Геомагнитный метод автоматической диагностики границ авроральных овалов в двух полушариях Земли

Геомагнитный метод автоматической диагностики границ авроральных овалов в двух полушариях Земли

Автор: Пенских Ю.В., Лунюшкин С.Б., Капустин В.Э.

Журнал: Солнечно-земная физика @solnechno-zemnaya-fizika

Статья в выпуске: 2 т.7, 2021 года.

Бесплатный доступ

Разработанный авторами наземный автоматический метод определения границ аврорального овала (АО) [Лунюшкин, Пенских, 2019] модифицирован и расширен на Южное полушарие. Входные данные метода: крупномасштабные распределения эквивалентной токовой функции и плотности продольных токов, рассчитываемые в полярных ионосферах двух полушарий в приближении однородной проводимости на основе техники инверсии магнитограмм (ТИМ) и базы геомагнитных данных мировой сети станций проекта SuperMAG. Программа, реализующая метод, обрабатывает большие объемы временных рядов входных данных и выдает координаты основных границ АО обоих полушарий: границы обращения ионосферной конвекции, полярные и экваториальные границы АО, линии максимумов плотности продольных токов и авроральных электроструй. Автоматический метод сокращает время обработки заданного объема данных на 2-3 порядка (до минут и часов) по сравнению с ручным методом, требующим недель и месяцев работы оператора, при этом оба метода сопоставимы по точности. Геомагнитный автоматический метод апробирован для диагностики границ АО в ходе изолированной суббури 27.08.2001, для которой подтверждена ожидаемая синхронная динамика полярных шапок в двух полушариях. Показано, что найденные границы АО качественно соответствуют одновременным снимкам овала полярных сияний со спутника IMAGE, а также результатам моделей OVATION и APM; граница обращения ионосферной конвекции, определенная геомагнитным методом в двух полушариях, согласуется с картами электрического потенциала ионосферы по модели SuperDARN-RG96.

Еще

Эквивалентная токовая функция, граница обращения конвекции, техника инверсии магнитограмм, продольные токи, границы аврорального овала

Короткий адрес: https://sciup.org/142230074

IDR: 142230074   |   DOI: 10.12737/szf-72202106

Список литературы Геомагнитный метод автоматической диагностики границ авроральных овалов в двух полушариях Земли

  • Акасофу С.-И. Полярные и магнитосферные суббури. М.: Мир, 1971. 320 с.
  • Базаржапов А.Д., Матвеев М.И., Мишин В.М. Геомагнитные вариации и бури. Новосибирск: Наука, 1979. 248 с.
  • Кондратьев А.Б., Пенских Ю.В., Лунюшкин С.Б. Автоматизированный метод определения границ аврорального овала на основе техники инверсии магнитограмм. Международная Байкальская молодежная научная школа по фундаментальной физике: труды XV Конференции молодых ученых «Взаимодействие полей и излучения с веществом», Иркутск, 11–16 сентября 2017 г. Иркутск, ИСЗФ СО РАН, 2017. С. 107–112.
  • Лунюшкин С.Б., Пенских Ю.В. Диагностика границ аврорального овала на основе техники инверсии магнитограмм. Солнечно-земная физика. 2019. Т. 5, № 2. С. 97–113. DOI: 10.12737/szf-52201913.
  • Пенских Ю.В. Применение метода наибольших вкладов в технике инверсии магнитограмм. Солнечно-земная физика. 2020. Т. 6, № 4. С. 67–76. DOI: 10.12737/szf-64202009.
  • Хорошева О.В. Пространственно-временное распределение полярных сияний. М.: Наука, 1967. 84 с.
  • Ширапов Д.Ш., Мишин В.М. Моделирование глобальных электродинамических процессов в геомагнитосфере. Улан-Удэ: ВСТГУ, 2009. 216 с.
  • Akasofu S.-I. Physics of Magnetospheric Substorms. Dor-drecht, Springer Netherlands. 1977. 619 p. DOI: 10.1007/978-94-010-1164-8.
  • Akasofu S.-I. The relationship between the magnetosphere and magnetospheric/auroral substorms. Ann. Geophys. 2013. Vol. 31, no. 3. P. 387–394. DOI: 10.5194/angeo-31-387-2013.
  • Baker D.N., Pulkkinen T.I., Angelopoulos V., et al. Neutral line model of substorms: Past results and present view. J. Geophys. Res.: Space Phys. 1996. Vol. 101, no. A6, P. 12975–13010. DOI: 10.1029/95ja03753.
  • Baker D.N., McPherron R.L., Dunlop M.W. Cluster observations of magnetospheric substorm behavior in the near- and mid-tail region. Adv. Space Res. 2005. Vol. 36, no. 10. P. 1809–1817. DOI: 10.1016/j.asr.2004.04.021.
  • Boakes P.D., Milan S.E., Abel G.A., et al. On the use of IMAGE FUV for estimating the latitude of the open/closed magnetic field line boundary in the ionosphere. Ann. Geophys.. 2008. Vol. 26, no. 9. P. 2759–2769. DOI: 10.5194/angeo-26-2759-2008.
  • Burrell A.G., Chisham G., Milan S.E., et al. AMPERE polar cap boundaries. Ann. Geophys. 2020. Vol. 38, no. 2. P. 481–490. DOI: 10.5194/angeo-38-481-2020.
  • Carter J.A., Milan S.E., Coxon J.C., et al. Average field-aligned current configuration parameterised by solar wind conditions. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2016. Vol. 121, no. 2. P. 1294–1307. DOI: 10.1002/2015ja021567.
  • Coley W.R. Spatial relationship of field-aligned currents, electron precipitation, and plasma convection in the auroral oval. J. Geophys. Res.: Space Phys. 1983. Vol. 88, no. A9. P. 7131–7141. DOI: 10.1029/JA088iA09p07131.
  • Cowley S.W.H., Lockwood M. Excitation and decay of solar-wind driven flows in the magnetosphere-ionosphere system. Ann. Geophys. 1992. Vol. 10. P. 103–115.
  • Coxon J.C., Milan S.E., Anderson B.J. A review of Birkeland current research using AMPERE. Electric Currents in Geospace and Beyond. Ed. by A. Keiling et al., Hoboken, New Jersey, USA, Wiley-AGU, 2018. P. 259–278. DOI: 10.1002/ 9781119324522.ch16.
  • Dungey J.W. Interplanetary Magnetic Field and the Auroral Zones. Phys. Rev. Lett. 1961. Vol. 6, no. 2. P. 47–48. DOI: 10.1103/PhysRevLett.6.47.
  • Feldstein Y.I. Auroral morphology, I. Auroral and geomagnetic disturbances. Tellus. 1964. Vol. 16, no. 2. P. 252–257. DOI: 10.3402/tellusa.v16i2.8897.
  • Feldstein Y.I., Galperin Y.I. The auroral luminosity structure in the high-latitude upper atmosphere: Its dynamics and relationship to the large-scale structure of the Earth’s magnetosphere. Rev. Geophys. 1985. Vol. 23, no. 3. P. 217–275. DOI: 10.1029/RG023i003p00217.
  • Feldstein Y.I., Shevnin A.D., Starkov G.V. Auroral oval and magnetic field in the tail of the magnetosphere. Proc. the Birkeland Symposium on Aurora and Magnetic Storms. September 18–22, 1967, Sandefjord, Norway. Ed. by A. Egeland, J.A. Holtet, Paris, Centre National de la Recherche Scientifique, 1968. P. 43–45.
  • Fujii R., Hoffman R.A., Sugiura M. Spatial relationships between region 2 field-aligned currents and electron and ion precipitation in the evening sector. J. Geophys. Res.: Space Phys. 1990. Vol. 95, no. A11. P. 18939–18947. DOI: 10.1029/ JA095iA11p18939.
  • Gary J.B., Zanetti L.J., Anderson B.J., et al. Identification of auroral oval boundaries from in situ magnetic field measurements. J. Geophys. Res.: Space Phys. 1998. Vol. 103, no. A3. P. 4187–4197. DOI: 10.1029/97ja02395.
  • Gjerloev J.W. The SuperMAG data processing technique. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2012. Vol. 117, no. A9. P. A09213. DOI: 10.1029/2012ja017683.
  • Harang L. The mean field of disturbance of polar geomagnetic storms. Terrestrial Magnetism and Atmospheric Electricity. 1946. Vol. 51, no. 3. P. 353–380. DOI: 10.1029/ TE051i003p00353.
  • Heikkila W.J. Earth’s Magnetosphere: Formed by the Low-Latitude Boundary Layer. Amsterdam, Elsevier, 2011. 535 p. DOI: 10.1016/C2009-0-05888-7.
  • Heppner J.P. Electric field variations during substorms: OGO-6 measurements. Planetary Space Sci. 1972. Vol. 20, no. 9. P. 1475–1498. DOI: 10.1016/0032-0633(72)90052-9.
  • Iijima T., Potemra T.A. Large-scale characteristics of field-aligned currents associated with substorms. J. Geophys. Res.: Space Phys. 1978. Vol. 83, no. A2. P. 599–615. DOI: 10.1029/JA083iA02p00599.
  • Jones A.V. Aurora. Dordrecht, Netherlands, Springer, 1974. 304 p. DOI: 10.1007/978-94-010-2099-2.
  • Kamide Y., Kokubun S., Bargatze L.F., Frank L.A. The size of the polar cap as an indicator of substorm energy. Physics and Chemistry of the Earth. Part C: Solar, Terrestrial and Planetary Science. 1999. Vol. 24, no. 1-3. P. 119–127. DOI: 10.1016/s1464-1917(98)00018-x.
  • Korth H., Zhang Y., Anderson B.J., et al. Statistical relationship between large-scale upward field-aligned currents and electron precipitation. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2014. Vol. 119, no. 8. P. 6715–6731. DOI: 10.1002/2014ja019961.
  • Longden N., Chisham G., Freeman M.P., et al. Estimating the location of the open-closed magnetic field line boundary from auroral images. Ann. Geophys. 2010. Vol. 28, no. 9. P. 1659–1678. DOI: 10.5194/angeo-28-1659-2010.
  • Lu G., Reiff P.H., Hairston M.R., et al. Distribution of convection potential around the polar cap boundary as a function of the interplanetary magnetic field. J. Geophys. Res.: Space Phys. 1989. Vol. 94, no. A10. P. 13447–13461. DOI: 10.1029/JA094iA10p13447.
  • Lunyushkin S.B., Mishin V.V., Karavaev Y.A., et al. Studying the dynamics of electric currents and polar caps in ionospheres of two hemispheres during the August 17, 2001 geomagnetic storm. Солнечно-земная физика. 2019. Vol. 5, no. 2. P. 17–29. DOI: 10.12737/szf-52201903.
  • Maynard N.C. Electric field measurements across the Harang discontinuity. J. Geophys. Res. 1974. Vol. 79, iss. 31. P. 4620–4631. DOI: 10.1029/JA079i031p04620.
  • Milan S.E., Lester M., Cowley S.W.H., et al. Variations in the polar cap area during two substorm cycles. Ann. Geophys. 2003. Vol. 21, no. 5. P. 1121–1140. DOI: 10.5194/angeo-21-1121-2003.
  • Milan S.E., Provan G., Hubert B. Magnetic flux transport in the Dungey cycle: A survey of dayside and nightside reconnection rates. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2007. Vol. 112, no. A1. P. A01209. DOI: 10.1029/2006ja011642.
  • Milan S.E., Hutchinson J., Boakes P.D., Hubert B. Influences on the radius of the auroral oval. Ann. Geophys. 2009. Vol. 27, no. 7. P. 2913–2924. DOI: 10.5194/angeo-27-2913-2009.
  • Mishin V.M. The magnetogram inversion technique and some applications. Space Sci. Rev. 1990. Vol. 53, no. 1-2. P. 83–163. DOI: 10.1007/bf00217429.
  • Mishin V.M., Lunyushkin S.B., Shirapov D.S., Baumjohann W. A new method for generating instantaneous ionospheric conductivity models using ground-based magnetic data. Planetary Space Sci. 1986. Vol. 34, no. 8. P. 713–722. DOI: 10.1016/0032-0633(86)90125-x.
  • Mishin V.M., Bazarzhapov A.D., Saifudinova T.I., et al. Different methods to determine the polar cap area. J. Geomag-netism and Geoelectricity. 1992, vol. 44, no. 12, pp. 1207–1214. DOI: 10.5636/jgg.44.1207.
  • Mishin V.M., Mishin V.V., Lunyushkin S.B., et al. 27 August 2001 substorm: Preonset phenomena, two main onsets, field-aligned current systems, and plasma flow channels in the ionosphere and in the magnetosphere. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2017. Vol. 122, no. 5. P. 4988–5007. DOI: 10.1002/ 2017ja023915.
  • Newell P.T., Gjerloev J.W. Evaluation of SuperMAG auroral electrojet indices as indicators of substorms and auroral power. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2011. Vol. 116, no. A12. P. A12211. DOI: 10.1029/2011ja016779.
  • Newell P.T., Gjerloev J.W. Local geomagnetic indices and the prediction of auroral power. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2014. Vol. 119, no. 12. P. 9790–9803. DOI: 10.1002/2014 ja020524.
  • Newell P.T., Liou K., Zhang Y., et al. OVATION Prime-2013: Extension of auroral precipitation model to higher disturbance levels. Space Weather. 2014. Vol. 12, no. 6. P. 368–379. DOI: 10.1002/2014sw001056.
  • Rigler E.J., Fiori R.A.D., Pulkkinen A.A., et al. Interpolat-ing Geomagnetic Observations. Geomagnetically Induced Currents from the Sun to the Power Grid. Ed. by J.L. Gannon et al., Washington, D.C., USA, AGU-Wiley, 2019. P. 15–41. DOI: 10.1002/9781119434412.ch2.
  • Ruohoniemi J.M., Baker K.B. Large-scale imaging of high-latitude convection with Super Dual Auroral Radar Network HF radar observations. J. Geophys. Res.: Space Phys. 1998. Vol. 103, no. A9. P. 20797–20811. DOI: 10.1029/98ja01288.
  • Russell C.T., McPherron R.L. The magnetotail and substorms. Space Sci. Rev. 1973. Vol. 15, no. 2-3. P. 205–266. DOI: 10.1007/bf00169321.
  • Shukhtina M.A., Gordeev E.I., Sergeev V.A., et al. Magnetotail magnetic flux monitoring based on simultaneous solar wind and magnetotail observations. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2016. Vol. 121, no. 9. P. 8821–8839. DOI: 10.1002/ 2016ja022911.
  • Untiedt J., Baumjohann W. Studies of polar current systems using the IMS Scandinavian magnetometer array. Space Sci. Rev. 1993. Vol. 63, no. 3-4. P. 245–390. DOI: 10.1007/ bf00750770.
  • Vorobjev V.G., Yagodkina O.I., Katkalov Y.V. Auroral precipitation model and its applications to ionospheric and magnetospheric studies. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2013. Vol. 102. P. 157–171. DOI: 10.1016/j.jastp.2013.05.007.
  • Xiong C., Stolle C., Alken P., Rauberg J. Relationship between large-scale ionospheric field-aligned currents and electron/ion precipitations: DMSP observations. Earth, Planets and Space. 2020. Vol. 72, no. 1. P. 147. DOI: 10.1186/s40623-020-01286-z.
  • URL: https://supermag.jhuapl.edu (дата обращения 19 ноября 2020 г.).
  • URL: https://sourceforge.net/projects/ovation-prime/? source=typ_redirect (дата обращения 19 ноября 2020 г.).
  • URL: http://apm.pgia.ru/webtool/frontend (дата обраще-ния 19 ноября 2020 г.).
  • URL: http://vt.superdarn.org/tiki-index.php?page=Radar +Overview (дата обращения 19 ноября 2020 г.).
  • URL: https://omniweb.gsfc.nasa.gov/form/omni_min.html (дата обращения 19 ноября 2020 г.).
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp