СТАТЬИ

СОЛНЕЧНО-ЗЕМНАЯ ФИЗИКА

СТРУКТУРА И ДИНАМИКА АВРОРАЛЬНЫХ ИНТЕНСИФИКАЦИЙ В ДВОЙНОМ ОВАЛЕ:
СУББУРЯ 26 ДЕКАБРЯ 2000 Г.

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

По результатам одновременных телевизионных наблюдений на высокоширотной обсерватории Баренцбург и авроральной обсерватории Ловозеро, с использованием изображений аврорального свечения со спутника IMAGE исследована тонкая структура и динамика сияний во время суббури 26 декабря 2000 г, когда распределение аврорального свечения представляло двойной овал. Показано, что в процессе развития суббури в полярных сияниях находит свое проявление взаимодействие между процессами, происходящими в разных областях магнитосферы, проекциями которых являются приполюсная и экваториальная кромки двойного овала.

1. ВВЕДЕНИЕ

Как известно по данным спутников, получающих изображения сияний, при интенсивных магнитных возмущениях на последней стадии развития суббури распределение сияний может выглядеть как двойной овал. Он представляет собой две отдельные крупномасштабные системы авроральных дуг на разных широтах: наиболее полярную систему дуг на приполюсной кромке овала и так называемый главный овал (UV oval) на экваториальной кромке [Elphinstone et al., 1996 и ссылки в ней]. Двойной овал имеет протяженность по долготе в несколько часов локального времени. В ночной магнитосфере главный овал связан с внутренней частью центрального плазменного слоя, а система полярных дуг – примыкает к границе между замкнутыми и разомкнутыми силовыми линиями [Elphinsone et al., 1995]. Интенсификации приполюсной и экваториальной областей двойного овала могут происходить как независимо друг от друга, так и быть связанными [Elphinstone et al., 1996; Lazutin et al., 2002]. Однако сам механизм таких интенсификаций и его закономерности пока еще практически не исследованы.
В данной работе представлены результаты детального анализа тонкой структуры и динамики полярных сияний в период возмущения 26 декабря 2000 г. в интервале 19-22 UT, когда распределение аврорального свечения представляло двойной овал. Основной акцент исследования сделан на рассмотрении взаимосвязи процессов, проявляющихся в сияниях двойного овала, северная и южная границы которого регистрировались в Баренцбурге и Ловозеро на фазе нарастания суббури.
Исследование развития сияний в двойном овале важно с точки зрения одного из фундаментальных вопросов геофизики, касающегося механизмов начала суббури и их локализации.

2. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ

Исследования сияний наиболее эффективно проводить комбинированно с использованием как наземных оптических наблюдений в локальных областях, так и наблюдений спутников на больших, часто глобальных, пространственных масштабах. Для проведения исследований использованы координированные телевизионные наблюдения с высоким пространственным и временным разрешением на высокоширотной обсерватории Баренцбург (BAB) ( Ф’= 75.2^o),Λ’= 113.2^o)) и на авроральной обсерватории Ловозеро (LOZ) (Ф’= 64.2^o), Λ’= 115.3^o)).
Рис. 1. Положение станций Баренцбург (ВАВ) и Ловозеро (LOZ) в географических координатах. Большие окружности соответствуют полю зрения телевизионной камеры 90^o на высоте 110 км, маленькие – полю зрения 75^o

На рис. 1 показан фрагмент географической карты, на которой отмечено положение обсерваторий Баренцбург (ВАВ) и Ловозеро (LOZ), и поле зрения телевизионных камер (большая окружность – поле зрения 90^o) на высоте 110 км, маленькая – поле зрения 75^o). Как видно из рисунка, поля зрения обеих камер перекрываются, и таким образом сияния у южного горизонта обсерватории Баренцбург видны на северном горизонте обсерватории Ловозеро.
Положение авроральных активизаций в общей картине авроральных возмущений контролировалось по данным спутника IMAGE.
Были использованы магнитные данные скандинавской сети магнитометров и обсерватории Ловозеро. На рис. 2 показаны Х–компоненты магнитного поля скандинавских станций и Н-компонента в Ловозеро.

3. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ДАННЫХ
В работах [Kornilov and Kornilov, 2003; Корнилов и др., 2004] нами были описаны новые методы обработки телевизионных данных (отдельных кадров и кеограмм), использующие различные процедуры фильтрации многомерных сигналов, которые позволяют обнаружить в сияниях слабые визуальные и субвизуальные структуры. В качестве дальнейшего усовершенствования этих методов была разработана методика обработки телевизионных данных, основанная на скользящем сглаживании последовательных кадров в сочетании с их пространственно-временной фильтрацией. Последующая анимация, т.е. воспроизведение фильтрованных кадров в виде непрерывного фильма, позволяет непосредственно прослеживать и анализировать слабые субвизуальные свечения, интенсивность которых в несколько тысяч раз меньше яркости средних авроральных дуг.

Используемый метод обработки телевизионных изображений также дает возможность непосредственно из серии последовательных кадров быстро строить кеограммы произвольной формы, ширины и ориентации и, таким образом, одновременно анализировать множество различных профилей. При этом профиль кеограммы может двигаться и деформироваться вместе с дугой.

Рис. 2. Х-компонента магнитного поля скандинавской сети станций и Н-компонента обс. Ловозеро. Стрелкой Т^o отмечено начало брейкапа в 2034 UT в Ловозеро

4. АНАЛИЗ ДАННЫХ

Магнитные данные на рис. 2 показывают, что возмущение представлено изолированной бухтой и наблюдалось в большом диапазоне широт ~ 14^o, включающем Баренцбург и Ловозеро. В 1930 UT наблюдалась небольшая бухта на широте острова Медвежий (BJN) ( Ф’= 71.3^o Λ’= 108.7^o). В зените обсерватории Ловозеро суббуря началась в 2034 UT (этот момент отмечен стрелкой и символом Т0) и достигла широты Баренцбурга, находящегося вблизи станции Longyearbyen (LYR). Изображения сияний со спутника IMAGE показывают, что за 1.5-2 часа до начала суббури в Ловозеро, к востоку от меридиана 65?Е в авроральном овале наблюдались локальные активизации сияний, не приводящие к полномасштабной суббуре. В долготном секторе 0-45?Е с 1800 до 2030 UT значительных активизаций сияний не было, распределение аврорального свечения представляло собой двойной овал. Полномасштабная суббуря началась только в 2034 UT, что проявилось в магнитных данных (рис. 2) в виде локальной бухты.


На рис.3а представлено развитие сияний в двойном овале в интервале 2015:35 – 2133:21 UT по данным спутника IMAGE. Приполюсная часть свечения была более выражена, чем экваториальная в период с 2015 до 2034 UT в долготном секторе 0?-45^oЕ. После начала взрывной фазы с 2034 до 2106 UT активизировалась экваториальная часть овала в этом же долготном секторе. Сияния, распространяясь к полюсу, в восточном и западном направлениях, заполнили весь овал. В интервале 2114-2133 UT вновь наблюдалась четко выраженная структура в виде двойного овала, приполюсная кромка которого располагалась на широтах Шпицбергена, а экваториальная - несколько южнее Кольского полуострова.
Развитие сияний в интервале 19-22 UT по наблюдениям в Баренцбурге и Ловозеро показано на рис. 3b в виде стандартных кеограмм, построенных в направлении север-юг, на которых хорошо прослеживается динамика сияний. Параллельные структуры на кеограмме ВАВ, наблюдаюшиеся с 1900 до 2030 UT - периодически сгущаюшийся и движущийся к северу туман.
Начало взрывной фазы суббури в районе зенита обсерватории Ловозеро отмечено вертикальной стрелкой Т под кеограммами. В 1920-2030 UT сияния одновременно наблюдались у южного горизонта ВАВ и у северного горизонта LOZ. Вблизи зенита в LOZ видна южная граница слабого диффузного свечения. В 2032 UT в зените обсерватории LOZ сформировалась дуга сияний, которая хорошо видна на кадрах, представленных на рис. 5.


Рис. 3. Развитие авроральной суббури 26 декабря 2000 г. а – изображение полярных сияний со спутника IMAGE в интервале 2015:35-2133:21 UT.b – cтандартные кеограммы обсерваторий Баренцбург (ВАВ) и Ловозеро (LOZ) в интервале 1900-2200 UT

Особенности тонкой структуры и динамики сияний в двойном овале во время рассматриваемой суббури показаны на рис. 4, где представлен набор фильтрованных кеограмм обсерваторий Баренцбург и Ловозеро в интервале 1930-2130 UT. Кеограммы построены вдоль криволинейных профилей, направление которых указано на телевизионных кадрах, помещенных слева от каждой кеограммы.
Используемый метод обработки телевизионных данных позволил обнаружить за 40 минут до момента Т0 субвизуальные структуры примерно на ~2 градуса широты полюснее дискретных форм сияний у южного горизонта обсерватории Баренцбург (рис. 4а). Эти структуры, отмеченные вертикальными белыми стрелками на кеограмме, были обнаружены только на профиле, обозначенном на телевизионном кадре слева от кеограммы. Они появлялись с периодичностью 6-10 минут и временем жизни 2-3 минуты, двигались с севера на юг и достигали дискретной дуги сияний, в которой в эти моменты наблюдалась активизация свечения.



На рис. 4b показана кеограмма обсерватории Баренцбург за этот же временной интервал, но в направлении вдоль дуги сияний у южного горизонта. Из рисунка видно, что до момента Т0 неоднородности свечения в дуге дрейфовали с запада на восток.
Аналогичные кеограммы для двух дуг сияний, наблюдаемых у северного горизонта обсерватории Ловозеро, приведены на рис. 4с,е.
На кеограмме рис. 4с, соответствующей самой северной дуге в поле зрения TV камеры, неоднородности свечения, также двигались преимущественно с запада на восток. В то время как в южной дуге у северного горизонта (рис. 4е) движение неоднородностей вдоль дуги более сложное.
На рис. 4d представлена фильтрованная кеограмма Ловозеро в направлении север-юг. На этой кеограмме в интервале 2000-2034 UT в диффузном свечении вблизи зенита станции просматривается слабая дуга, появившаяся примерно за 30 минут до брейкапа (Т), которая не видна на стандартной кеограмме LOZ, рис. 3b. От северной границы этой дуги с интервалами 3-7 минут отщепляются субвизуальные пульсирующие с периодом 60-80 c структуры, дрейфующие к северу вплоть до дискретных форм сияний у северного горизонта станции. Эти субвизуальные структуры отмечены белыми, направленными вверх стрелками, в интервале 2000-2015 UT на рис.4d. На этом же рисунке стрелками, направленными вниз, отмечены движущиеся с севера к предбрейкаповой дуге субвизуальные структуры.

Кеограммы вдоль горизонтальных профилей вблизи зенита LOZ приведены на рис. 4f,g. На рис. 4f профиль соответствует положению предбрейкаповой дуги, а на рис.4g – несколько севернее нее. Видно, что до брейкапа в диффузном свечении севернее предбрейкаповой дуги наблюдалось движение субвизуальных структур в направлении с востока на запад, в то время как в самой дуге такие движения крайне слабые.
На рис. 5 показана серия нефильтрованных и фильтрованных телевизионных кадров обсерватории Ловозеро в близкий к началу брейкапа момент времени.
В 2025-2033 UT наблюдалось затухание предбрейкаповой дуги и ее расслоение на три параллельных структуры (направленные вверх вертикальные белые стрелки в 2023-2034 UT в зените на рис. 4d и рис.5, кадр 2030:28).
На фильтрованных кадрах 2020:28-2034:28 на рис.5, вертикальные белые стрелки показывают субвизуальные структуры, дрейфующие с северо-востока на юго-запад, горизонтальные стрелки – встречное движение неоднородностей свечения в восточно-западном направлении в расслоившейся предбрейкаповой дуге.
Начало брейкапа в 2034:28 UT совпадает с моментом контакта этих структур с предбрейкаповой дугой в районе зенита обсерватории Ловозеро (рис. 4d), что, возможно, связано с активизацией свечения на её западном крае, инициирующей брейкап.

Рис. 4. Набор фильтрованных кеограмм обсерваторий Баренцбург (ВАВ) и Ловозеро (LOZ), показывающих взаимосвязь активизаций сияний в двойном овале.


Интересно отметить еще один момент в динамике сияний. До брейкапа на приполюсной кромке овала неоднородности свечения вдоль дискретных форм движутся с запада на восток, а в области диффузного свечения севернее предбрейкаповой дуги и в самой дуге - с востока на запад. В момент брейкапа и после его начала направление движения на приполюсной кромке сохраняется, в то время как в предбрейкаповой дуге меняется на противоположное, и спирали, образующиеся в области диффузного свечения, вращаются против часовой стрелки, если смотреть против направления магнитного поля

5. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Анализ координированных наблюдений развития суббури 26 декабря 2000 г. по данным телевизионных камер в Баренцбурге и Ловозеро и спутника IMAGE показал, что рассматриваемая суббуря началась на экваториальной кромке двойного аврорального овала. Обычно считается, что он образуется в конце фазы восстановления предшествующей суббури [Elphinstone et al.,1996]. В таких случаях приполюсная кромка овала формируется из авроральной выпуклости, достигшей высоких широт. Как показывают магнитные данные скандинавской сети станций и изображения сияний со спутника IMAGE, анализируемая суббуря была изолированной в долготном секторе 0-45?Е, и двойной овал не был следствием развития предыдущей суббури. В работах [Сергеев, Цыганенко, 1980; Lazutin et al.,2002] сообщалось, что полярные дуги существуют до начала взрывной фазы и не исчезают в процессе ее развития. Именно такая ситуация, вероятно, и имела место в рассматриваемой суббуре.
Как известно, полярные дуги на приполюсной кромке овала проектируются в пограничную область плазменного слоя, а диффузное свечение экваториальнее овала дискретных форм – в область ближней к Земле кромки токового слоя [Фельдштейн и Гальперин, 1996; Newell et al., 1998; Kaufman et al., 1990].

Рис. 5. Фрагмент развития аврорального брейкапа в зените обс. Ловозеро 26 декабря 2000 г. Стандартные (1 и 3 горизонтальные ряды) – и фильтрованные (2 и 4 горизонтальные ряды) телевизионные кадры.

Представленные в данной работе исследования показывают, что активизации сияний на приполюсной кромке двойного овала и в его экваториальной части взаимосвязаны. Эта связь начинает прослеживаться в динамике и тонкой структуре как дискретных форм, так и субвизуальных и слабых визуальных диффузных сияний, образующих овал, уже за 30-40 минут до начала взрывной фазы суббури.
В рассматриваемой суббуре на предварительной фазе мы видим цепь последовательных, взаимосвязанных активизаций сияний в разных областях вдоль меридионального профиля овала.

• 1. Субвизуальные структуры полюснее высокоширотной дуги сияний (за 40- 5 мин. до брейкапа), дрейфующие к экватору и связанные с ее периодическими активизациями (рис. 4а).
• 2. Слабые пульсирующие дуги в диффузном свечении на широте обсерватории Ловозеро (за 30-15 мин. до брейкапа), смещающиеся к полюсу и активизирующие дискретные формы сияний на приполюсной кромке овала (рис.4d).
• 3. Периодически появляющиеся на приполюсной кромке овала за 30 минут до начала брейкапа субвизуальные структуры, дрейфующие к экватору и, вероятно, триггирующие брейкап на широте Ловозеро (рис. 4 d).
• 4. Дрейфующие к полюсу дуги, появившиеся при расщеплении однородной предбрейкаповой дуги во время ее затухания за 10-5 мин. до начала брейкапа (рис. 4d).
• 5. Неоднородности в диффузном свечении севернее предбрейкаповой дуги, дрейфующие с северо-востока на юго-запад (рис. 5).
• 6. Неоднородности свечения дрейфующие с запада на восток вдоль предбрейкаповой (рис. 5).
• 7. Пульсации в диффузном свечении с периодом ~ 60 c на южной границе диффузного свечения (рис. 4 d ).

Момент контакта перечисленных выше структур 3, 5, 6 совпадает с началом брейкапа в Ловозеро.
В работе [Vorobjev et al., 2002] было показано, что к полюсу от ярких дуг сияний существует широкая область авроральных высыпаний, в которой потоки высыпающихся частиц достигают значительного уровня в период фазы зарождения и там можно ожидать появления слабого или субвизуального свечения на широтах выше сияний овала. Такие движущиеся к экватору субвизуальные структуры, появляющиеся полюснее аврорального овала, впервые обнаруженные нами в оптических данных (рис. 4а), указывают на сложные процессы, происходящие в удаленных областях хвоста перед началом взрывной фазы суббури.
Наблюдавшиеся во время суббури 26 декабря 2000 г. пульсации в диффузном свечении южнее аврорального овала (см. рис.4d, 2000-2015 UT) и активизирующие вспышки дискретных форм на приполюсной кромке овала, свидетельствуют о том, что на предварительной фазе наблюдаются волновые процессы вблизи внутренней кромки плазменного слоя, распространяющиеся в хвост магнитосферы. В свою очередь, генерируемые ими активизации в хвосте, распространяются к Земле и, вероятно, ассоциируются с началом брейкапа.
Известны механизмы брейкапа, связанные с раскачкой МГД-волн в магнитосферно-ионосферной системе, например, [Erikson et al., 2000].
Взаимосвязь процессов, происходящих в разных областях магнитосферы, вероятно, вообще является закономерной в развитии многих суббурь. Об этом свидетельствуют и результаты, полученные в работе [Kornilov et al., 2000], где было показано, что во время интенсивных и длительных возмущений северная и южная области овала полярных сияний попеременно активизируются, коррелируя с временным сдвигом 5-15 минут между началами брейкапов на севере и юге. Внутри аврорального овала в диффузном свечении были обнаружены волновые структуры, генерируемые активизациями в дискретных формах сияний. Волны, возникая на одной из кромок двойного овала, дрейфовали к его противоположной кромке и там активизировали сияния. Этот результат позволил предположить, что между разными областями ночной магнитосферы, проекциями которых могут быть северная и южная области овала, существует взаимосвязь. По-видимому, взаимосвязь осуществляется различными типами МГД-волн, которые, проходя через области магнитосферы, ответственные за диффузное свечение, модулируют потоки высыпающихся частиц, и таким образом, становятся видимыми.
В работе [Сафаргалеев, Осипенко; 2001] в качестве предвестника суббури, развивающейся на фоне предыдущей активности были рассмотрены дрейфующие к полюсу пространственно периодические структуры, являющиеся, как полагают авторы, ионосферным следом МГД-волн, распространяющихся в области размытой внутренней границы плазменного слоя.
Идея о том, что к развитию полномасштабной суббури приводит взаимодействие процессов вблизи внутренней кромки плазменного слоя и пересоединения в хвосте магнитосферы высказана в работе [Voronkov et al., 2004 и ссылки в ней]. В нашей работе на примере конкретной суббури показано, что это взаимодействие проявляется в тонкой структуре и динамике дискретных и диффузных сияний, образующих авроральный овал, а также в диффузном свечении экваториальнее него и в субвизуальных структурах полюснее овала.

6. ВЫВОДЫ

В динамике и тонкой структуре диффузных и дискретных сияний во время исследуемой суббури, развивающейся в ночном секторе двойного овала, проявляется тесная взаимосвязь процессов, происходящих в разных областях магнитосферы, проекциями которых являются приполюсная и экваториальная кромки овала. Начало взрывной фазы суббури является результатом сложного взаимодействия этих процессов.

Авторы благодарят сотрудников ПГИ за проведение телевизионных наблюдений в обсерваториях Ловозеро и Баренцбург, институты, участвующие в проекте IMAGE Magnetometer Network. Данные спутника IMAGE получены по системе СDAWeb (провайдер S. Mende).
Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (грант 05-05-64353)

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ