Изучение взаимосвязи суббуревых полярных сияний с параметрами солнечного ветра и явлениями в хвосте магнитосферы

Одним из проявлений магнитосферной суббури является авроральная суббуря, основным элементом которой является развитие так называемой авроральной выпуклости (АВ). АВ – это область в ночном секторе, занятая яркими дискретными сияниями, которая в процессе взрывной фазы магнитосферной суббури расширяется, главным образом, к полюсу и в азимутальном направлении. В ряде работ сотрудников лаборатории проведен анализ взаимосвязи «геометрии» АВ с параметрами межпланетной среды, в частности с «электрическим полем пересоединения» Em=V_sw·B·sin³θ/2 (где V_sw – скорость солнечного ветра, В – величина магнитного поля в солнечном ветре, θ – угол между осью Z и проекцией вектора В на плоскость ZY). Зависимость магнитного потока через авроральную выпуклость (F_B=B₀·S, где В₀ – это магнитное поле на высоте 100 км, S – площадь авроральной выпуклости) оказалась сходной с зависимостью от Em дополнительного потока, накопленного в долях хвоста магнитосфере в ходе предварительной фазы суббури (FT)

 

Зависимость потока в долях хвоста и потока через авроральную выпуклость от электрического поля солнечного ветра.

В предположении, что полярная кромка авроральной выпуклости является проекцией нейтральной линии, возникающей в плазменном слое хвоста магнитосферы во время взрывной фазы суббури, это означает равенство потока, накопленного во время предварительной фазы, и потока, пересоединенного во время взрывной фазы суббури. Обоснованием предположения о взаимосвязи АВ с областью пересоединения служит сопоставление широты полярной кромки АВ с проекцией областей разнонаправленных, быстрых потоков плазмы в плазменном слое, которые наблюдаются во время взрывной фазы. Оказалось, что проекция спутника, регистрирующего поток плазмы, направленный от Земли, находится к полюсу от полярной кромки АВ, а при регистрации потока к Земле проекция спутника оказывается экваториальнее кромки АВ. Очевидно, что область смены знака потоков (область пересоединения) должна проектироваться в окрестность полярной кромки AB.

 

Вверху: схематичное представление взаимного расположения нейтральной линии Х-типа с спутника, измеряющего разнонаправленные потоки плазмы. Внизу: Результат проектирования спутника в ионосферу относительно полярной границы АВ с использованием набора моделей Н.А. Цыганенко (вертикальные отрезки; красные значки проекция по адаптированной модели).

Интересно заметить, что в окрестности области смены знака потоков наблюдается значительное уменьшение полного давления (сумма плазменного и магнитного давления), что означает уменьшение тока плазменного слоя в этой области. В литературе часто используются схемы развития суббури, в которых область пересоединения и область «распада» тока существенно разделены в пространстве и во времени. Считается, что пересоединение происходит на довольно больших расстояниях от Земли, а распад тока на близких расстояниях. Наши данные указывают на неправомерность такого противопоставления этих процессов и их роли во время взрывной фазы суббури.

 

Вариации параметров плазмы и магнитного поля во время суббурь в плазменном слое, полученные методом наложения эпох (на нулевую эпоху взят момент смены знака потока плазмы). Сверху вниз: полное давление, отношение плазменного и магнитного давления, вертикалькая компонента магнитного поля, скорость плазмы.

Заметим также, что уменьшение полного давления (плотности энергии) в хвосте магнитосферы оказалось пропорциональным площади авроральной выпуклости. Таким образом, площадь авроральной выпуклости является важным параметром, характеризующим диссипацию магнитного потока и энергии в магнитосфере во время суббури.

Было проведено исследование различий характеристик авроральной выпуклости в периоды рекуррентных потоков солнечного ветра, характерных для минимума солнечной активности, и в периоды взаимодействия магнитосферы с магнитными облаками, которые типичны для условий максимума солнечной активности. Оказалось, что во время рекуррентных потоков средний долготный размер АВ меньше, а широтный – больше, чем во время магнитных облаков. Особенно явно различие проявляется в отношении долготного размера АВ к широтному. Кроме того, во время магнитных облаков АВ развивается на более низких широтах.

 

Сравнение долгот ного и широтного размеров авроральной выпуклости для суббурь, развивающихся вво время рекуррентных потоков солнечного ветра и во время магнитных облаков. Вверху: крестики показывают медианы и квартили распределения размеров АВ. Внизу: отношение долготного и широтного размера АВ.

Эти различия, по-видимому, связаны с различиями в конфигурации магнитосферы в различных условиях. Действительно, в периоды магнитных облаков типичной является конфигурация с сильно вытянутыми в хвост магнитными силовыми линиями вблизи Земли (приземная кромка токового слоя хвоста располагается близко (5-7 R_E) от Земли). При этом, такая конфигурация характерна не только для окрестности полуночного меридиана, но и для широкой области в ночном секторе. Это обеспечивает развитие процесса пересоединения во-первых на низких широтах, а во-вторых в широком долготном секторе. Поэтому, для выполнения условия равенства FT и FB не требуется существенной экспансии сияний к полюсу.

Основные публикации

Yahnin, A.G., I.V. Despirak, A.A. Lubchich, B.V. Kozelov, N.P. Dmitrieva, M.A. Shukhtina, H. Biernat, Indirect mapping of the plasma sheet flow reversal region onto the auroral display, Ann. Geophys., 24, 679–687, 2006.

Petrukovich A.A. and A.G. Yahnin, The substorm onset location controversy, Space Science Reviews, 122, issue 1-4, 81-87, 2006.

Yahnin A.G., I.V. Despirak, A.A. Lubchich, B.V. Kozelov, N.P. Dmitrieva, M.A. Shukhtina, H. Biernat,Relationship between substorm auroras and processes in the plasma sheet, Space Science Reviews, 122, issue 1-4, pp. 97-106, 2006.

Despirak I.V., A.A. Lubchich, A.G. Yahnin, B.V. Kozelov, and H.K. Biernat. Development of substorm bulges during different solar wind structures, Ann. Geophys., 27, 1951–1960, 2009.