ДВА ТИПА ОТКЛИКА МАГНИТОСФЕРЫ В ГЕОМАГНИТНЫХ ПУЛЬСАЦИЯХ PSC НА ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С МЕЖПЛАНЕТНЫМИ УДАРНЫМИ ВОЛНАМИ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
В статье на примере события 22.06.2015 г. приведены новые данные о наличии предвестника большого геомагнитного положительного импульса (ΔSYM-H=110 нТл), вызванного межпланетной ударной волной (МУВ) и развивающегося на фоне главной фазы магнитной бури. Предвестник зарегистрирован глобально в 18:33:27 UT на сети индукционных магнитометров. Он представляет собой цуг колебаний с падающей частотой, имеющий резонансную структуру в спектре в диапазоне 0.25–11 Гц, длительностью ~20 с. Не обнаружено значительных задержек сигналов в реализациях, полученных в далеко отстоящих обсерваториях узкополосной фильтрацией в четырех частотных диапазонах. Выдвинуто предположение, что импульс может возбуждаться в волноводе Земля — ионосфера импульсным электрическим полем, которое возникает в ионосфере при кратковременных процессах взаимодействия МУВ с магнитосферой.

Ключевые слова:
положительный геомагнитный импульс, глобальный предвестник, широкополосный всплеск геомагнитных пульсаций, спектральная резонансная структура, резонатор Земля — ионосфера, ионосферный альфвеновский резонатор
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать

ВВЕДЕНИЕ

Импульсное воздействие межпланетной ударной волны (МУВ) на магнитосферу происходит в течение короткого времени и вызывает ряд глобальных возмущений. Наиболее яркими и хорошо отождествимыми эффектами являются положительные и отрицательные магнитные импульсы, которые под-разделяются на внезапные начала SSC (SSC*) (sud-den storm commencement) и внезапные импульсы SI (SI*) (sudden impulse). Обозначение * используется в случаях, когда положительному изменению геомагнитного поля предшествует кратковременное изменение геомагнитного поля обратного знака — предварительный обратный импульс (PRI — preliminary reverse impulse). Результаты изучения этих явлений за более чем 100-летнюю историю обобщены в обзоре [Curto et al., 2007]. Время нарастания Н-компоненты от начала SSC до его максимума, определенное по данным сети INTERMAGNET, колеблется от 2 до 10 мин при среднем значении 4 мин. В геомагнитных пульсациях откликом на внезапные импульсы являются всплески колебаний в широком диапазоне частот 0.0016–5 Гц, (геомагнитные пульсации Psc1-5). 

Оснащение обсерваторий индукционными магнитометрами с высокой чувствительностью и частотой дискретизации до 100 Гц позволяют обнаружить новые особенности внезапных магнитных импульсов. В статьях [Пархомов и др., 2014, 2017] сообщается о кратковременных (≤20 с) предвестникаx SSC — импульсных всплесках геомагнитных пульсаций в частотном диапазоне 0.2–7 Гц, предваряющих внезапные начала геомагнитных бурь с большой величиной скачка горизонтальной компоненты ΔН. Всплески наблюдались преимущественно при северной ориентации вертикальной компоненты межпланетного магнитного поля (ММП). Для обозначения компонент ММП в статье используется солнечно-эклиптическая система координат GSE. 

В работе [Пархомов и др., 2014] для изучения характеристик всплесков пульсаций использовались только данные наземных магнитометров и параметры солнечного ветра (СВ). В статье [Пархомов и др., 2017] кроме наземных данных, включающих наблюдения магнитного поля и риометрического поглощения, были привлечены данные о высыпаниях частиц, полученные на низкоорбитальных спутниках POES. Было показано, что начало магнитной бури 17.03.2015 г. предварялось глобальной генерацией цуга колебаний длительностью ~4 с. На дневной стороне этому цугу, в свою очередь, предшествовали высыпания энергичных электронов и протонов, очевидно, связанные с развитием циклотронной неустойчивости во время сжатия магнитосферы. 

Характерным признаком всплесков геомагнитных пульсаций, рассмотренных в работах [Пархомов и др., 2014, 2017], является гребнеобразный характер распределения энергии в спектре колебаний. Такое распределение обычно называют спектральной резонансной структурой (СРС) и связывают с наличием в магнитосфере ионосферного альфвеновского резонатора (ИАР) [Поляков, Рапопорт, 1981; Belyaev et al., 1989] или с интерференцией прямого и отраженного от верхней ионосферы сигналов от молниевого разряда [Fedorov et al., 2014]. Особенности морфологии и суточного поведения СРС на разных широтах исследованы в статьях [Bösinger et al., 2002, 2004; Semenova, Yahnin, 2008; Yahnin et al., 2003]. 

Чтобы понять природу всплеска пульсаций, опережающего классические проявления внезапных магнитных импульсов, опубликованных результатов явно недостаточно. В данной работе мы представляем новые данные, полученные из анализа явлений, сопровождающих положительный магнитный импульс с амплитудой ~110 нТл. Этот импульс являлся последним и самым большим из зарегистрированных 21.06.2015 г. в 16:44 UT (1), 22.06.2015 г. в 05:44 UT (2) и в 18:33 UT (3) (рис. 1, 2). Указанные импульсы вызваны взаимодействием с магнитосферой трех МУВ [http://umtof.umd.edu/pm/FIGS.HTML]. 

По данным каталога «International Service on Rapid Magnetic Variations» [http://www.obsebre.es/en/rapid] все указанные импульсы отнесены к типу SSC. Однако в работе [Громова и др., 2016] первые два импульса отнесены к типу SI, а третий наиболее сильный положительный магнитный импульс (ΔSYM-H~110 нТл) назван аналогом SC. Во избежание разночтений все три положительных скачка геомагнитного поля, которые наблюдались после контакта с магнитосферой трех МУВ, будем называть магнитными импульсами, нумеруя их по времени наблюдения (рис. 1, 2). В частотном диапазоне геомагнитных пульсаций все импульсы сопровождались всплесками Psc1-5. Интересующий нас всплеск пульсаций (предвестник) наблюдался в последнем из этих событий, ему будет уделено основное внимание. 

Список литературы

1. Громова Л.И., Клейменова Н.Г., Левитин А.Е. и др. Дневные геомагнитные возмущения в высоких широтах во время сильной магнитной бури 21–23 июня 2015 года: начальная фаза бури. Геомагнетизм и аэрономия // 2016. Т. 56, № 3. С. 302–313. DOI: 10.7868/S0016794016030056.

2. Гульельми А.В. МГД-волны в околоземной плазме. М.: Наука, 1979. 140 c.

3. Леонович А.С., Мазур В.А. Линейная теория МГД-колебаний магнитосферы. М.: Физмат-лит, 2016. 317 с.

4. Нишида А. Гидромагнитный диагноз магни-тосферы. М.: Мир, 1980. 299 с.

5. Пархомов В.А., Довбня Б.В., Бородкова Н.А. и др. Импульсные всплески геомагнитных пульсаций в частотном диапазоне 0.2–7 Гц как первый сигнал о взаимодействии межпла-нетных ударных волн с магнитосферой Земли // Солнечно-земная физика. 2014. Вып. 25. С. 21–28.

6. Пархомов В.А., Бородкова Н.Л., Яхнин А.Г. и др. Глобальный импульсный всплеск геомагнитных пульсаций в частотном диапазоне 0.2–5 Гц как предвестник внезапного начала геомагнитной бури Святого Патрика 17.03.2015 // Космические иссл. 2017. № 4. С. 321–334.

7. Поляков С.В., Рапопорт В.О. Ионосферный альфвеновский резонатор // Геомагнетизм и аэрономия. 1981. Т. 21, № 5, C. 610–614.

8. Belyaev P.P., Polyakov S.V., Rapoport V.O., Trakhtengerts V.Y. Experimental studies of res-onance structure in the spectrum of atmospheric electromagnetic background noise in the range of short-period geomagnetic pulsations // Radio-physics and Quantum Electronics. 1989. V. 32. P. 491–498.

9. Bösinger T., Haldopis C., Belyaev P.P., et al. Spectral properties of the ionospheric Alfven resonator as observed at a low latitude station (L=1.3) // J. Geophys. Res. 2002. V. 107, N A10. DOI: 10.1029/2001JA005076.

10. Bösinger T., Demekhov A.G., Trakhtengerts V.Y. Fine structure in ionospheric Alfven reso-nator spectra observed at low latitude (L=1.3) // Geophys. Res. Lett. 2004. V. 31. L18802. P. 1281. DOI: 10.1029/2004GL020777.

11. Cully C.M., Ergun R.E., Stevens K., et al. The THEMIS Digital Fields Board // Space Sci. Rev. 2008. V. 141, iss. 1–4. P. 343–355.

12. Curto J.J., Araki T., Alberca L.F. Evolution of the concept of sudden storm commencements and their operative identification // Earth, Planets and Space. 2007. V. 59, N 11. P. i–xii.

13. Dovbnya B.V., Guglielmi A.V., Potapov A.S., Kline B.I. On the existence of an over iono-spheric Alfven resonator // Solar-Terr. Phys. 2013. Iss. 22. P. 12–15.

14. Fedorov E., Schekotov A., Hobara Y., et al. The origin of spectral resonance structures of the ionospheric Alfvén resonator. Single high-altitude reflection or resonant cavity excitation? // J. Geophys. Res. 2014. V. 119. P. 3117–3129. DOI: 10.1002/2013JA019428.

15. Hayakawa M., Nickolaenko A.P., Ogava T., Komatsu V. Q-bursts waveforms: model and experiment // Telecommunications and Radio Engineering 2002. V. 69(19). P. 1735–1750. DOI: 10.1615/TelecomRadEng.v.69.i19.50.

16. Kangas J., Guglielmi A., Pokhotelov O. Mor-phology and physics of short-period magnetic pulsations (A review) // Space Sci. Rev. 1998. V. 83. P. 435–512.

17. Levshin A.A., Frantsuzova V.I, Shkadinskaya G.V. Spectral-temporal analysis of seismic wave // Computer seismology. 1968. V. 4. P. 197.

18. Lin R.L., Zhang X.X., Liu S.Q., et al. A three‐dimensional asymmetric magnetopause model // J. Geophys. Res. 2010. V. 115, iss. 4. CiteID A04207. DOI: 10.1029/2009JA014235.

19. Marmet P. New digital filter for analysis of ex-perimental data // Rev. of Scientific Instruments. 1979. V. 50, N 1. P. 79–83.

20. Nickolaenko A.P., Hayakawa M. Resonances in the Earth — Ionosphere Cavity. Cluver Academic Publishing. Dordreht, Neederland. 2002. 380 p.

21. Olson J.V., Lee L.G. Pc1 wave generation by sudden impulses // Planet. Space Sci. 1983. V. 31, N 3. P. 295–302.

22. Parkhomov V.A., Dmitriev A.V., Tsegmed B. On the origin of burst Pc1 pulsations produced in interaction with an oblique interplanetary shock // Planet. Space Sci. 2015. V. 109–110, N.1. P. 21–31.

23. Parkhomov V.A., Dovbnya B.V., Borodkova N.L., et al. Impulse Bursts of Geomagnetic Pul-sations as the Ground Signature of Contact of Interplanetary Irregularity with the Dayside Magnetopause. Open Access Library J. 2016. 3: e2493. DOI: 10.4236/oalib.1102493.

24. Safargaleev V., Kangas J., Kozlovsky A.Q., Va-silyev A. ULF noice excited by sudden solar wind dynamic pressure // Annales Geophys. 2002. V. 20. P. 1751–1761.

25. Saito T. Geomagnetic pulsations // Space Sci. Rev. 1969. V. 10, N 3. P. 319–412.

26. Semenova N.V., Yahnin A.G. Diurnal behaviour of the ionospheric Alfven resonator signatures as observed at high latitude observatory Barentsburg (L=15) // Ann. Geophys. 2008. V. 26. P. 2245–2251.

27. Shiokawa K., Nomura R., Sakaguchi K., et al. The STEL induction magnetometer network for observation of high-frequency geomagnetic pul-sations // Earth, Planets and Space. 2010. V. 62, iss. 6. P. 517–524.

28. Yahnin A.G., Semenova N.V., Ostapenko A.A., et al. Morphology of the spectral resonance structure of the electromagnetic background noise in the range of 0.1–4Hz at L = 5.2 // Ann. Ge-ophys. 2003. V. 21. P. 779–786.

29. URL: http://umtof.umd.edu/pm/FIGS.HTML (дата обращения 16 августа 2018 г.).

30. URL: http://www.obsebre.es/en/rapid (дата обращения 16 августа 2018 г.).

31. URL: https://satdat.ngdc.noaa.gov/sem/goes/data/full (дата обращения 16 августа 2018 г.).

32. URL: https://cdaweb.sci.gsfc.nasa.gov/cdaweb/istp_public (дата обращения 16 августа 2018 г.).