ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2015, том 55, № 1, с. 26-34
УДК 550.385.37
ВЛИЯНИЕ АНОМАЛЬНОЙ ДИФФУЗИИ ЧАСТИЦ НА ФОРМИРОВАНИЕ ТОКОВОЙ СИСТЕМЫ И КОГЕРЕНТНОСТЬ ЛОКАЛЬНЫХ ИОНОСФЕРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ГЕОМАГНИТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ Pi2
© 2015 г. А. В. Петленко, Ю. А. Копытенко
С.-Петербургский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН (СПбФ ИЗМИРАН), г. С.-Петербург
e-mail: petlenko.58@mail.ru Поступила в редакцию 12.02.2013 г. После доработки 05.07.2014 г.
В работе исследуются условия когерентности локальных ионосферных источников высокоширотных геомагнитных пульсаций Pi2 в полосе частот 6—8 мГц методом представления пространственных распределений их компонент интегралами поля вертикального магнитного диполя по траекториям случайных блужданий в горизонтальной плоскости ионосферы. Качественные представления достигаются при условии пропорциональности интенсивности поля и плотности самопересечений имеющей пространственные и временные разрывы траектории блужданий. В рамках теории аномальной диффузии траектория подчиненного им процесса Леви характеризуется стабилизацией точек поворота, группирующихся в окрестности локальных ионосферных источников пульсаций. Это позволяет моделировать возмущения поля высокоширотных пульсаций Pi2 равномерным движением по траекториям Леви холловских ионосферных источников с кратковременными импульсными включениями-выключениями тока. Когерентное перераспределение интенсивности локальных ионосферных источников Pi2 и ряд наблюдаемых особенностей динамики распределений их поля объясняются независимыми процессами формирования локальных продольных токов и усиления-ослабления пульсаций, вызванных смещением носителей тока относительно точек поворота блужданий Леви и неподвижного наблюдателя.
DOI: 10.7868/S0016794015010095
1. ВВЕДЕНИЕ
Хорошо известно [Пудовкин и др., 1971], что колебания поля геомагнитных пульсаций Pi2 являются периодическими. В работе [Пашин и др., 1982] использовалось представление об импульсном запуске и резонансной (периодической) раскачке колебаний поля Pi2. Ряд авторов, например, [Rae et al., 2006] разделяет эту точку зрения, утверждая, что периодический характер колебаний поля Pi2 связан скорее с альвеновскими резо-нансами силовых линий (FLR) на широте генерации пульсаций, чем с периодическим следованием импульсов запуска Pi2 из хвоста магнитосферы. В работах [Петленко и др., 1998; Петленко, 1994а] периодичность колебаний Pi2, отфильтрованных в полосе частот 6—8 мГц, была установлена методами спектрального анализа с помощью набора селективных равнополосных фильтров с короткой импульсной характеристикой (КИХ). Было показано, что локальные интенсификации поля Pi2 на станциях сети CANOPUS (на дневной стороне) наблюдались с небольшими ~15 c задержками во времени, меньшими их фундаментального периода, не совпадающего с периодами фильтрации.
Анализ поля Pi2 по данным более плотной сети магнитометров "BEAR" [Петленко и др., 2011а] позволил выявить тонкую структуру поля высокоширотных Pi2 и объяснить наблюдаемые задержки перераспределением интенсивности локальных ионосферных источников Pi2 за время, не превышающее их полупериода. Эти источники рассматриваются как локализованные в ионосфере хол-ловские токи, положения которых остаются почти стабильными в течение цуга Pi2. Стационарность локальных источников Pi2 проявляется также в совпадении периодов и фазированности (когерентности) их колебаний, что позволяет рассматривать их вклады в узкой полосе частот 6—8 мГц как проявления тонкой структуры поля Pi2. Когерентным перераспределением интенсивности стационарных источников Pi2 объясняются особенности их фазового поведения [Keiling et al., 2006; Keiling and Takahashi, 2011].
Однако, анализ изменений 2D распределений поля по данным сети "BEAR" показал, что в той же полосе частот наряду с когерентными проявлениями стационарных источников наблюдаются вклады других источников пульсаций, наиболее заметные при изменении знака холловских токов в области генерации Pi2. Их можно рассматривать
как импульсную аддитивную помеху поля Pi2 [Петленко, 19946], или как дополнительные источники пульсаций [Uozumi et al., 2004]. Их влиянием в значительной мере обусловлена иррегулярность наблюдаемых волновых форм Pi2. Трудности выделения вкладов этих (нестационарных) источников, вызванные возможным уменьшением в ~2—3 раза их размеров по сравнению с характерными размерами стационарных источников Pi2 (~ 100 км), заслуживают отдельного рассмотрения. Необходимо найти возможность описания динамики разных источников в области генерации Pi2 с единых позиций. Вместе с пульсирующими активизациями стационарных источников [Roldugin and Roldugin, 2008] можно учитывать случайные включения-выключения хаотически расположенных нестационарных. Иначе их можно интерпретировать как подвижные образования. Когерентность стационарных источников в области холловских токов одного знака свяжем с постоянной скоростью перераспределения их интенсивности, которую назовем скоростью распространения возмущения Pi2 и, в этом смысле, будем говорить об их движении.
Цель настоящей работы — показать, что условия когерентности ионосферных источников высокоширотных пульсаций Pi2 и постоянства скорости распространения их возмущения взаимообусловлены и связаны с перераспределением плотности носителей тока в области генерации Pi2 в высоких широтах. Для этого рассмотрим динамику распределений фильтрованной в узкой полосе частот вертикальной компоненты поля магнитных пульсаций по данным протяженной ~25° (WE) х 20° (SN) сети высокоширотных станций "BEAR". Имитируем эту динамику, используя диффузионную модель случайных блужданий точечного вертикального магнитного диполя в ионосферной области генерации Pi2. Положения стационарных когерентных источников Pi2 найдем как точки поворота траекторий подчиненного блужданиям процесса аномальной диффузии (полетов Леви [Заславский, 2010; Brockmann and Sokolov, 2002; Uchaikin et al., 1998]). Модифицируем модель локального ионосферного источника, заменив точечный диполь дисковой областью холловских токов размером ~100 км. Покажем, что движение таких источников хорошо описывает динамику распределений поля, причем скорость их движения приобретает смысл скорости перераспределения плотности частиц относительно положений точек поворота полетов Леви и определенной выше скорости транспортировки возмущения Pi2.
2. ДАННЫЕ
Воспользуемся результатами анализа событий генерации геомагнитных пульсаций Pi2 в период
18:30-19:00 UT 09 июля 1998 [Петленко и др., 2011а]. Динамику изменений поля Pi2 представим распределениями вертикальной Z компоненты, фильтрованной селективными равнополосными оптимальными фильтрами с КИХ равной длины и периодами фильтрации 120, 130, 140 и 150 с. Ограничимся этим представлением, так как особенности распределений Z компоненты хорошо отображают особенности векторных распределений, представленных X, ^компонентами поля. Распределения строились по данным 47 станций "BEAR", координаты которых приведены в работе [Петленко и др., 2011а], с интервалом дискретизации данных 10 с на сетке из 100 х 81 равноотстоящих узлов.
Совместим распределения разных спектральных составляющих Z компоненты, оставляя по одной изолинии на уровнях ~0.5 ее текущих максимального положительного и минимального отрицательного значений. Чем ближе период фильтрации периоду Pi2, тем больше амплитуда, а, следовательно, и размер контура, ограниченного изолинией фильтрованной компоненты поля. Это хорошо иллюстрирует рис. 1. Для события генерации Pi2 в 18:57:20-18:59:30 UT период пульсаций ~160 с, поэтому изолинии фильтрованной с периодом 150 с Z компоненты поля ограничивают полуширину областей холловских токов одного знака. Линии уровня более высокочастотных составляющих охватывают более компактные области. Построенные для моментов времени 18:57:20 и 18:58:40 UT области многосвязны, а их односвязные подобласти локализуют стационарные источники Pi2. Высокая "скорость" изменения положений нестационарных источников в 18:59:40-18:59:50 UT проявляется относительным увеличением размеров областей, ограниченных изолиниями высокочастотных составляющих поля (рис. 1).
Представленные на рис. 1 особенности 2D распределений спектральных составляющих поля Pi2 в работе [Петленко и др., 2011а] объясняются возможным ветвлением продольных токов их 3D токовой системы, для которой характерны: (а) стабилизация положений стационарных источников за полупериод Pi2 и их возможные случайные ~100 км смещения; (б) быстрые нестационарные "перестройки" поля за короткие (~1/3 полупериода) промежутки времени; (в) наличие моментов синхронизации, когда заканчивается перераспределение интенсивности стационарных источников в течение полупериода Pi2 и отмечаются импульсные изменения (срывы) фазы их колебаний. Моменты 18:57:20 и 18:58:40 UT характеризуется интенсификацией источников на западе области генерации Pi2. В течение 18:57:20-18:58:10 и 18:58:40-18:59:30 UT интенсивность источников перераспределяется в направлении W-E. Скорость перераспределения ~4-5 км/с оценим, разделив смещение восточной
Ф,град
76 72 68 64
60
18:57:20 UT
76 72 68 64
60
76 72 68 64
60
76 72 68 64
60
76 72 68 64
60
- +6 нТл
- f —3 нТл
- 1 1 1 1
15 20 25 30
18:57:30 UT
- ,...- +8 нТл
- 3 нТл
- i i i i
15 20 25 30
18:57:40 UT +8 нТл \í
-
- i V i ----- -4 нТл i i
15 20 25 30
18:57:50 UT
- V- +9 нТл ''. \ 4
- --- - - -с
- -4 нТл
- i i i i
15 20 25 30
18:58:00 UT
- +9 нТл í* * ■ ]"■■ jí /у
.....\
- -4 нТл
-iiii
Ф, град
76 72 68 64
60
15 20 25 30 X, град
---------150 c ..........
-140 c ----------
130 c 120 c
76 72 68 64
60
76 72 68 64
60
76 72 68 64
60
76 72 68 64
60
18:58:40 UT
" <fp -7 нТл
- +4 нТл
- 1 1 1 1
15 20 25 30
18:59:20 UT
- -8.5 нТл з.
-
- v> - « , +2 нТл
- i i i i
15 20 25 30
18:59:30 UT -5 нТл Со)}
- i i +2 нТл 1 1
15 20 25 30
18:59:40 UT —3 нТл
- 1 1 ■ -•-rv' -* ■ + 1 нТл i i
15 20 25 30
18:59:50 UT -3 нТл "Ю
_ " q о
- i
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.