Наземные наблюдения аврорального хисса в высоких широтах и моделирование его распространения к земной поверхности

DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2019.10.8.147-152 УДК 550.388.8

А.С. Никитенко, О.М. Лебедь, Ю.В. Федоренко, Ю. Маннинен, Н.Г. Клейменова, Л.И. Громова

НАЗЕМНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ АВРОРАЛЬНОГО ХИССА В ВЫСОКИХ ШИРОТАХ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ЕГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ К ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Аннотация

Авроральный хисс - один из типов естественных ОНЧ излучений, генерируемых в магнитосфере. Генерация происходит в результате развития черенковской неустойчивости высыпающихся электронов с энергиями ниже 10 кэВ. В данной работе представлены результаты наземных наблюдений аврорального хисса в двух точках на близких геомагнитных широтах (~64° MLAT) и разнесенных по долготе на ~400 км: Каннуслехто (Финляндия) и обсерватория Ловозеро (Россия). Предложен и применен новый подход для анализа азимутальных углов прихода волн в точку наблюдений. Показано, что область выхода аврорального хисса из ионосферы находится южнее сопровождающих его возникновение полярных сияний. Для объяснения полученных результатов проведено моделирование распространения аврорального хисса от области генерации до земной поверхности. Результаты моделирования согласуются с результатами наблюдений.

Ключевые слова:

авроральный хисс, область выхода волн, полярные сияния

A.S. Nikitenko, O.M. Lebed, Yu.V. Fedorenko, J. Manninen, N.G. Kleimenova, L.I. Gromova

GROUND-BASED OBSERVATIONS OF THE AURORAL HISS AT HIGH LATITUDES AND MODELING ITS PROPAGATION TO THE GROUND

Abstract

The auroral hiss emission is generated at altitudes of about 10000 - 25000 km as a result of the Cherenkov radiation of precipitating electrons with energies below 10 keV. Ground-based observations of the auroral hiss are typically accompanied by a visible aurora. Simultaneous observations of the auroral hiss at auroral latitudes (~64° MLAT) are carried out at two points located at close geomagnetic latitudes and spaced in longitude by ~400 km: the Finnish Kannuslehto station and the Russian Lovozero observatory. We proposed and used a new approach to estimate the arrival angles of the auroral hiss observed at the ground. It is shown that the ionospheric exit region of auroral hiss is located southward of the visible aurora. To explain the experimental results, we applied a model of the auroral hiss propagation from the generation region through the ionosphere to the ground. The results of modeling are consistent with the observations.

Keywords:

auroral hiss, wave exit point, aurora

Введение

Авроральный хисс - один из типов естественных ОНЧ излучений, генерируемых в магнитосфере. Генерация излучений происходит в результате развития черенковской неустойчивости высыпающихся электронов с энергиями от

нескольких эВ до 10 кэВ. Электромагнитная волна распространяется от области генерации до земной поверхности на частоте выше нижнегибридной частоты и ниже гирочастоты электронов [1, 2]. Наземные наблюдения аврорального хисса, как правило, сопровождаются возникновением дуги полярных сияний. При исследовании таких излучений особый интерес представляет информация о положении области выхода ОНЧ волн из ионосферы и связь между динамикой области выхода и динамикой полярных сияний.

Авроральный хисс является одним из примеров шумовых излучений, генерируемых в магнитосфере. Параметры поля таких излучений изменяются во времени случайным образом. Для интерпретации данных наземных наблюдений шумовых излучений необходимы методы, учитывающие случайную природу генерации этих излучений. В противном случае значительная часть информации может остаться скрытой от наблюдателя. Особую важность учет статистических особенностей имеет при сопоставлении наземных и спутниковых данных.

Целью данной работы является изучение связи между взаимным положением в нижней ионосфере области выхода аврорального хисса и авроральной дуги, сопровождающей его возникновение.

Рис. 1. Карта расположения станций. KAN - Каннуслехто, Финляндия и LOZ -

обс. Ловозеро, Россия

Fig. 1 . The map of the observation sites. Kannuslehto, Finland (KAN) and Lovozero,

Russia

Эксперимент

В данной работе представлены результаты наземных наблюдений аврорального хисса в двух точках, разнесенных по долготе на 400 км и расположенных на близких геомагнитных широтах, - Каннуслехто (KAN, Финляндия) и Ловозеро (LOZ, Россия). На рис. 1 представлена карта расположения точек регистрации. Обе точки оснащены идентичными СНЧ/ОНЧ приемниками. Они предназначены для регистрации горизонтальных компонент напряженности магнитного поля Hx, Hy и вертикальной компоненты напряженности электрического Ez. В работе используется система координат, в которой ось X направлена на север, Y — на восток, Z — вниз. Для регистрации компонент Hx, Hy используются рамочные антенны. Регистрация компоненты Ez ведется с использованием дипольной антенны. Ввиду большой проводимости почвы пренебрегаем компонентами поля волны Ex, Ey и Hz. Регистрация компонент Hx, Hy и Ez позволяет оценивать углы прихода волн tys в точку наблюдений, исключая неопределенность 180 градусов. В данной работе будем

ассоциировать этот угол с углом, который составляет вектор, обратный вектору Пойнтинга, с осью X выбранной системы координат.

Оценка положения области выхода

Наземные наблюдения аврорального хисса показывают, что значения угла изменяются во времени случайным образом. Для интерпретации наземных данных азимутальные углы прихода должны быть представлены в виде их плотностей распределения, а не в виде усредненных значений. В противном случае значительная часть информации может остаться скрытой от наблюдателя. В данной работе мы будем оценивать положение области выхода аврорального хисса, используя распределения плотности потока энергии по азимутальным углам прихода фя.

Запишем выражение для вектора Пойнтинга у земной поверхности, представленной в виде бесконечно проводящей плоскости:

Я = 1 Яе

Здесь точкой обозначены величины, полученные после применения преобразования Гильберта, звездочкой обозначено комплексное сопряжение, символ Яе означает реальную часть комплексной величины.

Чтобы получить распределение плотности потока энергии по азимутальным углам прихода ф8, исходные записи компонент поля были разбиты на перекрывающиеся сегменты. Для каждого отсчета данных из сегмента рассчитывались компоненты вектора Пойнтинга и сглаживались низкочастотным фильтром. Диапазон возможных углов прихода [0°, 360°) разбивался на равные

сектора, после чего рассчитывалось среднее значение модуля вектора Я в каждом секторе. Более подробно метод расчета таких распределений описан в работе [3]. Рассчитанные распределения транспонировались в столбцы и располагались друг за другом, чтобы получить профили изменения во времени распределения плотности потока энергии по углам прихода. На рис. 3 представлены примеры таких профилей. По горизонтальной оси отложено время, по вертикальной - диапазон возможных углов прихода, цветом обозначена плотность потока энергии.

Рис. 2. Спектрограммы аврорального хисса, зарегистрированного 20 декабря 2018 года в KAN и LOZ между 18:00 и 20:00 UT

Fig. 2 . Spectrograms of the auroral hiss registered in KAN and LOZ between 18:00

and 21:00 UT on 2 Feb 2019

Результаты наблюдений аврорального хисса

Исследован аврорального хисс, зарегистрированный в KAN и LOZ 2 февраля 2019 года 18:00 — 21:00 UT. Для проведения анализа из записей компонент поля были удалены импульсные сигналы атмосфериков. На рис. 2 представлены спектрограммы исследуемых излучений после удаления атмосфериков. Для построения распределений плотности потока энергии по углам прихода исходные записи компонент поля были профильтрованы полосовым фильтром с центральной частотой 8500 Гц и шириной полосы 1000 Гц. Отфильтрованные записи разделены на сегменты длиной 8 секунд с перекрытием 50 процентов. На рис. 3 представлены огибающая горизонтальной компоненты напряженности магнитного поля и временной профиль распределения плотности потока энергии по углам прихода. Из рисунков видно, что положение области выхода меняется со временем. В течение всего времени наблюдений максимумы распределений в обеих точках указывают на то, что положение области выхода почти не менялось, и она находилась к юго-западу от станций (азимутальный угол - -135 градусов). Согласно данным наблюдений all-sky камеры, расположенной в обсерватории Ловозеро, регистрируемые излучения сопровождаются появлением на севере полярных сияний (данные не приведены).

Energy flux by azimuth angle distribution

0, 45 90 135 180 -133 -90 -45

LOZ

45 9C 135 18C -135 -9C -45

r KAN

!» h 1 i ^Ufc i  -

The envelope of the magnetic horizontal components

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Time,min

Рис. 3. Огибающая горизонтальной компоненты напряженности магнитного поля и временные профили распределения плотности потока энергии по азимутальным углам прихода аврорального хисса, зарегистрированного 2 февраля 2019 года в KAN и LOZ между 18:00 и 21:00 UT

Fig. 3 . The envelope of the magnetic horizontal components and the time profiles of the Poynting vector distributions 2 Feb 2019 in the time interval 18:00 - 21:00 UT

Модель генерации и распространения аврорального хисса

Чтобы объяснить полученный результат, проведено моделирование распространения аврорального хисса от области генерации в плоско-слоистой ионосфере до земной поверхности. Расчеты проведены с использованием модели, описанной в работе [3] . Схема моделирования представлена на рис. 4.

Рис. 4. Модель распространения аврорального хисса от области генерации то

земной поверхности

Авроральный хисс генерируется на высоте 10000 — 20000 км в результате развития черенковской неустойчивости. Волновой вектор генерируемых волн имеет большую горизонтальную компоненту k/k0>>1, где k - модуль волнового вектора ko = ю / c , ю циклическая частота, c - скорость света в вакууме. Эти волны распространяются на электростатической моде до высот 3000 — 5000 км, где рассеиваются на мелкомасштабных неоднородностях (порядка нескольких метров) в конус прохождения -1< k /ko <1. Лишь небольшая часть рассеянных волн достигает земной поверхности.

Авроральные электроны высыпаются вдоль линий геомагнитного поля. Результаты моделирования показывают, что авроральный хисс должен наблюдаться на земной поверхности южнее области высыпаний. Рассеяние в конус прохождения происходит значительно выше области высыпаний. После рассеяния электромагнитные волны распространяются к земной поверхности практически вертикально.

Обсуждение результатов и выводы

Анализ случая 2 февраля 2019 года показал, что всплески аврорального хисса в течение 3-х часов наблюдений приходили в KAN и LOZ с юго-запада. В эти интервалы времени сияния наблюдались далеко на севере. Соответственно и область высыпаний электронов, ответственных за генерацию аврорального хисса, располагалась значительно севернее точек наблюдений. Наблюдаемые

Fig. 4 . Auroral hiss generation and propagation model

результаты согласуются с результатами моделирования распространения аврорального хисса от области генерации до земной поверхности.

В данной работе предложен метод оценки положения области выхода аврорального хисса, регистрируемого у земной поверхности. Метод применен для исследования этих излучений, зарегистрированных в KAN и LOZ. Проведено моделирование распространения аврорального хисса от области генерации до земной поверхности. Результаты моделирования показали, что область выхода регистрируемого аврорального хисса располагается южнее области высыпаний авроральных электронов, ответственных за генерацию аврорального хисса. Результаты моделирования согласуются с результатами наблюдений.

Благодарности. Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 19-5250025 ЯФ_а (Никитенко А.С.).

Литература

1. Sazhin, S. S., Bullough, K., Hayakawa, M. (1993) Auroral hiss: a review // Planet. Space Sci. 41. 153-166. doi:10.1016/0032-0633(93)90045-4

2. LaBelle, J., Treumann, R. (2002) Auroral Radio Emissions, 1. Hisses, Roars, and Bursts // Space Science Reviews. 101(3). 295-440.

3. Лебедь О.М., Федоренко Ю.В., Маннинен Ю., Клейменова Н.Г., Никитенко А.С. Моделирование прохождения аврорального хисса от области генерации к земной поверхности // Геомагнетизм и Аэрономия. 2019. V. 59. No.5. P.618-627, doi: 10.1134/S0016794019050079

Сведения об авторах

Никитенко Александр Сергеевич

м.н.с., Полярный геофизический институт, г. Апатиты E-mail: alex.nikitenko91@gmail.com

Лебедь Ольга Михайловна,

к.ф.-м.н., н.с., Полярный геофизический институт, г. Апатиты; Федоренко Юрий Валентинович,

к.ф.-м.н., заведующий сектором, Полярный геофизический институт, г. Апатиты Маннинен Юрки,

PhD, Геофизическая обсерватория Соданкюля, Соданкюля, Финляндия

Клейменова Наталья Георгиевна,

д.ф.-м.н., г.н.с, Институт физики Земли, г. Москва

Громова Людмила Ивановна, к.ф.-м.н., ИЗМИРАН, г. Москва