Геомагнетизм и аэрономия, 2020, T. 60, № 6, стр. 751-761

1. ВВЕДЕНИЕ

Принято считать, что стабильные авроральные красные (SAR) дуги наблюдаются во время магнитных бурь, которые определяются по вариации геомагнитного индекса Dst [Rees and Akasofu, 1963; Зайцева и др., 1971; Kozyra et al., 1997]. SAR-дуги возникают вследствие перекрытия кольцевого тока с внешней плазмосферой, где потоки энергичных ионов нагревают плазмосферные электроны. Возникающий нисходящий поток сверхтепловых электронов вдоль линий магнитного поля увеличивает окружающую электронную температуру на высотах области F 2 ионосферы в виде субаврорального пика электронной температуры (Te пика). В результате происходит усиление интенсивности красной линии атомарного кислорода в SAR-дуге, отображающей плазмопаузу [Cole, 1965, 1970; Kozyra et al., 1997]. Согласно механизму генерации SAR-дуги, предложенному Cole [1965, 1970], передача энергии от энергичных ионов кольцевого тока тепловым электронам внешней плазмосферы в результате кулоновских столкновений происходит во все времена магнитной бури. Красные дуги появляются во время главной фазы магнитной бури в процессе развития авроральных возмущений. Обобщение Cole [1965, 1970] хорошо соответствовало имеющимся в то время наблюдениям SAR-дуг.

В то же время, после теоретической работы Cornwall et al. [1971], многие исследователи стали считать, что SAR-дуги должны возникать во время фазы восстановления бури. В этой статье считается, что во время главной фазы магнитной бури плазмопауза смещается на более низкие L-оболочки в направлении Земли. В период фазы восстановления происходит перекрытие расширяющейся плазмосферы с околоземной областью кольцевого тока, где в результате затухания Ландау ионно-циклотронных волн нагреваются холодные электроны. Поток сверхтепловых электронов вдоль магнитно-силовых линий вызывает усиление красной линии атомарного кислорода на высотах области F 2 ионосферы в виде среднеширотной красной дуги, которая отображает вновь сформированную границу плазмосферы (плазмопаузу).

Однако спутниковые исследования, проведенные в период 1980–1990 г., иногда указывали на то, что энергичные частицы кольцевого тока проникают во внешнюю плазмосферу во время главной фазы магнитной бури и/или во время отдельных суббурь [Kozyra et al., 1997]. Результаты синхронных измерений на спутниках DE1 и DE2 в области плазмосферы и на ионосферных высотах, соответственно, ясно показали, что субавроральные пики электронной температуры или SAR-дуги могут наблюдаться на широтах проекции радиального градиента плотности холодной плазмы внутри плазмосферы [Horwitz et al., 1986]. Недавно опубликованные результаты наблюдений SAR-дуг с помощью цифровых камер всего неба (All-sky imagers) также указывают на проникновение энергичных ионов кольцевого тока во внешнюю плазмосферу в начале главной фазы магнитной бури [Shiokawa et al., 2013; Mendillo et al., 2016].

Фотометрические наблюдения динамики диффузного сияния и SAR-дуги в эмиссиях 557.7 и 630.0 нм на меридиане Якутска (62° N, 130° E) во время изолированных суббурь были детально рассмотрены в работах Иевенко [1993, 1995, 1999]. Известно, что диффузное сияние (ДС) вызвано высыпанием низкоэнергичных электронов из околоземного плазменного слоя [Fairfield and Vinas, 1984; Feldstein and Galperin, 1985]. Наши исследования показывают, что SAR-дуга появляется и/или уярчается во время фазы расширения суббури. Образование SAR-дуги начинается в области экваториальной границы ДС. Во время фазы восстановления интенсивных суббурь на широтах SAR-дуги обычно наблюдаются пульсации свечения в эмиссии 427.8 нм ${\text{N}}_{{\text{2}}}^{ + },$ обусловленные пульсирующими высыпаниями энергичных частиц. В случае длительной суббуревой активности SAR-дуга отделяется от ДС и движется в экваториальном направлении [Иевенко и Алексеев, 2004; Ievenko et al., 2008]. В работе Ievenko and Parnikov [2014] представлено наблюдение ДС и SAR-дуги с использованием цифровой камеры всего неба на меридиане Якутска во время изолированной инжекции суббури 13 февраля 2013 г., зарегистрированной на борту спутника VAP-A.

Целью данной работы является анализ события регистрации SAR-дуги во время спутниковых измерений параметров плазмы и потоков энергичных частиц в ионосфере и внутренней магнитосфере вблизи меридиана Якутска. В статье мы впервые делаем сопоставление наземных наблюдений интенсивной SAR-дуги цифровой камерой всего неба с данными одновременных измерений плазмопаузы и потоков энергичных ионов на борту спутника VAP-B в начале большой магнитной бури 17 марта 2015 г. Наблюдения SAR-дуги также сравниваются с измерением субавроральных пиков электронной температуры спутником DMSP F19 в вечернем секторе MLT.

2. МЕТОДЫ НАБЛЮДЕНИЙ И АНАЛИЗА ДАННЫХ

Динамика субаврорального свечения во время суббурь и бурь изучалась на оптической станции Маймага (63° N, 130° E) с исправленными геомагнитными координатами 58° CGMLat и 202° CGMLon для эпохи 2015 г. Станция располагается на 1 градус широты севернее г. Якутска (62° N, 130° E) на одном географическом меридиане. Полночь по магнитному локальному времени (MLT) на этом меридиане наблюдается в ~15:50 UT. Наблюдение сияний и SAR-дуг выполняется спектрофотометрами и цифровой камерой всего неба ASI (All-sky imager) “Keo Sentry” производства фирмы “Keo Scientific Ltd”. ASI оснащен CCD (Charge-coupled device) камерой PI Acton ProEM 1024B и пятью полостными интерференционными фильтрами с полушириной полосы пропускания 2.0 нм. Фильтры диаметром 3 дюйма центрированы на длины волн 557.7 и 630.0 [OI], 470.9 $\left( {{\text{N}}_{{\text{2}}}^{ + }} \right),$ 486.1 (H β), 620.0 (континуум), 480.0 (континуум) нм. Высокая чувствительность CCD камеры с умножителем электронов (EM) позволяет детально изучать широтную и долготную динамику формирования SAR-дуг, а также электронных и протонных сияний. Для анализа данные ASI представлены в этой работе в виде обработанных изображений в проекции на поверхность Земли для высот свечения 110 км для ДС и 450 км для SAR-дуги в эмиссиях 557.7 и 630.0 нм, соответственно. Проекции изображений всего неба были построены в исправленных геомагнитных координатах (CGMLat и CGMLon) на основе моделей геомагнитного поля DGRF/IGRF (https://omniweb.sci.gsfc.nasa.gov/vitmo/cgm.html).

Наземные оптические наблюдения SAR-дуги были сопоставлены с потоками энергичных ионов с использованием данных измерений инструментами ECT (Energetic Particle, Composition, and Thermal Plasma Suite) HOPE (Helium Oxygen Proton Electron), усредненных по питч углам, на борту спутника VAP-B (или RBSP-B). Местоположение плазмопаузы было получено по градиенту плотности холодных электронов, который также определяется по различным измерениям на спутнике VAP-B. Для идентификации интервала времени, когда магнитосферная конвекция усиливается, используются данные регистрации параметров солнечного ветра (СВ) с космического аппарата DSCOVR. Интервал времени фазы развития суббури был определен с помощью магнитограмм на низкоширотных станциях. Согласно Сергееву и Цыганенко [1980], Rostoker et al. [1980] бухтообразные вариации H- и D-компонент на долготной цепочке низкоширотных станций могут дать информацию о начале фазы развития суббури, происходящей в любом секторе местного времени.

3. НАЧАЛО МАГНИТНОЙ БУРИ И НАБЛЮДЕНИЕ SAR-ДУГИ НА МЕРИДИАНЕ ЯКУТСКА

Магнитная буря 17 марта 2015 г. имела внезапное начало с SSC в 04:46 UT, вызванное межпланетной ударной волной (IPS на рис. 1а). Главная фаза магнитной бури началась в ~06:24 UT после резкого увеличения электрического поля Еу утро-вечер (–V_X × B_Z) до 11 мВ/м при высокой плотности солнечного ветра. Во время больших значений Еу утро-вечер произошло уменьшение индекса SYM-H до ~–100 нТл. В это же время был значительный рост AL-индекса, который достиг –900 нТл во время суббури, фаза развития которой началась в предполуночном секторе MLT по магнитным вариациям на низкоширотной ст. Honolulu (21° CGMLat, 270° CGMLon; на рис. 1б не приведены). Начало фазы развития суббури на рис. 1 показано стрелкой. Во время отрицательного Еу магнитная активность значительно уменьшилась, по AL-индексу до спокойного уровня. Вторая активизация главной фазы магнитной бури началась во время следующего значительного и длительного увеличения Еу утро–вечер после ~12:30 UT.

Рис. 1.

Динамика солнечного ветра и магнитные возмущения в начале бури 17 марта 2015 г. (а) – электрическое поле Еу и плотность солнечного ветра Np со сдвигом dТ; (б) – магнитные индексы ASY-H, SYM-H и AL. Стрелкой указано начало фазы развития суббури, подробности в тексте. На панели (б) показан интервал времени оптических наблюдений.

Оптические наблюдения на меридиане Якутска начались в 11:16 UT во время низкой авроральной активности при значении индекса SYM-H ~ –50–40 нТл. Рисунок 2 показывает обработанные изображения всего неба в эмиссиях 630.0 и 557.7 нм в интервале времени от начала наблюдений до ~12:30 UT (19:25–20:40 MLT). Видно, что исправленная геомагнитная широта полярной границы и интенсивность SAR-дуги увеличивалась с востока на запад. Экваториальная граница дуги наблюдалась на CGMLat ~52°–53° по всему небу. Широта экваториальной границы диффузного сияния (ДС) в эмиссиях 557.7 и 630.0 нм также увеличивалась в западном направлении. Граница ДС совпадала, вероятно, с полярной границей красной дуги на CGMLat ~59°–60° на западном горизонте. Интенсивность красной дуги в максимуме на западе уменьшилась от ~2 в начале до ~1.3 кРл в конце приведенного интервала времени наблюдений. Диффузное сияние в эмиссии 557.7 нм на севере усилилось до ~25 кРл в ~12:30 UT во время нового роста Еу утро–вечер (смотри рис. 1а) Далее, после ~13 UT, ДС быстро расширялось к экватору. SAR-дуга, вероятно, также смещалась на более низкие широты. В этой статье данные этих наблюдений не рассматриваются.

Рис. 2.

Изображения всего неба в эмиссиях 630.0 и 557.7 нм в начале наблюдений 17 марта 2015 г. Проекции на поверхность Земли в исправленных геомагнитных координатах для высот свечения 450 и 110 км в красной и зеленой линиях, соответственно. Шкалы интенсивности эмиссий в градациях серого приведены в килорэлеях (кРл).

4. ИЗМЕРЕНИЯ СПУТНИКА VAP-B В МАГНИТОСФЕРЕ ВО ВРЕМЯ НАБЛЮДЕНИЙ SAR-ДУГИ

На рисунке 3 показана орбита спутника VAP-B в плоскости X, Y GSM во время оптических наблюдений 17 марта 2015 г. в вечернем секторе MLT. Спутник регистрировал границу плазмосферы (плазмопаузу) и потоки энергичных частиц в секторе 17:36–19:08 MLT вблизи меридиана Якутска в 12:10–12:50 UT. Прохождение VAP-B через плазмопаузу в вечернем секторе MLT показано серой жирной линией.

Рис. 3.

Орбита RBSP-B в плоскости X, Y GSM во время оптических наблюдений на меридиане Якутска 17 марта 2015 г. Прохождение зонда B через плазмопаузу в вечернем секторе MLT обозначено серой толстой линией.

Рисунок 4а показывает положение внутренней границы потоков энергичных ионов относительно плазмопаузы. Измерения VAP-B указывают на перекрытие энергичных ионов кольцевого тока O⁺ и H⁺ с внешней плазмосферой в интервале L ~ ~ 2.8–4.5 по расчетным координатам на рис. 4в. Резкое увеличение потока электронов в интервале энергий 1–7.4 кэВ на рис. 4б совпадает с началом роста плотности холодных электронов. Этот рост потока низко энергичных электронов, вероятно, связан с внутренней границей плазменного слоя. На рисунке 4 темно-серый столбик показывает область перекрытия тепловой и энергичной плазмы, которая может быть сопряжена с наблюдаемой SAR-дугой в это время. Спутник прошел внутреннюю и внешнюю границы этой области в 12:10 UT на меридиане 17:36 MLT с параметром L ~ 2.8 и в 12:45 UT на меридиане 19:00 MLT с L ~ ~ 4.0, соответственно.

Рис. 4.

Регистрация плазмопаузы и потоков энергичных частиц на борту RBSP-B во время наблюдения SAR-дуги 17 марта 2015 г. (а) – плотность тепловых электронов и потоки энергичных протонов и ионов кислорода; (б) – поток низко энергичных электронов; (в) – Расчетные L-параметр и MLT спутника.

Обработанные изображения всего неба с регистрацией SAR-дуги на меридиане Якутска в начале и конце прохода VAP-B области перекрытия энергичных ионов с плазмопаузой представлены на рис. 5. Изображения показывают свечение с интенсивностью менее 2000 Рэлей (2 кРл) для лучшего отображения SAR-дуги. На изображении в 12:10 UT черными кружками показана экваториальная граница красной дуги с уровнем интенсивности ~0.9 кРл. Граница с постоянной CGMLat ~ 53° пересекает на западном горизонте геомагнитный меридиан ~180° в 18:52 MLT со значением L ~ 2.8 (см. рис. 5). Постоянная широта экваториальной границы дуги может быть обусловлена резким уменьшением потока ионов O⁺ и H⁺ с энергией 20 кэВ на оболочке L ~ 2.8 по измерениям VAP-B на меридиане 17:36 MLT (см. рис. 4а). Следует отметить, что поток энергичных ионов O⁺ в этой области в ~1.8 раза превышал поток энергичных протонов.

Рис. 5.

Изображения всего неба в эмиссии 630.0 нм во время прохождения RBSP-B плазмопаузы 17 марта 2015 г. Представлены проекции на поверхность Земли для высоты свечения 450 км (Z ≤ 80°) в исправленных геомагнитных координатах. Изображения показывают свечение с интенсивностью менее 2000 Рэлей для лучшего отображения SAR-дуги. Шкала интенсивности излучения в градациях серого приведена в килорэлеях (кРл).

Полярная граница SAR-дуги с уровнем интенсивности ~1 кРл показана белыми кружками на изображении в 12:45 UT на рис. 5. На западном горизонте полярная граница дуги на широте CGMLat ~ 59.5° определена по изображению в 12:10 UT. На геомагнитном меридиане ~174° полярная граница дуги имела координаты L ~ 3.9 и 19:05 MLT, которые близки к положению внешней границы области перекрытия энергичных ионов с плазмопаузой по измерениям VAP-B на рис. 4 (L ~ 4.0; 19:00 MLT). Следовательно, полярная граница SAR-дуги на меридиане ~174° отображала границу плазмосферы с резким уменьшением электронной плотности до 100 см^–3 и меньше. Значительное увеличение широты полярного края SAR-дуги в западном направлении могло быть обусловлено ростом расстояния от Земли до границы плазмосферы в секторе вечерней выпуклости.

5. ИЗМЕРЕНИЯ DMSP F 19 В ИОНОСФЕРЕ ВО ВРЕМЯ НАБЛЮДЕНИЙ SAR-ДУГИ

Далее, мы рассмотрим измерения электронной температуры и ионосферного дрейфа на спутнике DMSP F19 в раннем вечернем секторе MLT для верификации наземных наблюдений SAR-дуги на меридиане Якутска. На рисунке 6 показаны два прохода спутника с регистрацией субавроральных Te пиков в исправленных геомагнитных координатах. В первом проходе DMSP F 19 измерил широкий Te пик в ~10:12 UT в вечернем секторе MLT до начала оптических наблюдений на меридиане Якутска. В ~11:54 UT F 19 зарегистрировал широкий Te пик во время наземных наблюдений SAR-дуги.

Рис. 6.

Проходы DMSP F19 в вечернем секторе MLT до и во время регистрации SAR-дуги на меридиане Якутска. Приведены участки орбиты спутника с регистрацией субавроральных пиков электронной температуры (Te пиков) в исправленных геомагнитных координатах. Te пики показаны толстой серой линией. Жирной точкой показано положение экваториальной границы Те пиков с указанием времени UT и MLT.

Рисунок 7 показывает, что экваториальная граница Te пиков располагалась на CGMLat ~ ~ 53.1° и ~52.2° в ~17:28 и 17:48 MLT в первом и втором проходах DMSP F19, соответственно. Полярная граница Te пиков находилась на CGMLat ~ ~ 60°–60.5° и перекрывалась с экваториальным краем широкой полосы ионосферного дрейфа к западу или субаврорального поляризационного потока (SAPS) [Foster and Vo, 2002]. Теперь сопоставим измерения субаврорального Te пика на DMSP F19 в ~11:54 UT с регистрацией SAR-дуги в 11:46 и 12:10 UT на рис. 2 и 5, соответственно. Спутник F19 измерил субавроральный Те пик на высоте ~850 км, а максимум интенсивности эмиссии 630.0 нм в SAR-дуге при обработке был принят равным 450 км Для сопоставления спутниковых измерений температуры электронов с SAR-дугой в этой работе исправленная геомагнитная широта экваториальной и полярной границы Те пика определялась на принятой высоте максимума свечения дуги с учетом наклонения вектора геомагнитного поля.

Рис. 7.

Регистрация Te пиков на спутнике DMSP F19 до и во время наблюдения SAR-дуги на меридиане Якутска. Приведены широтные распределения электронной температуры Те и скорости горизонтального дрейфа плазмы Vy по измерениям SSIES инструментов для двух проходов F19. Жирной точкой на кривых электронной температуры показано положение экваториальной границы Те пика с указанием магнитной долготы и MLT.

На двух изображениях в эмиссии 630.0 нм в 11:46 и 12:10 UT можно видеть, что экваториальная граница SAR-дуги на западном горизонте (крае) по уровню интенсивности ~0.7 кРл находилась на CGMLat ~52° в ~18:28 и ~18:52 MLT, соответственно. Полярную границу красной дуги на этих изображениях можно идентифицировать на CGMLat 59°–60° на геомагнитном меридиане ~174°. Таким образом, ширина SAR-дуги ~8° широты и положение ее границ на западном горизонте двух изображений всего неба хорошо соответствуют измерениям интенсивного Te пика в ~11:54 UT спутником DMSP F19 на ~1 час MLT к западу. Измерения DMSP F19 надежно верифицируют наземные наблюдения SAR-дуги.

6. ОБСУЖДЕНИЕ

В разделах 3–5 мы выполнили анализ наблюдений SAR-дуги на меридиане Якутска в вечернем секторе MLT через ~5 ч после первого начала главной фазы большой магнитной бури 17 марта 2015 г. Красная дуга наблюдалась во время низкой авроральной активности, затухания кольцевого тока и отрицательного Еу солнечного ветра. Медленное изменение интенсивности и положения SAR-дуги в течение ~1.5 ч дали возможность выполнить корректное сопоставление наземных наблюдений со спутниковыми измерениями параметров плазмы и потоков энергичных частиц в магнитосфере и ионосфере.

Измерения VAP-B на рис. 4 показали, что широта экваториальной границы дуги была связана с резким уменьшением потока ионов O⁺ и H⁺ с энергией 20 кэВ на L ~ 2.8 внутри плазмопаузы с плотностью электронов ~10³ см^–3. Поток энергичных ионов O⁺ в этой области был в ~1.8 раза больше потока энергичных протонов. В этом событии, вероятно, нагрев электронов области SAR-дуги обеспечивался в основном потоком энергичных ионов O⁺ кольцевого тока. Аналогичные события были рассмотрены в раннем исследовании Kozyra et al. [1987] по данным измерений на спутниках DE 1 и DE 2. Полярная граница SAR-дуги отображала границу плазмосферы с резким уменьшением электронной плотности до 100 см^–3 и меньше согласно измерениям VAP-B.

Измерения электронной температуры на спутнике DMSP F19 в двух проходах в раннем вечернем секторе MLT на рис. 7 верифицируют наземные наблюдения SAR-дуги на меридиане Якутска. Ширина SAR-дуги ~8° широты и положение ее границ на западном горизонте изображений всего неба хорошо соответствуют одновременным измерениям интенсивного субаврорального Te пика на борту DMSP F19 западнее на ~1 ч MLT. Полярная граница Te пика перекрывалась с экваториальным краем субаврорального поляризационного потока (SAPS) [Foster and Vo, 2002]. Наблюдение перекрытия SAR-дуги с экваториальной областью SAPS было показано в нашем исследовании Ievenko et al. [2009].

Увеличение широты полярного края SAR-дуги в западном направлении вероятнее всего обусловлено ростом расстояния от Земли до границы плазмосферы в секторе вечерней выпуклости. Рисунок 8 показывает сечение плазмосферы по границе He⁺ в магнитной экваториальной плоскости по данным измерений IMAGE EUV 2 июня 2001 г. в 16:03 UT из работы Goldstein et al. [2003]. Граница плазмосферы в вечернем секторе MLT находится на L >5, потому что измерения были сделаны при низкой геомагнитной активности (Kp = 2). На рисунке темным серым цветом показана возможная область перекрытия внешней плазмосферы с кольцевым током в секторе ~19–22 MLT, который соответствует сектору MLT наблюдения SAR-дуги в событии 17 марта 2015 г. на рис. 5. Можно видеть, что проекция области перекрытия вдоль магнитного поля в F слой ионосферы должна быть подобна наблюдаемой SAR-дуге на рис. 5. Широта проекции внешней границы области перекрытия будет увеличиваться в направлении вечера. Проекция внутренней границы этой области будет иметь постоянную широту в результате магнитного дрейфа к западу энергичных ионов кольцевого тока вдоль постоянной L-оболочки. Таким образом, наблюдаемая на меридиане Якутска SAR-дуга в начале бури 17 марта 2015 г. отображает вероятнее всего область перекрытия потоков энергичных ионов кольцевого тока с вечерней выпуклостью плазмосферы.

Рис. 8.

Экваториальное сечение плазмосферы по границе He⁺ 2 июня 2001 г. в 16:03 UT. Данные измерений IMAGE EUV [Goldstein et al., 2003].

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты анализа наблюдений SAR-дуги на меридиане Якутска в начале большой магнитной бури 17 марта 2015 г. заключаются в следующем:

1) Красная дуга наблюдалась в вечернем секторе MLT во время затухания кольцевого тока при отрицательном Еу солнечного ветра и низкой авроральной активности.

2) Согласно одновременным измерениям VAP-B SAR-дуга отображала область перекрытия энергичных ионов кольцевого тока с плазмопаузой. Поток ионов O⁺ с энергией 20 кэВ в этой области был в ~1.8 раза больше потока энергичных протонов с такой же энергией. Вероятно, нагрев электронов области SAR-дуги в этом событии обеспечивался в основном потоком энергичных ионов O⁺ кольцевого тока.

3) Ширина и положение границ SAR-дуги хорошо соответствовало интенсивному Te пику по данным одновременных измерений на борту DMSP F19. Измерения электронной температуры в раннем вечернем секторе MLT верифицируют наземные наблюдения SAR-дуги на меридиане Якутска.

4) Показано, что значительное увеличение ширины SAR-дуги в направлении вечера было обусловлено конфигурацией области перекрытия кольцевого тока с вечерней выпуклостью плазмосферы в магнитной экваториальной плоскости. Полярный край красной дуги отображал границу внешней плазмосферы в вечернем секторе MLT. Экваториальный край дуги с постоянной широтой отображал внутреннюю границу потока энергичных ионов кольцевого тока на постоянной L-оболочке.