CC BY
40
УДК 550.383
ВСТРЕЧНОЕ ДВИЖЕНИЕ АВРОРАЛЬНЫХ СТРУКТУР ВО ВРЕМЯ ВЗРЫВНОЙ ФАЗЫ СУББУРИ
Т.А. Корнилова, И.А. Корнилов
Полярный геофизический институт КНЦ РАН
Аннотация
По данным станций авроральной зоны Ловозеро-Лопарская-Туманный и сети канадских all-sky камер наземной поддержки спутников THEMIS, с использованием эффективных методов фильтрации телевизионных изображений, анализируется динамика дрейфующих к экватору северных структур сияний и движущихся на север в это же время ярких авроральных форм суббуревых активизаций на юге. Обнаружен принципиально новый факт прохождения дрейфующих на юг структур северных активизаций через распространяющиеся на север сияния южных активизаций. Эффект проявляется статистически, и отчетливо виден только на фильтрованных кеограммах. Его наличие, возможно, означает, что северные структуры и активные сияния брейкапа на юге имеют принципиально различные источники и вызваны различными физическими механизмами ускорения и высыпания электронов.
Ключевые слова:
суббуря, авроральный овал, авроральный брейкап, динамика сияний, кеограммы.
Введение
Суббуря - комплекс геофизических явлений в разных областях магнитосферы, возникающих в результате взаимодействия возмущенных потоков солнечного ветра с магнитосферой Земли. Развитие суббури характеризуется тремя фазами: подготовительной, взрывной и
восстановительной, которые отчетливо проявляются в полярных сияниях, наблюдающихся в северной и южной высокоширотной атмосфере Земли, в ночном секторе. Во время взрывной фазы происходит быстрое взрывообразное высвобождение большого количества энергии солнечного ветра, поступающей в магнитосферу, и/или уже накопленной в подготовительную фазу суббури. Одна из важных проблем физики магнитосферы - понять, где, как и почему происходит начало взрывной фазы суббури (называемое также фазой брейкапа или просто брейкапом). В ряде работ (например, [1, 2]) была рассмотрена динамика сияний на предварительной фазе суббури, когда авроральное свечение распределено в форме двойного овала с наиболее интенсивным свечением на его полярном и экваториальном краях. Было обнаружено, что во время сильных и/или продолжительных возмущений в около полуночном секторе полярный и экваториальный края овала активизируются почти одновременно вблизи одного меридиана. При этом наблюдается встречное движение авроральных форм южного брейкапа на север и северных активизаций на юг. Северные структуры, дрейфующие от полярной границы аврорального овала к экватору, как предполагается в работах [3, 4 и ссылки в них], могут быть связаны с интенсификациями полярной границы PBIs (Polar Boundary Intensifications) и, как показано в работах [5-7], могут рассматриваться как предвестники брейкапа. Приближаясь к предбрейкаповой дуге, они инициируют начало взрывной фазы суббури. Как известно [8-10], PBIs, а следовательно, и дрейфующие от приполюсной кромки овала к экватору структуры наблюдаются также и после начала брейкапа. Однако вопрос о взаимодействии движущихся навстречу авроральных структур после начала брейкапа, т.е. уже во время развития взрывной фазы суббури, ранее не рассматривался. Данная работа посвящена исследованию этого вопроса. Сияния на приполюсном и экваториальном краях аврорального овала проектируются в разные области магнитосферы, разнесенные в пространстве на несколько земных радиусов, поэтому информация о тонкой структуре и особенностях динамики сияний во время взрывной фазы важна для понимания физических процессов, происходящих в разных областях магнитосферы во время суббури, а следовательно, и для построения модели магнитосферной суббури.
Наблюдения
Для исследования динамики сияний были использованы телевизионные данные, полученные в обсерваториях Полярного геофизического института (ПГИ): Ловозеро (64.22N, 114.6E), Лопарская (64.94N, 113.6E) и Туманный (65.24N, 115.9E), с высоким пространственным и временным разрешением и полем зрения телевизионной камеры ~ 180 о. Различные методы фильтрации, использованные для обработки телевизионных данных, позволили обнаружить авроральные структуры с очень слабой интенсивностью свечения и проанализировать их динамику. Детальное описание телевизионной аппаратуры и процедуры обработки телевизионных данных представлено в работе [6]. Для оценки уровня геомагнитных возмущений рассматриваемых событий были использованы данные по межпланетному магнитному полю и плазме солнечного ветра, а также наземные магнитные наблюдения ПГИ и скандинавской сети магнитометров IMAGE.
Было проанализировано большое количество телевизионных записей полярных сияний и стандартных и фильтрованных кеограмм, когда активизации сияний наблюдались на полярной и экваториальной кромках аврорального овала. Особое внимание было уделено тонкой структуре сияний в пространственно-временной окрестности контакта движущихся навстречу авроральных форм, когда область контакта была расположена вблизи зенита станции наблюдения. Пример взаимодействия движущихся навстречу структур во время аврорального возмущения - 3 января 2003 г. по данным обе. Ловозеро (рис. 1).
19.40 * 20.00 f 20.30* 21.00 (Т
1т 1т гг
10Д -*-0,2 Щк
Рис. 1. Стандартная (а) и фильтрованные (б,в) кеограммы обс. Ловозеро, 3 января 2003 г.
Вертикальная шкала на кеограммах дана в градусах зенитного угла. Направленные вниз стрелки на кеограмме (в) обозначают начала активизаций на севере, направленные вверх стрелки Т0 с индексами
1-3 отмечают начала брейкапов на юге
Представленные на рисунке 1 кеограммы (а-в) построены в направлении север-юг. Кеограмма (в) - та же фильтрованная кеограмма, что и на рисунке 1б, но на ней слабые структуры выделены голубыми линиями для большей наглядности. На кеограммах с 19.55 ЦГ видна приполюсная кромка овала и очень слабые структуры, отделяющиеся от нее и дрейфующие к югу. Вертикальные стрелки
над и под кеограммой (в) указывают начало активизаций в северной и южной частях аврорального овала. Слабые структуры с 19.40 до 19.55 UT в южной части кеограмм не отмечены, так как они относятся к предыдущим активизациям на севере с 18.10 UT, не входящим в интервал кеограмм. Следы северных структур, приближаясь к активизациям сияний на юге, проходят сквозь них, продолжая дрейфовать к экватору. Это характерно как для псевдобрейкапа в 19.50, так и для двух последующих активизаций на юге в 20.20 и 20.34 UT. Особенно наглядно взаимодействие северных и южных сияний видно для интервала времени примерно 20.34-20.42 UT. Северная структура, активизировавшаяся в 20.17 UT, двигаясь к югу, затухает перед встречей с сияниями южного брейкапа (20.33 UT), затем следы ее явно проходят через южный брейкап, образуя в нем слабые характерные возмущения (20.35-20.42 UT). Следует подчеркнуть, что наблюдаемый эффект не является каким-либо паразитным процессом, связанным, например, с туманом или особенностями фильтрации, что специально и тщательно проверялось.
На рисунке 2 показаны магнитограммы станций LYR, SOR, LOZ и OUJ, зарегистрированные скандинавской сетью IMAGE magnetometer network. Горизонтальным отрезком “TV” над Х-компонентой в SOR, обозначен временной интервал кеограмм рисунка 1. Вертикальными стрелками над Х-компонентой SOR и LOZ отмечены моменты, соответствующие активизациям на севере и на юге на кеограммах рисунка 1. Этим активизациям предшествовали значительные магнитные возмущения. Данные по солнечному ветру и межпланетному магнитному полю (на рисунке не показаны) также свидетельствуют о том, что в течение примерно 6 часов до начала суббури в межпланетной среде наблюдались продолжительные осциллирующие возмущения.
LYR (75.12 N)
SOR (67.24 N)
LOZ (64.22 N) OUJ (60.89 N)
12 14 16 18 20 22 00 ИТ
Рис. 2. Магнитограммы станций LYR, SOR, LOZ, ОШ. В скобках указана исправленная геомагнитная широта. Горизонтальным отрезком “ТУ” обозначен интервал, соответствующий кеограммам на рис. 1. Вертикальными стрелками обозначены моменты начала активизаций на севере и на юге,
согласно кеограммам рисунка 1
На рисунке 3 приведены три примера встречных движений авроральных структур. Для каждого из трех событий показаны стандартная и фильтрованная кеограммы. Хотя эти события отличались по интенсивности магнитных возмущений, общими чертами всех событий были: (1) - наличие дрейфующих на юг северных структур в поле зрения телевизионной камеры; (2) - развитие аврорального брейкапа на южной границе аврорального овала с экспансией лучистых авроральных структур на север; (3) - дрейф северных структур на юг до и после начала брейкапа на юге и последующее прохождение северных структур через южные после контакта движущихся навстречу авроральных активизаций. В случае 17.02.2002 г. это наблюдается как во время псевдобрейкапа, начавшегося в 20.17 ЦТ, так и во время следующей за ним суббури с 20.23 ЦТ. Во втором событии 26.03.1998 г. брейкап на юге возник в области диффузной пульсирующей предбрейкаповой дуги. Третье событие 09.02.1997 г. связано с сильными предшествующими магнитными возмущениями, и начало суббури наблюдалось намного южнее, чем в событиях на рисунке 3 а,б.
Рис. 3. Стандартные и фильтрованные кеограммы сияний для трех событий, демонстрирующие прохождение структур северных активизаций через южные. Вертикальными стрелками То обозначены начала брейкапов на юге
Обсуждение
В данной работе проанализировано большое количество ТВ записей полярных сияний и стандартных и фильтрованых кеограмм в периоды суббурь, развивающихся на фоне предыдущих возмущений, когда активизации сияний наблюдались на приполюсной и экваториальной кромках аврорального овала. Особое внимание было уделено тонкой структуре сияний в пространственновременной окрестности контакта авроральных форм, движущихся от приполюсной кромки к экватору, с распространяющимися к полюсу формами сияний южных активизаций, когда область контакта была расположена вблизи зенита станции наблюдений.
Слабые, но вполне различимые следы северных структур, проникающие через активные, распространяющиеся на север авроральные формы брейкапа, - явление не исключительно редкое. Анализ большого количества фильтрованных кеограмм (за период наблюдений 1998-2010 гг.) показывает, что, по-видимому, оно наблюдается всегда, если северные и южные структуры, двигаясь навстречу, достигают друг друга. Однако это явление очень трудно зарегистрировать, т.к. сложная и динамичная картина ярких и быстро перемещающихся сияний брейкапа полностью его маскирует. Эффект практически невозможно обнаружить на отдельных кадрах с сияниями, он проявляется статистически и хорошо виден только на фильтрованных кеограммах.
Во многих работах (например, [3, 4 и ссылки в них]) интенсификации полярной границы интерпретируются как результат
пересоединения магнитных силовых линий в хвосте магнитосферы, сопровождаемого появлением BBFs (bursty bulk flows) на расстояниях 20-30 Re, ионосферным
проявлением которых являются авроральные стримеры, дрейфующие от полярной границы овала к экватору. В работе [11] было показано, что пересоединение - расширяющийся
процесс, наблюдаемый вдоль полярной границы сияний. В той же работе было показано, что энергия частиц в области пересоединения не всегда достаточна, чтобы
обеспечивать наблюдаемые характеристики высыпающихся частиц, т.е. требуются дополнительные механизмы ускорения, чтобы обеспечить интенсивности сияний, наблюдаемые в ионосфере.
Если следовать точке зрения, что и северные структуры сияний, и южные сияния брейкапа вызываются электронами, пришедшими в ионосферу из разных областей магнитосферы, то факт их взаимного проникновения вряд ли вообще возможно объяснить. Соображения вмороженности, т.е. следования электронов силовым линиям магнитного поля, требуют совершенно невозможной топологии последнего. Силовые линии магнитного поля не могут проникать друг через друга без сложных и
динамичных процессов пересоединения, чего явно не происходит, т.к. северные структуры (или их следы) проходят через южные без видимых изменений. Можно предположить, что основная часть электронов, вызывающих сияния брейкапа, вообще не была ускорена в магнитосфере и имеет чисто ионосферное происхождение. Действительно, в работе [12], где анализировались временные задержки появления свечения на разных высотах, было показано, что во время брейкапа электроны ускоряются вблизи ионосферы на высотах 5 тыс. - 10 тыс. км, и сделано предположение, что возможный механизм ускорения ионосферных электронов связан с генерацией сильного продольного электрического поля, возникающего в области ионосферной плазмы с аномальным сопротивлением, вызванным интенсивным продольным током.
Выводы
Проанализирована тонкая структура сияний в области взаимодействия движущихся навстречу активизаций сияний на приполюсной границе и суббуревых активизаций на южной границе аврорального овала в предполуночном секторе. Обнаружен принципиально новый факт: проникновение дрейфующих к экватору северных структур через активные, распространяющиеся на север авроральные формы брейкапа. Этот факт, возможно, означает, что северные структуры и активные сияния брейкапа на юге имеют принципиально различные источники высыпающихся электронов и вызваны различными физическими механизмами ускорения и высыпания электронов.
Авторы благодарны сотрудникам ПГИ за проведение телевизионных и магнитных наблюдений в обсерваториях Ловозеро, Лопарская и Туманный. Авроральные данные канадской сети телевизионных камер и данные по межпланетному магнитному полю и плазме солнечного ветра взяты на сайте http://cdaweb.gsfc.nasa.gov/cdaweb/istp_public/, провайдеры V. Angelopoulos, S. Mende, E. Donovan, J.H. King, N. Papatashvilli, R. Lepping, K. Ogilvie. Магнитные данные скандинавской сети взяты на сайте http://www.ava.fmi.fi/image/jpg.
Работа поддержана РФФИ, гранты 09-05-00818 и 10-05-00247, Программой № VI.15 отделения физических наук РАН, а также частично грантами NORUSKA II of the Research Council of Norway и Nordauropt II of the Nordic Council of Ministers.
ЛИТЕРАТУРА
1. Elphinston R.D., Murphree J.S. et al. The double oval UV auroral distribution 1. Implications for the mapping of auroral arcs / R.D.Elphinston, J.S. Murphree, D.J. Hearn, L.L. Cogger, I. Sandahl, P.T. Newell, D.M. Klumpar, S. Ohtani, J.A. Sauvaud, T.A. Potemra, K. Mursula, A. Wright and M. Shapshik // J. Geophys. Res. 1995. Vol. 100. (A7). P. 1207512092. 2. Lazutin L., Kauristie K. et al. On the relation of auroral activity of the polar boundary arc and the equatorial part of an oval / L. Lazutin, K. Kauristie, T. Kornilova, M. Uspensky // Proc. of the Sixth International Conference on Substorms, University of Washington, USA March 25-29, 2002. P. 151-156. 3. Lyons L.R., Nagai T. et al. Association between Geotail plasma flows and auroral poleward boundary intensifications observed by CANOPUS photometer / L.R. Lyons, T. Nagai, G.T. Blanchard, J.C. Samson, T. Yamamoto, T. Mukai, A. Nishida, S. Kokubun // J. Geophys. Res. 1999. Vol. 104, (A3), P. 4485-4500. 4. Kauristie K., Sergeev V. A. et al. Bursty bulk flow intrusion to the plasma sheet as inferred from auroral observations / K. Kauristie, V.A. Sergeev, O. Amm, M.V. Kubyshkina, J. Jussila, E. Donovan, K. Liou // J. Geophys. Res. 2003. Vol. 108. (A1), 1040, doi:10.1029/2002JA009371. 5. Корнилова Т.А., Корнилов И.А. и др., Структура и динамика авроральных интенсификаций в двойном овале: суббуря 26 декабря 2000 г. / Т.А. Корнилова, И.А. Корнилов, О.И. Корнилов // Геомагнетизм и аэрономия. 2006. Т. 46, № 4. С. 477-484. 6. Kornilova T.A., Kornilov I.A. et al. Fine structure of breakup development inferred from satellite and ground-based observations / T.A. Kornilova, I.A. Kornilov, O.I. Kornilov // Ann. Geophys. 2008. Vol. 26. (5), P. 1141-1148. 7. Nishimura Y., Lyons L. et al. Substorm triggering by new plasma intrusion: THEMIS all-sky imager observations / Y. Nishimura, L. Lyons, S. Zou, V. Angelopoulos, and S. Mende // J. Geophys. Res. 2010. Vol. 115. A07222, doi:10.1029/2009jA015166. 8. Opgenoorth H.J., Persson M.A.L et al. The substorm onset seen with ground-based instrumentation results, problems future possibilities / H.J. Opgenoorth, M.A.L. Persson, A. Olsson // Proc. Third International Conference on Substorms (IcS-3), Versailles, France, 12-17 May 1996, ESA SP-389 (October 1996). 1996. P. 307-314. 9. Voronkov I.O., Donovan E.F., Dobias P., Prosolin V.I., Jankowska M., Samson J.C. Late growth phase and breakup in the Near-Earth plasma sheet, Proc. Of the 7th International Conference on Substorms, Helsinki. 2004. P. 140-147. 10. Akasofu S.-I., Lui A.T.Y et al. Importance of auroral features in the search of substorm onset processes / S.-I. Akasofu, A.T.Y. Lui, C.-I. Meng // J. Geophys. Res. 2010. Vol. 115. A08218, doi:10.1029/2009JA014960. 11. Ostgaard N., Snekvik K. et al. Can magnetotail reconnection produce produce the auroral intensities observed in the conjugate ionosphere? / N. Ostgaard, K. Snekvik, A.L. Borg, A. Asnes, A. Pedersen, M. Oieroset, T. Phan, S.E. Haaland // J. Geophys. Res. 2009. Vol. 114. A06204, doi:10.1029/2009JA014185. 12. И.А. Корнилов Локализация источника высыпающихся электронов в активных дугах во время брейкапа и пульсирующих сияниях // Геомагнетизм и аэрономия. 2009. Т. 49, № 3. C. 365-370.
Сведения об авторах
Корнилова Татьяна Андреевна - к.ф.-м.н, ст. научный сотрудник, e-mail: kornilova@pgia.ru Корнилов Илья Александрович - к.ф.-м.н, ст. научный сотрудник, e-mail: kornilov@pgia.ru
