Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 504, № 2, стр. 189-194

ВВЕДЕНИЕ

Главными объектами космической погоды – активно развиваемого направления солнечно-земной физики – являются магнитосферные суббури и бури. Суббуря – это интенсивное возмущение системы магнитосфера–ионосфера, вызванное вариациями параметров солнечного ветра (СВ). Суббури могут развиваться в течение 1–3 ч изолированно, а также во время более глобального возмущения – магнитосферной бури, которая продолжается в течение суток и вызывается крупными неоднородностями СВ, образующимися во время солнечных вспышек и выбросов корональной массы. На переднем фронте таких неоднородностей часто образуются ударные волны с резким перепадом динамического давления СВ (P_d) и межпланетного магнитного поля (ММП). Их воздействие на магнитосферу вызывает внезапное начало бури (SSC), во время которого наблюдаются усиления электрических полей и токов в ионосфере и магнитосфере, высыпания энергичных частиц, полярные сияния и геомагнитные пульсации в широком диапазоне периодов (Т = 0.3–600 c) [1–3]. В наших предыдущих работах [4–9] были исследованы сильные бури (Dst < –100 нТл), в ходе которых сильные вариации давления СВ наблюдались только в начале бурь, а затем отсутствовали. Было показано, что даже при постоянном P_d развитие суббурь может вызывать не только значительное усиление вытекающих продольных токов (ПТ) и полярных сияний, но и расширение их области на юг. Когда южная граница овала ПТ и авроры достигала широты Иркутска, там наблюдались всплески широкополосных пульсаций типа PiB и усиления излучения ночной атмосферы в авроральных эмиссиях атомарного кислорода [OI] 557.7 и 630.0 нм. Всплески пульсаций, полярных сияний и излучения атмосферы в эмиссии 557.7 нм обычно связывают с вариациями ПТ и высыпанием электронов с энергиями >1 кэВ, а излучения в эмиссии 630.0 нм – с высыпанием сверхтепловых (≤10 эВ) ([1]; см. также ссылки в [8]). Известно, что высыпания энергичных частиц и связанные с ними полярные сияния и геомагнитные пульсации могут стимулироваться вариациями давления СВ, что исследовалось чаще всего на дневной стороне [10] или в ограниченном частотном диапазоне [11, 12]. В данной работе исследуются особенности динамики широкополосных геомагнитных пульсациях, ПТ и свечении атмосферы в ночном секторе на широте Иркутска, вызванной несколькими сильными полуторачасовыми изменениями динамического давления СВ во время бури 21.10.2001.

БАЗА ДАННЫХ

Для анализа используются данные измерений геомагнитного поля с временным шагом 1 мин обсерватории Иркутск (CGM: 47.26° Ф, 177.30° Λ) и с частотным разрешением Δf ≥ 10 Гц обсерватории Монды (CGM: 47.5° Ф, 177.5° Λ). Собственное излучение верхней атмосферы Земли в эмиссиях атомарного кислорода [OI] 557.7 и 630.0 нм зарегистрировано при помощи зенитных фотометров с интерференционными качающимися светофильтрами (∆λ1/2 ~ 1–2 нм) в Геофизической обсерватории Торы ИСЗФ СО РАН (CGM: 47° Ф, 177° Λ) с временным шагом 28 с. Используются также данные спутниковых наблюдений параметров СВ, ММП (http://cdaweb.gsfc.nasa.gov/) и наблюдений полярных сияний в ультрафиолетовом диапазоне на спутнике IMAGE (http://supermag.jhuapl.edu); значения AE индекса геомагнитной активности взяты с сайта (http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/wdc). Временные ряды карт распределения ПТ в ионосфере получены техникой инверсии магнитограмм [13] по 1-мин данным мировой сети наземных магнитометров (http://supermag.jhuapl.edu).

ДАННЫЕ ГЕОМАГНИТНЫХ И ОПТИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ

Набегание на магнитосферу фронта неоднородности СВ со скачком динамического давления P_d от 2 до 20 нПа и южной компоненты ММП B_z от –5 нТл до –21 нТл вызвало внезапное начало магнитосферной бури SSC в 16:48 UT, 21.10.2001. Поворот ММП на юг в 15:20 UT вызвал начало подготовительной фазы суббури (рост АЕ). Поэтому SSC сопровождалось началом взрывной фазы суббури (скачок АЕ индекса от 300 нТл до 1350 нТл, рис. 1 а, 1 б). Главная фаза бури продолжалась до 22 UT, когда индекс D_st достиг своего минимума (D_st = – 159 нТл) (http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp). Мы анализируем период бури от момента SSC и до конца ее главной фазы, вскоре после которой из-за утренней освещенности прекратилась регистрация излучения атмосферы в обсерватории Торы (22:21 UT или 05:21 MLT). В ходе главной фазы наблюдались три полуторачасовых интервала, во время которых сильные увеличения давления СВ (до значений P_d = 35 нПа) почти синхронно сопровождались активизациями геомагнитной активности (усилением АЕ-индекса до значений AE = 1700 нТл) и расширением границы овала ПТ и полярных сияний к средним широтам. Во время SSC на среднеширотной станции Монды наблюдался всплеск широкополосных пульсаций Psc, а на обсерватории Торы – слабый линейный рост интенсивности эмиссии 630.0 нм до ΔI_630.0 ~ 30–40 Рл (рис. 1, интервал 16: 48–17:15 UT). После SSC спутник IMAGE зарегистрировал высокоширотные полярные сияния, южная граница которых (как и зон ПТ) находилась севернее Иркутска на ΔФ ≤ 20° (рис. 2).

Рис. 1.

Буря 21.10.2001. Вариации: (а) давления СВ P_d и интенсивностей эмиссий 557.7, 630 нм (сверху – поведение эмиссии 630.0 нм в логарифмическом масштабе вблизи Ssc); (б) индекса геомагнитной активности АЕ и компоненты ММП B_z (в) H-компоненты геомагнитного поля (1-мин данные обсерватории IRK); динамический спектр: (г) давления СВ, (д) АЕ-индекса, (е) геомагнитных пульсаций, (ж) и (з) – излучения ночного неба в красной и зеленой линиях. Вариации амплитуды (характеризуются цветной шкалой справа в относительных единицах) в зависимости от периода (ордината) и мирового времени UT и местного магнитного времени MLT (абцисса).

Рис. 2.

Карты продольных токов. Жирные синие линии – границы зон ПТ R0, R1, R2, красный кружок – положение обсерватории Монды (MND) в координатах дипольная геомагнитная широта (41.93°) – MLT (а). Карты полярных сияний – данные наблюдений спутника IMAGE (б).

Следующие мощные широкополосные всплески геомагнитных пульсаций PiB наблюдались в моменты 18:18 UT и 18:30 UT, когда резкие изменения АЕ-индекса в конце 1-го и начале 2-го интервалов вариаций АЕ вызвали два резких пика в вариации H-компоненты геомагнитного поля в обсерватории Иркутска. В это время интенсивность ПТ и полярных сияний усилилась, южная граница зоны R2 ПТ и аврорального овала приблизилась к Иркутску на ΔФ = 5° (рис. 2). Около 18:10 UT начинает резко усиливаться интенсивность излучения в линии 630.0 нм, которая достигает максимума в момент второго всплеска пульсаций (18:30 UT, рост на ΔI_630.0 > 500 Рл) и начинает уменьшаться после нескольких колебаний. В третьем интервале (после 20 UT) два нарастающих по величине импульса давления СВ вызвали быстрые нарастающие по амплитуде периодические усиления геомагнитной активности, смещение овала сияний к Иркутску (ΔФ = 5°), усиление пульсаций PiB/PiC (рис. 1е) и излучения атмосферы в зеленой и красной линиях. В 20:10 UT зарегистрирован сильный скачок интенсивности эмиссии 557.7 нм на ΔI_557.7≈ 300–400 Рл (I_557.7≈ ≈ 800 Рл) и опережавший его рост эмиссии 630.0 нм (рис. 1a, ж, з).

ОБСУЖДЕНИЕ

Для более полного анализа отклика внутренних параметров системы магнитосфера–ионосфера на изменения P_d были построены динамические спектры колебаний АЕ-индекса, геомагнитных пульсаций и эмиссий (рис. 1 г–з). Отклик в ходе главной фазы бури (16:48–22:00 UT) хорошо прослеживается в спектрах почти всех параметров. Границы трех интервалов вариаций P_d и AE (вертикальные пунктирные линии) совпадают с моментами резкого изменения амплитуды пульсаций, АЕ-индекса и Н-компоненты в Иркутске. В эти моменты также резко меняются продольные и ионосферные токи, что обычно сопровождается высыпаниями энергичных частиц – два фактора, вызывающих раскачку короткопериодных всплесковых пульсаций типа Pi1B в ионосферном альвеновском резонаторе (см. ссылки в [8]). Резкие изменения интенсивности излучения (панель а) и спектра (панели ж, з) следуют таковым в пульсациях. Исключение составляет момент SSC, когда скачок АЕ-индекса и Н-компоненты сопровождался всплеском пульсаций Psc в Иркутске, что объясняется эффектом прохождения ударной волны через магнитосферу [14, 15]. Слабый отклик излучения ассоциируется с большой удаленностью овала полярных сияний и зоны высыпаний от обсерватории Торы (ΔФ = 20°). Так, в начале бури 06.04.2000 наблюдалось усиление излучения при ΔФ = 10° [8].

Важно отметить характерную разницу в описанных выше явлениях от наблюденных нами в ходе других бурь. Ранее сильные всплески пульсаций и излучения атмосферы на обсерваториях ИСЗФ обычно наблюдались в ходе бурь при отсутствии заметных изменений P_d, когда южная граница зоны 2 ПТ достигала широты Иркутска. Теперь же, при сильных изменениях давления СВ, эти всплески наблюдались, когда граница приближалась до пунктов регистрации не ближе ΔФ = 5°. Однако в начале бури 06.04.2000 наблюдался рост интенсивности обеих эмиссий, когда это расстояние было (ΔФ = 10°) вдвое меньше [8], чем в SSC бури 21.10.2001. В [12] по данным большого набора станций показано, что всплесковые пульсации во время SSC наблюдаются глобально. Можно предположить, что в отличие от пульсаций Psc, отклик в свечении атмосферы на воздействие ударного фронта во время SSC проявляется при удалении от овала сияний и ПТ на ΔФ ≤ 10°–12°, что нуждается в проверке по другим событиям.

Обсудим возможные механизмы усиления пульсаций и оптических эмиссий изменениями давления СВ на магнитосферу: суббуревыми активизациями, изменениями продольных и ионосферных токов, высыпанием как энергичных, так и тепловых/сверхтепловых электронов. В [10] показано, что вариации давления СВ могут вызывать сжатия дневной магнитосферы, развитие там циклотронной неустойчивости, раскачку ОНЧ- и ЭМИЦ-волн и высыпание частиц. Однако для околополуночной области вблизи зоны 2 вытекающих ПТ-генерацию пульсаций с ионами связать трудно. Поэтому мы полагаем, что здесь всплески пульсаций и эмиссии 577.7 нм излучения вызывались резкими изменениями ПТ, ионосферных токов и высыпаний энергичных электронов. Вклад в возбуждение эмиссии 630.0 нм наряду с известными механизмами среднеширотного излучения может давать механизм высыпания надтепловых электронов вблизи плазмопаузы резонансными альвеновскими волнами (в течение порядка их десяти периодов), возбуждаемыми ударной волной или быстрыми магнитозвуковыми волнами, которые создают в магнитосфере импульсы давления СВ [16].

Регистрацию всплесков пульсаций и излучения атмосферы в ночном секторе на средних широтах на расстоянии ΔФ = 5–7° от границы овала ПТ можно связать с: а) эффектами сжатия магнитосферы [18], б) возможностью распространения МГД-волн в ионосферном альвеновском волноводе [17].

Наблюдаемую модуляцию вариаций геомагнитной активности сильными возрастаниями давления СВ без существенной задержки можно объяснить большой величиной переносимого в магнитосферу потока Пойнтинга, который обеспечивался большими значениями южной и азимутальной компонент ММП (20 нТл) и P_d. Сжатия магнитосферы импульсами P_d могли вызывать: а) рост площади полярной шапки и увеличение потока энергии через нее в ионосферу [18] и б) уменьшение масштаба магнитного шира – толщины токового слоя на дневной магнитопаузе и в нейтральном слое хвоста и усиление скорости пересоединения.

Легко увидеть, что амплитуда модуляции АЕ-индекса импульсами P_d во время второго и третьего интервалов главной фазы ослаблялась вариациями ММП (рис. 1). Так, меньшая амплитуда третьего пика в вариации АЕ-индекса в 21 UT ассоциируется с поворотом ММП на север. Этот факт соответствует выводам [18] об усилении сжатия магнитосферы и расширении полярной шапки южным ММП при росте P_d.

ВЫВОДЫ

Развитие главной фазы магнитосферной бури 21.01.2001 модулировано мощными квазипериодическими полуторачасовыми импульсами давления СВ, сопровождаемыми синхронными усилениями геомагнитной активности, которые вызывают всплески широкополосных пульсаций и излучения ночной атмосферы на средних широтах при приближении зоны ПТ и овала полярных сияний на расстояние ΔФ = 5°–7°. Усиления активности импульсами давления СВ могут ослабляться северным ММП.