CC BY
72
УДК 523.62.726
В. Б. Белаховский, В. Г. Воробьев, В. А. Билин
ОТКЛИК НОЧНЫХ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ НА ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ SI ИМПУЛЬС Аннотация
Детально исследован отклик ночных полярных сияний на резкое уменьшение динамического давления солнечного ветра с использованием данных меридиональных сканирующих фотометров сети NORSTAR, камер всего неба сети THEMIS. Показано, что отклик ночных полярных сияний имеет неоднозначный характер: в момент SI- импульса происходит возбуждение дискретной дуги сияний, спустя около 8 мин после SI- наблюдается резкое уменьшение интенсивности диффузного свечения.
Ключевые слова:
солнечный ветер, магнитосфера, ионосфера, отрицательный SI-импульс, полярные сияния.
V. B. Belakhovsky, V. G. Vorobjev, V. A. Bilin
THE RESPONSE OF THE NIGHTTIME AURORA TO THE NEGATIVE SI IMPULSE
Abstract
In this study the response of the nighttime aurora to the sudden decrease of the solar wind dynamic is considered in detail using NORSTAR meridian-scanning photometers, THEMIS network all-sky imagers. It has been shown that the response of the nighttime aurora has a complicated character: at the moment of SI- impulse the excitation of the aurora arc were occurred, approximately 8 minutes after SI- an abrupt decrease of the diffuse aurora intensity was observed.
Keywords:
solar wind, magnetosphere, ionosphere, negative SI impulse, aurora.
Введение
Изучению SSC (storm sudden commencement) импульсов и особенностям отклика магнитосферы на SSC импульсы посвящено достаточно много работ, поскольку именно SSC может являться индикатором начала геомагнитной бури. SSC импульс (а также положительный SI+ импульс) характеризуется резким увеличением динамического давления солнечного ветра. Характеристики полярных сияний во время SSC были исследованы с помощью наземных [1] и спутниковых наблюдений [2]. В работе [2] введен термин “shock-aurora”, связанный с появлением полярных сияний во время SSC.
SI- импульс характеризуется резким уменьшением динамического давления солнечного ветра. В работе [3] было установлено, что причиной SI-импульсов являются тангенциальные разрывы. SI- и SI+ импульсы наблюдаются очень часто в паре, причем сначала может идти как SI-, так и SI+.
В работе [4] было обнаружено резкое уменьшение риометрического поглощения при SI- в утреннем секторе, однако отклик в сияниях имел сложный характер. В работе [5] по наблюдениям на камере всего неба было обнаружено, что яркость дискретных дуг после SI- импульса увеличилась и полярные сияния стали двигаться к полюсу. По мнению авторов, резкое увеличение продольных токов, вызванное SI- импульсом, при возбуждении резонанса силовых линий внутри магнитосферы привело к уярчению дискретных дуг. Вместе с тем,
26
в случаях, рассмотренных в работе [6] с помощью ультрафиолетового приемника со спутника POLAR в эмиссиях 160-180 нм, наблюдалось уменьшение яркости диффузных полярных сияний после SI-.
Таким образом, вопрос отклика полярных сияний на отрицательный SI-импульс остается открытым. В данной работе детально рассмотрен отклик ночных полярных сияний для события 28 сентября 2009 г. с использованием наземных оптических наблюдений сетей NORSTAR, THEMIS (Канада).
Данные наблюдений. В работе для наблюдения за полярными сияниями использованы 1 -минутные данные меридиональных сканирующих фотометров сети NORSTAR (Канада). Это станции GILL (Ф=66.03 °, Л=333.05 °, MLT=UT-6.4), RANK (Ф =72.22 °, Л =335.97 °, MLT=UT-6.2), FSMI (Ф=67.28, Л=306.9, MLT=UT-8.1), PINA (Ф=59.98, Л'=331.75, MLT=UT-6.5). Фотометры сети NORSTAR регистрируют полярные сияния в эмиссиях 557.7, 630.0, 486.0, 471.0 нм и выдают данные для 17 углов. Также для наблюдения за полярными сияниями были использованы данные камер всего неба сетей THEMIS. Эти камеры всего неба не оснащены эмиссионными фильтрами. Для наблюдения за наземным магнитным полем использовались магнитометры сетей CARISMA, THEMIS. Использованы риометры сети NORSTAR. Наземные станции показаны на рис. 1.
Рис. 1. Карта расположения наземных станций. Треугольниками обозначены магнитометры, звездочками - риометры, квадратами - фотометры, большие
круги - камеры всего неба
27
Также в работе использованы данные геостационарных спутников GOES, спутников THEMIS, межпланетных спутников ACE, WIND, GEOTAIL. Параметры солнечного ветра и межпланетного магнитного поля (ММП) брались из базы данных OMNI.
Событие 28 сентября 2009 г.
Геофизическая обстановка и параметры межпланетной среды
Примерно в 06.50 UT на земной поверхности по вариациям SYM-H индекса был зарегистрирован отрицательный SI- импульс (рис.2.). Отрицательный SI- импульс наблюдался не в паре с положительным SI+ импульсом. SYM-H-индекс уменьшился с 9 до -20 нТл. Резкое уменьшение плотности солнечного ветра N вблизи головной ударной волны примерно с 35 до 10 см-3, сопровождающееся резким увеличением модуля B межпланетного магнитного поля (ММП), было зарегистрировано примерно в 06.45 UT (рис.2). Динамическое давление солнечного ветра уменьшилось примерно с 7 до 2 нПа. Скорость солнечного ветра была невысока и составляла около 325 км/c. Интересно, что Bz-компонента ММП долгое время была отрицательна до и после SI- импульса, что привело к развитию суббури через полчаса после SI- импульса в канадском секторе. В момент SI- импульса AE-индекс имел значение 250-350 нТл, т. е. суббуревой активности не наблюдалось.
Геомагнитные вариации на земной поверхности и в магнитосфере
На рисунке 3 показаны вариации геомагнитного поля (Х-компонента) по данным меридиональной цепочки станций сети CARISMA. На низкоширотных станциях (OSAK, THRF) SI- импульс виден достаточно четко. На более высокоширотных же станциях вслед за резким уменьшением Х-компоненты геомагнитного поля следует такой же резкий рост. Во время SI- данная цепочка станций располагалась в ночном секторе (1 час MLT). Также резкое уменьшение геомагнитного поля наблюдалось и на станциях сети IMAGE, 210-meridian (не показано). Таким образом, SI- импульс имел глобальный характер.
На спутнике GOES-12 (MLT=UT-5), сопряженная точка которого располагалась вблизи меридиональной цепочки станций сети CARISMA, азимутальная hn-компонента геомагнитного поля в момент SI- импульса резко уменьшается (не показано). То есть азимутальная компонента геомагнитного поля коррелирует с горизонтальной Х-компонентой геомагнитного поля на Земле. Это говорит о повороте оси эллипса поляризаций SI- импульса на л/2 при переходе через ионосферу. При этом на GOES-12 наблюдается рост модуля геомагнитного поля B.
Спутник THEMIS-A до SI-, по-видимому, располагался в магнитослое (в точке с координатами (9, 5, 1) Re в системе GSM). Об этом свидетельствуют сильные флуктуации магнитного поля (не показано). После же SI- вариации магнитного поля стали менее зашумленными, что, по всей видимости, говорит о расширении магнитосферы при SI- и прохождении магнитопаузы через спутник THEMIS-A, который после SI- оказался уже в магнитосфере.
28
Рис.2. Параметры ММП (модуль B магнитного поля, By-, Bz-компоненты) и солнечного ветра (скорость V, динамическое давление Pdyn) по данным базы OMNI, SYM-H-индекс 28.09.2009 в интервале 05.00-09.00 UT
Рис.3. Вариации Х-компоненты геомагнитного поля [нТл-104] по данным станций THRF-OSAK-PINA-ISLL-GILL-FHCU на меридиональном профиле ~330 ° 28.09.2009 в интервале 06.30-07.30 UT
29
Отклик полярных сияний и риометрического поглощения
Отклик в полярных сияниях на SI- импульс был виден далеко не на всех станциях сетей THEMIS, NORSTAR, т. е. отклик имел локальный характер. Практически сразу же после SI- импульса по данным камеры всего неба на станции SNKQ (Ф'=66.45 °, A'=356.99 °, MLT=UT-4.8) наблюдается
возбуждение дуги полярных сияний (рис.4). Интенсивность свечения увеличилась более чем в 2.5 раза. При этом дуга сияний распространялась к полюсу, что может свидетельствовать о проявлении резонансных свойств в авроральной светимости. По данным камеры всего неба дуга вытянута в направлении восток-запад (рис.4). По данным фотометра на станции GILL (CGL=66 °) наблюдается резкое уменьшение интенсивности диффузного свечения в эмиссиях кислорода 557.7, 630.0 нм (рис.5), а также в эмиссии водорода 486.0 нм (не показано) примерно через 8 мин после SI- импульса. Интенсивность свечения в эмиссии 486.0 нм была достаточно слабая.
Станции GILL, SNKQ разнесены по геомагнитной долготе на 24 °, находятся примерно на одной геомагнитной широте. Наблюдалась также дискретная дуга сияний слабой интенсивности и на станции KUUJ (Ф=66.89 °, Л=13.23 °, MLT=UT-3.7).
Рис.4. Кадры камеры всего неба на станции SNKQ, кеограмма по данным на станции SNKQ [отн. ед.], широтный разрез интенсивности полярных сияний [отн. ед.], Х-компонента геомагнитного поля [нТл-104] на станции SNKQ 28.09.2009 в интервале 06.00-08.00 UT
30
Рис.5. Кеограммы интенсивности полярных сияний [Рл] по данным меридионального сканирующего фотометра на станции GILL в эмиссиях 557.7, 630.0 нм, широтные разрезы интенсивности сияний, Х-компонента геомагнитного поля [нТл-104] по данным станции GILL 28.09.2009 в интервале 05.00-09.00 UT
31
На более низкоширотной и расположенной восточнее станции GBAY (Ф'=60.73 °, Л'=23.08 °, MLT=UT-3) также наблюдалось резкое уменьшение интенсивности пятна диффузного свечения (не показано), распространяющегося к полюсу.
Интересно, что по данным риометров сети NORSTAR не наблюдалось отклика в риометрическом поглощении на SI- импульс. Это говорит об отсутствии отклика в потоках высыпающихся в ионосферу электронов с энергией порядка 30 кэВ. Общий уровень риометрического поглощения был невысокий. К сожалению, в нашем распоряжении не было данных спутников LANL. Но поскольку риометрическое поглощение хорошо коррелирует с потоками энергичных электронов на LANL, то можно предположить, что не было отклика также и в потоках захваченных электронов в магнитосфере на SI- импульс в ночном секторе. Также не наблюдалось отклика на SI- импульс по данным скандинавских риометров, которые в момент SI- располагались в утреннем секторе.
Обсуждение
Рассмотренный в работе отрицательный SI- импульс 28 сентября 2009 г., связанный с резким уменьшением динамического давления солнечного ветра, имел глобальный характер, т. е. наблюдался в различных секторах магнитосферы. При этом по данным спутника THEMIS-A во время SI- импульса происходило увеличение размеров магнитосферы, поскольку было зафиксировано прохождение магнитопаузы через данный спутник.
Казалось бы, при отрицательном SI- импульсе должен произойти зеркальный отклик сияний по отношению к отклику сияний на SSC (SI+) импульс. Однако, как показано в работе, отклик ночных полярных сияний на SI- импульс был более сложным. Отклик в сияниях имел локальный характер и был виден только на нескольких станциях. Причем он был исследован на гораздо большем пространственном масштабе, чем в работе [5], поскольку была использована целая сеть камер всего неба THEMIS. Одним из возможных источников для возбуждения дуги полярных сияний может быть резонанс силовых линий внутри магнитосферы (FLR, field line resonance) [7].
В пользу данного механизма говорит распространение дуги полярных сияний к высоким широтам. SI- импульс может быть триггером для возбуждения резонанса силовых линий внутри магнитосферы на отдельных Z-оболочках. К тому же, к моменту SI- импульса магнитосфера была уже достаточно “загружена” энергией солнечного ветра вследствие длительной отрицательной ^-компоненты ММП.
Более же позднее уменьшение интенсивности диффузного свечения, видимое на станциях GILL, GBAY, по-видимому, связано с расширением магнитосферы и соответствующим изменением условий высыпания заряженных частиц в ионосферу. Расширение магнитосферы привело к уменьшению компоненты сжатия геомагнитного поля Щ и, как следствие, к изменению питчуглового распределения заряженных частиц. В работе [6] отмечается, что уменьшением интенсивности сияний происходило примерно через 10 мин после SI- импульса, что в целом согласуется и с нашими наблюдениями.
32
В данной работе на примере одного события получено подтверждение двух противоположных результатов, полученных в работах [5] и [6]. Во время SI- импульса в магнитосфере могут запускаться различные геофизические явления, что и приводит к сложному отклику полярных сияний на отрицательный SI- импульс.
Вывод
Таким образом, нами показана неоднозначность отклика ночных полярных сияний на отрицательный SI- импульс. А именно, при отрицательном SI- импульсе с одной стороны наблюдается появление дискретной дуги сияний, с другой стороны наблюдается резкое уменьшение интенсивности диффузного свечения в эмиссиях 557.7, 630.0, 486.0.
Благодарности. Данная работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ № МК-4210.2015.5 (БВ), Программы Президиума РАН № 9. Выражаем благодарность за предоставленные данные проектов NORSTAR, THEMIS, CARISMA, спутника GOES сотрудникам соответствующих центров.
Литература
1. Воробьев В. Г. Эффекты в полярных сияниях, связанные с SC // Геомагнетизм и аэрономия, 1974. Т. 14, № 1. С. 90-92.
2. Shock aurora: FAST and DMSP observation / X. - Y. Zhou, R. J. Strangeway, P. C. Anderson, D. G. Sibeck, B. T. Tsurutani, G. Haerendel, H. U. Frey, J. K. Arballo // J. Geophys. Res. 2003. Vol. 108. A 4. P. 009701.
3. Geomagnetic negative sudden impulses: Interplanetary causes and polarization distribution / T. Takeuchi, T. Araki, A. Viljanen, J. Watermann // J. Geophys. Res. 2002. Vol. 107. A 7. P. 900152.
4. Belakhovsky V. B., Safargaleev V. V., Yagodkina O. I. Response of the morning auroras and cosmic noise absorption to the negative solar wind pressure pulse: a case study // Optica Pura Apl. 2011. 44 (4). P. 611-615.
5. Enhancement of optical aurora triggered by the solar wind negative pressure impulse (SI-) / N. Sato, Y. Murata, H. Yamagishi, A. S. Yukimatu, M. Kikuchi, M. Watanabe, K. Makita, H. Yang, R. Liu, F. J. Rich. // Geophys. Res. Lett. 2001. Vol 28. P. 127.Global auroral response to negative pressure impulses / K. Liou, P. T. Newell, T. Sotirelis, C. - I. Meng // Geophys. Res Lett. 2006. Vol. 33. L11103.
6. Field line resonance interference model for multiple auroral arc generation W. Lyatsky, R.D. Elphinstone, Q. Pao, L.L. Cogger // J. Geophys. Res. 1999. Vol. 104. A 1, P. 263-268.
Сведения об авторах
Белаховский Владимир Борисович,
к.физ.-мат.н., научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты, belakhov@mail.ru
Воробьев Вячеслав Георгиевич,
д.физ.-мат.н., заведующий лабораторией полярных сияний,
Полярный геофизический институт, г. Апатиты, vorobjev@pgia.ru
Билин Владислав Андреевич,
лаборант, Полярный геофизический институт, г. Апатиты
33
