Сияния в северной части овала и процесс магнитного пересоединения

ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 550.383

СИЯНИЯ В СЕВЕРНОЙ ЧАСТИ ОВАЛА И ПРОЦЕСС МАГНИТНОГО ПЕРЕСОЕДИНЕНИЯ*

И. А. Корнилов, Т.А. Корнилова

Полярный геофизический институт КНЦ РАН

Аннотация

Довольно яркие дуги сияний всегда появляются в северной части аврорального овала за 30-40 минут перед развитием брейкапа, и их появление совпадает с началом предварительной фазы суббури. Дуги проектируются в хвост магнитосферы на расстояние 20-30 земных радиусов (Re), в то время как предбрейкаповая дуга проектируется на 5-7 Re. Местоположение проекции северной дуги в магнитосфере (2030 Re) благоприятно для развития процесса магнитного пересоединения, однако спокойные и медленные вариации яркости дуги совершенно не похожи на быстрые взрывные процессы в активных дугах сияний во время брейкапа. Измерялись вариации светимости северной дуги (для 50 событий), которые сравнивались

с параметрами солнечного ветра, зарегистрированными спутниками ACE и WIND с соответствующим временным сдвигом (50-60 мин.). Хотя дуга проектируется в хвост магнитосферы, а спутники находятся примерно на 250 Re перед магнитосферой (т.е. объекты разделены почти двумя миллионами километров), во многих случаях была обнаружена явная корреляция светимости дуги с параметрами солнечного ветра. Можно предположить, что генерация северных структур сияний связана с процессами магнитного пересоединения, происходящими под воздействием энергии внешней силы (солнечного ветра).

Ключевые слова:

магнитосфера, авроральный брейкап, магнитное пересоединение.

Введение

Исследования связи параметров солнечного ветра с различными процессами в магнитосфере начались еще на заре космической геофизики, с запуском первых спутников, обнаружением солнечного ветра и открытием хвоста магнитосферы. Эти исследования активно проводятся и в настоящее время. Изучается влияние солнечного ветра на размеры и конфигурацию аврорального овала на дневной и ночной стороне, на токи в ионосфере, характеристики магнитных пульсаций, анализируется поведение магнитосферы на резкие импульсные скачки давления солнечного ветра и т.д. [1-5]. В основе существенной части современных представлений о физике аврорального брейкапа (он имеет наземное проявление в виде ярких и динамичных сияний) лежит модель взрывного магнитного пересоединения. Очень упрощенно эти представления таковы: под воздействием давления солнечного ветра силовые линии земного магнитного поля вытягиваются, сближаются, наконец, сливаются в пространственно ограниченной области, в которой далее непрерывно и самостоятельно происходит аннигиляция магнитного поля и преобразование его внутренней энергии в энергию плазмы. Разогретая плазма выталкивается из области пересоединения, а в неезатягиваются все новые силовые линии. При этом теория пересоединения игнорирует вопрос о том, чем остановить этот самодостаточный и самоподдерживающийся процесс [6]. Иначе ничто не мешает хвосту магнитосферы исчезнуть полностью, чего явно не происходит.

*

Работа поддержана грантом РФФИ № 12-05-00273, программами 22П и 4П РАН.

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН3/2014

21

И.А. Корнилов, Т.А. Корнилова

В данной статье представлены некоторые факты, показывающие, что магнитное пересоединение в магнитосфере носит не взрывной характер, а происходит под воздействием внешней силы.

Методика измерений и экспериментальные результаты

Примерная схема измерений интегральной яркости северных структур сияний представлена на рис. 1. На цифровом телевизионном кадре (матрица 240*240 чисел) курсором мыши отмечаются 6 ключевых точек (для визуального контроля соединяются отрезками прямых), далее интерполируемых полиномом 4-й степени. Результирующая плавная кривая сдвигается на 20-25 точек, выделяя на кадре криволинейную область соответствующей ширины в северной части кадра. Элементы матрицы кадра суммируются поперек этой области, процедура повторяется для всех кадров анализируемого временного интервала (около 500-600 кадров), формируя так называемую кеограмму, т.е. двухмерную картину временных вариаций светимости

в направлении восток - запад (рис. 2 (1). Сложение всех элементов каждой вертикальной линии кеограммы (или, что то же самое, суммирование всех элементов матрицы кадра внутри выделенной на кадре области, повторенное для каждого кадра) дает одномерную картину интегральных вариаций яркости сияний (рис. 2 (2).

Всего было проанализировано около 50 событий по данным телевизионных камер в Ловозере и Лопарской, когда северные структуры сияний находились в поле зрения камеры. Для примера рассмотрим более детально две даты -03.11.2005 и 31.12.2007.

На рис. 2 последовательно представлены -кеограмма вариаций светимости вдоль северной дуги сияний в направлении восток - запад (1), интегральные вариации яркости дуги (2) и By компоненты магнитного поля, зарегистрированные на спутниках ACE (3) и WIND (4) для 03.11.2005. Положение северной дуги показано на кадре в нижней части рисунка (5). Ориентация камеры такова, что север находится в верхней части кадра, восток слева. Координаты спутников в горизонтальной плоскости магнитосферы представлены на фрагменте справа (6). Наполовину затемненный кружок схематически показывает положение Земли - светлая часть соответствует направленной на Солнце дневной стороне, затемненная - ночной. На рисунке видны явные признаки корреляции (характерные моменты отмечены вертикальными линиями) магнитного поля солнечного ветра и вариаций светимости дуги, если магнитные данные представлены с соответствующим временным сдвигом (около 60 минут). Временной сдвиг связан со временем распространения неоднородностей магнитного облака от местонахождения спутников до хвоста магнитосферы и вполне соответствует прямым измерениям детекторами спутников скорости солнечного ветра (около 480 км/сек в данном случае). Некоторое удивление вызывает тот факт, что задержка для спутника WIND (65 мин.) больше, чем для ACE (60 мин.), хотя WIND находится немного ближе к Земле. Однако в направлении восток - запад спутники разнесены на 80 Re, и сравнение измеренных на спутниках векторов скорости солнечного ветра показывает, что в данном случае фронт магнитного облака подходит к Земле под острым углом, и ACE регистрирует его раньше.

22

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 3/2014

Сияния в северной части овала и процесс магнитного пересоединения

03.11.2005

Рис. 2. Телевизионные и магнитные данные для 03.11.2005: вариации яркости северной дуги

Аналогичные данные для 31.12.2007 показаны на рис. 3. Также отмечаются признаки явной корреляции вариаций свечения северной дуги и магнитного поля на спутниках ACE и WIND, особенно для интервала регистрации сияний 17.15 - 17.40 UT. Корреляция для интервала 18.35 -19.05 хорошо заметна для спутника ACE, но она существенно хуже для спутника WIND. Кроме того, возрастание яркости сияний в 18.05 UT (момент отмечен средней вертикальной линией) практически не проявляется в данных спутников, хотя совпадает с началом роста By компоненты магнитного поля на WIND. Очевидно, все эти детали корреляции связаны с тем фактом, что магнитное поле на спутниках измеряется в конкретной точке местоположения спутника,

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 3/2014

23

И.А. Корнилов, Т.А. Корнилова

а воздействие поля солнечного ветра на магнитосферу носит глобальный интегральный характер. Удивительно (и важно), что такая корреляция вообще есть (как подчеркивалось ранее, между объектами около двух миллионов километров).

Рис. 3. Телевизионные и магнитные данные для 31.12.2007. Вариации яркости северной дуги

24

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 3/2014

Сияния в северной части овала и процесс магнитного пересоединения

Обсуждение и выводы

Представленные данные показывают, что вариации яркости северных структур полярных сияний отчетливо коррелируют с поведением магнитного поля солнечного ветра. Таким образом, вероятно, что физическая природа северных дуг напрямую связана с процессами магнитного пересоединения в удаленных областях хвоста магнитосферы (около 20 Re) под воздействием внешней силы, и темп (скорость) пересоединения полностью контролируется вариациями давления этой силы, т.е. солнечного ветра на хвостовую область магнитосферы. Такой подход позволяет избежать теоретических трудностей, связанных с взрывным (самодостаточным и самоподдерживающимся) процессом, и рассматривать магнитное пересоединение в магнитосфере как процесс конвертации, т.е. трансформации энергии внешней силы (солнечного ветра) в энергию внутри магнитосферной плазмы.

Авторы благодарны сотрудникам ПГИ за проведение телевизионных наблюдений в обсерваториях Ловозеро и Лопарская. Магнитные данные ACE и WIND загружались с сайта базы данных CDAWeb, data providers N. Ness, A. Szabo and R. Lepping.

ЛИТЕРАТУРА

1. Magnetospheric reconnection driven by solar wind pressure fronts / A. Boudouridis, E. Zesta et al. // Annales Geophysicae. 2004. Vol. 22. P. 1367-1378. 2. Villante U. and Di Giuseppe P. Some aspects of the geomagnetic response to solar wind pressure variations: a case study at low and middle latitudes // Annales Geophysicae. 2004. 22. P. 2053-2066. 3. Farrugia C. J., Grocott A. The magnetosphere under weak solar wind forcing // Annales Geophysicae. 2007. Vol. 25. P. 191-205. 4. Shue J.-H., Kamide Y., and Gjerloev J. W. Effects of solar wind density on auroral electrojets and brightness under influence of substorms // Ann. Geophys. 2009. V. 27. P.113-119. 5. Effects of a solar wind dynamic pressure increase in the magnetosphere and in the ionosphere / L. Juusola, K. Andreeva et al.// Ann. Geophys. 2010. Vol. 28. P. 1945-1959. 6. Akasofu S.I. The relationship between the magnetosphere and magnetospheric/auroral substorms // Ann. Geophys. 2013. Vol. 31. P. 387-394. Doi:10.5194/angeo-31-387-2013.

Сведения об авторах

Корнилов Илья Александрович - к.ф.-м.н, ст. научный сотрудник; e-mail: kornilov@pgia.ru Корнилова Татьяна Андреевна - к.ф.-м.н, ст. научный сотрудник; e-mail: komilovа@pgia.ru

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 3/2014

25