Сценарий формирования вихреобразных структур в предсуббуревой дуге с учетом изменения высоты дуги в процессе ее эволюции

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Активность в предсуббуревой авроральной дуге в форме вихреобразных структур, появлению/пропаданию которых предшествовало усиление/ослабление яркости дуги, исследована в контексте магнитосферной суббури, крупномасштабной ионосферной конвекции, ситуации в межпланетной среде и триангуляционных измерений высоты свечения. Структуры наблюдаются в предполуночные часы и представляют собой суперпозицию двух авроральных форм — крупномасштабного изгиба дуги, очерчивающей полюсную границу области диффузного свечения, и вытянутых вдоль конвекции небольших светящихся языков (мини-факелов) на западном склоне изгибов. Структуры как целое двигаются против конвекции, навстречу суббуревой активности, к востоку от области наблюдений. Мы связываем появление структур с распространением вглубь магнитосферы возмущения, сгенерированного в результате взаимодействия магнитопаузы с неоднородностью солнечного ветра, на фронте которой Bz-компонента ММП поворачивается на юг. Результаты триангуляционных измерений показывают, что усиление яркости в предсуббуревой дуге незадолго до появления вихреобразных структур сопровождается уменьшением высоты нижнего края дуги, которое мы объясняем появлением над дугой продольного электрического поля, ускоряющего высыпающиеся электроны. Роль продольного электрического поля в формировании форм в виде языков свечения (факелов) обсуждается в рамках желобковой/перестановочной неустойчивости.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. В. Сафаргалеев

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН); Полярный геофизический институт (ПГИ)

Автор, ответственный за переписку.
Email: Vladimir.safargaleev@pgia.ru

Санкт-Петербургский филиал

Россия, Санкт-Петербург; Апатиты (Мурманская обл.)

Т. И. Сергиенко

Шведский институт космической физики

Email: Vladimir.safargaleev@pgia.ru
Швеция, Кируна

А. Л. Котиков

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН); Геофизический центр РАН (ГЦ РАН)

Email: Vladimir.safargaleev@pgia.ru

Санкт-Петербургский филиал

Россия, Санкт-Петербург; Москва

А. В. Сафаргалеев

ООО “ЛСР. Управляющая компания”

Email: Vladimir.safargaleev@pgia.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Волков М.А., Мальцев Ю.П. Желобковая неустойчивость внутренней границы плазменного слоя // Геомагнетизм и аэрономия. T. 26. C. 793—801. 1986.
  2. Галеев А.А., Сагдеев Р.З. Токовые неустойчивости и аномальное сопротивление плазмы // Основы физики плазмы. В двух томах. Дополнение к второму тому. Ред. А.А. Галеев и Р. Судан. М.: Энергоатомиздат, С. 5—37, 1984.
  3. Клейменова Н.Г., Антонова Е.Е., Козырева О.В., Малышева Л.М., Корнилова Т.А., Корнилов И.А. Волновая структура магнитных суббурь в полярных широтах // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 52. № 6. С. 785—793. 2012. doi: 10.1134/S0016793212060059
  4. Мазур Н.Г., Федоров Е.Н., Пилипенко В.А. Трансформация БМЗ волн в альфвеновские в гиротропной продольно-неоднородной плазме // Физика плазмы. Т. 33. № 6. С. 526—533. 2007.
  5. Сафаргалеев В.В., Митрофанов В.Н., Козловский А.Е. Комплексный анализ полярной суббури по данным магнитных, оптических и радарных наблюдений в окрестности Шпицбергена // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 58. № 6. С. 828—844. 2018. doi: 10.1134/S0016793218040151
  6. Akasofu S.-I., Kimball D.S. The dynamics of the aurora—I: Instabilities of the aurora // J. Atm. Terr .Phys. V. 26. № 2. P. 0—211. 1964. https://doi.org/10.1016/0021-9169(64)90147-3
  7. Atkinson G. Decoupling of convection in the magnetosphere from the ionosphere by parallel electric fields // AGU Fall Meeting 2001, abstract No SM51A-0784, AGU. 2001.
  8. Davis T.N., Hallinan, T.J. Auroral Spirals 1. Observations // J. Geophys. Res. V. 81. № 22. P. 3953—3958. 1976. https://doi.org/10.1029/JA081i022p03953
  9. Golovchanskaya I., Kornilov I., Kornilova T. East-west type precursor activity prior to the auroral onset: Ground-based and THEMIS observations // J. Geophys. Res. V. 120. № 2. P. 1109—1123. 2015. https://doi.org/10.1002/2014JA020081
  10. Gussenhoven M.S., Hardy D.A., Heinemann N. Systematics of the equatorward diffuse auroral boundary // J. Geophys. Res. V. 88. № 7. P. 5692—5708. 1983. https://doi.org/10.1029/JA088iA07p05692
  11. Gustavsson B. Tomographic inversion for ALIS noise and resolution // J. Geophys. Res. V. 103. № 11. P. 26621—26632. 1998. https://doi.org/10.1029/98JA00678
  12. Haerendel G. and Frey H. The onset of a substorm and the mating instability // J. Geophys. Res. V. 126. e2021JA029492.2021. https://doi.org/10.1029/2021JA029492
  13. Hallinan T.J., Davis T.N. Small-scale auroral arc distortions // Planet. Space Sci. V. 18. № 12. P. 1735—1744. 1970. https://doi.org/10.1016/0032-0633(70)90007-3
  14. Johnstone A.D. Pulsating aurora // Nature. V. 274. № 5667. P. 119—126. 1978. doi: 10.1038/274119a0
  15. Kalmoni N.M.E., Rae I.J., Murphy K.R., C. Forsyth C., Watt C.E.J., Owen C.J. Statistical azimuthal structuring of the substorm onset arc: Implications for the onset mechanism // Geophys. Res. Lett. V. 44. № 5. P. 2078—2087. 2017. https://doi.org/10.1002/2016GL071826
  16. Keiling A., Angelopoulos V., Weygand J.M., et al. THEMIS ground-space observations during the development of auroral spirals // Ann. Geophys. V. 27. № 11. P. 4317—4332. 2009. doi: 10.5194/angeo-27-4317-2009
  17. Keiling A., Shiokawa K., Uritsky V., et al. Auroral signatures of the dynamic plasma sheet. In: Keiling A. et al. (eds): Auroral Phenomenology and Magnetospheric Processes: Earth and Other Planets. Geophys. Monograph. Series. V. 197. P. 317—336. American Geophysical Union, Washington, D.C. 2012. https://doi.org/10.1029/2012GM001231
  18. Kozlovsky A., Aikio A., Turunen T., Nilsson H., Sergienko T., Safargaleev V., Kauristie K. Dynamics and electric currents of morningside Sun-aligned auroral arcs // J. Geophys. Res. V. 112. № 6. A063061of12. 2007. https://doi.org/10.1029/2006JA012244
  19. Li B., Marklund G., Karlsson T., et al. Inverted-V and low-energy broadband electron acceleration features of multiple auroras within a large-scale surge // J. Geophys. Res. V. 118. № 9. P. 5543—5552. 2013. https://doi.org/10.1002/jgra.50517
  20. Lyons L.R., Nishimura Y., Liu J., Bristow W.A., Zou Y., Donovan E.F. Verification of substormonset from intruding flow channels with high-resolution SuperDARN radar flow maps // J. Geophys. Res. V. 127. e2022JA030723. 2022. https://doi.org/10.1029/2022JA030723
  21. Maltsev Yu.P., Leontyev S.V., Lyatsky W.B. Pi-2 pulsations as a result of evolution of an Alfven impulse originating in the ionosphere during a brightening of aurora // Planet. Space Sci. V. 22. P. 1519—1533. 1974. doi: 10.1016/0032-0633(74)90017-8
  22. Motoba T., Ohtani S., Anderson B.J., Korth H., Mitchell D., Lanzerotti L.J., Shiokawa K., Connors M., Kletzing C.A., Reeves G.D. On the formation and origin of substorm growth phase/onset auroral arcs inferred from conjugate space-ground observations // J. Geophys. Res. V. 120. № 10. P. 8707—8722. 2015. https://doi.org/10.1002/2015JA021676
  23. Oguti T. Rotational deformations and related drift motions of auroral arcs. J. Geophys. Res. V. 79. № 25. P. 3861—3865. 1974. https://doi.org/10.1029/JA079i025p03861
  24. Panov E.V., Baumjohann W., Nakamura R., Pritchett P.L., Weygand J.M., Kubyshkina M.V. Ionospheric footprints of detached magnetotail interchange heads // Geophys. Res. Lett. V. 46. № 13. P. 7237—7247. 2019. https://doi.org/10.1029/2019GL083070
  25. Partamies N., Kauristie K., Pulkkinen T.I., Brittnacher M. Statistical study of auroral spirals // J. Geophys. Res. V. 106. № 8. P. 15415—15428. 2001. https://doi.org/10.1029/2000JA900172
  26. Pudovkin M.I., Steen A., Brändström U. Vorticity in the magnetospheric plasma and its signatures in aurora dynamics // Space Sci. Rev. V. 80. P. 411—444. 1997. https://doi.org/10.1023/A:1004916808514
  27. Rae I. J., Mann I.R., Murphy K.R. et al. Timing and localization of ionospheric signatures associated with substorm expansion phase onset // J. Geophys. Res. V. 114. № 1 A00C09. 2009. https://doi.org/10.1029/2008JA013559
  28. Safargaleev V., Sergienko T., Nilsson H., Kozlovsky A., Massetti S., Osipenko S., Kotikov A. Combined optical, EISCAT and magnetic observations of the omega bands/Ps6 pulsations and an auroral torch in the late morning hours: a case study // Ann. Geophys. V. 23. № 5. P. 1821—1838. 2005. doi: 10.5194/angeo-23-1821-2005
  29. Safargaleev V., Kozlovsky A., Honary F., Voronin A. Geomagnetic disturbances on ground associated with particle precipitation during SC // Ann. Geophys. V. 28. № 1. P. 247—265. 2010. https://doi.org/10.5194/angeo-28-247-2010
  30. Safargaleev V.V., Kozlovsky A.E., Mitrofanov V.M. Polar substorm on 7 December 2015: preonset phenomena and features of auroral breakup // Ann. Geophys. V. 38. № 4. P. 901—918. 2020. https://doi.org/10.5194/angeo-38-901-2020
  31. Safargaleev V., Sergienko T., Hosokawa K. Oyam S-I., Ogawa Y., Miyoshi Y., Kurita S., Fujii R. Altitude of pulsating arcs as inferred from tomographic measurements // Earth Planets Space. V. 74. № 1. Article id.31. 2022. https://doi.org/10.1186/s40623-022-01592-8
  32. Samson J.C., Cogger L.L., Pao Q. Observations of field line resonances, auroral arcs, and auroral vortex structures // J. Geophys. Res. V. 101. № 8. P. 17373—17383. 1996. https://doi.org/10.1029/96JA01086
  33. Sato N., Wright D.M., Carlson C.W., Ebihara Y., Sato M., Saemundsson T., Milan S., Lester M. Generation region of pulsating aurora obtained simultaneously by the FAST satellite and a Syowa-Iceland conjugate pair of observatories // J. Geophys. Res. V. 109. № 10. A10201. 2004. https://doi.org/10.1029/2004JA010419
  34. Shiokawa K., Nosé M., Imajo S., et al. Arase observation of the source region of auroral arcs and diffuse auroras in the inner magnetosphere // J. Geophys. Res. V. 125. № 8. Article id. e27310. 2020. https://doi.org/10.1029/2019JA027310
  35. Solovyev S.I., Baishev D.G., Barkova E.S., Molochushkin N.E., Yumoto K. Pi2 magnetic pulsations as response on spatio-temporal oscillations of auroral arc current system // Geophys. Res. Letters. V. 27. № 13. P. 1839—1842. 2000. https://doi.org/10.1029/2000GL000037
  36. Swift D. The possible relationship between the auroral breakup and the interchange instability of the ring current // Planet. Space Sci. V. 15. № 8. P. 1225—1226. 1967. doi: 10.1016/0032-0633(67)90179-1
  37. Trondsen T., Cogger L. A survey of small-scale spatially periodic distortions of auroral forms // J. Geophys. Res. V. 103. № 5. P. 9405—9415. 1998. https://doi.org/10.1029/98JA00619
  38. Voronkov I., Rankin R., Frycz P., Tikhonchuk V.T., Samson J.C. Coupling of shear flow and pressure gradient instabilities // J. Geophys. Res. V. 102. № 5. P. 9639—9650. 1997. https://doi.org/10.1029/97JA00386
  39. Webster H.F., Hallinan T.J. Instabilities in charge sheets and current sheets and their possible occurrence in the aurora // Radio Sci. V. 8. № 5. P. 475—482. 1975. https://doi.org/10.1029/RS008i005p00475
  40. Yamamoto T., Inoe S., Meng C.-I. Formation of auroral omega bands in the paired region 1 and region 2 field-aligned current system // J. Geophys. Res. V. 102. № 2. P. 2531—2544. 1997. https://doi.org/10.1029/96JA02456
  41. Yamamoto T. Numerical simulation for a vortex street near the poleward boundary of the nighttime auroral oval // J. Geophys. Res. V. 117. № 2. A02209. 2012. https://doi.org/10.1029/2011JA017011

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Интервал наблюдения волн светимости в предсуббуревой дуге (выделен серым цветом) в контексте суббуревой активности: (а) — магнитные возмущения в области, включающей область оптических наблюдений. Длинными стрелками белого, черного и серого цвета отмечены начала суббурь в AMD, SOR и BJN соответственно. Моменты уярчения предсуббуревой дуги и появления на ней вихреобразных структур обозначены Т0 и Т1 соответственно; (б) — кеограмма и серия кадров, демонстрирующие эволюцию сияний над KRN. Дрейфующая к экватору предсуббуревая дуга показана короткой белой стрелкой. Короткая черная стрелка указывает на изгиб границы диффузной дуги, по которому происходил подбор высоты.

Скачать (398KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Локализация пульсации Pc5 вдоль меридиана (а). Исследуемый интервал выделен серым цветом; оригинальный кадр (верхняя панель) и его проекция на высоту 105 км (нижняя панель) в момент времени, отмеченный на магнитограмме PEL черной стрелкой (б). Положение камеры KRN и магнитных станций показано кругом и квадратами соответственно. Сегментом дуги отмечено примерное положение экваториальной границы области, занятой диффузными сияниями.

Скачать (371KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Особенности авроральных вихрей: (а) — прохождение вихрей через поле зрения камеры с запада на восток, вертикальными стрелками с одинаковыми номерами показано положение соответствующей структуры до и после ее прохождения через зенит KRN; (б) — тонкая структура авроральных вихрей на высоте 105 км, белой горизонтальной стрелкой показано направление движения вихрей, черной стрелкой показано направление конвекции.

Скачать (481KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Направление ионосферной конвекций по данным SuperDARN в области оптических наблюдений (показана кругом) перед рассматриваемым событием (а); модельные расчеты конвекции до, во время и после рассматриваемого события (б). Отрезками обозначены величина и направление скорости плазмы.

Скачать (203KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Положение спутников THC и GEOTAIL (а). Отрезком прямой со стрелкой показаны ориентация и направление движения фронта неоднородности солнечного ветра; вариации Bz-компоненты ММП на двух спутниках (б).

Скачать (189KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Вариации потока и энергии электронов, а также магнитного поля на спутнике GEOTAIL, вызванные прохождением через спутник волнового возмущения, сгенерированного фронтом неоднородности солнечного ветра с периодической вариацией Bz-компоненты ММП (верхняя панель).

Скачать (185KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Высота предсуббуревой дуги в процессе ее эволюции: (а) — иллюстрация этапов подбора высоты свечения за счет наилучшего совмещения отчетливой полюсной кромки дуги с областью сгущения изолиний; (б) — результат подбора высоты изгиба на размытой полюсной кромке дуги (показан черной стрелкой здесь и на рис. 1в) незадолго до усиления свечения и появления авроральных вихрей. Сияния над KRN представлены в псевдоцвете, распределение интенсивности свечения на кадре TJA передается изолиниями.

Скачать (574KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Ослабление светимости в предсуббуревой дуге по данным камеры KRN (а); результаты триангуляционных измерений высоты предсуббуревой дуги до и после ослабления светимости (б).

Скачать (563KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024