СТАТЬИ

СОЛНЕЧНО-ЗЕМНАЯ ФИЗИКА

ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА АВРОРАЛЬНЫХ ПРЕДВЕСТНИКОВ БРЕЙКАПА ПО НАБЛЮДЕНИЯМ СОБЫТИЯ 5 МАРТА 2008 ГОДА)

И.А. Корнилов, Т.А. Корнилова, И.В. Головчанская
Полярный геофизический институт КНЦ РАН, г. Апатиты

АБСТРАКТ По данным камер всего неба станций наземной поддержки системы спутников THEMIS мы изучили авроральный брейкап, в котором авроральные структуры – предвестники брейкапа имели восточно-западную ориентацию, и обнаружили, что в их динамике в течение 30-40 минут до начала брейкапа (Т₀) проявляются признаки волнового процесса. В рассмотренном событии имело место магнитное сопряжение наземных оптических наблюдений с наблюдениями четырёх спутников THEMIS, расположенных примерно вдоль хвоста магнитосферы, которые измеряли характеристики плазмы и энергичных частиц, а также магнитное В и электрическое Е поля, с временным разрешение 3 с. Данные спутников, отфильтрованные в диапазоне периодов 12-120 с, свидетельствовали о присутствии низкочастотной волновой активности в рассматриваемый период времени. Антикорреляция магнитного и плазменного давления, а также синфазное изменение во времени производной δBx/δt и вертикальной компоненты скорости ионов, позволили отождествить плазменные колебания с возмущениями баллонного типа и предположить, что имеет место связь между волновыми проявлениями в динамике авроральных предвестников брейкапа и баллонными волнами в плазменном слое хвоста магнитосферы. Обсуждаются следствия полученных результатов для механизмов триггирования суббури.

УДК 550.383
1. Введение
Со времен работы [Аkasofu, 1964] физика магнитосферной суббури – крупномасштабной реконфигурации, сопровождающейся выделением большого количества запасенной магнитной энергии, была в значительной степени объяснена, однако механизм перехода к взрывной фазе суббури до сих пор окончательно не понят. В этом отношении оптические наблюдения начала аврорального брейкапа, и в особенности его авроральных предвестников, представляют большой интерес, поскольку могут отражать процесс триггирования перехода к магнитной диполизации в хвосте магнитосферы [Аkasofu et al, 2010].

В последние десятилетия большое внимание уделялось изучению предвестников брейкапа, проявляющихся на изображениях камер всего неба как авроральные формы, вытянутые в направлении север-юг (N-S), зарождающиеся на полярной границе аврорального овала, предположительно в связи с ее интенсификациями (polar boundary intensifications), и продвигающиеся на более низкие широты [Rostoker et al, 1987; Henderson et al., 2002; Nishimura et al., 2010]. Эти N-S формы обычно рассматриваются как ионосферные проявления быстрых плазменных потоков (BBFs) в хвосте магнитосферы [Baumjohann et al., 1989], имеющих узкую азимутальную протяженность (1-3 RE , где RE – радиус Земли).
В то же время, хорошо известен другой тип авроральных предвестников брейкапа, когда вытянутые в направлении восток-запад (E-W) авроральные дуги появляются на высоких широтах, распространяются в экваториальном направлении к предбрейкаповой дуге, приближаются и, возможно, контактируют с ней, вызывая при определенных условиях авроральный брейкап [Oguti, 1973; Kornilova et al., 2006, 2008; Mende et al., 2011; Kornilova et al., 2012]. События, в которых в авроральной динамике, предшествующей брейкапу, наблюдаются исключительно E-W авроральные формы, были выделены в работе [Mende et al., 2011] в отдельный класс так называемых E-W событий. Также [Mende et al., 2011] отмечают, что E-W авроральные дуги являются хорошо известным авроральным проявлением, предшествующим переходу к взрывной фазе суббури.
Именно динамика E-W возмущений, предшествующих авроральному брейкапу, является предметом нашего исследования. Далее мы представим наземные оптические наблюдения E-W события по данным камер всего неба станций наземной поддержки спутников THEMIS (раздел 2), привлекая сопряженные спутниковые измерения в магнитосфере, выясним, какие возмущения в плазменном слое могут быть поставлены им в соответствие, и приведем аргументы в пользу того, что эти возмущения можно отождествить с распространяющимися баллонными волнами (раздел 3). Значение результатов исследования для понимания механизма триггирования суббури обсуждается в разделе 4.

2. ДИНАМИКА E-W ПРЕДВЕСТНИКОВ АВРОРАЛЬНОГО БРЕЙКАПА ПО НАЗЕМНЫМ ОПТИЧЕСКИМ НАБЛЮДЕНИЯМ

В этом разделе мы иллюстрируем основные черты динамики предвестников аврорального брейкапа на примере события 5 марта 2008 г. (по оптическим наблюдениям брейкап начался в Т0 =06:04:00 UT).
С привлечением мозаик, составленных из изображений камер всего неба станций наземной поддержки спутников THEMIS [http://themis.ssl.berkeley.edu/gbo/], мы убедились, что в течение ~40 минут, предшествующих брейкапу, наблюдаемые авроральные формы имели E-W протяженность, в то время как N-S структур не наблюдалось. Таким образом рассматриваемое событие относится к E-W событиям по классификации Mende et al. [2011]. Мозаика в момент времени Т0 показана на рис. 1а.


Рис.1. Авроральные данные для события 5 марта 2008 г. а - Фрагмент мозаики, построенной по данным наземной поддержки спутников проекта TEMIS. Положение проекций спутников Р1-Р4 отмечены разными символами (круг, треугольник, квадрат, ромб, соответственно), б и в - стандартная и фильтрованная кеограммы станции GILL, г - фильтрованные изображения сияний, полученные на станции GILL.

Оптические данные станций, составляющих мозаику, были отфильтрованы и скомпонованы в виде avi-фильмов, что позволило проследить динамику слабых авроральных возмущений. (Avi-фильм со сжатием времени примерно в 60 раз по сравнению с реальным временем, построенный по данным канадской станции GILL в интервале 05:50-06:15 UT, можно посмотреть по адресу: ftp://pgia.ru/kornilov/gill.avi).
Можно видеть, что отличительной чертой динамики авроральных структур является развитие волновых возмущений, распространяющихся как в азимутальном (вдоль E-W структур), так и в меридиональном (к экватору) направлениях. Азимутальное распространение в нашем случае направлено преимущественно на запад, хотя иногда наблюдается и распространение на восток. Волновые процессы в динамике авроральных структур до начала брейкапа – часто наблюдаемое явление, примеры которого можно увидеть и в других событиях (см., например, аvi-фильм по данным ст. Ловозеро на ftp://pgia.ru/kornilov/220301l4.avi).
Построенные по данным находящейся в центре мозаики станции GILL (географические координаты 56.4 N, 265.3 E, магнитная полночь в 06:34 UT), кеограммы по N-S профилю, показаны на рис.1б для исходных оптических наблюдений и на рис.1в с применением фильтрации. На фильтрованной кеограмме отчетливо видна полярная кромка аврорального овала и ее периодические интенсификации, а также авроральные возмущения (вытянутые в E-W направлении, как можно видеть из avi-фильма), распространяющиеся с севера на более низкие широты. Некоторые из них отделяются из уярчений полярной кромки.
На рис. 1г приведены характерные фильтрованные изображения камер всего неба за ~ 7 минут до и ~ 3 минуты после начала брейкапа. Изображения иллюстрируют более детально E-W предвестники брейкапа.

3. СРАВНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ДАННЫХ С СОПРЯЖЕННЫМИ НАБЛЮДЕНИЯМИ НА СПУТНИКАХ THEMIS

Для рассматриваемого события имело место магнитное сопряжение наземных оптических наблюдений авроральных предвестников брейкапа с одновременными измерениями плазменных параметров, параметров частиц, а также электрического и магнитного полей (с временным разрешением 3 с) спутниками THEMIS, четыре из которых (Р1, Р2, Р3, Р4) располагались примерно вдоль хвоста магнитосферы.
Их проекции в Т0 = 06:04:00 UT, полученные с использованием модели магнитного поля Т96, нанесены на мозаику (рис.1а). В это время GSM координаты спутников в магнитосфере были следующими: P1 (-19.33, +4.91, -1.65)RE, P2 (-15.72, +4.85, -2.33)RE, P3 (-10.94, +3.95, -1.88)RE, P4 (-10.53, +4.79, -1.85)RE.
Мы исследовали измерения полей и плазмы на спутниках Р1-Р4 в интересующий нас промежуток времени (05:20-06:20 UT) и обнаружили, что датчики регистрируют низкочастотные плазменные колебания (с периодом ~ 1-2 мин), в которых выделяются волновые пакеты большой амплитуды. Они отчетливо видны на рис.2 в измерениях магнитного и плазменного давлений (показанных, соответственно, серой и черной линиями), отфильтрованных в диапазоне периодов 12-120 с.
Вариации давлений δРмагн и δРплазм оказываются в противофазе.

Рис.2. Вариации магнитного (серая линия) и плазменного (черная линия) давлений для четырех спутников THEMIS в интервале 05:20-06:20 UT. Вертикальной линией отмечено начало брейкапа по оптическим данным на ст. GILL. Данные отфильтрованы в полосе 12-120 с.



Рис.3. Флуктуации Bx а и Вz б компонент магнитного поля для спутника Р2; z-компонента скорости ионов (черная линия) и δBx /δt (серая линия на рис. в для спутника Р2), а также Vx –компонента скорости электронов для того же спутника. Аналогичные данные для спутника Р3 приведены на панелях д, е, ж, з.

Кроме того, из рисунков 3в и 3ж следует, что производная δBx /δt (показана серыми линиями) варьирует в фазе с z-компонентой скорости плазмы (черные линии), указывая на вертикальные движения (flapping) плазменного слоя. Известно, что перечисленные признаки являются свойствами возмущений баллонного типа [Miura et al., 1989; Ohtani and Tamao, 1993; Liu, 1997; Mazur et al., 2013].
Мы проверили, проявляют ли обнаруженные флуктуации признаки кинетической баллонной/перестановочной неустойчивости, теоретически предсказанной Pritchett and Coroniti [2010, 2011] и экспериментально подтвержденной в работе [Panov et al., 2012] для изогнутого токового слоя. Эта неустойчивость приводит к нарастанию плазменных структур, сильно вытянутых в радиальном направлении, с большим отношением продольного масштаба к поперечному, ионосферные проекции которых, вытянутые в направлении север-юг (N-S авроральные формы). Однако известных признаков, характеризующих такие структуры в вариациях плазменных параметров и полей [Pritchett and Coroniti, 2010, 2011], мы не обнаружили. Кроме того, в сопряженных оптических наблюдениях отсутствуют N-S авроральные формы.
Таким образом мы пришли к заключению, что для интерпретации наблюдений в E-W событиях эта неустойчивость не является подходящей.



Рис.4. Вариации интегрального потока энергии электронов в диапазоне энергий 200 эВ-30 кэВ 4а, Bx 4б и Вz 4в компоненты магнитного поля и x-компонента скорости ионов 4г для спутника Р2. Аналогичные данные для спутника Р3 приведены на панелях д, е, ж, з, соответственно.

Как следует из рис. 4в и 4ж, в рассматриваемый период времени, предшествующий брейкапу, Bz компонента магнитного поля в плазменном слое не проявляет резких положительных скачков, которые могли бы быть отождествлены с процессами диполизации. Таким образом можно сделать вывод, что наблюдаемые E-Wструктуры не связаны с событиями диполизации/инжекции.
Из рис. 4а и 4д можно видеть, что исследуемые флуктуации существенно модулируют интегральный поток энергии 100 эВ – 30 кэВ электронов (глубина модуляции составляет 30% - 40%), что должно проявляться в вариациях аврорального свечения.
По данным спутников THEMIS было выяснено, какой была бы радиальная скорость баллонных возмущений в предположении, что они просто дрейфуют с фоновой плазмой. Из рисунков 4г и 4з можно видеть, что эта скорость (Vx ионов) направлена к Земле и не превышает ~ 20 км/c на обоих спутниках, что оказывается в 1.5-2 раза меньше радиальной скорости, определенной по задержкам прихода возмущений на более близкие к Земле спутники в предположении, что имеет место радиальное распространение.
Определенная по задержкам прихода возмущений скорость составляет ~ 46.5 км/c между Р2 и Р3 и ~ 30.5 км/c между Р3 и Р4. Отметим, что полученные значения скорости сравнимы со скоростью распространения к Земле баллонных возмущений, выражение для которой было получено в работе [Golovchanskaya and Maltsev, 2005]

(1)

где - частота возмущений, - тепловая скорость протонов (по наблюдениям спутников THEMIS составляет примерно 900 км/с), a – полутолщина токового слоя ( для возмущенных условий), , и - поперечные компоненты волнового вектора возмущений. Если в соответствии с оптическими наблюдениями задать длину волны возмущения в ионосфере ~ 20-25 км (0.25-0.3 RE в магнитосфере, согласно проектированию по модели Т96) и отношение ?y/?x =2, то, согласно формуле (1), скорость распространения возмущений к Земле составляет 30-40 км/с, что согласуется с приведенными выше оценками.

4. ОБСУЖДЕНИЕ И ВЫВОДЫ

В данной работе, используя авроральные наблюдения, мы исследовали динамику авроральных структур - предвестников аврорального брейкапа в промежуток времени ~ 30-40 минут до его начала в E-W событии, согласно классификации Mende et al. [2011], и показали, что она проявляет характер волнового процесса (ftp://pgia.ru/kornilov/gill.avi; ftp://pgia.ru/kornilov/220301l4.avi). С привлечением сопряженных измерений параметров плазмы, частиц и полей в плазменном слое спутниками THEMIS, волновая мода была идентифицирована как баллонная мода. Задавая пространственные масштабы баллонных возмущений в магнитосфере в соответствии с масштабами авроральных возмущений с учетом фактора сходимости магнитных силовых трубок, скорость их распространения к Земле была оценена как ~ 30-40 км/с. Согласно теории баллонных волн в плазменном слое [Golovchanskaya and Maltsev, 2005], они могут распространяться не только в азимутальном, но и в радиальном направлении, хотя и с меньшей скоростью, и, следовательно, переносить баллонные возмущения в ближнюю к Земле область хвоста магнитосферы. Это является важным, поскольку считается, что появление баллонного возмущения (типа bubble или bubble-blob) в ближнем плазменном слое является дестабилизирующим фактором, приводящим при определенных условиях к началу взрывной фазы суббури.
Если в предыдущих работах появление возмущений данного типа связывалось либо с «всплыванием» лазменных пузырей [Erickson and Wolf, 1980: Baumjohann et al., 1989; Angeloupolous et al., 1992], либо с развитием в ближнем хвосте баллонной/перестановочной неустойчивости [Roux et al., 1991; Saito et al., 2008; Pritchett and Coroniti, 2010, 2011; Panov et al., 2012; Kozelova and Kozelov, 2013], в нашей работе указывается еще на одну возможность, именно, на распространение в эту область возмущений в виде баллонных волн.

Мы благодарим сотрудников ПГИ за проведение телевизионных наблюдений полярных сияний в обсерваториях Ловозеро и Лопарская, V. Angelopoulos, S.W. Carlson, J. McFadden и S. Mende за использование авроральных данных наземной поддержки спутников, а также NASA THEMIS контракт NAS5-02099 за данные спутников THEMIS по полям и плазме. Работа поддержана грантом РФФИ № 12-05-00273, программами 22П and 4П Российской Академии Наук.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ