CC BY
35
УДК 550.383
Т. Г. Когай, И. В. Головчанская,
И. А. Корнилов, Т. А. Корнилова, М. Н. Мельник
УЛЬТРАНИЗКОЧАСТОТНЫЕ ВОЗМУЩЕНИЯ В ПЛАЗМЕННОМ СЛОЕ ХВОСТА МАГНИТОСФЕРЫ, СОПРЯЖЕННЫЕ С ПРЕДБРЕЙКАПОВЫМИ E-W-ДУГАМИ: ПРИЗНАКИ МАГНИТНЫХ РЕЗОНАНСОВ
Аннотация
По сопряженным вдоль магнитного поля спутниковым и авроральным данным проверяется сценарий перехода к взрывной фазе суббури, связанный с возбуждением магнитных резонансов в плазменном слое хвоста магнитосферы. Используются наблюдения полей и плазмы спутниками THEMIS и авроральные all-sky наблюдения в обс. Лопарская Полярного геофизического института для суббури 06.01.2008, UT = 20:30-21:20. Показано, что наблюдаемые в плазменном слое ULF волновые возмущения, сопряженные с E-W-дугами на предварительной фазе суббури, проявляют признаки тороидальных магнитных резонансов, возбуждаемых импульсом азимутального электрического поля или динамического давления в солнечном ветре.
Ключевые слова:
ULF-возмущения, магнитные резонансы, суббуря, авроральные дуги.
T. G. Kogai, I. V. Golovchanskaya, I. A. Kornilov, T. A. Kornilova, M. N. Melnik
ULF PERTURBATIONS IN THE MAGNETOSPHERIC PLASMA SHEET CONJUGATE TO THE EAST-WEST AURORAL ARCS BEFORE ONSET: SIGNATURES OF FIELD-LINE RESONANCES
Annotation
In this study, a scenario of transition to substorm onset based on excitation of field line resonances (FLRs) in the magnetosphere has been verified by conjugate spacecraft and auroral observations. Specifically, we use THEMIS in situ measurements of electric and magnetic fields in the magnetospheric plasma sheet and all-sky auroral observations at Loparskaya observatory of Polar Geophysical Institute in a substorm event on 06.01.2008, UT = 20:30-21:20. It has been shown that the ULF waveforms detected in conjunction with the E-W auroral structures at substorm growth phase exhibit signatures of toroidal FLRs excited by an impulse in the solar wind azimuthal electric field or dynamic pressure.
Key words:
ULF waves, field line resonances, substorm, auroral arcs.
Введение
Среди множества сценариев перехода к взрывной фазе суббури, предложенных к настоящему времени, известен сценарий, основанный на резонансном взаимодействии быстрой (сжимаемой) и поперечной (альфвеновской) мод в плазменном слое хвоста магнитосферы [1], возбуждении магнитных резонансов (field line resonances, FLRs) и их взаимодействии с током хвоста в конце предварительной фазы суббури, приводящем к его ответвлению в ионосферу [2].
Данный сценарий представляет особый интерес в так называемых East-West (E-W) событиях перехода к взрывной фазе суббури, когда все авроральные проявления на предварительной и в начале взрывной фазы, включая уярчения на полярной границе овала сияний, отщепляющиеся от неё и распространяющиеся к экватору авроральные структуры, предбрейкаповую дугу и структуры,
14
отделяющиеся от предбрейкаповой дуги после её уярчения, имеют исключительно East-West топологию. Как известно, структуры именно такой топологии хорошо объясняются в рамках физического механизма FLR [3, 4].
Спутниковые и авроральные наблюдения для суббури 06 января 2008 и их сравнение с теоретическими предсказаниями в модели, основанной на возбуждении магнитных резонансов в плазменном слое хвоста магнитосферы
В настоящей работе для суббури 06 января 2008 г., 20:30-21:20 UT используются сопряженные in situ наблюдения полей и плазмы в плазменном слое хвоста магнитосферы спутниками THC (P2) (-9.8, 1.2, -3.3) RE и 'ГНА (P5) (6.6, 0.8, -2.0) Re (указанные GSM координаты спутников мало менялись в течение события) и авроральные наблюдения на обс. Лопарская Полярног о геофизического института. Исходная и фильтрованная кеограммы, а также характерные all-sky изображения с нанесёнными, согласно Т96, проекциями спутников показаны на рис.1, из которого следует, что начиная примерно с 20:30 UT спутники находились внутри E-W-структур, отделившихся от уярчений вблизи полярной кромки аврорального овала и распространяющихся к экватору.
06.01.2008
20:30 20:40 20:50 21:00 21:10 21:20 UT (hh:mm)
20:34:38 20:39:58 20:44:58
Рис. 1. Сверху вниз: исходная и фильтрованная кеограммы, а также характерные all-sky изображения с нанесёнными, согласно модели магнитного поля Т96, проекциями спутников THC (круги) и 'ГНА (ромбы) для суббури 06.01.2008
15
Нами проверены и подтверждены перечисленные ниже основные положения сценария перехода к взрывной фазе суббури, связанного с формированием FLRs в хвосте магнитосферы. Для определённости сравнение выполняется с теоретическими работами Аллана и др. [5, 6], в которых промоделирован процесс установления FLRs внутри магнитосферы как отклик системы на импульсную вариацию азимутального электрического поля в солнечном ветре.
(а). Перед началом события включается импульсный источник на границе магнитосферы (в нашем случае вблизи полярной границы овала на ночной стороне), связанный с резким изменением межпланетного магнитного поля (ММП), динамического давления или азимутального электрического поля Ey солнечного ветра (см. рис.2, из которого видно, что в период, предшествующий 20:30 UT, имели место вариации импульсного характера во всех трёх компонентах ММП, а также в динамическом давлении и азимутальной компоненте Ey электрического поля солнечного ветра).
Рис.2. Сверху вниз: Bx, By, Bz компоненты ММП, vx компонента скорости, плотность, динамическое давление и азимутальная компонента электрического поля солнечного ветра 06 января 2008 г., 20:00-22:00 UT
(б). Переходный процесс установления FLRs внутри магнитосферы и сопровождающие его волновые формы могут быть схематично представлены, как показано на рис.3а из работы [6], в которой решалась начальная задача для взаимодействующих быстрой и поперечной МГД мод внутри магнитосферы при заданном в t = 0 импульсе Ey на её границе и была получена временная эволюция
16
решений (три нижние панели на рис.За). Из сравнения со спутниковыми наблюдениями (рис.3б) можно видеть сходство волновых форм, регистрируемых спутниками THC и THA, с решениями, полученными в [6], в частности увеличение частоты колебаний с приближением к Земле, являющееся признаком стоячих альфвеновских волн.
а
б
Рис.3. (а) Переходный процесс установления FLRs внутри магнитосферы как отклик на импульсную вариацию азимутального электрического поля Ey солнечного ветра на границе магнитосферы согласно результатам моделирования, выполненного в [6].
Показаны система координат,
вид импульса Ey, заданного в t = 0 на границе магнитосферы, и волновые пакеты (в радиальном электрическом поле Er), развивающиеся со сдвигом по времени на различных радиальных расстояниях внутри магнитосферы;
(б) волновые пакеты, регистрируемые спутниками THC и THA внутри области распространяющихся к экватору E-W структур (показаны вариации магнитного и плазменного давления, связанные со стоячими колебаниями магнитных силовых трубок,
см. также [7])
(в). Как известно, характерные периоды колебаний внутри резонансов обычно составляют 1-10 мин, что совпадает с периодами колебаний, регистрируемых спутниками в рассматриваемом событии. Это видно, например, из вейвлет-спектра флуктуаций плазменного давления, наблюдаемых THC в 20:30-20:45 UT, который показан на рис.4.
17
The real part of Morlet wavelet spectrum of Pplasma measured by THC on 06 Jan 2008
20:30 20:40 20:50 21:00 21:10 21:20 UT
Рис.4. Вейвлет-спектр флуктуаций плазменного давления, наблюдаемых спутником THC в событии суббури 06.01.2008
(г) . Возмущения типа FLRs, возбуждаемых источником в солнечном ветре, являются локализованными в широтном направлении тороидальными стоячими альфвеновскими волнами, т. е. в них доминируют радиальная компонента электрического поля Er (соответственно, азимутальная компонента скорости v9) и азимутальная компонента магнитного поля Вф. Эти признаки имеют место в наблюдаемых возмущениях (рис.5а-в).
(д) . Оптическим проявлением, по которому можно уверенно отождествить FLR, является периодическая перестройка E-W дуг внутри резонанса, которая связана с перераспределением вытекающего из ионосферы продольного тока на разных фазах стоячих колебаний [4], причём период перестройки равен периоду резонансных колебаний. В нашем случае этот признак проявляется как периодические фазовые распространения к полюсу уярчений на кеограмме (рис.1, средняя панель) в интервале UT = 21:01:30-21:07:00, которые повторяются примерно через 2-3 мин. Таким образом, в рассматриваемом событии предбрейкаповая дуга является авроральным проявлением FLR. Заметим также, что значения периодов 2-3 мин лежат внутри полосы частот колебаний, наблюдаемых спутниками THEMIS.
Заключение
Можно сделать вывод, что основные положения сценария суббури, основанного на развитии внутри магнитосферы магнитных резонансов в качестве отклика системы на импульсное воздействие, заданное в качестве граничного условия, подтверждаются сопряженными авроральными и спутниковыми наблюдениями в событии 06 января 2008 г.
18
20:50
в
Рис.5. Возмущения с периодами 60-480 сек поперечных к В0 компонент электрического поля(а), магнитного поля(б), скорости плазмы (в), наблюдаемые спутником THC (Р2) в событии суббури 06.01.2008
а
19
Литература
1. Tamao T. Transmission and coupling resonance of hydromagnetic disturbances in the non-uniform Earth’s magnetosphere // Sci. Rep. Tohoku Univ. Geophys. 1966. Vol. 17. P. 43-72.
2. Lui A. T. Y., Murphree J. S. A substorm model with onset location tied to an auroral arc // Geophys. Res. Lett. 1998. Vol. 25 (8). P. 1269-1272.
3. Samson J. C., Cogger L. L., Pao Q. Observations of field line resonances, auroral arcs, and auroral vortex structures // J. Geophys. Res. 1996. Vol. 101 (A8). P. 17,373-17,383.
4. Samson J. C., Rankin R., Tikhonchuk V. T. Optical signatures of auroral arcs produced by field line resonances: comparison with satellite observations and modeling // Ann.Geo. 2003. Vol. 21. P. 933-945.
5. Allan W., White S. P., Poulter E. M. Magnetospheric coupling of hydromagnetic waves - initial results // Geophys. Res. Lett. 1985. Vol. 12. P. 287.
6. Allan W., White S. P., Poulter E. M. Impulse-excited hydromagnetic cavity and field-line resonances in the magnetosphere // Planet. Space Sci. 1986. Vol. 34(4). P. 371-385.
7. Golovchanskaya I. V., Kornilov I. A., Kornilova T. A. East-west type precursor activity prior to the auroral onset: ground-based and THEMIS observations // J. Geophys. Res. 2015. Vol.120, doi:10.1002/2014JA020081.
Сведения об авторах
Когай Татьяна Герасимовна,
стажер-исследователь, Полярный геофизический институт, г. Апатиты, tan1418@yandex.ru
Головчанская Ирина Владимировна,
д.физ.-мат. н., ученый секретарь, Полярный геофизический институт, г. Апатиты, golovchanskaya@pgia. ru
Корнилов Илья Александрович,
к.физ.-мат. н., старший научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты, kornilov@pgia.ru
Корнилова Татьяна Андреевна,
к.физ.-мат. н., старший научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты, kornilova@pgia.ru
Мельник Михаил Николаевич,
младший научный сотрудник, Полярный геофизический институт, г. Апатиты, melnik@pgia.ru
20
