Опыт тестирования модели овала полярных сияний norusсa

УДК 550.388.2

М. В. Филатов, С. А. Черноус

ОПЫТ ТЕСТИРОВАНИЯ МОДЕЛИ ОВАЛА ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ NORUSСA

Аннотация

Работа посвящена оценке практической возможности использования параметров и характеристик аврорального овала, открытого в шестидесятые годы прошлого века, в современную эпоху. Проводится сравнение местоположения модельных представлений границ овала с их прямыми измерениями наземной камерой полного обзора неба в обсерватории Ловозеро. Делается вывод о хорошем совпадении положения границ. Однако количественные зависимости модельных и измеряемых параметров требуют дальнейшего изучения с привлечением большого массива экспериментальных данных и его статистической обработки.

Ключевые слова:

овал полярных сияний, полярные сияния.

M. V. Filatov, S. A. Chernouss

EXPERIENCE OF TESTING OF THE NORUSСA AURORA OVAL MODEL Abstract

The work is devoted to an assessment of the practical possibility of using the parameters and characteristics of the auroral oval, discovered in the sixties of the last century, in nowadays. A comparison is made between the location of the model representations of the oval boundaries and their direct measurements by the all sky ground camera at the Lovozero Observatory. A conclusion is made about a good coincidence of the boundaries development tendencies. However, the quantitative relationship of modeled and measured parameters require further study with the involvement of a large array of experimental data and its statistical processing.

Keywords:

auroral oval, aurora.

Введение

Настоящее исследование связано с решением задачи прогноза появления мелкомасштабных неоднородностей в полярной ионосфере, возникающих одновременно с появлением дискретных форм полярных сияний. Такая связь показана в работах [1-3]. Наличие пространственно-временного соответствия оптических полярных сияний и возмущений полярной ионосферы, влияющих на распространение сигналов навигационных спутников (ГНСС) может позволить такой прогноз осуществить. Действительно, если мы обеспечим надежный прогноз пространственно-временного распределения полярных сияний, то на основании количественных зависимостей распределения неоднородностей полного электронного содержания в ионосфере и распределения полярных сияний мы получим и прогноз появления неоднородностей, влияющих на распространение высокочастотных навигационных сигналов. Известно, что, вообще говоря, единственным методом, позволяющим контролировать состояние ионосферы в

масштабах всей Арктики в реальном времени, являются оптические наблюдения полярных сияний в ультрафиолетовой области спектра с высокоапогейных спутников типа Polar, Image, Magsat и др. [4]. С ними не могут сравниться ни радарные, ни ионосферные, ни магнитные наземные наблюдения даже на густой сети станций. Для регистрации локальных оптических полярных сияний может также применяться сеть наземных камер полного обзора неба, имеющих ограниченное по сравнению со спутниковыми методами поле зрения, наблюдение которых зависит от наличия экранирующей облачности в нижних слоях атмосферы. Так как высокоапогейные оптические наблюдения в текущем времени нам пока недоступны, приходится обратить внимание на существующие модели, в первую очередь, на модель аврорального овала.

Овал полярных сияний

Выдающимся достижением Международного геофизического года (1957-1958) стало открытие советскими учеными овала полярных сияний, его местоположения над поверхностью Земли в любой момент времени. Оно позволило связать различные физические явления в земных оболочках, магнитосфере и ионосфере, с наблюдаемыми на земной поверхности явлениями. Земную атмосферу на большой высоте можно представить, как экран космического телевизора, на котором в виде причудливых форм сияний можно увидеть проявление вторжений частиц от Солнца, их ускорение, столкновение с атомами и молекулами воздуха, их борьбу с магнитным полем Земли и их гибель. То, что сияния охватывают полюс не сплошным кругом, а кольцом, ученые узнали еще в XIX веке. Этот пояс был построен по немногочисленным визуальным наблюдениям в Арктике и назывался авроральной зоной или зоной Фритца, по имени ученого из Германии ее открывшего. Впоследствии в конце этого века датчанином Тромхольтом, посвятившим свою жизнь изучению полярных сияний, было высказано правильное предположение, что сияния висят кольцом над Землей, а она под ним вращается.

Но только советские ученые О. Хорошева, Я. Фельдштейн и Г. Старков доказали асимметрию этого кольца, положение которого определялось не географическим, а магнитным полюсом, установили его непрерывность и нашли возможность его математического представления (рис. 1). Это было сделано по данным сети непрерывно работающих оптических камер С-180 с обзором от горизонта до горизонта (рис. 2) преимущественно в период Международного геофизического года (1957-1958). В обсерваториях и на станциях СССР в Арктике и Антарктике были установлены более 30 этих приборов, автоматически снимающих небо на кинопленку [6].

Были обработаны тысячи снимков полярных сияний, чтобы показать, что мгновенная картина полярных сияний представляет собой асимметричное кольцо (овал), висящее над полярной областью Земли. На ночной стороне Земли сияний оказалось больше, на дневной — меньше. Оказалось, что овал «дышит», он смещается к экватору при большой солнечной активности, а ширина его значительно увеличивается. Удачным оказалось и само слово «овал», ясно выражающее реальную геометрию мгновенного положения кольца сияний. Это одно из самых значимых открытий в физике ближнего космоса вошло в историю

геофизики, как «авроральный овал Фельдштейна». Когда ученым из первых измерений геомагнитного поля на спутниках стало известно, что магнитосфера Земли тоже несимметрична, стало понятно, что, определяя границы, ширину, асимметрию и другие параметры овала, можно узнать о явлениях, происходящих в ближнем космосе, то есть проводить диагностику околоземного космического пространства. Множество работ в области геокосмических исследований стали обязательно включать в себя (и до сих пор включают) сравнение новых данных с характеристиками овала, и овал является практически естественной системой координат в космической геофизике.

Рис. 1. Кольцо сияний по Хорошевой [5]

Рис. 2. Патрульная камера С-180 для регистрации полярных сияний

В настоящее время появились сомнения в современности парадигмы аврорального овала, высказанные на основании ошибочного мнения, утверждающего, что понятие аврорального овала объединяет все типы активных полярных сияний [7]. Действительно, с точки зрения исследователя магнитосферных механизмов формирования различных форм сияний, использование концепции овала ограничено. Однако это гораздо в меньшей степени касается процессов в ионосфере. На самом деле модель овала и его математическое описание были построены исключительно для дискретных форм сияний [8], что делает его полезным для диагностики влияния полярной ионосферы на распространение навигационных сигналов GPS и ГЛОНАСС в Арктике (рис. 3).

Именно с дискретными формами сияний в период авроральной суббури связаны вариации и неоднородности полного электронного содержания (ПЭС), определяющие распространение трансионосферных сигналов навигационных спутников [9-12]. Таким образом, кроме традиционного значения овала, используемого много лет, он получает новую жизнь в радиофизических полярных исследованиях. Однако встает вопрос о том, насколько положение овала сияний осталось неизменным спустя более чем 50 лет после его открытия и является ли достаточно правомерным его использование в настоящее время. Для этой цели в настоящей работе проводится сравнение прямых измерений южной границы овала с его представлением в модели прогноза КОЯи8СЛ [13].

Материалы и методы

Модель краткосрочного прогноза МОЯ^СА

Изначально создателям модели была известна только зависимость положения аврорального овала от трехчасового Кр-индекса геомагнитных возмущений [8, 14]. Но эта зависимость была только диагностической. Следовало найти возможность превратить эту диагностику в прогноз, и это можно было сделать с помощью прогноза Кр-индекса. В 1997 г. такая

Рис. 3. Положение овала полярных сияний

возможность представилась: в лаборатории Военно-Воздушных сил США был построен виртуальный 15-минутный Kp-индекс WING, который определялся на основании полученных зависимостей Кр от параметров солнечного ветра (в первую очередь от Bz-компоненты) [14]. Реализована эта зависимость с помощью измерений на спутнике ACE, находящемся в точке либрации между Землей и Солнцем на расстоянии около 1 млн км от Земли, то есть можно прогнозировать полярные сияния в зависимости от виртуального Кр, определяемого по параметрам солнечного ветра. Таким образом, двумя ключевыми позициями прогноза являются: 1) зависимость положения овала сияний от Кр, и ее описание в работе Г. В. Старкова [15, 16] и 2) зависимость виртуального Кр от параметров солнечного ветра (индекс WING), представленные на сайте http://kho.unis.no.

Зная индекс WING (виртуальный Кр) можно построить овал сияний заблаговременно, от 1 до 2 ч, в зависимости от скорости движения заряженных частиц от Солнца. Модель прогноза NORUSСA (рис. 4) была реализована в рамках Российско-Норвежского проекта на базе данных ПГИ с участием ученых Геофизического института на Аляске и размещена в Интернете на сайте Университета на Свальбарде (Шпицберген) http//kho.unis.no.

Рис. 4. Овал полярных сияний по модели К0Яи8СЛ при Кр = 6 для 20.12.2015 16:30 ИТ

Прямые измерения экваториальной границы овала

В настоящей работе для определения экваториальной границы сияний используются данные камеры полного обзора неба, расположенной на Кольском полуострове в обсерватории Ловозеро, географические координаты которой 67.98 N 35.08 Е и геомагнитные координаты 64.33 N и 114.28 Е. Эта граница определялась по наиболее сдвинутому к югу краю авроральных дуг и полос в кадре камеры, направленной в зенит, как это показано красной линией на рис. 5.

Рис. 5. Пример снимка камеры полного обзора неба и определение южной границы дискретных полярных сияний

Результаты

Тестирование модели прогноза сияний по прямым оптическим измерениям

В работе проводились измерения положения экваториальной границы полярных сияний двумя методами: расчетным (по данным Фельдштейна и Старкова) и прямыми измерениями этой границы по снимкам камеры полного неба в обсерватории Ловозеро. На графиках по оси абсцисс обозначено время ИТ, по оси ординат на верхних графиках — Кр-индекс, на нижних — геомагнитная широта. Результаты сравнения положения экваториальной границы при выбранных магнитных бурях, приведенные для трех случаев (рис. 6-8), показали достаточно хорошее соответствие экспериментальных измерений и модельных расчетов в двух событиях и приемлемое расхождение в третьем.

Рис. 6. Текущие значения Кр-индексов (вверху) и сечение модельного овала полярных сияний на геомагнитной долготе обс. Ловозеро (светло-зеленая область). Синие точки — северные границы, красные точки — южные границы дискретных полярных сияний по данным камеры всего неба в обс. Ловозеро

с 16 по 18 февраля 2015 г.

Рис. 7. Текущие значения ^-индексов (вверху) и сечение модельного овала полярных сияний на геомагнитной долготе обс. Ловозеро (светло-зеленая область). Синие точки — северные границы, красные точки — южные границы дискретных полярных сияний по данным камеры всего неба в обс. Ловозеро

с 16 по 18 марта 2015 г.

наДь

Рис. 8. Текущие значения ^-индексов (вверху) и сечение модельного овала полярных сияний на геомагнитной долготе обс. Ловозеро (светло-зеленая область). Синие точки — северные границы, красные точки — южные границы дискретных полярных сияний по данным камеры всего неба в обс. Ловозеро

с 19 по 21 декабря 2015 г.

Следует отметить, что на двух приведенных графиках модельные и прямые измерения экваториальной границы практически совпадают, но в одном расхождения составляют около двух градусов широты.

Заключение

Проведенная работа, ограниченная несколькими событиями, указывает на необходимость массированных статистических исследований положения границ овала при различных Кр-индексах на станциях с различными широтами и долготами для проверки правомерности использования данных, характеризующих его положение пятидесятилетней давности в современной ситуации.

Благодарности. Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ 163500293 мол_а и 17-45-510341 р_а. Авторы благодарят А. В. Ролдугина и В. К. Ролдугина за консультации.

Литература

1. Chemouss S. A., Kalitenkov N. V. The dependence of GPS positioning deviation on auroral activity // International Journal of Remote Sensing. 2011. Vol. 32(1). P.3005-3017.

2. Исследования особенностей навигационных сигналов в период авроральных возмущений С. А. Черноус и др. // Химическая физика. 2015. Т. 34, № 10. С. 33-39.

3. Филатов М. В., Швец М. В., Черноус С. А. Особенности приема навигационных сигналов на Шпицбергене в условиях развития полярных сияний // Труды Кольского научного центра. Гелиогеофизика. 2016. № 2, C.84-90.

4. Aarons J. GPS system phase fluctuations at auroral latitudes // J. Geophys. Res. 1997. 102, A8. P. 17219-17231.

5. Хорошева О. В. Пространственно-временное распределение полярных сияний. М.: Наука, 1967. 82 с.

6. Исаев С. И. Морфология полярных сияний. Л.: Наука,1968. 167 с.

7. Лазутин Л. Л. Овал полярных сияний — прекрасная, но устаревшая парадигма // Солнечно-земная физика. 2015. Т. 1, № 1. С. 23-35.

8. Feldstein Ya. I., Starkov G. V. Dynamics of auroral belt and polar geomagnetic disturbances // Planet. Space Sci. 1967. Vol. 15, No. 2. P. 209-230.

9. Полярные сияния как индикатор устойчивости сигнала GPS-приемника / М. В. Филатов и др. // Труды Кольского научного центра. Гелиогеофизика. 2015. №1. С. 93-100.

10. Aurora as Indicator of the Ionospheric Impact on TransIonospheric Navigation Signals / S. A. Chernouss et al. // Proc. V Intern. Conf. "Atmosphere, Ionosphere, Safety" (AIS-2016). Kaliningrad, 2016. P. 185-191.

11. Черноус С. А., Шагимуратов И. И., Калитенков Н. В. Оценка состояния приема навигационных сигналов GPS/ГЛОНАСС в Арктике с помощью регистрации полярных сияний // Сервис безопасности в России: опыт, проблемы, перспективы. Арктика — регион стратегических интересов: правовая политика и современные технологии обеспечения безопасности в арктическом регионе: материалы Всерос. науч.-практ. конф. 2016.

12. Овал полярных сияний как диагностическое средство пространственно-временного распределения неоднородностей ПЭС в Арктике / С. А. Черноус и др. // Гелиогеофизические исследования в Арктике. Мурманск, 2016. С. 48.

13. Deehr Real Time Aurora Oval Forecasting - Svaltrack I. / F. Sigernes.

14. Costello K. A., Moving the Rice MSFM into a Real Time Forecast Mode Using Solar Wind Driven Forecast Models: Ph.D. dissertation / Rice University, Houston, TX. June 1997.

15. Starkov G. V. Mathematical model of the auroral boundaries // Geomagnetism and Aeronomy. 1994. 34, 3. P. 331-336.

16. Starkov G. V. Statistical dependences between the magnetic activity indices // Geomagnetism and Aeronomy. 1994. 34, 1. P. 101-103,

Сведения об авторах Филатов Михаил Валерьевич

м. н. с., Полярный геофизический институт, Апатиты E-mail: mijgun@yandex.ru

Черноус Сергей Александрович

к. ф-м. н., с. н. с., Полярный геофизический институт, Апатиты E-mail: chernouss@pgia.ru