“Polar” Substorms and the Harang Discontinuity

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

We analyzed 214 cases of “polar” substorms on the Scandinavian meridian IMAGE, i.e. substorms recorded by magnetometers located at geomagnetic latitudes above ~70° MLAT at 19−02 MLT under magnetically quiet time in the absence of negative magnetic bays at lower latitudes. The Harang Discontinuity, which separates the westward and eastward electrojets by latitude, is a typical structure for the indicated MLT sector of the high-latitude ionosphere. The global distribution of ionospheric electrojets and the location of the Harang discontinuity during the development of “polar” substorms were studied by the maps constructed from the results of spherical harmonic analysis of the magnetic measurements on 66 simultaneous ionospheric communications satellites of the AMPERE project. Based on these maps analysis, it is shown that the instantaneous location of the equatorial boundary of the ionospheric current of a “polar” substorm determines the instantaneous location of the polar boundary of the Harang Discontinuity, and the polar boundary of the eastward electrojet determines its equatorial boundary. It has been established that the appearance of 90% of the “polar” substorms is observed simultaneously with increasing of the planetary substorm activity according to the AL-index and the development of a magnetospheric substorm in the post-midnight sector. At the same time, the development of the evening “polar” substorms is associated with the formation of near-midnight magnetic vortices at geomagnetic latitudes of ~70° MLAT (near the “nose” of the Harang discontinuity), indicating a sharp local enhancement of the field-aligned currents. This leads to the formation of a new substorm in the evening sector of near-polar latitudes, called a “polar” substorm with typical features of the onset of a substorm (Pi2 geomagnetic pulsation bursts, an abrupt onset of the substorm close to the equatorial boundary of the constructed oval (the development of a “substorm current wedge” – etc.)

Full Text

  1. ВВЕДЕНИЕ

Под термином “суббуря”, введенным С.-И. Акасофу [Akasofu, 1964], понимается комплекс глобальных взаимосвязанных явлений, наблюдаемых в магнитосфере, ионосфере и на земной поверхности, возникающих при взрывообразном высвобождении энергии, накопленной в хвосте магнитосферы за счет её обтекания возмущенным солнечного ветром. Одним из основных проявлений магнитосферной суббури являются отрицательные магнитные бухты в авроральных и приполярных широтах длительностью 1−3 ч, например, [Rostoker et al., 1980]. Развитие суббури вызывается интенсификацией крупномасштабной конвекции, продольных токов и высыпаний авроральных частиц, например, [Baker et al., 1996].

Несмотря на то, что суббури достаточно интенсивно исследуются как экспериментально, так и теоретически, до сих пор нет понимания, где и как возникают и начинаются суббури и каков механизм их возбуждения. Нет даже четкой общепринятой формулировки морфологических характеристик суббури, нередко возникают дискуссии, какую отрицательную магнитную бухту можно называть суббурей, а какую нет. В литературе имеется несколько противоречивых моделей генерации суббури, причем каждая предложенная модель подтверждается соответствующими наблюдательными фактами. Это свидетельствует как о сложности этого явления, так и о том, что в различных геофизических условиях имеют место разные виды магнитосферных суббурь с различной пространственно-временной динамикой.

За счет взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли в авроральной и высокоширотной ионосфере постоянно наблюдается конвекция плазмы, например, [Nishida, 1968; Heppner, 1977]. Отдельные её интенсификации были названы “конвективной бухтой” [Pytte et al., 1978], представляющей собой развитие двух-вихревой токовой системы DP2 с центрами вихрей в утреннем (западный электроджет) и вечернем (восточный электроджет) секторах, как показано на схеме на рис. 1а, взятой из работы [Baumjohann, 1983]. Имеются существенные различия между классической магнитосферной суббурей и конвективной бухтой [Pytte et al., 1978a; Baumjohann, 1983; Sergeev er al., 2001]. В отличие от конвективной бухты с пологим началом, “классическая” суббуря характеризуется резким началом (substorm onset) с брейкапом полярных сияний, сопровождающимся формированием особой 3-х мерной системой продольных токов, образующей так называемый “токовый клин суббури” (Substorm Current Wedge - SCW), например, [McPherron et al., 1973; Kepko et al., 2015], на западом краю которого отмечаются вытекающие продольные токи, а на восточном – втекающие. Токовый клин суббури – это одно-вихревая токовая система DP1 (рис. 1а). На земной поверхности развитие токового клина суббури сопровождается появлением среднеширотной положительной магнитной бухты в Х-компоненте поля.

 

Рис. 1. (а)− Схема конвективной бухты и магнитосферной суббури из работы [Baumjohann, 1983]; (б)− схема токов в разрыве Харанга из работы [Koskinen and Pulkkinen, 1995]

 

Магнитосферная суббуря – типичное ночное возмущение в области аврорального овала, который сдвигается к полюсу с уменьшением геомагнитной активности [Feldstein and Starkov, 1967]. Как правило, суббуря начинается с внезапного уярчения (брейкапа) спокойной дуги полярного сияния вблизи экваториальной границы аврорального овала. В зависимости от положения этой границы авроральный овал считается “нормальным” при её расположении на 65−66° MLAТ, “расширенным” (expanded), если она находится ниже 65° MLAT, и “сжатым” (contracted), если экваториальная граница овала выше 66−67° MLAT [Lui et al., 1973]. В соответствии с этим, суббури в зависимости от геомагнитной широты расположения их начала (onset) классифицируются как “нормальные” или “классические”, “расширенные” и суббури “на сжатом овале”, которые исследованы менее всего и явно недостаточно.

В последние годы суббури на сжатом овале наиболее детально исследовались в работах [Клейменова и др., 2012, 2023; Дэспирак и др., 2014, 2022; Сафаргалеев и др., 2018; Safargaleev et al., 2020; Kleimenova et al., 2023], где для краткости такие суббури были названы “полярными” суббурями, поскольку наблюдаются вблизи полярного края аврорального овала. Было установлено [Клейменова и др., 2012, 2023; Kleimenova et al., 2023], что “полярные” суббури обычно регистрируются на геомагнитных широтах выше ~68-70° MLAT в предполуночные часы (20–22 MLT) при слабой геомагнитной активности (Кр ~1−2), и сопровождаются интенсивными геомагнитными пульсациями диапазона Pi2 и Pi3. Заметим, что согласно [Feldstein and Starkov, 1967], геомагнитная широта ~68−70° MLAT соответствует экваториальной границе вечернего сектора аврорального овала в магнито-спокойных условиях.

При благоприятных метеоусловиях во время “полярных” суббурь регистрируются высокоширотные полярные сияния в виде вытянутых вдоль овала дуг, иногда с необычными спиральными структурами [Safargaleev et al., 2020; Дэспирак и др., 2022]. Было найдено [Дэспирак и др., 2014, 2019; Despirak et al., 2018], что “полярные” суббури обычно наблюдаются во время медленного потока солнечного ветра, часто после прохождения высокоскоростного рекуррентного потока. Общие закономерности развития “полярных” суббурь соответствуют типичным характеристикам “классических” суббурь, а именно, формирование токового клина суббури (положительные магнитные бухты в более низких широтах), скачкообразное перемещение электроджета к полюсу после начала суббури, генерация геомагнитных пульсаций Pi2. Таким образом, “полярные” суббури можно рассматривать как особый тип суббурь, наблюдаемых в слабо возмущенных условиях в вечернем секторе сжатого аврорального овала, т.е. на геомагнитных широтах выше ~68−70° MLAT.

В области пространства, типичной для развития “полярных” суббурь, находится так называемый разрыв Харанга (Harang discontinuity – HD) [Harang, 1946; Heppner, 1972; Kamide and Vickrey, 1983], представляющий собой узкую широтную полосу, вытянутую по долготе в интервале ~ 21−24 MLT, разделяющую одновременно существующие на разных широтах западный и восточный электроджеты, т.е. отрицательные (более полярные) и положительные (более экваториальные) магнитные бухты [Kissinger et al., 2013 и ссылки в этой работе]. Теоретическое объяснение формирования разрыва Харанга приведено, например, в работе [Erickson et al., 1991]. Положение разрыва Харанга и его широтный размер меняются в пространстве и во времени в зависимости от геомагнитных условий, как это показано, например, в работе [Kunkel et al., 1986].

Схема разрыва Харанга из работы [Koskinen and Pulkinen, 1995] приведена на рис. 1б для Северного полушария. В послеполуночном секторе, т.е. к востоку от разрыва Харанга, втекающие продольные токи находятся на более высокоширотной (приполярной) зоне R1, а вытекающие – на более экваториальной − R2, что соответствует формированию западного электроджета полярнее вытекающих токов. В дополуночном, вечернем секторе, т.е. к западу от разрыва Харанга, ситуация меняется на противоположную: в высокоширотной зоне R1 наблюдаются вытекающие токи, а в более низкоширотной зоне R2 – втекающие, и формируется восточный электроджет. Это значит, что разрыв Харанга характеризует резкое перемещение вытекающих продольных токов (и соответствующее высыпание мягких электронов) в сторону полярной границы аврорального овала. При этом западный электроджет резко сдвигается к северо-западу.

В ряде работ, например, [Nielsen and Greenwald, 1979; Baumjohann et al., 1981; Koskinen and Pulkkinen, 1995; Weygand et al., 2008; Zou et al., 2009] обсуждалась возможная связь области начала (onset) типичной, т.е. “классической”, суббури с положением разрыва Харага. Так, в работе [Nielsen and Greenwald, 1979] было установлено, что область источника начала суббури, как правило, располагается несколько полярнее разрыва Харанга, определенного по наземным магнитным наблюдениям, или совпадает с ним. Однако другие авторы [Baumjohann et al., 1981; Koskinen and Pulkkinen, 1995; Bristow et al., 2003; Zou et al., 2009], использовавшие наблюдения на радарах, пришли к выводу, что область источника начала (onset) суббури находится экваториальнее разрыва Харанга на 1−2° или совпадает с ним. Это несовпадение результатов свидетельствует о том, что проблема связи окончательно не решена, эта связь может быть разной для различных типов магнитных суббурь.

Целью данной работы является исследование связи “полярных” суббурь (т.е. суббурь на сжатом овале) с положением разрыва Харанга.

  1. ДАННЫЕ НАБЛЮДЕНИЙ

Работа основана на анализе наземных наблюдений на скандинавской сети магнитометров IMAGE с дискритизацией 10 с (http://space.fmi.fi/image/) [Tanskanen, 2009]. В работе использовались станции профиля PPN (Polesie) – NAL (Ny Alesund). Это единственная в мире плотная сеть станций, расположенных почти вдоль выбранного геомагнитного меридиана (~100−110° MLON, c MLT = UT+2.5 ч) от полярных широт архипелага Шпицберген (NAL ~ 76° MLAT) до среднеширотных станций Германии (PPN ~ 47° MLAT), географические и геомагнитные координаты всех станций приведены на сайте IMAGE. На используемом профиле станций имеется лишь одна “дырка” (пропуск наблюдений) − между Шпицбергеном и континентом. Промежуточной станцией между архипелагом Шпицберген и материком является ст. Bear Island (BJN, 71.4° MLAT) на острове Медвежий, ближайшей к континенту станцией, является Soroya (SOR, 67.8° MLAT). Если магнитные бухты наблюдались в BJN, но отсутствовали в SOR, то условной низкоширотной границей появления магнитных бухт можно считать середину расстояния между пунктами BJN и NOR, т.е. порядка 70° MLAT, поэтому эта широта и использовалась как граничная в развитии “полярных” суббурь. Это соответствует условиям сжатого овала [Lui et al., 1973]. Как правило, начало (onset) почти всех исследуемых “полярных” суббурь на скандинавском меридиональном профиле IMAGE наблюдалось в обс. BJN или между BJN и SOR. В работе также используются данные некоторых среднеширотных станций, взятыe c сайта планетарной сети магнитометров INTERMAGNET (https://imag-data.bgs.ac.uk).

Глобальное пространственное распределение ионосферных токов во время исследуемых “полярных” суббурь исследовалось по общедоступным данным проекта AMPERE, представленным на сайте http://ampere.jhuapl.edu/products в виде обобщенных за 10 мин карт распределения ионосферных токов, построенных по результатам сферического гармонического анализа магнитных измерений на 66 одновременно работающих ионосферных спутниках на высоте ~780 км. По этим измерениям также вычисляются карты распределения втекающих и вытекающих в ионосферу продольных токов. К сожалению, эти карты представляются в красно-синем изображении, что делает невозможным их представление в черно-белом варианте журнала, поэтому в данной работе они не используются. (Заметим, что рисунки в цвете доступны в электронной версии статьи).

  1. РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ

Для исследования возможной связи “полярных” суббурь с планетарной суббуревой активностью появление “полярных” суббурь на меридиане IMAGE было сопоставлено с вариациями AL- индекса. Мы использовали те же случаи “полярных” суббурь в зимние сезоны 2010−2020 гг., которые исследовались в работе [Клейменова и др., 2023], за исключением событий, во время которых не было данных регистрации на ионосферных спутниках AMPERE. Таким образом, было выбрано 214 случаев “полярных” суббурь. Результат исследований показал, что в 90% случаев развитие “полярных” суббурь на профиле IMAGE сопровождалось одновременным возрастанием суббуревой активности по AL-индексу. Анализ 21 случая “полярных” суббурь, не сопровождаемых всплеском AL- индекса, показал, что в 15 событиях западный электроджет в послеполуночном секторе наблюдался на очень высоких широтах, далеко от береговых станций Диксон и Тикси, по данным которых вычисляется AL-индекс. В 6 событиях усиление продольного тока наблюдалось в очень узкой по долготе и широте области. Похожее событие обсуждалось и в работе [Дэспирак и др., 2022].

Кроме того, был выполнен анализ пространственного распределения ионосферных токов по данным спутниковых наблюдений AMPERE во время появления “полярных” суббурь на профиле IMAGE. Исследования показали, что перед началом (или одновременно с ним) подавляющего большинства вечерних дополуночных “полярных” суббурь наблюдается интенсивный магнитный вихрь в околополуночном секторе, свидетельствующий о резком локальном усилении продольных токов. Вихрь, вращающийся по часовой стрелке, является индикатором интенсификации втекающих продольных токов, а вихрь, вращающийся против часовой стрелки, – вытекающих продольных токов.

На рис. 2 приведены четыре примера карт ионосферных токов AMPERE во время начала типичных случаев “полярных” суббурь, зарегистрированных на профиле IMAGE, положение которого показано стрелкой в нижнем левом углу карт. Под каждой картой также показаны графики AL-индекса в рассматриваемое на карте время. На всех картах видно, что к востоку от меридиана IMAGE в раннем утреннем секторе Земли наблюдается развитие западного электроджета на геомагнитных широтах порядка 70° MLAT, т.е. выше типичных широт “классических” суббурь.

 

Рис. 2. Типичные примеры распределения глобальных ионосферных токов по данным измерений на спутниках системы AMPERE и вариации планетарного суббуревого AL-индекса во время 4-х “полярных” суббурь. Подробности в тексте.

 

Наиболее четко начало “полярной” суббури на меридиане IMAGE можно определить по наблюдениям в BJN. Для случаев, рассмотренных на рис. 2, мы сравнили данные в BJN с наблюдениями на ст. Диксон (DIK, геомагнитные координаы 157° MLON и 69.3° MLAT, магнитограммы в работе не приводятся), расположенной к востоку от Скандинавии. Заметим, что в другой сибирской ст. Тикси (197° MLON, 66.7° MLAT, магнитограммы не приводятся), находящейся на более низких геомагнитных широтах, амплитуда отклонений во время рассмотренных суббурь была значительно меньше и резкого начала суббури не отмечалось. В табл. 1 приведено время начала “полярной” суббури (UT) в BJN и начало суббури в Диксон для 4-х событий на рис. 2.

 

Таблица 1. Время начала “полярной” суббури в BJN и начало суббури в Диксон для 4-х событий на рис. 2

Дата

Начало cуббури в BJN

Начало суббури в DIK

10. 01.2012

19:00 UT

18:55 UT

28.11.2016

17:05 UT

17:03 UT

13.02.2017

17.30 UT

17.28 UT

21.01.2018

19.00 UT

18.56 UT

 

Видно, что с точностью в несколько минут начало “полярной” суббури на меридиане IMAGE совпадает с началом суббури в Диксоне или немного отстает. К западу от магнитного вихря электроджет сдвинулся к западу, в сторону полярной границы вечернего аврорального овала на геомагнитные широты до порядка 76−78° MLAT.

На всех примерах четко виден околополуночный магнитный вихрь, причем наиболее часто имеет место формирование двух, а иногда и больше одновременных вихрей: ближе к утреннему краю наблюдается вихрь, вращающийся по часовой стрелке, а ближе к вечернему краю − вихрь, вращающийся против часовой стрелки. Первый свидетельствует об интенсификации втекающих продольных токов, а второй – об усилении вытекающих токов, сопровождающимся усилением высыпания мягких электронов, вызывающих полярные сияния. Развитие магнитного вихря резко “поворачивает” западный электроджет в дополуночном секторе в сторону полярой границы аврорального овала, где формируется ионосферный электроджет с низкоширотной границей порядка ~70° MLAT. На более низких широтах усиливается восточный электроджет. Узкая, вытянутая по долготе широтная граница между западным и восточным электроджетами представляет собой разрыв Харанга, “нос” который начинается от магнитного вихря и вытягивается к западу

Положение разрыва Харанга четко прослеживается на всех четырех картах AMPERE представленных на рис. 2. На картах видно, что экваториальная граница “полярных” суббурь представляют собой полярную границу сформировавшегося разрыва Харанга, а полярная граница восточного электроджета, расположенного на более низких широтах (в субвроральных, а иногда даже и в авроральных широтах), являются экваториальной границей разрыва Харанга.

На рис. 3 подробно рассмотрено одно из типичных событий “полярных” суббурь 5 декабря 2020 г. Слева показаны магнитограммы IMAGE, на которых видно резкое начало “полярной” суббури около 20.10 UT на ст. BJN (71.4° MLAT), а ниже на ст. SOR (67.3° MLAT), регистрируется уже положительная магнитная бухта, их разделяет море и разрыв Харанга, расстояние между станциями около 400 км. На среднеширотной обс. Борок (BOX, 114° MLON, 54.4° MLAT) видна четкая положительная магнитная бухт в Х-компоненте поля и четкая положительная бухта в Y-компоненте поля, указывающая на то, что источник этой суббури находится к востоку от данного меридиана. На рис. 3 также показана магнитограмма среднеширотной обс. Иркутск (IRT, 179° MLON, 47.8° MLAT), находящейся 65° восточнее Борка. Видно, что в Иркутске регистрируется отрицательная бухта в Y-компоненте поля, что означает, что источник суббури находится к западу от Иркутска, следовательно, между Борком и Иркутском.

 

Рис. 3. Пример одной из типичных “полярных” суббурь 5 декабря 2020 г.: магнитограммы некоторых станций IMAGE и среднеширотных обс. Борок (BOX) и Иркутск (IRT), а также карта распределения ионосферных токов по данным AMPERE и вариации AL-индекса.

 

Это подтверждается приведенной в правом верхнем углу картой AMPERE распределения ионосферных токов, положение Борка и Иркутска на которой показано стрелками внизу карты. Три интенсивных магнитных вихря видны в околополуночном секторе. К востоку от вихрей виден западный электроджет на широте около 70° MLAT, а к западу от вихрей западный электроджет резко переместился в сторону полюса, на более низких широтах усилился восточный электроджет. Пунктирной линий на карте показан разрыв Харанга. В правом нижнем углу рисунка показан график AL-индекса. Видно, что “полярная” суббуря на меридиане IMAGE и субуревая активность в ночном секторе начинаются почти одновременно (с точностью до нескольких минут).

Источником “полярных” суббурь, наблюдаемых на сети IMAGE в приполярной области вечернего сектора, по-видимому, может быть локальное усиление продольных токов, индикатором которого является развитие магнитного вихря в околополуночном секторе. Эти магнитные вихри, по-видимому, также вызывают развитие магнитной суббури к востоку от вихря, т.е. в утреннем секторе. Действительно, в ряде работ, например, [Opgenoorth et al., 1980; Untiedt and Baumjohann, 1993; Lyatsky et al., 2001] была установлена связь развития “классической” суббури с появлением вихря в эквивалентных ионосферных токах.

  1. ОБСУЖДЕНИЕ

“Полярные” суббури являются типичным явлением в вечернем секторе сжатого овала. Понятие “сжатый” овал означает, что в обсуждаемое время полярные сияния наблюдаются в высоких широтах в узкой области вблизи полярного края аврорального овала, т.е. там же, где мы отмечаем появление “полярных” суббурь. Ранее было показано, например, [Клейменова и др., 2012; Despirak et al., 2022], что в метео благоприятных условиях “полярные” суббури, как правило, сопровождаются дугами высокоширотных полярных сияний, вызываемых локальным усилением продольных токов (поэтому вначале исследовались “полярные” суббури только в зимние периоды, когда при благоприятных метеоусловиях возможны наблюдения полярных сияний). Это может быть подтверждением того, что генерация “полярных” суббурь тоже связана с усилением вытекающих продольных токов (upward FACs) зоны R1, вызывающих сияния. Ряд авторов считает, что источник этих продольных токов находится на фланге магнитосферы [Ebihara and Tanaka, 2022] и, наиболее вероятно, связан с низкоширотным входным слоем (LLBL) [Bythrow et al., 1981; Siscoe et al., 1991; Trоshichev, 2003], где быстрый поток магнитошиса может взаимодействовать с медленными магнитосферными потоками.

Важным является также вопрос, сопровождается ли начало (onset) “полярных” суббурь брейкапом полярных сияний и где находится область источника onset. К сожалению, в окрестностях BJN, где обычно на профиле IMAGE наблюдается начало “полярной” суббури, нет наблюдений полярных сияний. Однако в работе [Milan et al., 2010] представлены результаты статистического анализа пространственно-временного распределения более 2000 авроральных брейкапов (ярких вспышек сияний) как индикатора начала суббури, зарегистрированных на спутнике IMAGE. В этой работе было получено, что на геомагнитных широтах выше 67−68° MLAT авроральные брейкапы наблюдаются в предполуночное время. Это соответствует результатам исследования “полярных” суббурь [Клейменова и др., 2023]. Можно сделать вывод, что начало “полярных” суббурь, как и “классических” суббурь, по-видимому, сопровождается появлением аврорального брейкапа, который, к сожалению, из-за отсутствия наземных оптических наблюдений в “нужном” месте пока не регистрировался.

Известно, что через 10−15 мин после начала “классической” суббури, на фазе ее развития, за счет азимутального давления плазмы, полярные сияния и ионосферные токи начинают быстро перемещаться на вечернюю сторону к полюсу (полярная экспансия суббури), формируя “движущийся к западу изгиб сияний” (Westward Travelling Surge – WTS), например, [Tighe and Rostoker, 1981; Baumjohann, 1983]. Можно предположить, что подобный процесс, по-видимому, имеет место и в слабо-возмущенных геомагнитных условиях, т.е. при сжатом авроральном овале, когда экваториальная граница овала расположена на достаточно высоких геомагнитных широтах (~68−70° MLAT), и проявляется как развитие в вечернем секторе особого типа суббурь, названных “полярными” суббурями, которые, в свою очередь, формируют полярную границу разрыва Харанга .

Заметим, что в ряде ранних работ, например, [Pytte et al., 1978b; Hones et al., 1985] появление отрицательных магнитных бухт в высоких широтах интерпретировалось как развитие “poleward leap” суббури в позднюю востановительную фазу суббури за счет вытягивания силовых линий источника далеко в хвост магнитосферы. Таким же процессом вытягивания силовых линий в хвост магнитосферы объяснялось и развитие “движущегося к западу изгиба полярных сияний” (WTS). Однако в настоящее время многие из исследователей “хвостовую” идею генерации суббурь не поддерживает и склоняется к мысли, что источник суббури находится в замкнутой магнитосфере. Это было даже опубликовано в одной из последних работ “отца” суббури - Акасофу [Akasofu, 2017].

При этом морфологические характеристики “poleward leap” принципиально отличаются от высокоширотной экспансии магнитосферных суббурь [Pytte et al., 1978], прежде всего, отсутствием геомагнитных пульсаций Pi2, а также отсутствием формирования токового клина (SCW), т.е. отсутствием положительных магнитных бухт в средних широтах. Таким образом, “полярные” суббури можно рассматривать как особый тип высокоширотных суббурь, наблюдаемых в приполярных широтах вечернего сектора сжатого аврорального овала. “Полярные” суббури формируют полярную границу разрыва Харанга, а наблюдаемые на более низких широтах положительные магнитные бухты – его экваториальную границу.

  1. ВЫВОДЫ

Исследовано глобальное распределение положения ионосферных электроджетов и разрыва Харанга по данным спутниковых измерений проекта AMPERE во время 214 “полярных” суббурь, зарегистрированных на скандинавском меридиональном профиле IMAGE в зимние сезоны 2010−2020 гг. Показано, что мгновенное положение экваториальной границы ионосферного тока “полярной” суббури определяет мгновенное положение полярной границы разрыва Харанга, а полярная граница восточного электроджета определяет его экваториальную границу

Установлено, что 90% “полярных” суббурь наблюдается одновременно с возрастанием планетарной суббуревой активности по AL-индексу и развитием магнитосферной суббури в послеполуночном секторе. В подавляющем большинстве несовпадающих событий развитие западного электроджета отмечалось на очень высоких широтах, значительно выше широт станций, по данным которых вычисляется AL-индекс суббуревой планетарной активности.

Показано, что появление “полярных” суббурь связано с развитием околополуночных магнитных вихрей в западном ионосферном токе, указывающих на резкую локальную интенсификацию продольных электрических токов. При этом к востоку от вихря усиливается ионосферный электроджет утренней авроральной суббури, а к западу наблюдается резкое смещение западного ионосферного тока к полярным широтам вечернего сектора, подобное так называемому “движущемуся к западу изгибу полярных сияний” (westward travelling surge – WTS), наблюдаемому после начала (onset) “классической” суббури. Это приводит к формированию в вечернем секторе приполярных широт новой суббури, названной “полярной” суббурей с типичными характерными признаками суббури (всплесками геомагнитных пульсаций Pi2, началом (onset) суббури вблизи вблизи экваториальной границы сжатого в это время овала, развитием “токового клина суббури” (substorm current wedge-SCW) и т.д.).

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы благодарят создателей баз данных сетей IMAGE (https://space.fmi.fi/image/), INTERMAGNET (https://imag-data.bgs.ac.uk/GIN_V1/GINForms2), SuperMAG (https://supermag.jhuapl.edu/) и проекта AMPERE (http://ampere.jhuapl.edu/products) за возможность их использования в данном исследовании.

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Исследования выполнены в рамках госзаданий институтов.

×

About the authors

N. G. Kleimenova

Schmidt Institute Physics of the Earth RAS

Author for correspondence.
Email: ngk1935@yandex.ru
Russian Federation, Moscow

L. I. Gromova

Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation

Email: ngk1935@yandex.ru
Russian Federation, Moscow, Troitsk

S. V. Gromov

Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation

Email: ngk1935@yandex.ru
Russian Federation, Moscow, Troitsk

L. M. Malysheva

Schmidt Institute Physics of the Earth RAS

Email: ngk1935@yandex.ru
Russian Federation, Moscow

I. V. Despirak

Polar Geophysical Institute

Email: ngk1935@yandex.ru
Russian Federation, Apatity

References

  1. Дэспирак И.В., Любчич А.А., Клейменова Н.Г. “Полярные” и “высокоширотные” суббури и условия в солнечном ветре // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 54. № 5. С. 619–626. 2014. https://doi.org/10.1134/S0016793214050041
  2. Дэспирак И.B., Клейменова Н.Г., Любчич А.А., Малышева Л.М., Громова Л.И., Ролдугин А.В., Козелов Б.В. Полярные магнитные суббури и сияния на Шпицбергене: событие 17 декабря 2012// Изв. РАН. Сер. Физ. Т. 86. № 3. С. 340–348. 2022. https://doi.org/10.31857/S0367676522030097
  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 https://doi.org/10.1134/S0016793212060059
  4. Клейменова Н.Г., Громова Л.И., Дэспирак И.B., Малышева Л.М., Громов С.В., Любчич А.А. Особенности полярных суббурь: анализ отдельных событий // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 63. № 3. С. 327–339. 2023https://doi.org/10.31857/S0016794023600023.
  5. Сафаргалеев В.В., Митрофанов В.М., Козловский А.Е. Комплексный анализ полярных суббурь на основе магнитных, оптических и радарных наблюдений на Шпицбергене // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 58. № 4. С. 793–808. 2018. https://doi.org/10.1134/S0016793218040151
  6. Akasofu S.-I. The development of the auroral substorm // Planet. Space Sci. V. 12(4). P. 273–282. 1964. https://doi.org/10.1016/0032-0633(64)90151-5
  7. Akasofu S.-I. Where is the magnetic energy for the expansion phase of auroral substorms accumulated? 2. The main body, not the magnetotail // J. Geophys. Res.: Space Physics. V. 122. P. 8479–8487. 2017. https://doi.org/10.1002/2016JA023074
  8. Baker D.N., Pulkkinen T.I., Angelopoulos V., Baumjohann W., McPherron R.L. Neutral line model of substorms: Past results and present view // J. Geophys. Res. V. 101. P. 12975– 13010. 1996. https://doi.org/10.1029/95ja03753
  9. Baumjohann W., Pellinen R.J., Opgenoorth H.J., Nielsen E. Joint two-dimensional observations of ground magnetic field and ionospheric electric fields associated with auroral zone currents: current systems associated with local auroral break-ups // Planet. Space Sci. V. 29. P. 431 – 447. 1981. https://doi.org/10.1016/0032-0633(81)90087-8
  10. Baumjohann W. Ionospheric and field-aligned current systems in the auroral zone: A concise review// Adv. Space Res. V. 2(10). P. 55-62. 1983.
  11. Bristow W.A., Sofko G., Stenbaek-Nielsen H.C., Wei S., Lummerzheim D., Otto A. Detailed analysis of substorm observations usingSuperDARN, UVI, ground-based magnetometers, and all-sky imagers // J. Geophys. Res. V. 108 (A3). P. 1124. 2003. https://doi.org/10.1029/2002JA009242
  12. Bythrow P.F., Heelis R.A., Hanson W.B., Power R.A., Hoffman R. A. Observational evidence for a boundary layer source of dayside region 1 field-aligned currents // J. Geophys. Res. V. 86 (A7). P. 5577. 1981. https://doi.org/10.1029/JA086iA07p05577
  13. Despirak I.V., Lubchich A.A., Kleimenova N.G. High-latitude substorm dependence on space weather conditions in solar cycle 23 and 24 (SC23 and SC24) // J. Atmos. Sol. Terr. Phys. 2018. V. 177. P. 54–62. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2017.09.011
  14. Ebihara Y., Tanaka T. Where is Region 1 field-aligned current generated? // J. Geophys. Res.: Space Physics. P. 127. 2022. https://doi.org/10.1029/2021JA029991
  15. Erickson G.M., Spiro R.W., Wolf R.A. The physics of the Harang discontinuity // J. Geophys. Res. V. 96. P. 1633–1645. 1991. https://doi.org/10.1029/90JA02344
  16. Feldstein Y.L., Starkov G.V. Dynamics of auroral belt andgeomagnetic disturbances // Planet. Space Sci. V. 15. № 2. P. 209–229. 1967. https://doi.org/10.1016/0032-0633(67)90190-0
  17. Harang L. The mean field of disturbance of polar geomagnetic storms // Terr. Magn. Atmos. Electr. V. 51. P. 353 – 380. 1946. https://doi.org/10.1029/ TE051i003p00353.
  18. Heppner J.P. The Harang discontinuity in auroral belt ionospheric current // Geophys. Norv. V. 29. P. 105 – 120. 1972.
  19. Heppner J.P. Empirical models of high-latitude electric fields // J. Geophys. Res V. 82. P. 1115– 1125. 1977. https://doi.org/10.1029/JA082i007p01115.
  20. Hones E.W. The poleward leap of the auroral electrojet as seen in auroral images // J. Geophys. Res. V. 90. P. 5333–5337. 1985. https://doi.org/10.1029/JA090iA06p05333
  21. Kamide Y., Vickrey J.F. Variability of the Harang discontinuity as observed by the Chatanika radar and the IMS Alaska magnetometer chain // Geophys. Res. Lett. V. 10. № 2. P. 159-162. 1983. https://doi.org/10.1029/GL010i002p00159
  22. Kepko L., McPherron R.L., Amm O. et al. Substorm Current Wedge revisited // Space Sci. Rev. V. 190. P. 1–46. 2015. https://doi.org/10.1007/s11214-014-0124-9
  23. Kissinger J., Wilder F.D., McPherron R.L., Hsu T.-S., Baker J.B.H., Kepko L. Statistical occurrence and dynamics of the Harang discontinuity during steady magnetospheric convection // J. Geophys. Res.: Space Physics V. 118. P. 5127–5135. 2013. https://doi.org/10.1002/jgra.50503
  24. Kleimenova N.G., Despirak I.V., Malyshevа L.M., Gromova, L.I., Lubchich A.A., Roldugin A.V., Gromov S.V. Substorms on a contracted auroral oval // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. V. 245. P. 106049-106062. 2023. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2023.106049
  25. Koskinen H.E.J., Pulkkinen T.I. Midnight velocity shear zone and the concept of Harang discontinuity // J. Geophys. Res. V. 100. P. 9539 – 9547. 1995. https://doi.org/10.1029/95JA00228.
  26. Kunkel T., Baumjohann W., Untied J., Greenwald R. Electric fields and currents at the Harang discontinuity: A case study // J. Geophys. V. 59. P. 73-86. 1986.
  27. Lui A.T.Y., Perreault P.D., Akasofu S.-I., Anger C.D. The diffuse aurora // Planet. Space Sci. V. 21(5). P. 857–861. 1973. https://doi.org/10.1016/0032-0633(73)90102-5
  28. Lui A.T.Y., Akasofu S.-I., Hones E.W. Jr., Bame S.J., McIlwain C.E. Observation of the plasma sheet during a contracted oval substorm in the prolonged quiet period // J. Geophys. Res. V. 81 (7). P. 1415–1419. 1976. https://doi.org/10.1029/JA081i007p01415
  29. Lyatsky, W., Cogger L.L., Jackel B., Hamza A.M., Hughes W. J., Mur D., Rasmussen O. Substorm development as observed by Interball UV imager and 2-D magnetic array // J. Atmos. Sol. Terr. Phys. V. 63. P. 1609 – 1621. 2001. https://doi.org/10.1016/S1364-6826(01)00045-1.
  30. McPherron R.L., Russell C.T., Aubry M.P. Satellite studies of magnetospheric substorms on August 15, 1968: 9. Phenomenological model for substorms // J. Geophys. Res. V. 78 (16). Р. 3131-3149. 1973. https://doi.org/10.1029/JA078i016p03131
  31. Milan S.E., Boakes P.D., Hubert B. Response of the expanding/contracting polar cap to weak and strong solar wind driving: Implications for substorm onset // J. Geophys. Res., V. 113, A09215, 2008. https://doi.org/10.1029/2008JA013340
  32. Nielsen N.E., Greenwald A. Electron flow and visual aurora at the Harang discontinuity // J. Geophys. Res V. 84. P. 4189–4200. 1979. https://doi.org/10.1029/JA084iA08p04189.
  33. Nishida A. Geomagnetic DP2 fluctuations and associated magnetospheric phenomena // J. Geophy. Res.V. 73 (5). P. 1795–1803. 1968. https://doi.org/10.1029/JA073i005p0179
  34. Opgenoorth H.J., Pellinen R.J., Maurer H., Küppers F., Heikkila W. J., Tanskanen P. Ground-based observations of an onset of localized field-aligned currents during auroral breakup around magnetic midnight // J. Geophys. V. 4. P. 101–115. 1980.
  35. Pytte T., McPherron R.L., Jr., Hones E.W., Wes H.I. Multiple-satellite studies of magnetospheric substorms, III. Distinction between polar substorms and convection-driven negative ba // J. Geophys. Res. V. 83 (A2). P. 663–679. 1978a.
  36. Pytte T., McPherron R.L., Kivelson M.G., Wes H.I. Jr., Hones E.W. Multiple-satellite studies of magnetospheric substorms: Plasma sheet recovery and the poleward leap of auroral zone activity // J. Geophys. Res. V. 83. P. 5256–5268. 1978b. https://doi.org/10.1029/JA083iA11p05256
  37. Rostoker G., Akasofu S.-I., Foster J., Greenwald R.A., Kamide Y, Kawasaki K., Lui A.T.Y., McPherron R.L., Russell C.T. Magnetospheric substorms definitions and signatures // J. Geophys. Res. V. 85 (A4). P. 1663–1668. 1980.
  38. Safargaleev V.V., Kozlovsky A.E., Mitrofanov V.M. Polar substorm on 7 Decmber 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
  39. Sergeev V.A., Kubyshkina M.V., Liou K., Newell P.T., Park G., Nakamura R., Mukai T. Substorm and convection bay compared: Auroral and magnetotail dynamics during convection bay // J. Geophys. Res. V. 106. P. 18,843–18,855. 2001
  40. Siscoe G.L., Lotko W., Sonnerup B.U.O. A high-latitude, low-latitude boundary layer model of the convection current system // J. Geophys. Res. V. 96 (A3). P. 3487. 1991. https://doi.org/10.1029/90ja02362
  41. Tanskanen E.F. A comprehensive high-throughput analysis of substorms observed by IMAGE magnetometer network: Years 1993-2003 examined // J. Geophys. Res. V. 114. P. A05204. 2009. https://doi.org/10.1029/2008JA013682
  42. Tighe W., Rostoker G. Characteristics of westward travelling surges during magnetospheric substorms // J. Geophys. V. 50 (1). P. 51–67. 1981. Retrieved from https://journal.geophysicsjournal.com/JofG/article/view/12
  43. Troshichev O.A. Low-latitude boundary layer and generation of field-aligned currents // Earth’s low-latitude boundary layer. P. T. Newell, and T. Onsager (Eds.). P. 329–334. AGU. 2003. https://doi.org/10.1029/133GM33
  44. Untiedt J., Baumjohann W. Studies of polar current systems using the IMS Scandinavian magnetometer array // Space Sci. Rev. V. 63. P. 245–390. 1993. https://doi.org/10.1007/BF00750770.
  45. Weygand J.M., McPherron R.L. Frey H, Amm O., Kauristie K., Viljanen A.T., Koistinen A. Relation of substorm onset to Harang discontinuity // J. Geophys. Res. V. 113. P. A04213. 2008. https://doi.org/10.1029/2007JA012537
  46. Zou S., Lyons L.R., Wang C.‐P., Boudouridis A., Ruohoniemi J.M., Anderson P.C., P.L. Dyson P. C., Devlin J.C. On the coupling between the Harang reversal evolution and substorm dynamics: A synthesis of SuperDARN, DMSP, and IMAGE observations // J. Geophys. Res. V. 114. P. A01205. 2009. https://doi.org/10.1029/2008JA013449.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. (a)- Schematic of the convective bay and magnetospheric substorm from [Baumjohann, 1983]; (b)- Schematic of currents in the Harang gap from [Koskinen and Pulkkinen, 1995]

Download (30KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Typical examples of the distribution of global ionospheric currents from measurements on the AMPERE satellites and variations of the planetary substorm AL-index during 4 “polar” substorms. Details in the text.

Download (183KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Example of one of the typical “polar” substorms on December 5, 2020: magnetograms of some IMAGE stations and midlatitude obs. Borok (BOX) and Irkutsk (IRT), as well as a map of the distribution of ionospheric currents from AMPERE data and variations of the AL-index.

Download (83KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».