CC BY
54
УДК 550.383
ГЕНЕРАЦИЯ ОНЧ-ЭМИССИЙ НА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ФАЗЕ СУББУРИ И ДИНАМИКА СИЯНИЙ НА СЕВЕРНОЙ КРОМКЕ АВРОРАЛЬНОГО ОВАЛА
И.А. Корнилов, Т.А. Корнилова
Полярный геофизический институт КНЦ РАН
Аннотация
Исследовано около 100 брейкапов различных типов и интенсивностей на основе данных обс. Ловозеро. Анализировались магнитные пульсации в различных частотных диапазонах, ОНЧ-эмиссии и авроральная активность с использованием телевизионных данных. Обнаружено, что магнитные пульсации во всех частотных диапазонах отстают от момента брейкапа на 0.5-2.0 мин., а вспышки ОНЧ-эмиссии типа широкополосных шипений малой интенсивности опережают брейкап на 3-10 мин. Опережающие брейкап шипения соответствуют слабым авроральным формам к северу от предбрейкаповой дуги. Ключевые слова:
суббуря, авроральный брейкап, геомагнитные пульсации, ОНЧ-излучение.
Введение
Связь различных типов ОНЧ эмиссий с полярными сияниями детально исследовалась во многих работах еще с начала 1950-х гг. [1, 2]. Детальное сопоставление телевизионных и ОНЧ данных с высоким временным разрешением и точной временной привязкой [3] показало, что вспышки ОНЧ-шипений (хисс) длительностью 0.1-1.0 с с точностью не хуже10 миллисекунд совпадают с появлением длинных и тонких авроральных лучей с размерами 1-10 км поперек магнитного поля. Автор высказывает гипотезу о возможности ускорения вызывающих лучи электронов над ионосферой на высотах более 5000 км. В работе [4] также высказывается предположение, что ускорение таких электронов вызывается интенсивным продольным электрическим полем, генерируемым в ионосфере во время брейкапа в результате развития аномального сопротивления. Статистические исследования на большом материале показали [5], что во время слабых авроральных активизаций типа псевдобрейкапов_продольные токи на порядок менее интенсивны, чем во время брейкапа. Аналогичное сравнение брейкапов и псевдобрейкапов с точки зрения генерации во время этих явлений ОНЧ-хисса [6] также выявило, что интенсивность хисса во время брейкапов гораздо выше. Ракетные измерения ОНЧ-эмиссий совместно с детектированием высыпающихся электронов на высотах 100-200 км [7] показали, что хисс является вполне характерным признаком яркой лучистой дуги, причем корреляция интенсивности хисса с потоками высокоэнергичных (более 2-3 кэВ) электронов гораздо лучше, чем с потоками низкоэнергичных (200-700 эВ). В результате семилетних (1976 - 1983) исследований ОНЧ-эмиссий на спутнике 347 1$1$-УЪР совместно с измерениями потоков и спектров высыпающихся электронов [8] было показано, что хисс хорошо коррелирует с высыпаниями электронов типа ^еГ^^.
Аппаратура и методика обработки данных
В обсерватории ПГИ Ловозеро (исправленные геомагнитные координаты 67.97 0 К, 114.49 0 Е) с 1998 г. осуществляется постоянная цифровая регистрация вариаций магнитного поля (Н, D, Z компоненты, динамический диапазон 4000 нТл, 1 отсчет в 10 с). Также регистрируются три компоненты магнитных пульсаций, выделенные из полного сигнала полосовыми аналоговыми фильтрами в двух частотных диапазонах (5-150 с и 0.5-15 с, с частотой дискретизации 1 и 0.1 с соответственно), данные индукционного магнитометра (0.05-20 Гц) и амплитуды огибающих ОНЧ-излучений. Входной сигнал после подавления сфериков и других импульсных шумов фильтруется аналоговыми фильтрами с полосой около 20% от центральной частоты, интегрируется с постоянной времени около 10 с и цифруется с частотой дискретизации 1 отсчет в 5 с. Центральные частоты фильтров - 0.7, 1.3, 2.5, 4.0 и 6.0 кГц. Информация о яркости и динамике авроры регистрируется телевизионной камерой (аналоговая запись на видеоленту, стандартный сигнал 25 кадров в с, 625 строк в кадре) и фотометрами (эмиссии 4278, 5577 и 6300 ангстрем, цифрование 1 отсчет в с).
Телевизионные данные обрабатываются с использованием различных методов фильтрации, что позволяет выявить очень слабые вариации светимости внутри и рядом с дугой и определить момент начала аврорального брейкапа с большой точностью. Подробное описание используемой телевизионной аппаратуры и методов обработки данных представлено, например, в работе [9].
Результаты
Случай 17 февраля 2002 г
На рис. 1 представлены наземные и спутниковые данные о развитии брейкапа 17.02.2002. На записях сети магнитометров IMAGE (рис.1а) стрелкой отмечен момент брейкапа около 21.20 UT и указаны исправленные геомагнитные широты станций. Усиление магнитной возмущенности в 15.30 -17.00 UT, по-видимому, соответствует брейкапу, происходившему в это время на ночной стороне. Серия телевизионных кадров телевизионной all-sky камеры в обс. Лопарская (рис.1в), показывает некоторые характерные моменты развития брейкапа. Можно отметить появление довольно ярких авроральных структур к северу от предбрейкапной дуги (кадры 21:15:08 и 21:18:25) и перед самым моментом брейкапа возникновение слабых свечений на северной границе кадра (отмечено стрелками). Данные спутника IMAGE показаны на рисунке 1г. Можно отметить, что перед брейкапом над полуостровом Таймыр существуют авроральные структуры севернее основного овала, они исчезают после развития брейкапа, центр которого находился немного восточнее Кольского п-ова. Хорошо видно, что рассматриваемый брейкап является пространственно изолированным, т.е. сильная авроральная активность в других частях овала отсутствует.
Магнитограммы сети IMAGE для 17.02.2002
А
Б
Рис. 1. Данные сети магнитометров IMAGE (а). Серия ТВ кадров для 17 февраля2002 г. (в). Стрелки - положение слабых структур сияний к северу от предбрейкапной дуги, коррелирующих с ОНЧ-эмиссиями. Положение аврорального овала по данным спутника IMAGE (г)
На рис. 2 показаны зарегистрированные в обс. Лопарская сияния, магнитные пульсации и ОНЧ излучения. В верхней части рисунка представлены обычная (1б) и фильтрованная (1а) кеограммы сияний, построенные по оцифрованным телевизионным кадрам. Диапазон яркостей на обычной кеограмме выбран для лучшего отображения слабой предбрейкапной дуги и структур севернее нее, поэтому яркие сияния во время брейкапа воспроизводятся без пространственных деталей. Белая вертикальная линия в левой части нижней кеограммы показывает интервал, в пределах которого
элементы матрицы кеограммы суммируются (т.н. телевизионный фотометр), и результаты этого интегрирования представлены на фрагментах 2а и 2б. На них показана полная проинтегрированная в профиле кеограммы яркость сияний (2а) в произвольных единицах (телевизионная камера работает без интерференционных фильтров и, соответственно, отсутствует абсолютная калибровка чувствительности) и результат цифровой высокочастотной фильтрации яркости в диапазоне периодов примерно 10-40 с. Момент брейкапа, т.е. начало резкого изменения яркости сияний, отмечен стрелкой. Фильтрованная кеограмма (1а) хотя и искажает информацию о реальной яркости авроральных структур, хорошо выявляет тонкие пространственные детали сияний. Так, например, становятся видимыми слабые пульсирующие сияния к югу от предбрейкапной дуги, совершенно неразличимые на обычной кеограмме. Эти сияния, очевидно, вызываются энергичными электронами, инжектированными во внутреннюю магнитосферу во время предыдущего брейкапа (около 16.00 ЦТ). К сожалению, небольшой туман, подсвечиваемый яркими сияниями брейкапа, проявляется в виде паразитных вертикальных линий на фильтрованной кеограмме, также видны движущиеся к югу неоднородности тумана в нижней части кеограммы (после 21.22 ЦТ). Севернее пульсирующих сияний наблюдаются две медленно смещающиеся к югу дуги, из более южной дуги впоследствии развивается брейкап. Перед брейкапом (21.17 17Г) севернее этих дуг появляется еще одна дуга.
Ловозеро, 17.02.2002 21.10-21.53 УТ
21.00 10 20 21.30 ит
Рис. 2. Данные наблюдений в обс. Ловозеро 17 февраля 2002 г.
Обычная (1б) и фильтрованная (1а) кеограммы. Интенсивность сияний (2а) и пульсации светимости (2б). Геомагнитные пульсации в двух частотных диапазонах (3а, 3б). Интенсивность ОНЧ-эмиссий (4а) и пульсации интенсивности ОНЧв относительных единицах
Фрагменты рис. 2 (3 а и 3б) показывают магнитные пульсации (Н-компонента) в диапазонах периодов 5-150 с и 0.5-15 с соответственно. Хорошо заметна временная задержка (40-50 с) между моментом брейкапа и появлением пульсаций, эта задержка существенно больше той, что возникает в электронных полосовых фильтрах при аналоговой фильтрации, т.е. является физически реальной. Таким образом, наблюдаемые магнитные пульсации не приходят из удаленных областей магнитосферы, они, по-видимому, генерируются в ионосфере после момента брейкапа, в результате развития мощной системы горизонтальных ионосферных токов.
Фрагменты рис. 2 (4а и 4б) представляют вариации ОНЧ излучений на частоте около 700 Гц (полная интенсивность и ее высокочастотные пульсации). Аналогичные вариации наблюдаются и в других частотных каналах. К сожалению, в данном случае они были заметно искажены местными помехами, поэтому не представлены на рисунке. Таким образом, регистрируются
неструктурированные эмиссии типа широкополосных шипений (хисс). Чувствительность ОНЧ-приемника не откалибрована, поэтому шкала амплитуд представлена в произвольных единицах. Видно явное возрастание интенсивности хисса за 2-2.5 мин. перед авроральным брейкапом. “Провал“ интенсивности хисса после развития брейкапа (примерно 21.20-21.25 UT) связан, как принято считать, с резким возрастанием поглощения ОНЧ излучений в возмущенной, сильно ионизированной ионосфере. Надо отметить важный факт - интенсификация хисса перед брейкапом (21.15-21.20 UT) совпадает с появлением самой северной дуги.
Случай 22 марта 2001 г
На рис. 3 и 4 представлены данные наблюдений, аналогичных рассмотренным выше для случая 17 февраля 2002 г (рис. 1). Момент брейкапа в 19.50 UT отмечен стрелкой на данных сети магнитометров (рис. 3а). Данные спутника IMAGE и в этом случае подтверждают изолированность брейкапа, причем центр брейкапа расположен ближе к обс. Ловозеро, хотя и немного южнее. Стрелки на серии телевизионных кадров показывают появление авроральных структур севернее предбрейкаповой дуги. Эти структуры в данном случае являются довольно короткоживущими, и появляются последовательно, друг за другом. Они слабо различимы на отдельных кадрах, т.к. туман в данном случае заметно сильнее, чем в предыдущем, но хорошо выявляются на фильтрованной кеограмме (рис. 4, 16), где также отмечены стрелками.
IMAGE магнитограммы для 22.03.2001
NAL (75.25)
LYR (75.12)
HOR (74.13)
BJN (71.45) SOR (67.34)
MAS (66.18)
MUO (64.72)
PEL (63.55) OUJ (60 93)
HAN (58.69)
18 19 20 21 22 UT
Рис. 3. Наземные и спутниковые данные для брейкапа 22 марта 2001 г.
Стрелки на ТВ кадрах указывают на слабые структуры сияний, расположенные к северу от предбрейкапной дуги, и коррелирующие с усилением ОНЧ-эмиссий
Рис. 4. Данные наблюдений брейкапа 22 марта 2001 г.
Как и на рис. 2, три момента интенсификации ОНЧ-эмиссий, хорошо коррелирующие со слабыми сияниями на севере, отмечены стрелками на фильтрованной кеограмме
После возникновения структуры медленно смещаются к югу, что видно на кеограмме, а также при просмотре фильма из анимированных кадров. ОНЧ-эмиссии (рис. 4а и 4б) много слабее, чем в событии 17.02.2002, тем не менее, их активизация перед брейкапом (19.40 UT), просматривается вполне отчетливо, а высокочастотная фильтрация (4б) выявляет явные признаки корреляции со всеми тремя авральными активизациями (19.10, 19.20 и 19.40 UT). Как и в предыдущем событии, магнитные пульсации во всех частотных диапазонах задержаны относительно момента брейкапа (рис. 4, 3а, 3б, 3в).
Случай 06 января 2008 г.
В заключение рассмотрим случай аврорального брейкапа, для которого кроме авроральных данных представлены также измерения магнитного поля на двух спутниках Themis А и Themis C. В верхней части рис. 5 (А1 и А2) показаны обычная и фильтрованная кеограммы, построенные по данным телевизионной камеры обс. Лопарская, момент брейкапа отмечен стрелкой. Также представлены проинтегрированная светимость сияний и ее высокочастотные пульсации (А3 и А4). В рассматриваемый интервал времени (20.30 - 21.30 UT) оба спутника находятся в плазменном слое практически на одной долготе и их проекция на ионосферу смещена на запад от Ловозера примерно на 150 км. Themis А находится на расстоянии 5.5 Re, Themis С на расстоянии 9.0 Re. Спутники регистрируют прохождение мимо них волны диполяризации, что отмечается как характерные изменения Bz компоненты магнитного поля (рис.5, В1 и В3). На основе данных о пространственном положении спутников в магнитосфере скорость волны диполяризации оценена в 50-100 км/с.
По изображениям со спутника POLAR (не представлены) центр брейкапа смещен на утреннюю сторону овала, поэтому, по-видимому, момент брейкапа в Ловозере регистрируется на кеограмме несколько позже его реального начала. Возможно, поэтому задержка магнитных пульсаций от момента брейкапа в данном случае, заметно меньше. К сожалению, очень большая интенсивность индустриальных помех в Ловозере в этот день не позволила представить данные наблюдений ОНЧ излучений.
Лопарская, 06.01.2008 20.30-21.30 UT
20 21.30 UT
Рис. 5. Обычная (А1) и фильтрованная (А2) кеограммы развития брейкапа 06 января 2008 г. в Лопарской и данные спутников Themis A и Themis С.
Bz-компоненты магнитного поля, измеренные на спутниках (В1 и В3), и его отфильтрованные пульсирующие компоненты (В2 и В4). Магнитные пульсации, зарегистрированные в Ловозере в двух
диапазонах периодов (С1, С2)
На обычной кеограмме (А1) видны две слабые авроральные структуры, появившиеся на северном горизонте в 20.35 и 20.43 UT. Вместе с их появлением возникают еще более слабые структуры, движущиеся к югу, первая с большой скоростью, вторая гораздо медленнее, они видны только на фильтрованной кеограмме (А2). Движение структур к югу отражает, по-видимому, процесс диполяризации магнитного поля. Структура, возникающая в 20.43 UT, является слабой предбрейкапной дугой. Важно отметить, что возникшая в 20.43 UT структура существует длительное время и остается на месте, даже несколько смещаясь к северу. Таким образом, процесс диполяризации, сгенерированный структурой, распространяется в сторону Земли, не затрагивая более удаленные области магнитосферы. Отметим, что момент генерации в 20.43 UT совпадает с началом магнитных пульсаций, регистрируемых спутником Themis A, а также кратковременным быстрым уменьшением Bz - компоненты магнитного поля. Также важно отметить, что северная дуга затухает перед брейкапом (21.03 UT), и усиливается снова, уже после брейкапа (см. верхнюю часть кеограммы
А1 - после 21.12 UT). Регистрируемые в Ловозере магнитные пульсации (С1 и С2) в интервал времени 20.20-20.40 UT соответствуют пульсирующим сияниям, вызванными энергичными электронами, оставшимися в магнитосфере после предыдущего брейкапа (был около 18.40 UT).
Обсуждение
Для всех анализированных брейкапов было обнаружено, что магнитные пульсации отстают от момента брейкапа на 0.5-2 мин. Это свидетельствует о том, что источник пульсаций находится в ионосфере, и они являются следствием развития генерируемой брейкапом системы горизонтальных ионосферных токов. Интерпретация ОНЧ данных более сложна ввиду сильной паразитной интерференции с различным индустриальным (линии электропередач, железные дороги) и местным электронным оборудованием (компьютеры, преобразователи напряжения и т.д.), и почти свободного распространения ОНЧ под ионосферой от авроральной активности в других областях овала. Тем не менее, по крайней мере, для 15 из 100 изученных брейкапов было обнаружено, что усиление ОНЧ-хисса определенно опережает момент брейкапа на 3-10 мин. Эти интенсификации хисса соответствуют вспышкам авроральной активности в северной части овала, и на основе анализа данных спутников Themis можно предположить, что каждая такая вспышка сопровождается процессом диполяризации магнитного поля, хотя этот процесс не всегда заканчивается брейкапом.
Генерация ОНЧ-хисса, по-видимому, связана с усилением продольного тока, что, совместно с появлением северных авроральных структур, указывает на возможность процесса пересоединения, генерируемого в магнитосфере перед брейкапом на расстояниях 15-20 Re. Анализ данных за 06.01.2008 (рис. 5, А1 и А2) позволяет предположить, что это пересоединение носит не импульсный, а квазистационарный характер, и возникает сразу после возникновения нужных условий в солнечном ветре. По-видимому, ключевым для понимания физики суббури является вопрос, почему этот процесс квазистационарного пересоединения затухает перед брейкапом, и снова усиливается после него.
Выводы
Около 100 брейкапов различных типов и интенсивностей были изучены на основе данных обс. Ловозеро. Анализировались магнитные пульсации в различных частотных диапазонах, ОНЧ-эмиссии и авроральная активность с использованием телевизионных и фотометрических данных. Обнаружено, что магнитные пульсации во всех частотных диапазонах отстают от момента брейкапа на 0.5-2 мин., а вспышки ОНЧ-эмиссии типа широкополосных шипений малой интенсивности опережают брейкап на 3-10 мин. Опережающие брейкап шипения соответствуют слабым авроральным формам к северу от предбрейкаповой дуги. Возможно, перед брейкапом в магнитосфере возникает процесс квазистационарного пересоединения на расстояниях 10-20 Re.
Авторы благодарят сотрудников ПГИ за проведение телевизионных наблюдений в обсерваториях Ловозеро, Лопарская и Баренцбург, институты, участвующие в проекте IMAGE Magnetometer Network. Изображения сияний со спутника IMAGE получены по системе CDAWeb (провайдеры S. Mende, G. Parks, L.A. Frank).
Работа поддержана РФФИ, грант 09-05-00818, Программой Президиума РАН №4, а также норвежским грантом Norwegian Science Council grant number 178911\S30 NORUSKA и шведским грантом DKK 230 000 from the Nordic Council of Ministers.
ЛИТЕРАТУРА
1. Martin L., Helliwell R.A., Marks K.R. Association between aurora and very low frequency hiss observed at Byrd Station, Antarctica // Nature. 1960. Vol. 187. № 4739. P. 751-753. 2. Harang L., Larsen R. Radio wave emissions in the VLF band observed near the auroral zone // J. Atmos. Terr. Phys. 1965. Vol. 27. № 4. P. 481-497. 3. Oguti T. Metamorphoses of aurora // Memoirs of national institute of polar research. Series A. 1975 12, 1-101. 4. Корнилов И.А. Локализация источника высыпающихся электронов в активных дугах во время брейкапа и пульсирующих сияниях // Геомагнетизм и аэрономия. 2009. Т. 49. № 3. С. 1-6. 5. Pulkkinen T. Pseudobreakup or substorm? // Proc. of Third Intern. Conf. on Substorm (ISC-3) Versailes, France 12-17 May 1996. SP-389 (Oct. 1996). P. 285-293. 1996. 6. Корнилов И.А., Корнилова Т.А., Корнилов О.И., Турунен Т., Култима Й., Маннинен Ю. Связь ОНЧ-излучений с брейкапами разной интенсивности // Геомагнетизм и аэрономия. 1999. T. 39. № 6. C. 33-38. 7. Bering E. A, Maggs J.E., Anderson H.R. The plasma wave environment of an auroral arc. III - VLF hiss // J. Geophys. Res. 1987. Vol. 92. P. 7581-7605. 8. Ondoh T. Broad-band auroral VLF hiss and inverted-V electron precipitation in the polar magnetosphere // J. Atm. Terr. Phys. 1989. Vol. 52. P. 385-397. 9. Kornilova T.A, Kornilov I.A. and Kornilov O.I. Fine structure of breakup development inferred from satellite and ground-based observations // Ann. Geophys. 2008. Vol. 26. P. 1141-1148.
Сведения об авторах
Корнилов Илья Александрович - к.ф.-м.н., ст. научный сотрудник, e-mail: [email protected] Корнилова Татьяна Андреевна - к.ф.-м.н., ст. научный сотрудник, e-mail: kornilovа@pgia.ru
