Транзиентные авроральные структуры и инжекции энергичных частиц на геостационарной орбите во время суббури

УДК 550.383

ТРАНЗИЕНТНЫЕ АВРОРАЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ И ИНЖЕКЦИИ ЭНЕРГИЧНЫХ ЧАСТИЦ НА ГЕОСТАЦИОНАРНОЙ ОРБИТЕ ВО ВРЕМЯ СУББУРИ Н.П. Дмитриева1, М.М. Белошкурская1, И.А. Корнилов2, Т.А. Корнилова2

1 Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург.

2Полярный геофизический институт КНЦ РАН, Апатиты

Аннотация

Были проанализированы телевизионные записи 18 авроральных суббуревых событий, во время которых наблюдались движущиеся к экватору кратковременные структуры. Динамика структур сопоставлялась с резким возрастанием энергичных частиц, зарегистрированных спутниками LANL в близком MLT секторе. Для каждой структуры определялось зависящее от времени географическое положение. Авроральные следы дрейфующих к экватору структур и экваториальная граница авроральной выпуклости были спроектированы в магнитосферу по стандартной магнитосферной модели Т96. Сравнение результатов проектирования с наблюдениями энергичных частиц спутниками LANL показало отчетливое усиление потоков электронов (протонов) к утру (к вечеру) от области проекции. Около области проекции наблюдалось одновременное усиление в потоках электронов и протонов. Были рассчитаны дрейфовые траектории для частиц разных энергий и определены азимутальные границы бездисперсионных инжекций. Область проекций авроральных структур, как оказалось во всех случаях, находится внутри или на границе области инжекций. Сделан вывод о том, что кратковременные движущиеся к экватору авроральные следы представляют собой ионосферное проявление ускоренных плазменных инжекций на геостационарной орбите.

Ключевые слова:

суббуря, фазы суббури, авроральные транзиентные структуры, энергичные частицы, инжекции плазмы, динамика сияний, кеограммы сияний.

Введение

Магнитосферная суббуря представляет собой комплекс явлений, происходящих как в плазменном слое хвоста магнитосферы, так и в ионосфере. Главным и наиболее ярким ионосферным проявлением суббури на ночной стороне Земли является связанная с началом взрывной фазы суббури внезапная экспансия сияний к полюсу в виде так называемой авроральной выпуклости (аврорального балджа) [1]. Согласно некоторым работам (например, [2]), результаты проектирования аврорального балджа в магнитосферу показывают, что проекция его полярного края располагается в области источника суббури (нейтральной линии в хвосте магнитосферы). Динамика сияний внутри аврорального балджа во время фазы расширения очень сложна и нестационарна. Некоторые характерные для нее черты описаны в работах [3-5].

Одно из наиболее характерных явлений, наблюдаемых внутри аврорального балджа, -движущиеся к экватору структуры. Это явление было изучено в недавней статье [6] для двух суббурь по наземным телевизионным наблюдениям сияний, по данным спутника NOAA_POES о высыпаниях частиц, по наблюдениям магнитных полей и плазмы в плазменном слое спутниками THEMIS. Было обнаружено, что яркие кратковременные (транзиентные) области сияний имеют отчетливую экваториальную границу, движущуюся к экватору со скоростью 30-50 км/c во время взрывной фазы суббури. В этом случае магнитосферная проекция границы движется к Земле со скоростью около 100 км/с на расстоянии около 7 земных радиусов. Такое значение скорости типично для движущегося к Земле фронта диполизации, связанного с ускоренными инжекциями плазмы во время суббури [7]. В одном из изученных событий было обнаружено пространственно-временное совпадение фронта диполизации, наблюдаемого спутниками THEMIS, с проекцией транзиентного аврорального следа. Связь между экваториально движущейся структурой и ускоренной плазменной инжекцией позволила бы определить глубину проникновения плазмы во внутреннюю магнитосферу, используя авроральные наблюдения. Поэтому цель нашей работы - подтвердить на большем количестве данных связь между динамикой авроральных структур и инжекциями ускоренных частиц.

Наблюдения и расчеты

Исследовано 18 суббурь, выбранных по данным обсерваторий Лопарская, Ловозеро и Туманный. В каждом событии можно было наблюдать мультиплетные движущиеся к экватору транзиентные авроральные следы (рис. 1).

19.40 .50 20.00 .10 . 20 .30 20.40 19.40 .50 20.00 .10 . 20 .30 20.40

Рис. 1. Стандартная (слева) и фильтрованная (справа) кеограммы. Белая кривая на стандартной кеограмме - экваториальная граница транзиентной авроральной области. Белая и красная кривые на фильтрованной кеограмме - транзиентные авроральные следы. Справа от фильтрованной кеограммы - телевизионный кадр. Вертикальная полоса, проходящая через центр кадра, - профиль, вдоль которого строилась кеограмма

Фильтрованная кеограмма была использована для расчета географических координат каждого аврорального следа в зависимости от времени. На основании результатов расчета все следы были спроектированы по модели Т96 на экваториальную плоскость хвоста магнитосферы. Для параметров модели (Рауп, В8Т, ВУ1МР, В2ГМР), имеющих 1-минутное разрешение, было сделано 5-минутное усреднение. Сравнение результатов проектирования с наблюдениями

энергичных частиц спутниками ЬАМЬ на геостационарных орбитах показало в большинстве случаев присутствие всплесков в потоках энергичных частиц: электронов на утренней стороне и протонов на вечерней от области проекции авроральных следов, если спутник расположен около этой области. Такая

зависимость временного

поведения инжекций от их положения была

интерпретирована в работе [8] как версия модели границ

инжекций, в которой границы электронных и ионных

наблюдаемых на геосинхронной орбите. Направленное к Земле инжекций не с°впадают и

движение границ инжекций обеспечивает р-только, р-затем-е, расположены в направлении

одновременно р и е, е-затем-р, и е-только инжекции утро-вечер (рис. 2).

Обычно невозможно установить простое соответствие между вариациями потоков энергичных частиц и отдельных авроральных следов. Каждый пик в потоках частиц обычно соответствует сериям движущихся к экватору следов. Можно наблюдать четко отдельные пики во всплесках энергичных частиц, если такие серии авроральных следов разделены спокойными периодами (рис. 3). В противном случае можно наблюдать длинные периоды сильно структурированных вариаций интенсивности потока.

Рис. 2. Схема смещений областей ионных и электронных инжекций для объяснения различных типов инжекций,

Рис. З. Две серии следов на кеограмме, разделенные спокойным периодом (а).

Два раздельных пика на графиках потоков энергичных частиц на спутниках LANL-97A и 1994-084

Если точка наблюдения расположена к утру (к вечеру) от области инжекции, наблюдается значительная дисперсия времён начала увеличения потоков для электронов (протонов) разных энергий. В таком случае возможно рассчитать дрейфовую траекторию для каждой энергии и найти азимутальную границу бездисперсионных инжекций как точку пересечения траекторий (рис. 4) в соответствии с методом, представленным в работе [9]. Для этого расчета была использована модель Т96.

Рис. 4. Пример определения времени начала возрастания в потоках частиц в разных энергетических каналах (цветные звездочки на верхней панели) и результаты расчетов обратного дрейфа (на нижней панели). Точка пересечения определяет азимутальную границу (МЬТ) бездисперсионных инжекций

Азимутальное положение токового клина суббури (SCW) также было рассчитано для каждого события (на рис. 5 токовый клин отмечен голубым сектором) с использованием пакета программ, разработанных в лаборатории физики магнитосферы Санкт-Петербургского университета с применением магнитометрических данных (http://www.intermagnet.org/Welcom_e/php). В большинстве случаев область проекции авроральных следов находилась внутри токового клина суббури ^С^). Обычно область проекции авроральных следов расположена ближе к вытекающему току.

17.02.2002, 21:00-22:00 УТ

Рис. 5. Пространственно-временное проектирование дрейфующих к экватору авроральных структур и всплесков потоков энергичных электронов на утренней стороне (ЬАЫЬ-084, ЬЛЫЬ-97А), а также всплесков потоков энергичных протонов на вечерней стороне (ЬАЫЬ-01А, ЬАЫЬ-080). Синий круг - геосинхронная орбита, штриховые синие линии - проекции авроральных структур на плазменный слой, жирная синяя линия - начало серии авроральных следов, черная кривая - мгновенная экваториальная граница сияний. Красные звездочки на графике отмечают положение спутника в момент всплеска потока частиц; положение рассчитанной области инжекции отмечено красными отрезками. Токовый клин (БСШ) обозначен голубым сектором

Результаты и выводы

В данной работе исследовано 18 событий, в которых дискретные авроральные следы наблюдались после начала взрывной фазы суббури, и были определены экваториальные проекции этих следов. Спроектированные области авроральных следов сравнивались с границами бездисперсионных инжекций (рис. 5). Все исследуемые события разделены на три группы:

1) авроральные структуры, достигшие зенита обсерватории Ловозеро (67.97К, 35.02Е), 8 событий;

2) структуры, движущиеся к экватору от зенита обсерватории Туманный (69.07К, 35.73Е), 6 событий;

3) структуры, не достигшие зенита обсерватории Туманный, 4 события.

Всплески потоков энергичных частиц по данным спутников LANL принадлежали к группам 1 и 2 (рис. 5). В третьей группе событий они отсутствуют (рис. 6).

Такие авроральные следы и плазменные инжекции были исследованы в работе [6], где использовались данные по магнитному полю со спутников THEMIS для точного проектирования ионосферных явлений в экваториальную плоскость. В нашей работе не было магнитных данных спутников для рассматриваемых событий, поэтому связать каждый авроральный след с

соответствующим

закономерности:

всплеском потоков

Рис. 6. Проекции авроральных структур и мгновенная граница для 05 декабря 2002 г.

было невозможно, однако отмечены некоторые

• всегда наблюдались всплески

потоков энергичных частиц на спутниках LANL в тех случаях, когда области проекции

авроральных следов достигали геостационарной орбиты. В противоположных случаях всплески потоков не

наблюдались;

• как правило, граница

инжекции бездисперсионных электронов и проекции

авроральных следов

расположены близко к

вытекающему току, т.е. в соответствии с тем фактом, что полярные сияния вызваны высыпающимися электронами.

Результаты наших

исследований подтверждают связь между двумя явлениями -дрейфующими к экватору

авроральными следами и

инжекциями энергичной

плазмы из хвоста магнитосферы во внутреннюю магнитосферу. Наземные авроральные

наблюдения могут быть

использованы для определения глубины проникновения

ускоренной плазмы во

внутреннюю магнитосферу.

Авторы благодарны

сотрудникам ПГИ КНЦ РАН за проведение телевизионных и магнитных наблюдений в обсерваториях Ловозеро,

Лопарская и Туманный.

Исследования проводились при поддержке рс^^и, гранты 10-05-00247 и 12-05-00273а, Программой № 4 и № 22 Президиума РАН, а также частично норвежским грантом КОКиЗСА 2.

1. Akasofu S.-I. Physics of Magnetospheric Substorms, D. Reidel, Pub. Co., Dordrecht, Holland. 1977. 2. Yahnin A.G. et al. Relationship between substorm auroras and processes in the near-earth magnetotail / A.G. Yahnin, I.V. Despirak, A.A. Lubchich, B.V. Kozelov, N.P. Dmitrieva, M.A. Shukhtina, and H.K. Biernat // Space Sci. Rev. 2006. Vol. 122. P. 97106. 3. Корнилова Т.А. и др. Электрические поля в магнитосфере и энергетические характеристики активной фазы суббури / Т.А. Корнилова, М.И. Пудовкин, Г.В. Старков // Геомагнетизм и аэрономия. 1994. Т. 34, № 2. С. 56-61. 4. Корнилова Т.А. и др. Скорости движения сияний и распределение электричческих полей во время активной фазы суббури / Т.А. Корнилова, И.А. Корнилов, М.И. Пудовкин, Г.В. Старков // Геомагнетизм и аэрономия. 1997. Т. 37, № 6. С. 47-55. б. Корнилова Т.А. и др. Динамика авроральных дуг во время двойных брейкапов / Т.А. Корнилова, М.И. Пудовкин, И.А. Корнилов, Г.В. Старков, О.И. Корнилов // Геомагнетизм и аэрономия. 2001. Т. 4і, № 3. С. 347-354. б. Sergeev V.A. Auroral signatures of the plasma injection and dipolarisation in the inner magnetosphere / V.A. Sergeev, T.A. Kornilova, I.A. Kornilov, V. Angelopoulos, M.V. Kubyshkina, M. Fillingim, R. Nakamura, J.P. McFadden, and D. Larson // J. Geophys. Res. 2010. Vol. 115, A02202. 7. Apatenkov S. et al. Multispacecraft observation of plasma dipolarisation/injection in the inner magnetosphere // Annual Geophysicae. 2007. Vol. 25. P. 801-814. В. Birn J. et al. Characteristic plasma properties of dispersionless substorm injections at geosynchronous orbit / J. Birn, M.F. Tomsen, J.E. Borovsky, G.D. Reeves, D.J. McComas, and R.D. Belian // J. Geophys. Res. 1997. 102(A2). P. 2309-2324. 9. Shukhtina M.A. et al. Drifting electron holes observed by CRESS spacecraft / M.A. Shukhtina, V.A. Sergeev, L.I. Vagina, R. Rasinkangas, T. Bosinger, K. Mursula, G. Kremser, A. Kort., G.D. Reeves, H.J. Singer // 1996. ISC-3, Versailles, France, 12-17 May, 1996, ESA SP-389.

Сведения об авторах

Дмитриева Наталья Петровна - к.ф.-м.н, ведущий программист, доцент кафедры «Физика Земли» в СПбГУ, e-mail: ndpshka@yandex.ru

Белошкурская Мария Михайловна - студентка СПбГУ, e-mail: belomashka@gmail.com 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: kornilova@pgia.ru