ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2011, том 51, № 5, с. 608-629
УДК 523.62.726
ВОЗБУЖДЕНИЕ Рс5 ПУЛЬСАЦИЙ МАГНИТНОГО ПОЛЯ И ПОТОКОВ ЧАСТИЦ НА ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ ФАЗЕ МАГНИТНОЙ БУРИ
31 ОКТЯБРЯ 2003 г. © 2011 г. В. Б. Белаховский1, В. А. Пилипенко2
Учреждение РАН Полярный Геофизический институт, г. Апатиты (Мурманская обл.)
2Учреждение РАН Институт физики Земли, Москва e-mail: belakhovsky@mail.ru;pilipenko_va@mail, ru Поступила в редакцию 01.11.2009 г.
После доработки 21.01.2011 г.
Детально рассмотрена пространственная структура интенсивных Рс5 пульсаций геомагнитного поля и риометрического поглощения на восстановительной фазе сильной магнитной бури 31.10.2003 г. Глобальная структура возмущений анализировалась с помощью мировой сети магнитометров и риометров, дополненных данными магнитометров и детекторов частиц на геостационарных спутниках GOES и LANL. Локальная пространственная структура исследовалась по данным региональной сети финских вертикальных риометров и станций магнитной сети IMAGE. Несмотря на общее подобие и близкий частотный состав квазипериодических вариаций магнитного поля и риометрического поглощения, их пространственная локальная структура оказывается различной, что ставит под сомнение представления о пульсациях риометрического поглощения как чисто модуляционном процессе. Предположено, что наблюдаемые вариации являются осцилляциями двух связанных систем: магнитосферного МГД волновода/резонатора и системы циклотронные шумы + электроны. Геомагнитные Рс5 колебания на восстановительной фазе сильной магнитной бури являются предположительно результатом возбуждения магнитосферного волновода на флангах магнитосферы. Анализ фазовых скоростей азимутального распространения показывает, что они определяются не скоростью солнечного ветра, а внутримагнитосферными параметрами. Магнитосферный волновод оказывается в метастабильном состоянии при высоких скоростях солнечного ветра, и квазипериодические флуктуации его давления стимулируют возбуждение волновода.
1. ВВЕДЕНИЕ: ВОЗМОЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ Рс5 ПУЛЬСАЦИЙ
Геомагнитные УНЧ (ультранизкочастотные, или ultra low frequency, по западной терминологии) Рс5 колебания (характерные периоды ~ нескольких мин) являются неизменным компонентом возмущенной магнитосферы (см. обширную библиографию в обзоре [Пилипенко, 2002]). Традиционно считается, что основным источником Pc5 пульсаций в магнитосфере является неустойчивость Кельвина-Гельмгольца (К-Г) границы магнитосферы, обтекаемой солнечным ветром [Kivelson and Pu, 1984]. Эти представления опираются на многократно подтвержденный факт сильного роста интенсивности Рс5 пульсаций с увеличением скорости солнечного ветра [Engebretson et al, 1998; Mathie and Mann, 2001]. Дополнительным источником Pc5 колебаний могут служить скачки или квазипериодические вариации давления солнечного ветра [Kessel, 2004]. Помимо этого, магнитосферные колебания того же диапазона эффективно возбуждаются потоками энергичных частиц с неравновесным распределением либо по энергии, либо по пространству [Похотелов и др., 1986]. Однако последние колебания имеют малые масштабы в поперечном направлении, и практиче-
ски полностью экранируются ионосферой от наземных магнитометров.
Интенсивные Рс5 колебания оказывают существенное влияние на динамику магнитосферных процессов: переносят энергию из пограничных слоев вглубь магнитосферы, ускоряют экваториальные [Elkington et al., 2003] и авроральные [Keiling et al., 2002] электроны. Кроме того, эти колебания могут эффективно модулировать потоки частиц кольцевого тока [Southwood and Kivelson, 1981]. По наземным наблюдениям эффекты модуляции могут проявиться при анализе синхронных наблюдений магнитного поля и риометрического поглощения [Olson et al,, 1980; Posch et al., 1999]. Вариации риометрического поглощения (поглощения космического радиоизлучения в нижней ионосфере) вызываются преимущественно высыпаниями энергичных электронов. УНЧ волны, регистрируемые наземными магнитометрами, не всегда сопровождаются пульсациями риометрического сигнала. Согласно обширной статистике по данным сети CARISMA [Spanswick et al., 2005] вероятность наблюдения пульсаций риометрического поглощения в тот же период, что и геомагнитных пульсаций, наиболее велика в утреннем секторе и резко зависит от широты, достигая максимальных значений ~70% на геомагнитной широте
Таблица 1. Координаты наземных станций
Станция IAGA код Геомаг. широта Геомаг. долгота MLT Геомаг. полночь, UT Вид наблюдений: М - магнитометр, R — риометр
Abisko ABK 65.2 102.3 UT + 2.2 21:24 M, R (10 c)
Ivalo IVA 65.0 109.8 UT + 2.1 20:56 M, R (10 c)
Sodankyla SOD 63.8 107.7 UT + 2.6 21:02 М, R (10 с)
Oulu OUL 61.0 106.6 UT + 2.5 21:06 М, R (10 с)
Hankasalmi HAN 58.6 105.0 UT + 2.4 21:12 М (10 с)
Dombas DOB 59.3 90.2 UT + 1.4 22:12 М (10 с)
Jyvaskyla JYV 58.5 105.7 UT + 2.4 21:12 R (10 c)
Meanok MEA 62.2 305.4 UT + 15.8 08:12 М (5 с)
Barrow BRW 70.0 256.6 UT + 12.5 12:11 М (5 с)
Fort Smith FSM 65.3 303.1 UT + 15.6 08:20 R (5 c)
Dawson DAW 65.9 271.8 UT + 13.5 10:33 R (5 c)
Norilsk NOR 64.6 162.2 UT + 6.2 17:56 М (10 с)
Tixie TIX 65.8 197.0 UT + 8.5 16:04 М (10 с)
Chokurdakh CHD 64.8 212.4 UT + 9.5 15:08 М (10 с)
Zyryanka ZYK 59.8 217.0 UT + 9.9 14:50 М (10 с)
Narsarsuaq NAQ 66.3 43.9 UT - 1.6 14:07 М (10 с)
Poste-De-La-Balein PBQ 66.15 358.12 UT + 19.2 04:48 М (10 с)
~67°. Возможны (хотя и крайне редко) и обратные ситуации, когда риометрические пульсации не сопровождаются геомагнитными вариациями [Krish-naswamy and Rosenberg, 1987; Клейменова и др., 1997].
Наиболее общепризнан механизм модуляции УНЧ волнами потоков высыпающихся электронов, предложенный Coroniti and Kennel [1970], согласно которому компонента сжатия b магнитного поля волны модулирует инкремент нарастания электронно-циклотронных шумов, которые вызывают рассеяние электронов в конус потерь. Однако эта возможность, по-видимому, не является исчерпывающей, т.к. зачастую модулированное Рс5 высыпание наблюдалось для волн без заметной йц [Nose et al., 1998] или без фоновых электронно-циклотронных шумов [Paquette et al., 1994]. В авроральной области периодическое ускорение и высыпание электронов могут вызываться мелкомасштабными дисперсионными альвеновскими возмущениями, обладающими продольным электрическим полем E [Stasiewiczs et al., 2000], или модуляцией области ускорения авроральных частиц альвеновской волной [Fedorov et al., 2004].
На восстановительной фазе сильных магнитных бурь наблюдаются интенсивные Рс5 пульсации с амплитудой, превосходящей на порядок амплитуды
типичных Рс5. Эти аномальные колебания по терминологии [Ггей^, 1997; Ро1ароу е! а1, 2006] следует отнести к глобальным Рс5 пульсациям, поскольку они одновременно наблюдаются и в утреннем, и вечернем секторах, в широком диапазоне широт, вплоть до магнитного экватора. Общая пространственно-временная динамика глобальных Рс5 пульсаций во время магнитных бурь 29—31.10.2003 г. была детально проанализирована в работах [Клейменова и Козырева, 2005а, 2005б, 2008; Ро1ароу, 2006]. Являются ли глобальные пульсации физически подобными обычным Рс5 пульсациям, или они вызываются качественно иными волновыми процессами, четкого ответа пока не получено. Глобальные Рс5 пульсации могут иметь особое значение для динамики релятивистских электронов, т.к. их частоты близки к частотам магнитного дрейфа электронов с энергией несколько МэВ [ЕМп^оп е! а1., 2003]. Высокая интенсивность этих колебаний, занимаемый ими большой объем магнитосферы, наличие продольной магнитной компоненты — все эти факторы должны приводить к более заметному воздействию на релятивистские электроны (модуляции, радиальной диффузии и ускорению), чем обычные Рс5 пульсации.
Целью данной работы является исследование утренних и дневных глобальных Рс5 пульсаций гео-
''' Л. LANL'97A „LAML-OA
/
- 084
! i ¡ i J 1 ' 1 ' ___1 _ ! /Ч __j _ __1__¿
; 1
1 t ' \ 199\- 080
1 \ \ * к" 4 У \ ,
DeqES-10 \ ДДМСм""~"
A
ISL
' ^IvA^OUL
¿Л
IVA a OUL ,
\*ABKfOB \
\ \ l
\ xLANL-01A '
\ / X1990 - 095
V
20- GOES-12 ,' □A \ ✓ Д . ✓
P«2\ '' /
/
_60_-- 4 '
Рис. 1. Относительное положение наземных обсерваторий (треугольники) и геомагнитных проекций геостационарных спутников GOES (прямоугольники) и LANL (звездочки) в исправленных геомагнитных координатах для момента времени 05.00 UT 31 октября 2003 года.
магнитного поля на фазе восстановления сильной магнитной бури 31.10.2003: изучение их локальной пространственной структуры, связи с пульсациями риометрического поглощения и потоков энергичных магнитосферных частиц и с параметрами межпланетной среды. Полученные свойства колебаний могут дать новую информацию, необходимую для понимания физической природы глобальных Рс5 пульсаций и их воздействия на динамику магнитосферных частиц.
Таблица 2. Координаты геостационарных спутников
Спутник Геомаг. долгота, град MLT
1990-095 34.16 UT - 02.1
1991-080 266.79 UT - 10.3
1994-084 216.39 UT + 10.1
LANL-97A 175.27 UT + 06.8
LANL-01A 80.07 UT + 01.2
LANL-02A 141.01 UT + 04.1
GOES-10 296.4 UT - 09.6
GOES-12 356.5 UT - 05.0
2. ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ДАННЫЕ
НАБЛЮДЕНИИ
Для характеристики межпланетного магнитного поля (ММП) и параметров солнечного ветра использованы данные спутника АСЕ (время распространения солнечного ветра до магнитопаузы ~26 мин). Спутник WIND в это время находился в хвосте магнитосферы с запаздыванием относительно магнитопаузы ~18 мин.
Для представления о глобальной наземной структуре магнитных возмущений использованы данные отдельных станций сетей IMAGE, CARISMA/ CANMOS, MAGDAS, Greenland Coastal Array. Координаты станций и частоты дискретизации данных указаны в табл. 1, а относительное положение станций показано на рис. 1. Локальная структура возмущений исследуется по данным сети магнитных и рио-метрических станций в Скандинавии. Эта сеть позволяет сформировать следующие градиентные пары для определения эффектов распространения возмущений в широтном и долготном направлениях:
• Меридиональные (геомагнитная долгота Л ~ 107°) высокоширотная IVA-SOD (геомагнитные широты Ф ~ 64°—65°) и
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.