О возможных возмущениях крупномасштабных электрических полей в ионосфере средних и низких широт во время магнитной супербури 31 марта 2001 г., последовавшей за интенсивной вспышкой на Солнце

На очень сильные магнитосферные бури, следующие за большими солнечными вспышками, ионосфера Земли может реагировать самым удивительным образом, обнаруживая экстраординарное поведение с характерными особенностями, уникальными для каждой такой бури [1]. В этой работе мы используем измерения, проведенные на спутниках серии DMSP, и наблюдения группы наземных станций вертикального зондирования ионосферы, для того чтобы исследовать отклик F-области ионосферы на солнечную вспышку 29 марта 2001 г., приведшую к развитию чрезвычайно интенсивной магнитной бури, оценить по ионосферным данным возможные величины крупномасштабных электрических полей в экваториальных широтах в период этого возмущения и сравнить их с полученными на основе простой аналитической модели [2].

Анализ общей геофизической ситуации

29 марта 2001 г. в интервале 09:00–12:00 UT на Солнце произошла вспышка, спутник GOES-8 зарегистрировал всплеск потока рентгеновского излучения в диапазоне 1–8 Å от 3 ⋅ 10^–6 до 1.5 ⋅ 10^–4 Вт/м² и от 2 ⋅ 10^–7 до 4.0 ⋅ 10^–5 Вт/м² в диапазоне 0.5–4.0 Å, что соответствует вспышкам класса X и М.

Развитие бури иллюстрирует рис. 1, на котором представлены за период с 29.03.2001 по 02.04.2001: ежеминутные измерения спутником GOES-10 компоненты магнитного поля H p , параллельной оси вращения спутника (верхняя панель), величины трехчасового K _p-индекса (средняя панель) и часовые значения D _st -индекса (нижняя панель). Штриховая линия

Рис . 1. Развитие магнитной супербури по данным спутника GOES-10 и величины K _p- индекса ( средняя па нель ) и часовые значения D _st- индекса ( нижняя панель ).

отмечает окончание главной фазы бури. Видно, что около 01:00 UT межпланетная ударная волна, сформировавшаяся в солнечном ветре, достигла магнитосферы Земли, что следует из данных спутника GOES-10, находившегося на геостационарной орбите (6.6 RE): в период 00:53–01:01 UT Hp-компонента магнитного поля была отрицательной с экстремальным значением – 47 нТл, т. е. спутник находился вне магнитосферы Земли, сжатой ударной волной. В течение главной фазы бури, на момент 06:09 UT, опять наблюдаются отрицательные значения Hp, т. е. спутник снова выходит за пределы магнитосферы Земли, сжатой пришедшим облаком плазмы. В интервале 00:00– 00:03 UT величина Kp-индекса составляла 7, а в последующие 6 часов – 9, т. е. разыгралась очень сильная магнитная буря, в течение которой к 09:00 UT Dst-индекс, характеризующий развитие кольцевого тока, достиг своего экстремального значения – 387 нТл. В соответствии с классификацией бурь по Dst-индексу, предложенной [3], наблюдавшаяся буря стоит в ряду экстремальных (great).

Модельные расчеты распределения электри ческого поля во внутренней плазмосфере в пе риоды сильных магнитных возмущений

В периоды магнитосферных возмущений одним из важнейших факторов, определяющих глобальное поведение ионосферы, является электрическое поле магнитосферной конвекции. Для количественного описания этого процесса нами была разработана упрощенная самосогласованная аналитическая модель нестационарного электрического поля магнитосферной конвекции во внутренней магнитосфере для периодов сильных возмущений [2].

Результаты расчета по модели величины зональной компоненты поля E _y (положительная величина соответствует направлению поля на восток) в средних широтах в зависимости от местного времени для спокойных условий (штриховая линия) и в период развития активной фазы интенсивной суббури (сплошная линия) иллюстрирует рис. 2, а , на котором эта величина

Рис . 2. Зональная компонента поля E _y в средних ( а ) и экваториальных ( б ) широтах в зависимости от местного времени для спокойных условий ( штриховая линия ) и в период развития активной фазы интенсивной суббури ( сплошная линия ).

нормирована на абсолютную величину падения потенциала через полярную шапку U 0 . Видно, что для выбранной магнитной широты 45 ° поле до 01:00 LT направлено на восток, а после этого времени – на запад. Экстремальные значения поля в период возмущения более чем в 5 раз превышают свои спокойные величины.

На экваторе (рис. 2, б ) после 20:00 LT и до 06:00 LT в возмущенный период резко увеличивается восточное поле, при этом его величина в экстремуме возрастает более чем в 7 раз по сравнению со спокойными условиями.

Сопоставительный анализ расчетов электри ческого поля с результатами косвенных оценок электрического поля по выявленным ионосфер ным эффектам магнитной бури 31 марта 2001 г .

Для того чтобы сопоставить представленные выше модельные расчеты поля с оценками, полученными на основе ионосферных данных, рассмотрим более детально поведение ионосферы в период главной фазы бури 31.03.2001. Главная фаза магнитной бури 31.03.2001 прослеживается по изменению D _st -индекса от 04:00 UT до 09:00 UT (экстремальная величина – 387 нТл). На рис. 3 приведены данные измерений концентрации плазмы вблизи географического экватора (который в этой зоне близок к геомагнитному, отклоняясь от последнего менее чем на 3 ° ) спутников DMSP-F14, -F15.

В течение последнего часа главной фазы бури, с 08:00 до 09:00 UT, спутник DMSP-F15, летевший на высоте h = 840 км, наблюдал широкий «провал» в распределении электронной концентрации вблизи магнитного экватора протяженностью около 700 км, в котором концентрация уменьшилась в 250 раз по сравнению с фоновым уровнем 5 - 10 5 см^-3. Эта структура была зарегистрирована в интервале времени 08:18–08:21 UT, а в 08:53 UT спутник DMSP-F14, пролетавший на высоте h = 850 км в соседнем долготном секторе, обнаружил узкий «провал» в электронной концентрации с размерами примерно в ~ 2° вдоль пролета спутника, минимальное значение N _e в нем составило 1.2 - 10 3 см^-3. Такие структуры могли образоваться вблизи экватора за счет восточной зональной компоненты крупномасштабного электрического поля величиной ~ 2 мВ/м, существующей в течение часа в пред-полуночном секторе в области магнитного экватора.

Рис . 3. « Провалы » в электронной концентрации вбли зи геомагнитного экватора в период главной фазы разви тия магнитной супербури по данным спутников DMSP.

Наличие столь значительной зональной компоненты электрического поля восточного направления приводит к образованию «провалов» в электронной концентрации в верхней части F-области от единиц до десятков градусов по широте в области магнитного экватора, концентрация в которых на два порядка величины (и более [1]) ниже фонового уровня. В соответствии с моделью, в этом секторе LT возможно экстремальное увеличение восточной компоненты поля в 7 раз, что по сравнению со спокойными значениями 0.5 мВ/м даст 3.5 мВ/м. Однако в секторе 2000–2200 LT (см. рис. 2) модельный рост может дать только четырехкратное увеличение, т.е. 2 мВ/м. Это согласуется с приведенной нами оценкой по ионосферным данным.

Реакцию среднеширотной ионосферы на исследуемую магнитную бурю иллюстрирует рис. 4, на котором параллельно ходу индексов D st и K p по мировому времени сплошными линиями показаны изменения критических частот F2-слоя ( f 0 F2) на среднеширотных наземных станциях вертикального зондирования ионосферы в Северной и Южной Америках в западном полушарии: Eglin AFB (41.1 ° N MLAT; 341.2 ° E MLONG) и Port Stanley (40.6 ° S MLAT; 10.3 ° E MLONG). Пунктир отражает соответствующее поведение месячных медиан, а штриховые линии отмечают на осях абсцисс моменты начала и конца развития главной фазы бури по D _st-индексу. Затемненные области соответствуют резкому понижению критических частот f 0 F2 по сравнению с медианами во время главной фазы бури.

Станции Eglin AFB и Port Stanley расположены почти симметрично относительно геомагнитного экватора и с 06:00–09:00 UT попадают в послеполуноч-ный сектор от 00:00–05:00 LT. Именно в этот период развития главной фазы бури, согласно спутниковым данным, наблюдаются значительные электрические поля в низкоширотной ионосфере и имеет место расширение системы магнитосферной конвекции.

Рис . 4. Изменения критических частот F2- слоя ( f _oF2) на среднеширотных наземных станциях вертикального зондирования ионосферы в Северной и Южной Америках в западном полушарии : Eglin AFB и Port Stanley в ходе развития магнитной супербури .

В течение этого времени электронная концентрация в максимуме F2-области ионосферы ( N _mF2) падает в среднем ниже своих медианных значений: в ~ 4 раза над станцией Port Stanley и в ~ 2.5 раза над станцией Eglin AFB. Такое значительное и быстрое синхронное падение может быть обусловлено тем, что по мере расширения системы магнитосферной конвекции к экватору синхронно сдвигается к экватору и субавроральная кольцевая зона повышенной концентрации молекулярного азота и станции Eglin AFB и Port Stanley оказываются под областями повышенной рекомбинации в F2-слое.

Заключение

I На основе анализа экспериментальных ионосферных данных, полученных во время очень сильной магнитной бури, которая произошла 31.03.2001 г. в период весеннего равноденствия и высокой солнечной активности, можно сделать следующие выводы:

• 1.    Наиболее благоприятные условия для проникновения крупномасштабного поля магнитосферной конвекции в низкие и экваториальные широты складывались от 06:00–09:00 UT на последней стадии развития главной фазы бури.

• 2.    Усиление восточной компоненты поля на низких и экваториальных широтах до ~ 2 мВ/м в ночные часы в течение часа (с 08:00–09:00 UT) привело к образованию «провалов» в электронной концентрации в верхней части F2-области ионосферы около магнитного экватора, в которых электронная концентрация упала более чем на два порядка величины по сравнению с фоном.

• 3.    На средних широтах произошло почти синхронное понижение N _mF2 в Северном и Южном полушариях в среднем в 3 раза с 06:00 до 09:00 UT, обусловленное сдвигом субавроральной кольцевой зоны повышенной концентрации молекулярного азота к экватору вследствие расширения системы магнитосферной конвекции к экватору.