Геомагнетизм и аэрономия, 2022, T. 62, № 3, стр. 336-344

1. ВВЕДЕНИЕ

Авроральный хисс – один из типов естественных магнитосферных ОНЧ (очень низкочастотные волны, от сотен Гц до десятков кГц) излучений, регистрируемых у земной поверхности. Эти излучения могут занимать широкую полосу частот – от единиц до сотен кГц. Максимум интенсивности хисса отмечен в полосе частот 8‒10 кГц [Makita, 1979]. На земной поверхности авроральный хисс наблюдается на геомагнитных широтах 65°‒70° [Harang and Larsen, 1965; Morozumi, 1965; Jørgensen, 1966; Haykawa et al., 1975] и типичен для подготовительной фазы магнитосферной суббури [Клейменова и др., 2019: Manninen et al., 2020]. Низкоорбитальные спутники регистрируют хисс практически при каждом пересечении авроральных широт в вечернее и ночное время [Gurnett, 1966; Hughes et al., 1971].

Генерация хисса происходит в высокоширотной области магнитосферы на высотах 5–20 тыс. км за счет развития черенковской неустойчивости электронов с энергиями меньше 10 кэВ [Jørgensen, 1968; Maggs, 1976; Makita, 1979]. Многочисленные спутниковые наблюдения показывают, что всплески аврорального хисса коррелируют с потоками мягких электронов с энергиями ниже 1 кэВ [Hoffman and Laaspere, 1972; Laaspere and Hoffman, 1976; Mosier and Gurnett, 1972]. Волновая нормаль генерируемых волн лежит вблизи резонансного конуса [Maggs, 1976; Sazhin et al., 1993], который для волн ОНЧ-диапазона близок к 90°. Такие волны называют квазиэлектростатическими [Sonwalkar, 2000]. Волны ОНЧ-диапазона с волновыми нормалями вблизи резонансного конуса не способны выйти к земной поверхности [Budden, 1985]. Они могут отразиться или в верхней ионосфере на высоте, где их частота становится равной локальной частоте нижнегибридного резонанса [Kimura, 1966], или в нижней ионосфере, где происходит полное внутреннее отражение волн из-за непопадания волновых нормалей в конус выхода, определяемый из закона Снеллиуса [Budden, 1985].

Основным механизмом, обеспечивающим выход квазиэлектростатических волн к земной поверхности, считается их рассеяние на мелкомасштабных (порядка сотен метров) неоднородностях плотности электронной концентрации в ионосфере на высотах меньше 5000 км [Sonwalkar, 2000]. На земной поверхности регистрируются рассеянные волны, волновые нормали которых попали в конус выхода [Sonwalkar, 2000; Лебедь и др., 2019].

На основе сравнения результатов моделирования распространения аврорального хисса от области генерации до наземного наблюдателя с результатами наземных наблюдений аврорального хисса было показано [Лебедь и др., 2019; Никитенко и др., 2021], что рассеянные волны “засвечивают” область на земной поверхности (далее область засветки), положение и размер которой определяются положением и поперечным размером области в верхней ионосфере, занятой мелкомасштабными неоднородностями электронной концентрации. Область засветки (как и область, занятая неоднородностями) локальна и может быть как вытянутой по долготе на расстояние вплоть до 400‒600 км, так и иметь относительно малые размеры по широте и долготе (~100 км) [Лебедь и др., 2019; Никитенко и др., 2021]. Локальная по широте область была также обнаружена экспериментально в ходе одновременных наземных наблюдений аврорального хисса в авроральных и приполярных широтах [Пильгаев и др., 2020]. Сопоставление результатов моделирования распространения аврорального хисса и данных наземных наблюдений хисса позволило сделать вывод, что при анализе таких излучений использование распределения плотности потока энергии по азимутальным углам прихода привносит дополнительную информацию о положении области засветки и, соответственно, области в ионосфере, занятой неоднородностями, относительно точки регистрации [Лебедь и др., 2019; Никитенко и др., 2021]. При этом локализация этих областей может быть проведена даже по данным наблюдений только на одной станции.

Целью данной работы является исследование особенностей пространственной структуры области засветки и соответствующих им особенностей временны́х вариаций параметров поля аврорального хисса по данным наземных наблюдений в авроральных широтах в двух разнесенных по долготе точках.

2. ДАННЫЕ

Одновременные наземные ОНЧ-наблюдения проводятся в обс. Ловозеро (LOZ, Россия, географические координаты: φ = 67.97° N, λ = 35.02° E, исправленные геомагнитные координаты: Ф = = 64.7°, Λ = 113.1°) и на финской ст. Каннуслехто (KAN, географические координаты: φ = 67.74° N, λ = 26.27° E, исправленные геомагнитные координаты: Ф = 64.6°, Λ = 105.6°), расположенных на близких геомагнитных широтах и разнесенных по долготе на ~400 км (рис. 1). В этих точках ведется регистрация горизонтальных компонент напряженности магнитного поля ${{H}_{x}},$ $~{{H}_{y}}$ с использованием взаимно ортогональных рамочных антенн и вертикальной компоненты напряженности электрического поля ${{E}_{z}}$ с помощью вертикального диполя. Регистрирующая аппаратура имеет схожие частотные характеристики, отличается низким уровнем собственных шумов и имеет точную привязку данных к мировому времени. Более подробно устройство приемников приведено в работах [Маннинен, 2005; Пильгаев и др., 2021]. Для сравнения результатов наблюдений в двух точках проведена тщательная калибровка регистраторов с использованием метода, изложенного в работе [Пильгаев и др., 2021]. Для достижения высокой точности калибровки использован генератор с привязкой волновой формы сигнала к сигналу GPS/GLONASS-приемника [Пильгаев и др., 2017, 2018].

Рис. 1.

Карта расположения точек ОНЧ-наблюдений Каннуслехто (KAN) и Ловозеро (LOZ) в географических координатах.

3. АНАЛИЗ ДАННЫХ

Записи компонент ОНЧ-поля обычно зашумлены атмосфериками ‒ импульсными электромагнитными сигналами, вызванными грозовыми разрядами. Для подавления этих сигналов применен метод, используемый в работе [Лебедь и др., 2019]. На временнóй форме каждой компоненты поля производился поиск атмосфериков. Выделенные атмосферики удалялись, а полученные зазоры заменялись отрезком прямой, соединяющей крайние отсчеты сигнала. Анализ поля всплесков аврорального хисса производился в выделенной полосе частот в окрестности максимума интенсивности аврорального хисса (8‒10 кГц) [Makita, 1979]. Для этого записи компонент поля были подвергнуты фильтрации полосовым фильтром с центральной частотой 8 кГц и шириной полосы 1 кГц. Рассматривались временны́е вариации горизонтальной компоненты магнитного поля ${{H}_{t}} = \sqrt {H_{x}^{2} + H_{y}^{2}} ,$ индекса круговой поляризации (${{P}_{c}}$), отношения вертикальной компоненты электрического поля к горизонтальной компоненте магнитного (${{\left| {{{E}_{z}}} \right|} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left| {{{E}_{z}}} \right|} {{{H}_{t}}}}} \right. \kern-0em} {{{H}_{t}}}}$) и распределения плотности потока энергии по углам прихода волн в точку наблюдений ($p\left( \varphi \right)$).

Индекс круговой поляризации рассчитывался, как ${{P}_{c}} = {{2{\text{Im}}{\kern 1pt} ({{{\tilde {H}}}_{x}}\tilde {H}_{y}^{*})} \mathord{\left/ {\vphantom {{2{\text{Im}}{\kern 1pt} ({{{\tilde {H}}}_{x}}\tilde {H}_{y}^{*})} {(\tilde {H}_{x}^{2} + \tilde {H}_{y}^{2})}}} \right. \kern-0em} {(\tilde {H}_{x}^{2} + \tilde {H}_{y}^{2})}},$ [Рытов, 1976]. Здесь ${{\tilde {H}}_{x}},$ ${{\tilde {H}}_{y}}$ – отфильтрованные записи компонент магнитного поля, представленные в виде комплексных аналитических сигналов [Рытов, 1976], символ ${\text{Im}}$ означает мнимую часть от выражения в скобках, звездочкой обозначено комплексное сопряжение. Индекс круговой поляризации отрицателен для лево-поляризованных волн и положителен для право-поляризованных. При значениях $ \pm 1$ поляризация круговая, а при ${{P}_{c}} = 0$ – поляризация линейная.

Отношение вертикальной компоненты электрического поля к горизонтальной компоненте магнитного (${{\left| {{{E}_{z}}} \right|} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left| {{{E}_{z}}} \right|} {{{H}_{t}}}}} \right. \kern-0em} {{{H}_{t}}}}$) пропорционально синусу угла падения регистрируемой волны [Makita, 1979; Tsuruda, 1979]. Распределения плотности потока энергии по углам прихода волн в точку наблюдений $p\left( \varphi \right)$ показывают величину плотности потока энергии регистрируемых излучений, попадающую в тот или иной интервал углов прихода волн. Максимум распределения $p\left( \varphi \right)$ показывает наиболее вероятное направление прихода волн в точку наблюдений, а ширина распределения характеризует разброс направлений потока энергии относительно максимума. Форма распределения зависит от взаимного положения точки наблюдений и области засветки и, соответственно, области в ионосфере, занятой мелкомасштабными неоднородностями [Лебедь и др., 2019, Никитенко и др., 2021]. При расположении точки наблюдений в центре области засветки, плотность потока энергии распределена практически равномерно по всему диапазону углов прихода – 0°–360°. По мере удаления от центра в распределении появляется выраженный максимум, указывающий на центр области засветки, и уменьшается ширина распределения [Лебедь и др., 2019]. В данной работе мы рассчитывали распределения плотности потока энергии по углам прихода волн в точку наблюдений $p\left( \varphi \right)$ для 15-ти секундных интервалов с перекрытием 50%.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ И ОБСУЖДЕНИЕ

Исследовались всплески аврорального хисса, зарегистрированные в KAN и LOZ с 07 ноября 2018 г. по 9 февраля 2020 г. Для анализа выбрано 22 события регистрации аврорального хисса с отношением сигнал/шум на обеих станциях не меньше 10 дБ и длительностью, не превышающей 10‒15 мин. Эти события были разделены на 4 группы по особенностям поведения параметров поля ${{H}_{t}},$ ${{P}_{c}},$ ${{\left| {{{E}_{z}}} \right|} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left| {{{E}_{z}}} \right|} {{{H}_{t}}}}} \right. \kern-0em} {{{H}_{t}}}}$ и $p\left( \varphi \right){\text{:}}$ 1) индекс круговой поляризации и отношение ${{\left| {{{E}_{z}}} \right|} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left| {{{E}_{z}}} \right|} {{{H}_{t}}}}} \right. \kern-0em} {{{H}_{t}}}}$ слабо меняются во времени и существенно отличаются в двух точках; 2) индекс круговой поляризации и отношение ${{\left| {{{E}_{z}}} \right|} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left| {{{E}_{z}}} \right|} {{{H}_{t}}}}} \right. \kern-0em} {{{H}_{t}}}}$ слабо меняются во времени и принимают близкие значения в двух точках; 3) параметры ${{H}_{t}},$ ${{P}_{c}},$ ${{\left| {{{E}_{z}}} \right|} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left| {{{E}_{z}}} \right|} {{{H}_{t}}}}} \right. \kern-0em} {{{H}_{t}}}}$ и $p\left( \varphi \right)$ испытывают плавные вариации; 4) параметры ${{H}_{t}},$ ${{P}_{c}},$ ${{\left| {{{E}_{z}}} \right|} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left| {{{E}_{z}}} \right|} {{{H}_{t}}}}} \right. \kern-0em} {{{H}_{t}}}}$ и $p\left( \varphi \right)$ испытывают скачкообразные вариации. Ниже рассмотрены наиболее типичные события из каждой группы и предложена интерпретация этих событий.

4.1. Область засветки с размерами, малыми относительно расстояния между станциями

Рассмотрим авроральный хисс, зарегистрированный на станциях KAN и LOZ 20 декабря 2018 в 19:17–19:37 UT. На рисунке 2а представлены временны́е вариации параметров ${{H}_{t}},$ ${{P}_{c}},$ ${{\left| {{{E}_{z}}} \right|} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left| {{{E}_{z}}} \right|} {{{H}_{t}}}}} \right. \kern-0em} {{{H}_{t}}}}$ и $p\left( \varphi \right)$ на обеих станциях в данном интервале. Как видно из рисунка, в LOZ амплитуда горизонтальной компоненты (${{H}_{t}}$) в 3‒5 раз выше, чем в KAN. С 19:23 по 19:28 UT индекс круговой поляризации ${{P}_{c}}$ меняется мало и составляет около 0.8. Это означает, что в данный момент регистрируются волны с правой, близкой к круговой, поляризацией [Лебедь, 2019; Никитенко, 2021; Рытов, 1976]. При этом отношение ${{\left| {{{E}_{z}}} \right|} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left| {{{E}_{z}}} \right|} {{{H}_{t}}}}} \right. \kern-0em} {{{H}_{t}}}}$ уменьшается практически в два раза по сравнению с началом всплеска в 19:23 UT (рис. 2а), что, по-видимому, вызвано существованием в этот момент волн с малыми углами падения. Плотность потока энергии распределена практически равномерно, то есть волны приходят в точку наблюдений со всех направлений [Лебедь и др., 2019; Никитенко и др., 2021].

Рис. 2.

(сверху вниз) Временны́е вариации горизонтальной компоненты магнитного поля ${{H}_{t}}$, индекса круговой поляризации ${{P}_{c}}$, отношения вертикальной компоненты напряженности электрического поля к горизонтальной компоненте напряженности магнитного ${{\left| {{{E}_{z}}} \right|} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left| {{{E}_{z}}} \right|} {{{H}_{t}}}}} \right. \kern-0em} {{{H}_{t}}}},$ распределения плотности потока энергии по обратному азимуту вектора Пойнтинга $p\left( \varphi \right)$ на частоте 8 кГц на станциях KAN и LOZ для события регистрации аврорального хисса: (а) ‒ 20 декабря 2018 г. 19:17–19:37 UT, (б) – 5 января 2019 года в 20:06–20:12 UT.

На станции KAN индекс круговой поляризации ${{P}_{c}}$ в течение всего всплеска близок к нулю, а отношение ${{\left| {{{E}_{z}}} \right|} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left| {{{E}_{z}}} \right|} {{{H}_{t}}}}} \right. \kern-0em} {{{H}_{t}}}}$ от начала всплеска к его концу увеличивается в полтора раза. В данной точке регистрируются практически линейно поляризованные волны, с углами падения выше, чем в LOZ. Распределение плотности потока энергии по углам прихода $p\left( \varphi \right)$ в KAN имеет выраженный максимум примерно на 80°, а разброс по углам составляет около 60°‒80°. В используемой системе координат азимутальный угол отсчитывается по часовой стрелке от направления на север, то есть в данном случае волны приходят в точку наблюдений преимущественно с востока, где расположена ст. LOZ.

Правая, близкая к круговой, поляризация волн (${{P}_{c}} = 0.8$) и широкое распределение $p\left( \varphi \right),$ наблюдаемые в LOZ, означают, что в данном случае точка наблюдений находится вблизи центра области засветки рассеянных волн [Лебедь и др., 2019; Никитенко и др., 2021]. Уменьшение отношения ${{\left| {{{E}_{z}}} \right|} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left| {{{E}_{z}}} \right|} {{{H}_{t}}}}} \right. \kern-0em} {{{H}_{t}}}}$ подтверждает этот вывод. Линейная поляризация волн и малый разброс по углам в распределении $p\left( \varphi \right)$ в KAN указывают на расположение этой точки вдали от центра области засветки, где, по-видимому, уже начинает доминировать волна, испытавшая отражения от стенок волновода Земля‒ионосфера [Лебедь и др., 2019; Никитенко и др., 2021]. Это подтверждается и наблюдаемым в этой точке увеличением отношения ${{\left| {{{E}_{z}}} \right|} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left| {{{E}_{z}}} \right|} {{{H}_{t}}}}} \right. \kern-0em} {{{H}_{t}}}}.$ Поскольку расстояние между станциями KAN и LOZ составляет около 400 км, можно предположить, что в данном случае область засветки имела размеры в 2–3 раза меньше расстояния между станциями. Обнаружено еще 4 подобных события, в двух из которых центр области засветки находился в окрестности ст. KAN, а в двух других – вблизи LOZ.

4.3. Перемещение области засветки по долготе

В трех событиях регистрации аврорального хисса из 22-х отмечены вариации параметров поля ${{H}_{t}},$ ${{P}_{c}},$ ${{\left| {{{E}_{z}}} \right|} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left| {{{E}_{z}}} \right|} {{{H}_{t}}}}} \right. \kern-0em} {{{H}_{t}}}}$ и $p\left( \varphi \right)$ схожие представленным на рис. 3а, рассчитанным для случая регистрации аврорального хисса 5 марта 2019 21:29–21:36 UT. В 21:31:15 UT в KAN амплитуда вариаций ${{H}_{t}}$ и индекс круговой поляризации ${{P}_{c}}$ достигают максимумов (${{P}_{c}} = 0.75$). От начала всплеска к этому моменту отношение ${{\left| {{{E}_{z}}} \right|} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left| {{{E}_{z}}} \right|} {{{H}_{t}}}}} \right. \kern-0em} {{{H}_{t}}}}$ уменьшается почти в два раза. Распределение плотности потока энергии по углам прихода $p\left( \varphi \right)$ практически равномерно (рис. 3а). По-видимому, в этот момент центр области засветки находится в окрестности ст. KAN аналогично рассмотренному ранее событию 20 декабря 2018 в 19:17–19:37 UT, когда этот центр находился в окрестности LOZ. Затем происходит плавное уменьшение амплитуды вариаций ${{H}_{t}}$ и индекса круговой поляризации ${{P}_{c}},$ увеличение значений отношения ${{\left| {{{E}_{z}}} \right|} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left| {{{E}_{z}}} \right|} {{{H}_{t}},}}} \right. \kern-0em} {{{H}_{t}},}}$ а также уменьшение разброса в распределении $p\left( \varphi \right).$ К концу всплеска (около 21:33 UT) индекс круговой поляризации ${{P}_{c}} \sim 0,$ отношение ${{\left| {{{E}_{z}}} \right|} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left| {{{E}_{z}}} \right|} {{{H}_{t}}}}} \right. \kern-0em} {{{H}_{t}}}}$ увеличивается почти в два раза относительно значений в 21:31:15 UT, а максимум распределения $p\left( \varphi \right)$ находится примерно на 90° с разбросом по углам 50°‒60°. Согласно представленным выше рассуждениям, в этот момент в KAN с востока приходят волны, испытавшие одно или несколько отражений от стенок волновода Земля‒ионосфера.

Рис. 3.

(То же самое, что на рис. 2) Параметры ${{H}_{t}},$ ${{P}_{c}},$ ${{\left| {{{E}_{z}}} \right|} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left| {{{E}_{z}}} \right|} {{{H}_{t}}}}} \right. \kern-0em} {{{H}_{t}}}}$ и $p\left( \varphi \right)$ на частоте 8 кГц на станциях KAN и LOZ для события регистрации аврорального хисса: (а) ‒ 5 марта 2019 г. 21:29‒21:36 UT, (б) ‒ 20 декабря 2018 г. 19:41‒19:51 UT.

На станции LOZ наблюдаются похожие вариации параметров поля с некоторой временнóй задержкой. Максимумы ${{H}_{t}}$ и ${{P}_{c}},$ а также минимум ${{\left| {{{E}_{z}}} \right|} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left| {{{E}_{z}}} \right|} {{{H}_{t}},}}} \right. \kern-0em} {{{H}_{t}},}}$ наблюдаются около 21:31:45 UT (через 30 с после наблюдения их в KAN). В 21:31 UT максимум распределения $p\left( \varphi \right)$ находится на ‒(80°–90°), что означает западное направление прихода волн (со стороны станции KAN), где появился авроральный хисс. Затем разброс плотности потока энергии по обратному азимуту увеличивается. Около 21:31:45 UT распределение $p\left( \varphi \right)$ становится практически равномерным. В этот момент центр области засветки находится вблизи станции LOZ. После этого разброс в углах начинает уменьшаться. В 21:33:15 UT максимум распределения находится на 75° (восточное направление прихода), а разброс составляет около 50°.

В рассмотренном примере, по-видимому, происходит перемещение области засветки и, соответственно, области рассеяния по долготе в направлении запад-восток, как и в работе [Лебедь, 2019]. Наблюдаемые в LOZ значения амплитуды горизонтальной компоненты магнитного поля выше, чем в KAN, могут быть вызваны особенностями генерации аврорального хисса. В одном из трех событий данного типа перемещение области засветки происходит с востока на запад.

5. ВЫВОДЫ

Проанализировано 22 случая аврорального хисса длительностью не превышающей 10‒15 мин, зарегистрированных с 7 ноября 2018 г. по 9 февраля 2020 г. в обсерваториях Ловозеро (Россия) и Каннуслехто (Финляндия), расположенных на близких геомагнитных широтах и разнесенных по долготе на расстояние ~400 км.

Исследование особенностей временны́х вариаций на частоте 8 кГц (максимум интенсивности аврорального хисса) горизонтальной компоненты магнитного поля, индекса круговой поляризации, отношения вертикальной компоненты электрического поля к горизонтальной компоненте магнитного поля и распределения плотности потока энергии по углам прихода позволило выделить 4 типа пространственной структуры области засветки аврорального хисса: (1) область засветки имеет размеры, малые относительно расстояния между станциями; (2) область засветки вытянута по долготе; (3) область засветки перемещается по долготе; (4) смешанный тип.

Экспериментально показано, что при существовании малой области засветки в точке наблюдений, расположенной ближе к центру области, индекс круговой поляризации и отношение ${{\left| {{{E}_{z}}} \right|} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left| {{{E}_{z}}} \right|} {{{H}_{t}}}}} \right. \kern-0em} {{{H}_{t}}}}$ и существенно отличаются от наблюдаемых в соседней точке. Распределения плотности потока энергии по углам прихода $p\left( \varphi \right)$ в ближней точке имеют значительно больший разброс по углам, чем в удаленной точке.

В случае вытянутой области засветки индекс круговой поляризации и отношение ${{\left| {{{E}_{z}}} \right|} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left| {{{E}_{z}}} \right|} {{{H}_{t}}}}} \right. \kern-0em} {{{H}_{t}}}}$ принимают близкие значения на обеих точках наблюдений, а максимумы распределения $p\left( \varphi \right)$ указывают примерно на центр области.

При перемещении области засветки по долготе на обеих точках наблюдаются похожие вариации параметров ${{H}_{t}},$ ${{P}_{c}},$ ${{\left| {{{E}_{z}}} \right|} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left| {{{E}_{z}}} \right|} {{{H}_{t}}}}} \right. \kern-0em} {{{H}_{t}}}}$ и $p\left( \varphi \right)$ с некоторой задержкой, определяемой направлением перемещения области засветки.

В случае смешанного типа в точках наблюдений регистрируются скачкообразные изменения параметров поля, означающие существование нескольких областей засветки.

Мы предполагаем, что размеры и положение области засветки ОНЧ аврорального хисса может быть индикатором положения и поперечных размеров области, занятой мелкомасштабными неоднородностями электронной концентрации в верхней ионосфере.