ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2015, том 55, № 3, с. 323-332
УДК 550.385.37
УСЛОВИЯ В СОЛНЕЧНОМ ВЕТРЕ И МАГНИТОСФЕРЕ ВО ВРЕМЯ ВСПЛЕСКА НЕТИПИЧНЫХ ОНЧ ШИПЕНИЙ (08 ДЕКАБРЯ 2013 г.)
© 2015 г. Н. Г. Клейменова1, Ю. Маннинен2, Л. И. Громова3, Т. Турунен2, Ю. В. Федоренко4,
А. С. Никитенко4, Н. Р. Зелинский1, С. В. Громов3
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН (ИФЗ РАН), г. Москва 2Геофизическая обсерватория Соданкюля, Финляндия 3Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН),
г. Москва, г. Троицк
4Полярный Геофизический институт РАН(ПГИРАН), г. Апатиты, (Мурманская обл.)
e-mail: kleimen@ifz.ru Поступила в редакцию 24.12.2014 г.
Исследовались особенности динамики параметров солнечного ветра и ММП в начальную фазу слабой магнитной бури 8 декабря 2013, когда по данным ОНЧ наблюдений в авроральных широтах вблизи финской обсерватории Соданкюля (L ~ 5.5) наблюдался нетипичный двухчасовой всплеск шипений (хисс) в очень большой полосе частот (~4—10 кГц), отличающийся по морфологическим характеристикам от классических авроральных шипений. Такой же всплеск ОНЧ излучений регистрировался и в российской обсерватории Ловозеро, расположенной в ~400 км к востоку. В обеих точках ОНЧ излучения, в отличие от типичных авроральных шипений, были левой поляризации и приходили к точке наблюдений с юго-востока. Несмотря на то, что всплеск ОНЧ шипений совпал по времени с развитием суббури и появлением в зените станции ярких полярных сияний, перемещающихся с севера, возбуждение ОНЧ шипений, по-видимому, не связано с сияниями. Высказано предположение, что генерация обсуждаемых ОНЧ излучений происходила за счет циклотронной неустойчивости значительно восточнее Скандинавии в области плазмопаузы, расположенной, предположительно, на L ~ 3.5, где экваториальная электронная гирочастота (/He) составляет порядка 20 кГц. Возбуждающиеся ОНЧ волны могли быть захвачены в дакт на плазмопаузе на частотах ниже половины fHe, т.е. ниже ~10 кГц, выйти к земной поверхности вблизи проекции их источника и распространяться в волноводе Земля-ионосфера на большие расстояния как лево-поляризованные волны. Во время обсуждаемого всплеска шипений было отмечено резкое возрастание динамического давления солнечного ветра, что привело к значительному поджатию дневной магнитосферы, перемещению плазмопаузы и радиационного пояса на более низкие L-оболочки, а также развитию суббури и движению дуг полярных сияний к югу. Генерация ОНЧ шипений могла происходить в области, где энергичные частицы радиационного пояса пересекали плазмопаузу. Косвенным подтверждением того, что генерация обсуждаемых шипений происходила не в раннем утреннем секторе (скандинавский меридиан), а значительно восточнее, может быть квазипериодическая модуляция интенсивности ОНЧ шумов в диапазоне геомагнитных пульсаций Рс5, наблюдаемых в это время на восточных станциях и отсутствующих на скандинавском меридиане.
DOI: 10.7868/S0016794015030104
1. ВВЕДЕНИЕ
Известно, например, [монографии: Helliwell, 1965; Распопов и Клейменова, 1977; Трахтенгерц и Райкрофт, 2011], что естественные электромагнитные ОНЧ (очень низкочастотные) излучения играют важную роль в физических процессах в магнитосфере, динамике энергичных частиц радиационного пояса Земли, их локальном ускорении и высыпании. Эти излучения интенсивно изучаются как на спутниках, так и на земной поверхности. В течение последних лет в северной Финляндии в ~35 км к северо-западу от геофизической обсерватории Соданкюля (SOD) регулярно проводятся кампании регистрации ОНЧ излу-
чений в полосе частот 1—11 кГц в выносном пункте Kannuslehto (KAN — географические координаты: ф = 67.74° N, X = 26.27° E, исправленные геомагнитные координаты: Ф = 64.2°; Л = = 107.9°, L ~ 5.5). Приемная аппаратура располагается в автомобильном прицепе с автономным питанием и обогревом. Прием сигналов осуществляется на две взаимно перпендикулярные магнитные рамочные антенны, что позволяет определять горизонтальные углы прихода волн, но с неопределенностью 180°, так как вертикальная электрическая антенна отсутствует. Подробное описание измерительной аппаратуры приведено в работе [Manninen, 2005]. К сожалению, ниже 1 кГц регистрация естественных ОНЧ излучений за-
труднена из-за высокого уровня индустриальных помех. Некоторые результаты анализа этих наблюдений последних лет опубликованы в работах [Маннинен и др., 2013, 2014; Manninen et al., 2012, 2013, 2014a,b].
Результаты спектрально-временного анализа наблюдений финских ОНЧ кампаний находятся в свободном доступе на сайте обсерватории Содан-кюля (http://www.sod.fi/vlf/VLFPlots) в виде минутных и часовых спектрограмм. Анализ наблюдений показал, что кроме классических ОНЧ хоров, шипений и периодических дискретных сигналов, регистрируются всплески ОНЧ излучений разнообразной, часто необычно сложной спектрально-временной структуры [Manninen et al., 2012, 2013, 2014b]. Такие нетипичные ОНЧ излучения, как правило, появляются в зимнее время.
Так, в последней зимней кампании декабря 2013 года в начальную фазу слабой магнитной бури 8 декабря в ранние утренние часы местного магнитного времени был обнаружен нетипичный двухчасовой всплеск шипений (хисс) в необычно высокой полосе частот ~4—10 кГц, отличающийся от наблюдаемых на таких частотах всплесков ав-роральных шипений (auroral hiss).
В настоящее время кроме финских ОНЧ наблюдений непрерывная наземная регистрация ОНЧ излучений проводится и в российской обсерватории Ловозеро (LOZ), расположенной на близкой геомагнитной широте с финской ст. KAN, но ~400 км восточнее. В Ловозеро используется близкая по характеристикам регистрирующая аппаратура, разработанная и изготовленная в ПГИ. Однако кроме горизонтальных магнитных компонент ОНЧ волн, в LOZ измеряется и вертикальная электрическая компонента поля, что позволяет определять точное горизонтальное направление прихода сигналов. Первые результаты сопоставления одновременных наблюдений KAN и LOZ показали [Маннинен и др., 2014; Manninen et al., 2014], что в подавляющем большинстве случаев всплески ОНЧ излучений типа хоров в обеих точках начинались и кончались одновременно с одинаковой поляризацией ОНЧ волн и направлением их прихода.
Цель данной работы — исследовать характеристики необычного двухчасового всплеска утренних высокочастотных шипений 8 декабря 2013 в начальную фазу слабой магнитной бури и рассмотреть особенности динамики параметров солнечного ветра и ситуации в магнитосфере, чтобы понять возможный источник этих ОНЧ излучений.
2. ОСОБЕННОСТИ МАГНИТНОЙ БУРИ 7-8 ДЕКАБРЯ 2013 г.
Магнитная буря, в начальную фазу которой был зарегистрирован обсуждаемый всплеск высо-
кочастотных шипений, началась 7 декабря 2013 г. около 20 UT на относительно спокойном геомагнитном фоне. Значения Кр индекса в течение 7 декабря изменялись от Кр = 2 в начале дня до Кр = 0 в середине дня, вечером с началом бури индекс Кр возрос до Кр = 2, а в главную фазу бури до Кр = 5. На рисунке 1 показана ситуация в ММП и солнечном ветре, а также в геомагнитной обстановке, представленной SymH и AL индексами, и результатами наблюдений потоков 75 кэВ электронов на геостационарных спутниках GOES-13 (географическая долгота 75° W) и GOES-15 (географическая долгота 135° W). Вертикальными штриховыми линиями отмечен анализируемый интервал времени, когда наблюдался всплеск нетипичных шипений. В это время геостационарный спутник GOES-13 находился в вечернем секторе магнитосферы, а GOES-15 — в дневном.
На рисунке 1 приведены вариации Вх, By и Bz компонент межпланетного магнитного поля (ММП) и динамического давления солнечного ветра (Psw), а также положение дневной магнитопаузы (R1), рассчитанное по модели [Кузнецов и др., 1998] — сплошная линия и по модели [Feldstein et al., 2005] — точечная линия. Обе модели дают очень близкие результаты. Видно, что с развитием магнитной бури и возрастанием динамического давления солнечного ветра маг-нитопауза приближалась к Земле.
Судя по вариациям SymH индекса, начальная фаза бури продолжалась до ~03 UT. В это время в ММП наблюдались большие вариации в By и Bz компонентах поля от +15 до —15 нТл, а динамическое давление солнечного ветра резко увеличивалось от ~3 до ~15 нПа. На графике AL индекса видно, что в течение начальной фазы бури 8 декабря в 00—03 UT в авроральных широтах наблюдалась интенсивная магнитосферная суббуря (AL ~ 900 нТл). Регистрация энергичных (75 кэВ) электронов на геостационарных спутниках GOES-13 и GOES-15 показала, что в это время поток электронов резко уменьшился. По мнению ряда авторов, например, [Кузнецов и др., 1997; Лазутин, 2004], резкие понижения интенсивности счета вызваны адиабатическим смещением к Земле внешнего радиационного пояса за счет вытягивания силовых линий геомагнитного поля в антисолнечном направлении в подготовительную фазу магнитосферной суббури. Именно в это время отмечалось поджатие магнитосферы и приближение магнитопаузы к Земле.
Необычным в начальную фазу магнитной бури было резкое изменение знака Bz компоненты ММП (в ~01:50 UT) и появление больших положительных значений (до +19 нТл), которые к концу этой фазы (в ~02:30 UT) сменились большими отрицательными значениями Bz (до —15 нТл).
Большое динамическое давление солнечного ветра и относительно большие отрицательные величины Bz компоненты ММП в это время привели к росту геомагнитной активности (значение индекса Кр увеличилось от 2 до 5) и развитию в главной фазе магнитной бури в 03—05 UT новой суббури с AL до ~900 нТл. Однако минимальные значения SymH индекса интенсивности кольцевого тока в главную фазу бури достигли значений всего —60 нТл, несмотря на относительно большие отрицательные значения Bz ММП.
В интервале ~02:20—02:40 UT (рис. 1) наблюдалось резкое кратковременное уменьшение динамического давления солнечного ветра примерно на 5 нПа (с 15 до 10 нПа). После этого потоки энергичных частиц на геостационарных спутниках стали возрастать. Это может быть интерпретировано как обратное перемещение радиационного пояса на большие L оболочки (приближение к геостационарным орбитам).
На рисунке
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.