CC BY
43
УДК 550.385.4
В. Б. Белаховский, В. А. Пилипенко, С. Н. Самсонов
ОДНОВРЕМЕННЫЕ УНЧ-КОЛЕБАНИЯ В ГЕОМАГНИТНОМ ПОЛЕ, ПЭС ИОНОСФЕРЫ, ИНТЕНСИВНОСТИ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ И РИОМЕТРИЧЕСКОМ ПОГЛОЩЕНИИ
Аннотация
Показано, что тороидальные УНЧ-волны Рс5-диапазона, регистрируемые на земной поверхности и в магнитосфере, сопровождаются одновременными пульсациями в полном электронном содержании (ПЭС) ионосферы, определяемом по данным GPS-приемников, в интенсивности полярных сияний (эмиссии 557,7, 630,0, 471,0 нм), в риометрическом поглощении. Глубина модуляции в ПЭС достигает 15—0 % и превосходит в несколько раз глубину модуляции в геомагнитном поле (2-3 %). Предполагается, что Рс5-пульсации в ПЭС вызваны Рс5-пульсациями в потоках высыпающихся заряженных частиц.
Ключевые слова:
УНЧ-волны, магнитосфера, ионосфера, полное электронное содержание ионосферы, полярные сияния.
V. B. Belakhovsky, V. A. Pilipenko, S. N. Samsonov
THE SIMULTANEOUS ULF WAVES IN GEOMAGNETIC FIELD, TEC
OF THE IONOSPHERE, AURORA INTENSITY AND COSMIC NOISE ABSORPTION
Abstract
It is shown that the toroidal ULF waves in Pc5 frequency range registered on the Earth surface and in the magnetosphere are accompanied by the simultaneous pulsations in total electron content (TEC) of the ionosphere determined by the GPS receivers, in aurora intensity (577.7, 630.0, 471.0 nm emissions), and cosmic noise absorption. The modulation depth in TEC reaches the value 15-20% and exceed in some times the modulation depth in geomagnetic field. It is expected that Pc5 pulsations in TEC are caused by the Pc5 pulsations in the fluxes of precipitated charge particles.
Keywords:
ULF waves, magnetosphere, ionosphere, total electron content of the ionosphere, aurora.
Введение
Геомагнитные Pc5-пульсации (периоды 5-10 минут) являются одним из наиболее мощных проявлений МГД волновой активности в околоземном космическом пространстве. Источником энергии для возбуждения МГД-волн служат либо взаимодействие потока солнечного ветра с границей магнитосферы, либо неравновесные потоки энергичных частиц в магнитосфере. Pc5-пульсации способны заметно модулировать как потоки захваченных энергичных
электронов и протонов разных энергий в магнитосфере [1], так и ионосферную плазму [2]. Взаимодействие МГД-волн с магнитосферными частицами может приводить к пульсациям форм и интенсивностей различных типов полярных сияний [3]. Модуляция потоков высыпающихся энергичных электронов (~ 30-100 кэВ) Рс5-пульсациями проявляется при наземных наблюдениях в появлении периодических пульсаций риометрического поглощения [4, 5].
Волновые свойств ионосферы могут быть исследованы с использованием глобальных навигационных спутниковых систем (GPS/ГЛОНАСС), которые позволяют определить полное электронное содержание (ПЭС) ионосферы — интегральную концентрацию ионосферы вдоль луча, соединяющего GPS-спутник и наземный приемник. В работе [6] было впервые показано, что геомагнитные Pc5-пульсации сопровождаются одновременными пульсациями в ПЭС ионосферы. Было обнаружено [7] с использованием данных радара EISCAT, что основной вклад в Pc5-пульсации в ПЭС обеспечивается нижней частью ионосферы до высоты примерно 200 км.
Одновременные наблюдения Pc5-пульсаций с использованием различных инструментов (фотометров, риометров, GPS-приемников) могли бы дать важную информацию о характере взаимодействия волн и частиц в магнито-и ионосфере. В данной работе предпринята такая попытка на основе анализа события 1 января 2000 г.
Данные
В работе были использованы данные GPS приемника на станции FCHU сети IGS для определения полного электронного содержания ионосферы. Для наблюдения за полярными сияниями использованы 1 -мин данные меридиональных сканирующих фотометров (станция GILL) сети NORSTAR (Канада). Фотометры сети NORSTAR регистрируют полярные сияния в эмиссиях 557.7, 630.0, 471.0, 486.0 нм и выдают данные для 17 углов. Использованы данные вертикальных риометров сети NORSTAR. Для наблюдения за вариациями геомагнитного поля использованы данные наземных станций сетей CARISMA (карта расположения наземных станций представлена на рис. 1).
Наземные наблюдения дополнены данными 3-компонентных магнитометров геостационарных спутников GOES-8 (MLT = UT-5) и GOES-10 (MLT = UT-9). Компоненты he (Be) — радиальная (к Земле); hp (Bp) — перпендикулярная плоскости эклиптики; hn (Bn) — азимутальная (нормальная к первым двум).
Результаты наблюдений
УНЧ-волны Pc5-диапазона наблюдались на станциях сети CARISMA (рис. 1) вдоль долготы ~ 330° в диапазоне широт от ~ 70° (ESKI) до 60° (PINA). Амплитуда Pc5-пульсаций доходила до ~ 300 нТл. Pc5-пульсации наблюдались в утреннем секторе (~05.00-08.00 MLT).
По данным геостационарного спутника GOES-8, в магнитосфере данные колебания имеют тороидальную поляризацию (не показано). В целом наблюдается хорошее согласие между Pc5-пульсациями, видимыми на Земле и в магнитосфере.
По данным пары магнитных станций GILL-PBQ, разнесенных по геомагнитной долготе на АЛ = 19,5° и находящихся на близких геомагнитных широтах АФ < 1°, по временному сдвигу А^ кросс-корреляционной функции было определено азимутальное волновое число для наблюдаемых Pc5-пульсаций по формуле т = Аф/АЛ, где Аф = А^/Г-360°, Т — период колебаний, определяемый с помощью спектрального анализа.
В интервале времени 12.30-13.20 ЦТ коэффициент корреляции достигает ~ 0,8 при А 1= 60 с, что для 5 мГц (Т ~ 200 с) дает значение азимутального волнового числа т ~ 2,7, а для 3,6 мГц (Т ~ 278 с) в интервале 12.30-13.30 ЦТ т ~ 4,0. Такое значение т действительно соответствует крупномасштабной азимутальной структуре геомагнитных колебаний, т. е. тороидальной альвеновской моде, распространяющей в антисолнечном направлении.
Рис. 1. Вариации Х-компоненты геомагнитного поля [нТл-104] по данным станций РГЫА-1БЬЬ-01ЬЬ-РСИи-Б8К№ЛЫК вдоль долготы 330°
с удаленным трендом. В скобках указана геомагнитная широта станций
Рис. 2. Кеограмма интенсивности сияний по данным фотометра на станции GILL (557,7 нм); вариации интенсивности сияний на Ф = 65°; вариации X-компоненты геомагнитного поля на станции GILL, вариации ПЭС по данным приемника на станции CHUR и спутника GPS-25; риометрическое поглощения на станции GILL
УНЧ-колебания сопровождаются одновременными пульсациями в интенсивности полярных сияний в эмиссиях кислорода (557,7, 630,0 нм) и азота (471 нм) по данным меридиональных сканирующих фотометров сети NORSTЛR, в ПЭС ионосферы, в риометрическом поглощении (рис. 2). На рис. 3. показано расположение наземных станций, проекций пролетов GPS-
спутников. Авроральные Рс5-пульсации отражают резонансную структуру поля одновременно наблюдаемых тороидальных геомагнитных Рс5-пульсаций. Для авроральных Рс5-пульсаций видна характерная структура, где каждый яркостный элемент наклонен вправо (рис. 2), что соответствует приходу частиц, вызывающих уярчение светимости сначала на более низкие, а затем на более высокие широты. Такая же особенность наблюдается и для геомагнитных Рс5-пульсаций. Кажущееся распространение с низких широт к более высоким является отражением фазовой структуры продольных токов, переносимых волной, в области альвеновского резонанса.
Рис. 3. Карта расположения наземных станций: треугольники — магнитометры; звездочки — риометры; квадраты — меридиональные сканирующие фотометры; цветные линии — проекции на ионосферу пролетов GPS-спутников по отношению к приемнику на станции FCHU.
Черная точка — проекция геостационарного спутника GOES-8
По данным других GPS-спутников также были зарегистрированы аналогичные Рс5-пульсации в ПЭС ионосферы (рис. 4). Спектральный анализ показывает совпадение максимумов на частотах f = 3, 3,8 мГц в интервале 12.3013.30 UT для Pc5-пульсаций в магнитном поле, интенсивности сияний, риометрическом поглощении, ПЭС ионосферы (рис. 5). Наличие высокой корреляции между Pc5-пульсациями в ПЭС интенсивности сияний позволяет сделать вывод о том, что Рс5-пульсации в ПЭС связаны с высыпанием в ионосферу заряженных частиц, промодулированных в магнитосфере МГД-колебаниями.
Важным параметром колебательных процессов является глубина модуляции, представляющая собой отношение амплитуды колебаний к общему уровню сигнала, выраженное в процентах. Для анализируемого события глубина модуляции глубина модуляции в ПЭС достигает 15-20 % и превосходит в несколько раз глубину модуляции в геомагнитном поле (23 %). Для авроральных пульсаций в эмиссии 557,7 нм глубина модуляции составляет А/557,7//557,7 ~ 80 %, в эмиссии 630,0 нм А/630,0//630,0 ~ 30 %, в эмиссии 471,0 нм А/471//471 ~ 77 %, и для риометрического поглощения AR/R ~ 50 %. Таким образом, глубина модуляции для PcS-колебаний в потоках высыпающихся электронов заметно превосходит глубину модуляции в геомагнитном поле.
Рис. 4. Вертикальное полное электронное станции GILL: геомагнитного поля содержание ионосферы [TECU] по данным (X- и 7-компоненты), интенсивности GPS-спутников и станции FCHU авроральных эмиссий
Заключение
Таким образом, впервые обнаружено геомагнитные Рс5-пульсации сопровождаются одновременные пульсациями в полном электронном содержании ионосферы, определяемом по данным GPS-приемников, интенсивности полярных сияний, риометрическом поглощении. Наличие высокой корреляции между колебаниями в данных параметрах позволяет сделать вывод о том, что Рс5-пульсации в ПЭС вызваны пульсациями в потоках высыпающихся заряженных частиц.
Анализ другого события 31 октября 2003 г. с использованием данных радара EISCAT [7] показал, что Pc5-пульсации в ПЭС создаются за счет вариаций концентрации в нижней ионосфере. Этот факт также подтверждает точку зрения, согласно которой Pc5-пульсации в ПЭС вызваны пульсациями в потоках высыпающихся заряженных частиц.
Благодарность. Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 16-35-00095 мол_а, гранта РФФИ 15-45-05108 р_восток_а.
Литература
1. Observations at geosynchronous orbit of a persistent Pc5 geomagnetic pulsation and energetic electron flux modulations / T. E. Sarris et al. // Ann. Geophys. 2007. Уо1. 25. P. 1653-1667.
2. ULF Wave modulation of the ionospheric parameters: Radar and magnetometer observations / У. Pilipenko et al. // J. Atmosp. Solar-Terr. Phys. 2014. Уо1. 108. P.68-76.
3. Особенности полярных сияний в утреннем секторе во время SC / В. Г. Воробьев и др. // Геомагнетизм и аэрономия. 2008. Т. 48, № 2. С. 162-172.
4. Olson J. V., Rostoker G., Olchowy G. A study of concurrent riometer and magnetometer variations in the Pc4-5 pulsation band // J. Geophys. Res. 1980. Vol. 85. P. 1695.
5. Белаховский В. Б., Пилипенко В. А. Возбуждение Рс5-пульсаций геомагнитного поля и риометрического поглощения // Космические исследования. 2010. Т. 48, №4. С. 319-334.
6. Modulation of total electron content by ULF Pc5 waves / V. Pilipenko et al. // J. Geophys. Res.: Space Physics. 2014. Vol. 119, Issue 6. P. 4358-4369.
7. , Pilipenko V., Murr D., Fedorov E., Kozlovsky A. Modulation of the ionosphere by Pc5 waves observed simultaneously by GPS/TEC and EISCAT / V. Belakhovsky et al. // Earth, Planets and Space. 2016. Vol. 68, Issue 1, article id.102. 13 p.
Сведения об авторах
Белаховский Владимир Борисович
к. ф.-м. н., н. с., Полярный геофизический институт, Апатиты
E-mail: [email protected]
Пилипенко Вячеслав Анатольевич
д. ф.-м. н., профессор, зав. лабораторией, Институт физики Земли РАН, Москва
E-mail: [email protected]
Самсонов Сергей Николаевич
к. ф.-м. н., зав. лабораторией Институт космофизических исследований и
аэрономии, Якутск
E-mail: [email protected]
