1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Геомагнетизм и аэрономия
  4. T. 60, № 3, 2020

Геомагнетизм и аэрономия, 2020, T. 60, № 3, стр. 318-328

Дневные ОНЧ-излучения во время восстановительной фазы магнитной бури: событие 5 января 2015 г.

Ю. Маннинен 1, **, Н. Г. Клейменова 2, *, Л. И. Громова 3, Ю. В. Федоренко 4, А. С. Никитенко 4, О. М. Лебедь 4

1 Геофизическая обсерватория Соданкюля
г. Сондакюля, Финляндия

2 Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН (ИФЗ РАН)
г. Москва, Россия

3 Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН)
г. Москва, г. Троицк, Россия

4 Полярный геофизический институт (ПГИ)
г. Апатиты (Мурманская обл.), Россия

** E-mail: jyrki.manninen@sgo.fi
* E-mail: kleimen@ifz.ru

Поступила в редакцию 04.12.2019
После доработки 09.01.2020
Принята к публикации 23.01.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Обсуждаются спектральные и временны́е особенности 7-ми часового всплеска дневных ОНЧ шумовых излучений в полосе частот 1‒10 кГц, наблюдаемых на земной поверхности в позднюю восстановительную фазу умеренной магнитной бури (с Kр = 5 и Dst ~ –80 нТл) в условиях практически спокойной космической погоды. Эти ОНЧ-излучения были зарегистрированы одновременно на двух авроральных станциях, расположенных на геомагнитной широте ~64° MLAT, но разнесенных по долготе на ~400 км: финской ст. Каннуслехто (КАН) и российской обс. Ловозеро (ЛОВ). Рассматриваются особенности динамического спектра ОНЧ-волн разных временны́х масштабов. Показано, что в ходе развития обсуждаемого дневного ОНЧ-всплеска, шумовые излучения на частотах ниже 3.5 кГц постепенно переходят в периодические (QP) излучения с квази-повторением ~3 с. Сопоставление направлений прихода отдельных коротких изолированных высокочастотных (выше 5 кГц) ОНЧ-сигналов (типа “птичек”) в КАН и ЛОВ позволило сделать вывод о возможном положении и пространственной динамике области выхода этих волн из ионосферы.

1. ВВЕДЕНИЕ

Известно, например, обзоры [Helliwell, 1965; Вершинин и Пономарев, 1966; Rycroft, 1972; Распопов и Клейменова, 1977; Haykawa and Sazhin, 1992; Sazhin et al., 1993; LaBelle and Treumann, 2002; Manninen, 2005;Трахтенгерц и Райкрофт, 2011; и др.], что наиболее типичными ОНЧ-излучениями в авроральных и субавроральных широтах являются утренние хоры, вечерние и ночные всплески аврорального хисса (слово “хисс” часто переводится на русский язык как “шипения”), шумовые ОНЧ-бури и квази-периодические (QP) излучения. Напомним, что ОНЧ (очень низкочастотные) излучения представляют собой электромагнитные волны свистовой моды (whistler-mode) в частотном диапазоне между гирочастотой ионов и электронов [Helliwell, 1965]. На земной поверхности всплески хоров и аврорального хисса, как правило, наблюдаются во время развития магнитосферных суббурь, ОНЧ шумовые бури ‒ во время магнитных бурь, а квазипериодические ОНЧ-излучения ‒ в спокойных геомагнитных условиях.

Кроме того, в магнитоспокойных условиях был обнаружен особый вид коротких (до нескольких мин) дневных высокочастотных (выше 4–6 кГц) дискретных широкополосных ОНЧ-излучений [Manninen et al., 2016, 2018; Маннинен и др., 2017]. Эти ОНЧ-излучения были названы “bird-emissions” (“птички”), так как на слух они воспринимаются как щебет птиц. Заметим, что этот тип высокочастотных ОНЧ-излучений удалось выявить только после применения специальной цифровой фильтрации, позволяющей очистить записи ОНЧ от импульсных помех атмосфериков [Ohya et al., 2015], полностью экранирующих естественные высокочастотные ОНЧ-излучения.

Регистрация КНЧ-ОНЧ-волн на многочисленных спутниках, например, [Thorne et al., 1973, 1979; Storey et al., 1991; Cornilleau-Wehrlin et al., 1993; Santolik et al., 2001; Meredith et al., 2006; Delport et al., 2012; Summers et al., 2014; Tsurutani et al., 2015: и др.] показала, что внутри плазмосферы на 3 < L < 6 наиболее типичными электромагнитными волнами свистовой моды являются шумовые КНЧ-ОНЧ-излучения – “плазмосферный хисс” по терминологии Thorne et al. [1973]. Эти излучения наблюдаются в любое местное время с наибольшей вероятностью в послеполуденном секторе [Tsurutani et al., 2015] и не только во время магнитных возмущений, но и в их отсутствие [Dunckel and Helliwell, 1969].

В субавроральных, а иногда и в средних широтах, во время магнитных бурь в дневные часы кроме ОНЧ-хоров имели место также широкополосные (от ~1 кГц до ~8‒10 кГц) всплески ОНЧ шумовых излучений общей длительностью в несколько часов с резко меняющейся во времени интенсивностью [Вершинин и Пономарев, 1966; Вершинин и др., 1974; Федякина, 1976, Клейменова и др., 1968]. В работе [Вершинин и Пономарев, 1966] эти всплески были названы “ОНЧ шумовыми бурями”. Наиболее часто такие излучения на земной поверхности наблюдались в главную фазу магнитной бури [Федякина, 1976], но иногда и в начале фазы восстановления бури [Smith et al., 1974].

Подобные дневные ОНЧ шумовые бури нередко регистрировались и в авроральных широтах северной Финляндии на ст. Каннуслехто (КАН) [Manninen, 2005; Маннинен и др., 2013; Manninen et al., 2015] во время зимних кампаний 2006‒ 2019 гг. Наблюдения в КАН показали, что дневные шумовые всплески с продолжительностью в несколько ч (т.е., ОНЧ шумовые бури) наблюдаются не только в главную фазу магнитных бурь, как, например, 8 декабря 2013 г., 21 января 2016 г., 27 марта 2017 г., 8 сентября 2017 г. и др., но и в позднюю восстановительную фазу бури после окончания геомагнитных возмущений. Одним из таких случаев был длительный (порядка 7 ч) дневной всплеск ОНЧ-излучений 5 января 2015 г.

Целью данной работы являются детальные исследования спектрально-временны́х особенностей и временнóй динамики дневного всплеска ОНЧ-излучений 5 января 2015 г., наблюдаемого одновременно на двух авроральных станциях, расположенных на близких геомагнитных широтах (~64° MLAT), но разделенных по долготе на ~400 км: финской ст. Каннуслехто (КАН) и российской обс. Ловозеро (ЛОВ).

2. ДНЕВНЫЕ ОНЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ 5 ЯНВАРЯ 2015

На рисунке 1 показана спектрограмма ОНЧ-излучений в интервале 05‒15 UT (08‒ 18 MLT), полученная в КАН 5 января 2015 г. Верхняя граничная частота спектрограммы (10 кГц) выбрана для исключения радиопомех дальних радиостанций, работающих на частотах выше 10 кГц, а низкочастотная отсечка (1 кГц) для исключения возможных индустриальных помех промышленной сети. При некотором воображении ОНЧ-спектрограмма напоминает очертания лежащего на земле слона, поэтому мы назвали это ОНЧ-событие “слоном”.

Рис. 1.

Спектрограмма ОНЧ шумовой бури в КАН, несколько напоминающая лежащего слона. Интенсивность излучений приведена в относительных единицах (дБ).

ОНЧ-регистрация в КАН (географические координаты: ϕ = 67.74° N, λ = 26.27° E, исправленная геомагнитная широта Ф = 64.2° MLAT; L ~ 5.5) проводится с помощью двух взаимно перпендикулярных рамочных антенн. Описание приемной аппаратуры и методов первичного анализа ОНЧ-волн приведено в работе [Manninen, 2005]. Результаты первичной обработки ОНЧ-наблюдений в виде минутных, часовых и суточных цветных спектрограмм (0‒16 кГц) волн находятся на сайте (http://www.sgo.fi/pub_vlf/). Отсутствие в КАН регистрации вертикальной электрической компоненты поля не позволяет определять азимут прихода ОНЧ-волн, а только направление с неоднозначностью в 180°, например, вдоль меридиана север-юг, но не ясно с севера или с юга.

Результаты ОНЧ-наблюдений в КАН были сопоставлены с подобными наблюдениями в российской обс. Ловозеро (ЛОВ, международный код – LOZ, географические координаты 67.97° N, 35.02° E), находящейся на близкой КАН геомагнитной широте (~64° MLAT) на расстоянии около 400 км к западу. Регистрация ОНЧ-излучений в ЛОВ проводится с использованием также двух взаимно перпендикулярных рамочных антенн, но в дополнение к которым, в отличие от КАН, осуществляется регистрация вертикальной электрической компоненты поля, что позволяет определить азимутальные углы прихода ОНЧ-волн, а не только направление прихода , как в КАН. Антенны приемников откалиброваны в соответствии с методикой, описанной в работах [Fedorenko et al., 2014; Пильгаев и др., 2018]. В обеих точках применяется предварительная фильтрация импульсных помех (атмосфериков).

2.1. Условия космической погоды во время всплеска ОНЧ-волн

Рассмотрим условия космической погоды, во время которых наблюдались обсуждаемые ОНЧ- излучения. На рисунке 2 показаны вариации некоторых геоэффективных параметров космической среды: вертикальной компоненты межпланетного магнитного поля (Bz ММП), скорости (V) и плотности (Np) солнечного ветра (1-мин данные OMNI, (http://cdaweb.gsfc.nasa.gov/)), а также индексов глобальной геомагнитной активности (Kp, SymH, AL) за 4 и 5 января 2015 г., т.е. до и во время обсуждаемого события. Видно, что 4 января отмечалась умеренная магнитная буря, в главной фазе которой Dst (SymH) было ~ –80 нТл, Kр = 5, а значения AL-индекса достигали –1000 нТл. С появлением в межпланетном поле устойчиво положительных значений Bz ММП (после 06 UT) и резкого уменьшения плотности солнечного ветра, суббуревая магнитная активность уменьшилась (AL-индекс стал всего около –100 нТл), и началась поздняя восстановительная фаза этой бури. Однако в это время в кольцевом токе отмечался достаточно высокий уровень захваченных электронов, на что указывает значительная величина SymH индекса кольцевого тока (порядка ‒40 нТл), несмотря на то, что значения индекса Kр упали до 2. В этих условиях и наблюдалась обсуждаемая ОНЧ шумовая буря (затемненная область на рис. 2).

Рис. 2.

Условия космической погоды (а) ‒ 4‒5 января 2015 г., т.е. до и во время обсуждаемого дневного всплеска ОНЧ- излучений (выделен серым цветом): вариации Bz ММП, скорости (V) и плотности (Np) солнечного ветра, планетарной геомагнитной активности (Kр), интенсивности кольцевого тока (SymH) как индикатора магнитной бури и AL-индекса суббуревой активности; (б) – положение плазмопаузы по данным спутников RBSP в начале и середине ОНЧ шумовой бури.

Справа на этом рисунке показано положение плазмопаузы по данным спутников RBSP-A, B (Van Allen Probs) (http://enarc.space.swri.edu/ PTP) в начале и конце ОНЧ шумовой бури (черным кружком показана проекция положения КАН и ЛОВ). Видно, что в этот период времени станции находились далеко за плазмосферой.

Все обсуждаемые ранее [Вершинин и Пономарев, 1966; Вершинин и др., 1974; Федякина, 1976; Клейменова и др., 1968; Распопов и Клейменова, 1977] дневные шумовые всплески длительностью в несколько часов (“ОНЧ шумовые бури”) наблюдались, как правило, в главную фазу магнитной бури. В отличие от этого, обсуждаемое событие было зарегистрировано в позднюю восстановительную фазу умеренной магнитной бури в относительно спокойных условиях космической погоды.

Это четко видно на рис. 3, где более детально приведены условия космической погоды во время обсуждаемого ОНЧ-всплеска: вариации Bz-компоненты ММП, динамического давления солнечного ветра (Psw) с 1-мин разрешением, а также вариации индексов геомагнитной активности. Для оценки уровня наземных геомагнитных возмущений мы использовали 1-мин индекс глобальной магнитной активности (SML), который является обобщением известного индекса AL [Davis and Sugiura, 1966] и вычисляется по той же методике, но по данным наблюдений не на 12 авроральных станциях северного полушария, как AL-индекс, а на глобальной сети SuperMag (http://supermag.jhuapl.edu/), состоящей из более 300 станций, расположенных как в более низких, так и в более высоких широтах [Newell and Gjerloev, 2011; Gjerloev, 2012]. Локальная геомагнитная активность в Скандинавии, где расположены станции ОНЧ-наблюдений, определялась по IL-индексу (http://space.fmi.fi/image/), который вычисляется по той же методике, что и AL- и SML-индексы, но по данным наземных наблюдений на меридиональном профиле IMAGE [Viljanen and Häkkinen, 1997], состоящем в настоящее время из 40 наземных станций.

Рис. 3.

Геофизическая обстановка во время обсуждаемого дневного всплеска ОНЧ-излучений (выделен серым цветом): (а) – вариации Bz ММП и динамического давления солнечного ветра (Psw), а также глобальный (SML) и локальный (IL) индексы геомагнитной активности; (б) – карты распределения глобальной геомагнитной активности по данным наблюдений SuperMag (подробности в тексте).

Всплеск дневных ОНЧ-излучений (ОНЧ шумовая буря) начался около 06 UT после поворота Bz ММП к северу. В течение всего ОНЧ-всплеска направление ММП практически оставалось неизменно северным (положительные значения Bz ММП). Всплеск прекратился с поворотом Bz ММП к югу около 12 UT. Динамическое давление солнечного ветра (Psw) в течение всего ОНЧ-всплеска оставалось стабильным с незначительными флуктуациями, но относительно высоким ~3 нПа, что свидетельствует о значительном поджатии магнитосферы. В начале всплеска ОНЧ-излучений, в 06‒07 UT, наблюдалось некоторое возрастание геомагнитной активности (рис. 3а), что может быть результатом предшествующих отрицательных значений Bz ММП. Эти геомагнитные возмущения развивались в ночном секторе Земли, что видно на верхней карте SuperMag (рис. 3б) глобального распределения векторов возмущений магнитного поля, повернутых на 90° по часовой стрелке, чтобы показать направление ионосферных эквивалентных электрических токов. В дневном секторе (в Скандинавии) в тот интервал времени значительных магнитных возмущений не наблюдалось, что видно и по вариациям IL-индекса (рис. 3а).

Дальнейшее развитие всплеска ОНЧ-излучений (08‒12 UT) проходило на магнито-спокойном фоне. В ночном секторе суббуревая геомагнитная активность была низкой, и значения как AL-, так и SML-индексов не превышали –100 нТл (рис. 2, 3). В дневном секторе, т.е., на меридиане IMAGE, геомагнитных возмущений также не отмечалось, значения IL-индекса варьировались около –20 нТл. Это видно и на карте SuperMag глобального распределения магнитной активности (рис. 3б, нижний график), построенной для 09:30 UT.

2.2. Особенности динамического спектра обсуждаемых ОНЧ-излучений

Динамический спектр обсуждаемого ОНЧ-события приведен на рис. 1 по данным наблюдений в КАН. Спектрограмма дневных ОНЧ-излучений в обс. ЛОВ (здесь не приводится) в общих чертах подобна ОНЧ-спектрограмме в КАН. Подобие динамического спектра излучений в двух точках, разнесенных по долготе на ~400 км, может быть результатом относительно большой долготной области выхода ОНЧ-волн из ионосферы. В обеих точках ОНЧ шумовые излучения в полосе частот ниже 4 кГц были право-поляризованы, что свидетельствует о том, что область выхода ОНЧ-волн из нижней ионосферы располагалась недалеко от нахождения приемников ОНЧ-волн [Yearby and Smith, 1994].

Видно, что ОНЧ-излучения начались с постепенного, почти 40-мин возрастания верхней граничной частоты волн с ~2.0 кГц до ~3.5 кГц, и нижней граничной частоты с ~1.2 кГц до ~2.0 кГц. Наблюдения показали, что в обеих точках эти ОНЧ-излучения приходили преимущественно с юга. В интервале 05‒07 UT кроме этих низкочастотных шумовых ОНЧ наблюдалось возбуждение серии коротких высокочастотных (больше 5 кГц) сигналов (“птички” по терминологии [Маннинен и др., 2017]). Подобные ОНЧ-сигналы наблюдались и в конце обсуждаемого ОНЧ- всплеска в интервале 10‒14 UT.

Для определения характеристик поляризации магнитных компонент квазишумовых сигналов “птичек” мы применили метод обработки, описанный в работе [Рытов, 1966]. Этот метод позволяет оценить мощность шумовой составляющей, в которой компоненты поля ОНЧ-сигнала случайны во времени и не связаны между собой, и регулярной составляющей, в которой компоненты сигнала так же, как и в шумовой, случайны во времени, но обладают определенной поляризацией. Для характеристики последней применяются индексы линейной и круговой поляризации. Наиболее информативным параметром является индекс круговой поляризации, поскольку в силу специфики распространения сигналов магнитосферного происхождения по волноводу Земля ионосфера этот индекс положителен под областью выхода из ионосферы и на расстоянии до 100‒150 км от ее границ, и становится отрицательным на больших расстояниях. Другими словами, вблизи и на небольшом удалении от области выхода в северном полушарии сигнал право-поляризован, а вдали от нее лево-поляризован. Этот факт может быть использован для оценки расстояния от регистратора до области выхода.

Результаты эксперимента показали, что в начале всплеска, в 05‒07 UT, “птички” были лево-поляризованы, а в конце всплеска в 11‒13 UT- право-поляризованы. Можно предположить, что сначала ионосферная область выхода высокочастотных ОНЧ-волн (“птичек”) располагалась значительно дальше от наземных ОНЧ-приемников, чем в конце обсуждаемого ОНЧ-всплеска.

В течение всего всплеска, по крайней мере, с 07 до 11 UT, верхняя граничная частота низкочастотных ОНЧ-волн оставалась примерно одинаковой (~3.0‒3.5 кГц). Это было типичным и для всех наблюдаемых ранее таких длительных дневных ОНЧ-возмущений (“ОНЧ шумовых бурь”). Следовательно, можно предположить, что наименьшая (т.е. ближайшая в Земле) L-оболочка области генерации этих волн в магнитосфере является относительно постоянной.

Для того, чтобы проследить временнýю динамику данного ОНЧ-всплеска, рассмотрим более подробно три 30-мин интервала в начале, середине и конце всплеска (рис. 4а–4в, соответственно), на верхних графиках приведены спектрограммы КАН, на нижних ЛОВ, (на рисунках указаны международные коды: Каннуслехто – KAN и Ловозеро – LOZ). Четко видно, что динамические спектры ОНЧ-излучений в КАН и ЛОВ в 30-мин временнóм интервале подобны.

Рис. 4.

Спектрограммы ОНЧ-излучений (30 мин) в КАН и ЛОВ в начале (а), середине (б) и конце (в) обсуждаемой ОНЧ шумовой бури. В исходных данных все спектрограммы приведены в цвете, что значительно нагляднее.

В начале всплеска в обеих точках видны короткие интенсивные ОНЧ-всплески на частотах выше 5 кГц, т.е. “птички” (рис. 4а). Наиболее интенсивные “птички” наблюдались на фоне возрастания частотной полосы хисса в 06‒07 UT. Для примера рассмотрим две 3-мин спектрограммы таких сигналов с началом в 06:10 UT и 06:30 UT (рис. 5а и 5б соответственно). Видно, что спектрограммы в обоих событиях в КАН и ЛОВ были подобными. По методике [Никитенко и др., 2018], основанной на оценках распределения потока энергии по азимутальным углам, было определено направление прихода волн, которое оказалось разным в КАН и ЛОВ.

Рис. 5.

Примеры 3-х мин спектрограмм “птичек” в КАН и ЛОВ в начале ОНЧ шумовой бури: (а) в 06:10 UT, (б) в 06:30 UT.

Первое событие (06:10‒06:12 UT) состояло из последовательности двух коротких (20 и 30 с) шумовых всплесков с падающей частотой [Маннинен и др., 2017], сначала излучения отмечались в полосе частот ~6.5‒9.0 кГц, а затем – в полосе ~5.0–7.0 кГц (рис. 5а). По данным измерений в ЛОВ оба всплеска пришли в ЛОВ с юго-запада. В то же время в КАН волны приходили вдоль меридиана, но не известно, расположена область выхода волн к северу или к югу от КАН, поскольку определение азимута прихода волн в КАН возможно лишь с неоднозначностью в 180°. Исходя из подобия спектрограмм в КАН и ЛОВ, можно предположить, что излучения, зарегистрированные в этих точках, имели общий источник, расположенный согласно данным ЛОВ к юго-западу от ЛОВ. В таком случае можно заключить, что волны в КАН приходили с юга, а не с севера.

Второе событие (06:30‒06:32 UT) наблюдалось в виде шумового всплеска в полосе частот ~5.0‒8.0 кГц длительностью ~80 с (рис. 5б). По измерениям в ЛОВ во время этого всплеска ОНЧ‒волны приходили в ЛОВ с юга. Наблюдения в КАН показали, что волны приходили с северо-запада или с юго-востока. Аналогично предыдущим рассуждениям, сопоставляя с данными ЛОВ, мы можем, предположить, что волны в КАН приходили с юго-востока, а область выхода волн из ионосферы, как и в первом случае, имела небольшие пространственные размеры, поскольку направление прихода ОНЧ-волн в КАН и ЛОВ было различным.

Похожая ситуация наблюдалась нами и ранее, например, 27 декабря 2014 г. в 08:30 UT, также в восстановительную фазу небольшой магнитной бури.

Эти результаты наблюдений мы интерпретируем как различное долготное расположение области выхода из ионосферы обсуждаемых коротких ОНЧ-всплесков (отдельных “птичек”). Можно предположить, что во время первого события область выхода ОНЧ-волн находилась вблизи меридиана КАН, но значительно южнее КАН, поэтому волны в ЛОВ приходили с юго-запада. Во время второго события область выхода ОНЧ-волн находилась вблизи меридиана ЛОВ, но южнее ЛОВ, поэтому ОНЧ-волны приходили в КАН с юго-востока. Анализ этих двух событий позволяет сделать вывод о том, что область выхода из ионосферы высокочастотных “птичек” достаточно локальна по долготе.

В середине основного ОНЧ-всплеска (ОНЧ шумовой бури), в 08‒09 UT, полоса относительно стабильного однородного хисса (1.8‒3.2 кГц) распалась на отдельные короткие группы ОНЧ-излучений длительностью порядка 3 мин (рис. 4б). Эти группы ОНЧ-сигналов представляли сложное наложение дискретных, квазипериодических и шумовых динамических спектров волн, свидетельствующих об их одновременном возбуждении в близкой полосе частот. В это время на скандинавском меридиане IMAGE регистрировались небольшие (~20‒30 нТл) геомагнитные флуктуации с подобной квазипериодичностью, но четкой корреляции пик-в-пик с ОНЧ-вариациями не отмечалось.

В конце основного ОНЧ-всплеска (рис. 4в) полоса хисса полностью сменилась квазипериодическими (QP) излучениями. На рис. 6 приведены 1-мин спектрограммы этих излучений в КАН и ЛОВ. Видно, что очень короткие дискретные сигналы в полосе частот ~2–3 кГц характеризуются периодом повторения ~3 с. Такие QP излучения неоднократно регистрировались как на земной поверхности [Engebretson et al., 2004; Manninen, 2005; Manninen et al., 2014], так и в магнитосфере [Bespalov et al., 2010].

Рис. 6.

Пример 1-мин спектрограммы короткопериодных QP излучений, наблюдаемых в КАН и ЛОВ в конце ОНЧ шумовой бури.

3. ОБСУЖДЕНИЕ

Мы предполагаем, что наблюдаемые на земной поверхности дневные всплески ОНЧ-излучений (ОНЧ шумовые бури) являются результатом канализации к ионосфере и последующему выходу к земле так называемого [Thorne et al., 1973] “плазмосферного хисса”, широко обсуждаемого в литературе, например, [Thorne et al., 1979; Storey et al., 1991; Haykawa and Sazhin, 1992; Cornilleau-Wehrlin at al., 1993; Santolik et al., 2001; Meredith et al., 2006; Bortnik et al., 2009; Santolik and Chum, 2009; Summers et al., 2014; Tsurutani et al., 2015].

В ряде работ, например, [Golden et al., 2012; Kim et al., 2015] показано, что амплитуда плазмосферного хисса контролируется уровнем предшествующей (за 3‒6 ч) геомагнитной активности, величиной скорости солнечного и величиной отрицательной Bz-компоненты ММП. Следовательно, закономерно, что обсуждаемый дневной ОНЧ-всплеск появился в позднюю восстановительную фазу магнитной бури, т.е. после окончания предшествующих геомагнитных возмущений (рис. 2).

Не вызывает сомнения, что генерация “ОНЧ шумовых бурь” происходит в магнитосфере за счет циклотронной неустойчивости электронов радиационных поясов Земли, механизм которой применительно к ОНЧ-излучениям рассмотрен во многих работах, например, [Rycroft, 1972; Беспалов и Трахтенгерц, 1976; Bespalov and Trakhtengerts; 1986; Trakhtengerts et al., 1996; Трахтенгерц и Райкрофт, 2011]. Следовательно, возрастание верхней и нижней граничной частоты ОНЧ-хисса в начале всплеска можно проинтерпретировать как приближение области генерации волн к Земле. Циклотронная неустойчивость наиболее эффективна внутри плазмосферы. Мы предполагаем, что генерация ОНЧ-хисса на частотах ниже 4 кГц, составляющего основное “тело” обсуждаемого дневного ОНЧ-всплеска, происходила внутри плазмосферы, внешняя граница которой (плазмопауза) находилась на L-оболочке значительно меньшей, чем положение КАН и ЛОВ, как это видно на рис. 2б.

Заметим, что обсуждаемая дневная ОНЧ шумовая буря наблюдалась после окончания предшествующих геомагнитных возмущений при положительных значениях Bz ММП, т.е. в восстановительную фазу магнитной бури и в отсутствии поступления энергии солнечного ветра в магнитосферу Земли. Генерация циклотронных ОНЧ-волн в это время указывает на наличие в радиационном поясе Земли определенного уровня запасенных ранее захваченных электронов, обеспечивающего развитие циклотронной неустойчивости. Следовательно, появление на земной поверхности дневных всплесков ОНЧ-излучений является индикатором того, что, несмотря на отсутствие эффектов в геомагнитных вариациях, в магнитосфере имеется некий “остаточный” уровень радиации. Генерация дневных ОНЧ-шумов способствует распаду кольцевого тока и релаксации магнитосферы.

Наблюдаемые в начале и конце ОНЧ шумовой бури короткие всплески излучений на частотах выше 5 кГц (“птички”), по-видимому, также возбуждаются за счет циклотронного механизма внутри плазмосферы, как рассмотрено, например, в работе [Titova et al., 2015] и распространяются в магнитосфере неканализированным способом, как и QP излучения [Němec et al., 2012].

Наиболее вероятным механизмом генерации QP излучений, наблюдаемых в конце всплеска в полосе частот ~2‒3 кГц, может быть, согласно работе [Bespalov et al., 2010], квазилинейная релаксация энергичных электронов радиационного пояса Земли. Механизм развития автоколебательных процессов в плазменном магнитосферном мазере был предложен и разработан в работах [Беспалов и Трахтенгерц, 1976; Беспалов, 1981; Беспалов и Коваль, 1982]. При этом, согласно работе [Беспалов и Коваль, 1982], в ходе развития релаксации магнитосферной плазмы, возможно разбиение предшествующего шумового излучения на отдельные квазипериодические всплески, что и наблюдалось в середине рассматриваемой ОНЧ шумовой бури (рис. 4б).

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполнен анализ динамических спектров и углов прихода ОНЧ-излучений в диапазоне частот 1‒10 кГц во время дневной ОНЧ шумовой бури 5 января 2015 г., зарегистрированной в авроральных широтах в двух точках – Каннуслехто (КАН), Финляндия и Ловозеро (ЛОВ), Россия, расположенных на геомагнитной широте ~64° MLAT и разнесенных по долготе на ~400 км.

Показано, что в течение обсуждаемого 7-ми часового дневного всплеска ОНЧ, спектрограммы волн на частотах ниже 4 кГц в КАН и ЛОВ в общих чертах были подобны, что может быть результатом относительно большой долготной области выхода этих ОНЧ-волн из ионосферы.

Высказано предположение, что генерация наблюдаемых всплесков ОНЧ-излучений происходит в плазмосфере за счет развития циклотронной неустойчивости, и частота волн определяется L-оболочкой нахождения источника волн. Квазипериодические (QP) излучения с периодом повторения ~3 с, по-видимому, обусловлены развитием собственных колебаний в магнитосферном мазере [Bespalov et al., 2010] в позднюю восстановительную фазу магнитной бури.

Обнаружено, что даже в относительно небольшом временнóм интервале (меньше получаса) направление прихода отдельных коротких высокочастотных ОНЧ-всплесков на частотах выше 5 кГц (так называемых “птичек”) может значительно изменяться и быть различным в КАН и ЛОВ. Это позволяет сделать вывод о том, что, по-видимому, область выхода из ионосферы высокочастотных “птичек” достаточно локальна и не постоянна по долготе.

Таким образом, временны́е вариации характеристик ОНЧ-излучений на земной поверхности являются тонким индикатором динамики плазменных процессов в магнитосфере, развивающихся даже в отсутствие геомагнитных возмущений.

Список литературы

  1. ‒ Беспалов П.А., Трахтенгерц В.Ю. О нелинейных колебательных процессах в магнитосфере Земли // Изв. вузов. Радиофизика. Т. 19. № 5–6. С. 801–811. 1976.

  2. ‒ Беспалов П.А. Самомодуляция излучения плазменного циклотронного мазера // Письма в ЖЭТФ. Т. 33. № 4. С. 192–195. 1981.

  3. ‒ Беспалов П.А., Коваль Л.Н. Установление периодических режимов циклотронной неустойчивости в плазменных пробкотронах // Физика плазмы. Т. 8. № 6. С. 1136–1144. 1982.

  4. ‒ Вершинин Е.Ф., Пономарев Е.А. О классификации непрерывного ультранизкочастотного радиоизлучения верхней атмосферы // Земной магнетизм, полярные сияния и ультранизкочастотное излучение. Вып. 1. С. 35‒44. 1966.

  5. ‒ Вершинин Е.Ф., Горшков Ю.Н., Пономарев Е.А. Характеристики и условия появления всплесков ОНЧ излучения класса шумовых бурь // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. Вып. 30. С. 3‒9. 1974.

  6. ‒ Клейменова Н.Г., Троицкая В.А., Виньерон Ж. Связь среднеширотных ОНЧ с магнитной активностью // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 8. № 1. С. 529‒533. 1968.

  7. ‒ Маннинен Ю., Клейменова Н.Г., Козырева О.В. Дневные ОНЧ-излучения в обс. Соданкюля (L ~ 5.3) на переднем фронте высокоскоростных потоков солнечного ветра // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 53. № 3. С. 315–323. 2013.

  8. ‒ Маннинен Ю., Турунен Т., Клейменова Н.Г., Громова Л.И., Козловский А.Е., Новый вид дневных высокочастотных ОНЧ-излучений в авроральных широтах (“птички”) // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 57. № 1. С. 36–44. 2017. https://doi.org/10.7868/S0016794017010096

  9. ‒ Никитенко А.С., Лебедь О.М., Федоренко Ю.В. Первые результаты локализации области выхода естественных СНЧ/ОНЧ излучений в высоких широтах по данным наземных наблюдений // Тр. 41-го Семинара “Физика авроральных явлений”, Апатиты, 12–16 марта 2018. С. 61–65. 2018.

  10. ‒ Пильгаев С.В., Ларченко А.В., Филатов М.В., Федоренко Ю.В., Лебедь О.М. Генератор сигналов специальной формы для калибровки регистраторов электромагнитного поля // Приборы и техника эксперимента. № 6. С. 49–55. 2018. https://doi.org/10.1134/S0032816218060125

  11. ‒ Распопов О.М., Клейменова Н.Г. Возмущения электромагнитного поля Земли. Ч. 3. ОНЧ излучения. Л.: ЛГУ, 144 с. 1977.

  12. ‒ Рытов С.М. Введение в статистическую радиофизику. Ч. 1. Случайные процессы. М.: Наука. 494 с. 1966.

  13. ‒ Трахтенгерц В.Ю., Райкрофт М.Дж. Свистовые и альвеновские мазеры в космосе // М.: ФИЗМАТЛИТ. 344 с. 2011.

  14. ‒ Федякина Н.И. Шумовые бури в ОНЧ-излучении и Dst вариация // Якутск: Якутский филиал СО АН СССР. Низкочастотные сигналы во внешней ионосфере. С. 59‒64. 1976.

  15. – Bespalov P.A., Trakhtengerts V.Y. The cyclotron instability in the Earth radiation belts // Rev. plasma physics. V. 10. Ed. M.A. Leontovih. N.Y.: Plenum. P. 155–192. 1986.

  16. – Bespalov P.A., Parrot M., Manninen J. Short-period VLF emissions as solitary envelope waves in a magnetospheric plasma maser // J. Atmos. Sol. Terr. Phys. V. 72. P. 1275–1281. 2010. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2010.09.001

  17. – Bortnik J., Thorne R.M., Meredith N.P. Plasmaspheric hiss overview and relation to chorus // J. Atmos. Sol. Terr. Phys. 71. P. 1636–1646. 2009. https://doi.org/ 2009JASTP..71.1636B

  18. – Cornilleau-Wehrlin N., Solomon J., Korth A., Kremser G. Generation mechanism of plasmaspheric ELF/VLF hiss: A statistical study from GEOS 1 data // J. Geophys. Res. 98. P. 21.471–21.480. 1993. https://doi.org/10.1029/93JA01919

  19. Davis T.N., Sugiura M. Auroral electrojet activity index AE and its universal time variations // J. Geophys. Res. V. 71. P. 785–801. 1966. https://doi.org/10.1029/JZ071i003p00785

  20. Delport B., Collier A.B., Lichtenberger J., Rodger C.J., Parrot M., Clilverd M.A., Friedel R.H.W. Simultaneous observation of chorus and hiss near the plasmapause // J. Geophys. Res. 117. A12218. 2012. https://doi.org/10.1029/2012JA017609

  21. Dunckel N., Helliwell R.A. Whistler mode emissions on the OGO 1 satellite // J. Geophys. Res. 74. P. 6371–6385. 1969. https://doi.org/10.1029/ JA074i026p06371

  22. – Engebretson M.J., Posch J.L., Halford A.J., Shelburne G.A., Smith A.J., Spasojevic M., Inan U.S., Arnoldy R.L. Latitudinal and seasonal variations of quasiperiodic and periodic VLF emissions in the outer magnetosphere // J. Geophys. Res. V. 109. A05216. 2004. https://doi.org/10.1029/2003JA010335

  23. – Fedorenko Y., Tereshchenko E., Pilgaev S., Grigoryev V., Blagoveshchenskaya N. Polarization of ELF waves generated during “beating-wave” heating experiment near cutoff frequency of the Earth-ionosphere waveguide // Radio Sci. V. 49. P. 1254–1264. 2014. https://doi.org/10.1002/2013RS005336

  24. – Gjerloev J.W. The SuperMAG data processing technique // J. Geophys. Res. V. 117. A09213. 2012. https://doi.org/10.1029/2012JA017683

  25. – Golden D.I., Spasojevic M., Li W., Nishimura Y. Statistical modeling of plasmaspheric hiss amplitude using solar wind measurements and geomagnetic indices // Geophys. Res. Lett. 39. L06103. 2012. https://doi.org/10.1029/2012GL051185

  26. – Haykawa M., Sazhin S.S. Mid-latitude and plasmasheric hiss: a review // Planet. Space Sci. V. 40. № 10. P. 1325–1338. 1992.

  27. – Helliwell R.A. Whistler and related ionospheric phenomena // Stanford. Stanford Univ. Press. 349 p. 1965.

  28. – Kim K.-C., Lee D.-Y., Shprits Y. Dependence of plasmaspheric hiss on solar wind parameters and geomagnetic activity and modeling of its global distribution // J. Geophys. Res. Space Physics. 120. P. 1153–1167. 2015. https://doi.org/10.1002/2014JA020687

  29. – LaBelle J., Treumann R. Auroral Radio Emissions. 1. Hisses, Roars, and Bursts // Space Sci. Rev. V. 101(3). P. 295–440. 2002.

  30. – Manninen J. Some aspects of ELF-VLF emissions in geophysical research // Sodankylä. Geophysical Observatory Publication. 98. Oulu University Press. Sodankylä, Finland. 177 p. 2005. [available at http://www.sgo.fi/Publications/SGO/thesis/ManninenJyrki.pdf]

  31. – Manninen J., Demekhov A.G., Titova E.E., Kozlovsky A.E., Pasmanik D.L. Quasi-periodic VLF emissions with short-period modulation and their relationship to whistlers: a case study // J. Geophys. Res. V. 119. Is. 5. P. 3544–3557. 2014. https://doi.org/10.1002/2013JA019743

  32. – Manninen J., Kleimenova N.G., Kozlovsky A., Kornilov I.A., Gromova L.I., Fedorenko Yu.V., Turunen T. Strange VLF bursts in northern Scandinavia: case study of the afternoon “mushroom-like” hiss on 8 December 2013 // Ann. Geophysicae. V. 33. P. 991–995. 2015. https://doi.org/10.5194/angeo-33-991-2015

  33. – Manninen J., Turunen T., Kleimenova N., Rycroft M., Gromova L., Sirviö I. Unusually high frequency natural VLF radio emissions observed during daytime in Northern Finland // Environ. Res. Lett. V. 11. P. 124006. 2016. https://doi.org/10.1088/1748-9326/11/12/124006

  34. – Meredith N.P., Horne R.B., Clilverd M.A., Horsfall D., Thorne R.M., Anderson R.R. Origins of plasmaspheric hiss // J. Geophys. Res. 111. A09217. 2006. https://doi.org/10.1029/2006JA011707

  35. – Němec F., Santolı’k O., Parrot M., Pickett J.S., Hayosh M., Cornilleau-Wehrlin N. Conjugate observations of quasi-periodic emissions by Cluster and DEMETER spacecraft // J. Geophys. Res. Space Physics. 118. P. 198–208. 2013. https://doi.org/10.1029/2012JA018380

  36. ‒ Newell P.T., Gjerloev J.W. Evaluation of SuperMAG auroral electrojet indices as indicators of substorms and auroral power // J. Geophys. Res. V. 116. A12211. https://doi.org/10.1029/2011JA016779

  37. ‒Ohya H., Shiokawa K., Miyoshi Y. Daytime tweek atmospheric // J. Geophys. Res. Space Physics. V. 120. 2015. https://doi.org/10.1002/2014JA020375

  38. – Rycroft M.J. VLF emissions in the magnetosphere // Radio Sci. V. 7. P. 811–830. 1972. https://doi.org/10.1029/RS007i008p00811

  39. ‒ Santolik O., Parrot M., Storey L.R.O, Pickett J.S., Gurnett D.A. Propagation analysis of plasmaspheric hiss using Polar PWI measurements. // Geophys. Res. Lett. 28. P. 1127–1130. 2001. https://doi.org/10.1029/2000GL012239

  40. ‒ Santolik O., Chum J. The origin of plasmaspheric hiss // Science. V. 324(5928). P. 729–730. 2009. https://doi.org/10.1126/science.1172878

  41. – Smith E.J., Frandsen A.M.A., Tsurutani B.T., Thorne R.M., Chan K.W. Plasmaspheric hiss intensity variations during magnetic storms // J. Geophys. Res. V. 79. № 16. P. 2507‒2510. 1974. https://doi.org/10.1029/JA079i016p02507

  42. – Storey L.R.O., Lefeuvre F., Parrot M., Cairo L., Anderson R.R. Initial survey of the wave distribution functions for plasmaspheric hiss observed by ISEE 1/ // J. Geophys. Res. 96 (A11). P. 19.469–19.489. 1991. https://doi.org/10.1029/91JA01828

  43. ‒ Summers D., Omura Y., Nakamura S., Kletzing C.A. Fine structure of plasmaspheric hiss // J. Geophys. Res. Space Physics. V. 119. P. 9134–9149. 2014. https://doi.org/10.1002/2014JA020437

  44. ‒ Tanskanen E.I. A comprehensive high-throughput analysis of substorms observed by IMAGE magnetometer network: Years 1993–2003 examined. // J. Geophys. Res. 114. A05204. 2009. https://doi.org/10.1029/2008JA013682

  45. – Thorne R.M., Smith E.J., Burton R.K., Holzer R.E. Plasmaspheric hiss // J. Geophys. Res. V. 78. P. 1581–1596. 1973. https://doi.org/10.1029/JA078i010p01581

  46. – Thorne R.M., Church S.R., Gorney D.J. On the origin of the plasmospheric hiss: the importance of wave propagation and the plasmapause // J. Geophys. Res. V. 84. P. 5241–5247. 1979. https://doi.org/10.1029/JA084iA09p05241

  47. ‒ Titova E.E., Kozelov B.V., Demekhov A.G., Manninen J., Santolik O., Kletzing C.A. Reeves G. Identification of the source of quasiperiodic VLF emissions using ground-based and Van Allen Probes satellite observations // Geophys. Res. Lett. V. 42. P. 6137–6145. 2015. https://doi.org/10.1002/2015GL064911

  48. ‒ Tsurutani B.T., Falkowski B.J., Pickett J.S., Santolik O., Lakhina G.S. Plasmaspheric hiss properties: Observations from Polar // J. Geophys. Res. Space Physics. V. 120. P. 414–431. 2015. https://doi.org/10.1002/2014JA020518

  49. – Trakhtengerts V.Y., Rycroft M.J., Demekhov A.G. Interrelation of noise-like and discrete ELF/VLF emissions generated by cyclotron interactions // J. Geophys. Res. V. 101(A6). P. 13.293–13.303. 1996. 10.1029/95JA03515

  50. – Yearby K.H., Smith A.J. The polarization of whistlers received on the ground near L = 4 // J. Atmos. Terr. Phys. V. 56. P. 1499–1512. 1994. https://doi.org/10.1016/0021-9169(94)90117-1

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Геомагнетизм и аэрономия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал