|
|
Солнечно-земная
|
опубликовано в сборнике ПГИ "Физика околоземного космического пространства", т.1, Апатиты, 2000"
10. ВЛИЯНИЕ СЕКТОРНОЙ СТРУКТУРЫ И Вy КОМПОНЕНТЫ ММП НА АВРОРАЛЬНОЕ СВЕЧЕНИЕ
11. ВАРИАЦИИ ПОЛОЖЕНИЯ ГРАНИЦ АВРОРАЛЬНОГО СВЕЧЕНИЯ И ПЛАЗМЕННЫХ ВТОРЖЕНИЙ В НОЧНОМ СЕКТОРЕ
12. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
13. ЛИТЕРАТУРА
Как было показано в предыдущем разделе, основным фактором, влияющем на геофизические возмущения являются вариации Bz ММП. Однако на геофизические процессы могут влиять и другие составляющие солнечного ветра. В [Ness and Wilcox, 1964] было показано наличие 27-дневной периодичности ориентации вектора ММП, которая хорошо коррелирует со средним направлением фотосферных магнитных полей. Это является доказательством того, что Солнце является источником ММП. Было также обнаружено, что вблизи Земли ММП обычно бывает направленно к Солнцу или от Солнца, что получило название секторной структуры. Согласно [Svalgaard, 1968; Мансуров, 1969], одновременно в приполюсной области Земли возникают специфические токовые системы, состоящие из зональных токов, текущих на дневной стороне, направление которых определяется направлением ММП в плоскости эклиптики. Секторная структура заключается в том, что в течение одного оборота Солнца направление ММП периодически меняется, Обычно наблюдается 4 сектора, но может наблюдаться и двухсекторная структура.
Секторная структура хорошо видна на картах межпланетного магнитного поля, приведенных на рис.43. Во время 1845 бартельсовского оборота наблюдались 4 сектора, а во время 1849 оборота существовала двухсекторная структура с некоторым нарушением в районе 270 дня. Общая конфигурация магнитного поля соответствует спирали Архимеда.
Появление секторной структуры можно объяснить наличием крупномасштабного квазидипольного магнитного поля Солнца, ось которого наклонена относительно оси вращения [Smith et al., 1978]. Тогда в промежуток времени, когда при вращении Солнца ось диполя наклонена к Земле, в экваториальной плоскости плазма солнечного ветра увлекает составляющую магнитного поля Солнца, направленную к Земле (положительный сектор) и это поле меняет знак в период вращения, когда ось солнечного магнитного диполя наклонена от Земли (отрицательный сектор). Составляющая Ву ММП возникает в солнечном ветре за счет вращения самого Солнца (спираль Архимеда). Такая модель хорошо объясняет двухсекторную структуру. Для более сложных ситуаций необходимо привлекать мультипольные составляющие общего магнитного поля Солнца. Такая секторная структура хорошо проявляется при статистических исследованиях, но в конкретные интервалы времени часто наблюдаются значительные отклонения, которые видны и на рис.9.1. Это связано с тем, что, в отличии от земного, крупномасштабное магнитное поле Солнца подвержено значительным колебаниям, вплоть до изменения знака.
Влияние секторной структуры на вероятность появления полярных сияний было исследовано в [Старков и др., 1973]. Знак сектора определялся по[Wilcox, 1969; Мансуров и др., 1976]. Исследовался широтный ход вероятности появления сияний на полуденно-полуночном меридиане для трех ситуаций: положительный сектор (вектор ММП направлен от Солнца), отрицательный сектор (вектор ММП к Солнцу) и переходный период, соответствующий смене знака. Для положительного и отрицательного секторов учитывались только те дни, когда ориентация вектора ММП в экваториальной плоскости сохранялась не менее 4 дней подряд, причем их рассмотрения исключались два дня, предшествующий и следующий за изменением направления поля. Эти дни относились к ситуации смены знака.
Вероятность появления сияний определялась по аскаплотам как число получасовых интервалов с сияниями в зените к общему числу интервалов наблюдений при чистом небе. Использовались аскаплоты 28 станций северного и южного полушарий за период МГСС. Обрабатывались 4-часовые интервалы наблюдений, центрированные на местные полночь и полдень. Кривые для всех секторов в полуночные часы имеют максимум на F ¢ ~ 7 0 ° и мало отличаются по амплитуде. Заметное различие наблюдается только в районе экваториальной границы овала, где наибольшая вероятность появления соответствует интервалу смены знака и вероятность появления во время отрицательного сектора выше, чем во время положительного.
В полуденном секторе информация имелась только для F ¢ ~ 7 5 ° , что в период минимума солнечного цикла в среднем соответствует области субавроральных широт. В полуденные часы вероятность появления существенно выше в переходные периоды, а при устойчивой ориентации сияния появляются одинакова редко при обоих направлениях ММП.
Для выявления особенностей влияния секторной структуры на полярные сияния было рассмотрено изменение вероятности их появления внутри различных секторов для разных широтных интервалов. Учитывались только те периоды, когда одинаковая ориентация межпланетного магнитного поля сохранялась не менее 6 дней. Вся продолжительность определенной секторной структуры принималась за единицу и разбивалась на шесть равных интервалов (секторы длительностью больше 20 дней не рассматривались).
На рис.50 а приведены вероятности появления сияний внутри секторов в околополуночные часы для станций северного полушария, расположенных в интервале F ¢ = 6 2 - 6 7 ° . Кривая получена осреднением данных девяти станций. Отчетливо выявяется вариация появления сияний внутри сектора. В районе изменения знака ММП сияния появляются наиболее часто. Затем вероятность их появления монотонно уменьшается, достигая минимальных значений внутри сектора. Общий характер изменения вероятности появления сияний
практически не зависит от знака сектора. Некоторое различие заключается только в том, что в переходный период вероятность появления сияний выше для положительного сектора.Для высоких широт (F ¢ ~ 6 7 - 7 7 ° ) характер изменения вероятности появления более однородный. Средняя вероятность появления сияний в два раза выше, наблюдается тенденция некоторого повышения активности сияний при смене знаков секторов, четкий минимум вероятности появления в середине сектора виден только для направления от Солнца. Надо отметить, что из-за ограниченного числа станций эти данные статистически менее обоснованы.
Наиболее явно эффект секторной структуры проявляется в околополуденные часы. В связи с тем, что внутри секторов не обнаружено существенное различие в вариациях частоты появления сияний в северном и южном полушариях для увеличения статистической обоснованности осреднялись данные обоих полушарий. Полученные результаты приведены на рис.50б. В районе смены знака ММП вероятность появления сияний резко увеличивается, превышая среднее значение в середине сектора в 5-6 раз. Характер кривых для обеих ориентаций можно считать одинаковым. Низкая вероятность появления сияний обусловлена тем, что использовались данные станций, расположенных в годы минимума солнечной активности экваториальнее овала сияний. Так же как и для полуночных часов, в рацоне смены знака вероятность появления сияний выше для положительного сектора ММП.
Максимальная вероятность появления сияний в период смены знака, вероятно, связано с тем, что в этот период средняя ориентация оси магнитного диполя располагается в плоскости перпендикулярной к направлению Солнце-Земля и горизонтальная составляющая в этом направлении колеблется вокруг нуля. В этой ситуации особую роль приобретают вариации Bz-составляющая ММП, которая вообще оказывает основное влияние на геофизическую активность.
В [Зверев и Старков, 1982] было изучено изменение положения границ овала в разных секторах ММП и при разном уровне магнитной активности. Использовался тот же набор аскафильмов за период МГГ и та же методика обработки, что и в[Feldstein and Starkov, 1967; Старков и Фельдштейн, 1968]. Весь массив данных был разбит на два в зависимости от знака секторной структуры, значение которого бралось из [Мансуров и др., 1976]. Так как с помощью AL-индекса фиксировалась планетарная магнитная активность, которая тесно связана с Bz ММП, то влияние By исследовалось для разных, но фиксированных значений Bz. Как и в [Старков и Фельдштейн, 1968], изменения границ аврорального овала определялись
для 6 четырехчасовых интервалов.На рис.51 приведены положения авроральных овалов во время разной секторной структуры для трех уровней магнитной активности. При слабой магнитной активности (Q £ 2 ) овалы практически совпадают. Только на полуденном участке ширина полосы свечения для положительного сектора несколько уже и она располагается вблизи экваториальной границы овала, соответствующего отрицательному сектору.
С увеличением магнитной активности начинается заметное расширение аврорального овала на дневной стороне. В 10-14 MLT область свечения сдвигается к экватору с одновременным расширением, причем дневная часть овала полярных сияний для положительного сектора с увеличением магнитной активности постепенно перемещается от экваториальной к приполюсной области свечения для отрицательного сектора, оставаясь все время внутри нее. Значительное относительное расширение области свечения для отрицательного сектора наблюдается также в предполуденные и послеполуденные часы. В 06-10 MLT ширина полосы свечения при AL =6 для отрицательного сектора ММП приблизительно в два раза шире, чем для положительного.
На ночной стороне размеры и положение овалов для обоих секторов практически совпадают. При AL =6 в полночь наблюдается некоторый сдвиг к экватору для отрицательного сектора примерно на 1° широты, что находится в пределах средней квадратичной ошибки. Правда, этот результат совпадает с данными, приведенными в [Оль, 1978], где показано, что при смене знака с положительного на отрицательный происходит изменение широты токовой струи на 0.3 - 0.5° в сторону экватора.
Заметное влияние секторной структуры проявляется только на дневной стороне. Поэтому на рис.52 более детально приведено изменение положения границ овала в полуденные часы в зависимости от магнитной активности для секторных структур разных знаков [Зверев и Старков, 1982]. При направлении ММП к Солнцу ширина полосы свечения значительно больше. С увеличением магнитной активности для обоих секторов наблюдается увеличение ширины полосы свечения. Однако имеются и существенные отличия. Для положительного сектора полюсная граница полосы свечения практически остается на месте и рост ширины полосы происходит только за счет сдвига в более низкие широты экваториальной границы. При отрицательном секторе вся полоса свечения смещается к экватору, но полюсная граница сдвигается медленнее. Для любого уровня магнитной активности, как и на рис.51, в отрицательном секторе ширина дневного участка больше.
Смена знака секторной структуры приводит к изменению знака как Ву, так и Вх ММП и не ясно, какая составляющая играет главную роль. Исследование токовых структур в высоких широтах показало, что они зависят от Ву-компоненты и, вероятно, она оказывает основное влияние на динамику полярных сияний. При Ву > 0 ток в северном полушарии на дневной стороне течет на восток, а при Ву < 0 - на запад [Фельдштейн и др., 1975; Сумарук и Фельдштейн, 1975]. В южном полушарии направление зональных токов обратное. Конвекция в магнитосфере, контролируемая Ву-компонентой, приводит к искажению симметричной двухвихревой системы конвекции плазмы в высоких широтах [Heppner, 1972]. Измерения электрического поля в авроральной зоне северного полушария показали, что оно больше в утренние часы при Ву > 0 и в вечерние часы - при Ву < 0 [Mozer and Lucht, 1974]. Эффект влияния направления Ву на процессы, развивающиеся в северном и южном полушарии, оказываются противоположными. Теоретическое распределение эквивалентных токовых систем были рассчитаны в [Leontyev and Lyatsky, 1874] в предположении проникновения электрического поля солнечного ветра, связанного с Y-компонентой ММП, в магнитосферу и хорошо согласуется с экспериментальными результатами.
Секторная структура наиболее сильно проявляется на дневной стороне. Поэтому было проведено исследование вариаций положения полосы свечения в этом временном секторе в зависимости от величины и знака Ву ММП [Воробьев и Зверев, 1979, 1981]. Основное влияние на положение сияний играет отрицательная компонента Ву. При Ву > 0 вариации положения полосы свечения существенно меньше. Поэтому, чтобы уменьшить влияние Bz отбирались только случаи при Bz > 0. Величины Bz и By взяты из [King, 1977]. Высоты сияний, согласно [Старков, 1968], принимались равными 150 км. Использовались аскафильмы ст. Хейса (F ¢ = 7 4.9 ) для северного полушария и ст. Мирный (F ¢ = 7 6. 6° ) для южного. В связи с тем, что высокоширотная станция Мирный имеет низкую географическую широту и полуденные наблюдения там невозможны из-за солнечной засветки рассматривалась динамика сияний в послеполуденном секторе (13-18 MLT). Исследовался достаточно большой временной интервал, в течение которого положение полосы свечения существенно изменяется в зависимости от местного времени. Поэтому, чтобы исключить эффект смещения сияний за счет вращения Земли, положение границ полярных сияний отсчитывалось от центра среднестатистического овала при Q=4 Старков и Фельдштейн, 1968] [в данный конкретный момент местного времени.
Полученные результаты отдельно для северного и южного полушарий приведены на рис.54 жирными сплошными линиями [Воробьев и Зверев, 1979]. Так как исследовалось положение сияний при Bz > 0 , что соответствует низкому уровню магнитной активности, а отсчет проводился от середины полосы свечения при Q=4, то D F ¢ > 0 . Уменьшение Ву-компоненты сопровождается смещением сияний в более низкие широты. Наиболее cильно это проявляется для экваториальной границы. Характер изменения положения полосы свечения в северном и южном полушариях одинаков. Некоторое различие величины D F ¢ при одинаковых Ву, вероятно, связано с разными углами наклона оси магнитного диполя относительно оси вращения в северном и южном полушариях в зимний период. Зависимости, полученные в [Воробьев и Зверев, 1979,1981], были аппроксимированы квадратичными полиномами и определен коэффициент корреляции между положением границы и величиной Ву. Для экваториальной границы он был равен ~ 0.6, а для полюсной - ~ 0.4. В уравнениях регрессии коэффициенты при квадратичных членах были малы. Характер зависимости в координатах F ¢ = j ( Ву), то есть без учета суточного сдвига овала сияний, получился таким же как и на рис.54, но с меньшим коэффициентом корреляции.
Было также рассмотрено влияние величины положительных Bz на положение дневных сияний [Воробьев и Зверев, 1979]. Оказалось, что здесь тоже наблюдается заметная связь, коэффициент корреляции ~ 0.55, причем увеличение Bz приводит к смещению сияний к полюсу, что эквивалентно уменьшению возмущенности, то есть наблюдается обратный эффект по сравнению с ночной стороной, где рост положительной Bz приводит к увеличению уровня возмущенности, см. предыдущий раздел. В использованных массивах корреляция между Bz и By-компонентами слабая (коэффициент корреляции не превышает 0.15), следовательно, эти компоненты можно рассматривать как независимые переменные. Малая величина коэффициентов при квадратичных членах в аппроксимационных выражения для экваториальной границы позволяет в первом приближении ими пренебречь и применить для этой границы метод множественной линейной корреляции. Уравнения регрессии, связывающее положение экваториальной границы дневных сияний с величинами Bz и By при Bz > 0 имеют вид:
D F ¢ = 0 . 6 ° + 0 . 2 5 Bz + 0.14 By; r = 0.83
для северного полушария и
D F ¢ = 0 . 5 ° + 0 . 15 Bz + 0.13 By; r = 0.76
для южного, где r - коэффициент множественной корреляции. Тонкими сплошными линиями на рис.10.4 показано положение экваториальной границы при разных Ву и постоянных значениях Bz, которые для данных массивов были равны 2.1 нТ и 2.4 нТ соответственно для северного и южного полушарий
.Таким образом, влияние секторной структуры и Ву-компоненты ММП на полярные сияния проявляется в следующем:
Экспериментальные данные, полученные в области высоких широт на космических аппаратах и с помощью наземных наблюдений за авроральным свечением и вариациями геомагнитного поля, дают информацию о положении границ областей плазменных вторжений с различными структурными и физическими характеристиками. Эти данные отражают структуру, динамику и физические процессы в магнитосфере Земли до геоцентрических расстояний в десятки земных радиусов. По результатам наблюдений характеристик высыпающихся электронов со спутников и их отдельных сопоставлений с одновременными наземными данными опубликовано много исследований об особенностях авроральных высыпаний и структуре магнитосферы в различных секторах местного времени. Однако, результаты исследований достаточно противоречивы. Например, в[Feldstein and Galperin, 1985; Фельдштейн и Гальперин, 1996] овал дискретных форм полярных сияний в околополуночном секторе проектируется в область центрального плазменного слоя (СРS). С другой стороны, согласно [Winningham et al., 1975 ], вторжения из центрального плазменного слоя носят диффузный характер, а из граничного плазменного слоя (ВРS) - дискретный и, следовательно, авроральный овал проектируется на
граничный плазменный слой, а экваториальное диффузное свечение связано с CPS. Подобная точка зрения была высказана и в [Lyons, 1992]. Примеры проектирования аврорального овала в разные магнитосферные образования можно существенно расширить.По наблюдениям характеристик высыпающихся частиц на спутниках и аврорального свечения с поверхности Земли удалось существенно усовершенствовать схему вторжения плазмы авроральных энергий в верхнюю атмосферу, предложенную в середине семидесятых годов для полуночного сектора в работе [Winningham et al., 1975]. В результате анализа многочисленных наблюдений на низковысотных спутниках в работах [Фельдштейн и Гальперин, 1966; Newell et al., 1996] была предложена новая классификация областей авроральных вторжений, основанная на особенностях структуры и физических параметрах высыпающихся корпускулярных потоков. При этом классификация плазменных областей, предложенная для полуночного сектора, была распространена на весь интервал ночных часов от 18 до 06 MLT.
В работе [Newell et al., 1996] были предложены, основанные на этой классификации, новые алгоритмы автоматической компьютерной обработки данных спутников серии DMSP для ночного сектора. Эти алгоритмы заменили используемую ранее методику автоматического определения границ [Newell et al., 1991].
В [Воробьев и др., 1999] по данным низковысотных спутников DMSP было проведено статистическое исследование положения границ различных областей авроральных вторжений в ночном секторе и их сопоставление с границами аврорального свечения. Данные о положении границ структурных областей использованы для определения их динамики в зависимости от уровня магнитной активности. Проектирование границ структурных образований в магнитосферу позволит связать зоны авроральных вторжений на низких высотах со структурой и динамикой соответствующих плазменных доменов в магнитосфере.
Использованы данные о положении границ различных зон плазменных вторжений, полученные по наблюдениям на низковысотных спутниках с полярной орбитой DMSP 6 и 7 для ночной авроральной зоны за 1986 год. Всего обработано около 15 000 орбит. В работе использовалась классификация границ, предложенная в [Newell et al., 1996]. Определялись средние положения границ для разных уровней магнитной активности, в качестве которых использовались часовые индексы AE, AL и AU.
Положение границ магнитосферных образований сравнивались с границами аврорального свечения, полученными в [Cтарков, 194б], где приведены математические аппроксимации границ аврорального овала и экваториальной границы диффузного свечения для всех интервалов местного магнитного времени и любых уровней магнитной активности. Эти аппроксимации получены по большому набору наземных и спутниковых экспериментальных данных [Feldstein and Starkov, 1967; Gussenhoven et al, 1983].
По наблюдениям спутников DMSP границы плазменных высыпаний определялись в работе [Newell et al., 1996] по изменению характера вторжений авроральных частиц. Все границы пронумерованы, причем номер растет с увеличением широтного положения границ, которые определялись
отдельно для электронов и ионов. Ниже приведены краткие характеристики границ авроральных вторжений, как они предложены в работах [Newell et al., 1996; Фельдштейн и Гальперин, 1996].Границы b1e и b1i (для электронов и ионов, соответственно) - границы вторжения частиц с “нулевой” энергией. Если широты b1e и b1i примерно совпадают, то предполагается, что эта граница соответствует внутренней границе конвекции, которая в стационарных условиях совпадет с плазмопаузой. Граница b1e соответствует превышению потока энергии больше 10
эрг/см
×
с. Порог для определения границы b2i на два порядка ниже.
Граница b2e соответствует приполюсному краю области, выше которой энергия электронов перестает увеличиваться с ростом широты. Предполагается, что она является внутренним краем центрального плазменного слоя. Граница b2i - это широта максимального потока энергии вторгающихся ионов. Она примерно совпадает с границей изотропного вторжения ионов [Newell et al., 1998]. Предполагается, что изотропизация связана с рассеянием ионов на вытянутых в хвост магнитосферы силовых линиях и b2i совпадает с околоземным краем токового слоя.
Границы b3a и b3b ограничивают с экватора и полюса область, где наблюдаются интенсивные структурированные вторжения частиц с ускорением электронов вдоль силовых линий магнитного поля. В работах [Newell et al., 1996; Фельдштейн и Гальперин, 1996] предполагается, что совпадает с экваториальной границей аврорального овала.
Граница b4s отделяет район пространственно структурированных вторжений (низкий коэффициент корреляции соседних спектров) от области диффузных высыпаний (высокий коэффициент корреляции между соседними спектрами). По смыслу она близка к границе b3b.
Границы b5e и b5i
- это границы, где поток частиц уменьшается по крайней мере в 4 раза при изменении широты на 0,20. Предполагается, что b5e соответствует приполюсной границе аврорального овала.Граница b6 - приполюсная граница мягких вторжений (субвизуального красного свечения), к полюсу от которой наблюдаются только вторжения типа полярного дождя. Предполагается, что она совпадает с границей полярной шапки.
На рис.55 приведены вариации среднего положения всех границ авроральных высыпаний в ночном секторе отдельно для электронов и ионов без учета уровня магнитной активности. Средние значения исправленной геомагнитной широты границ в интервале от 17 до 05 MLT вычислялись для каждого двухчасового интервала и центрировались на середину этого интервала. Средняя квадратичная ошибка в определении положения границ составляет примерно 10-20 широты (не показано на рисунке).
Характер изменений границ зон авроральных высыпаний похож на соответствующие вариации положения аврорального овала и области диффузного свечения. Границы имеют минимальную широту в полуночные часы и поднимаются в более высокие широты в вечерние и утренние часы MLT. Исключение составляет граница b1e, широта которой плавно понижается от вечера к утру, что вероятно отражает соответствующую закономерность в поведении плазмопаузы. Положение всех ионных границ имеет минимум в районе местной магнитной полуночи.
Как следует из данных, приведенных на рис.38а, граница b4s во всем интервале MLT совпадает с границей b3a. Некоторое различие наблюдается только в утренние часы, но оно не превышает ошибку определения. Границы b3b и b5e совпадают в районе полуночи, однако расхождения наблюдаются в вечеренем и утреннем секторах, которые в утренние часы превышают среднюю квадратичную ошибку. По-видимому, структурированные вторжения в утреннем секторе менее
интенсивны, чем в вечернем и тем более в околополуночном секторах, а интенсивность вторжений убывает с увеличением широты.Сопоставление положения границ b1e и b1i показывает, что для электронов и ионов в вечерние и полуночные часы положение границ совпадают, однако в утреннем секторе граница для электронов располагается на 2 - 3° по широте экваториальнее ионной. Для b2 совпадение электронной и ионной границ наблюдается только в районе полуночи. В вечерние часы b2i располагается экваториальнее b2e, а в утренние, как и b1i, полюснее.
Различие широт границ b6
, c одной стороны, и b5e и b3b с другой свидетельствует о том, что между полюсной границей относительно жестких структурированных высыпаний и полярной шапкой существует полоса более слабых по интенсивности и более мягких высыпаний. Такие высыпания могут быть зарегистрированы как полоса слабого диффузного свечения в эмиссии l 630,0 нм. Границы b5e и b5i в пределах точности измерений совпадают во всем исследованном временном интервале MLT.На рис.56 приведены изменения положения основных границ электронных высыпаний в районе местной полуночи в зависимости от уровня магнитной активности, выраженной AL-индексом. Чтобы не загромождать рисунок, средние квадратичные ошибки указаны только как половина отклонения в одну или другую сторону. Сплошными линиями показаны аппроксимации полиномами второй степени вида
F
¢
=
a
+ a
×
[AL] + a
×
[AL]
.
Значения коэффициентов полинома для различных границ приведены в таблице 2.
Из рисунка видно, что границы b1, b2 и b3a опускаются в более низкие широты с ростом [AL]. Широты границ b5 и b6, наоборот, несколько увеличиваются с ростом активности. При спокойных магнитных условиях наблюдается существенный широтный разрыв между границами b5 и b6. С увеличенем [AL] эти границы сливаются, что свидетельствует о том, что с ростом магнитной активности постепенно сужается и исчезает приполюсная полоса мягких высыпаний.
Cопоставление границ электронных высыпаний в полуночном секторе со статистическими границами аврорального свечения, согласно [Старков, 1994б], показывает, что приполюсная граница овала близко совпадает с b5e, а при больших магнитных возмущениях и с b6. Экваториальная граница овала
во всем интервале AL не выходит за пределы ошибки определения границы b2e, но обычно она располагается на 0,5° экваториальнее. Границы b3a и b4s только при спокойных условиях близки к экваториальной границе овала. В остальных случаях эти границы располагаются внутри овала. Экваториальная граница диффузного свечения и b1e совпадают только при низком уровне магнитной активности. С ростом магнитной активности граница диффузного свечения опускается на несколько градусов ниже b1e.На рис.57 показано положение границ аврорального свечения совместно с некоторыми границами электронных высыпаний для всего интервала от 18 до 06 MLT при разных уровнях магнитной активности: [AL] < 40 нТл (a), [AL] = 40-150 нТл (б), [AL] = 150-400 нТл (в) и [AL] > 400 нТл (г). Были выбраны электронные границы b1e, b2e, b5e и b6. Граница b1e, согласно [Newell et al., 1996; Фельдштейн и Гальперин, 1996], характеризует положение плазмопаузы, выше которой наблюдается рост энергии электронов с широтой и можно ожидать, что интервал широт между b1e и b2e будет совпадать с полосой диффузного свечения. Согласно [Newell et al., 1996; Фельдштейн и Гальперин, 1996], граница b5e, характеризующая резкий спад интенсивности структурированных высыпаний, может совпадать с полюсной границей аврорального овала, а граница b6 - c границей полярной шапки. Границы b3a и b4s не показаны на рисунке. Их положения практически совпадают. Границы располагаются несколько выше b2e, причем эта разница увеличивается к утренним часам (см. рис.55).
При спокойных магнитных условиях (рис.57а) граница b1e в полуночные часы хорошо совпадает с экваториальным краем диффузного свечения, но располагается в несколько более низких широтах утром и вечером. Граница b2e находится внутри области диффузного свечения, и с экваториальной границей овала при таком уровне возмущенности лучше совпадает положение границ b3a и b4s. Граница b6 в полночь совпадает с приполюсной границей овала, а в утреннем и вечернем секторах располагается несколько выше. Граница b6 в ночном секторе находится на 2
-30 выше, чем b5e. Последнее может свидетельствовать о том, что при спокойных магнитных условиях полоса субвизуального диффузного свечения примыкает к овалу дискретных сияний со стороны высоких широт.При слабом и среднем уровне магнитной возмущенности (рис.57б и 57в) граница b2e достаточно хорошо совпадает с экваториальным краем овала, а граница конвекции - с экваториальным краем диффузного свечения. Для b2e различие, несколько превышающее ошибку измерения, наблюдается только около 18 и 06 MLT. Расхождение
между положением b1e с границей диффузного свечения наибольшее в районе местной магнитной полуночи. Полярная граница овала совпадает с b5e.При большой магнитной активности положение границ b2e и b5e (рис.40г) совпадают с границами овала дискретных сияний, но граница конвекции в районе полуночи располагается существенно выше экваториальной границы диффузного свечения. Ширина полосы мягких высыпаний полюснее границы b5e быстро сужается при увеличении магнитной активности, и при больших [AL] граница полярной
шапки совпадает с высокоширотной границей овала.Проведено сопоставление границ плазменных вторжений с положением аврорального свечения, которое вызывается электронными высыпаниями. Для этого использовались, главным образом, границы высыпаний для электронов. В работах [Newell et al., 1996; Фельдштейн и Гальперин, 1996] предполагается, что b1e может cоответствовать положению плазмопаузы в периоды, когда b1e и b1i близко совпадают по широте. Как видно из рис.55, именно в утренние часы наблюдается наибольшее
расхождение между b1e и b1i, причем b1i располагается на 1° - 2° выше по широте. Согласно [Newell et al., 1996], граница конвекции частиц с нулевой энергией действительно существует, если две границы b1e и b1i совпадают в пределах 0,250 магнитной широты. При выполнении этого условия совпадение положения b1 с экваториальной границей диффузного свечния существенно улучшается.Различное взаимное расположение границ b2i и b2e
в вечерние и утренние часы, полученное в процессе анализа данных спутников DMSP, отражает установленное по результатам наземных наблюдений взаимное расположение “электронных” и “протонных” полярных сияний. Согласно [Евлашин и Евлашина, 1981], протонное свечение располагается экваториальнее электронных дуг полярных сияний в вечернем секторе и к полюсу от них в утреннем. В работе [Feldstein et al., 1999] этот эффект интерпретируется как результат конвективного и дрейфового движения из ночного магнитосферы ионов на вечернюю, а ионов на утренюю сторону. Граница b2e достаточно хорошо совпадает с экваториальной границей овала, значительное расхождение наблюдается, однако, в утренние часы.Различие между экваториальной границей диффузного свечения и b1e, которое наблюдается, главным образом, в районе магнитной полуночи, возможно обусловлено используемыми для определения границ пороговыми значениями. Как было показано в [Николаенко и др., 1983], положение границы диффузных высыпаний зависит от порогового значения потока энергии, по которому она определяется. При уменьшении этого порога граница смещается к экватору.
В [Feldstein and Starkov, 1970; Deehr et al., 1976] было показано, что граница устойчивого захвата электронов с энергией в 40-кэв хорошо совпадает с экваториальной границей овала в ночном секторе. Наблюдения на спутниках серии DMSP не позволяют однозначно определить эту границу [Newell et al., 1996]. Наиболее близкой к границе устойчивого захвата может быть граница b4s. Однако результаты проведенной статистической обработки показывают, что граница b4s совпадает с экваториальной границей овала только при спокойных условиях, а в остальных случаях как b4s, так и b3a располагаются внутри аврорального овала, ближе к его экваториальному краю. Аналогичный результат был получен и в [Kauristie et al., 1999], где проведено исследование связи границ авроральных высыпаний с оптическими наблюдениями сияний. В этой работе для исследованний выбраны границы b2e
, b4s и b5e. Распределение свечения определялось по снимкам спутника “Викинг” в УФ-области спектра с высоты ~ 1300 км. Сравнение проводилось для трех уровней свечения: приполюсной границы, максимума свечения и экваториальной границы. Приполюсная и экваториальная границы определялись как положение половинной интенсивности свечения от максимума. Само такое определение границ свечения вызывает возражение. Распределение свечения в высоких широтах довольно сложно и на ночной стороне состоит из овала дискретных форм и примыкающего к нему с экватора и с полюса полос диффузного свечения. Авроральный овал определялся как область существования дискретных форм сияний, независимо от их интенсивности. Отсюда следует, что экваториальная граница свечения, определенная как граница, где интенсивность свечения составляяет 0,5 от максимума, может оказаться как в сильном диффузном свечении, так и внутри овала дискретных форм. Дополнительная погрешность вносится тем, что распределение дискретных форм внутри овала часто имеет два максимума интенсивности вблизи приполюсной и экваториальной границ [Гусев, 1980; Зверев и др., 1988], что хорошо видно со спутников [Elphinstone, 1995a, 1995б]. Это явление часто называют “двойной овал”. Определение размеров овала полярных сияний по полуширине двугорбой кривой может оказаться неоднозначным. Тем не менее, полученные нами результаты в некоторых чертах согласуются с приведенными в [Kauristie et al., 1999]. Так, приполюсная граница свечения, согласно [Kauristie et al., 1999], близка к границе b5e, граница b4s располагается внутри аврорального овала на 2° экваториальнее максимума свечения, а примерно совпадает с экваториальной границей аврорального свечения.Основные результаты, полученные при сопоставлении положени границ различных авроральных вторжений с границами аврорального свечения, можно сформулировать следующим образом:
1. Экваториальная граница овала дискретных форм сияний в ночные часы хорошо совпадает с границей b2e
, соответствующей приполюсному краю области, выше которой энергия электронов перестает увеличиваться с ростом широты. Исключение составляет только ситуация при очень слабых магнитных возмущениях, когда граница овала располагается выше по широте на 10-1,50. Предполагается, что граница b2e является внутренним краем центрального плазменного слоя.2. Приполюсный край аврорального овала совпадает с границей резкого уменьшения потока энергии в структурированных высыпаниях и смягчения жесткости спектра высыпающихся электронов.
3. Экваториальный край области диффузного свечения совпадает с положением границы b1e
, которая является внутренней границей конвекции для электронов с “нулевой” энергией. Отличие наблюдается только в районе местной геомагнитной полуночи при очень высоком уровне магнитной активности, когда граница диффузного свечения располагается на более низких широтах, чем плазмопауза. Этот эффект, возможно, связан с тем, что в периоды возмущений плазмосфера очень динамична и авроральная радиация может попадать на низкие L-оболочки внутри плазмосферы.4. Взаимное расположение границ b2i и b2e в утренние и вечерние часы согласуется со взаимным расположением “электронных” и “протонных” сияний, полученным по результатам наземных оптических наблюдений.
5. Между приполюсной границей аврорального овала и полярной шапкой существует полоса мягких электронных высыпаний с существенно меньшим потоком энергии, чем в овале. Ширина полосы уменьшается с ростом магнитной активности и при интенсивных возмущениях граница полярной шапки начинает совпадать с высокоширотной границей овала.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Планетарное распределение полярных сияний представляет собой асимметричный овал, смещенный на ночную сторону.
2. Размеры овала зависят от магнитной активности. При спокойных условиях он похож на кольцо шириной ~
2° . При увеличении магнитной активности размеры овала увеличиваются, причем наиболее значительно это наблюдается на ночной стороне, где расширение идет как к полюсу, так и к экватору. При больших возмущениях ширина овала может преывшать 10° . На дневной стороне рост магнитной активности приводит к смещению к экватору с относительно небольшим расширением.3. Между ночной и дневной частями овала при спокойных магнитных условиях возможно появление появление разрывов. Высоты сияний на ночной стороне ниже, чем на ночной.
4. Экваториальнее аврорального овала наблюдается полоса диффузного свечения, ширина которого составляет в среднем 3-5° широты. Ширина свечения увеличивается с ростом магнитной активности и при больших возмущениях может превышать 10° . Максимальная ширина наблюдается в утренние часы. На экваториальной границе диффузного свечения могут появляться волновые структуры с длиной волны ~ 100-500 км.
5. По данным о высыпаниях авроральных электронов рассчитано распределение свечения для разных высотных уровней и различной величине магнитной активности. Форма овала и полосы диффузного свечения не меняется с увеличением высотного уровня, наблюдается только понижение интенсивности свечения. Плотность потока энергии, вносимой в овал в среднем на порядок выше чем в диффузное свечение. Границы аврорального свечения хорошо совпадают с модельными расчетами при любом уровне магнитной активности.
6. Наблюдается сопряженность как дискретных сияний, так и авроральных овалов в северном и южном полушариях. Особенно хорошо она выполняется в экваториальной части аврорального овала. При сильных суббурях может наблюдаться нарушение сопряженности для высокоширотных сияний.
7. Угол наклона оси земного диполя оказывает некоторое влияние на положение овалов. Учет этого влияния позволяет объяснить долготные вариации положения дневной части овала и долготные вариации вероятности появления на ночной стороне.
8. В конце активной фазы суббури и во время фазы восстановления может наблюдаться раздвоение овала в ночные часы, которое проявляется в появлении двух максимумов интенсивности свечения вблизи полюсной и экваториальной границы полосы свечения. Оно было обнаружено по наземным данным и подтверждено спутниковскими наблюдениями. Такое распределение получило название “двойного овала”.
9. Влияние Bz ММП аналогично влиянию магнитной активности. Ситуация при Bz > 0 соответствует спокойным условиям и овал располагается на тех же широтах, что и при [AL] < 20 нТл. Ситуация с Bz < 0 соответствует магнитным возмущениям. С ростом [Bz] полоса свечения на ночной стороне расширяется, а дневная часть смещается к экватору.
10. Увеличение скорости ветра на ночной стороне приводит к расширению полосы свечения.
11. Секторная структура слабо влияет на динамику овала. Активизация сияний наблюдается только при смене знаков секторов. Размеры овалов при любом уровне магнитной активности практически не зависят от знака сектора, только для полуденного участка ширина полосы свечения боьше для отрицательного сектора.
12. Уменьшение компоненты By ММП на дневной стороне в обоих полушариях приводит к смещению полосы к экватору.
13. На ночной стороне авроральный овал проектируется на центральный плазменный слой, а экваториальный край диффузного свечения - на границу плазмопаузы.
14. Между полюсной границей овала и полярной шапкой существует полоса мягких вторжений, ширина которой уменьшается с ростом магнитной активности.
В заключение автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность проф. Я.И.Фельдштейну, по инициативе которого на заре своей научной туманной юности автор занялся исследованием аврорального овала и в соавторстве с которым было выполнено большинство работ, посвященных этой проблеме. Автор выражает свою благодарность другим соавторам, в первую очередь В.Г.Воробьеву, В.Л.Звереву и В.Е.Иванову, а также J King и Н.Папиташвили за предоставление данных по спутнику IMP-8.
| назад | 
| вперед | 
| оглавление | 
| литература | 
| |
| другие обзоры | 
| |||||||