CC BY
71
УДК 550.385.4
В. Б. Белаховский, В. А. Пилипенко, С. Н. Самсонов
ГЕОМАГНИТНЫЙ И ИОНОСФЕРНЫЙ ОТКЛИК НА ПРИХОД МЕЖПЛАНЕТНОЙ УДАРНОЙ ВОЛНЫ
Аннотация
В данной работе исследован магнитосферный и ионосферный отклик на SSC-событие 24 января 2012 г SSC-импульс вызвал резкое увеличение концентрации плазмы, модуля геомагнитного поля, потоков заряженных частиц в магнитосфере по данным спутников GOES, THEMIS. Показано, что SSC-импульс вызвал увеличение полного электронного содержания (ПЭС) ионосферы (ДПЭС < 7-8 %), определяемого по данным GPS-приемников в Скандинавии. По данным радара VHF EISCAT в Тромсё, основной вклад в умножение ПЭС вносит увеличение концентрации в нижней части ионосферы (100-180 км). По-видимому, отклик ПЭС вызван высыпанием заряженных частиц в ионосферу. SSC-импульс вызвал резкий рост риометрического поглощения в Скандинавии и интенсивности полярных сияний по данным обсерватории Барецбург (архипелаг Шпицберген), он стал триггером суббури в ночном секторе и вызвал генерацию резонансных Pc4-5 геомагнитных пульсаций в утреннем секторе.
Ключевые слова:
магнитная буря, межпланетная ударная волна, внезапное начало, магнитосфера,
ионосфера, GPS приемники, радар EISCAT, дневные полярные сияния.
V. B. Belakhovsky, V. A. Pilipenko, S. N. Samsonov
GEOMAGNETIC AND IONOSPHERIC RESPONSE
TO THE ARRIVAL OF THE INTERPLANETARY SHOCK WAVE
Abstract
The magnetosphere and ionosphere response to the SSC event at 24 January 2012 was investigated. The SSC impulse produces abrupt increase of plasma density, magnetic field magnitude, fluxes of energetic particles in the magnetosphere by GOES, THEMIS spacecraft data. It is shown that SSC cause the increase of the TEC (ATEC<7-8%), determined by the GPS receivers in Scandinavia. The main contribution to TEC have the density increase in the lower part of the ionosphere (100-180 km) determined by VHF EISCAT radar in Tromso. So the TEC response obviously caused by the particle precipitation into the ionosphere. The SSC cause strong the increase of the CNA in Scandinavia and aurora intensity by Barensburg observatory data (arch. Spitsbergen). SSC produce the substorm development on the nightside and generation of resonance geomagnetic Pc4-5 pulsations on the morning side.
Keywords:
magnetic storm, interplanetary shock wave, sudden commencement, magnetosphere,
ionosphere, GPS receivers, EISCAT radar, dayside aurora.
1. Введение
Приход межпланетной ударной волны к магнитосфере вызывает ее сжатие, которое проявляется на магнитометрах как импульсное возмущение SSC (storm sudden commencement), предупреждающее о начале геомагнитной бури, или SI (sudden impulse) [1]. Межпланетная ударная волна, представляющая из
себя быструю МГД ударную волну, характеризуется резким увеличением скорости, плотности солнечного ветра и величины магнитного поля.
SSC-событие, наблюдаемое на Земле, является суперпозицией двух полей DL-поля (low disturbances) и DP-поля (polar disturbances):
DSSC = DL + DPPI + DPMI.
DL-поле вызвано токами на магнитопаузе, информация об изменении поля передается вглубь магнитосферы посредством быстрой магнитозвуковой волны. Отклик на изменение DL-поля лучше всего виден на низких и средних широтах. DP-поле возникает в полярной области и вызвано ионосферными и продольными токами. DP поле разлагается на две части, DPPI и DPMI, соответствующие предварительному (PI) и главному (MI) импульсам. Знаки этих двух импульсов зависят от широты и местного времени. PI есть результат распространения быстрой магнитозвуковой волны с последующей ее трансформацией в альвеновскую моду в результате сжатия магнитосферы. MI связано с усилением токов на магнитопаузе в период ее сжатия [2]. На средних и низких широтах отрицательный импульс PI может предшествовать главному MI импульсу, но может наблюдаться и только главный положительный MI-импульс. Двухимпульсная структура не наблюдается ни на геостационарной орбите, ни в солнечном ветре [2] и есть результат действия токов в ионосфере. SSC-импульс появляется в высоких широтах на несколько минут раньше, чем в низких.
С появлением SSC связан целый комплекс геофизических явлений, таких как поджатие границы магнитосферы, высыпание заряженных частиц различных энергий в атмосферу Земли, появление геомагнитных пульсаций Psc3-5 [3], Pc1 [4], резкое возрастание уровня ОНЧ-шумов [5].
Характеристики полярных сияний во время SSC исследовались с помощью как наземных [6, 7], так и спутниковых [8, 9] наблюдений. Было показано, что резкие увеличения динамического давления солнечного ветра сопровождаются значительным увеличением яркости дискретных форм сияний и диффузного свечения как в ночном, так и в дневном секторах аврорального овала. В работе [8] введен термин «shock-aurora», связанный с появлением полярных сияний во время SSC. Увеличение поглощения космического радиоизлучения во время SSC получило название SCA (Sudden Commencement Absorption) [10]. Рост интенсивности сияний и поглощения может быть объяснен в рамках одной модели — рассеяния частиц в конус потерь из-за развития электронно-циклотронной турбулентности [11]. В этой модели волна сжатия, генерируемая во время SSC, приводит к увеличению коэффициента анизотропии плазмы, развитию электронно-циклотронной неустойчивости и, как следствие, к рассеянию частиц в конус потерь.
В данной работе проведен детальный анализ отдельного SSC события 24 января 2012 г. с использованием максимально полного комплекса современных наземных и спутниковых наблюдений, который позволяет сопоставить различные аспекты воздействия SSC на геомагнитное поле и ионосферу.
2. Данные наблюдений
Для характеристики параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля (ММП) были использованы данные базы OMNI. Данные спутников THEMIS, геостационарных спутников GOES-13, 15 использовались
для наблюдения за геомагнитным полем и потоками заряженных частиц в магнитосфере, а также данные магнитометров сетей IMAGE, CARISMA, MAGDAS. Для определения вертикального полного электронного содержания ионосферы (ПЭС) были использованы данные двухчастотных GPS-приемников в Скандинавии. Данные радара некогерентного рассеяния EISCAT в Тромсë позволяют определить концентрацию, скорость ионосферной плазмы, температуру ионов, электронов. Данные скандинавских риометров использовались для характеристики потоков высыпающихся электронов (30 кэВ). Были использованы данные гиперспектальной камеры всего неба NORUSCA II в обсерватории Баренцбург Полярного геофизического института.
3. Событие 24 января 2012 года
3.1. Геофизическая обстановка
SSC-импульс, вызванный приходом к магнитосфере межпланетной
ударной волны, был зарегистрирован около 15.00 UT по вариациям SYM-H индекса (рис. 1).
Рис. 1. By-, Bz-компоненты ММП, модуль B ММП, плотность N, скорость V солнечного ветра, SYM-H-индекс, AE-индекс
Приход межпланетной ударной волны сопровождался резким увеличением скорости (до ~ 700 км^), плотности (до ~ 15 см-3) солнечного ветра, модуля ММП перед головной ударной волной. Отрицательная ^-компонента ММП установилась только спустя примерно через 2 часа после SSC-события.
После SSC-импульса наблюдалась слабая геомагнитная буря 24-25 января 2012 г. (Dst = -71 нТл). SSC-импульс вызвал увеличение суббуревой активности (AE ~ 800 нТл).
3.2. Магнитосферные наблюдения
В момент SSC-импульса, по данным геостационарного спутника GOES-13 ^КГ = ЦГ-5), наблюдалось резкое увеличение ^-компоненты (рис. 2), приблизительно совпадающей с направлением магнитного поля в районе геостационарной орбиты, и модуля поля Н1 В результате бетатронного ускорения в магнитосфере резко увеличился поток энергичных электронов (40-475 кэВ) (рис. 2). В азимутальной компоненте геомагнитного поля наблюдались широкополосные пульсации Pc3-5 диапазона.
Рис. 2. Радиальная ^-компонента, азимутальная ^-компонента магнитного поля, поток электронов с энергией 40 кэВ, вертикальная ^-компонента магнитного поля по данным спутника GOES-13
По данным спутников THEMIS-A, D, E, которые находились в утреннем
секторе магнитосферы (X ~ 6.5 ЯЕ, У--8ЯЕ, 2 ~ 5ЛЕ), удалось проследить
последовательное распространение SSC-импульса внутри магнитосферы с временной задержкой 2-3 с (не показано). SSC-импульс вызвал резкое увеличение концентрации магнитосферной плазмы примерно с 1 до 50 см-3, температуры, скорости, потоков энергичных электронов.
Для того чтобы ответить на вопрос, является ли зарегистрированный спутником THEMIS-A SSC-импульс ударной волной, было определено магнитозвуковое число Маха (М), которое представляет собой отношение скорости возмущения к скорости быстрых магнитозвуковых волн (БМЗ) в данной среде:
V
I - '
1 '
где У^ — скорость ударной волны, С — скорость звука (сх = ^у1кТе /шр ), УА — альвеновская скорость (уА = Б/^^ р)-
Скорость ударной волны определяется из формулы [12]:
где р, и — плотность и скорость магнитосферной плазмы; В — магнитное поле, индекс 1 обозначает характеристики среды до прихода ударной волны, индекс 2 обозначает характеристики среды после прихода ударной волны, п - нормаль к фронту ударной волны.
Оценки показывают, что скорость 88С-импульса У^ составила 778 км/с, альвеновская скорость УА при В = 74 нТл, р = 0.8 см-3 равна 1823 км/с, скорость звука — 276 км/с. Таким образом, магнитозвуковое число Маха М} составило ~ 0.4, то есть 88С-импульс, регистрируемый внутри магнитосферы спутником ТНЕМК-А, уже не является ударной волной.
3.3. Наземный геомагнитный отклик
88С-импульс сопровождался положительным скачком в Х-компоненте геомагнитного поля во всех секторах местного геомагнитного времени (МЬТ).
В вечернем секторе (магнитометры сети предшествовал предварительный импульс указан код станции, геомагнитная широта.
IMAGE) главному импульсу (MI) (PI) (рис. 3). На магнитограммах
Рис. 3. Вариации Х-компоненты геомагнитного поля [нТл] по данным меридиональной цепочки станций сети IMAGE
Рис. 4. Вариации Х-компоненты геомагнитного поля [нТл/104] по данным меридиональной цепочки станций сети САККМА
Для SSC-импульса наблюдается распространение от низких к высоким широтам. На станции HOR SSC импульс имел несколько другую форму.
В утреннем секторе (магнитометры сети CARISMA) SSC-импульс вызвал возбуждение геомагнитных Pc5 пульсаций (рис. 4). Видно заметное увеличение периода колебаний с увеличением геомагнитной широты, что свидетельствует о том, что данные МГД-колебания возбуждаются за счет резонанса силовых линий внутри магнитосферы. Если на станциях PINA, THRF период колебаний составил около 1,5 мин., то на станции RANK — 5 мин.
В ночном секторе (российская станция Pebek — PBK) SSC-импульс практически сразу вызвал развитие геомагнитной суббури (величина магнитной бухты AX~ 700 нТл), хотя в момент SSC fe-компонента ММП была положительной и сохраняла свой знак еще около 2 ч.
3.4. Ионосферный отклик
По данным GPS-приемника, на станции KIR было определено полное электронное содержание ионосферы для различных спутников (рис. 5). Наклонный ПЭС был пересчитан в вертикальный (VTEC). Ионосферные проекции луча, соединяющего GPS-спутники и наземный приемник на станции KIR, показаны на рис. 6.
Рис. 5. Вариации полного электронного содержания ионосферы по данным различных GPS спутников и приемника на станции KIR
Рис. 6. Карта расположения наземных геомагнитных станций (треугольники), GPS-приемников (квадраты), радара EISCAT (звездочка). Цветными линиями показаны проекции на ионосферу пролетов GPS-спутников
В данной работе впервые был обнаружен отклик ПЭС ионосферы на SSC-импульс, который, по данным различных спутников, характеризуется увеличением ПЭС примерно в 15.03 Ш, при этом ЛПЭС/ПЭС ~ 7-8 %, что составляет небольшое значение.
По данным радара EISCAT, в Тромсё максимальное увеличение электронной концентрации наблюдалось в интервале высот 100-180 км (рис. 7), то есть, по-видимому, нижняя часть ионосферы ^-слой, нижняя часть F-слоя) дает наибольший вклад в увеличение ПЭС во время SSC-события. Поэтому мы полагаем, что высыпание заряженных частиц в ионосферу внесло основной вклад в увеличение ПЭС. Также, по данным радара EISCAT, наблюдался резкий рост температуры ионов и электронов в момент SSC-импульса в диапазоне высот 140-180 км, однако в скорости ионосферной плазмы заметного отклика на SSC-импульс не было зафиксировано.
14.00 14.30 15.00 15.30 16.00
UT
Рис. 7. Вариации концентрации № ионосферной плазмы, температуры ионов Т1, электронов Те, скорости У1 с высотой по данным радара VHF EISCAT в Тромсё
1 г v w 1
BAR. 75.1 gate=100 j
г IVA, 65.1
15.00 15.10 15.20 15.30 15.40 15.50 18.00
ЦТ
Рис. 8. Кеограмма полярных сияний в эмиссии 557.7 нм, широтный разрез интенсивности сияний по данным камеры всего неба NORUSCAm станции Баренцбург (BAR); риометрическое поглощение на станции IVA
Как можно судить по резкому увеличению поглощения космического радиоизлучения по данным риометров в Скандинавии в диапазоне геомагнитных широт 59-74°, SSC-импульс способствовал высыпанию заряженных частиц в ионосферу. Наибольший по амплитуде отклик в риометрическом поглощении наблюдался на станции ГУЛ, Ф ~ 65° (рис. 8). Детальный анализ показывает, что увеличение поглощения по времени совпало с предварительным импульсом в магнитном поле.
Резкое увеличение интенсивности полярных сияний в широком диапазоне эмиссий (427.8-700 нм) было зарегистрировано гиперспектральной камерой III И NORUSCA ГГ в обсерватории Баренцбург (Шпицберген) (рис. 8). Интересно, что скачок поглощения на станции ГУЛ (Ф = 65.1°) наблюдается на 5 мин. раньше, чем на станции BAR (Ф = 75°). По-видимому, это связано с тем, что SSC-импульс регистрируется раньше на низких широтах, чем на более высоких широтах.
Заключение
В работе проведен детальный анализ внезапного начала геомагнитной бури 24 января 2012 г. Спутниковые наблюдения показывают, что SSC-импульс внутри магнитосферы способствовал резкому увеличению концентрации плазмы, потоков заряженных частиц, температуры, скорости, величине геомагнитного поля. Во внешней магнитосфере SSC-импульс уже не является ударной волной.
Впервые показано, что SSC-импульс вызывает резкое увеличение ПЭС ионосферы до 7-8 %, определяемое по данным GPS-приемников, в вечернем секторе. Наибольший вклад в скачок в ПЭС вносит нижняя часть ионосферы (100-180 км). По-видимому, скачок в ПЭС вызван высыпанием заряженных частиц в ионосферу. SSC-импульс привел к резкому увеличению интенсивности полярных сияний по данным гиперспектральной камеры всего неба NORUSCA ГГ в обсерватории Баренцбург (Шпицберген). Также SSC-импульс вызвал резкое увеличение риометрического поглощения в Скандинавии.
Анализ данных мировой сети магнитометров показал, что SSC-импульс явился триггером развития суббури в ночном секторе и возбуждения резонансных геомагнитных Pc4-5 пульсаций в утреннем секторе.
Благодарности. Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ: № 16-35-60049 мол_а_дк и № 15-45-05108 р_восток_а (СС, ПВ).
Литература
1. Нишида А. Геомагнитный диагноз магнитосферы / под ред. Я. И. Фельдштейна; пер. А. Е. Левитина. М.: Мир, 1980. 299 с.
2. Araki T. A physical model of the geomagnetic sudden commencement // Solar wind sources of magnetospheric ultra-low-frequency waves: Geophys. monograph. Washington: D.C., 1994. 81. P. 183-200. (Ser. AGU).
3. Амата Э. Psc-5 пульсации на геостационарной орбите / Э. Амата [и др.] // Геомагнетизм и аэрономия. 1986. Т. 26, № 2. C. 283-287.
4. Troitskaya V. A. Pulsations of the Earth's electromagnetic field with periods of 1 to 15 s and their connection with phenomena in high atmosphere // J. Geophys. Res. 1961. 66. Р. 5-18.
5. Gail W. B. Characteristics of wave-particles interactions during sudden commencements, 1.Ground-based observations / W. B. Gail [et al.] // J. Geophys. Res. 1990. 95, A1. Р. 119-137.
6. Воробьев В. Г. Эффекты в полярных сияниях, связанные с SC // Геомагнетизм и аэрономия. 1974. Т. 14, № 1. С. 90-92.
7. Воробьев В. Г. Особенности полярных сияний в утреннем секторе после SC / В. Г. Воробьев [и др.] // Геомагнетизм и аэрономия. 2008. Т, 48. № 2. С. 162172.
8. Zhou X.-Y. Shock aurora: FAST and DMSP observation / X.-Y. Zhou [et al.] // J. Geophys. Res. 2003. V. 108, No. A4.
9. Liou K. Investigation of external triggering of substorms with Polar ultraviolet imager observations / K. Liou [et al.] // J. Geophys. Res. 2003. V. 108, No. A10.
10. Brown R. Large-scale electron bombardment of the atmosphere at the sudden commencement of a geomagnetic storm / R. Brown [et al.] // J. Geophys. Res. V. 66. P. 1035-1041. 1961.
11. Coroniti F. V., Kennel C. F. Electron Precipitation Pulsations // J. Geophys. Res. 1970. 75, №. 7. Р. 1279-1289.
12. Баранов В. Б., Краснобаев К. В. Гидродинамическая теория космической плазмы. М.: Наука, 1977. 334 с.
Сведения об авторах Белаховский Владимир Борисович
к. ф.-м. н., научный сотрудник, Институт физики Земли РАН, г. Москва E-mail: belakhov@mail.ru
Пилипенко Вячеслав Анатольевич
д. ф.-м. н., профессор, заведующий лабораторией, Институт физики Земли РАН, г. Москва E-mail: pilipenko_va@mail.ru
Самсонов Сергей Николаевич
к. ф.-м. н., заведующий лабораторией,
и аэрономии, г. Якутск
E-mail: s_samsonov@ikfia.ysn.ru
Институт космофизических исследований
