Солнечно-земная Физика

    "СиЗиФ"

ПЛАНЕТАРНАЯ ДИНАМИКА АВРОРАЛЬНОГО СВЕЧЕНИЯ ч.3 из 6

Г.В.Старков

опубликовано в сборнике ПГИ "Физика околоземного космического пространства", т.1, Апатиты, 2000"


   6. СОПРЯЖЕННОСТЬ СИЯНИЙ И АВРОРАЛЬНЫХ ОВАЛОВ
   7. ВЛИЯНИЕ НАКЛОНА МАГНИТНОЙ ОСИ НА ПОЛОЖЕНИЕ ОБЛАСТЕЙ СВЕЧЕНИЯ

  12. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

  13. ЛИТЕРАТУРА


6. СОПРЯЖЕННОСТЬ СИЯНИЙ И АВРОРАЛЬНЫХ ОВАЛОВ

Вопрос о сопряженности сияний в северном и южном полушариях обсуждался давно. Еще Фритц и Штермер писали о том, что, так как северное и южное полушарии связаны магнитными силовыми линиями, то сияния в обоих полушариях должны находиться на одинаковых широтах и иметь сходные вариации яркости [Fritz, 1981; Stormer, 1955]. Большая вероятность наличия сопряженности подтверждается также сходством изохазм в Арктике и Антарктике, если их построить в геомагнитных координатах [см. например, Feldstein et al., 1974]. Однако до МГГ фактически не было станций, наблюдавших полярные сияния, данные которых можно было бы использовать для изучения этого вопроса.

Первые реальные исследования сопряженности начались после МГГ, когда был получен богатый материал с большого числа станций, оснащенных камерами всего неба. Подбирались имеющиеся в наличии пары станций в разных полушариях, геомагнитные координаты которых были близки. В [De Witt, 1962] по данным станций о.Кембелл - Фаревелл (F ¢ ~ 60° ) и о.Маккуори - Котцебу (F ¢ ~ 6 3 ° ) было показано, что для этих пар станций как появление полярных сияний, так и временные вариации их активности происходят синхронно.

Фактически первая специальная экспедиция для исследования сопряженности сияний была проведена в 1961-1962 годах Полярным геофизическим институтом и Институтом земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн АН СССР (руководитель директор ПГИ С.И.Исаев) с одной стороны и Национальным центром научных исследований Франции (руководитель проф. Ж.Блямо) с другой [Исаев и др., 1962; Исаев, 1968].

В южном полушарии наблюдения проводились на о. Кергелен в обс. Порто-о-Франс. Для этого пункта были рассчитаны координаты сопряженной точки в северном полушарии и в качестве основной базы был выбран поселок Яренск в Архангельской области. В Яренске и Кергелене наблюдения велись на одинаковой фотометрической аппаратуре, как в эмиссиях, так и интегральными фотометрами. В северном полушарии кроме Яренска в области, близкой к сопряженной точке, работало несколько камер всего неба.

Рис.25. Вариации интенсивности свечения в северном и южном полушариях в сопряженных точках [Bhavsar et al., 1965]. а - 4 февраля 1962 г. Верхняя панель - вариации интегральной светимости, нижняя - вариации светимости в основных эмиссиях. б - 7 апреля 1962 г. Вариации светимости в эмиссии l 391.4 нм.

На рис.25 приведены два примера одновременной фотометрической регистрации сияний. Видно, что наблюдается достаточно хорошее соответствие временных вариаций интенсивности свечения в обоих полушариях [Bhavsar et al., 1965]. В дальнейшем советско-французское сотрудничество было продолжено.

Рис.26. Положение сопряженных дуг сияний над Кергеленом ( сплошная линия ) и Карпагорами ( Архангельская обл. ) 25 февраля 1971 г. [Fehrenbach et al., 1974]. Показано взаимное положение пунктов наблюдения (KER - Кергелен, KAR - Карпагоры, SOG - Coгра).

На рис.26 приведены положения сияний для 4х моментов суббури 25 февраля 1971 года, полученные камерами всего неба на о.Кергелен и в Архангельской области[Fehrenbach et al., 1974]. Заключительным этапом этого содружества был эксперимент АРАКС с запуском ракеты с о.Кергелен с инжектором электронов, направленным вдоль силовой линии в пртивоположное полушарие [Cambou et al., 1975].

Наиболее надежные результаты по сопряженности сияний были получены во время специального эксперимента, когда с двух самолетов, пролетавших вдоль сопряженных трасс в северном и южном полушариях, проводилось одновременное фотографирование сияний [Belon et al., 1969].

Рис.27. Положения сияний в сопряженных точках. Сплошной линией показано сияние в северном полушарии, пунктиром - в южном. Дуги из южного полушария проектировались в южное. Маленькой стрелкой нанесено положение самолета в момент съемки [Belon et al., 1969].

На рис.27 приведено два примера регистрации сияний в разных полушариях после проектирования южных сияний в северную полусферу. Магнитное поле во время эксперимента было спокойным и во всех случаях наблюдалось практически полное совпадение положения сияний. Проектирование из одного полушария в другое проводилось по модели [Hendrics and Cain, 1966]. Небольшие расхождения можно объяснить ошибками при определении положения сияний и недостатками модели магнитного поля, с помощью которого проводилось проектирование из одного полушария в другое.

Однако дальнейшие исследования показали, что во время суббурь в высокоширотной части овала сопряженность можен нарушаться. В [Stenbaek-Nielsen et al., 1972] сияния при исследовании сопряженности были разделены на две части, экваториальную (F ¢ = 6 3 - 6 5 ° ) и высокоширотную. Для экваториальных сияний всегда наблюдалась хорошая сопряженность. Высокоширотные сияния при спокойных условиях тоже сопряжены, но при магнитных возмущениях сопряженность ухудшается. Сопоставление положения полюсной кромки сияний, полученной спутником “Полар”, пролетавшего над северным полушарием, со снимками антарктической камеры всего неба на ст. Восток показало, что при общем подобии развития сияний иногда могут наблюдаться значительные расхождения их положения, причем эта разница доходила до 400 км [Vorobjev et al., 1999]. Согласно [Stenbaek-Nielsen and Otto, 1997; Vorobjev et al., 1999], нарушение сопряженности может быть связана с вариациями ММП.

Тем не менее среднестатистические распределения вероятности появления сияний в северном и южном полушариях очень похожи.

Рис.28. Изоавроры для северного (а) и южного полушарий. Жирной линией показан максимальная изоаврора [Фельдштейн, 1963в].

На рис.28 приведены изоавроры (линии одинаковой вероятности появления сияний в зените) в северном и южном полушариях за период МГГ для ночных и дневныж часов [Фельдштейн, 1963; Feldstein et al., 1974]. Распределения сияний в обоих полушариях практически тождественны, максимальная изоаврора располагается на одной и той же исправленной геомагнитной широте. Некоторое отличие форм кривых определяется разной конфигурацией реального магнитного поля в Арктике и Антарктике. Отсюда можно предположить наличие хорошей сопряженности среднестатистических авроральных овалов в обоих полушариях.

В [Bond and Thomas, 1971] было исследовано положение овала сияний в южном полушарии при разном уровне магнитной активности. На рис.29 приведены овалы для обоих полушарий. В качестве характеристики магнитной активности в [Bond and Thomas] использовался Кр-индекс.

Рис.29. Авроральные овалы в северном ( а ) [Feldstein and Starkov, 1967] и южном ( б ) [Bond and Thomas, 1971] полушариях в зависимости от магнитной активности.

В связи с этим приведенные на рис.29 овалы для северного полушария, полученные в[Feldstein and Starkov, 1967; Старков и Фельдштейн, 1968], были тоже построены в зависимости от Кр. Сравнение данных для Арктики и Антарктики показало, что при одинаковых Кр-индексов формы овалов похожи, но размеры в южном полушарии оказались значительно больше. Это связано с различной методикой обработки. В [Feldstein and Starkov, 1967] определялось среднее значение границы в данном
временном интервале и при данном уровне магнитной активности. В [Bond and Thomas] в качестве границы проводилась огибающая всех форм сияний, которые наблюдались при данном Кр, то есть определялась не средняя, а экстремальная граница. Вероятно, это менее корректно. Например, во время активной фазы сильной суббури сияния могут доходить до F ¢ ~ 8 5 ° , но такие случаи довольно редки и кратковременны, а при методике, принятой в [Bond and Thomas, 1971], граница овала проводится по наблюдениям во время этих редких событий.

Для более детального сравнения южных и северных овалов на рис.30 для полуночных часов приведены границы полосы свечения в зависимости от разных индексов магнитной активности [Feldstein et al., 1974]. Заштрихована полоса полуночных сияний в зависимости от Q-индекса. Штрихами показаны средние изменения размеров овала в зависимости от Кр. Размеры овала в зависимости от Кр заметно больше. Это связано с тем, что Кр-индекс является довольно грубой характеристикой магнитной активности с трехчасовым разрешением по времени, в то время как авроральная суббуря проходит через все фазы за 1-2 часа. Использование Кр-индекса приводит к тому, что осредняются экстремальные данные за трехчасовые интервалы. На том же рисунке приведены данные [Bond and Thomas, 1971], которые дают еще более широкую полосу свечения. Получаются как бы вложенные друг в друга полосы свечения разной ширины. Самая узкая полоса получается при использовании Q-индекса, о преимуществе которого говорилось выше. При использовании средних значений в зависимости от Кр полоса заметно расширяется, но все же не доходит до широт, полученных в [Bond and Thomas, 1971]. Наибольшее различие имеет место для приполюсной границы. Это легко объясняется резким броском сияний к полюсу во время активной фазы суббури, когда наблюдается кратеовременное смещение полюсной границы в высокие широты.

В связи с этим данные, приведенные в [Feldstein and Starkov, 1967], были обработаны по методике, предложенной в [Bond and Thomas, 1971], то есть определялись экстремальные значения границ из всего набора данных для разных Кр. Эти результаты для северного полушария приведены на рис.30 крестиками. Сравнение положения границ в северном и южном полушариях, полученных с помощью одинаковой методики, показало, что расхождение наблюдается только для Кр = 0, но сдвиг сияний на F ¢ ~ 7 8 ° из-за малой статистики поставлен под сомнение самими авторами и не подтверждается данными северного полушария. Для остальных значений Кр полосы свечения в исправленной геомагнитной системе координат практически совпадают. Отсюда можно заключить, что среднестатистические овалы в северном и южном полушариях хорошо сопряжены для любого уровня магнитной активности.

Для практического использования больший интерес представляют средние, а не предельные значения границ овалов, тем более что эти данные подтверждаются спутниковсими наблюдениями. В связи с этим овалы, полученные в [Feldstein and Starkov, 1067], в преположении их сопряженности и инвариантности в исправленной системе координат, были спроектированы в южное полушарие для разных моментов мирового времени. В качестве характеристики магнитной активности использовался Q-индекс.

Примеры овалов сияний в северном и южном полушариях для двух моментов мирового времени приведены на рис.31 и 32. Согласно [Фельдштейн и Старков, 1968], нанесены разрывы между дневными и ночными участками овалов для спокойных магнитных условий. При отсутствии магнитных возмущений внутри овала наблюдаются сияний полярной шапки, которые исчезают при повышении магнитной активности.

Внутри овалов показаны формы сияний, типичные для данного уровня магнитной активности и данного участка овала. Распределение форм определяется, в основном, интенсивностью и фазой магнитосферной суббури. Схема развития суббури была предложена Акасофу [Akasofu, 1964, 1968] и в дальнейшем развита и уточнена другими исследователями, см., например [Белякова и др., 1968; Старков и Фельдштейн, 1971; Arasofu et al., 1973; Воробьев и Реженов, 1975; Сергеев и Яхнин, 1979; Rostoker et al., 1980]. Распределение дискретных форм внутри овала на рис.31 и 32 нанесены по данным многочисленных работ, некоторые из которых упомянуты выше. Распределение сияний при Q = 4 соответствует активной фазе средней суббури, а при Q = 7 - сильной. Различие конфигураций областей свечения в северном и южном полушариях при одинаковом уровне магнитной активности определяется различием реального магнитного поля Земли. Как уже отмечалось, предполагается сопряженность областей свечения и в исправленных геомагнитных координатах овалы пространственно совпадают.

Такие карты удобны при сопоставлении геофизических явлений в каком-то конкретном районе высоких широт с областями аврорального свечения. Более подробные карты овалов сияний в географических координатах для разного уровня магнитной активности и разных моментов мирового времени для Арктики и Антарктики приведены в [Cтарков, 1973; Зверев и Старков, 1975].

Можно предположить, что границы диффузного свечения тоже сопряжены, но отсутствие экспериментального материала не позволяет ни подтвердить, ни отвергнуть это предположение.

7. ВЛИЯНИЕ НАКЛОНА МАГНИТНОЙ ОСИ НА ПОЛОЖЕНИЕ ОБЛАСТЕЙ СВЕЧЕНИЯ.

Авроральное свечение вызывается заряженными частицами, которые направляются магнитным полем Земли, и поэтому положение овалов сияний и пояса диффузного свечения по самой методике их определения должны быть инвариантны в исправленной геомагнитной системе координат, которая учитывает реальное магнитное поле, то есть при одном и том же уровне магнитной активности и для одного того же момента местного времени сияния должны располагаться на той же широте для любого сезона и момента мирового времени.

Однако было показано [Свердлов, 1975; 1977], что и исправленная система геомагнитных координат требует корректировки, связанной с вариациями угла наклона магнитной оси, который, из-за несовпадения оси диполя с осью вращения, зависит как от мирового времени, так и от сезона. Система координат, предложенная в [Свердлов, 1975, 1977] и названная инвариантной, учитывает угол наклона и позволяет исключить как сезонные вариации, так и эффект мирового времени. В этой системе реальная точка на земной поверхности меняет свои инвариантные координаты в зависимости от угла наклона земной оси. В период равноденствия инвариантные координаты близки к исправленным геомагнитным.

Схематически конфигурация широтных изолиний инвариантной системы относительно геомагнитных координат в зависимости от сезона приведена на рис.33. Любая фиксированная точка в исправленной геомагнитной системе координат в течение сезона несколько меняет свою инвариантную широту. Как видно из рисунка, в равноденствие эти системы практически совпадают. Наиболее сильно эффект смещения проявляется для меридиональных сектороа 0 и 180° , причем в течение года знак смещения меняется на противоположный.

В [Feldstein and Starkov, 1970] поданным спутника Алуэтт-2 были определены широтные вариации положения полуденных сияний при низком уровне магнитной активности (Q < 3), которые приведены на рис34. Сглаженная кривая близка к синусоиде с амплитудой ~ 1 .5° , которая по форме близка к результатам, полученным в [Maehlum, 1968], но смещена на 1-2 часа на более раннее время.

Согласно [ Свердлов, 1975; Cергеева, 1975 ], кривая на рис. 34 соответствует изменению геомагнитной широты в зависимости от UT и в инвариантной системе координат эти вариации должны отсутствовать. В связи с этим данные рис.24 по картам, приведенным в [Свердлов и др., 1975], были пересчитаны в инвариантную систему. На рисунке эти результаты показаны штриховой линией. Видно, что в пределах ошибки в инвариантной системе координат эффект мирового времени практически отсутствует.

Инвариантная система координат позволяет объяснить долготный эффект активности сияний [Молчанова и др., 1973]. Долготный эффект достаточно четко обнаруживается в вариациях магнитного поля [Фельдштейн, 1963б; Мишин и Немцова, 1964; Пудовкин и Шумилов, 1967]. Согласно [Фельдштейн, 1963б], наблюдается суточная волна магнитной активности с максимумом в 16 UT и минимумом в 04 UT, что совпадает с вариацией угла наклона оси магнитного диполя к плоскости эклиптики. Амплитуда долготного эффекта в три раза меньше амплитуды суточных вариаций. В[Пудовкин и Шумилов, 1967] показано, что мировое время влияет на амплитуду магнитных возмущений, сам момент появления которых определяется местным временем. Кроме суточной волны с максимумом в 16 UT и минимумом в 04 UT, как и в [Фельдштейн,1963б], наблюдаются еще дополнительные достаточно четкие экстремумы.

Для полярных сияний сведения более разноречивые. В [Davis, 1961] показано, что вероятность появления сияний над Скандинавией ниже чем над Аляской. В [Старков, 1966] обнаружено влияние мирового времени, но оно сравнительно невелико и проявляется только в некоторой деформации кривых суточных вариаций, которые определяются местным временем. Согласно [Фельдштейн и Соломатина, 1961], долготный эффект активности сияний практически отсутствует.

В связи с этим в [Молчанова и др, 1973] был исследован долготный эффект вероятности появления полярных сияний по наблюдениям зональных станций во время МГГ. Всего были использованы данные 23 станций, расположенных на F ¢ = 64-70° . Рассматривались только околополуночные часы. Вероятность появления определялась как отношение получасовых интервалов с сияниями к общему числу интервалов наблюдения при хороших погодных условиях. Полученные результаты приведены на рис.35. Временные вариации представляют собой довольно сложную кривую с явно выраженным минимумом в 04 UT и небольшим вторичным минимумом в 15 UT. В остальное время в пределах ошибки измерений уровень активности сияний меняется мало, максимальное значение вероятности появления наблюдается в районе 19-20 UT.

Сопоставление с данными [Свердлов и др., 1975] показало, что минимум в 04 UT связан с резким уходом инвариантной широты к полюсу, причем сдвиг доходит до 3° широты. Если инвариантная широта является изолинией активности сияний, то сдвиг к полюсу инвариантной широты, где наблюдается максимальная активность сияний, должен привести к понижению вероятности появления сияний на геомагнитной широте максимума. Небольшой вторичный минимум в 15 UT связан с уходом инвариантной широты к экватору. Такое смещение не должно привести к заметному уменьшению вероятности появления, так как сдвиг в данном случае приблизительно в два раза меньше [Свердлов и др., 1975] и, с другой стороны, при среднем уровне магнитной активности сияния располагаются на F ¢ =66-70° и сдвиг к экватору, в отличии от сдвига к полюсу, не должен существенно сказаться на вероятности их появления. Тем не менее, по времени вторичный минимум совпадает с максимальным сдвигом инвариантной широты к экватору.

Надо отметить, что в [Мишин и Немцова, 1964], где исследовался долготный эффект магнитной активности, получено, что минимум магнитной активности зимой наблюдается в 04 UT, а летом - в 16 UT, что хорошо совпадает с сезонным эффектом движения инвариантной широты [Свердлов и др., 1975]. Влиянием угла наклона оси земного диполя, которое учитывается инвариантной системой координат, можно также объяснить долготные вариации магнитной активности, полученные в [Фельдштейн, 1963; Пудовкин и Шумилов, 1967].

Непосредственная экспериментальная проверка применимости инвариантной системы для объяснения сезонных вариаций положения сияний была проведена в [Cвердлов и др., 1977а]. В качестве исходного материала использовались таблицы визуальных наблюдений полярных сияний в период МГГ [McInnes, 1964], когда работала густая наблюдательная сеть. Все данные были разбиты на 8 долготных интервалов, в которых отмечалось наличие или отсутствие сияний для каждого градуса геомагнитной широты. Для исследования были выбраны взаимопротивоположные сектора, центрированные на 06 и 18 UT, в которых сезонный эффект должен быть максимальным и противоположным по знаку. Внутри выбранных секторов определялось наиболее экваториальное положение сияний для данного часа и данного значения AE-индекса.

Наиболее пригодным для исследования был сектор 06 UT за счет большого различия между географическими и геомагнитными координатами, причем высоким геомагнитным широтам соответстуют низкие географические. Поэтому в этом секторе в полночь даже летом было достаточно темно для наблюдения сияний и появилась возможность исследовать поведение сияний для всех сезонов. Данные для этого сектора приведены на рис36а. На верхней панели приведены положения эквториальной границы сияний в зимние, равноденственные и летние месяцы в зависимости от уровня магнитной активности. Штриховыми линиями проведены аппроксимации положения границ для разных сезонов в геомагнитной системк координат. Отчетливо видно, что зимой сияния занимают наиболее северное положение и смещаются к югу при переходе к равноденствию и лету. На нижней панели приведены те же данные, пересчитанные в инвариантную систему. Разброс точек довольно велик, что связано с неоднородностью и большими ошибками визуальных наблюдений, в таблицах отмечены только случаи наличия сияний, а при их отсутствии не указаны погодные условия. Тем не менее видно, что все данные центрируются вокруг какой-то средней кривой независимо от сезона.

На рис.36б приведены данные противоположного сектора, центрированного на 18 UT (район Диксона и Челюскина). Здесь летние наблюдения были невозможны и приведены данные только для зимы и равноденствия. Как и на верхней панели рис.36а, наблюдается отчетливое различие положения сияний для разных сезонов, причем сезонный сдвиг сияний имеет обратный знак. Пересчет в инвариантную систему тоже приводит к исчезновению сезонного эффекта.

На рис.37 приведено положение аврорального овала для среднего уровня магнитной активности в 08 UT для трех сезонов [Свердлов и др., 1977б]. Надо отметить, что выбран момент мирового времени, когда сезонный эффект проявляется наиболее сильно, для других интервалов UT он меньше.

В заключение надо отметить, что существует зависимость положения сияний от угла наклона земного магнитного диполя. Она в среднем невелика, но при точных расчетах ее необходимо учитывать. Более подробные сведения об инвариантной системе координат приведены в [Свердлов, 1975, 1977]. Сезонный эффект не влияет на сопряженность (см. предыдущий раздел), так как зимой в северном полушарии на конкретной долготе инвариантная широта смещается в том же направлении, что и летом в южном.




назад вперед оглавление литература
  
   другие обзоры

Для связи:
lll@srd.sinp.msu.ru
пароль: "сизиф почти не виден"