Суббури, связанные с различными потоками в солнечном ветре

Потоки солнечного ветра (СВ) в зависимости от типа солнечной активности имеют различную природу. Обычно наблюдаются как рекуррентные потоки из корональных магнитных дыр, так и спорадические потоки, связанные с корональными выбросами массы (КВМ) [1] . В зависимости от фазы цикла солнечной активности преобладают потоки определенной природы [2, 3]. В минимуме солнечного цикла – это рекуррентные потоки, в максимуме цикла – потоки, связанные с КВМ, которые вблизи Земли наблюдаются обычно как магнитные облака (MC) [4]. Вклад потоков СВ в геомагнитную активность довольно высок, он составляет примерно 80 % (по измерениям аа-индекса) и также зависит от фазы цикла солнечной активности. Во время солнечного минимума вклад высокоскоростных рекуррентных потоков составляет ~70 %, во время максимума ~30 %. Вклад потоков, связанных с КВМ, ~ 50 % во время максимума и <10 % после максимума активности [5].

Важной частью геомагнитной активности являются магнитосферные суббури. Известно, что вариации параметров СВ во многом определяют развитие суббуревых возмущений. Некоторые авторы предполагали, что экспансия суббури на высокие широты контролируется скоростью СВ и южной компонентой межпланетного магнитного поля (ММП) [6–9]. В то же время было показано, что «высокоширотные» суббури появляются более часто во время минимума солнечной активности [7, 10] и коррелируют с рекуррентными потоками СВ [11]. Следовательно, развитие суббуревых возмущений зависит не только от величины скорости солнечного ветра и южной компоненты ММП, но и от структуры потоков солнечного ветра.

В данной работе мы исследовали, как различные потоки СВ влияют на экспансию суббури (а именно на развитие авроральной выпуклости и суббуревого западного электроджета). Для этой цели данные по оптическим наблюдениям развития суббури со спутника «Polar» и данные наземных наблюдений цепочки геомагнитных станций IMAGE были сопоставлены с данными по межпланетным параметрам со спутника WIND.

Данные

Развитие авроральной выпуклости изучалось на основе данных прибора UVI спутника «Polar» LLBL эмиссии (λ 1600–1800 Å). Размер авроральной выпуклости определялся по определенному уровню свечения, который на 3–5 см–2·с–1 превышал уровень свечения овала. Обычно это соответствовало уровню потока 10–25 см–2·с–1. По выбранному уровню светимости определялись начальная и максимальная широты, а также широтный и долготный размеры выпуклости. Начальная широта определялась по нижней границе пятна свечения в момент начала суббури, максимальная – как максимальная широта полярной границы выпуклости в момент ее максимального развития. Развитие суббуревого западного электроджета контролировалось с помощью меридионального профиля электроджета, построенного с использованием данных сети магнитометров IMAGE . Положение полярного края суббуревого западного электроджета по профилю определялось как положение изолинии западного тока, которая превышает на 20 % уровень интенсивности западного тока перед суббурей, а центр западного электроджета – как положение западного тока максимальной интенсивности.

Рис . 1. Пример развития авроральной выпуклости во время прохождения рекуррентного потока (а) и во время магнитного облака ( б ) .

Поступление энергии и магнитного потока в магнитосферу определяется параметрами СВ. В качестве параметров СВ, влияющих на развитие суббури, были выбраны скорость СВ V _x и величина южной компоненты B _s ММП, усредненные за два часа до максимальной стадии суббури. Этот интервал усреднения был выбран, потому что параметры СВ контролируют поступление энергии (потока) в магнитосферу как во время предварительной, так и во время взрывной фазы суббури. Использовались данные приборов SWE и MFI спутника WIND с одноминутным разрешением.

Рекуррентные потоки характеризуются длительностью в несколько дней, повышенной скоростью СВ ( V _x > 500 км/с), относительно низкой плотностью [1]. Мы рассмотрели рекуррентные потоки, которые наблюдались в декабре 1996 г. Во время прохождения рекуррентных потоков были отобраны суббури, когда были доступны данные со спутника «Polar» (31 случай).

КВМ связаны с магнитными облаками в СВ [4, 12]. MC характеризуются повышенной напряженностью магнитного поля, относительно низкой плотностью плазмы, высоким отношением магнитного давления к ионному тепловому давлению, а также вращением вектора магнитного поля параллельно плоскости, которая сильно наклонена к плоскости эклиптики [4]. Перед магнитным облаком, на его фронте наблюдается область взаимодействия облака с невозмущенным СВ (Sheath). Список МС за 2000 г. был взят с сай-та://lepmfi.gsfc.nasa.gov/mfi/mag_cloud_pub1.html. Были рассмотрены все доступные данные спутника «Polar» во время МС за 2000 г. (12 случаев).

Результаты

На рис. 1 представлены примеры развития авроральной выпуклости во время различных потоков СВ. На рис. 1, а показан пример формирования суббуревой авроральной выпуклости во время прохождения рекуррентного потока СВ. Это случай является примером высокоширотной суббури 11 декабря 1996 г. Полярная кромка выпуклости наблюдалась на 77.3° CGLAT, широтный размер выпуклости ~ 16°, ее долготный размер ~ 80°, соотношение между долготным и широтным размером выпуклости в момент максимального развития суббури составляет Ld / LF = 4.9.

На рис. 1, б показан пример развития авроральной выпуклости во время прохождения МС 15 июля 2000 г. Это пример развития суббури при экстремально высоких значениях параметров СВ ( V _x ~ 900 км/с, усредненная за 2 ч B _z ММП ~ –31 нТл), причем развитие выпуклости происходит на главной фазе бури ( D st ~ –198). Видно, что авроральная выпуклость формируется на очень низких геомагнитных широтах. Начальная широта ~ 50.33 ° CGLAT, максимальная широта полярной кромки выпуклости 68.67 ° CGLAT, широтный размер ~ 18 ° , долготный размер 289 ° . Соотношение между долготным и широтным размерами равно L d / L F = 15.2. Это отношение в 3 раза больше, чем для типичного примера развития суббури во время рекуррентного потока (рис. 1, а ).

Примеры развития суббуревого западного элек-троджета для разных потоков СВ представлены на рис. 2. На рис. 2, а показан меридиональный профиль западного электроджета, построенный по данным системы MIRACLE, для суббури во время рекуррентного потока 15 декабря 1996 г. Полярная кромка западного электроджета в момент максимального развития суббури достигает 75.5 ° CGLAT, при этом центр электроджета (область максимального тока) наблюдался на 73.8 ° CGLAT.

На рис. 2, б показан пример меридионального профиля западного электроджета во время MC 7 ноября 2000 г. Видно, что развитие электроджета происходит на низких широтах. Полярная кромка электроджета в момент максимального развития суббури наблюдается на ~ 66 ° CGLAT, а центр западного электро-джета - на 64.3 ° CGLAT. Эти типичные примеры показывают, что во время прохождения МС развитие суббуревого электроджета происходит на более низких широтах, чем во время рекуррентного потока.

Зависимости начальной и максимальной широт авроральной выпуклости от параметров СВ показаны на рис. 3. Слева представлены зависимости от B _S ММП, справа – от V x . На верхней панели рис. 3, а показаны зависимости для рекуррентных потоков, на нижней панели 3, б – для МС. Как видно из рисунка,

Рис . 2. Пример развития суббуревого западного электроджета во время высокоскоростного потока (а) и во время магнитного облака (б).

во время рекуррентных потоков авроральная выпуклость формируется на более высоких широтах, чем во время МС. Во время рекуррентных потоков максимальная широта выпуклости возрастает с увеличением B _S и V _x , в то время как начальная широта выпуклости уменьшается. Напротив, во время МС максимальная широта выпуклости не возрастает, а даже уменьшается с ростом этих межпланетных параметров. Начальная широта также уменьшается.

Сравним широтный и долготный размеры авроральной выпуклости для суббурь, наблюдавшихся при разных потоках СВ. На рис. 4 показаны размеры авроральной выпуклости для каждой наблюдавшейся суббури. На рис. 4, а представлены размеры выпуклости для рекуррентных потоков, на рис. 4, б – размеры выпуклости для суббурь во время МС. Сплошной вертикальной линией показано среднее значение, прерывистой вертикальной линией – медианное значение. Кроме того, мы рассчитали

|V | km/s

Рис . 3. Зависимости начальной и максимальной широт авроральной выпуклости от южной компоненты B s ММП и скорости V _x солнечного ветра во время рекуррентных потоков (а) и во время магнитных облаков (б).

отношение долготного размера выпуклости широтному: для рекуррентных потоков это отношение представлено на рис. 4, в , для МС – на рис. 4, е . Видно, что во время рекуррентных потоков СВ широтный размер выпуклости в среднем больше, чем во время МС. Это соотношение меняется на противоположное для долготного размера – среднее значение выше для МС . Зависимости становятся более явными при рассмотрении отношения долготного размера выпуклости к широтному: для МС оно более стабильно и существенно больше, чем для рекуррентных потоков.

Обсуждение

На основе сравнения авроральных наблюдений спутника «Polar» и спутника «Geotail» в магнитном хвосте, авторы [13, 14] сделали вывод о том, что полярная кромка авроральной выпуклости проектируется в окрестность околоземной нейтральной линии. Это говорит о том, что пересоединенный магнитный поток в магнитном хвосте равен потоку через авроральную выпуклость, т. е. пропорционален площади выпуклости. [15] продемонстрировали, что поток через выпуклость (пересоединенный поток) равен потоку, накопленному в хвосте перед началом взрывной фазы суббури. В то же время накопленный поток пропорционален электрическому полю пересоединения в СВ. В работе [16] показано, что при одинаковых значениях электрического поля пересоединения и B _S , площадь авроральной выпуклости примерно одинакова для периода солнечного минимума и максимума. Кроме того, как показано в данной работе, суббури во время прохождения МС начинаются на более низких широтах, чем при рекуррентных потоках (рис. 3, см. также [16, 17]). Этот факт вместе с равенством площади выпуклости при одинаковых значениях B _S и V объясняет отсутствие «высокоширотных суббурь» во время прохождения МС по сравнению с рекуррентными потоками. Однако для МС характерны обычно экстремально большие значения B _S , которые нетипичны для рекуррентных потоков , им должны соответствовать

д

Рис. 4. Широтный ( а и г ) и долготный ( б и д ) размеры авроральной выпуклости во время реккурентных потоков ( а и б ) и во время магнитных облаков (в и г) и отношение долготного к широтному размеру выпуклости для магнитных облаков (в) и для реккурентных потоков (е).

б

е

очень большие площади выпуклости. В этом случае априори неясно, почему выпуклость остается на низкой широте. Рисунок 4 может пролить свет на эту проблему. Видно, что суббури, связанные с МС, в среднем больше по долготе и меньше по широте, чем суббури, относящиеся к рекуррентным потокам. Кроме того, для суббурь, связанных с МС, отношение долготного размера выпуклости к широтному более стабильно и существенно больше, чем для суббурь при рекуррентных потоках (рис. 4).

Причина различной «геометрии » развития авроральной выпуклости может быть связана с различной конфигурацией хвоста магнитосферы во время потоков СВ различной природы. Потоки СВ, содержащие магнитные облака, наблюдаются в основном в периоды максимума солнечной активности, когда магнитное поле в приземной части ночной магнитосферы более вытянуто в хвост по сравнению с периодами минимума солнечной активности [18]. В то же время МС обычно ассоциируются с геомагнитными бурями [19]. Это относится и к МС, исследованным нами выше. На рис. 5 представлено распределение исследованных в этой работе событий во время различных потоков СВ в зависимости от Dst-индекса. Как следует из рис. 5, все рассмотренные нами случаи суббурь для рекуррентных потоков относятся к «небуревым» интервалам, а суббури во время МС, напротив, наблюдались во время бурь. Конфигурация магнитного хвоста во время бурь сильно отличается от «небуревой ». Во время бурь магнитосферный хвост более вытянут [20] и интенсивный и тонкий токовый слой (являющий условием магнитного пересоединения, которое, возможно, является причиной суббури) занимает более широкий, чем при «небуревых» интервалах, MLT-сектор околоземного хвоста. Как следствие, во время MC-буревых интервалов суббуря может развивается в более ши- роком долготном секторе. При этом для развития авроральной выпуклости большой площади (что соответствует большому пересоединенному потоку) не требуется распространения авроральной выпуклости на высокие широты.

«Высокоширотные суббури» могут наблюдаться также во время прохождения области взаимодействия КВМ /спокойный солнечный ветер (Sheath). Однако это не дает значительного вклада в картину наблюдения высокоширотных суббурь в период максимума солнечной активности [10], так как длительность таких интервалов мала по сравнению с длительностью магнитных облаков.

Данные спутников «Polar» и WIND получены с официальных сайтов приборов UVI, SWE, MFI в Интернете ;

Рис . 5. Гистограммы событий по D _st для рекуррентных потоков и магнитных облаков.

.

Руководители экспериментов на этих приборах – G. Parks, K. Ogilvie, R. Lepping соответственно . Данные наземных магнитометров цепочки IMAGE взяты с официального сайта в Интернете fi/MIRACLE). Работа выполнена в рамках программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 16, часть 3: «Солнечная активность и физические процессы в системе Солнце–Земля».