Диамагнитные плазмоиды как составная часть диамагнитных структур медленного солнечного ветра и их воздействие на магнитосферу Земли

Данная статья посвящена особенностям взаимодействия с магнитосферой Земли квазистационар- ного солнечного ветра (СВ) определенного типа — медленного СВ. В связи с этим приведем краткую информацию о типах потоков СВ и об источниках этих потоков на Солнце.

Квазистационарный СВ — это потоки, время жизни источников которых на Солнце больше или много больше суток. Время жизни источников спорадического СВ, связанного с корональными выбросами массы (КВМ), составляет менее суток. В отсутствие спорадического СВ квазистационарный СВ может быть двух типов: быстрый и медленный. Источниками медленного квазистационарного СВ на Солнце являются пояс [Svalgaard et al., 1974] и цепочки стримеров [Eselevich et al., 2007; Eselevich et al., 1999] , или псевдостримеры [Wang et al., 2007] . На орбите Земли медленный СВ характеризуется относительно небольшой скоростью V ≈ 250–450 км/с по сравнению с квазистационарным быстрым СВ, истекающим из корональных дыр, максимальная скорость которого V ~450–800 км/с [Borrini et al., 1981; Eselevich, Fainshtein, 1991, 1992] .

Один из двух перечисленных выше источников медленного СВ на поверхности Солнца — пояс стримеров — характеризуется следующей особенностью. Он разделяет области с противоположным направлением радиальной компоненты глобального магнитного поля [Svalgaard et al., 1974] . Это означает, что в основании пояса стримеров расположены арки магнитного поля, составляющие основу шлема стримера, по вершинам которого проходит нейтральная линия (НЛ) радиальной компоненты глобального магнитного поля Солнца [Eselevich et al., 1999] . Структура пояса корональных стримеров выше шлема представляет собой последовательность пар лучей повышенной яркости (концентрации плазмы) или два близко расположенных ряда лучей. Угловой размер всех лучей примерно одинаков и составляет d ~2°–3°, расстояние между лучами вдоль пояса стримеров — 5°–10°. (Здесь и далее угловой размер дается в гелиоцентрической системе координат). НЛ проходит между лучами каждой из пар вдоль пояса [Eselevich, Eselevich, 2006] . Пояс стримеров охватывает все Солнце в виде волнообразной поверхности (юбки) [Korzhov, 1977] . Продолжение пояса стримеров в гелиосферу (медленный СВ) называют гелиосферным плазменным слоем (ГПС) [Winterhalter et al., 1994] . НЛ пояса стримеров внутри ГПС на орбите Земли проявляется в виде секторной границы межпланетного магнитного поля (ММП), разделяющей протяженные области СВ (порядка десятков градусов в гелиоцентрической системе координат или, соответственно, нескольких суток) с противоположными знаками ММП [Korzhov, 1977] . Положительное направление от Солнца соответствует значениям азимутального угла Ф < 180°, отрицательное — Ф > 180°. Поэтому число изменений знака ММП (если оно больше единицы) в структуре секторной границы является нечетным.

Угловые размеры и относительные изменения концентрации, наблюдаемые вблизи Солнца в лучевых структурах пояса стримеров, сохраняются на всем протяжении от Солнца до орбиты Земли [Есе-левич и др. 2006] . Здесь эти участки ГПС характеризуются следующими параметрами и особенностями [Borrini et al., 1981; Еселевич, Еселевич, 2006] :

• •    относительно небольшая и почти постоянная по слою скорость СВ V ~250–450 км/с;

• •    пониженная протонная температура T p < 10⁵ K;

• •    повышенная концентрация плазмы с максимальными значениями N max >10±2 см^–3;

• •    антикорреляция изменения плотности N ( t ) и модуля магнитного поля B ( t ) на временных масштабах, по крайней мере, порядка часов и менее;

• •    наличие одного или нескольких (нечетного числа) изменений знака ММП, являющихся проявлением секторной границы или ее структуры.

Присутствие всех этих признаков обязательно для однозначного определения медленного СВ, текущего в ГПС на орбите Земли.

Цепочки стримеров (псевдостримеры) в короне в белом свете, как и пояс стримеров, имеют вид последовательности лучей повышенной яркости (концентрации плазмы) с теми же угловыми размерами. В них течет медленный СВ примерно с теми же свойствами, что и в поясе стримеров. Цепочки отличаются от пояса только тем, что разделяют в короне области с открытыми магнитными силовыми линиями, имеющими одинаковую полярность поля. Поэтому рассчитанные в потенциальном приближении структуры магнитного поля в основании цепочек на поверхности Солнца имеют вид двойных арок [Eselevich et al., 1999] .

На орбите Земли цепочки стримеров регистрируются, так же как и пояс стримеров, в виде участков с повышенной концентрацией плазмы, но содержащих внутри себя четное число изменений знака ММП. Эти участки называют субсекторными границами [Ivanov et al., 2002] .

Анализ, проведенный в статье [Еселевич, Еселе-вич, 2005] , позволил сделать вывод о том, что регистрируемые на орбите Земли продолжения от Солнца лучей повышенной яркости пояса стримеров (ГПС) и цепочек стримеров являются диамагнитными трубками или диамагнитными структурами (ДС). Было показано также [Еселевич, Еселевич, 2005] , что ДС обладают тонкой структурой (фрактально-стью) на нескольких пространственных масштабах, начиная с ~1.5°–3.0° и кончая минимальным масштабом ~0.03°–0.06°. Видно, что угловой размер вложенных друг в друга магнитных трубок меняется почти на два порядка.

Первые попытки изучения столкновений ДС медленного СВ с магнитосферой Земли показали, что они могут вызывать так называемые пилообразные суббури (sawtooth substorms) [Пархомов и др., 2011; Parkhomov et al., 2018] .

Все перечисленные результаты отражают основы современного понимания природы структуры медленного СВ на всем протяжении от Солнца до орбиты Земли.

В то же время в ряде статей за рубежом, опубликованных в течение последних лет (2012–2017 гг.), без ссылок на перечисленные выше результаты исследований сделаны выводы о том, что в квазиста-ционарном СВ авторами этих статей обнаружен новый тип неоднородностей плотности плазмы. Так, в работах [Karlsson et al., 2012, 2015] утверждается существование в квазистационарном СВ неоднородностей плотности, названных авторами плазмоидами СВ. Они идентифицировались авторами как локальное повышение концентрации (>50 %) плазмы N при одновременном уменьшении модуля магнитного поля В и неизменной скорости VСВ на масштабе от 0.1 до 10RЕ (RЕ — радиус Земли). Антикорреляция вариаций N и В послужила основой названия «диамагнитный плазмоид» СВ (solar wind plasmoid). Постоянство скорости внутри и вне плазмоида означает, что он сносится СВ. Временной размер диамагнитного плазмоида составляет ~5–10 мин [Karlsson et al., 2015]. Кроме диамагнитных плазмоидов СВ, авторы зарегистрировали диамагнитные плазмоиды (magnetosheath plasmoids) за головной околоземной ударной волной в магнитослое примерно с теми же размерами от 0.1 до 10RЕ. При этом прямой связи между диамагнитными плазмоидами в СВ и магнитослое авторами не было установлено. Неясным остался вопрос, каково воздействие плазмоида в магнитослое на магнитосферу Земли.

Целью настоящей работы является, во-первых, проведение анализа с целью выяснения физического смысла термина «диамагнитный плазмоид» СВ и его связи с ДС медленного СВ; во-вторых, исследование роли диамагнитных плазмоидов СВ при формировании возмущений в магнитослое (magnetosheath plasmoids) и в-третьих, — анализ результатов их воздействия на магнитосферу Земли.

ДАННЫЕ И МЕТОДЫ

Отождествление источника медленного СВ на Солнце в событии 11.03.2003 проводилось по синоптической карте кэррингтоновского оборота CR2000 для магнитного поля Солнца, рассчитанного в потенциальном приближении []. В событии 24.07.1998 положение источника медленного СВ на Солнце устанавливалось по результатам расчетов Руденко [] в потенциальном приближении для CR1938. Участки медленного СВ на орбите Земли анализировались по зависимостям от времени параметров ММП и плазмы СВ по данным OMNI []. Для расчета времени прибытия участка медленного СВ на орбиту Земли использовался метод, изложенный в статье [Eselevich et al., 2007]. При анализе отклика магнитосферы на воздействие потоков СВ использовались следующие данные: а) магнитограммы авроральной обсерватории Barrow (MLT=UT–12) и динамический спектр геомагнитных пульсаций по данным низкоширотной обсерватории Memambetsu (MLT=UT+9); б) динамический спектр геомагнитных пульсаций по данным обсерватории Какиока (КАК); в) снимки аврорального овала, сделанные UVI-камерой с фильтром LBHL на спутнике Polar 01.08.1998.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Отождествление на орбите Земли 11.03.2003 участка медленного СВ, связанного с поясом стримеров, и его источника на Солнце. На рис. 1 вертикальным прямоугольником выделен участок на орбите Земли, включающий диамагнитный плазмоид СВ 11.03.2003. Этот участок характеризуется следующими особенностями.

• 1.    Повышенная концентрация плазмы N >10±2 см^-3.

• 2.    Небольшая скорость СВ V ~390 км/c.

• 3.    Наличие в его пределах секторной границы ММП, на которой происходит изменение азимутального угла Ф на ~180° (от ~320° до ~140°), т. е. знак ММП меняется от «–» (направление к Солнцу) к «+» (от Солнца).

Перечисленные особенности характеризуют рассматриваемый участок как относящийся к поясу стримеров на орбите Земли (ГПС). На поверхности Солнца источник этого участка ГПС должен располагаться в окрестности точки пересечения пояса стримеров с эклиптикой в момент, когда она вследствие вращения Солнца пересекает центральный меридиан. Действительно, на синоптической карте (рис. 2) поясу стримеров соответствует НЛ глобального магнитного поля, разделяющая положительную (сплошные кривые) и отрицательную (пунктир) полярности поля. Видно, что 07.03.2003 в момент времени t ₀≈12:00 UT (вертикальная прямая) в окрестности точки О пересечения НЛ с эклиптикой (горизонтальная линия) проходит центральный меридиан. Эта область является источником медленного СВ, текущего в поясе стримеров. Это можно показать, оценив время t Earth прихода на орбиту Земли рассматриваемого участка пояса по формуле [Eselevich et al., 2007]

tEarth ≈ t0 +4.6·104/V, ч, где t0 — момент времени (ч) прохода точкой О центрального меридиана (рис. 2), расстояние (км), V — скорость медленного СВ на 1 а.е. (км/с).

Согласно рис. 1, на орбите Земли скорость медленного СВ, текущего в поясе стримеров, составляет V ~390 км/c. Тогда время Δ t Earth пролета солнечным ветром расстояния Солнце—Земля в соответствии с указанной формулой оценивается как ~4 сут 22 ч, что соответствует времени прибытия на орбиту Земли 12.03.2003 (~10 ч). С точностью до 1 сут (или относительной точностью ≈20 %) это согласуется с

Рис. 1. Параметры ММП и плазмы СВ. Сверху вниз: модуль ММП, азимутальный угол Ф ММП, температура плазмы СВ, концентрация плазмы СВ, скорость СВ. Участок пояса стримеров на орбите Земли или ГПС выделен прямоугольником. Получено по данным OMNI [http://cdaweb. ]

Рис. 2. Синоптическая карта кэррингтоновского оборота 2000 для магнитного поля Солнца, рассчитанного в потенциальном приближении []: сплошные кривые — положительная полярность, пунктир — отрицательная полярность, НЛ — нейтральная линия глобального магнитного поля Солнца

временем прибытия на орбиту Земли участка с изменением знака азимутального угла Ф ММП, т. е. секторной границы. Она проходит внутри участка ГПС, максимальная концентрация плазмы которого N ~18 см^–3. При этом изменение магнитного поля вблизи Солнца от «–» к «+» (панель Long/Phi) соответствует изменению знака угла Ф. Область ГПС выделена прямоугольником.

Связь диамагнитного плазмоида СВ 11.03.2003 с ДС медленного СВ. Выбор даты 11.03.2003 связан с тем, что в этот день, согласно [Karlsson et al., 2015] , в медленном СВ был идентифицирован диамагнитный плазмоид СВ. Основой введения этого названия послужили зарегистрированная авторами статьи антикорреляция в поведении концентрации плазмы СВ (резкое возрастание) и напряженности ММП (резкое уменьшение), а также ссылка на похожие результаты в экспериментальной работе [Bostic, 1956] .

Для установления связи данного диамагнитного плазмоида СВ с ДС в медленном СВ рассмотрим более детально структуру области ГПС для 11.03.2003, показанную на рис. 3.

Для этой области на увеличенном временном масштабе, кроме модуля ММП В и его В z -ком-поненты в GSM-координатах, представлены cко-рость СВ V , концентрация плазмы N и АЕ -индекс авроральной магнитной активности. Прямоугольником с цифрой 1 выделен диамагнитный плазмоид СВ 11.03.2003 (14:31–14:35 UT), исследованный в работе [Karlsson et al., 2012] . Область ГПС показана горизонтальной прямой с надписью ГПС.

Как видно из сравнения профилей В и N, ГПС представляет собой последовательность ДС (выделены вертикальными прямоугольниками |В|) разных временных масштабов. Часть из них плохо различимы из-за малых временных размеров и недостаточного временного разрешения. Максимальные значения концентрации в этих структурах ~18 см-3 достигаются в области взаимодействия медленного и быстрого СВ, правая граница которой определяется по возрастанию скорости СВ в конце ГПС при t >17:45 UT. Эту об- ласть называют также CIR (corotating interaction region) (выделена прямоугольником). Она представляет собой ДС, внутри которой регистрируются ДС на нескольких уменьшающихся пространственных масштабах. Средний по ГПС коэффициент антикорреляции между N и B составляет –0.746. Согласно [Еселевич, Еселевич, 2005], вложенные друг в друга ДС подобного типа с уменьшающимися поперечными размерами характеризуют наличие у ГПС фрактальной структуры.

На рис. 4 показаны вариации параметров СВ и ММП по данным OMNI и параметры плазмы и магнитного поля в СВ по наблюдениям на спутнике С1

ГПС CIR

13:00 14:00 1 6:00 16:00 17:00 18:00 1 9:00

Рис. 3. Параметры межпланетного магнитного поля и плазмы солнечного ветра 11.03.2003. Сверху вниз: В — модуль ММП, N — концентрация плазмы СВ, Bz — вертикальная компонента ММП, Vx — скорость СВ, АЕ — индекс авроральной магнитной активности по данным OMNI []. Участок диамагнитного плазмоида СВ [Karlsson et al., 2015] выделен прямоугольником с цифрой 1

Рис. 4. Параметры СВ и ММП 11.03.2003 по данным OMNI ( а ) и по измерениям на спутнике Cluster С1 [Karlsson et al., 2015] ( б ). Прямоугольниками выделены ДС согласно [Еселевич, Еселевич, 2005] ( а ) и плазмоид согласно [Karlsson et al., 2015] ( б )

серии Cluster [Karlsson et al., 2015]. Видно однозначное противофазное соответствие вариаций N и В. Различия в тонких деталях обусловлены различным временным разрешением измерений параметров. В данных OMNI временное разрешение составляет 1 мин, а на спутниках Cluster частота дискретизации измерений 4.4 с. Можно отметить запаздывание вариаций по измерениям на Cluster C1 относительно начала вариаций в СВ на 85 с по данным OMNI. Точность переноса данных с орбиты аппарата Wind на орбиту Земли составляет ±60 с согласно [King, Papitashvili, 2006]. С учетом замечания можно заключить, что структуры, показанные прямоугольниками на правой и левой панелях, идентичны. Поэтому можно сделать вывод о том, что плазмоид и ДС, регистрируемые в СВ — одна и та же структура, но называемая по-разному. В дальнейшем будем следовать нашему обозначению ДС.

Аналогичный сравнительный анализ, проведенный еще для двух диамагнитных плазмоидов СВ из статьи [Karlsson et al., 2015] для 04.04.2004 (12:24– 12:30 UT) и 05.04.2006 (04:37–04:47 UT), также приводит к подобному выводу. Таким образом, можно уверенно утверждать, что наблюдаемые в медленном СВ диамагнитные плазмоиды СВ, рассмотренные в статье [Karlsson et al., 2015] , являются внутренними элементами фрактальных ДС медленного СВ.

Вопрос о наличии ДС в быстром СВ до настоящего времени не исследован. Тем не менее, диамагнитный плазмоид СВ для 24.01.2004 (06:00–06:06 UT) в статье [Karlsson et al., 2015] был зарегистрирован в быстром СВ. Это означает, что, возможно, только часть из 62 диамагнитных плазмоидов СВ, исследованных в статье [Karlsson et al., 2015] , связана с медленным СВ, а значит, эти плазмоиды являются элементами фрактальных ДС, составляющих медленный СВ. Недавно Karlsson любезно предоставил нам список событий, исследованных в [Karlsson et al., 2015] . В табл. 1 включены 57 событий из этого списка, связанных с медленным СВ, для которых достаточно надежно зарегистрированы все необходимые для анализа параметры. Пояснения к табл. 1: колонка 1 — номер события, 2 — дата, 3 — время, 4 — скорость СВ, 5 — тип СВ (медленный СВ), 6 — источник СВ на Солнце, 7 — среднее значение АЕ за 40-мин интервал перед моментом регистрации плазмоида / среднее значение АЕ за 5-мин интервал после момента регистрации, 8 — среднее значение B z -компоненты ММП (в GSM-системе координат) за 40-мин интервал перед моментом регистрации. В последней строке приведены средние значения по всей таблице.

Из анализа табл. 1 можно сделать осторожный вывод о том, что при взаимодействии плазмоидов с магнитосферой в среднем наблюдается скачок авроральной магнитной активности на ~ 93 нТл, что соответствует слабой суббуре при среднем значении вертикальной компоненты –0.73 нТл. Заметим, что 18 случаев плазмоидов (32 %) зарегистрировано на фоне предшествующей событию северной компоненты ММП. Однако наибольшие значения скачка АЕ в момент регистрации плазмоида (до 250 нТл) наблюдались на фоне предшествующей южной компоненты ММП, что позволяет интерпретировать момент взаимодействия плазмоида с магнитосферой как триггер начала усиления авроральной активности.

АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ УЧАСТКА ГПС 11.03.2003 С МАГНИТОСФЕРОЙ

Столкновение с магнитосферой Земли последовательности подобных небольших ДС, следующих за описанными выше ДС и составляющих основу ГПС, вызывает рост планетарной и авроральной геомагнитной активности: K р возрастает с 2+ до 4+, АЕ плавно нарастает от 50 до 350 нТл (рис. 3).

Таблица 1

Диамагнитные плазмоиды СВ, зарегистрированные в [Karlsson et al., 2015] , и их характерные особенности

N	Дата	UT	V СВ , км/с	Тип СВ	Источник на Солнце	AE , нТл	Bz GSM, нТл
1	2001.02.12	16.2	400–430	медл. СВ	пояс стримеров	52/129	2.7
2	2001.02.12	16.3	–	–	–	50/100	2.7
3	2001.02.12	18.3	–	–	–	50/120	2,5
4	2001.02.12	21	–	–	–	270/430	–2.88
5	2001.02.12	21.7	–	–	–	342/555	–2.09
6	2001.02.12	23.5	–	–	–	84/127	0.87
7	2002.02.02	1.1	340–410	медл. СВ	цепочка стримеров	110/145	–5.19
8	2002.02.02	15.5	–	–	–	100/155	–0.93
9	2002.02.02	2.5	–	–	–	96/268	0.5
10	2002.02.02	7	–	–	–	504/660	–11.45
11	2002.02.02	13.8	–	–	–	291/347	–5.86
12	2002.02.02	14.1	–	–	–	320/359	–8.80
13	2002.04.12	22.7	410	медл. СВ	пояс стримеров	50/200	2.55
14	2003.01.18	17	400	медл. СВ	пояс стримеров	135/270	1.63
15	2003.01.29	12.7	410–440	медл. СВ	пояс стримеров	702/814	–3.72
16	2003.01.29	13.4	–	–	–	436/800	–4.31
17	2003.01.29	18.9	–	–	–	543/691	–3.24
18	2003.01.29	19.6	–	–	–	440/607	–6.3
19	2003.01.29	19.8	–	–	–	441/548	–6.13
20	2003.01.29	22.2	–	–	–	614/825	–8.81
21	2003.03.11	14.6	400–420	медл. СВ	пояс стримеров	170/310	–1.6
22	2003.03.11	17.3	–	–	–	80/180	1.52
23	2003.12.31	11.5	420–230	медл. СВ	пояс стримеров	500/600	–5.2
24	2003.12.31	19.9	–	–	–	200/439	0.87
25	2004.01.02	15.9	430–440	медл. СВ	цепочка стримеров	480/100	1.31
26	2004.01.21	22.9	450	медл. СВ	цепочка стримеров	278/439	–2.33
27	2004.04.04	12.5	410–430	медл. СВ	пояс стримеров	40/100	6.15
28	2004.04.04	14.9	–	–	–	40/90	10.73
29	2004.04.04	21.9	–	–	–	40/80	9.44
30	2005.02.05	2.5	410	медл. СВ	пояс стримеров	20/50	0.38
31	2005.02.14	7.6	–	–	–	60/120	–0.9
32	2005.02.16	12.3	420	медл. СВ	пояс стримеров	381/409	–2.9
33	2005.02.16	12.7	–	–	–	266/310	–2.9
34	2005.02.16	13.1	–	–	–	139/248	–2.8
35	2005.02.16	14	–	–	–	563/655	–2.85
36	2005.02.17	4.9	400	медл. СВ	пояс стримеров	96/191	1.06
37	2005.02.21	13.3	370–420	медл. СВ	пояс стримеров	200/280	–1.14
38	2005.02.21	14.5	–	–	–	200/250	–2.2
39	2005.02.21	20.8	–	–	–	63/105	–0.45
40	2005.02.21	20.9	–	–	–	60/110	–0.47
41	2005.02.21	21.1	–	–	–	35/125	–0.47
42	2005.02.21	21.4	–	–	–	39/58	–0.48
43	2005.02.21	21.5	–	–	–	37/58	–0.48
44	2005.02.22	1.3	–	–	–	15/50	0.54
45	2005.02.22	3.8	–	–	–	50/90	0.64
46	2005.03.05	10	390	медл. СВ	пояс стримеров	56/130	1.35
47	2005.03.05	23.7	–		–	535/481	3.3
48	2005.03.13	5.4	350	медл. СВ	пояс стримеров	20/30	–1.1
49	2006.02.06	19	330	медл. СВ	пояс стримеров	200/250	–2.7
50	2006.02.06	19.5	–	–	–	200/300	–2.7
51	2006.02.19	2.5	370	медл. СВ	пояс стримеров	90/200	0.99
52	2006.02.19	3.1	–	–	–	80/85	0.67
53	2006.02.19	4.1	–	–	–	80/120	–0.32
54	2006.02.28	6.7	350	медл. СВ	пояс стримеров	12/31	5.04
55	2006.02.28	6.9	–	–	–	12/31	5.04
56	2006.04.04	21.9	330	медл. СВ	пояс стримеров	380/597	–3.55
						АЕ ср =202.5/295.6	B z ср = –0.73

На рис. 4, а видно возрастание АЕ от 140 до 190 нТл, что можно интерпретировать как реакцию магнитосферы на взаимодействие с ДС. В авроральной обсерватории BRW вблизи полуночи в 14:28 UT (02:28 MLT) регистрируется начало отрицательной бухты (рис. 5, а ), а в низкоширотной обсерватории ночного сектора (23:28 МLТ) — начало Pi2 (рис. 5, б ).

Таким образом, приведенные данные позволяют сделать вывод о том, что столкновение последовательности ДС, составляющих основу ГПС, с магнитосферой Земли вызывает рост геомагнитной активности, а отдельные ДС вызывают кратковременные усиления магнитной активности (суббури), совпадающие с длительностью ДС.

Важно подчеркнуть, что B z -компонента ММП с 10:00 до 14:15 UT имела северное направление ( B_{z ср} = 3.27 нТл), но в 14:15 совершила кратковременный до 14:33 UT скачок к югу (до –4 нТл), а затем вновь приобрела устойчивое северное направление. Поведение B z показывает, что в данном случае не было длительного накопления энергии в хвосте магнитосферы за счет пересоединения, т. е. отсутствовала предварительная фаза суббури. Поэтому усиление авроральной магнитной активности с 14:40 до 15:40 UT (рис. 3) можно отнести к классу пилообраззных суббурь [Troshichev et al., 2011; Troshichev, Janzhura, 2012] .

ГЕОМАГНИТНЫЙ ОТКЛИК НА ДС,ЗАРЕГИСТРИРОВАННУЮ

В МАГНИТОСЛОЕ 23.12.2002

В данном разделе попытаемся установить связь плазмоида в магнитослое [Karlsson et al., 2015] c ДС в СВ и оценить его воздействие на магнитосферу Земли.

На рис. 6 показаны параметры плазмы и ММП в СВ по данным OMNI для 23.12.2002 ( а ) и для плазмоида в магнитослое по данным Cluster С1 [Karlsson et al., 2015] ( б ). На панели а видна в течение времени ~09:56–09:59 антикоррелляция профилей N и B , что соответствует ДС в СВ. Аналогичного типа структура плазмоида с небольшой задержкой по времени (~90 с) появляется в магнитослое. При этом N и B возрастают, а V CB падает до 200 км/с. Временную задержку можно связать с ошибкой переноса данных с орбиты Wind на орбиту Земли, как и в случае 11.03.2003.

Все это означает, что наблюдаемый плазмоид в магнитослое является продолжением движения ДС, зарегистрированной в СВ.

Наземные эффекты взаимодействия этой ДС в СВ в переходном слое подобны рассмотренным выше эффектам взаимодействия ДС. В авроральной зоне в обсерватории DAWS в полуночные часы (~23:58 LT) регистрируется всплеск нерегулярных геомагнитных пульсаций Pi2 как индикатор начала суббури, а в 10:02 UT начинается резкое усиление западного электроджета, которое отразилось в падении Н -компоненты на ~800 нТл (рис. 6, г ) и возрастании АЕ до 1276 нТл (рис. 6, a ).

Рис. 5. Магнитограмма авроральной обсерватории Barrow (MLT = UT – 12) ( а ) и динамический спектр геомагнитных пульсаций по данным низкоширотной обсерватории Memambetsu (MLT = UT +9) ( б )

В отличие от предыдущего случая 11.03.2003 умеренной магнитной возмущенности событие 23 декабря 2002 г. протекает на фоне высокой планетарной и авроральной магнитной активности ( K р =4+, АЕ нарастает от 561 до 1276 нТл). Важно отметить, что в этот день с 00 до 05 UT B z ММП была ориентирована преимущественно к северу, средние значения B z и АЕ составляли соответственно 0.07 и 217 нТл. В 05:00 UT направление B z сменилось на южное и оставалось таким до 11:00 UT при среднем значении B_{z ср}= –4.78 нТл. В интервале 09:50–10:10 UT, когда в магнитослое был зарегистрирован плазмоид (ДС), индекс АЕ резко возрос до 1276 нТл ( АЕ _ср=885 нТл) при прежнем B_{z ср}= –5.0 в этом интервале.

Таким образом, можно сделать заключение о тождественности ДС и плазмоидов, а также их геоэффективности. На орбите Земли источником ДС в событии 11.03.2003 является пояс стримеров или ГПС.

Диамагнитные структуры, связанные с цепочкой стримеров 1.08.1998, и отклик магнитосферы Земли на их воздействие. Рассмотрим еще один пример глобального геомагнитного отклика магнитосферы на взаимодействие с ДС, источником которой является цепочка стримеров.

На рис. 7, а показаны результаты расчетов Руденко [] в потенциальном приближении положений оснований открытых магнитных трубок, соответствующих корональным дырам, в сферических координатах для 24.07.1998 (~14:35 UT). На панели б для той же даты и того же момента времени показана синоптическая карта CR1938 рассчитанной НЛ раздела полярностей радиальной компоненты глобального магнитного поля на поверхности источника (R=2.5R@) (сплошная кривая); «+» — положительная полярность поля, направленного от Солнца, «–» — к Солнцу. Штриховой линией показаны рассчитанные цепочки стримеров, разделяющие

Рис. 6. Вариации Nр СВ, модуля |B| ММП, вертикальной компоненты Bz ММП, VСВ и АЕ (по данным OMNI []) (а); вариации Ne, |B|, Вх, Ву, Bz, V и Ti в магнитослое 23.12.2002 (по данным [Karlson et al., 2015]) (б); динамический спектр геомагнитных пульсаций Pi2 в авроральной обсерватории Dawson (MLT=UT–10.3) (в) и фрагмент магнитограммы этой же обсерватории (г)

основания корональных дыр с одинаковым направлением магнитного поля Солнца. Нас будет интересовать участок пересечения цепочки стримеров с эклиптикой на Солнце, отмеченный на синоптической карте панели б буквой О (вблизи долготы 50°) с вертикальной стрелкой. Этот участок разделяет основания корональных дыр, обозначенных е и d на панели а . Положение центрального меридиана в рассматриваемый момент времени показано вертикальной пунктирной линией (панель б ).

Вследствие вращения Солнца, как видно на панели а, точка О пересечет центральный меридиан, когда тот сместится влево по долготе примерно на 50°, что соответствует интервалу времени ~3 сут 18 ч (поворот на 13.3° происходит за 1 сут). Это соответствует t0=09:00 UT (28.07.1998), когда точка О будет нахо- диться на центральном меридиане. На орбите Земли ближайший по времени участок цепочки стримеров с четным числом изменения знака азимутального угла ММП (рис. 8, г), повышенной концентрацией N~20–30 см–3 (рис. 8, б) и сравнительно небольшой VСВ~460 км/с (рис. 8, в) наблюдается на 1 а.е. 1.08.1998 в ~18:05–18:35 UT. Используя формулу tEarth≈t0+4.6·104/VСВ, получаем, что при VСВ=460 км/с участок О достигает Земли 1.08.1998 в ~13:00 UT. Это с точностью до ~5 ч (относительная точность ~5 %) согласуется с наблюдаемым временем появления участка цепочки стримеров на 1 а.е. (рис. 8).

Из антикорреляции профилей B и N на рис. 8 а , б ( R = –0.95) следует, что участок цепочки стримеров на орбите Земли представляет собой ДС, внутри которой регистрируются вложенные друг в друга

ДС с уменьшающимися поперечными размерами (так же, как и рассмотренный ранее участок пояса стримеров (ГПС) на 1 а.е.).

Взаимодействие этих ДС с магнитосферой приводит к усилению магнитной возмущенности, отражающейся в резком росте и волнообразном последующем изменении АЕ (рис. 9, а ). Подобные вариации АЕ свойственны пилообразным суббурям. Такие суббури не имеют ярко выраженной подготовительной

172    176    18    184    188    19.2

1 августа 1998 r„ ч

Рис. 8. Параметры ММП и плазмы СВ 1.08.1998: |B| — модуль ММП (а), N — концентрация плазмы СB (б), Vх — скорость СВ (в), Ф — азимутальный угол ММП (г). Участок пояса стримеров на орбите Земли выделен вертикальными линиями. По данным OMNI [http://cdaweb. ]

CR 1938

Рис. 7. Результаты расчетов Руденко [ ] в потенциальном приближении: а — положения оснований открытых магнитных трубок, соответствующих коро-нальным дырам, в сферических координатах для 24.07.1998 (~14:35 UT); б — синоптическая карта CR1938 положения нейтральной линии (сплошная кривая) и цепочек стримеров (штриховая) на поверхности источника

1 400

I | 300 l§2M I 100 0

фазы [Troshichev et al., 2011; Troshichev, Janzhura, 2012] . Модуляция АЕ в таких суббурях связана с синхронными противофазными вариациями N и | B | в ДС [Parkhomov et al., 2018] .

Первая попытка анализа отклика магнитосферы на взаимодействие со скачками давления плазмы, связанными с ДС, составляющих основу участка цепочки стримеров 1.08.1998, была предпринята в статье [Пар-хомов и др., 2011] ). Результаты этого анализа позволили авторам предположить, что в данном событии в результате такого взаимодействия имеет место механизм прямой передачи энергии от СВ в авроральную зону одновременно по двум каналам: через индуцированное электрическое поле и через компрессионное усиление системы магнитосферных токов.

К настоящему времени, согласно выводам, сделанным в статьях [Пархомов и др., 2017; Parkhomov et al., 2018] , а также по результатам краткого анализа, выполненного выше в начале этого раздела, становится ясно следующее: скачки давления плазмы, зарегистрированные в событии 1.08.1998 [Пархомов и др., 2011] , соответствуют скачкам концентрации плазмы на границах ДС, составляющих основу рассматриваемого участка цепочек стримеров на орбите Земли.

Переходя к анализу взаимодействия последовательности ДС с магнитосферой, обратимся к рис. 9. Первый общий анализ показывает, что столкновение последовательности ДС, связанных с цепочкой стримеров 1.08.1998 в интервале времени ≈18:23– 19:00 UT, вызвало глобальный рост геомагнитной и авроральной активности. Этот рост выразился в синхронном возникновении различных геофизических явлений на дневной и ночной сторонах Земли, на геостационарной орбите и в центральной части плазменного слоя хвоста магнитосферы в полуночные часы. При более детальном рассмотрении на панели а видны возрастания K _р от 4+ до 6-, АЕ — от 500 до 800 нТл, SYM-H — от –10 до +40 нТл.

Вариации индексов синхронны с вариациями магнитного поля и концентрации СВ. Коэффициенты корреляции R_{AE , N} = 0.48, R_{SYM-H , N} = 0.79, но с модулем В корреляция хуже R_{B , AE} = –0.44, R_{B , SYM-H} = –0.68.

Геомагнитные пульсации типа Pi1B, свойственные взрывной фазе суббури в околополуночном секторе авроральной зоны, наблюдались на низких широтах синхронно с явлениями на дневной стороне (рис. 10). С периодом вариаций N , B в СВ наблюдалась также глобальная модуляция вариаций ионосферных токов и глобального индуцированного магнитного поля, полученных по расчетам токовых векторов на мировой сети магнитных обсерваторий [Пархомов и др., 2011] .

Резкие скачки концентрации СВ и компонент ММП, связанных с ДС, вызвали суббурю, которая состояла из четырех активизаций сияний на ночной стороне (обозначены цифрами 1–4, обозначающими вложенные ДС на рис. 9) (рис. 11). При этом важно отметить, что активизациям сияний в ночном секторе предшествовали кратковременные вспышки сияний на дневной стороне (цифра 0). Суббуревые активизации сияний в вечерне-полуночном секторе были вызваны взаимодействием с ДС малых размеров, вложенными в более масштабную ДС, связанную с цепочкой стримеров.

В.А. Пархомов, В.Г. Еселевич, М.В. Еселевич,

V.A. Parkhomov, V.G. Eselevich, M.V. Eselevich,

А.В. Дмитриев, Т.И. Ведерникова

A.V. Dmitriev, T.I. Vedernikova

Рис. 9. Сверху вниз: вариации |B|, N, Bz и VСВ в ДС, связанной с цепочкой стримеров, АЕ и SYM-H по данным OMNI [] (а); комплекс геофизических явлений, отражающий реакцию магнитосферы на взаимодействие с ДС (б). Сверху вниз: Bz геомагнитного поля на геостационарной орбите GOES-8; |B| геомагнитного поля в хвосте магнитосферы по данным Geotаil (~10RE); горизонтальная составляющая H геомагнитного поля по данным обсерватории Оттава (ОТТ) в полуденные часы LT; по данным обсерватории Какиока (КАК) в послеполуночные часы LT; осциллограмма H-составляющей индукционного магнитометра в обсерватории Монды (MND) в околополуночные часы (исходная запись подвергнута цифровой фильтрации узкополосным фильтром). Цифры соответствуют номерам вложенных ДС меньших масштабов

Рис. 10. Динамический спектр геомагнитных пульсаций по данным обсерватории Какиока (КАК) в послеполуночные часы (MLT= UT + 9). Цифры соответствуют рис. 9

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Проведенные выше исследования показали, что наблюдаемые в медленном СВ диамагнитные плазмоиды СВ, исследованные в статьях [Karlsson et al., 2012, 2015], являются внутренними элементами фрактальных ДС медленного СВ. Они представляют собой последовательности вложенных ДС меньшего масштаба. Анализ динамики наземных явлений, сопровождающих взаимодействие такой последовательности вложенных ДС с магнитосферой, позволяет отнести их к типу пилообразной суббури [Troshichev et al., 2011, Troshichev, Janzhura, 2012]. Здесь следует также напомнить, что границы ДС на орбите Земли характеризуются скачком динамического давления Pd, результаты воздействия которого на магнитосферу были детально рассмотрены в [Keika et al., 2009] для события 21.06.2009 и для значительно большего числа событий [Zhou, Tsurutani, 2001, Lyons et al., 2005]. Выводы этих работ подтверждают результаты нашего анализа, который показал также, что подобное воздействие ДС на магнитосферу может осуществляться как при положительных, так и при слабо отрицательных значениях предшествующей Bz ММП. При этом наличие отрицательной Bz приводит к возрастанию скачков АЕ и SYM-H по сравнению со случаями предшествующей положительной Bz.

Рис. 11. Снимки аврорального овала, сделанные UVI-камерой с фильтром LBHL спутником Polar 01.08.1998 и демонстрирующие отклик магнитосферы на последовательность ДС в виде пилообразной суббури. Цифрами обозначены усиления свечения, соответствующие ДС, обозначенным цифрами на рис. 9

Кратковременные активизации геомагнитной и авроральной активности по длительности совпадают с длительностью ДС, т. е. причиной последовательности пилообразных суббурь были явления не в хвосте магнитосферы, а в СВ (рис. 9–11) или их причиной было непосредственное воздействие ДС СВ через околоземный ударный фронт и магнитослой на магнитосферу.

Кратковременные активизации геомагнитной и авроральной активности по длительности совпадают с длительностью ДС. Это означает, что причиной последовательности пилообразных суббурь были не явления в хвосте магнитосферы, а действие механизма прямой передачи энергии от СВ в магнитосферу и авроральную зону.

Обсудим изложенную картину возникновения геомагнитного отклика при взаимодействии ДС медленного СВ с магнитосферой Земли, основываясь на результатах работы [Kozyra et al., 2013] . В этой статье расматривалась супербуря 21.01.2005, вызванная взаимодействием с магнитосферой Земли ДС, которая была связана не с медленным СВ, а с волокном в составе спорадического СВ.

Авторами статьи было показано, что материал плотного солнечного волокна был захвачен в магнитосферу при северной компоненте ММП. В месте, где произошло такое поглощение, концентрация плазмы магнитосферы возросла до 130 см–3, температура — на 1–2 кэВ, а ММП повернулось к северу. Вследствие процесса двойного высокоширотного пересоединения участок трубок магнитослоя, запол- ненных плазмой солнечного волокна, конвертировался в единый слой магнитосферных трубок с потоками захваченного материала волокна. В результате в магнитосфере сформировался слой холодной плотной плазмы (cold dense plasma sheet, CDPS).

Моделирование и наблюдения, выполненные авторами, показали, что в течение 1 ч концентрация плазменного слоя на полуночи достигла 6 см–3, на геостационарной орбите — десятки см–3, на заходе и восходе — от десятков до сотен см–3 в низкоширотном граничном плазменном слое (low latitude boundary layer, LLBL).

В рассмотренных нами случаях скачки концентрации и модуля магнитного поля были сравнимы со скачками в событии, исследованном в [Kozyra et al., 2013] . При этом взаимодействие ДС с магнитосферой происходило также при преимущественно северном направлении вертикальной компоненты ММП. Все это свидетельствует в пользу того, что механизм взаимодействия ДС с магнитосферой в нашем случае мог быть аналогичным событию 21.01.2005 [Kozyra et al., 2013] .

ВЫВОДЫ

• 1.    Диамагнитные структуры, составляющие основу медленного СВ, на орбите Земли регистрируются как последовательность ДС разных масштабов.

• 2.    Диамагнитные плазмоиды СВ, определение которых было введено в статьях [Karlsson et al., 2012, 2015] , представляют собой ДС малых масштабов медленного СВ.

• 3.    Столкновение последовательности ДС медленного СВ с магнитосферой Земли вызывает рост геомагнитной активности, а отдельные ДС приводят к кратковременным усилениям магнитной активности (суббурям), совпадающим примерно с длительностью воздействия ДС.

• 4.    Механизм взаимодействия ДС медленного СВ при северной компоненте ММП может быть связан с захватом в магнитосферу плазмы повышенной плотности, составляющей ДС.

Авторы признательны Г.В. Руденко за расчет положений оснований открытых магнитных трубок корональной дыры и нейтральной линии глобального магнитного поля Солнца. Авторы благодарны рецензенту за конструктивные замечания, установление контакта с д. T. Karlsson и за разрешение использовать данные. Авторы выражают искреннюю благодарность NASA CDAWEB за предоставление данных спутников ACE, IMP-8, Wind, Geotail, Polar, GOES-8, GOES-10. Авторы благодарят руководителей, разработчиков приборов и руководителей экспериментов, проводимых на этих спутниках, за возможность использования данных. Авторы выражают благодарность I.R. Mann, D.K. Milling и другим работникам команды CARISMA за использование данных.

Работа выполнена в рамках Государственного задания на 2018 г. № 007-00163-18-00 от 12.01.2018 и совместного Российско-Тайваньского проекта РФФИ-MOST-107-2923-M-008-001-MY3/18-55-52006 MHTa.

Участие Пархомова В.А. в работе поддержано грантом РФФИ в рамках научного проекта № 18-5552006 MHTa, а Дмитриева А.В. — грантом MOST 107-2111-M-008-011.