ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2011, том 51, № 6, с. 746-756
УДК 550.385.37
ВЫСОКОШИРОТНЫЕ ГЕОМАГНИТНЫЕ ВОЗМУЩЕНИЯ В НАЧАЛЬНУЮ ФАЗУ РЕКУРРЕНТНОЙ МАГНИТНОЙ БУРИ (27 ФЕВРАЛЯ-2 МАРТА 2008 г.)
© 2011 г. Н. Г. Клейменова1, 4, О. В. Козырева1, Ю. Маннинен2, Т. Раита2, Т. А. Корнилова3, И. А. Корнилов3
1 Учреждение РАН Институт физики Земли, г. Москва, Россия 2 Геофизическая обсерватория Соданкюля, Финляндия
3 Учреждение РАН Полярный геофизический институт, г. Апатиты, Россия
4 Учреждение РАН Институт космических исследований, г. Москва, Россия
e-mail: kleimen@ifz.ru Поступила в редакцию 28.03.2011 г.
Выполнен анализ комплекса геофизических явлений (геомагнитные пульсации разных диапазонов частот, ОНЧ излучения, риометрическое поглощение и полярные сияния) в начальную фазу небольшой рекуррентной магнитной бури 27 февраля—2 марта 2008 г. в минимуме солнечной активности. Эта буря отличалась от типичных магнитных бурь тем, что ее начальная фаза развивалась на фоне длительного периода отрицательных значений Bz ММП, и наиболее интенсивные волновые возмущения в начальную фазу бури наблюдались не в дневном, как это происходит в большинстве случаев, а в вечернем и ночном секторах магнитосферы. Прохождение плотного транзиента (с Np до 30 см-3) в солнечном ветре на фоне южного направления ММП на переднем фронте высокоскоростного потока, ответственного за обсуждаемую бурю, вызвало большую (А^-индекс ~1250 нТл) магнитосферную суббурю. Обнаружено одновременное появление ОНЧ хоров, сопровождаемых всплесками риомет-рического поглощения и Рс5 пульсациями, в очень большом долготном интервале авроральных широт (L ~ 5) — от предполуночных до предполуденных часов MLT. Сделан вывод, что резкое возрастание динамического давления солнечного ветра на фоне длительных отрицательных значений Bz ММП привело к глобальному по долготе развитию электронно-циклотронной неустойчивости в магнитосфере Земли.
1. ВВЕДЕНИЕ
Несмотря на то, что магнитные бури исследуются более 100 лет, многие важные проблемы физики их развития остаются неизученными. Нет
единого мнения даже в таком относительно простом вопросе, какие фазы следует выделять в развитии магнитной бури. Согласно давно установившимся классическим представлениям [например, Акасофу и Чепмен, 1975], типичная магнитная буря состоит из трех фаз: начальной, главной и восстановительной. Начальная фаза характеризуется положительными значениями Лй-индекса, вызванными усилением динамического давления солнечного ветра и подходом к
орбите Земли плотного транзиента на переднем фронте высокоскоростного потока солнечной плазмы. Столкновение магнитосферы с межпланетной ударной волной вызывает внезапное начало магнитной бури (5С), наиболее четко регистрируемое в дневном секторе средних и низких широт. Сразу после 5С, когда Земля находится в области сжатого турбулентного фронта межпланетного магнитного облака, в дневном секторе полярных широт обычно наблюдаются интенсив-
ные геомагнитные возмущения и геомагнитные пульсации диапазона Рс5 f ~ 2—7 мГц) [например, Schott et al., 1998, Manninen et al., 2002, Козырева и др., 2004].
В то же время в ряде работ [например, Loewe and Ploss, 1997] начальная фаза магнитной бури вообще исключается из рассмотрения, особенно в случае рекуррентных магнитных бурь с постепенным началом, поскольку считается, что начальная фаза не влияет на дальнейшее развитие главной фазы бури. Однако физические процессы в магнитосфере Земли во время начальной и главной фаз бури принципиально различны и развиваются в различных магнитосферных доменах.
В большинстве случаев начальная фаза магнитной бури развивается при северном направлении ММП и сопровождается возрастанием динамического давления солнечного ветра. Как отмечалось еще в ранних работах [например, Акасофу и Чепмен, 1975], в начальную фазу бури наиболее интенсивные геомагнитные вариации и пульсации с периодами в несколько минут наблюдаются в дневном секторе полярных широт, что обычно связано с прямым проникновением гидромаг-
нитных волн из солнечного ветра. В главной фазе магнитной бури, развивающейся после поворота ММП к югу и уменьшения динамического давления солнечного ветра, основные геомагнитные возмущения, как правило, наблюдаются в вечернем н ночном секторах авроральных широтах. Даже, исходя из этих различий, выделение начальной фазы магнитной бури в отдельный этап развития бури является целесообразным. Длительность начальной фазы бури в разных бурях разная и изменяется от нескольких мин до 8—24 ч в зависимости от характеристик солнечного ветра и размеров области плотной плазмы на переднем фронте высокоскоростного потока (в случае так называемых СШ-бурь) или магнитного облака (СМЕ-бури).
Цель данной работы — исследовать комплекс явлений, таких как геомагнитные пульсации разных диапазонов частот, риометрическое поглощение, ОНЧ излучения, полярные сияния, в начальную фазу небольшой рекуррентной магнитной бури 27 февраля—2 марта 2008 г. в минимуме солнечной активности. Эта буря отличалась от типичных магнитных бурь тем, что ее начальная фаза развивалась на фоне длительного периода отрицательных значений Б1 ММП, и наиболее интенсивные волновые возмущения в начальную фазу бури наблюдались не в дневном, а в вечернем и ночном секторах магнитосферы.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ И ОБСУЖДЕНИЕ
Хорошо известно, что минимум солнечной активности характеризуется умеренными и слабыми (небольшие величины Лй-индекса) рекуррентными магнитными бурями, вызванными высокоскоростными потоками солнечного ветра из корональных дыр (СЖ-бури). В 2008 г. наблюдалась длинная 27-дневная последовательность из 14-ти магнитных бурь, рассматриваемая буря — третья из них.
2.1. Рассмотрим высокоширотные геомагнитные волновые возмущения в начальную фазу обсуждаемой бури — 27 февраля—02 марта 2008 г. Эта буря была следствием прохождения Землей высокоскоростного потока солнечного ветра от большой рекуррентной корональной дыры, наблюдающейся 25 февраля в западной полусфере видимого диска Солнца. Особенностью этой магнитной бури была относительно большая длительность начальной фазы, наблюдаемой на фоне небольших отрицательных значений Б1 ММП, что способствовало развитию интенсивной суббури в ночной магнитосфере.
Часовые вариации параметров межпланетного магнитного поля (Вх, Бу и Б1 ММ1Т) и солнечного ветра (скорость — V, плотность — Ыр и динамическое давление — Р) показаны на рис. 1а (данные
OMNI, http://nssdcnp .gsfc .nasa.gov/spacecrafr_data/ omni/) за период с 24 февраля до 5 марта. На рисунке также приведены вариации Dst- и АЕ-ин-дексов. Видно, что данной буре предшествовал достаточно длительный магнитоспокоиный период при отрицательных значениях Bz ММП. Начало бури связано с резким всплеском в плотности солнечного ветра 27 февраля.
Более детально 1-мин вариации параметров ММП и солнечного ветра в начальную фазу магнитной бури 27 февраля показаны на рис. 1б, где видно, что начальная фаза бури характеризовалась большим всплеском динамического давления (до 8 нПа) и скачкообразными возрастаниями скорости солнечного ветра. Скачок динамического давления солнечного ветра около 15 UT вызвал импульс Si (SC?), наблюдающийся на земной поверхности в виде положительного импульса в замкнутой магнитосфере и отрицательного — в полярных широтах.
2.2. В 16.30—17.30 UT в солнечном ветре вблизи орбиты Земли был зарегистрирован плотный транзиент с Np до 30 см-3 (рис. 1б), а в ~18.45 UT в магнитосфере началась суббуря с максимальным значением АЕ-индекса ~1250 нТл (рис. 1а). В ночном секторе магнитосферы на скандинавском профиле станций IMAGE суббуря наблюдалась одновременно в большом интервале геомагнитных широт (Ф ~ 56-76°). Эти данные показаны на рис. 2а. Сопоставляя вариации X и Z компонент поля, можно заключить, что взрывное начало суббури произошло около 18.45 UT между оба BJN и SOR, ближе к оба SOR. Затем возмущение очень быстро стало распространяться к северу, что можно интерпретировать как быстрое перемещение возмущения от источника взрыва в хвост магнитосферы.
Перемещение магнитной активности к полюсу сопровождалось возбуждением в полярных широтах (BJN-LYR) геомагнитных пульсаций в полосе 2-7 мГц (диапазон Рс5-Pi3), что показано на рис. 2б. Заметим, что, ранее было установлено [например, Manninen et al., 2002; Козырева и др., 2004; Козырева и Клейменова, 2010], что в начальную фазу магнитных бурь наибольшая волновая активность наблюдается в дневном секторе полярных широт и является результатом проникновения волновой турбулентности из солнечного ветра. В противоположность этому в обсуждаемый интервал времени начальной фазы бури (1920 UT) наибольшая волновая активность в диапазоне 2-7 мГц наблюдалась в ночном секторе. Для подтверждения этого на рис. 2в показана карта глобального пространственного распределения амплитуд геомагнитных пульсаций в 19.0019.45 UT, построенная в координатах: геомагнитная широта - местное геомагнитное время. Видно, что наиболее интенсивные пульсации наблю-
27.02.2008 г.
24.02—05.03.2008 г.
1000
800
й 600 к
400
200 -
24 25 26 27 28 01 02 03 04 05
АЕ
24 25 26 27 28 01 02 03 04 05 февраль март
6
а
С 4
х
2
30 7 25 S 20 ° 15 10
44(0 420 \400 м380 360 340 6 л4 £ 2 к 0
—2 —4
5 0
£ 5 * 0
■ Г^пшГ
У
/ fbXWAvmyl_I_
Np
y-
л-
V
-5 "
12
14 16
18 20
1200 1000 $ 800 и 600
400 200
22 24 АЕ
12
14 16
18 20 22 UT
24
Рис. 1. Вариации Бб^ и ^-индексов, а также параметров межпланетного магнитного поля (ММП) и солнечного ветра в период с 24 февраля по 5 марта 2008 г. (а); (б) — данные ММП и солнечного ветра в начальную фазу бури 27 февраля интервале 12—24 иТ.
a
дались на геомагнитных широтах выше 70° в ночном секторе магнитосферы (~19—04 МЬТ).
Сопоставление данных наземных наблюдений с вариациями межпланетного магнитного поля (рис. 2г), показало, что в ММП интенсивные пульсации отмечались в Ву и В1 компонентах, после 19.30 иТ, в то время как на земной поверхности (рис. 2б) до ~19.30 иТ. Следовательно, можно предположить, что источник обсуждаемых колебаний, регистрируемых на земной поверхности до 19.30 иТ, находился
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.