УДК 550.383
ТОНКАЯ СТРУКТУРА СИЯНИЙ ВО ВРЕМЯ АВРОРАЛЬНОГО БРЕЙКАПА ПО ДАННЫМ НАЗЕМНЫХ И СПУТНИКОВЫХ НАБЛЮДЕНИЙ
© 2008 г. И. А. Корнилов1, Е. Е. Антонова23, Т. А. Корнилова1, О. И. Корнилов1
1 Полярный геофизический институт КНЦ РАН, Апатиты (Мурманская обл.)
2 Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета, Москва 3 Институт космических исследований РАН, Москва e-mails: kornilova@pgi.kolasc.net.ru, antonova@orearm.msk.ru Поступила в редакцию 12.04.2007 г.
Исследована динамика и тонкая структура сияний до и во время 60 авроральных брейкапов, включающих псевдобрейкапы, брейкапы при умеренной и сильной авроральной активности с использованием разработанной методики обработки телевизионных изображений. Проведен анализ одновременных с наземными изображений сияний со спутников IMAGE и POLAR, наземных магнитных данных, измерений межпланетного магнитного поля и параметров плазмы солнечного ветра. В пространственно-временной окрестности брейкапа в динамике и морфологии сияний обнаружены характерные признаки, которые могут быть предвестниками брейкапа. Проведено статистическое исследование морфологических характеристик авроральных структур. Определены направления движения слабых субвизуальных структур. Приведены оценки скоростей движения таких структур. Проведен анализ связи первоначального уярчения авроральных дуг во время брейкапов и псевдо-брейкапов с началом магнитной активации и формированием лучистых структур.
PACS: 94.10.Rk
1. ВВЕДЕНИЕ
Исследование динамики полярных сияний вблизи начала (момент Т0) взрывной фазы суббури (аврорального брейкапа) является, в настоящее время одним из основных направлений исследований авроральной активности. Авроральная активация может не заканчиваться значительной дипо-лизацией магнитных силовых линий, ускорением энергичных частиц и сильными магнитными возмущениями. Такие активизации обычно называются авроральными псевдобрейкапами (см. [Pulk-kinen, 1996; Yahnin et al., 2001]).
Согласно классической схеме Акасофу [Akaso-fu, 1964], брейкап начинается на самой южной из дуг, дрейфующих на предварительной фазе суббури к экватору, или с формирования новой дуги, и проявляется как уярчение дуги и быстрое распространение сияний к полюсу, западу и востоку. Экспериментальные исследования полярных сияний, проведенные в последние годы (см. обзор [Elphinstone et al., 1996], материалы конференций по суббурям ICS-7 и ICS-8) показывают, что развитие реальных суббурь, как правило, отличается от классической схемы и зависит от геофизических условий, предшествующих суббуре. В работах [Samson et al., 1992; Lyons et al., 2002; Voronkov et al., 2002] было исследовано развитие брейкапа при внезапном появлении новой самой экваториальной дуги за 4—5 мин до начала брейкапа. При
этом наблюдается затухание дуги, обычно называемой предбрейкаповой дугой, расположенной к полюсу от новой дуги и двигающейся к экватору на предварительной фазе суббури. Поэтому ниже будут использованы два понятия: предбрейкапо-вая дуга (ПБД — pre-existing growth phase arc), которая появляется за 30—40 мин до начала брейкапа, дрейфуя к экватору с вариациями интенсивности, и брейкаповая дуга (БД), появляющаяся за несколько минут до брейкапа, на которой начинается брейкап.
Необходимо отметить, что в настоящее время возможность исследования тонких брейкаповых авроральных дуг со спутников существенно ограничена временным разрешением приборов, измеряющих потоки высыпающихся частиц, и пространственным разрешением авроральных ими-джеров. Зарегистрированы только отдельные случаи наблюдений на спутниках высыпаний электронов, формирующих брейкаповые дуги (см., например, [Dubyagin et al., 2003; Shiokawa et al., 2005]). Наземные методики, при этом, обладают существенными преимуществами, так как позволяют разрешать структуры с масштабами ~100 м. Применение методик специальной обработки телевизионных кадров позволяет выделять тонкие субвизуальные структуры, отслеживать детали движения тонких авроральных структур.
Был предложен ряд механизмов формирования аврорального брейкапа (см. обзорную часть в работе Stepanova et al. [2002]; Akasofu [2004]; Lui [2004]). Рассматриваемые механизмы можно разделить в соответствии с типом рассматриваемой неустойчивости (электромагнитной или электростатической) и области локализации неустойчивости (в хвосте магнитосферы на геоцентрических расстояниях ~ 15 RE или на квазидипольных магнитных силовых линиях вблизи геостационарной орбиты). Развитие неустойчивости может быть связано с внешним триггированием или происходить спонтанно при достижении системой определенных критических параметров. Теории, связывающие начало суббури с процессами в хвосте магнитосферы, постулируют распространение определенного возмущения к Земле, приводящего к активизации ближайшей к экватору дуги полярного сияния. Начало суббури на квазидиполь-ных магнитных силовых линиях предполагает распространение возмущения от Земли с последующим изменением топологии магнитных силовых линий (пересоединением) в ближнем хвосте. При этом могут быть объяснены результаты исследования (см., например, [Nagai et al., 2005]), в соответствии с которыми положение области магнитного пересоединения в хвосте магнитосферы контролируется скоростью солнечного ветра и величиной межпланетного магнитного поля (ММП).
Развитие электростатических процессов предполагает возникновение изменений магнитного поля после уярчения ближайшей к экватору дуги, электромагнитных — до или почти одновременно. Предсказания теорий различаются во временном интервале ~1—3 мин вблизи брейкапа [Meng and Liou, 2004; Ohtani, 2004]. Поэтому проверка возможности действия каждого из рассмотренных механизмов требует наблюдений структуры сияний в области брейкапа с высоким пространственным и временным разрешением. Такие исследования могут проводиться в настоящее время только с использованием телевизионных (ТВ) изображений. Особенно важна для понимания механизмов взрывной фазы суббури тонкая пространственно-временная структура сияний в области зарождения аврорального брейкапа за несколько минут до начала взрывной фазы, то есть, до момента (T0). Однако она практически не изучена в связи с тем, что такие исследования требуют привлечения новых методов обработки телевизионных изображений.
В данной работе с использованием разработанной методики обработки телевизионных изображений, позволяющей анализировать слабые субвизуальные свечения, представлены результаты исследования тонкой структуры и динамики диффузных и дискретных сияний по телевизионным и спутниковым данным в пространственно-времен-
ных окрестностях брейкапа и приведены морфологические характеристики авроральных структур.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
Для исследования тонкой структуры аврорального брейкапа были использованы телевизионные данные полярных сияний, зарегистрированных на станциях Кольского полуострова и Скандинавии телевизионными камерами с временным разрешением 25 кадров в с и высоким пространственным разрешением (~100 м в зените). В связи с тем, что развитие реальной суббури часто отличается от классической схемы и сильно зависит от предварительных условий (например, предыдущей авроральной активности), были рассмотрены разные типы авроральных возмущений: классические изолированные суббури при умеренной магнитной активности, суббури при сильной магнитной возмущенности и локальные аврораль-ные вспышки, или псевдобрейкапы. Было проанализировано 60 брейкапов. В 18 случаях из этого числа событий были доступны данные спутников IMAGE или POLAR, дающих изображения сияний в глобальном масштабе. Были использованы также данные спутника WIND, измерявшего параметры плазмы солнечного ветра и ММП, и магнитные данные ст. Лопарская, Ловозеро и скандинавской сети магнитометров.
3. МЕТОД ОБРАБОТКИ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ДАННЫХ
Для цифровой обработки телевизионных изображений и их анализа в ПГИ был создан программный комплекс, который, в частности, позволил расширить динамический диапазон телевизионных данных, а также суммировать и сжимать во времени видеоинформацию и просматривать ее с любой скоростью на экране компьютерного монитора.
Используемая методика обработки телевизионных данных основана на скользящем сглаживании последовательных кадров в сочетании с их эффективной пространственно-временной фильтрацией [Kornilov et al., 2000]. Последующая анимация, т.е. воспроизведение фильтрованных кадров в виде непрерывного фильма, позволяет непосредственно видеть и анализировать слабые субвизуальные свечения, интенсивность которых в несколько тысяч раз меньше яркости средних авроральных дуг. Метод также позволяет непосредственно из серии последовательных кадров быстро строить кеограммы произвольной формы, ширины и ориентации, и таким образом одновременно анализировать множество различных профилей. При этом профиль кеограммы может двигаться и деформироваться вместе с дугой. Данная методика позволяет прослеживать не только дви-
жение сияний в направлении север—юг, но и движения вдоль аврорального овала и вдоль отдельной дуги.
4. АНАЛИЗ ДАННЫХ
Большинство исследованных брейкапов было связано с поворотом к северу ^-компоненты ММП или ее незначительными положительными отклонениями на фоне отрицательных вариаций.
Тонкая структура брейкапа исследовалась в двух аспектах: в глобальном масштабе с привлечением данных спутников IMAGE и POLAR, дающих изображения сияний в ультрафиолетовом диапазоне, и на более мелком масштабе, а именно, в пространственно-временной окрестности предбрейкаповой дуги, определяемой радиусом ~500 км и временным интервалом (—30 < T0 < +20) мин с использованием видеозаписей полярных сияний.
I. ТОНКАЯ СТРУКТУРА СИЯНИЙ ПЕРЕД БРЕЙКАПОМ ПО ТЕЛЕВИЗИОННЫМ И СПУТНИКОВЫМ НАБЛЮДЕНИЯМ
1. Развитие псевдобрейкапов (18 событий)
На рис. 1 представлен пример развития авро-ральной активности типа псевдобрейкапа.
На рис. 1а показана последовательность телевизионных кадров по данным наблюдений в Лов-озеро 23 декабря 2000 г. в 20.30—21.30 UT В зените Ловозеро в 20.30—21.17 UT видна слабая пре
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.