CC BY
10
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.5.53-60 УДК 551.594.51
В.К. Ролдугин, А.В. Ролдугин
ГЛОБАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПУЛЬСАЦИЙ PC3-4 В СОБЫТИИ 28 ЯНВАРЯ 2012
Аннотация
Рассматривается случай регулярных пульсаций 28 января 2012 года с периодом 51 секунда, которые наблюдались в сияниях в Ловозеро, в магнитных вариациях в Скандинавии, в электрическом и магнитном полях на спутниках themis, пролетавших над Сибирью, в геомагнитном поле на низкоширотных обсерваториях. Пульсирующая область по широте распространялась не менее чем на 150°, в ней наблюдались движения пульсаций к востоку со скоростью около 3-4 градуса долготы за 1 секунду.
Ключевые слова:
пульсирующие сияния, Pc3-4, пульсирующая электрическая компонента в магнитосфере.
V.C. Roldugin, A.V. Roldugin
GLOBAL DISTRIBUTION OF PC3-4 PULSATIONS DURING EVENT ON 28 JANUARY 2018
Abstract
The Pc3-4 periodic pulsations on 28 January 2012 were observed in aurora and in magnetic field at Lovozero and Scandinavia, in electric and magnetic fields in satellites THEMIS A, D and E, situated over Siberia, in geomagnetic field at low altitude observatories The pulsating area extended along latitude not less than 150°, pulsation propagations observed in it with velocity about 3-4 degrees of longitude for 1 sec easterly.
Keywords:
pulsating aurora, Pc3-4 pulsations, pulsating electric component in the magnetosphere.
Введение
Связь магнитных пульсаций с авроральными, т.е. с интенсивностью свечения сияний, хорошо известна, ей посвящено много работ. Фотометрические наблюдения в авроральной зоне показали, что иррегулярные геомагнитные пульсации РИ с характерным периодом 1 - 40 с сопровождаются аналогичными изменениями интенсивности сияний [1]. Иррегулярные пульсации Р^2 с более длинными периодами 45 - 150 с также сопровождаются аналогичными флуктуациями светимости [2]. Связь регулярных пульсаций Рс с сияниями не казалась очевидной, но и она была обнаружена [3], от длиннопериодных Рс5 [4] до короткопериодных Рс1 [5]. Природа связи для регулярных пульсаций до сих пор окончательно не выяснена, не вполне ясна даже морфология, например, какие формы сияний ответственны за правильные колебания. Один из невыясненных вопросов - какова географическая область, занимаемая пульсирующей
компонентой возмущения. В монографии [6] дана планетарная схема распределения различных пульсаций, но она выражает статистику их появления, а не географические их размеры. Также не ясна динамика пульсаций на территории их появления.
Очевидно, что регулярность пульсаций сияний связана с регулярностью высыпания частиц и с колебательным процессом в магнитосфере. Поэтому представляет интерес рассмотреть наблюдённые на Земле колебания с процессами в нескольких близлежащих силовых трубках.
Авроральные пульсации в Ловозеро
В обсерватории Ловозеро проводятся фотографические наблюдения полярных сияний на ТВ камерах всего неба. Фотометрических наблюдений, более соответствующих теме изучения пульсаций, нет, однако отлажена методика построения временных ходов интенсивности свечения неба по аскафильмам. Частота кадров регистрации составляет 1 кадр в секунду, что вполне достаточно для большинства типов авроральных пульсаций. Временные вариации можно построить не только для всего кадра, охватывающего весь небосвод, но и для произвольных областей. В [7] представлена часто используемая схема выделения областей неба для фотометрирования с 11 кругами, которая применена и в данном исследовании.
THE
■J:ia га :SD :3i ЭЙ :ЗЭ 4:34
UT
Рис. 1. а) Вариации средней светимости в кругах радиусом 30° у северного горизонта, в зените и у южного горизонта по камере всего неба в Ловозеро б) Пульсирующие H и D компоненты магнитного поля в Ловозеро в) Ez компоненты электрического поля на спутниках THEMIS A, D и E.
Ночью 28 ноября 2012 наблюдалась авроральная активность при ясном небе. На аскафильмах хорошо видны пульсации типа РП, пятна в разных участках неба длительностью 10-15 с, у северного горизонта находилась дуга. Все отснятые за ночь односекундные аскафильмы были профотометрированы по 11 кругам, и было выявлено, что на некоторых временных интервалах наблюдались регулярные пульсации с периодами, соответствующие Рс2, Рс3 и Рс4 пульсациям. На верхней панели а) рис. 1 представлены за интервал 03:28 - 03:34 ИТ результаты фотометрирования в северном, зенитном и южном кругах. Радиус кругов 30°, они ориентированы вдоль геомагнитного меридиана. Определялась средняя по кругу яркость пикселей. Пульсации интенсивны на севере, в зените они много слабее и ещё слабее в южном круге. Период их составляет 51 с, что на границе между Рс3 и Рс4. Изменения интенсивности свечения во всех трёх областях происходят синфазно, максимумы и минимумы наступают одновременно.
На второй панели б) рис. 1 показаны геомагнитные пульсации в Н и В компонентах по данным магнитовариационной станции в Ловозеро с разрешением 1 с. Пульсирующая составляющая выделена из полного сигнала вычитанием аппроксимации на участке 02:30 - 04:00 ИТ полиномом 8 степени. Высокочастотной фильтрации не проводилось. Видно хорошее соответствие периодичности авроральных и магнитных пульсаций. Между компонентами Н и В наблюдается фазовый сдвиг около 90° постоянный на всём интервале, пик светимости приходится на прохождение Н-компоненты через нуль.
Рис. 2. Аскафильмы за моменты максимума, минимума и следующего
максимума светимости.
Представляет интерес посмотреть формы сияний на небе во время этого явления. На рис. 2 приведены аскафильмы ТВ камера за 3 момента, соответствующие пику авроральной интенсивности, минимуму и следующему пику (рис. 1а). Видно, что в момент минимума по фотометрической записи в 30м 51с нет ни исчезновения какой-либо авроральной формы, ни её заметного ослабления, ни движений, поэтому можно заключить, что вариации светимости на рис. 1а связаны с изменением яркости фона, а не форм. Заметим, что в первой работе по обнаружению авроральных Рс5 [4] авторы связывают эти пульсации с колебаниями именно интенсивности фона.
Многочисленные световые пятна на всех трёх кадрах находятся на одном и том же месте и создаётся видимость их постоянства. На самом деле это не
совсем так: некоторые пятна появляются и исчезают за 10 сек, но в представленные моменты они появлялись на том же самом месте. Подобное явление наблюдалось в [8, 9] и было рассмотрено в работе [7].
Рис. 3. Магнитные пульсации в Ловозеро и в Solund'e (линия со звёздочками).
Вопрос о размерах области регулярных пульсаций пока мало изучен, поэтому представляет интерес исследовать, как широко простирается район, где можно наблюдать представленные на рис. 1 пульсации. Телевизионные наблюдения сияний ведутся и в Баренцбурге на Шпицбергене, но в рассматриваемый период там была сплошная облачность с метелью. Мы просмотрели магнитограммы норвежских обсерваторий и обнаружили, что вблизи авроральной зоны пульсации с периодом 51 с наблюдаются там на всех станциях. На рис. 3 параллельно с колебаниями на станции Ловозеро показаны и пульсации на самой западной станции Скандинавии Solund ф=61.08°, X =4.84°, их временное разрешение 10 сек. Видно хорошее совпадение пульсаций по частоте, амплитуды мало отличаются. Эти пульсации отсутствуют на высокоширотных станциях Longyearbyen и Ny Alesund, но они есть на станции Hopen, ф=76.51°, X =25.01°. Как видно из рис. 1а, пульсации в высыпаниях частиц наблюдаются и у южного горизонта Ловозера, правда, малой интенсивности. Поэтому можно полагать, что пульсирующая область располагалась вдоль авроральной зоны от юга Шпицбергена до западной оконечности Скандинавского полуострова.
Пульсации на спутниках THEMIS
В рассматриваемый нами интервал времени в районе авроральной зоны находились спутники THEMIS A, D и E. Их проекции на Землю с 0 часов представлены на рис. 4 линиями, жирным выделены участки, соответствующие исследуемому интервалу 3ч 28м - 3ч 34м. В это время спутники располагались над широтами 65°-70° в долготном интервале 110° - 135°. На них проводились
измерения магнитных и электрических полей. Большие величины магнитного поля в местах нахождения спутников не позволяют наглядно выделить пульсирующую составляющую, и для анализа мы выбрали электрическую составляющую. На рис. 5 представлены ^-компоненты всех трёх спутников. Постоянные составляющие исключены вычитанием аппроксимации исходного массива полиномом 6-го порядка. Как видно из рисунка, периодичность пульсаций электрического поля на всех трёх спутниках одна и та же, и она совпадает с периодичностью геомагнитных колебаний в Ловозеро и Солунде, как и на других норвежских станциях. Амплитуды по величине в первом приближении одинаковы, а точнее - самая большая на ТНА, самая маленькая на ТИБ. Можно связать это соотношение с убыванием интенсивности Рс3-4 к востоку от Кольского п-ва, см. расположение спутников на рис. 4.
Рис. 4. Расположение спутников THEMIS A,D и E над поверхностью Земли.
0,5 0.0 -0.5 -1,0 0,4
-0,4 0.4
0,2
0,0
-0,2
-0,4
-0,е
ит
Рис. 5. Пульсирующие составляющие Z-компоненты электрического поля
на спутниках THEMIS.
На нижней панели рис. 1 показаны Ez-компоненты на этих спутниках. Они, естественно, примерно в 5 раз меньше, чем перпендикулярные геомагнитному полю Ex и Ey. Можно было бы ожидать, что максимумы высыпания частиц, чему соответствуют пики авроральных пульсаций на панели рис. 1а, будут лучше соответствовать пикам в параллельной магнитному полю z-компоненте, чем y-компоненте, однако это не так, полного соответствия моментов экстремумов Ez с максимумами светимости нет. Наилучшее соответствие наблюдается у самого западного спутника THA, расположенного ближе всех к Ловозеру.
Обсуждение результатов
Обнаружено, что пульсации Рс3-4 28 января 2012 наблюдались в высоких широтах на долготах от 0° до 135° в разных параметрах: интенсивности полярных сияний, геомагнитном поле на земле и на спутниках, электрическом поле на спутниках. Общепринятый подход к объяснению регулярных пульсаций на земле - проникновение колебаний из магнитосферы через ионосферу. В работе [10] на основании наблюдений тесной связи между авроральными и магнитными пульсациями предлагается другой. Поскольку сияния есть высыпание заряженных частиц, то их движение вдоль силовой линии эквивалентно току, который затем растекается вдоль по ионосфере. Зная этот ток и проводимость ионосферы, легко определить связанное с ним электрическое поле в ионосфере. Оно вызывает токи Холла, магнитное поле которых и регистрируется датчиками на Земле. Механизм возникновения колебаний при этом не рассматривается. В пользу такой интерпретации говорят непременное наличие авроральных пульсаций во время геомагнитных [11], отсутствие запаздывания между ними, которое могло бы быть из-за конечной скорости волны в магнитосфере, а также очень малая величина тока смещения для гидромагнитных волн. Принципиального противоречия между этими подходами нет.
Поэтому представляет интерес обнаружить наземные геомагнитные пульсации в долготном диапазоне, над которым находились спутники THEMIS, т.е. 100° - 150° E на низких широтах, удалённых от проникновения волны из магнитосферы. Было взято 5 станций, представленных в Таблице 1, для которых имелись 1-сек. данные, и на рис. 6 представлены их ^-компоненты без фильтрации.
Таблица 1. Геомагнитные станции и их координаты.
Станция Символ Долгота Широта
Urumqi WMQ 88° 44°
Kanoya KNY 131° 31°
Kakioka KAK 140° 36°
Esashi ESA 141°. 39°
Memambetsu MMB 144°, 44°
о
Г 2
Я
а
о ...................................
3:38 :S9 :30 :31 :33 :33 3:34
ит
Рис. 6. H-компоненты низкоширотных станций.
Видны те же Pc3-4 с амплитудой около 0.25 нТ, меньше чем на авроральных станциях, но достаточно заметных. На четырёх нижних кривых видно неплохое фазовое соответствие между ними, а верхняя, для Урумчи, идёт почти в противофазе. Четыре последних станции мало отличаются по долготе, а Урумчи отстоит от них на 50° к западу. Пульсации магнитного поля на этих станциях можно объяснить по закону Био-Савара током вдоль силовых линий, обусловленным высыпанием частиц, которое следует ожидать как из наличия авроральных пульсаций в Ловозеро, так и продольныого электрического поля на спутниках THEMIS. Фазовый сдвиг в Урумчи относительно четырёх более восточных станций, как и фазовые различия в Ey на спутниках естественно связать с азимутальными колебаниями в области пульсаций. Их скорость можно приблизительно оценить: фазовый сдвиг между MMB и WMQ около 15с или 100°, разность долгот 56°, отсюда скорость волны 3-4 градуса долготы за 1 секунду. Направление движения волны также можно определить из этого рисунка: колебания в KNY явно опережают колебания в MMB, поэтому распространение идёт на восток.
Заключение
Рассмотрен случай регулярных пульсаций типа Pc3-4 28 января 2012 в сияниях в Ловозеро, на широкой сети магнитных станций в магнитном и электрическом полях на спутниках THEMIS A, D, E с периодом 51 секунд. По приведённым данным делается вывод, что пульсирующая область по долготе располагается в диапазоне не менее чем от 0° до 150°, а по широте вдоль аврорального овала. Пульсации происходят не синфазно по всей области, а имеет место их движение в восточном направлении со скоростью около 3-4 градуса долготы за 1 секунду.
Благодарности. Авторы использовали магнитные данные с сайта университета в Тромсе (http://flux.phys.uit.no/geomag.html), магнитные данные с центра в Киото (http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/caplot/index.html), данные спутников THEMIS с NASA's Goddard Space Flight Center (https://cdaweb.sci.gsfc.nasa.gov/index.html) и выражают благодарность этим организациям.
Литература
1. Victor, L. J. Correlated auroral and geomagnetic micropulsations in the period range 5 to 40 seconds // J. Geophys. Res. 1965. 70(13). P. 3123-3130
2. Намгаладзе А.Н., Распопов О.М., Ролдугин В.К. Связь пульсаций геомагнитного поля Pi2 с пульсациями интенсивности полярных сияний // Геомагнетизм и аэрономия. 1967. Т. 7. № 2. С. 376-378.
3. О.М. Распопов, В.К. Ролдугин. Регулярные колебания интенсивности полярных сияний и геомагнитного поля // Геомагнетизм и аэрономия. 1972. Т. 12. №3. С. 566-568.
4. Yamamoto, T., Hayashi K., Kokubun S., Oguti S., Ogawa T. Auroral activities and long-period geomagnetic pulsations. I- Pc5 pulsations and concurrent auroras in the dawn sector. II- Ps5 pulsations following auroral breakup in the premidnight hours // J. Geomagn. Geoelectr. 1988. 40(5). P. 553-582.
5. V. C. Roldugin, A. V. Roldugin, and S. V. Pilgaev. Pc1-2 auroral pulsations // J. Geophys. Res. Space Physics. 2013. V. 118, 74-81. P. 74-81.
6. О.М. Распопов, С.А. Чернус, В.К. Ролдугин, Похотелов О.А. Пульсирующие потоки частиц в магнитосфере и ионосфере. Л., Наука, 1978.
7. Ролдугин В.К., Ролдугин А. В. Случаи постоянства форм полярных сияний во время регулярных пульсаций // Геомагнетизм и аэрономия. 2016. Т.7. № 1. С. 6468.
8. Oguti T. Recurrent auroral patterns // J. Geophys. Res. 1976. 81(10). P. 1782-1786.
9. Oguti T. and Watanabe T. Quasi-periodic poleward propagation of on-off switching aurora and associated geomagnetic pulsations in the dawn // J. Atmosph. Terr. Physics. 1976. 38(5). P. 543-551.
10. В.К. Ролдугин, Б.Н. Беленькая и Н.Ф. Мальцева. Электрические поля во время пульсирующих сияний // Геомагнетизм и аэрономия. 1971. Т. 11. №5. С. 813-818.
11. Б.Н. Казак, В.К. Ролдугин, С.А. Черноус. Одновременность появления пульсаций поля и сияний // Геомагнетизм и аэрономия. 1972. Т. 12. №5. С. 941-944.
Сведения об авторах
Ролдугин Валентин Константинович,
с. н. с., Полярный геофизический институт, Апатиты E-mail: rold_val@pgia.ru
Ролдугин Алексей Валентинович,
ведущий электроник, Полярный геофизический институт, Апатиты E-mail: roldugin_a@pgia.ru
