Solnechno-Zemnaya Fizika Solnechno-Zemnaya Fizika Солнечно-земная физика 2712-9640 75778 10.12737/szf-102202406 Результаты исследований Results of current research Результаты исследований Auroras during extreme geomagnetic storms: Some features of mid-latitude aurora on February 11, 1958 Полярные сияния в периоды экстремальных геомагнитных бурь: особенности среднеширотного сияния 11 февраля 1958 г. Михалев Александр Васильевич Mikhalev Aleksandr Vasilyevich mikhalev@iszf.irk.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 Институт солнечно-земной физики СО РАН Иркутск Россия Institute of Solar Terrestrial Physics SB RAS Irkutsk Russian Federation 25 06 2024 25 06 2024 10 2 60 66 29 02 2024 08 04 2024 https://naukaru.ru/en/nauka/article/75778/view

В работе обсуждаются особенности среднеширотного сияния типа great aurora во время экстремальной магнитной бури 11 февраля 1958 г., которое обладало необычными оптическими и спектральными характеристиками: очень большой интенсивностью эмиссии атомарного кислорода [OI] 630 нм (10⁵–10⁸ Рл) I₆₃₀ и необычно высоким отношением интенсивностей двух запрещенных линий кислорода [OI] 630 нм и 557.7 нм I₆₃₀/I₅₅₇.₇, достигавшим 10³–10⁴. В результате анализа динамики I₆₃₀ во время других экстремальных геомагнитных бурь, а также сопутствующих геофизических условий и физических процессов в ионосфере и магнитосфере Земли высказано предположение, что среднеширотные сияния типа great aurora формируются во время интенсивных суббурь на главных фазах магнитных бурь. Для интерпретации наблюдаемых особенностей среднеширотного сияния 11 февраля 1958 г. предлагается рассмотреть механизм селективного заселения уровня [OI] ¹D, в котором могут быть реализованы реакции резонансной перезарядки ионов кислорода O⁺(²D)+O(³P)→O⁺(⁴S)+O(³P, ¹D) и/или реакции столкновения атомов и молекул кислорода с возбужденными компонентами нечетного азота.

This paper discusses peculiarities of the great mid-latitude aurora that occurred during the extreme magnetic storm on February 11, 1958. This mid-latitude aurora had unusual optical and spectral characteristics, among which, first of all, were very high (10⁵–10⁸ R) intensities of atomic oxygen [OI] 630.0 nm emission and an unusually high ratio of the intensities of two forbidden lines of oxygen [OI] 630.0 nm and 557.7 nm (I₆₃₀/I₅₅₇.₇). In some points, this ratio was as high as 10³–10⁴. Analysis of I₆₃₀ dynamics during other extreme geomagnetic storms and associated geophysical conditions and physical processes in Earth’s ionosphere and magnetosphere allows us to assume that great mid-latitude auroras are formed during intense substorms in main phases of magnetic storms. In order to interpret the observed features of the February 11, 1958 mid-latitude aurora, we propose to examine the mechanism of level [OI] ¹D selective filling in which reactions of resonance recharge of oxygen ions O⁺(²D)+O (³P)→O⁺(⁴S)+O(³P, ¹D) and/or reactions of oxygen atom and molecule collisions with excited components of odd nitrogen can be implemented.

 среднеширотные сияния магнитные бури полярное сияние 11 февраля 1958 г. mid-latitude aurora magnetic storms February 11 1958 great aurora Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России The work was financially supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation

Гогошева Ц. Вклад N(2D) в возбуждение красной кислородной эмиссии. Бълг. геофиз. списание. 1979. Т. 5, № 1. С. 33–35. Akasofu S.-I. The dynamic aurora. Scientific American. 1989, vol. 260, iss. 5, pp. 90–97. Данилов А.Д. Реакция области F на геомагнитные возмущения (Обзор). Гелиогеофизические исследования. 2013. Вып. 5. С. 1–33. Akasofu S.-I. Relationship between geomagnetic storms and auroral/magnetospheric substorms: Early studies. Review. Front. Astron. Space Sci. Sec. Space Phys. 2020, vol. 7, pp. 1–16. DOI: 10.3389/fspas.2020.604755. Дашкевич Ж.В., Иванов В.Е. Анализ источников эмиссии 630.0 нм в полярных сияниях. Космические исследования. 2022. Т. 60, № 5. С. 368–376. Akasofu S., Chapman S. Large-scale auroral motions and polar magnetic disturbances – III: The aurora and magnetic storm of 11 February 1958. J. Atmos. Terr. Phys.1962, vol. 24, pp. 785–796. DOI: 10.1016/0021-9169(62)90199-X. Дремухина Л.А., Ермолаев Ю.И., Лодкина И.Г. Различия в динамике асимметричной части магнитного возмущения в периоды магнитных бурь, индуцированных разными межпланетными источниками. Геомагнетизм и аэрономия. 2020. Т. 60, № 6. С. 727–739. DOI: 10.31857/S0016794020060036. Berrilli F., Giovannelli L. The great aurora of 4 February 1872 observed by Angelo Secchi in Rome. J. Space Weather Space Clim. 2022, vol. 12, 3. DOI: 10.1051/ swsc/2021046. Евлашин Л.С. Выдающееся полярное сияние 11/II 1958 г. Геомагнетизм и аэрономия. 1962. Т. 2, № 1. С. 74–78. Danilov A.D. Response of F region to geomagnetic disturbances. Geliogeofizicheskiye issledovaniya [Heligeophysical Res.]. 2013, iss. 5, pp. 1–33. (In Russian). Золотухина Н.А., Полех Н.М., Михалев А.В. и др. Особенности эмиссий 630.0 и 557.7 нм в области главного ионосферного провала: 17 марта 2015 г. Солнечно-земная физика. 2021. Т. 7, № 3. С. 57–71. DOI: 10.12737/szf-73202105. Dashkevich Zh.V., Ivanov V.Ye. Analysis of 630-nm emission sources in auroras. Cosmic Res. 2022, vol. 60, no. 5, pp. 332–339. Иевенко И.Б., Парников С.Г. Связь динамики SAR-дуги с суббуревой инжекцией по наблюдениям полярных сияний. Магнитосферные явления в окрестности плазмопаузы. Геомагнетизм и аэрономия. 2022. Т. 62, № 2. С. 171–188. DOI: 10.31857/S0016794022020092. Dmitriev A., Yeh H.-C. Storm-time ionization enhancements at the topside low-latitude ionosphere. Ann. Geophys. 2008, vol. 26, pp. 867–876. Михалев А.В. Среднеширотные сияния в Восточной Сибири в 1991–2012 гг. Солнечно-земная физика. 2013. Вып. 24. С. 78–83. Dremukhina L.A., Yermolaev Yu.I., Lodkina I.G. The differencies in dynamics of the asymmetric part of the magnetic disturbance during the periods of magnetic storms induced by different interplanetary sources Geomagnetism and Aeronomy. 2020, vol. 60, no. 6, pp. 714–726. DOI: 10.1134/S0016793220060031. Михалев А.В. Среднеширотные сияния в 23–24-м солнечных циклах по данным наблюдений на юге Восточной Сибири. Солнечно-земная физика. 2019. Т. 5, № 4. С. 80–89. DOI: 10.12737/szf-54201909. Fishkova L.M., Martsvaladze N.M. The behavior of HI 656.3 and [OI] 630 nm emissions in the upper atmosphere during magnetic storms with sudden commancement. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1985, vol. 25, no. 3, pp. 509–511. (In Russian). Михалев А.В., Белецкий А.Б., Васильев Р.В. и др. Спектральные и фотометрические характеристики среднеширотного сияния во время магнитной бури 17 марта 2015 г. Солнечно-земная физика. 2018. Т. 4, № 4. С. 54–61. DOI: 10.12737/szf-44201806. Gogosheva T.S. N(2D) contribution to red oxygen excitation. Blgarsko geofizichno spisanie [Bulgarian Geophysical J.] 1979, vol. 5, no. 1, pp. 33–35. (In Russian). Николаев А.В. Исследование токовой системы суббури по данным спутниковых измерений: диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук: 01.03.03. СПб., 2015. 150 с. Hikosaka T. On the great enhancement of the line [OI] 6300 in the aurora at Niigata on February 11, 1958. Rep. Ionosp. Res. Japan. 1958, vol. 12, no. 4, pp. 469–471. Трутце Ю.Л. Верхняя атмосфера во время геомагнитных возмущений. Полярные сияния и свечения ночного неба. М.: Наука, 1973. № 20. С. 5–22. Ievenko I.B., Parnikov S.G. Relationship of the SAR arc dynamics to substorm injection based on the aurorae observation. Magnetospheric phenomena in the plasmapause vicinity. Geomagnetism and Aeronomy. 2022, vol. 62, no. 7, pp. 32–49. DOI: 10.1134/S0016793222020098. Тясто М.И., Птицына Н.Г., Веселовский И.С., Яковчук О.С. Экстремально сильная магнитная буря 2–3 сентября 1859 г. по архивным магнитным данным российской сети наблюдений. Геомагнетизм и аэрономия. 2009. Т. 49, № 2. С. 163–173. Kataoka R., Uchino S., Fujiwara Y., Fujita S., Yamamoto K. Fan-shaped aurora as seen from Japan during a great magnetic storm on February 11, 1958. J. Space Weather Space Clim. 2019, vol. 9, A16. DOI: 10.1051/swsc/2019013. Фишкова Л.М., Марцваладзе Н.М. О поведении эмиссии HI 656.3 нм и [OI] 630 нм верхней атмосферы во время магнитных бурь с внезапным началом. Геомагнетизм и аэрономия. 1985. Т. 25, № 3. С. 509–511. Knipp D.J., Bernstein V., Wahl K., Hayakawa H. Timelines as a tool for learning about space weather storms. J. Space Weather Space Clim. 2021, vol. 11, 29. DOI: 10.1051/swsc/2021011. Шефов Н.Н., Юрченко О.Т. Абсолютные интенсивности эмиссий полярных сияний, наблюдавшихся в Звенигороде. Полярные сияния и свечение ночного неба. 1970. № 18. С. 50–96. Mahadevan P., Roach F.E. Mechanism for the auroral emission of OI (6300 Å). Nature. 1968, vol. 220, pp. 150–152. DOI: 10.1038/220150B0. Шефов Н.Н., Семенов А.И., Хомич В.Ю. Излучение верхней атмосферы — индикатор ее структуры и динамики. М.: ГЕОС, 2006. 741 с. Manring E.R., Pettit H.B. Photometric observations of the 5577 Å and 6300 Å emissions made during the aurora of February 10–11, 1958. J. Geophys. Res. 1959, vol. 64, no. 2, pp. 149–153. Шуйская Ф.К. Наблюдение полярного сияния 11.II. 1958 г. на ст. Рощино. Полярные сияния и свечение ночного неба. М.: Наука, 1967. № 13. С. 87–97. Mikhalev A.V. Mid-latitude airglows in East Siberia in 1991–2012. Solnechno-zemnaya fizika [Solar-Terr. Phys.]. 2013, iss. 24, pp. 78–83. (In Russian). Akasofu S.-I. The dynamic aurora. Scientific American. 1989. Vol. 260, iss. 5. P. 90–97. Mikhalev A.V., Beletsky A.B., Vasil'yev R.V., Zherebtsov G.A., Podlesny S.V., Tashchilin M.A., Artamonov M.F. Spectral and photometric characteristics of mid-latitude auroras during the magnetic storm of March 17, 2015. Solar-Terr. Phys. 2018, vol. 4, iss. 4, pp. 42–47. DOI: 10.12737/stp-44201806. Akasofu S.-I. Relationship between geomagnetic storms and auroral/magnetospheric substorms: Early studies. Review. Front. Astron. Space Sci. Sec. Space Phys. 2020. Vol. 7. P. 1–16. DOI: 10.3389/fspas.2020.604755. Mikhalev A.V. Mid-latitude aurora in solar cycles 23–24 from observations in the south of Eastern Siberia. Solar-Terr. Phys. 2019, vol. 5, iss. 4, pp. 66–73. DOI: 10.12737/stp-54201909. Akasofu S., Chapman S. Large-scale auroral motions and polar magnetic disturbances – III: The aurora and magnetic storm of 11 February 1958. J. Atmos. Terr. Phys.1962. Vol. 24. P. 785–796. DOI: 10.1016/0021-9169(62)90199-X. Nikolayev A.V. Issledovanie tokovoi sistemy subburi po dannym sputnikovykh izmereniy [Research into Substorm Current System From Satellite Data]. PhD Thesis. Saint-Petersburg, 2015. 150 p. (In Russian). Berrilli F., Giovannelli L. The great aurora of 4 February 1872 observed by Angelo Secchi in Rome. J. Space Weather Space Clim. 2022. Vol. 12, 3. DOI: 10.1051/ swsc/2021046. Rassoul H.K., Rohrbaugh R.P., Tinsley B.A. Low-latitude particle precipitation and associated local magnetic disturbance. J. Geophys. Res. 1992, vol. 97, iss. A4, pp. 4041–4052. DOI: 10.1029/91JA03028. Dmitriev A., Yeh H.-C. Storm-time ionization enhancements at the topside low-latitude ionosphere. Ann. Geophys. 2008. Vol. 26. P. 867–876. Rassoul H.K., Rohrbaugh R.P., Tinsley B.A., Slater D.W. Spectrometric and photometric observations of low-latitude aurorae. J. Geophys. Res. 1993, vol. 98, no. A5, pp. 7695–7709. DOI: 10.1029/92JA02269. Hikosaka T. On the great enhancement of the line [OI] 6300 in the aurora at Niigata on February 11, 1958. Rep. Ionosp. Res. Japan. 1958. Vol. 12, no. 4. P. 469–471. Rees M.H., Luckey D. Auroral electron energy derived from ratio of spectroscopic emissions. 1. Model computations. J. Geophys. Res. 1974, vol. 79, iss. 34, pp. 5181–5186. Kataoka R., Uchino S., Fujiwara Y., et al. Fan-shaped aurora as seen from Japan during a great magnetic storm on February 11, 1958. J. Space Weather Space Clim. 2019. Vol. 9, A16. DOI: 10.1051/swsc/2019013. Saiz E., Cid C., Guerrero A. The relevance of local magnetic records when using extreme space weather events as benchmarks. J. Space Weather Space Clim. 2021, vol. 11, 35. DOI: 10.1051/swsc/2021018. Knipp D.J., Bernstein V., Wahl K., Hayakawa H. Timelines as a tool for learning about space weather storms. J. Space Weather Space Clim. 2021. Vol. 11, 29. DOI: 10.1051/swsc/2021011. Sergeev V.A., Tsyganenko N.A., Smirnov M.V., Nikolaev A.V., Singer H.J., Baumjohann W. Magnetic effects of the substorm current wedge in a “spread-out wire” model and their comparison with ground, geosynchronous, and tail lobe data. J. Geophys. Res. 2011, vol. 116, A07218. DOI: 10.1029/ 2011JA16471. Mahadevan P., Roach F.E. Mechanism for the auroral emission of OI (6300 Å). Nature. 1968. Vol. 220. P. 150–152. DOI: 10.1038/220150B0. Shefov N.N., Yurchenko O.T. Absolute intensities of aurora emissions observed in Zvenigorod. Polyarnye siyaniya i svechenie nochnogo neba [Auroras and night airglows]. 1970, no. 18, pp. 50–96. Manring E.R., Pettit H.B. Photometric observations of the 5577 Å and 6300 Å emissions made during the aurora of February 10–11, 1958. J. Geophys. Res. 1959. Vol. 64, no. 2. P. 149–153. DOI: 10.1029/JZ064i002p00149. Shefov N.N., Semenov A.I., Khomich V.Yu. Izluchenie verkhnei atmosfery – indikator eye struktury i dinamiki [The upper atmosphere emission as an indicator of its structure and dynamics]. Moscow, GEOS Publ., 2006, 741 p. (In Russian). Rassoul H.K., Rohrbaugh R.P., Tinsley B.A. Low-latitude particle precipitation and associated local magnetic disturbance. J. Geophys. Res. 1992. Vol. 97, iss. A4. P. 4041–4052. DOI: 10.1029/91JA03028. Shiokawa K., Ogawa T., Kamide Y. Low-latitude auroras observed in Japan: 1999–2004. J. Geophys. Res. 2005, vol. 110, iss. A5, A05202. DOI: 10.1029/2004JA010706. Rassoul H.K., Rohrbaugh R.P., Tinsley B.A., Slater D.W. Spectrometric and photometric observations of low-latitude aurorae. J. Geophys. Res. 1993. Vol. 98, no. A5. P. 7695–7709. DOI: 10.1029/92JA02269. Shiokawa K., Miyoshi Y., Brandt P.C., Evans D.S., Frey H.U., Goldstein J., Yumoto K. Ground and satellite observations of low-latitude red auroras at the initial phase of magnetic storms. J. Geophys. Res. 2013, vol. 118, no. 1, pp. 256‒270. DOI: 10.1029/2012JA018001. Rees M.H., Luckey D. Auroral electron energy derived from ratio of spectroscopic emissions. 1. Model computations. J. Geophys. Res. 1974. Vol. 79, iss. 34. P. 5181–5186. Solomon S.C., Hays P.B., Abreu V.J. The auroral 6300 Å emission: Observations and modeling. J. Geophys. Res. 1988, vol. 93, no. A9, pp. 9867–9882. Saiz E., Cid C., Guerrero A. The relevance of local magnetic records when using extreme space weather events as benchmarks. J. Space Weather Space Clim. 2021. Vol. 11, 35. DOI: 10.1051/swsc/2021018. Shuiskaya F.K. Observation of 11.II.1958 aurora at Roshchino station. Polyarnye siyaniya i svechenie nochnogo neba [Auroras and night airglows]. 1967, no. 13, pp. 87–97. (In Russian). Sergeev V.A., Tsyganenko N.A., Smirnov M.V., et al. Magnetic effects of the substorm current wedge in a “spread-out wire” model and their comparison with ground, geosynchronous, and tail lobe data J. Geophys. Res. 2011. Vol. 116, A07218. DOI: 10.1029/2011JA16471. Tinsley B.A., Rohrbaugh R.P., Rassoul H., Sahai Y., Teixeira N.R., Slater D. Low-latitude aurorae and storm time current systems. J. Geophys. Res. 1986, vol. 91, iss. A10, pp. 11257–11269. DOI: 10.1029/JA091iA10p11257. Shiokawa K., Ogawa T., Kamide Y. Low-latitude auroras observed in Japan: 1999–2004. J. Geophys. Res. 2005. Vol. 110, iss. A5, A05202. DOI: 10.1029/2004JA010706. Truttse Yu.L. Upper atmosphere during geomagnetic disturbances. Polyarnye siyaniya i svechenie nochnogo neba [Auroras and night airglows]. 1973, no. 20, pp. 5–22. (In Russian). Shiokawa K., Miyoshi Y., Brandt P.C., et al. Ground and satellite observations of low-latitude red auroras at the initial phase of magnetic storms. J. Geophys. Res. 2013. Vol. 118, no. 1. P. 256‒270. DOI: 10.1029/2012JA018001. Tyasto M. I., Ptitsyna N.G., Veselovskiy I.S., Yakovchuk O.S. Extreme magnetic storm of September 2–3, 1859 from archive magnetic data of Russian network of observations. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2009, vol. 49, no. 2, pp. 163–173. (In Russian). Solomon S.C., Hays P.B., Abreu V.J. The auroral 6300 Å emission: Observations and modeling. J. Geophys. Res. 1988. Vol. 93, no. A9. P. 9867–9882. Vallance J.A. Historical review of great aurora. Can. J. Phys. 1992, vol. 70, iss. 7, pp. 479–487. DOI: 10.1139/p92-083. Tinsley B.A., Rohrbaugh R.P., Rassoul H., et al. Low-latitude aurorae and storm time current systems. J. Geophys. Res. 1986. Vol. 91, iss. A10. P. 11257–11269. DOI: 10.1029/ JA091iA10p11257. Wallace L. An analysis of spectrogram of the red aurora of February, 1958, in the wavelength range. Can. J. Phys. 1960, vol. 38, no. 3, pp. 453–457. DOI: 10.1016/0021-9169(59)90142-4. Vallance J.A. Historical review of great aurora. Can. J. Phys. 1992. Vol. 70, iss. 7. P. 479–487. DOI: 10.1139/p92-083. Yevlashin L.S. Great aurora of 11.02.1958. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1962, vol. 2, no. 1, pp. 74–78. (In Russian). Wallace L. An analysis of spectrogram of the red aurora of February, 1958, in the wavelength range. Can. J. Phys. 1960. Vol. 38, no. 3. P. 453–457. DOI: 10.1016/0021-9169(59)90142-4. Zolotukhina N.A., Polekh N.M., Mikhalev A.V., Beletsky A.B., Podlesny S.V. Peculiarities of 630.0 and 557.7 nm emissions in the main ionospheric trough: March 17, 2015. Solar-Terr. Phys. 2021, vol. 7, iss. 3, pp. 53–67. DOI: 10.12737/stp-73202105. URL: https://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dst_realtime/index.html (дата обращения 25 января 2024 г.). URL: https://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dst_realtime/index.html (accessed January 25, 2024). URL: http://ckp-angara.iszf.irk.ru (дата обращения 25 января 2024 г.). URL: http://ckp-angara.iszf.irk.ru (accessed January 25, 2024).