Moscow, Russian Federation
Borok, Russian Federation
In the paper, we present the result of an experimental study of north-south asymmetry of ultra-low-frequency electromagnetic oscillations IPCL. This study is based on observations made at obs. Mirny (Antarctica). IPCL are excited in the dayside sector of the auroral oval in the range of 3–10 min periods and represent one of the most powerful types of oscillations of Earth’s magnetosphere. These oscillations were discovered in the 1970s during IPhE AS USSR polar expeditions organized by Prof. V.A. Troitskaya. We have shown that IPCL activity in Mirny depends on the inclination (north-south asymmetry) of interplanetary magnetic field (IMF) lines to the plane of the geomagnetic equator before the front of the magnetosphere. The result suggests a controlling exposure of IMF on the magnetospheric oscillations and gives rise to the hypothesis that IPCL are forced oscillations of a nonlinear dynamical system whose major structural elements are dayside polar cusps. The paper is dedicated to the memory of Professor V.A. Troitskaya (1917–2010).
magnetosphere, solar wind, geomagnetic pulsations, interplanetary magnetic field, Antarctica
ВВЕДЕНИЕ
Систематика геомагнитных пульсаций была разработана в начале 60-х гг. прошлого века [Троицкая, 1964]. Она до сих пор успешно используется при описании ультранизкочастотных (УНЧ) электромагнитных колебаний магнитосферы Земли (см., например, обзоры [Troitskaya, Guglielmi, 1967; Троицкая, Гульельми, 1969; Гульельми, Троицкая, 1978; Гульельми, 1989; 2007] и монографии [Jacobs, 1970; Гульельми, Троицкая, 1973; Nishida, 1978; Гульельми, 1979; Guglielmi, Pokhotelov, 1996]). В основу классификации положен морфологический принцип, и введена биномиальная номенклатура. Все виды колебаний разделены на два класса: Pc (регулярные колебания, pulsations continuous) и Pi (иррегулярные колебания, pulsations irregular). Отличительным признаком класса служит форма осциллограммы. Вид обозначается символом PcN (N=1–5) или PiN (N=1–2), где цифра N отвечает номеру поддиапазона общего диапазона ультранизких частот. Первоначально классу Рс был выделен диапазон периодов 0.2–600 c, а классу Pi — диапазон 1–150 c. Вскоре, однако, выяснилось, что диапазон Pi следует расширить, и, соответственно, был добавлен вид Pi3 для обозначения иррегулярных колебаний в диапазоне 150–600 с. Именно об этом виде колебаний магнитосферы и пойдет речь в данной статье.
Наблюдения свидетельствуют, что по морфологическим признакам виды УНЧ-колебаний четко подразделяются на многочисленные типы, или, лучше сказать, разновидности. Мы сосредоточим внимание на той разновидности Pi3, которую в литературе часто называют сокращенно IPCL (irregular pulsations continuous long). Из расшифровки аббревиатуры видно, что данная разновидность, являясь иррегулярными колебаниями, имеет свойство быть непрерывными (continuous). В подобных случаях после числа, указывающего номер поддиапазона, для большей ясности ставят букву С. Например, разновидность Pi1, имеющая внесистемное название auroral agitation, иногда обозначают как Pi1C [Troitskaya, 1961; Калишер, 1975]. Аналогичным образом можно было бы вместо IPCL использовать обозначение Pi3C. Это точное указание на колебания IPCL в рамках систематики УНЧ-колебаний, принципы которой были заложены проф. В.А. Троицкой. Мы, однако, сохраним аббревиатуру IPCL, следуя традиции, сложившейся в последние годы в геомагнетизме.
Приведем некоторые сведения о морфологии IPCL. Подробную информацию по этому вопросу можно найти в статьях [Bolshakova et al., 1974; Troitskaya, Bolshakova, 1977, 1988; Troitskaya, 1985; Клайн и др., 2008]. Рисунок 1 дает представление об осциллограмме колебаний, зарегистрированных в обсерватории «Мирный» (исправленные геомагнитные координаты Φ = –76.93°, Λ=122.92°). Спектр колебаний широкий, характерные периоды лежат в интервале 3–10 мин. Амплитуда колебаний изменчива с типичными значениями 5–10 нТл и временами достигает многих десятков нанотесл. Сезонная активность IPCL характеризуется летним максимумом. В среднем амплитуда повышается с ростом скорости солнечного ветра. Обычно колебания наблюдаются при низкой и умеренной геомагнитной активности (Kр=0–3).
Наиболее постоянный отличительный признак IPCL состоит в том, что, как уже было сказано выше, колебания наблюдаются в дневном секторе овала сияний. Именно это свойство натолкнуло нас на мысль сформулировать гипотезу о возможном механизме возбуждения IPCL и подсказало идею проверки гипотезы путем поиска северно-южной асимметрии колебаний. Дело нам представлялось следующим образом. Если существует северно-южная асимметрия, зависящая от ориентации силовых линий межпланетного магнитного поля (ММП), то это новое, не известное ранее свойство IPCL будет аргументом в пользу нашей гипотезы о механизме возбуждения.
В разделе 1 мы выдвигаем оригинальную гипотезу о возбуждении IPCL, в разделе 2 предлагаем метод проверки гипотезы, а в разделе 3 делаем критическую проверку. Альтернативные механизмы возбуждения мы упоминаем в разделе 4, а в заключительной части статьи мы подводим итог нашего исследования IPCL.
1. Ashby W.R. Vvedenie v kibernetiku [Introduction into Cybernetics]. Moscow, IL Publ., 1959, 432 p. (In Russian). English edition: An Introduction to Cybernetics. London, Chapman and Hall LTD, 1957, 303 p.
2. Bolshakova O.V., Troitskaia V.A., Hessler V.P. On the connection of the position of the polarward boundary of the polar cusp with the intensity of IPCL. Proc. International Symposium on Solar-Terrestrial Physics. Sao Paulo, Brazil, June 17-22, 1974, vol. 2, A75-22580 08-92, pp. 180-184.
3. Buchachenko A.L. Magnetoplasticity and physics of earthquakes. Can we prevent a catastrophe? Uspekhi phizicheskikh nauk [Physics-Uspekhi]. 2014, vol. 184, no. 1, pp. 101-108. (In Russian).
4. Davison M. Mnogomernoe shkalirovanie: metody naglyad- nogo predstavleniya dannykh [Multidimensional Scaling: Methods of Visual Representation of Data]. Moscow, Finansy i Statistika Publ., 1988, 254 p. (In Russian).
5. Gudzenko L.I. Statistical method for determining characteristics of non-adjustable self-oscillatory system. Izvestiya vuzov. Radiofizika [Radiophysics and Quantum Electronics]. 1962, vol. 5, no. 3, pp. 572-586. (In Russian).
6. Guglielmi A.V. MGD-volny v okolozemnoi plazme [MHD Waves in the Near-Earth Plasma]. Moscow, Nauka Publ., 1979, 139 p. (In Russian).
7. Guglielmi A.V. Ray theory of MHD wave propagation (Overview). Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1985, vol. 25, no. 3, pp. 356-370. (In Russian).
8. Guglielmi A.V. Hydromagnetic diagnostics and geoelectric survey. Uspekhi phizicheskikh nauk [Physics-Uspekhi]. 1989, vol. 158, iss. 4, pp. 605-637. (In Russian).
9. Guglielmi A.V. Ultra-low-frequency electromagnetic waves in the Earth’s crust and magnetosphere. Uspekhi phizicheskikh nauk [Physics-Uspekhi]. 2007, vol. 50, no. 12, pp. 1197-1216. (In Russian).
10. Guglielmi A.V., Pokhotelov O.A. Geoelectromagnetic Waves. Bristol and Philadelphia: IOP Publ. Ltd, 1996. 402 p.
11. Guglielmi A.V., Potapov A.S. Effect of interplanetary magnetic field on ULF oscillations of ionospheric resonator. Kosmicheskie issledovaniya [Cosmic Research]. 2017, vol. 55, no. 4, pp. 263-267. (In Russian).
12. Guglielmi A.V., Troitskaya V.A. Geomagnitnye pulsatsii i diagnostika magnitosfery [Geomagnetic Pulsations and Diagnostics of the Magnetosphere]. Moscow, Nauka Publ., 1973, 208 p. (In Russian).
13. Guglielmi A.V., Troitskaya V.A. MHD waves in the near-Earth space. Fizika Zemli [Izvestiya, Physics of the Solid Earth]. 1978, no. 10, pp. 95-104. (In Russian).
14. Guglielmi A.V., Potapov A.S., Dovbnya B.V. Key role of interplanetary magnetic field in forming oscillation regime of the Earth’s magnetosphere. Triggernye effekty v geosistemakh: materialy III Vserossiiskogo seminara-soveshchaniya [Trigger Effects in Geosystems: Proc. Third National Seminar-Workshop]. Moscow, June 16-19, 2015. Moscow, GEOS Publ., 2015, pp. 328-334. (In Russian).
15. Guglielmi A.V., Potapov A.S., Dovbnya B.V., Klain B.I., Zotov O.D., Sterlikova I.V., Ruban V.F., Lavrov I.P. Trigger effects in the magnetosphere: on the 100th anniversary of V.A. Troitskaya. IV Vserossiiskaya konferentsiya “Triggernye effekty v geosistemakh”: tezisy dokladoy [IV National Conference “Trigger Effects in Geo-systems”: Abstracts]. Moscow, June 6-9, 2017. Moscow, GEOS Publ., 2017, pp. 28-29. (In Russian).
16. Jacobs J.A. Geomagnetic Micropulsations. New York, Heidelberg, Berlin, Springer-Verlag, 1970, 179 p.
17. Kalisher A.L. Amplitude distribution function of AA-type geomagnetic pulsations. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and aeronomy]. 1975, vol. 15, no. 5, pp. 952-953. (In Russian).
18. Klain B.I., Kurazhkovskaya N.A., Kurazhkovsky A.Yu. Intermittency in wave processes. Fizika Zemli [Izvestiya, Physics of the Solid Earth]. 2008, no. 10, pp. 25-34. (In Russian).
19. Lundin R., Guglielmi A. Ponderomotive forces in cosmos. Space Sci. Rev. 2006, vol. 127, pp. 1-116.
20. Nishida A. Geomagnetic diagnosis of the magnetosphere. New York, Heidelberg, Berlin, Springer-Verlag, 1978, 256 p.
21. Parker E. Dinamicheskie protsessy v mezhplanetnoi srede [Dynamic Processes in Interplanetary Medium]. Moscow, Mir Publ., 1965, 302 p. (In Russian). English edition: Interplanetary Dynamical Processes. Interscience Publishers, 1963, 272 p.
22. Russell C.T., Hoppe M.M. Upstream waves and particles. Space Sci. Rev. 1983, vol. 34, pp. 115-172.
23. Troitskaya V.A. Pulsations of the Earth`s electromagnetic field with periods of 1-15 sec and their connection with phenomena in the high atmosphere. J. Geophys. Res. 1961, vol. 66, no. 1, pp. 5-18.
24. Troitskaya V.A. Classification of rapid pulsations of the magnetic field and Earth currents. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1964, vol. 4, pp. 490-495. (In Russian).
25. Troitskaya V.A. ULF wave investigations in the dayside cusp. Adv. Space Res. 1985, vol. 5, no 4, pp. 219-228.
26. Troitskaya V.A., Bolshakova O.V. Diurnal latitude variation of the location of the dayside cusp. Planet. Space Sci. 1977, vol. 25, pp. 1167-1169.
27. Troitskaya V.A., Bolshakova O.V. Diagnostics of the magnetosphere using multipoint measurements of ULF waves. Adv. Space Res. 1988, vol. 8, pp. 413-425.
28. Troitskaya V.A., Guglielmi A.V. Geomagnetic micropulsations and diagnostics of the magnetosphere. Space Sci. Rev. 1967, vol. 7, no. 5/6, pp. 689-769.
29. Troitskaya V.A., Guglielmi A.V. Geomagnetic pulsations and diagnostics of the magnetosphere. Uspekhi fizicheskikh nauk [Soviet Physics. Uspekhi]. 1969, vol. 12, no. 2, pp. 195-218. (In Russian).
30. Yamauchi M., Nilsson H., Eliasson L., Norberg O., Boehm M., Clemmons J.H., Lepping R.P., Blomberg L., Ohtani S.-I., Yamamoto T., Mukai T., Terasawa T., Kokubun S. Dynamic response of the cusp morphology to the solar wind: a case study during passage of the solar wind plasma cloud on February 21, 1994. J. Geophys. Res. 1996, vol. 101, pp. 24675-24687.
31. URL: http://omniweb.gsfc.nasa.gov/ow.html (accessed November 10, 2017).
32. URL: http://www.wdcb.ru/stp/index.ru.html (accessed November 10, 2017).
