Solar-Terrestrial PhysicsSolar-Terrestrial PhysicsСолнечно-земная физика / Solnechno-Zemnaya Fizika / Solar-Terrestrial Physics2712-96401652310.12737/szf-34201705Результаты исследованийResults of current researchРезультаты исследованийFeatures of the impact of the solar wind diamagnetic structure on Earth’s magnetosphereОсобенности воздействия диамагнитной структуры солнечного ветра на магнитосферу ЗемлиПархомовВладимир АлександровичParhomovVladimir Aleksandrovichpekines_41@mail.ru
ДмитриевАлексей ВладимировичDmitrievAlexei Vladimirovichdalex@jupiter.ss.ncu.edu.twЧиликинВиталий ЭдуардовичChilikinVitaliy EduardovichБайкальский государственный университетИркутскРоссияBaikal state universityIrkutskRussian FederationИнститут космических исследований РАНМоскваРоссияInstitute of Space Research RASMoscowRussian FederationИнститут солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian FederationИнститут солнечно-земной физики СО РАНИркутскРоссияInstitute of Solar Terrestrial Physics SB RASIrkutskRussian FederationНаучно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцина МГУ, Москва , РоссияМоскваРоссияSkobeltsyn Institute of Nuclear Physics, Moscow State University, Moscow , Russian FederationMoscowRussian FederationФакультет космических наук и инженерии, Национальный Центральный Университет, ТайваньТайваньКитайская РеспубликаDepartment of Space Science and Engineering, National Central University, TaiwanTaiwanTaiwanБайкальский государственный университетBaikal State University344762https://naukaru.ru/en/nauka/article/16523/view
На орбите Земли 28 июня 1999 г. была зарегистрирована диамагнитная структура (ДС), являвшаяся волокном с уникально большой скоростью (около 900 км/с). Показано, что данное волокно являлось частью специфического спорадического потока солнечного ветра (СВ), который можно рассматривать как межпланетный транзиент малых размеров. Представлены результаты исследований взаимодействия данной ДС с магнитосферой Земли. В околополуденные часы на широтах дневного каспа было зарегистрировано мощное свечение в ультрафиолетовом диапазоне (shockaurora), которое быстро распространялось к западу и востоку. Наземные наблюдения вариаций геомагнитного поля, аврорального поглощения и полярных сияний на полуночном меридиане показали развитие мощного суббуреподобного возмущения (СПВ) (АЕ~1000 нТл), начало которого связано с воздействием на магнитосферу диамагнитной структуры СВ. На геостационарном спутнике GOES-8, находившемся в полуночном секторе внешней области квазизахвата в течение СПВ, наблюдались вариации Bz- и Вх-компонент геомагнитного поля, соответствующие процессу диполизации.
In Earth’s orbit on June 28, 1999, there was a diamagnetic structure (DS) representing a filament with a uniquely high speed (about 900 km/s). We show that the filament is a part of the specific sporadic solar wind (SW) stream, which is characterized as a small interplanetary transient. We report the results of studies on the interaction between such a fast filament (DS) and Earth’s magnetosphere. Around noon hours at daytime cusp latitudes, we recorded a powerful aurora in the UV band (shockaurora), which rapidly spread to the west and east. Ground-based observations of geomagnetic field variations, auroral absorption, and auroras on the midnight meridian have shown the development of a powerful substorm-like disturbance (SLD) (AE~1000 nT), whose origin is associated with the impact of the SW diamagnetic structure on the magnetosphere. The geostationary satellite GOES-8, which was in the midnight sector of the outer quasi-capture region during SLD, recorded variations of the Bz and Bx geomagnetic field components corresponding to the dipolarization process.
ВВЕДЕНИЕДиамагнитные структуры (ДС) составляют основу медленного квазистационарного солнечного ветра (СВ) на орбите Земли, источниками которого на Солнце являются пояс cтримеров [Svalgaard et al., 1974], цепочки стримеров [Eselevich et al., 1999; Eselevich et al., 2007] или псевдостримеры [Wang et al., 2007]. Эти структуры фактически представляют собой магнитные трубки (в общем случае — магнитные жгуты) с плазмой [Еселевич, Еселевич, 2005]. На их поверхности течет диамагнитный ток, уменьшающий магнитное поле внутри и увеличивающий вне трубки. Диамагнитные трубки сохраняют свой угловой размер при движении от Солнца до Земли, т. е. они являются квазистатическими на протяжении всего этого пути [Еселевич, Еселевич, 2005].Спорадический СВ, источником которого на Солнце являются корональные выбросы массы (coronal mass ejection, CME), на орбите Земли регистрируется в виде последовательности из ударной волны, ударно-нагретой плазмы и магнитного облака, или межпланетного выброса корональной массы (interplanetary coronal mass ejection, ICME). Внутри магнитного облака часто можно наблюдать изгибающийся тонкий магнитный жгут с плазмой повышенной плотности, который является выброшенным с поверхности Солнца волокном (или эруптивным протуберанцем). Он также является ДС с теми же свойствами, что и у магнитной трубки [Еселевич, Еселевич, 2005].Анализ двух событий [Пархомов и др., 2015] столкновения волокна с магнитосферой Земли показал, что подобное взаимодействие вызывает кратковременную (20–40 мин) активизацию магнитосферных процессов, аналогичных суббуревым. Они начинаются на дневной стороне магнитосферы вспышкой сияний в полуденном секторе (shockaurora) [Zhou, Tsurutani, 1999]. Заметим, что shockaurora возникает не только при взаимодействии с магнитосферой межпланетных ударных волн, но и при резких и больших скачках давления протонов СВ [Бородкова, 2010]. Мы же рассматриваем только случаи взаимодействия с магнитосферой диамагнитных структур СВ, определяемых по отрицательному коэффициенту корреляции между скачками концентрации СВ и модуля межпланетного магнитного поля (ММП) при предшествующей долговременно существующей положительной или слабо отрицательной Bz-компоненте ММП. В таких случаях после вспышки сияний на полуденной стороне передние фронты сияний распространяются в утренний и вечерний секторы авроральной зоны. Через 3–5 мин после вспышки сияний на дневной стороне в хвосте магнитосферы и на Земле наблюдались явления, свойственные суббуре: всплески колебаний Pi1–2, усиление потоков электронов и протонов на геостационарной орбите и аврорального электроджета (возрастание АE-индекса до 600 нТл). Продолжительность возмущения определяется временем взаимодействия волокна ДС с магнитосферой. Назовем такие возмущения суббуреподобными (СПВ, substorm-like) аналогично [Huttunen et al., 2002].Отличия рассматриваемых нами СПВ от классической суббури и псевдобрейкапов различных типов заключаются в точно определенном энергетическом источнике — ДС СВ, продолжительности явления и его начале на дневной стороне. Вводя новое определение, мы учитываем, что суббуреподобные события, которые не перерастают в полномасштабную суббурю [Акасофу, 1971], были названы псевдобрейкапами. Однако этим понятием определялись в последующих исследованиях многие подобные явления [Zhou, Tsurutani, 2001].Целью настоящей работы является исследование развития высокоширотных возмущений, отличных от суббури классического типа (т. е. суббуреподобных), при воздействии на магнитосферу диамагнитных структур СВ, на примере уникального события 28 июня 1999 г.
Акасофу С. Полярные и магнитосферные суббури. М.: Мир, 1971. 320 c.Akasofu S.I. Polar and Magnetosheric Substorms. Moscow, Mir, 1971, 320 p. (In Russian). English edition: Akasofu S.I. Polar and Magnetosheric Substorms. New York, Springer-Verlag, 1968, 280 p.Бородкова Н.Л. Воздействие больших и резких изменений динамического давления солнечного ветра на магнитосферу Земли: анализ нескольких событий // Космические исследования. 2010. Т. 48, № 1. С. 43-57.Borodkova N.L. Effect of large and sharp changes of solar wind dynamic pressure on the Earths’s magnetosphere: analysis of several events. Cosmic Reseach. 2010, vol. 48, no. 1, pp. 41-55. DOI: 10.1134/S001095251001003X.Еселевич М.В., Еселевич В.Г. Фрактальная структура гелиосферного плазменного слоя на орбите Земли // Геомагнетизм и аэрономия. 2005. Т. 45, № 3. С. 347.Eselevich V.G., Eselevich M.V. Fractal structure of the heliospheric plasma layer on the Earth’s orbit. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2005, vol. 45, no. 3, p. 347. (In Russian).Пархомов В.А., Рахматулин Р.А. Локализация и широтный дрейф источника Pi1B // Исслед. по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1975. Вып. 6. C. 132.Eselevich M.V., Eselevich V.G., Fujiki K. Streamer belt and chains as the main sources of quasi-stationary slow solar wind. Solar. Phys. 2007, vol. 240, p. 135.Пархомов В.А., Бородкова Н.Л., Еселевич В.Г., Еселевич М.В. Резкие изменения концентрации в спорадическом солнечном ветре и их воздействие на магнитосферу Земли // Космические исследования. 2015. Т. 53, № 6. С. 449-453. DOI: 10.7868/ S002342061505009X.Eselevich V.G., Fainshtein V.G., Rudenko G.V. Study of the structure of streamer belts and chains in the solar corona. Solar Phys. 1999, vol. 188, no. 2, p. 277.Eselevich V.G., Fainshtein V.G., Rudenko G.V. Study of the structure of streamer belts and chains in the solar corona // Solar Phys. 1999. V. 188, N 2. P. 277.Eselevich V.G., Fainshtein V.G., Rudenko G.V., Eselevich M.V., Kashapova L.K. Forecasting the velocity of quasi-stationary solar wind and the intensity of geomagnetic disturbances produced by it. Cosmic. Res. 2009, vol. 47, no. 2, pp. 95-113.Eselevich M.V., Eselevich V.G., Fujiki K. Streamer belt and chains as the main sources of quasi-stationary slow solar wind // Solar Phys. 2007. V. 240. P. 135.Huttunen K.E.J., Koskinen H.E.J., Pulkkinen T.I., Pulkkinen A., Palmroth M., Reeves E.G.D., Singer H.J. April 2000 magnetic storm: Solar wind driver and magnetospheric response. J. Geophys. Res. 2002, vol. 107, no. A12, 1440. DOI: 10.1029/2001JA009154.Eselevich V.G., Fainshtein V.G., Rudenko G.V., et al. Forecasting the velocity of quasi-stationary solar wind and the intensity of geomagnetic disturbances produced by it // Cosmic Res. 2009. V. 47, N 2. P. 95.Lin R.L., Zhang X.X., Liu S.Q., Wang Y.L., Gong J.C. A three-dimensional asymmetric magnetopause model. J. Geophys. Res. 2010, vol. 115, A04207. DOI: 10.1029/2009JA014235.Huttunen K. E. J., Koskinen H.E.J., Pulkkinen T.I., et al. April 2000 magnetic storm: solar wind driver and magnetospheric response // J. Geophys. Res. 2002. V. 107, N A12. P. 1440. DOI: 10.1029/2001JA009154.Lui A.T.Y. Current controversies in magnetospheric physics. Rev. Geophys. 2001, vol. 39, pp. 535-564.Lin R.L., Zhang X.X., Liu S.Q., et al. A three-dimensional asymmetric magnetopause model // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. A04207. DOI: 10.1029/2009JA014235.O’Brien T.P., McPherron R.L. Seasonal and diurnal variation of Dst dynamics. J. Geophys. Res. 2002, vol. 107, no. A11. DOI: 10.1029/2002JA009435.Lui A.T.Y. Current controversies in magnetospheric physics // Rev. Geophys. 2001. V. 39. P. 535-564.Parkhomov V.A., Rakhmatulin R.A. Localization and latitudinal drift of the source Pi1B. Issledovaniya po geomagnetizmu, aeronomii i fizike Solntsa [Reseach on Geomagnetism, Aeronomy, and Solar Physics]. Moscow, Nauka Publ., 1975, iss. 6, p. 132. (In Russian).O’Brien T.P., McPherron R.L. Seasonal and diurnal variation of Dst dynamics // J. Geophys. Res. 2002. V. 107, N A11. DOI: 10.1029/2002JA009435.Parkhomov V.A., Borodkova N.L., Dmitriev A.V., Klimov P.M., Rakhmatulin R.A. The role of solar wind pressure jumps in the initiation and control processes of magnetospheric substorms. Geomagnetism and Aeronomy. 2011, vol. 51, no. 7, pp. 979-993. DOI: https://doi.org/10.1134/S0016793211070176.Parkhomov V.A., Borodkova N.L., Dmitriev A.V., et al. The role of solar wind pressure jumps in the initiation and control processes of magnetospheric substorms // Geomagnetism and Aeronomy. 2011. V. 51, N 7. P. 979-993. DOI: 10.1134/ S0016793211070176.Parkhomov V.A., Borodkova N.L., Eselevich V.G., Eselevich M.V. Abrupt changes of density in sporadic solar wind and their effect on Earth magnetosphere. Cosmic Reseach. 2015, vol. 53, no. 6, pp. 411-422. DOI: 10.1134/S0010952515050093.Rouillard A.P., Sheeley N.R. Jr., Cooper T.J., et al. The solar original of small interplanetary transients // Astrophys. J. 2011. V. 734, 10 p. DOI: 10.1088/0004-637X/734/1/7.Rouillard A.P., Sheeley N.R. Jr., Cooper T.J., Davies J.A., Lavraud B., Kilpua E.K.J., Skoug R.M., Steinberg J.T., Szabo A., Opitz A., Sauvaud J.-A. The solar original of small interplanetary transients. Astrophys. J. 2011, vol. 734, 10 p. DOI: 10.1088/0004-637X/734/1/7.Schwenn R., Dal Lago A., Huttunen E., Gonzalez W.D. The association of coronal mass ejections with their effects near the Earth // Ann. Geophys. 2005. V. 23. P. 1033-1059.Schwenn R., Dal Lago A., Huttunen E., Gonzalez W.D. The association of coronal mass ejections with their effects near the Earth. Annales Geophysicae. 2005, vol. 23, pp. 1033-1059.Sergeev V., Nishimura Y., Kubyshkina M., et al. Magnetospheric location of the equatorward prebreakup arc // J. Geophys. Res. 2012. 117. A01212. DOI: 10.1029/2011JA017154.Sergeev V., Nishimura Y., Kubyshkina M., Angelopoulos V., Nakamura R., Singer H. Magnetospheric location of the equatorward prebreakup arc. J. Geophys. Res. 2012, vol. 117, A01212. DOI: 10.1029/2011JA017154.Svalgaard L.J., Wilcox W., Duvall T.L. A model combining the solar magnetic field // Solar Phys. 1974. V. 37. P. 157.Svalgaard L.J., Wilcox W., Duvall T.L. A model combining the solar magnetic field. Solar Phys. 1974, vol. 37, p. 157.Tagirov V.R., Arinin V.A., Meng C.I., et al. Comparison of two substorm onsets on the basis of coordinated ground-satellite observations // Fourth International Conference on Substorms (ICS-4). 1998. P. 339-342.Tagirov V.R., Arinin V.A., Meng C.I., Sibeck D.G., Lui A.T.Y., Liou K., Ivanov A.G., Frank L.A., Morgan D., Parks G. Comparison of two substorm onsets on the basis of coordinated ground-satellite observations. Fourth International Conference on Substorms (ICS-4). 1998, pp. 339-342.Torr M.R., Torr D.G., Zukic M., et al. A far ultraviolet imager for the International Solar-Terrestrial Physics Mission // Space Sci. Rev. 1995. V. 71, iss. 1-4. P. 329-383.Torr M.R., Torr D.G., Zukic M., Johnson R.B., Ajello J., Banks P., Clark K., Cole K., Keffer C., Parks G., Tsurutani B., Spann J. A far ultraviolet imager for the International Solar-Terrestrial Physics Mission. Space Sci. Rev. 1995, vol. 71, iss. 1-4, pp. 329-383.Wang Y.M., Sheeley N.R., Rich N.B. Coronal pseudostreamers // Astrophys. J. 2007. V. 685. P. 1340.Wang Y.M., Sheeley N.R., Rich N.B. Coronal pseudostreamers. Astrophys. J. 2007, vol. 685, p. 1340.Zhou X., Tsurutani B.T. Rapid intensification and propagation of the dayside aurora: large scale interplanetary pressure pulses (fast shocks) // Geophys. Res. Lett. 1999. V. 26, N 8. P. 1097-1100. DOI: 10.1029/1999GL900173.Zhou X., Tsurutani B.T. Rapid intensification and propagation of the dayside aurora: large scale interplanetary pressure pulses (fast shocks). Geophys. Res. Lett. 1999, vol. 26, no. 8, pp. 1097-1100. DOI: 10.1029/1999GL900173.Zhou X., Tsurutani B.T. Interplanetary shock triggering of nightside geomagnetic activity: substorms, pseudobreakups and quiescent events // J. Geophys. Res. 2001. V. 106, N А9. P. 18,957-18,967. DOI: 10.1029/2000JA003028.Zhou X., Tsurutani B.T. Interplanetary shock triggering of nightside geomagnetic activity: substorms, pseudobreakups and quiescent events. J. Geophys. Res. 2001, vol. 106, no. A9, pp. 18,957-18,967. DOI: 10.1029/2000JA003028.Zhou X.-Y., Strangeway R.J., Anderson P.C., et al. Shock aurora: FAST and DMSP observations // J. Geophys. Res. 2003. V. 108, N A4. 8019. DOI: 10.1029/2002JA009701.Zhou X.-Y., Strangeway R.J., Anderson P.C., Sibeck D.G., Tsurutani B.T., Haerende G., Frey H.U., Arballo J.K. Shock aurora: FAST and DMSP observations. J. Geophys. Res. 2003, vol. 108, no. A4, p. 8019. DOI: 10.1029/2002JA009701.Zhou X.-Y., Fukui K., Carlson H. C., et al. Shock aurora: ground-based imager observations // J. Geophys. Res. 2009. V. 114. A12216. DOI: 10.1029/2009JA014186.Zhou X.-Y., Fukui K., Carlson H.C., Moen J.I., Strangeway R.J. Shock aurora: ground-based imager observations. J. Geophys. Res. 2009, vol. 114, A12216. DOI: 10.1029/ 2009JA014186.Zhou X.-Y., Zhou X.-Z., Angelopolus V., et al. Interplanetary shock-induced current sheet disturbances leading to auroral activations: THEMIS observations // J. Geophys. Res. 2013. V. 118. P. 3173-3187. DOI: 10.1002/jgra.50175.Zhou X.-Y., Zhou X.-Z., Angelopolus V., Shi Q., Wang C.-P., Frey H. Interplanetary shock-induced current sheet disturbances leading to auroral activations: THEMIS observations. J. Geophys. Res. 2013, vol. 118, p. 3173. DOI: 10.1002/jgra.50175.URL: http://cdaweb.gsfc.nasa.gov/cgi-bin/eval2.cgi (дата обращения 26 апреля 2017 г.).URL: http://cdaweb.gsfc.nasa.gov/cgi-bin/eval2.cgi (accessed April 26, 2017).URL: http://bdm.iszf.irk.ru (дата обращения 26 апреля 2017 г.).URL: http://bdm.iszf.irk.ru (accessed April 26, 2017).URL: http://cdaw.gsfc.nasa.gov/CME_list (дата обращения 26 апреля 2017 г.).URL: http://cdaw.gsfc.nasa.gov/CME_list (accessed April 26, 2017).URL: http://www.obsebre.es/en/rapid (дата обращения 26 апреля 2017 г.).URL: http://www.obsebre.es/en/rapid (accessed April 26, 2017).URL: http://cdaweb.sci.gsfc.nasa.gov/cdaweb/istp_public (дата обращения 26 апреля 2017 г.).URL: http://cdaweb.sci.gsfc.nasa.gov/cdaweb/istp_public (accessed April 26, 2017).URL: http://aurora.phys.ucalgary.ca/cgi-bin/rio (дата обращения 26 апреля 2017 г.).URL: http://aurora.phys.ucalgary.ca/cgi-bin/rio (accessed April 26, 2017).