научная статья по теме ВЫСЫПАНИЯ ЭНЕРГИЧНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ И ГЕОМАГНИТНЫЕ ПУЛЬСАЦИИ PI3 В ПОЛЯРНЫХ ШИРОТАХ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ВЫСЫПАНИЯ ЭНЕРГИЧНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ И ГЕОМАГНИТНЫЕ ПУЛЬСАЦИИ PI3 В ПОЛЯРНЫХ ШИРОТАХ»

ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2009, том 49, № 6, с. 777-785

УДК 550.385.47

ВЫСЫПАНИЯ ЭНЕРГИЧНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ И ГЕОМАГНИТНЫЕ ПУЛЬСАЦИИ Pi3 В ПОЛЯРНЫХ ШИРОТАХ

© 2009 г. О. В. Козырева1, И. Н. Мягкова2, Е. Е. Антонова23, Н. Г. Клейменова13

Институт физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН, Москва 2Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова, Москва 3Институт космических исследований РАН, Москва e-mail: kozyreva@ifz.ru Поступила в редакцию 14.05.2009 г.

Проведен анализ высыпаний электронов c энергиями 0.3—1.5 МэВ по данным спутника КОРОНАС-Ф в полярных широтах северного полушария 13 декабря 2003 года. Выполнено сопоставление моментов регистрации высыпаний электронов с наземными наблюдениями геомагнитных возмущений и полярных сияний вблизи проекции орбиты спутника. Показано, что высыпания энергичных электронов в ночном секторе высоких широт сопровождаются одновременным развитием на земной поверхности бухтообразных возмущений в магнитном поле, появлением всплесков риометрическо-го поглощения и геомагнитных пульсаций диапазона Pi3, а также полярных сияний.

PACS: 94.30.Ny, 94.30.Ms

1. ВВЕДЕНИЕ

Высыпания электронов с энергиями десятки-сотни кэВ в полярных областях неоднократно регистрировались в различных экспериментах на космических аппаратах, например, [Fritz, 1970; Imhof et al., 1992; Kuznetsov et al., 2000]. Так, в работе [Kuznetsov et al., 2004] было показано, что высыпания энергичных электронов (E > 0.5 МэВ) на спутнике КОРОНАС-И в ночной полярной шапке наблюдаются непосредственно сразу после суббури, регистрируемой в авроральной зоне, и сопровождаются возрастанием риометрическо-го поглощения в полярных широтах. Однако в этих экспериментах не рассматривалась точная локализация областей этих высыпаний.

Целью данной работы является проведение сравнительного анализа данных высыпаний электронов с энергиями 300 кэВ — 1.5 МэВ, наблюдаемых в полярных областях на ИСЗ КОРОНАС-Ф, с вариациями магнитного поля, риометрического поглощения и полярных сияний, регистрируемых на земной поверхности вблизи проекции орбиты этого спутника. Сопоставление имеющихся в нашем распоряжении данных наблюдений с результатами расчетов положения аврорального овала на основании модели OVATION (Oval Variation, Assessment, Tracking, Intensity, and Online Nowcasting, http://sd-www. jhuapl.edu/Aurora/) дает возможность уточнить локализацию наблюдаемых высыпаний.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ

Потоки электронов с энергиями 300—600 кэВ и 0.6—1.5 МэВ регистрировались при помощи полупроводникового телескопа в эксперименте на ИСЗ КОРОНАС-Ф с полярной круговой орбитой (высота ~500 км, наклонение 82.5°) [Kuznetsov et al., 2002].

Для исследования магнитных возмущений и геомагнитных пульсаций были использованы данные наземных наблюдений глобальной сети магнитометров INTERMAGNET, сети гренландских станций GREENLAND и скандинавской сети IMAGE. В работе также использовались данные финских риометров (30 МГц, ftp://sgoda-ta.sgo.fi/pub_rio/) и данные оптической регистрации полярных сияний камер всего неба (ASC), работающих в системе MIRACLE (Magnetometers — Ionospheric Radars — All-sky-cameras Large Experiment, http://www.space.fmi.fi/MIRACLE/ASC/ASC_ keograms/).

3. РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ

В данной работе детально изучались высыпания энергичных электронов, наблюдавшиеся 13 декабря 2003 г. в северной полярной области. Анализировались случаи возрастания потоков электронов на L > 8 с максимумом, превышающим три стандартных отклонения от фонового потока электронов данной энергии. В этот день спутник КОРОНАС-Ф пересекал полярную область северного полушария 15 раз, при этом толь-

ко в 6 случаях наблюдались спорадические высыпания электронов на L > 8, которые не регистрировались ни на предыдущем, ни на последующем пролете. Следует отметить, что в данный день возрастания потоков электронов солнечных космических лучей в межпланетном пространстве не наблюдалось.

Рассмотрим подробнее условия в межпланетном пространстве в период, предшествующий анализируемому дню. На рис. 1а приведены вариации параметров межпланетного магнитного поля (ММП) и солнечного ветра (СВ) с 3 по 14 декабря 2003 г. Из рисунка видно, что после небольшой (Dstuw = —66 нТл) магнитной бури, главная фаза которой наблюдалась 5 декабря, Dst-индекс в течение 10 дней не мог восстановиться до пред-буревого уровня. Это может быть связано с приходом к Земле 8 декабря высокоскоростного потока СВ, скорость которого через 3 дня (11 декабря) достигла примерно 800 км/c при малой плотности СВ (менее 2 см-3). Из рис. 1 также видно, что, начиная с 11 декабря, величина магнитного поля В была относительно невелика и постоянна, и вариации его компонент малы. В рассматриваемый день (13 декабря 2003 г.) скорость СВ

составляла 750-850 км/с, плотность СВ--2 см-3,

By и Bz ММП колебались от-5 до + 6 нТл, а Bx — от —6 до 0 нТл.

Известно, что восстановительная фаза "классических" магнитных бурь, развивающаяся при положительных значениях Bz ММП, характеризуется прекращением ночных геомагнитных возмущений и возбуждением в утреннем и дневном секторах магнитосферы геомагнитных пульсаций Рс5. В обсуждаемом случае, во время восстановительной фазы бури суббуревая активность не прекратилась с завершением главной фазы, а наблюдалась довольно продолжительное время в течение нескольких дней с 05 по 14 декабря 2003 г. (рис. 1б). На рис. 1б приведены вариации AE-ин-декса. Видно, что авроральная активность в указанный период достаточно велика, и в исследуемый день (13 декабря) величина AE достигает 1500 нТл.

13 декабря наиболее интенсивные высыпания электронов с энергиями 300—600 МэВ наблюдались на двух пролетах спутника: 17.34 — 17.43 UT и 22.13 — 22.23 UT. На рис. 2а в географических координатах представлены проекции траектории этих пролетов при пересечении северной полярной области спутником КОРОНАС-Ф. Видно, что вблизи проекции интенсивных всплесков высыпающихся электронов в полярных широтах находятся наземные обсерватории на арх. Шпицберген (NAL, LYR и HOR). На рис. 2а также показано положение аврорального овала на основании модели OVATION.

На рис. 2б приведены данные наблюдений Х-компоненты магнитного поля на высокоширотных обсерваториях финской сети IMAGE, а также кеограммы полярных сияний в обс. NAL и LYR. В средней части рис. 2б показаны данные риометра в обс. HOR. Серыми полосками отмечены моменты пролета спутника. В обоих случаях в обс. NAL и LYR наблюдались полярные сияния, наиболее интенсивные в более низкоширотной обс. LYR (Ф = 75°).

При сравнении этих двух пролетов обращает на себя внимание ряд различий между ними. Так, в первом пролете высыпание электронов было более высокоширотным. По модели OVATION эта область соответствует полярной шапке, однако данные ASC камеры в обс. NAL и LYR свидетельствуют о том, что развитие полярных сияний имело место вблизи полярной кромки аврорально-го овала. Отметим, что модель OVATION дает интегральную картинку положения аврорального овала за определенный момент времени 30—60 мин, и полученная картина может оказаться очень приблизительной и далекой от реальной, например, [Marjin et al., 2006]. Авроральный овал не является статическим, его форма и положение постоянно меняются.

Во время первого пролета на профиле наземных станций IMAGE, находящемся в это время в вечернем секторе магнитосферы ~20 MLT (MLT ~ ~ UT + 2.5), в обс. NAL, LYR и HOR (рис. 2б) отмечались полярные бухтообразные возмущения (полярные суббури), тогда как в авроральных широтах магнитных возмущений не было.

Во втором случае полярные бухтообразные магнитные возмущения наблюдались сразу после магнитосферной суббури, регистрируемой в ав-роральной зоне (обс. SOD, SOR), и являлись результатом полярной экспансии суббури. Высыпание энергичных электронов на спутнике КОРОНАС-Ф в этом случае были более интенсивными, чем в первом случае, и наблюдались ближе к положению границы аврорального овала по данным OVATION. Заметим, что в пролете 11.25 — 11.33 UT (эти данные на рис. 2 не приведены) вблизи кромки полярного овала регистрировались интенсивные высыпания электронов с энергиями не только 300—600 кэВ, но и 600—1500 кэВ.

На рис. 3а приведены результаты вейвлет анализа геомагнитных пульсаций в полосе частот 1— 8 мГц, сопровождающих бухтообразные магнитные возмущения в обсерваториях SOR—NAL и высыпания энергичных электронов на спутнике КОРОНАС-Ф. В первом событии пульсации, как и бухтообразные возмущения, наблюдались только в полярных обсерваториях HOR—NAL. Во втором случае геомагнитные пульсации регистрировались и в авроральных широтах, при этом наиболее интенсивный всплеск пульсаций наблюдался в обс. LYR в полосе 1—2 мгц. На рис. 3б сопостав-

ДЕКАБРЬ 2003 г.

ч -20 Т

Я -40

—601— 800 о700 ^600 * 500 400

« 6 4 2 16 14

£ 12 Д 10

8

6

£ И —5

^ 0 И 0

—10

£ 5

И 0

—5Ь

Ыр

Вх

1500

н

Т

'1000 500 0

Dst

Ву

б 03/12 2500

2000

В1

АЕ

03/12 05/12 07/12 09/12 11/12 13/12

Рис. 1. Вариации Dst-индекса и параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля (а) и АЕ-индекса (б) за период 3—14 декабря 2003 г.

а

17:34—17:43

1B0

•JE

s.e 1.5 Vsv

90

22:13—22:23

1B0

__0.6-1 .ï Huv

0-3-0.$ Mov

п 13

12

11

-10 -9 B

00 100 200 300

nalO

LYRO

horO ohop

750

BJNO

90

a

13.12.2003 г.

б

NAL

(7б.10, 112.30)

LYR

(75.1o, 113.00)

R

HOR

(74.00, 110.50)

X

NAL

(7б.10, 112.30) LYR

(75.1o, 113.00)

HOR

(74.00, 110.50) BJN

(71.30, 10B.70)

SOR

(67.2O, Юб.70)

SOD

(63.Bo, 107.70)

15

17

19

21

23 UT

ГEОMAГНETИЗM И AЭPОНОMИЯ том 49 № 6 2009

лены результаты вейвлет анализа пульсаций в риометрическом поглощении и в магнитном поле в обс. HOR. Структура вейвлетов похоже, что, скорее всего, свидетельствует об их общем источнике.

4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Исследованные выше события 13 декабря 2003 г. представляют определенный интерес, так как они дают возможность пролить дополнительный свет на проблему ускорения релятивистских электронов. В результате детального анализа спутниковых и наземных данных, наблюдаемых 13 декабр

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Геофизика»