Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Структура и динамика дневных авроральных высыпаний 17
1.1. Структура дневных авроральных высыпаний 17
1.2. Эмпирические модели авроральных высыпаний 20
1.3 Влияние магнитной активности на характеристики зон авроральных вторжений 24
1.4. Эмпирическая модель суббури в дневных авроральных высыпаниях 29
1.5. Влияние магнитной активности на распределение зон авроральных вторжений в процессе развития суббури 45
ГЛАВА 2. Дневные авроральные и геомагнитные пульсации в высоких широтах 50
2.1. Авроральные пульсации и условия их наблюдения 51
2.2. Морфологические характеристики дневных авроральных и геомагнитных пульсаций 54
2.3. Магнитная активность и параметры межпланетной среды 58
2.4. Область регистрации пульсирующих сияний и геомагнитных пульсаций.. 62
2.5. Пульсирующие сияния и структура аврорального свечения 69
2.6. Положение пульсирующих сияний в структуре областей высыпающихся частиц дневного сектора 76
2.7. Положение пульсирующих сияний в структуре областей захваченных частиц дневного сектора 84
2.8. Механизмы генерации пульсаций 86
ГЛАВА 3. Импульсные проявления активности дневных геомагнитных пульсаций .. 92
3.1. Вспышки активности геомагнитных пульсаций и их связь с дневными сияниями 93
3.2. Спектральные характеристики пульсаций свечения дневных дуг сияний 103
3.3. Дневные геомагнитные пульсации, связанные с движущимися ионосферными вихрями 108
3.4. Проявление событий FTE в дневных геомагнитных пульсациях 119
3.4.1. Магнитные пульсации 2 декабря 1991 г 120
3.4.2. Магнитные пульсации 12 января 1992 г. 124
3.5. Особенности генерации пульсаций в периоды DPI и FTE 129
3.5.1. Пульсации в диапазоне периодов Рс 1 -2 130
3.5.2. Пульсации в диапазоне периодов РсЗ-4 132
3.6. Усиление мощности геомагнитных пульсаций в периоды начала магнитосферных суббурь 136
Заключение 149
Список опубликованных работ автора по теме диссертации 152
Список использованных источников
- Эмпирические модели авроральных высыпаний
- Магнитная активность и параметры межпланетной среды
- Положение пульсирующих сияний в структуре областей захваченных частиц дневного сектора
- Дневные геомагнитные пульсации, связанные с движущимися ионосферными вихрями
Введение к работе
В диссертации представлены результаты исследований характеристик дневных электронных высыпаний, а также спектральные и морфологические характеристики высокоширотных пульсирующих сияний и геомагнитных пульсаций и положение области их генерации в структуре авроральных высыпаний дневного сектора. Исследования характеристик авроральных вторжений проводились по данным низковысотных спутников с полярной орбитой DMSP и NOAA. Авроральные и геомагнитные пульсации регистрировались на высокоширотных обсерваториях Баренцбург (арх. Шпицберген, Ф'=74.4, MLT=UT+2.5) и о. Хейса (арх. Земля Франца - Иосифа, Ф'=74.5, MLT=UT+3.5).
Актуальность проблемы. Геомагнитное поле Земли непрерывно испытывает изменения в результате взаимодействия с плазмой солнечного ветра. Усиление или ослабление солнечного ветра, изменение его структуры отражаются в перестройке системы магнитосферной конвекции и самой магнитосферы в целом. Всякая перестройка магнитосферы приводит к развитию в ней динамических процессов, которые существенным образом отражаются в поведении целого комплекса геофизических явлений, регистрируемых на земной поверхности и в околоземном космическом пространстве. В дневные часы проекция овала сияний вдоль геомагнитных силовых линий с большой точностью совпадает с границей магнитосферы. Основные процессы передачи энергии из переходного слоя в систему магнитосфера-ионосфера, изучение которых является одной из фундаментальных проблем современной геофизики, протекают на дневной магнитопаузе и в пограничных слоях магнитосферы. Полярный касп и низкоширотный граничный слой рассматриваются как основные области, где происходит проникновение плазмы переходного слоя в магнитосферу. В этой связи крайне важным и актуальным представляются наблюдения в высокоширотной области. Регистрируемые здесь высыпания частиц происходят в районе границы между разомкнутыми и замкнутыми силовыми линиями геомагнитного поля и связаны как с различными типами сияний и авроральных высыпаний, так и с генерацией авроральных и геомагнитных пульсаций. Информацию о положении границ высыпаний с различными характеристиками можно получить с помощью
5 как наземных наблюдений за полярными сияниями, так и непосредственно по данным спутниковых измерений. Такой комплексный подход дает представление о структуре, динамике и физических процессах в магнитосфере Земли.
Особый интерес и актуальность представляют исследования характеристик дневных полярных сияний, структуры авроральных вторжений, динамики и энергетики вторгающихся частиц. Работы по изучению поведения дневных сияний были начаты ещё в середине шестидесятых годов прошлого столетия Я.И. Фельдштейном и Г.В. Старковым. Позже Фельдштейном Я.И. и Гальпериным Ю.И. была предложена новая терминология для обозначения областей высыпаний с различными характеристиками для ночной стороны Земли, которая в последние годы получила дальнейшее развитие в трудах российских ученых для дневной высокоширотной области.
Изучением высокоширотных авроральных и геомагнитных пульсаций занималась большая группа российских ученых (В.А. Троицкая, О.М. Распопов, В.К. Ролдугин, С.А. Черноус, Н.Г. Клейменова, О.В. Большакова и др.). Результаты их исследований внесли существенный вклад в изучение природы пульсаций и дали определенный импульс развитию геофизических исследований в высокоширотной области.
Актуальность исследований подтверждается многочисленными
публикациями, в которых проводятся сопоставления яркостных характеристик свечения со структурой высыпающихся частиц и геомагнитной активностью, исследуются положения границ высыпаний от параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля. На основе полученных данных разработан целый ряд эмпирических моделей с определенными достоинствами и недостатками. Однако пока еще нет окончательной ясности в вопросе о связи различных типов авроральных высыпаний со структурой плазменных доменов в магнитосфере. Все эти вопросы требуют комплексного подхода в исследовании геофизических явлений, таких как полярные сияния, вариации геомагнитного поля, авроральные и геомагнитные пульсации и т.д.
Генерация пульсаций связана с развитием неустойчивостей магнитосферной плазмы и плазмы солнечного ветра, а также с возбуждением резонансных процессов внутри магнитосферы. Это означает, что пульсации могут возбуждаться
как в солнечном ветре и в пограничных слоях дневной магнитосферы, так и внутри магнитосферы и в ионосфере и регистрироваться как в спокойные, так и в возмущенные периоды. Кратковременные, регистрируемые на Земле, вспышки активности авроральных и геомагнитных пульсаций могут быть индикаторами резких изменений параметров межпланетной среды.
Генерируясь в различных областях магнитосферно-ионосферной системы, пульсации переносят на поверхность Земли информацию о физических процессах как в области генерации, так и на пути их распространения к земной поверхности, и что весьма актуально, информация о поведении пульсаций может служить дополнительным инструментом для диагностики состояния магнитосферы и, возможно, для мониторинга передачи в магнитосферу энергии солнечного ветра.
Цели и задачи работы. Цель работы состоит в экспериментальном исследовании спектральных и морфологических характеристик дневных авроральных и геомагнитных пульсаций и определении области их генерации в структуре авроральных высыпаний дневного сектора.
В соответствии с основной целью работы ставились следующие задачи:
1. Провести статистическое исследование положения границ различных типов
авроральных вторжений в дневном секторе, исследовать их динамику и вариации
потоков высыпающихся электронов в зависимости от уровня геомагнитной
активности.
2. Создать эмпирическую модель магнитосферной суббури в авроральных
высыпаниях дневного сектора.
3. Исследовать спектральные и морфологические характеристики авроральных
пульсаций и пульсаций геомагнитного поля в дневной высокоширотной области в
их взаимосвязи с различными геофизическими явлениями и характеристиками
межпланетной среды.
Научная новизна диссертационной работы.
Проведено статистическое исследование положения границ плазменных вторжений в дневном секторе, исследована динамика областей и величины потоков высыпающихся электронов, впервые создана модель зависимости положения границ различных типов авроральных вторжений от уровня авроральной активности и фазы магнитосферных возмущений.
Впервые построена эмпирическая модель авроральных высыпаний в дневном секторе (06-18 MLT) в периоды магнитосферных суббурь. Модель включает в себя динамику границ различных типов авроральных высыпаний, а также изменение средней энергии и потоков энергии высыпающихся электронов в периоды всех фаз суббури. Перед самым началом суббури обнаружено одновременное уменьшение энергии и потоков энергии высыпающихся электронов в зонах АОР и DAZ.
Впервые показано, что длиннопериодные (3-5 мин) вариации свечения обусловлены пульсирующим расширением к полюсу области жестких электронных высыпаний, положение приполюсной границы которых испытывает более высокочастотные (10-50с) вариации. Обнаружено, что такие пульсации генерируются в магнитосфере на замкнутых силовых линиях геомагнитного поля предположительно около внешней границы радиационного пояса. Анализ возможных механизмов генерации пульсаций показал, что длиннопериодные вариации могут быть связаны с развитием перестановочной (или желобковой) неустойчивости, в то время как механизм генерации более высокочастотных вариаций остается пока неизвестным.
Впервые показана связь вспышечных проявлений активности дневных геомагнитных пульсаций с резкими увеличениями яркости лучистых дуг сияний и выделен особый тип авроральных пульсаций, обусловленных вариациями интенсивности этих дуг.
Впервые определены особенности спектральных и морфологических характеристик пульсаций, регистрируемых в периоды взаимодействия магнитосферы с импульсами динамического давления солнечного ветра и появлением случаев импульсного пересоединения на дневной магнитопаузе.
Впервые показано влияние начала фазы развития магнитосферных суббурь (Т=0) на характеристики дневных геомагнитных пульсаций.
Достоверность полученных в работе результатов определяется большим массивом используемых в работе данных. Для исследования структуры дневных высыпаний и влияния магнитной активности на глобальное распределение зон авроральных вторжений нами была создана база данных спутников DMSP F6 и F7. Эта база данных содержит более 30 000 пролетов со стандартными значениями положения границ авроральных вторжений различных типов и характеристиками
8 высыпающихся частиц (средние и максимальные потоки и энергии). Кроме стандартных значений, база данных для каждого пролета спутника через зону высыпаний содержит сведения о параметрах плазмы солнечного ветра и межпланетного магнитного поля (ММП), значения индексов магнитной активности (АЕ, AL, AU, Dst) и фазы магнитосферной суббури, в период которых проводились измерения. Такая база данных не имеет мировых аналогов и позволяет исследовать основные характеристики, динамику и энергетику высыпаний из различных магнитосферных доменов не только в зависимости от уровня геомагнитной активности, но и от фазы магнитосферных возмущений. Для дневного сектора (06-18 MLT) использовано более 15 000 пересечений авроральной области.
Массив данных о характеристиках дневных авроральных и геомагнитных пульсаций является самым большим в мире и не имеет аналогов по многим параметрам.
Полученная в результате исследований картина распределения дневных авроральных высыпаний в зависимости от уровня магнитной активности, а также картина развития пульсаций, их характеристики и положение области генерации в структуре авроральных высыпаний дневного сектора апробированы в научных публикациях как в нашей стране, так и за рубежом, а также докладывались и обсуждались на многочисленных отечественных и зарубежных семинарах и конференциях: Ежегодный Апатитский семинар «Физика авроральных явлений» (Апатиты 1996, 1997, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004); Stara Zagora Airglow Seminar (Bulgaria, 1989); Annual European Meeting on Atmospheric Studies by Optical Methods (Norway, 1991; Russia, 1993; Germany, 1999); International Conference on Substorm (Sweden, 1992); 1st International Meeting Workshop "Magnetic reconnection at the magnetopause and auroral dynamics" (Apatity, Russia 1995); International Conference on Problems of Geocosmos (St.-Petersburg, Russia, 1998, 2000, 2002, 2004); International Conference on Substorm-5 (St. Petersburg, Russia, 2000); COSPAR-ESA Colloquium "Acceleration and heating in the Magnetosphere" (Poland, 2001); International Symposium in memory of Professor Yuri Galperin "Auroral Phenomena and Solar-Terrestrial Relations" (Moscow, 2003); International Conference on Substorm-7 (Levi, Finland, 2004).
Выводы работ согласуются с современными физическими представлениями о возможной природе исследуемых явлений и подтверждены работами других авторов.
Научная и практическая значимость работы состоит в решении целого ряда задач, связанных с проблемой проникновения частиц солнечного ветра в магнитосферу Земли, которая является одной из важнейших в физике магнитосферы. Созданная база данных спутников DMSP F6 и F7 не имеет мировых аналогов и позволяет исследовать основные характеристики, динамику и энергетику высыпаний из различных магнитосферных доменов не только в зависимости от уровня геомагнитной активности, но и от фазы магнитосферных возмущений.
Полученные в процессе исследования знания о положении границ областей плазменных вторжений и характеристиках высыпающихся в этих областях частиц дают возможность связать области авроральных вторжений, регистрируемые спутниками на высотах ионосферы, с магнитосферными доменами, т.е. связать плазменные высыпания с крупномасштабной структурой магнитосферы.
Созданная эмпирическая модель суббури в авроральных высыпаниях, полученные аналитические выражения положения границ областей высыпаний в зависимости от величины AL и Dst индексов дают возможность практического использования модели для оценки положения и характеристик высыпаний в определенных геофизических ситуациях.
Новые знания о положении областей и механизмов генерации дневных авроральных и геомагнитных пульсаций могут служить дополнительным инструментом для мониторинга передачи энергии в системе солнечный ветер-магнитосфера-ионосфера.
Полученные в диссертации новые экспериментальные результаты могут стать предметом дальнейших теоретических исследований в таких областях геофизики как изучение механизмов передачи энергии солнечного ветра в магнитосферу Земли, процессов взаимодействия в системе солнечный ветер — магнитосфера -ионосфера, механизмов генерации авроральных и геомагнитных пульсаций.
10 На защиту выносятся:
Динамика различных зон авроральных вторжений и энергетические характеристики высыпающихся частиц в зависимости от уровня геомагнитной активности.
Эмпирическая модель магнитосферной суббури в авроральных высыпаниях дневного сектора.
Спектральные и морфологические характеристики дневных авроральных пульсаций, их место в структуре авроральных высыпаний и положение области источника генерации.
Особенности импульсных проявлений активности дневных высокоширотных пульсаций, связанные с импульсами динамического давления солнечного ветра, с процессами спорадического пересоединения на дневной магнитопаузе и с началом фазы развития магнитосферной суббури.
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в постановке задач, обработке экспериментальных данных и составлении компьютерных программ. Выводы диссертационной работы получены в результате анализа данных спутников DMSP и наблюдений, проведенных на архипелагах Шпицберген и Земля Франца-Иосифа экспедициями Полярного геофизического института, в ряде которых автор принимал участие. Основные результаты диссертации получены автором лично, либо при его непосредственном участии.
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.
Во введении дана общая характеристика работы; обоснована актуальность проблемы, цель работы и задачи проводимых исследований; приведены основные положения, выносимые на защиту; кратко изложены полученные новые результаты, их научная и практическая значимость; степень личного участия автора в получении основных результатов; апробация работа и краткое содержание диссертации.
В первой главе работы представлены результаты исследования структуры и динамики дневных авроральных высыпаний и влияние магнитной активности на распределение зон авроральных вторжений дневного сектора. Дано описание
структуры дневных авроральных высыпаний из различных плазменных доменов и возможные механизмы передачи энергии солнечного ветра в магнитосферу Земли. Представлен краткий обзор существующих в настоящее время эмпирических моделей зависимости положения границ авроральных высыпаний от геомагнитной активности [Spiro et al., 1982; Hardy et al., 1985; McDiarmid et al., 1975; Sotirelis and Newell, 2000]. Приводятся их достоинства и недостатки.
На основе базы данных спутников DMSP F6 и F7 исследовано пространственное распределение различных зон авроральных вторжений в зависимости от уровня геомагнитной активности, выраженной AL-индексом. Для обозначения областей высыпаний с различными характеристиками использована терминология, основанная на сопоставлении границ электронных вторжений с особенностями планетарного распределения аврорального свечения [Старков и др., 2002]. Согласно этой терминологии, были выделены три области высыпаний: (а) диффузная авроральная зона (Diffuse Auroral Zone, DAZ), (б) область высыпаний аврорального овала (Auroral Oval Precipitation, AOP), (в) пояс мягких диффузных высыпаний (Soft Diffuse Precipitation, SDP). Во всех 3-х часовых MLT секторах определены положения границ зон высыпаний и основные характеристики высыпающихся частиц (средние энергии и потоки энергии) в зависимости от уровня магнитной активности.
Создана эмпирическая модель суббури в авроральных высыпаниях для среднестатистической суббури интенсивностью около -400 нТл в Н компоненте магнитного поля. Модель включает в себя динамику границ различных типов авроральных высыпаний, а также изменение средней энергии и потоков энергии высыпающихся электронов в периоды всех фаз суббури. Показано, что экваториальное смещение границ различных типов высыпаний хорошо коррелирует с величиной магнитного возмущения. Перед самым началом суббури обнаружено одновременное уменьшение энергии и потоков энергии высыпающихся электронов в зонах АОР и DAZ. Показано, что на Земле в процессе развития суббури наземная аппаратура на обсерваториях о. Хейса и Баренцбурга может регистрировать геофизические явления, вызванные высыпаниями из разных структурных образований АОР, DAZ, SDP.
Получены аналитические выражения, связывающие характеристики высыпаний с величиной AL и Dst индексов. Аналитические выражения использованы для построения планетарной картины распределения зон авроральных вторжений при разном уровне магнитной активности, выраженном величиной AL и Dst индексов. Проведен анализ планетарного распределения, который показывает, что на дневной стороне Земли DAZ является наиболее широкой областью авроральных высыпаний. В дневном секторе обнаружен разрыв между зонами высыпаний АОР и DAZ, ширина которого увеличивается с ростом величины Dst вариации.
Вторая глава посвящена изучению характеристик авроральных и сопутствующих им геомагнитных пульсаций. Пульсации регистрировались с помощью фотометрической аппаратуры на обсерваториях о. Хейса (ЗФИ) и Баренцбурга (арх. Шпицберген). В качестве основного средства регистрации авроральных пульсаций использовался комплект узкоугольных фотометров, снабженных интерференционными фильтрами на основные авроральные эмиссии (427.8 нм, 557.7 нм и 630.0 нм). Регистрация сигнала производилась как в аналоговой форме на самописец, так и в цифровом виде на магнитном носителе. Чувствительность фотометров в разные годы несколько менялась и составляла 50-70 R в зеленой линии.
Интенсивность аврорального свечения в магнитном зените контролировалась с помощью спектрофотометрической установки (СФУ) с высоким спектральным разрешением и чувствительностью. Авроральная ситуация в периоды регистрации АП определялась по данным фотографической камеры всего неба (С-180), телевизионной (ТВ) камеры всего неба и сканирующего фотометра (ФСК).
Для исследования положения пульсирующих сияний в структуре областей высыпающихся частиц дневного сектора использовались данные спутника DMSP F7 во время его пролета над зоной пульсирующих сияний. Траектория спутника проходила примерно вдоль геомагнитного меридиана и пространственно близко совпадала с меридиональным разрезом, контролируемым сканирующим фотометром (ФСК).
Изучены основные морфологические характеристики дневных высокоширотных пульсирующих сияний и определено место их генерации в
13 структуре авроральных высыпаний дневного сектора. Проанализирован уровень магнитной активности и состояние межпланетной среды в периоды регистрации пульсаций. Показано, что с наибольшей вероятностью пульсации наблюдаются в предполуденном секторе в интервале 08-11 MLT на широтах 74-75 CGL в области высыпания относительно жестких электронов в спокойные периоды при IАЕ | <100 нТл.
Выделено два типа пульсирующих сияний с различными морфологическими характеристиками и определена область генерации пульсаций в структуре высыпаний дневного сектора. Пульсации первого типа представляют собой простые серии иррегулярных увеличений интенсивности свечения. Пульсации второго типа более распространены и представляют собой колебания уровня интенсивности светового потока с квазипериодом 10-50с, часто промодулированные более длиннопериодными (3-5 мин) вариациями, которые формируется в результате импульсного расширения к полюсу экваториальной зоны жестких высыпаний. Источники обоих типов пульсаций располагаются к экватору от полосы дневного красного свечения, внутри которой отношение интенсивностей 1630(/15577^ в области «провала интенсивности» (разрыв в высыпаниях между областями АОР и DAZ).
Показано, что источник в upstream foreshock region не является существенным для генерации исследуемых пульсаций и что генерация пульсаций не связана с появлением высокоскоростных потоков солнечного ветра и потоков с большой плотностью плазмы. По результатам одновременных наземно-спутниковых наблюдений обнаружено, что пульсации генерируются в магнитосфере на замкнутых силовых линиях геомагнитного поля около внешней границы радиационного пояса.
На основании полученных экспериментальных материалов проведен анализ известных из научной литературы механизмов генерации пульсаций, который показывает необходимость новых теоретических усилий в этой области.
В третьей главе представлены результаты исследования импульсных проявлений активности дневных пульсаций. Исследованы пульсации в диапазонах периодов Pel-2 и РсЗ-4, их спектральные и морфологические характеристики.
14 Рассмотрены вспышечные проявления активности авроральных и геомагнитных пульсаций, связанных с дискретными формами дневных сияний.
Показано, что вспышки активности пульсаций наблюдаются в области мягких электронных высыпаний дневного сектора. Геомагнитные пульсации в диапазоне периодов 1-10 с регистрируются, как правило, в начальный период формирования ярких дискретных дуг сияний и/или в период резкого увеличения их интенсивности и достаточно хорошо коррелируют с пульсациями яркости дискретных форм сияний. Обнаружено, что пульсации свечения с периодами около 15 с регистрируются в большинстве двигающихся к полюсу лучистых дугах сияний. В то же самое время спектр геомагнитных пульсаций может быть более широким и иметь несколько максимумов. Авроральные пульсации в диапазоне периодов 4-10 с связаны с появлением кратковременных интенсификации лучистых дуг сияний. Пульсации этого типа хорошо коррелируют с вариациями геомагнитного поля в том же частотном диапазоне.
Исследованы спектральные характеристики геомагнитных пульсаций в диапазоне периодов 5-100 с, наблюдаемые во время регистрации высокоширотных магнитных импульсов. В процессе исследования найдены следующие особенности пульсаций, наблюдаемых в области дневного красного свечения: (1) магнитные импульсы сопровождаются кратковременным, длительностью 10-15 мин, увеличением мощности геомагнитных пульсаций в Н- и D-компонентах геомагнитного поля; (2) среднее спектральное распределение пульсаций имеет широкий максимум в диапазоне периодов 10-60 с, однако, в индивидуальных событиях в этом диапазоне регистрируется несколько узких спектральных пиков; (3), увеличение мощности геомагнитных пульсаций с периодами 10-25 с наблюдается в течение 10-15 мин и связано с появлением движущихся ионосферных вихрей и электронных высыпаний, ответственных за дневные пульсирующие дискретные сияния; (4) мощность геомагнитных пульсаций с периодом ~40с увеличивается при прохождении двойного токового вихря в зените станции, а изменения режима пульсаций в Я- и /^-компонентах поля хорошо согласуются со структурой ионосферного возмущения.
Исследованы спектральные и морфологические характеристики магнитных пульсаций с периодами 5-100 с, зарегистрированные во время наблюдений в
15 дневных полярных сияниях специфических явлений, которые могли быть обусловлены FTE. Рассмотрено семь случаев FTE, опубликованных в [Sandholt et al., 1993a,b]. Случаи спорадических пересоединений идентифицированы в этих работах по результатам оптических наблюдений полярных сияний на обсерватории Нью-Алесунд, которая располагается примерно на 1.3 к полюсу от Баренцбурга. В процессе изучения спектральных и морфологических характеристик дневных геомагнитных пульсаций, наблюдаемых в периоды FTE, обнаружены новые закономерности. В исследуемые периоды наблюдаются кратковременные увеличения мощности пульсаций в Н- и D-компонентах геомагнитного поля, совпадающие по времени с появлением двигающихся к полюсу дискретных форм дневных сияний. Спектры геомагнитных пульсаций имеют характерные максимумы в диапазонах периодов 4-8 с (Pel-2) и 30-60 с (РсЗ-4). Пульсации диапазона Pel-2 наблюдаются в виде всплесков с амплитудой -0.1-0.2 нТл и длительностью ~2-5 мин. Одновременно отмечается увеличение амплитуды пульсаций диапазона РсЗ-4, перманентно регистрируемых в дневной высокоширотной области. Проведен сравнительный анализ особенностей генерации пульсаций в периоды FTE и DPI.
Для изучения спектральных и морфологических характеристик дневных геомагнитных пульсаций в период начала магнитосферных суббурь использовались результаты дневных наблюдений на обсерватории Баренцбург и одновременные наблюдения в полуночном секторе авроральной зоны на канадской сети станций CANOPUS. Моменты начала взрывной фазы суббури (Т0) были определены по наблюдениям на меридиональных сканирующих фотометрах (MSP) и магнитометрах канадской цепочки станций CANOPUS с точностью ±2 мин.
Исследовались характеристики геомагнитных пульсаций с периодами 3-100 с в течение 10-ти магнитосферных суббурь. Обнаружено усиление мощности геомагнитных пульсаций в диапазонах периодов 3-8 с и 30-80 с в начале магнитосферных суббурь и уменьшение мощности 30-80с пульсаций примерно за 5-10 мин перед Т0 . Предложен возможный сценарий развития явлений в период начала суббури. Показана существенная роль полярной ионосферы в механизме генерации пульсаций.
Результаты, составившие основу диссертации, опубликованы в 18 научных работах, из них 11 - в реферируемых журналах (Геомагнетизм и аэрономия-5, Planet. Space Sci. - 2, JGR - 3, Ann. Geophys. -1) и 7 - в сборниках результатов международных конференций.
Работы, выполненные по теме диссертации, были поддержаны грантами РФФИ 94-05-16273а, 96-05-64222, 99-05-65117, 02-05-64807 и Отделением физических наук РАН (программа ОФН-18).
Хочу выразить особую благодарность руководителю диссертации Воробьеву Вячеславу Георгиевичу за помощь в постановке задачи, постоянный интерес к работе, моральную поддержку, за полезные советы и рекомендации.
Выражаю свою благодарность всем коллегам, с которыми выполнялись научные исследования - Фельдштейну Я.И., Старкову Г.В., Леонтьеву СВ., Реженову Б.В., Звереву В.Л.
Хочу поблагодарить коллег, проявивших интерес к представляемой диссертации и давших полезные советы в процессе ее подготовки - Ролдугину В.К., Черноусу С.А., Яхнину А.Г., Старкову Г.В.
Выражаю искреннюю благодарность сотрудникам ПГИ, коллегам по экспедициям, принимавшим активное участие в проведении исследований на архипелагах Шпицберген и Земля Франца-Иосифа: Жернакову Н.Ф., Капитонову Н.Н., Короткову В.Г., Тотуновой Г.Ф., Пигину Е.В., Галахову В.А., Федоренко Ю.В., Колошину В., Тагирову В.Р., а также Богданову Н.Н. за помощь в создании калибровочной установки.
Эмпирические модели авроральных высыпаний
Для исследования структуры дневных высыпаний и влияния магнитной активности на глобальное распределение зон авроральных вторжений была создана база данных спутников DMSP F6 и F7 за полный 1986 год. Эта база данных (более 30000 пролетов), кроме стандартных значений положения границ авроральных высыпаний и характеристик высыпающихся частиц (средние и максимальные потоки и энергии), содержит сведения о параметрах плазмы солнечного ветра и межпланетного магнитного поля (ММП), а также значения индексов магнитной активности (АЕ, AL, AU, Dst) и фазы магнитосферной суббури, в период которых проводились измерения. Такая база данных не имеет мировых аналогов и позволяет исследовать основные характеристики, динамику и энергетику высыпаний из различных магнитосферных доменов не только в зависимости от уровня геомагнитной активности, но и от фазы магнитосферных возмущений. Для дневного сектора (06-18 MLT) использовано более 15 000 пересечений авроральной области и создана модель электронных высыпаний в зависимости от уровня магнитной активности и фаз магнитосферной суббури.
Изучение планетарной динамики различных областей авроральных высыпаний в зависимости от уровня магнитной активности и сопоставление этих данных с положением областей аврорального свечения, авроральных и геомагнитных пульсаций представляет большой интерес, так как позволяет выяснить характер физических процессов в верхней атмосфере и сопоставить эти результаты с плазменной структурой магнитосферы. Однако при построении планетарного распределения областей высыпаний возникают определенные трудности, связанные с использованием в литературе различной терминологии, применяемой для обозначения характерных структур на ночной и дневной сторонах Земли.
Распределение различных областей плазменных вторжений на дневной стороне исследовалось в работах [Newell, Meng, 1992; Newell, Meng, 1994]. В этих работах для обозначения различных типов авроральных вторжений использованы обозначения магнитосферных доменов (CPS, BPS, LLBL и т.д.), что часто вносит путаницу и разногласия в понимание результатов многих исследований из-за существенных различий в представлении о структуре магнитосферы разными авторами. С другой стороны, в [Newell et al., 1996] для ночной стороны предложена терминология, основанная на отождествлении границ различных типов авроральных вторжений (Ые, Ь2і, Ь2е,...Ь6е), которая и характеризует тонкую структуру высыпаний в ночном секторе. Таким образом, обозначения областей авроральных высыпаний, полученные по наблюдениям одних и тех же спутников для ночной и дневной стороны, фактически не согласуются друг с другом.
В связи с этим, в работе [Старков и др., 2002] была предложена единая для ночной и дневной сторон Земли терминология, основанная на сопоставлении границ электронных вторжений с особенностями планетарного распределения аврорального свечения. Были выделены три области высыпаний: (а) диффузная авроральная зона (Diffuse Auroral Zone, DAZ), представляющая собой пояс диффузных высыпаний, расположенный экваториальнее овала и совпадающий с зоной диффузного аврорального свечения; (б) высыпания аврорального овала (Auroral Oval Precipitation, АОР), связанные со структурированными высыпаниями и пространственно совпадающие со статистическим овалом дискретных форм; (в) пояс мягких диффузных высыпаний (Soft Diffuse Precipitation, SDP), окаймляющий овал сияний с приполюсной стороны.
Экваториальной границей области DAZ является граница Ые на ночной стороне и экваториальная граница высыпаний типа CPS на дневной. Полюсной границей этой области на ночной стороне является граница Ь2е, а на дневной -полюсная граница CPS высыпаний.
Экваториальная граница области АОР на ночной стороне совпадает с границей Ь2е, то есть с полюсной границей области DAZ, а на дневной стороне с экваториальной границей высыпаний типа BPS. Полюсной границей области АОР на ночной стороне является граница Ь5е, а на дневной - полюсная граница BPS высыпаний.
Экваториальная граница полосы высокоширотного мягкого свечения SDP примыкает к полюсной границе АОР. Полюсная граница SDP на ночной стороне совпадает с границей Ь6, которую обычно отождествляют с границей полярной шапки, а на дневной с полюсной границей мягких высыпаний типа LLBL.
Как было отмечено выше, используемая в наших исследованиях база данных спутников DMSP дает возможность проследить динамику и энергетические характеристики высыпаний из различных магнитосферных доменов в зависимости от уровня геомагнитной активности. На основе этих данных создана эмпирическая модель, которая позволяет определять положения границ различных типов высыпаний и их основные характеристики (средние энергии и потоки энергии) во всех 3-х часовых секторах MLT в зависимости от величины магнитного возмущения в авроральной зоне. Исследование взаимного расположения границ различных областей авроральных вторжений и их изменений в зависимости от уровня магнитной активности позволяет проводить их сопоставление как с планетарным распределением различных типов аврорального свечения, так и связать плазменные высыпания с крупномасштабной структурой магнитосферы. Пользуясь такими моделями, можно проводить более детальные исследования регистрируемых на Земле геомагнитных явлений и определять положение области их генерации, что чрезвычайно актуально для исследования авроральных и геомагнитных пульсаций.
В настоящее время существует несколько эмпирических моделей авроральных высыпаний в зависимости от уровня геомагнитной активности [McDiarmid et al., 1975, Spiro et al., 1982; Hardy et al., 1985; Sotirelis and Newell, 2000]. Так, в работе [McDiarmid et al., 1975] сконструирована модель, которая использует данные 1100 пролетов спутника Isis 2 на высотах около 1400 км. В качестве уровня магнитной активности авторы использовали значения 3-х часовых Кр индексов. Данные усреднялись на сетке с размерами 1 по широте и 2 часа по MLT. Для нескольких уровней Кр индекса были созданы картины планетарного распределения средней энергии и потоков энергии высыпающихся электронов.
Магнитная активность и параметры межпланетной среды
Здесь же на рис. 2.16 показан еще один пример записи пульсаций второго типа, амплитуда которых модулирована более длиннопериодными вариациями. Запись произведена на о. Хейса 17 декабря 1985 г. в интервале времени 04:50-05:05 UT (сектор 09-12 MLT, АЕ-30 нТл) с помощью зенитного (панель 1) и наклонного (панель 2) фотометров. Из рисунка видно, что короткопериодные вариации интенсивности свечения регистрировались только зенитным фотометром, в то время как наклонный фотометр регистрировал более длиннопериодную огибающую пульсаций. Спектр пульсирующих сияний (рис. 2.16, панель 3) содержит целый ряд гармоник со значительным увеличением мощности на низких частотах. Спектральный анализ 19 событий показывает, что мощная низкочастотная компонента имеет период 2-5 мин.
Спектральное разложение геомагнитных пульсации, приведенное на рис. 2.16 (панели 3, 4), демонстрирует подобие их спектра в каналах ВЧ и НЧ спектру авроральных пульсаций. Анализ статистического материала подтверждает этот вывод для обоих типов пульсирующих сияний. Однако в некоторых случаях спектр магнитных пульсаций содержит гармоники, отсутствующие в пульсирующих сияниях, а аналоговые записи геомагнитного поля содержат вариации, которых нет в свечении. Это, естественным образом, объясняется тем, что «поле зрения» магнитометрической аппаратуры существенно больше, чем фотометрической.
За два сезона 1985 и 1986 гг. в [Yagodkina et al., 1990] по наблюдениям на о. Хейса проведен анализ типа геомагнитных пульсаций, наблюдаемых в дневном секторе, и их соотношения с пульсациями полярных сияний. Записи геомагнитного поля в каждом получасовом интервале были разбиты на несколько групп: пульсации отсутствуют; иррегулярные пульсации с периодом 10-50 с, регулярные пульсации и пульсации смешанного типа. Анализ данных показал, что иррегулярные пульсации Pil являются доминирующим режимом осцилляции геомагнитного поля в дневном секторе. Этот результат в значительной мере совпадает с выводом работы [Большакова и др., 1987] о том, что пульсации Pile являются характерным колебательным режимом на широтах дневного полярного каспа. На рис. 2.2 сплошной линией показано распределение вероятности появления геомагнитных пульсаций (Pil) по местному геомагнитному времени. Как видно из рисунка, вероятность наблюдения пульсаций поля на широтах о. Хейса увеличивается к предполуденным часам и достигает максимума в интервале 10-12 MLT. Для полноты отметим, что гистограмма имеет второй максимум в районе местной полуночи, связанный с развитием магнитосферных суббурь. Схожие результаты, касающиеся MLT-распределения вероятности появления высокоширотных иррегулярных геомагнитных пульсаций, были получены в работах [Arnoldy et al., 1986; Olson, 1986; Engebretson et al., 1986].
Вероятность наблюдения авроральных пульсаций на о. Хейса значительно меньше, чем геомагнитных. Как видно из рис. 2.2, авроральные пульсации (штриховая линия) с наибольшей вероятностью наблюдались в интервале 09-10 MLT. Более детальный анализ показал, что авроральные пульсации в 72% случаев сопровождались иррегулярными геомагнитными пульсациями Pil, а в 13% случаев были зарегистрированы пульсации поля типа РсЗ. В 15% случаев ATI не сопровождались какими-либо пульсациями геомагнитного поля.
В течение девяти зимних сезонов (ноябрь, декабрь, январь) с 1981 г. по 1991 г. было обнаружено 58 дней, когда наблюдались авроральные пульсации. Всего найдено 115 часов регистрации пульсаций, из которых за 65 часовых интервалов были в наличии среднечасовые значения компонент ММП и параметров плазмы солнечного ветра. Толстой сплошной линией на рис. 2.3а показано распределение частоты наблюдения всех зарегистрированных АП в зависимости от местного магнитного времени (MLT). По вертикальной оси отложено число случаев регистрации пульсации, которое суммировалось в каждом получасовом интервале. Рисунок показывает, что пульсации наблюдаются, главным образом, в предполуденном секторе с максимальной вероятностью появления (на уровне 0.7) в интервале 08-11 MLT [Vorobjev et al., 1999].
На рис. 2.36 приведена гистограмма, демонстрирующая распределение АП в зависимости от уровня магнитной активности. Гистограмма показывает, что в большинстве случаев АП появлялись в спокойные периоды при АЕ 100 нТл. Среднее значение АЕ индекса за периоды регистрации пульсаций составляет -96 нТл и соответственно -117 нТл и -153 нТл за 1 и 2 часа до начала их регистрации. Эти данные свидетельствуют о том, что появление АР не связано с развитием магнитосферных суббурь.
Распределение интервалов наблюдения авроральных пульсаций в зависимости от Bz (GSM) компоненты ММП показывает гистограмма, приведенная на рис. 2.3в. Как видно из рисунка, число случаев наблюдения АП значительно больше при северной ориентации ММП чем при южной. При этом подавляющее большинство случаев пульсаций регистрировалось при значениях Bz -1 нТл. Этот результат соответствует данным, приведенным на рис. 2.36.
Далее мы рассмотрели связь пульсаций с Ву-компонентой ММП и ориентацией ММП в плоскости эклиптики. На рис. 2.3а заштрихованными областями показаны моменты регистрации авроральных пульсаций при разных полярностях Ву-компоненты ММП. Рисунок демонстрирует, что пульсации регистрировались в два раза чаще при Ву 0, чем при Ву 0. Гистограмма в верхнем левом углу на рис. 2.4 показывает ориентацию ММП в плоскости эклиптики. Здесь и далее на этом рисунке заштрихованными областями показано распределение параметров межпланетной среды в периоды регистрации АП. Жирными линиями показаны средние распределения этих параметров за все 9 зимних сезонов, рассмотренных в работе. Гистограмма показывает, что ориентация ММП в периоды регистрации 477 существенно отличается от средней. Для большинства исследуемых событий широтный угол ММП находился в пределах 285-330.
Положение пульсирующих сияний в структуре областей захваченных частиц дневного сектора
Наблюдения спутника с полярной орбитой NOAA 7 были использованы для определения положения авроральных пульсаций относительно высокоширотной границы захвата энергичных протонов (Е = 80-250 кэВ) и электронов (Е 30 кэВ). Здесь мы рассмотрим типичный пример наблюдений спутника в период появления авроральных пульсаций, которые регистрировались в зените обсерватории Баренцбург в интервале 03:30-08:00 UT (06:00-10:30 MLT) 29 ноября 1981 г. В течение этого интервала имели место три пролета спутника через полярную шапку от послеполуденного сектора к утреннему. На рис 2.13 представлены потоки захваченных протонов (тонкие линии) и электронов (толстые линии), наблюдаемые в период этих пролетов. Вертикальной штриховой линией показано положение зенита обсерватории, где наблюдались авроральные пульсации. Мировое время (UT), когда спутник пролетал над обсерваторией, указано в каждой панели рисунка. В период пролета 03:35 UT (верхняя панель) наклонение орбиты спутника было слишком низкое и недостаточное для регистрации высокоширотной границы захвата (Ль). Однако, даже из рассмотрения этих данных ясно, что АП наблюдались в приполюсной части области захвата, экваториальнее Ль. В периоды двух последующих пролетов в 05:34 UT и 07:23 UT (средняя и нижняя панели) авроральные пульсации также наблюдались в приполюсной части области захвата около границы Ль.
На нижней панели рис.2.13 для пролета в 07:23 UT дополнительно приведены данные по потокам высыпающихся протонов с энергией 30-80 кэВ (штриховая линия). Эти частицы можно эффективно использовать для определения области замкнутых силовых линий, так как они высыпаются только из радиационных поясов и/или плазменного слоя, причем присутствуют в спектре частиц плазменного слоя при всех уровнях магнитной активности, включая спокойные периоды [Christon et al., 1989; Дмитриева и др., 1999]. Рис. 2.13 показывает, что значительные потоки этих энергичных высыпающихся протонов наблюдались вплоть до широт 79 CGL. Авроральные пульсации регистрировались на широте около 75 CGL, и это показывает, что АП генерировались глубоко в магнитосфере на замкнутых силовых линиях геомагнитного поля около внешней границы радиационного пояса.
В работе [Lorentzen et al., 1996], где были использованы наземные приборы в период ракетного эксперимента SCIFER, также было сделано заключение, что кратковременно регистрируемые в период эксперимента авроральные пульсации появлялись экваториальнее границы захвата. Анализируя дисперсию энергии, авторы этой работы пришли к выводу, что источник электронов, вызывающий пульсации, может располагаться очень близко к экваториальной плоскости магнитосферы.
Хотя авроральные и геомагнитные пульсации тесно связаны между собой [Ролдугин, 1970; Распопов и др. 1978; Ягодкина и др., 1988], отметим, что АП наблюдаются существенно реже. Если дневные широкополосные магнитные пульсации с периодами около 1-15 mHz (Рс5) и 15-50 mHz (РсЗ) регистрируются почти ежедневно в районе местного полудня [Olson, 1989], то вероятность наблюдения АП по нашим оценкам составляет только 20-30%. Несмотря на это различие, ниже мы будем рассматривать генерацию авроральных пульсаций в контексте проблем генерации геомагнитных пульсаций того же типа. Само же различие в вероятности появления может быть связано с тем, что иногда АП могли появляться на широтах, не контролируемых оптической аппаратурой. Напомним, что пульсации сияний регистрировались с помощью узкоугольных фотометров с полным полем зрения 6, что на высоте ПО км в районе зенита составляет круг радиусом около 6 км. Другой возможной причиной может быть низкий уровень вариаций интенсивности свечения, ниже или на грани порога чувствительности приборов. И, наконец, что очень вероятно, существуют отдельные типы геомагнитных пульсаций, не связанные с пульсирующими высыпаниями авроральных частиц [Yumoto, 1985; Slawinski et al., 1988; Nikitenkova and Maltsev, 1993]. Существуют различные точки зрения, касающиеся механизма генерации пульсаций и положения области их источника относительно границы между разомкнутыми и замкнутыми силовыми линиями геомагнитного поля. Арнольди и др. [Arnoldy et al., 1986] и Олсон [Olson, 1986] сделали вывод, что пульсации типа РИС являются типичным колебательным режимом в области дневных полярных каспов. Большакова и др. [Большакова и др., 1987] предположили наличие связи между пульсациями РИС и продольными токами в районе дневного каспа. Более того, Боровкова и др. [Боровкова и др., 1989] и Олсон [Olson, 1989] считают хорошо выраженную структуру пульсаций Р/1С и регистрацию пульсаций на частотах около 5 мГц, соответственно, хорошими кандидатами наземного проявления импульсного пересоединения на дневной магнитопаузе (FTE).
Неустойчивость Кельвина-Гельмгольца (К-Г) может являться важным источником энергии, который вносит существенный вклад в активность гидромагнитных ULF волн на широтах каспа/клефта. Высокие скорости и плотности солнечного ветра благоприятны для развития К-Г неустойчивости, проявления которой можно ожидать в ионосфере на замкнутых силовых линиях экваториальнее проекции каспа и магнитопаузы. Вольфе и др. [Wolfe et al., 1987] показали, что наиболее важным параметром в контроле величины флуктуации поля в диапазоне РсЗ-4 является скорость солнечного ветра, а следующая по важности - Bz компонента ММП. В работе [Engebretson et al., 1995] было показано, что появление широкополосных РП-2 сигналов в высоких широтах в большой степени контролируется скоростью солнечного ветра. Они обнаружили хорошую корреляцию между появлением интенсивных ULF сигналов и высокой скоростью солнечного ветра. Влияние южной компоненты ММП и активности суббурь на генерацию пульсаций магнитного поля отмечено, например, в [Heacock and Chao, 1980; Engebretson et al., 1989].
Дневные геомагнитные пульсации, связанные с движущимися ионосферными вихрями
Спектральный анализ фотометрического сигнала, представленного на верхней панели рис. 3.116, показывает наличие двух спектральных максимумов в диапазоне 13-23 с, совпадающих с пиками в спектральном распределении Я-компоненты. Наличие авроральных пульсаций такого периода в дискретных формах дневных сияний было отмечено ранее в этой главе. Авроральные пульсации с периодом 13-17 с показаны на второй панели рис. 3.116. Ниже на рисунке приведены пульсации горизонтальных компонент магнитного поля в диапазонах 13-17 и 27-60 с. Поведение пульсаций с периодами 17-23 с почти идентично пульсациям диапазона 13-17 с и поэтому не приведено на рисунке.
Как видно из рис. 3.116, амплитуда магнитных пульсаций в полосе 13-17 с существенно увеличивается, особенно в Я-компоненте поля, после пересечения меридиана обе. ВАВ центром ведущего вихря двухвихревого возмущения. Амплитуда пульсаций остается повышенной в течение 15 мин до 0624 UT, когда экваториальная граница дневного красного свечения, смещаясь к полюсу, достигла зенита обсерватории ВАВ. Наблюдаются резкие всплески амплитуды пульсаций, совпадающие со всплесками авроральных пульсаций, причем для первой дуги максимум амплитуды пульсаций зарегистрирован сначала в D-, а затем в //-компоненте поля, когда дуга появляется в зените станции. Поведение пульсаций с периодами 26-60с существенно отличается от рассмотренного выше. В //-компоненте магнитного поля наблюдается срыв колебательного режима во время прохождения через меридиан обе. ВАВ фокусов ионосферного возмущения. В центральной части вихря зарегистрировано два длиннопериодных импульса, один из которых может быть обусловлен резким скачкообразным уменьшением в //-компоненте поля, а другой по времени совпадает с появлением дуги сияния. В D-компоненте магнитного поля, наоборот, устойчивый колебательный режим наблюдается в центральной части двухвихревого ионосферного возмущения. Такое поведение пульсаций в Я- и D-компонентах хорошо согласуется со структурой токов вихря в начальный период его существования, когда расстояние между фокусами минимальное, а токи замыкания существенно вытянуты в восточно - западном направлении. В
рассматриваемом случае при скорости вихря 3 км/с и времени между прохождениями его фокусов через меридиан ВАВ 5 мин расстояние составляет примерно 900 км, что хорошо согласуется с полученными ранее результатами. Тесная связь между поведением пульсаций и структурой ионосферного возмущения позволяет предположить, что магнитные пульсации 27-60 с могут быть обусловлены вариациями интенсивности продольных токов, ответственных за двухвихревое ионосферное возмущение. Более точно период этих пульсации можно определить как 40 ± 10 с, так как в этом интервале обычно располагается спектральный максимум.
На рис. 3.12 показана структура ионосферного вихря и поведение пульсаций в период магнитного импульса, зарегистрированного в 0835 UT. Все использованные данные и условные обозначения на этом рисунке такие же, как и на рис. 3.11. Спектр магнитных пульсаций показан на рис. ЗЛОе. Как видно в верхней части рис. 3.12, ионосферное возмущение представляло собой двухвихревую систему с конвекцией в центральной части, направленной к полюсу. Как и в предыдущем примере, ионосферное возмущение перемещалось в западном направлении с ускорением.
Амплитуда магнитных пульсаций в диапазоне периодов 14-20с существенно увеличивается в период появления вихревой структуры в районе зенита станции. В Я-компоненте поля пульсации повышенной амплитуды наблюдались в течение 17 мин до 0853 UT. Короткие всплески авроральных пульсаций в дискретных формах сияний сопровождаются всплесками магнитных пульсаций в этом диапазоне периодов, особенно в D-компоненте магнитного поля. Всплеск магнитных пульсаций в D-компоненте примерно на 1 мин опережает всплеск авроральных пульсаций как в этом, так и в предыдущем случаях. Это свидетельствует о том, что пульсирующие дуги в начальный период формировались к востоку от обе. ВАВ, а затем происходило их быстрое расширение (перемещение) в западном направлении с последующим движением к полюсу. Появление пульсирующих дуг сияний в зените станции сопровождается ростом амплитуды магнитных пульсаций в Н-компоненте. Обсерватория ВАВ в течение всего рассматриваемого периода находилась внутри полосы дневного красного свечения.
Поведение магнитных пульсаций с периодами 27-60 с подобно описанному в предыдущем случае. В центральной части вихря резко падает амплитуда пульсаций в Я-компоненте поля, а в D-компоненте несколько увеличивается. Хотя уровень пульсаций в течение всего рассматриваемого диапазона повышен, можно отменить некоторое увеличение амплитуды в Я-компоненте вне центральной части двухвихревого ионосферного возмущения. Поведение пульсаций в обеих компонентах, так же как и в предыдущем случае, хорошо согласуется со структурой ионосферного вихря.
В работах [Sibeck, 1990; Sibeck and Croley, 1991] исследовались геомагнитные явления, наблюдаемые в периоды резких вариаций динамического давления солнечного ветра. Показано, что ионосферные и магнитосферные черты, обусловленные импульсами давления, могут быть очень схожи с проявлением процессов, связанных с FTE. Однако в случаях спорадического магнитного пересоединения конвекция в центральной части двойного ионосферного вихря должна иметь составляющую, направленную к полюсу [Southwood, 1987; Glassmeier and Heppner, 1992]. Как видно из рис. 3.11а, конвекция в рассматриваемом случае направлена к экватору. Такой двойной вихрь с обратным направлением конвекции в центральной части может быть обусловлен импульсным увеличением динамического давления солнечного ветра [Glassmeier and Heppner, 1992].
Подводя итог этому разделу, можно сказать следующее. Исследованы спектральные характеристики геомагнитных пульсаций в диапазоне периодов 5-100 с, наблюдаемые во время регистрации высокоширотных магнитных импульсов. В процессе исследования найдены следующие особенности пульсаций, наблюдаемых в области дневного красного свечения: (1) магнитные импульсы сопровождаются кратковременным, длительностью 10-15 мин, увеличением мощности геомагнитных пульсаций в -Я и D-компонентах геомагнитного поля; (2) среднее спектральное распределение пульсаций имеет широкий максимум в диапазоне периодов 10-60 с, однако, в индивидуальных событиях в этом диапазоне регистрируется несколько узких спектральных пиков; (3) увеличение мощности геомагнитных пульсаций с периодами 10-25 с наблюдается в течение 10-15 мин и связано с появлением движущихся ионосферных вихрей и электронных высыпаний, ответственных за дневные пульсирующие дискретные сияния; (4) мощность геомагнитных пульсаций с периодом 40 с увеличивается при прохождении двойного токового вихря в зените станции, а изменения режима пульсаций в Н и D компонентах поля хорошо согласуются со структурой ионосферного возмущения.
Похожие диссертации на Пульсирующие сияния и геомагнитные пульсации в дневной высокоширотной области и их связь со структурой авроральных вторжений
