oguti and Hayashi, 1984; Oguti, 1986]. За многие десятилетия наблюдений в литературе не отмечен ни один случай, когда эти геомагнитные пульсации, где бы они не регистрировались, появлялись бы при отсутствии соответствующих оптических явлений в зоне сияний. Казак и др. [1972] выбрали случайным образом 106 событий Pi1 и Pi2 по магнитным наблюдениям на субавроральной станции Согра и нашли, что все они без исключения сопровождались авроральными пульсациями на станциях, расположенных полярнее.
Устойчивые геомагнитные пульсации Pc4—5 с периодами 45—150 и 150—600 с многими исследователями рассматриваются как волновые процессы в холодной магнитосферной (иногда в межпланетной) плазме без четкой связи с высыпанием частиц. Причинами их появления называют неустойчивость Кельвина—Гельмгольца на границе магнитосферы [Lee et al., 1981], или стоячую альвеновскую волну в силовой трубке [Kivelson and Southwood, 1986; Southwood and Kivelson, 1990], или же пульсирующее пересоединение силовых линий [Le et al., 2004], а также импульсы динамического давления солнечного ветра [Kep-ko et al., 2002]. Игнорирование высыпаний авро-ральных частиц можно объяснить прежде всего тем фактом, что Pc4—5 пульсации наблюдаются, в основном, в светлое время суток, когда сияния наблюдать невозможно, а также их почти синусоидальной формой, не характерной для вариаций
интенсивности сияний. Имеются лишь единичные сообщения о связи Рс4—5 пульсаций с сияниями: Распопов и Ролдугин [1972] описали случай интенсивных правильных геомагнитных пульсаций Pc4 с периодом 70 с в обс. Лопарская (Ф = = 64.3°), сопровождавшихся такими же регулярными колебаниями свечения на рассвете; Ющен-ко и др. [1976] и Ролдугин и др. [1977] сообщали о пульсациях Pc3 и Pc4 по фотометрическим наблюдениям на о. Хейса в полярную ночь, но эти результаты опубликованы в малодоступных изданиях. Roldugin and Roldugin [2008] описали случай, когда на аскафильмах наблюдалась регулярная интенсификация сияний с периодом 5 мин, сопровождавшаяся интенсивными, до 200 нТл, геомагнитными пульсациями Pc5 в скандинавском секторе около 09.00 MLT.
Число исследований связи геомагнитных Рс4—5 пульсаций с пульсациями потоков высокоэнергичных, в десятки кэВ, электронов, проникающих до D слоя и вызывающих там риометриче-ское поглощение радиоволн, заметно больше по причине того, что на риометрические наблюдения освещенность и погода не влияют. Клейменова и др. [1997] по данным финских станций обнаружили, что геомагнитные и риометрические пульсации с частотой выше 2 мГц (период менее 8 мин) после окончания суббури появляются одновременно. Manninen et al. [2002] наблюдали в авроральной зоне и полярной шапке одновременное появление длиннопериодных геомагнитных и риометрических пульсаций при прохождении магнитного облака. Наличие колебаний Pc5 в риометрическом поглощении на большом объеме данных показали также Spanswick et al. [2005]; в утреннем секторе 70% магнитных Pc5 сопровождались риометрическими.
Существенное физическое различие между геомагнитными пульсациями, с одной стороны, и авроральными и риометрическими — с другой, заключается в том, что положительный и отрицательный полупериоды в магнитных пульсациях не отличаются принципиально. Знак полупериода магнитных пульсаций определяется направлением тока в некой токовой системе, а в пульсациях высыпания свидетельствует о том, есть высыпание частиц (положительный полупериод в вариации фотометра, отрицательный на исходной записи риометра) или его нет.
Вопрос о фазовом соотношении пульсаций поля и высыпаний частиц практически не исследован. Клейменова и др. [1997] отметили, что в рассмотренных ими утренних и дневных случаях вариации в поглощении и геомагнитном поле были в противофазе. N086 й а1. [1998] сопоставляли фазы магнитных и риометрических пульсаций Рс5 в авроральной обс. Сёва и пришли к выводу, что статистически компонента отстает на 90° от риометрических пульсаций. Из приведенных в этой статье рисунков следует, однако, что авторы путают пики поглощения и пики на записи рио-метра, которые имеют противоположные направленности. В статье не упоминается о фазовых сдвигах, вносимых как рекомбинацией ионов в ионосфере, так и электроникой риометра для подавления помех.
Настоящая работа посвящена изучению связи между полярностями пульсаций в магнитном поле и в высыпаниях авроральных частиц, будут исследоваться знаки компонент геомагнитных пульсаций в моменты максимумов высыпаний частиц.
2. РИОМЕТРИЧСКИЕ И ФОТОМЕТРИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ
Пульсации высыпающихся авроральных частиц можно исследовать как по риометрическим, так и по фотометрическим данным. Каждый из этих двух методов имеет свои преимущества и недостатки. Хотя авроральное поглощение и сияния всегда сопровождают друг друга, однако они вызываются частицами разных энергий: за поглощение ответственны электроны с энергией в десятки кэВ, а сияния вызываются электронами меньшей энергии--0.5—10 кэВ. Бесспорным достоинством риометрических наблюдений является возможность измерений вне зависимости от солнечной освещенности, Луны, облачности. Однако фотометрические наблюдения имеют ряд преимуществ перед риометрическими:
1) У риометра отношение сигнал/шум много хуже, чем у магнитометра или фотометра. В магнитном поле можно одновременно регистрировать и бухты интенсивностью 1000 нТл и более, и пульсации в сотые доли нТл, т.е. динамический
диапазон измеряемых вариаций составляет более пяти порядков. Таков же он и у фотометра. Шумовая полоса записи риометра составляет 5—10% от невозмущенного уровня, и определить величину поглощения точнее 0.1 дБ невозможно. Авроральное поглощение обычно равно 1—3 дБ, и динамический диапазон составляет всего 1—2 порядка. Слабые пульсации фотометр и магнитометр зарегистрируют, а риометр — нет.
2) Диаграмма направленности риометра обычно равна 10—20°, и на высоте 90 км "поле зрения" риометра составляет 15—30 км, а поле зрения фотометра можно легко установить от 1° до 180°. Для сопоставления с магнитными вариациями преимущества фотометра с большим полем зрения очевидны: в приближении линейного тока интенсивность магнитного поля при удалении от проекции тока на земную поверхность спадает в два раза лишь на расстоянии двух высот токового слоя, т.е. "поле зрения" магнитометра составляет около 400 км. Установить такое же поле зрения для фотометра не представляет трудности. Нередко в литературе упоминаются случаи, когда рио-метрические пульсации длятся меньше, чем магнитные, или когда не все колебания магнитного поля "прослеживаются" риометром, что может быть результатом малого "поля зрения" диаграммы риометра. Если высыпание частиц и ионосферный ток расположены на расстоянии свыше 30 км от точки наблюдения, то магнитометр и фотометр возмущение зарегистрируют, а риометр поглощение — нет.
3) В случае высыпания низкоэнергичных электронов (0.5—3.0 кэВ) фотометр отметит сияния, а магнитометр — возмущение поля, т.к. эти частицы приведут к возникновению в ионосфере токов. Но такие электроны не проникнут до слоя Б (для этого необходимы энергии в несколько десятков кэВ), и риометрического поглощения не будет.
4) Фотометрические наблюдения свободны от фазовых искажений, а риометрические — нет из-за рекомбинации ионов в ионосфере и сглаживающих фильтров в приборе.
3. ДАННЫЕ
Для изучения интенсивности свечения полярных сияний на обс. Баренцбург (ВАВ) на архипелаге Шпицберген установлены 4 фотометра с углом зрения 6°: один с фильтром 630.0 нм направлен в зенит и три с фильтром 557.7 нм, зенитные углы которых равны 0°, 30° и 60°, к геомагнитному югу. Электроны, вызывающие сияния в полярной шапке, имеют более мягкий спектр по сравнению с теми, что вторгаются в зоне сияний или южнее, от нескольких сотен эВ до первых кэВ. В данной работе были рассмотрены фотометриче-
ские записи за период с 12 декабря 2007 г. по 12 января 2008 г. в безлунные периоды полярной ночи, использовались данные только фотометров в зеленой эмиссии 557.7 нм, время жизни которой менее 1 с.
На результаты фотометрических наблюдений сильно влияет облачность: при ясной погоде фотометр регистрирует свечение от небольшой области неба, которая много меньше области, занятой сияниями. Облака рассеивают свет расположенных на высоте 120 км сияний почти изотропно, поэтому плотная сплошная облачность расширяет поле зрения прибора почти до 180°. Магнитометр, как отмечено выше, имеет также большое "поле зрения", поэтому для сопоставления с магнитными данными предпочтительны записи фотометра в облачных условиях.
Иногда в литературе геомагнитные пульсации представляются на рисунках и исследуются после фильтрации компонент поля, убирающей аппа-ратурно или цифровой обработкой низкие, а нередко и высокие частоты. В данной работе и магнитные, и авроральные пульсации представлены без фильтрации.
4. РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ
На верхней панели рис. 1 показаны записи фотометров в эмиссии 557.7 нм с зенитными углами 30° и 60° при отсутствии облачности. Левая шкала показывает интенсивность в реле
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.