Лаборатория полярных сияний (201)

Основная научная задача

Изучение процессов взаимодействия в системе солнечный ветер – магнитосфера – ионосфера; структура магнитосферы и динамика различных магнитосферных доменов.

Основные направления исследований

Исследование физических механизмов, протекающих в системе солнечный ветер – магнитосфера – ионосфера в периоды геомагнитных возмущений и резких изменений условий в межпланетной среде по наблюдениям полярных сияний в дневном и ночном секторах овала и по результатам исследований характеристик авроральных высыпаний, выполненных на основе прямых спутниковых наблюдений.

Перечень научных проблем

• структура и динамика различных зон авроральных вторжений в периоды магнитосферных суббурь и магнитных бурь
• планетарная энергетика различных типов авроральных высыпаний в периоды магнитосферных суббурь
• особенности авроральных высыпаний в области дневного полярного каспа и их связь с параметрами межпланетной среды
• особенности развития и характеристики двигающихся конвективных вихрей (TCV)
• пространственно-временные характеристики ночных сияний во время суббурь, развивающихся в периоды всех фаз магнитной бури в их сопоставлении с классической схемой развития авроральной суббури
• тонкая структура и динамика полярных сияний в периоды регистрации «двойного» аврорального овала
• характеристики пульсирующих сияний и геомагнитных пульсаций в различных секторах овала и их связь с параметрами межпланетной среды и уровнем геомагнитной активности
• особенности шумановского резонанса по наблюдениям в авроральной зоне и на широтах полярной шапки

Основные результаты исследований последних лет

• Рассчитан энергетический вклад различных типов электронных высыпаний в 3-х часовом интервале полуденного и полуночного секторов в периоды всех фаз магнитосферной суббури. Показано, что на дневной стороне Земли наибольшее энерговыделение происходит в зоне диффузных авроральных высыпаний с максимумом около 2 ГВт в заключительную стадию фазы восстановления суббури. На ночной стороне максимальное энерговыделение ~20 ГВт происходит в зоне структурированных высыпаний аврорального овала в максимуме фазы развития суббури.
• Впервые на основе прямых наблюдений спутников с полярной орбитой серии DMSP построена планетарная энергетическая модель электронных высыпаний в периоды магнитосферных суббурь. Модель позволяет аналитически рассчитать энергетический вклад авроральных высыпаний в течение всех фаз суббури любой формы, длительности и интенсивности. Расчеты показывают, что в заключительную стадию фазы развития суббури мощность высыпаний меняется от 30 ГВт для суббури интенсивностью AL=-150 нТл до 140 ГВт для суббурь интенсивностью AL=-1000 нТл. Для средней суббури (AL=-400 нТл) длительностью 2.5 часа планетарное энерговыделение авроральных высыпаний составляет ~ 300 ТДж.
• Анализ телевизионных наблюдений на арх. Шпицберген с использованием цифровых методов обработки изображений выявил существование слабых субвизуальных дуг сияний (SVA), располагающихся на 3°-4° по широте к полюсу от более ярких дуг аврорального овала. SVA-дуги наблюдались, главным образом, при положительной ориентации Bz компоненты ММП, однако ориентированы в восточно-западном направлении, а не в направлении на Солнце. Спектр высыпающихся электронов в таких структурах имеет пик в интервале 0.4-1.0 кэВ, что соответствует высоте сияний 150-200 км.
• Исследованы случаи генерации изолированной дуги полярной шапки и множественных активных дуг, ориентированных в направлении на Солнце. Получены пространственно-временные характеристики изолированной дуги. Показано, что процесс генерации активных дуг полярной шапки проявляет признаки особого типа полярного брейкапа.
• Исследованы динамические и яркостные характеристики дискретных и диффузных сияний перед началом фазы развития суббури и в период аврорального брейкапа. Показано, что начало брейкапа стимулируется визуальными и субвизуальными структурами, движущимися из областей локальных авроральных активизаций, находящихся восточнее или западнее области зарождения брейкапа. Описаны основные закономерности поведения предбрейкаповой дуги сияний и сияний вблизи нее в интервале Т₀±20 минут.
• По наблюдениям высыпающихся электронов со спутников серии DMSP показано, что в максимуме фазы развития суббури приполюсная граница ночных авроральных высыпаний располагается в более высоких широтах при низких значениях динамического давления солнечного ветра (Pd<3 нПа), чем при более высоких (Pd>3 нПа).
• По данным спутников DMSP исследована динамика границ авроральных высыпаний в периоды гигантских магнитных бурь. Показано, что в такие периоды приполюсная граница ночных высыпаний в среднем располагается на широте около 72° CGL и её положение слабо зависит от уровня магнитной активности. Обнаружена высокая степень корреляции между экваториальным смещением приполюсной границы дневных высыпаний и положением экваториальной границы высыпаний на ночной стороне Земли. Этот результат демонстрирует тесную связь между величиной эрозии дневной магнитосферы и энерговыделением авроральных высыпаний и показывает, что контроль положения границ дневных высыпаний может служить хорошим средством для мониторинга мощности высыпаний в периоды возмущений.
• Исследованы структура и динамика ночных сияний в периоды суббурь, развивающихся в различные фазы магнитных бурь. Обнаружено, что наибольшее отличие от схемы развития классической суббури наблюдается во время главной фазы магнитной бури, которая характеризуется появлением серии смещающихся к экватору слабых активизаций типа псевдо-брейкапов или небольших суббурь. В конце главной фазы магнитной бури авроральные суббури развиваются как быстрое взрывное распространение неструктурированного аврорального свечения во всех направлениях.
• Обнаружено, что в ряде событий SC время роста магнитного поля на низкоширотных наземных магнитных станциях и на геостационарных спутниках, находящихся на дневной стороне магнитосферы, меньше времени роста динамического давления солнечного ветра. Предполагается, что уменьшение величины геомагнитного поля во время таких SC событий связано с влиянием на магнитосферу Земли вторичной волны разрежения, возникающей в переходном слое при взаимодействии межпланетной ударной волны с системой головная ударная волна – магнитопауза.
• В магнитно-спокойный период при северной ориентации Bz компоненты ММП обнаружен двухступенчатый отклик полярных сияний в утреннем секторе на взаимодействие магнитосферы с импульсом динамического давления солнечного ветра (SC). Показано, что после момента SC наблюдается сначала постепенная плавная активизация сияний, а затем с задержкой в 4-5 мин более резкое увеличение интенсивности диффузного свечения и появление множественных ярких дискретных форм сияний по всему небосводу. В диффузных сияниях обнаружены вариации яркости с периодом 4-6 мин (диапазон Рс5), которые хорошо коррелируют с вариациями Н-компоненты магнитного поля.
• Сопоставление фотометрических и магнитных записей на обс. Баренцбург показало, что регулярные геомагнитные пульсации типа Pc4-5 сопровождаются аналогичными пульсациями светимости. Полученные данные позволяют сделать вывод, что наблюдаемые на поверхности Земли геомагнитные пульсации представляют собой магнитный эффект трёхмерной токовой системы, внеионосферная часть которой совпадает с потоком авроральных электронов.
• Обнаружено возбуждение Pc5 пульсаций при смене знака Bz-компоненты ММП с положительного на отрицательный. Предполагается, что наблюдаемые в такие периоды Pc5 пульсации связаны с процессами пересоединения на дневной магнитопаузе.
• Показано, что пространственно-временные характеристики Pc5 пульсаций в риометрическом поглощении не повторяют аналогичные характеристики геомагнитных Pc5 пульсаций. Предполагается, что генерация Pc5 пульсаций в риометрическом поглощении может быть вызвана взаимодействием двух слабосвязанных осциллирующих систем: магнитосферного альфвеновского резонатора и системы электроны – электронно-циклотронные волны.
• Проведено сопоставление трёх магнитных компонент КНЧ излучений в диапазоне 0.1 – 10 Гц по данным обсерваторий Баренцбург и Ловозеро. Определены параметры эллипса поляризации для шумановского резонанса на частоте 7.8 Гц в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Обнаружено, что вектор поляризации вращается на обеих станциях по часовой стрелке.
• Исследованы вариации параметров межпланетной среды на орбите Земли в составных потоках от разных солнечных источников. Показано, что не происходит полного перемешивания межпланетной плазмы и во временной последовательности взаимодействующих потоков обнаруживается доминирование каждого из них.
• По результатам наземных и спутниковых наблюдения полярных сияний исследованы характеристики ночных сияний в периоды взаимодействия магнитосферы Земли с потоками солнечного ветра от изолированных источников на Солнце. Показано, что наибольшие величины отношения интенсивностей I630.0/I557.7 (0.5-1.5) наблюдаются в полярных сияниях, когда Земля находится во вспышечных и волоконных потоках. Для этих же типов потоков наблюдаются самые низкие положения экваториальной границы свечения (54°-56° CGL). Самые низкие величины отношения I_630.0/I_557.7 (0.1-0.3) характерны для периодов, когда Земля находится в теле высокоскоростного потока от корональных дыр, а наиболее высокие положения экваториальной границы сияний (64°-66° CGL) отмечаются при нахождении Земли в гелиосферном токовом слое.

Экспериментальная база

Оптические и магнитометрические наблюдения на обсерваториях Баренцбург, Ловозеро и Лопарская (ПГИ).

Основные приборы:

• телевизионная камера всего неба
• спектрограф
• комплект фотометров
• магнитовариационная станция
• индукционный магнитометр

Основные гранты и проекты

Гранты РФФИ:
94-05-16273-а. Геофизические явления в дневной высокоширотной ионосфере и их связь со структурой магнитосферы и процессами на магнитопаузе
96-05-64222-а. Геофизические явления в дневной высокоширотной ионосфере и их связь со структурой магнитосферы и процессами на магнитопаузе
96-05-64273-а. Исследование процессов в магнитосфере во время развития авроральной суббури по данным о полярных сияниях
99-05-65117-а. Особенности пространственного распределения и динамики высокоширотных полярных сияний и их связь со структурой магнитосферы и процессами на магнитопаузе
02-05-64807-а. Структура высокоширотных авроральных высыпаний и магнитосферно-ионосферные связи
06-05-64374-а, Особенности планетарного распределения полярных сияний и характеристик авроральных высыпаний в их взаимосвязи со структурой магнитосферы и параметрами межпланетной среды»
09-05-00818-а, Исследование состояния магнитосферы по результатам наземных наблюдений полярных сияний и спутниковым наблюдениям характеристик высыпающихся частиц

Программа №16 Президиума РАН «Изменения окружающей среды и климата: природные катастрофы». Проект 4.2: «Структура авроральных высыпаний и механизмы генерации полярных сияний».

Программа фундаментальных исследований Президиума РАН №16 «Окружающая среда в условиях изменяющегося климата: экстремальные природные явления и катастрофы» Проект: «Структура и динамика высокоширотных полярных сияний и авроральных высыпаний в их взаимосвязи со структурой магнитосферы и характером магнитосферно-ионосферного взаимодействия«.

Научные связи

• Геофизическая обсерватория Соданкюля. Соданкюля, Финляндия
• Финский метеорологический институт, Хельсинки, Финляндия
• Центральная лаборатория солнечно-земных воздействий Болгарской Академии Наук, Стара Загора
• Институт физики Университета в Осло, г. Осло, Норвегия
• Лаборатория прикладной физики (APL) Университета Джона Хопкинса, Лаурел, штат Мериленд, США
• Шведский институт космических исследований, Кируна, Швеция
• Техасский Университет, Даллас, США
• Санкт-Петербургский государственный университет, С.-Петербург, Россия
• Центральная астрономическая обсерватория в Пулково, С.-Петербург
• Институт Физики Земли им. Шмидта, РАН, Москва
• Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета, Москва
• Институт космических исследований РАН, Москва
• Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова, Российская Академия Наук (ИЗМИРАН). Г. Троицк, Московская область

Защиты диссертаций

Воробьев В.Г. «Дневные полярные сияния и их связь со структурой ионосферы и процессами на магнитопаузе», автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физ.-мат. наук. ИЗМИРАН. 2004 г.

Ягодкина О.И. «Пульсирующие сияния и геомагнитные пульсации в дневной высокоширотной области и их связь со структурой магнитосферы», автореферат диссертации на соискание ученой степени к.ф.-м.н. ИЗМИРАН. 23 с. 2005.

Основные публикации последних лет

Vorobjev V.G., Rezhenov B.V., Yagodkina O.I. The solar wind plasma density control of night-time auroral particle precipitation // Ann. Geophys. V.22. №. 3. P. 1047-1052. 2004.

Roldugin V.C., Maltsev Y.P., Vasiljev A.N., Schokotov A.Y. and Belyajev G.G. Schumann resonance frequency increase during solar X-ray bursts // J. Geophys. Res. V. 109. No. A1. doi:10.1029/2003JA010019. 2004.

Roldugin V.C., Maltsev Y.P., Vasiljev A.N., Schokotov A.Y. and Belyajev G.G. Diurnal variations of Schumann resonance frequency in NS and EW magnetic components // J. Geophys. Res. V. 109. No. A8, A08304 10.1029/2004JA010487. 2004.

Roldugin V.C, Tinsley B.A. Atmospheric transparency changes associated with solar wind-induced atmospheric electricity variations // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 66. P. 1143-1149. 2004.

Пудовкин М.И., Анохин С.Г., Старков Г.В. Влияние вечной мерзлоты на общее содержание озона в атмосфере. // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 44. №1. С. 97-102. 2004.

Chernouss S.A., Starkov G.V. Yevlashin L.S. World first complex optical instrumental observations of aurora in the Arctic in 1899-1900 // Ann. Geophys. V23. №5. P. 1523-1531. 2005.

Старков Г.В., Воробьев В.Г., Фельдштейн Я.И. Взаимное положение областей авроральных вторжений и дискретных форм полярных сияний // Геомагнетизм и аэрономия. Т.45. № 2. С. 182-192. 2005.

Воробьев В.Г., Ягодкина О.И. Влияние магнитной активности на глобальное распределение зон авроральных вторжений // Геомагнетизм и аэрономия. Т.45. №4. С. 438-444. 2005.

Старков Г.В., Пудовкин М.И., Корнилова Т.А. Затухание сияний перед брейкапом // Геомагнетизм и аэрономия. Т 46. № 1. С. 3-17. 2006.

Roldugin V. C., Vasiljev A. N. and Ostapenko A. A. Comparison of the Schumann resonance parameters in horizontal magnetic and electric fields according to observations on the Kola Peninsula // Radio Sci. 4142(2). RS2S07. doi:10.1029/2006RS003475. 2006.

Воробьев В.Г., Ягодкина О.И. Влияние плотности солнечного ветра на характеристики авроральных высыпаний // Геомагнетизм и аэрономия. Т.46. № 1. С. 55-61. 2006.

Дашкевич Ж.В., Зверев В.Л., Иванов В.Е. Отношения интенсивностей эмиссий I6300/I4278 и I5577/I4278 в полярных сияниях // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 46. № 3. С. 385-389. 2006.

Dashkevich Zh. V., Zverev V. L., and Ivanov V. E. Ratios of the I630.0/I427.8 and I557.7/I427.8 Emission Intensities in Auroras // Geomagnetism and Aeronomy. V. 46. No. 3. P. 366-371. 2006.

Ролдугин В.К., Мальцев Ю.П., Остапенко А.А., Ролдугин А.В. // Возбуждение длиннопериодных регулярных пульсаций в магнитосфере во время SC // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 46. № 4. С. 465-476. 2006.

Корнилова Т.А., Корнилов И.А., Корнилов О.И. Структура и динамика авроральных интенсификаций в двойном овале: суббуря 26 декабря 2000 г. // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 46. № 4. С. 477-484. 2006.

Козырева О.В., Клейменова Н.Г.. Корнилова Т.А., Кауристи К., Маннинен Ю., Ранта А. Необычная пространственно-временная динамика геомагнитных возмущений в главную фазу суперсильной магнитной бури 7-8 ноября 2004 г. // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 46. № 5. С. 580-592. 2006.

Хвиюзова Т.А., Толочкина С.В., Зверев В.Л. Вариации вертикальной компоненты ММП в изолированных потоках солнечного ветра // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 47. № 2. С. 160-166. 2007.

Воробьев В.Г., Ягодкина О.И. Динамика авроральных высыпаний в периоды сильных магнитных бурь // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 47. № 2. С. 198-205. 2007.

Воробьев В.Г., Ягодкина О.И., Старков Г.В., Фельдштейн Я.И. Особенности планетарного распределения характеристик авроральных высыпаний в периоды суббурь. // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 47. № 2. С. 206-218. 2007.

Зверев В.Л., Воробьёв В.Г. Результаты российских исследований полярных сияний в Антарктиде // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 47. № 6. С.723-736. 2007.

Roldugin V.C. and Roldugin A. V. Pc5 pulsations on the ground, in the magnetosphere, and in the electron precipitation: Event of 19 January 2005 // J. Geophys. Res. V. 113, A04222, doi:10.1029/2007JA012553. 2008.

Vorobjev V.G., Yagodkina O.I. Empirical model of auroral precipitation power during substorms // J. Atm. Solar-Ter. Phys. V. 70. P. 654-662. 2008.

Kornilova T. A., Kornilov I. A., Kornilov O. I. Fine structure of breakup development inferred from satellite and ground-based observations // Ann. Geophys V. 26. P. 1141-1148. . 2008.

Manninen J., Kleimenova N.G., Kozyreva O.V., Ranta A., Kauristie K., Mäkinen S. and Kornilova T. A. Ground-based observations during the period between two strong November 2004 storms attributed to steady magnetospheric convection // J. Geophys. Res. V. 113. A00A09. doi: 10.1029/2007JA012984. 2008.

Корнилов И.А., Антонова Е.Е., Корнилова Т.А., Корнилов О.И. Тонкая структура сияний во время аврорального брейкапа по данным наземных и спутниковых наблюдений // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 48, № 1. C. 9-22. 2008.

Зверев В.Л., Хвиюзова Т.А. Вариации экваториальной границы полярных сияний при взаимодействии магнитосферы Земли с потоками солнечного ветра от изолированных источников // Геомагнетизм и аэрономия. T. 48. №. 1. C. 32-39. 2008.

Воробьев В.Г., Белаховский В.Б., Ягодкина О.И., Ролдугин В.К., Хаирстон М.Р. Особенности полярных сияний в утреннем секторе после SC // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 48. № 2. С. 162-172. 2008.

Белаховский В.Б., Ролдугин В.К. Возбуждение Рс5 пульсаций при смене знака Bz-компоненты ММП // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 48. № 2. С. 188-194. 2008.

Воробьев В.Г., Корнилов И.А., Корнилова Т.А., Ягодкина О.И., Сандхольт П.Е., Либбек Б. Ночные субвизуальные сияния в высоких широтах // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 48. № 5. С. 634-642. 2008.

Ролдугин В.К. Белоглазов М.И. Амплитуда шумановского резонанса во время Форбуш-эффекта // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 48. № 6. С. 803-809. 2008.