1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Геомагнетизм и аэрономия
  4. T. 60, № 2, 2020

Геомагнетизм и аэрономия, 2020, T. 60, № 2, стр. 216-219

Первые результаты ОНЧ-наблюдений во время полярной экспедиции “Трансарктика 2019”

С. В. Пильгаев 1, Ю. В. Федоренко 1, Н. Г. Клейменова 2, Ю. Маннинен 3, А. С. Никитенко 1, А. В. Ларченко 1, М. В. Филатов 1, О. М. Лебедь 1, *, И. Е. Фролов 4, Б. В. Козелов 1

1 Полярный геофизический институт (ПГИ)
(Мурманская обл.), г. Апатиты, Россия

2 Институт физики Земли РАН (ИФЗ РАН)
г. Москва, Россия

3 Геофизическая обсерватория Соданкюля
г. Соданкюля, Финляндия

4 Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт (ААНИИ)
г. Санкт-Петербург, Россия

* E-mail: olga.m.lebed@gmail.com

Поступила в редакцию 25.08.2019
После доработки 15.09.2019
Принята к публикации 26.09.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Представлены первые результаты наблюдений ОНЧ-излучений (1‒15 кГц), проведенных в полярных широтах во время специальной комплексной экспедиции “Трансарктика 2019”, организованной Арктическим и Антарктическим научно-исследовательским институтом. Наблюдения проводились на судне “Академик Трёшников” с помощью высокочувствительной аппаратуры, разработанной в Полярном геофизическом институте. В течение 13 из 26 дней наблюдений были зарегистрированы всплески ОНЧ-излучений типа аврорального хисса. Эти всплески одновременно наблюдались и в обс. Баренцбург, расположенной на ~600 км западнее и ~160 км южнее. Однако эти всплески не регистрировались в более низких, авроральных широтах на том же меридиане, в обс. Ловозеро и финской ст. Каннуслехто. Подробно рассмотрен один из наиболее типичных случаев – авроральный ОНЧ хисс 11 апреля 2019 года. Сделан вывод, что область выхода исследуемого аврорального хисса из ионосферы к земной поверхности была локальной и ограниченной по широте.

1. ВВЕДЕНИЕ

Первый этап морской экспедиции “Трансарктика 2019”, организованной Арктическим и Антарктическим научно-исследовательским институтом (ААНИИ), проводился с 20 марта по 20 мая 2019 года. Научно-экспедиционное судно “Академик Трёшников” было введено в лед севернее архипелага Земля Франца-Иосифа, откуда начало свой дрейф. Одной из целей экспедиции было исследование пространственно-временной структуры наблюдаемых на земной поверхности СНЧ/ОНЧ-излучений магнитосферного происхождения. Исследования геофизических процессов по данным наземных наблюдений электромагнитных полей СНЧ/ОНЧ-диапазонов в приполюсных широтах Арктики представляют большой интерес для понимания физических процессов в дневном полярном каспе и полярной шапке, где имеется прямой доступ плазмы солнечного ветра к ионосфере. Это необходимо как для улучшения прогноза космической погоды, так и для изучения влияния гелиогеофизических возмущений на качество коротковолновой (КВ) и сверхнизкочастотной (СНЧ) радиосвязи в этом районе Арктики.

Исследованию структуры и морфологических характеристик авроральных шипений (хиссов) посвящено большое число публикаций, например, обзоры [Makita, 1979; Sazhin et. al., 1993; LaBelle and Treumann, 2002], а также работы [Harang, 1968; Mosier and Gurnett, 1972; Beghin et al., 1989; Sonwalkar, 1995; Ozaki et al., 2008; Spasojevic, 2016]. В то же время в полярной Арктике на столь высоких широтах подобных измерений до сих пор не проводилось.

Целью данной работы является представление первых результатов наблюдений ОНЧ-излучений типа аврорального хисса, выполненных на научно-экспедиционном судне “Академик Трёшников” в полярных широтах. Для исследования особенностей генерации и распространения зарегистрированных ОНЧ-излучений типа аврорального хисса было проведено их сопоставление с одновременными ОНЧ-наблюдениями на стационарных российских станциях Полярного геофизического института: Баренцбург (78.07° N, 14.21° E) и Ловозеро (67.97° N, 35.02° E), а также финской станции Каннуслехто (67.74° N, 26.27° E), расположенной на 400 км западнее обс. Ловозеро. Взаимное расположение станций и судна показано на рис. 1.

Рис. 1.

Взаимное расположение станций Баренцбург, Ловозеро, Каннуслехто и судна “Академик Трёшников”.

2. АППАРАТУРНЫЙ КОМПЛЕКС

Для исследования СНЧ/ОНЧ-излучений на судне “Академик Трёшников” был установлен регистратор горизонтальных компонент напряженности магнитного поля (Hx и Hy) и вертикальной компоненты напряженности электрического поля (Ez). Такие же СНЧ/ОНЧ-приемники установлены в обсерваториях Баренцбург, Ловозеро и Каннуслехто. Все приемники обладают идентичными характеристиками в частотном диапазоне 30‒16 000 Гц. Регистрация магнитных компонент ведется с использованием двух взаимно перпендикулярных рамочных антенн. Для регистрации электрической компоненты используется дипольная антенна. Все приемники обладают прецизионной привязкой к мировому времени (ошибка не превышает 1 мкс). Антенны приемников откалиброваны в соответствии с методикой, описанной в работах [Fedorenko et al., 2014; Пильгаев и др., 2018].

Развертывание системы регистрации компонент электромагнитного поля на дрейфующей льдине и ее отладка заняли некоторое время. В результате проведенной работы устойчивая регистрация СНЧ/ОНЧ-излучений осуществлялась с 1 по 26 апреля включительно. Ориентация магнитных рамочных антенн в ходе дрейфа непрерывно контролировалась по сигналу передатчика радионавигационной системы “Омега”, расположенного в Комсомольске-на-Амуре.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Предварительная обработка данных регистрации ОНЧ-излучений на судне “Академик Трёшников” включала в себя, прежде всего, подавление интенсивных импульсных атмосферных помех (sferics) дальних молниевых разрядов [Smith and Jenkins, 1998]. Для этого применялся метод, сводившийся к нахождению по временной форме каждого атмосферика в сигнале, его удалению и замещению образовавшегося зазора отрезком прямой, соединяющей крайние отсчеты сигнала [Munteanu et al., 2016].

В результате анализа спектрограмм, построенных по данным регистрации на судне, из 26 дней наблюдений в 13 днях регистрировались ОНЧ-излучения типа аврорального хисса в виде всплесков длительностью порядка 5‒10 мин или последовательности таких всплесков. Всплесков ОНЧ-излучений не наблюдалось в магнито-спокойное время при Kр = 0–1 и в магнито-возмущенное время при Kp ≥ 3. Такая же закономерность отмечалась ранее для авроральных шипений в авроральных широтах [Клейменова и др., 2019].

Всплески авроральных шипений на судне наблюдались преимущественно в вечернее и ночное время (15‒23 UT, т.е. 18‒02 MLT) и, как правило, сопровождались развитием высокоширотных магнитосферных суббурь с максимальной амплитудой порядка 200‒300 нТл на геомагнитных широтах около 70°. Кроме того, всплески авроральных шипений регистрировались и днем (между 10‒15 UT, т.е. в 13‒18 MLT). О существовании таких послеполуденных всплесков авроральных шипений в полярных широтах сообщалось ранее в работе [Spasojevíc, 2016] по данным наблюдений на антарктической обс. Южный Полюс (South Pole) на геомагнитной широте ‒ 74°.

Сопоставление данных, полученных во время экспедиции, с данными, полученными одновременно в обс. Ловозеро, расположенной в авроральной зоне в ~1300 км к югу от судна (рис. 1), показало, что наблюдаемые на судне авроральные хиссы не наблюдаются в авроральной зоне.

Рассмотрим более подробно один из наиболее типичных случаев ‒ авроральный хисс, зарегистрированный на судне 11 апреля 2019 г. во время небольшой (~100 нТл) магнитосферной суббури, наблюдаемой на геомагнитных широтах выше 70°. На рис. 2а приведена спектрограмма горизонтальной компоненты магнитного поля ОНЧ-излучений, зарегистрированных на судне в 17:00–18:00 UT. Из рисунка видно, что с 17:00 до 17:30 UT наблюдались мощные всплески аврорального хисса в полосе частот 3‒14 кГц. Было проведено сопоставление этих данных с одновременными ОНЧ-наблюдениями на идентичной регистрирующей аппаратуре в обс. Баренцбург (рис. 2б), расположенной в ~600 км к западу и ~160 км к югу от судна “Академик Трёшников” (рис. 1). Как видно из рис. 2б, в обс. Баренцбург в это время также наблюдались подобные всплески аврорального хисса.

Рис. 2.

Спектрограммы горизонтальной компоненты магнитного поля за 11 апреля 2019 г. 17:00‒18:00 UT, зарегистрированной (а) на судне “Академик Трёшников”, (б) в обс. Баренцбург, (в) в обс. Ловозеро, (г) в обс. Каннуслехто.

Поскольку на судне “Академик Трёшников” использовался регистратор трех компонент электромагнитного поля Hx, Hy и Ez, то помимо амплитуды горизонтальной компоненты магнитного поля мы могли оценить азимутальный угол прихода ОНЧ-излучений без неопределенности в ±180°, присутствующей в обс. Баренцбург, где вертикальная компонента электрического поля ОНЧ-волн не регистрировалась. Результаты измерений азимутального угла для рассматриваемого хисса 11 апреля 2019 г. показали, что излучение приходит преимущественно с юга. Этот факт свидетельствует о том, что область рассеяния электростатических волн в ионосфере, приводящая к прохождению аврорального хисса в волновод Земля‒ионосфера, располагалась южнее точки регистрации [Лебедь и др., 2018]. Направление азимутального угла испытывало вариации порядка ±60°. Широкий разброс углов показывает, что область рассеяния находилась близко к точке наблюдения, в противном случае разброс азимутальных углов был бы гораздо меньше.

Для исследования пространственной структуры данного аврорального хисса результаты ОНЧ-наблюдений на судне были сопоставлены с подобными одновременными наблюдениями в обс. Ловозеро и финской ст. Каннуслехто, расположенных на близкой авроральной широте и разнесенных по долготе на ~400 км (рис. 1). Спектрограммы горизонтальных компонент магнитного поля ОНЧ-излучений в этих точках приведены на рис. 2в, г. Видно, что в указанный период времени авроральный хисс на этих станциях не наблюдался. Из рисунка также видно, что уровень помехи от атмосфериков в обс. Ловозеро и, в меньшей степени, в Каннуслехто превышает уровень помехи в Баренцбурге и на корабле, где она практически отсутствует. По-видимому, это связано с различием в затухании волн из-за разницы в расстояниях около 1300 км при распространении атмосфериков от экватора к авроральным и полярным широтам.

Генерацию аврорального хисса обычно связывают с потоком высыпающихся низкоэнергичных электронов, вызывающих полярные сияния, см., например, работы [Jørgensen, 1968; Laaspere and Hoffman, 1976; Sazhin et. al., 1993; LaBelle and Treumann, 2002]. Область высыпания авроральных электронов обычно представляет собой длинную полосу, вытянутую в направлении восток-запад на несколько десятков километров. Можно предположить, что область рассеяния электростатических волн связана с высыпающимися электронами и также вытянута по долготе, следовательно, пространственное положение области регистрации аврорального хисса также должно быть вытянуто вдоль геомагнитной параллели. Этот факт подтверждается одновременной регистрацией аврорального хисса на судне и в обс. Баренцбург, находящихся на относительно близкой геомагнитной параллели 75°‒76°, но разнесенных по долготе, и отсутствием этих излучений в находящихся на более низких широтах обс. Ловозеро и ст. Каннуслехто.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представлены первые результаты наблюдений ОНЧ-излучений типа авроральный хисс, проведенных в полярных широтах во время морской экспедиции “Трансарктика 2019”. Рассмотрен один из наиболее типичных случаев – авроральный хисс, зарегистрированный на судне “Академик Трёшников” 11 апреля 2019 г. Проведено сравнение одновременной ОНЧ-регистрации аврорального хисса на корабле и в обс. Баренцбург, расположенной на близкой геомагнитной широте, но на ~600 км западнее, а также в обс. Ловозеро и Каннуслехто (Финляндия), расположенных в авроральной зоне на ~1300 км южнее. Показано, что рассматриваемый авроральный хисс наблюдался в обеих полярных обсерваториях, но отсутствовал в авроральных широтах. Полученные результаты свидетельствуют о том, что область выхода таких ОНЧ-излучений локальна и ограничена по широте.

Список литературы

  1. – Лебедь О.М., Федоренко Ю.В., Маннинен Ю., Клейменова Н.Г. Моделирование прохождения аврорального хисса к земной поверхности // Гелиогеофизические исслед. в Арктике. Т. 2. С. 59–62. 2018.

  2. – Клейменова Н.Г., Маннинен Ю., Громова Л.И., Громов С.В., Турунен Т. Всплески ОНЧ-излучений типа “авроральный хисс” на земной поверхности на L ~ 5.5 и геомагнитные возмущения // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 59. № 3. С. 291–300. 2019.

  3. – Пильгаев С.В., Ларченко А.В., Филатов М.В., Федоренко Ю.В., Лебедь О.М. Генератор сигналов специальной формы для калибровки регистраторов электромагнитного поля // Приборы и техника эксперимента. № 6. С. 49–55. 2018. https://doi.org/10.1134/S0032816218060125

  4. – Beghin C., Rauch J.L., Bosqued J.M. Electrostatic plasma waves and HF auroral hiss generated at low altitude // J. Geophys. Res. V. 94. P. 1359–1378. 1989.

  5. – Fedorenko Y., Tereshchenko E., Pilgaev S., Grigoryev V., Blagoveshchenskaya N. Polarization of ELF waves generated during “beating-wave” heating experiment near cutoff frequency of the Earth-ionosphere waveguide // Radio Sci. V. 49. P. 1254–1264. 2014. https://doi.org/10.1002/2013RS005336

  6. – Harang L. VLF emissions observed at stations close to the auroral zone and at stations on lower latitudes // J. Atmos. Terr. Phys. V. 30. № 6. P. 1143–1160. 1968.

  7. – Jørgensen T.S. Investigation auroral hiss measured on OGO-2 and Byrd statiion in terms of incoherent Cherenkov radiation // J. Geophys. Res. V. 73. P. 1055–1069. 1968.

  8. – LaBelle J., Treumann R. Auroral Radio Emissions, 1. Hisses, Roars, and Bursts // Space Sci. Rev. V. 101(3). P. 295–440. 2002.

  9. − Laaspere T., Hoffman R.A. New results on the correlation between low-energy electrons and auroral hiss // J. Geophys. Res. V. 81. P. 524–530. 1976. https://doi.org/10.1029/JA081i004p00524

  10. – Makita K. VLF-LF hiss emissions associated with aurora // Mem. Nat. Inst. Polar Res. Tokyo. Ser. A. № 16. P. 1–126. 1979.

  11. – Mosier S.R., Gurnett D.A. Observed correlation between auroral and VLF emissions // J. Geophys. Res. V. 77. № 7. P. 1137‒1145. 1972.

  12. – Munteanu C., Negrea C., Echim M., Mursula K. Effect of data gaps: comparison of different spectral analysis methods // Ann. Geophys. V. 34. P. 437–449. 2016. https://doi.org/10.5194/angeo-34-437-2016

  13. – Ozaki M., Yagitani S., Nagano I., Hata Y., Yamagishi H., Sato N., Kadokura A. Localization of VLF ionospheric exit point by comparison of multipoint ground-based observation with full-wave analysis // Polar Sci. V. 2. P. 237‒249. 2008.

  14. – Sazhin S.S., Bullough K., Hayakawa M. Auroral hiss: a review // Planet. Space Sci. V. 41. № 2. P. 153‒166. 1993.

  15. – Smith A.J., Jenkins P.J. A survey of natural electromagnetic noise in the frequency range f = 1–10 kHz at Halley station, Antarctica: 1. Radio atmospherics from lightning // J. Atmos. Sol. Terr. Phys. V. 60. P. 263‒277. 1998.

  16. – Sonwalkar V.S. Magnetospheric LF-, VLF-, and ELF-waves. Handbook of Atmospheric Electrodynamics. CRC Press. Boca Raton. Fla. P. 407‒462. 1995.

  17. – Spasojevic M. Statistics of auroral hiss and relationship to auroral boundaries and upward current regions // J. Geophys. Res. Space Physics. V. 121. P. 7547–7560, 2016. https://doi.org/10.1002/2016JA022851

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Геомагнетизм и аэрономия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал