О проекте
Текущее состояние проблемы
Используемые
подходы и методы
При
изучении динамики плазмы возникает необходимость иметь детальную
информацию о происходящих в ней переходных процессах. В магнитосфере
Земли эти процессы отражаются в разнообразных, часто весьма живописных
и изменчивых формах полярных сияний, что дает уникальную возможность
для исследования процессов в магнитосферно-ионосферной системе по их
проявлениям в виде пространственных распределений аврорального
свечения. Высыпания авроральных частиц, их воздействие на
высокоширотную атмосферу и последующий отклик ионосферы играют важную
роль в энергетическом балансе магнитосферно-ионосферной плазмы.
Современная оптическая техника дает возможность регистрировать
авроральные формы с хорошим временным и пространственным разрешением.
Однако, информация о пространственной динамике авроральных явлений до
сих пор используется далеко не полностью. Более того, причины и
механизмы аврорального структурирования на малых масштабах, менее 10 км
на уровне ионосферы, до сих пор являются предметом дискуссии.
Проект направлен на решение одной из актуальных задач магнитосферно- ионосферной физики - проблемы возникновения аврорального структурирования.
Конкретными целями данного проекта являются:
(1) Проведение прецизионных оптических наблюдений мелкомасштабной структуры полярных сияний (масштабы 0.1-10 км).
(2) Получение статистических, в том числе скейлинговых, характеристик мелкомасштабной структуры свечения.
(3) На основе полученных экспериментальных результатов, выполнение количественной проверки различных моделей формирования аврорального структурирования.
Проект направлен на решение одной из актуальных задач магнитосферно- ионосферной физики - проблемы возникновения аврорального структурирования.
Конкретными целями данного проекта являются:
(1) Проведение прецизионных оптических наблюдений мелкомасштабной структуры полярных сияний (масштабы 0.1-10 км).
(2) Получение статистических, в том числе скейлинговых, характеристик мелкомасштабной структуры свечения.
(3) На основе полученных экспериментальных результатов, выполнение количественной проверки различных моделей формирования аврорального структурирования.
Текущее состояние проблемы
В
настоящее время природа взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой
Земли достаточно хорошо понята для крупномасштабных процессов, которые
определяются, в основном, ориентацией межпланетного магнитного поля
относительно магнитного поля Земли и динамическим давлением солнечного
ветра. Однако проявления этого взаимодействия на малых масштабах
требуют дальнейших исследований. Обычно отмечается турбулентный,
хаотический характер мелкомасштабных пространственных и временных
возмущений в магнитосферно-ионосферной системе (Kintner, 1976; Kintner
and Seyler, 1985; Antonova and Ovchinnikov, 1999; Borovsky and Funsten,
2003; Chang et al., 2004; Voros et al., 2004). Этот типично
турбулентный характер возмущений в плазме сильно осложняет
интерпретацию локальных наблюдений искусственными спутниками Земли, как
с целью идентификации связанных с этими возмущениями плазменных
процессов (неустойчивостей и волн), так и описания динамики системы в
целом. Этим объясняется интерес к наблюдениям полярных сияний, дающим
двумерную проекцию происходящих в магнитосферно-ионосферной системе
динамических процессов. В настоящее время системы камер всего неба
являются неотъемлемой частью наземной поддержки спутниковых наблюдений
(системы ALIS, THEMIS), однако они предназначены, в основном, для
исследования крупномасштабных процессов (с характерными
пространственными масштабами >1 км и временными масштабами >10
c). Наблюдения с большим пространственным и временным разрешением
обычно выполняются только при проведении активных воздействий на
атмосферу и ракетных запусков. До недавнего времени это было связано со
сложностью хранения и обработки большого количества видеоданных. Вместе
с тем, существуют принципиальные физические ограничения на возможность
регистрации мелкомасштабной простренственно-временной структуры
полярных сияний, которые определяются соотношением таких факторов, как
интенсивность свечения в наблюдаемом диапазоне длин волн,
чувствительность детектора, светосила оптической системы,
времена жизни возбужденных состояний атмосферных составляющих, скорость
«перемещения» авроральных форм, и т.д.
Начиная с ранних работ, основанных на визуальных наблюдениях, многие авторы отмечали элементы самоподобия в оптической авроре (Hallinan and Davis, 1970; Oguti, 1975; Trondsen and Cogger, 1998). Так, Огути отмечал подобие авроральных форм на разных масштабах, наблюдаемых высокочувствительными телевизионными камерами, что предполагает наличие простых законов подобия, которым подчиняется авроральная динамика. В относительно недавних работах (Uritsky et al., 2002; Kozelov, 2003; Kozelov et al., 2004; Kozelov and Rypdal, 2007) самоподобие (масштабная инвариантность) в динамике полярных сияний во время взрывной фазы суббури рассматривалось как свидетельство состояний самоорганизованной критичности и перемежающейся турбулентности в магнитосферной плазме. Такие состояния характеризуются степенным видом статистических зависимостей определенных характеристик от пространственного/временного масштаба.
Между тем, связь пространственной структуры полярных сияний с возмущениями плазмы в магнитосфере до сих пор является открытой проблемой. Хотя известно, что основная энергия наиболее активных суббуревых транзиентов содержится в магнитосферном плазменном слое (Yahnin et al., 2006), источник мелкомасштабных структур не вполне понятен. Определенный класс ярких авроральных структур, расположенных на замкнутых силовых линиях, генерируется потоками ускоренных электронов. На достаточно больших масштабах (> 50-100 км), соответствующих инвертированным-V структурам, электроны ускоряются в статических продольных электрических полях, возникающих на высотах ~1 Re в областях сильных продольных токов, а на малых масштабах (~ 0.1-10 км) - в электрических полях, связанных с волнами. Некоторую дополнительную информацию о структурировании плазмы на малых масштабах дали наблюдения электрических и магнитных полей низковысотными спутниками, в особенности спутниками Freja и FAST [Stasiewicz, 2000].
Начиная с середины 70-ых годов, в ряде работ приводились доказательства (в большинстве случаев, основанные на степенном характере Фурье спектров спутниковых данных), что мелкомасштабные электрические и магнитные поля в высокоширотной ионосфере имеют турбулентную природу (Kintner, 1976; Weimer et al., 1985; Basu et al., 1988; обзор Antonova, 2002 и ссылки в нём). Позже, более корректными методами статистической физики и вейвлет-анализа было продемонстрировано, что мелкомасштабные электрические поля в авроральной зоне и полярной шапке являются проявлением перемежающейся турбулентности, которая развивается в областях крупномасштабных продольных токов (например, Tam et al., 2005; Golovchanskaya et al., 2006; Kozelov and Golovchanskaya, 2006; Kozelov et al., 2008). Такой вывод основывался на наличии свойств масштабной инвариантности (скейлинга) исследуемых флуктуаций и негауссовом виде функции плотности вероятности флуктуаций.
При сравнении характеристик масштабирования авроральных флуктуаций и флуктуаций электрического поля необходимо принимать во внимание, что в первом случае пространственную и временную природу флуктуаций можно надёжно различить, тогда как в случае полей, наблюдаемых одним спутником, различить пространственные и временные флуктуации можно лишь привлекая дополнительные предположения. В ряде случаев такие предположения оправданы (Kozelov et al., 2008). Следует также еще раз отметить, что в настоящее время нет однозначной теоретической модели, позволяющей связать наблюдаемые на низковысотных спутниках флуктуации электрического поля с механизмами продольного ускорения электронов, приводящих к оптической авроре (Borovsky, 1993). Ситуация осложняется принципиально разной физикой, определяющей магнитосферно-ионосферное взаимодействие на больших и малых масштабах. Для масштабов больших нескольких десятков километров магнитосферный генератор является генератором напряжения, магнитосферные электрические поля мало искажаются при передаче в ионосферу, и с хорошей точностью выполняется приближение электростатики (Lysak, 1985; Vickrey et al., 1986; Weimer et al., 1987). Напротив, для малых масштабов магнитосферный генератор является генератором тока, статические электрические поля при передаче в ионосферу сильно затухают, и значительную роль в магнитосферно-ионосферном взаимодействии играют волны (Weimer et al., 1985; Ishii et al., 1992). При этом особая роль принадлежит дисперсионным (кинетическим и инерционным) альвеновским волнам, в которых присутствует продольная компонента электрического поля, способная приводить к ускорению электронов (Dubinin et al., 1988; Knudsen et al., 1990; Stasiewicz, 2000; Pokhotelov et al., 2003).
Другим видом авроральных структур являются наблюдаемые в утреннем секторе пульсирующие сияния, которые обычно связывают с генерацией ОНЧ хоров, причем вариации амплитуды хоров и сияний обычно показывают близкие квазипериоды около 10-30 сек. Механизм формирования пульсирующих пятен полярных сияний и их связь с ОНЧ хорами был предложен в работах Трахтенгерца с соавторами и основан на автоколебательных процессах в проточном циклотронном мазере (Трахтенгерц, 1986; Demekhov and Trakhtengerts,1994). Отметим, что теория проточного мазера объясняет пульсирующие пятна, в которых форма пятен не изменяется, так называемые “pure pulsation patches” (Yamamoto. and Oguti, 1982). Экспериментально установлено, что в утреннем секторе наблюдаются и другие типы пульсирующей авроры (expansion and/or propagating pulsation, steaming pulsation, fast auroral waves). Поскольку свистовые волны, по-видимому, играют решающую роль в утренних высыпаниях, можно ожидать, что различные типы пульсирующей авроры связаны с различными режимами циклотронной неустойчивости в магнитосфере. В теории проточного циклотронного мазера (Трахтенгерц и др,. 1986; Demekhov, and Trakhtengerts, 1994) также важную роль играет наличие волокна повышенной концентрации холодной плазмы. Это волокно играет роль резонатора для свистовых волн и, с другой стороны, выделено по отношению к окружающей плазме более благоприятными условиями для развития циклотронной неустойчивости. В работе (Пасманик, 2004) выполнено обобщение классической квазилинейной теории циклотронного взаимодействия на случай цилиндрического плазменного волновода при учете пространственного распределения энергичных частиц и модовой структуры возбуждаемых волн. В зависимости от параметров магнитосферного волновода эти собственные волноводные моды будут иметь различные пространственные распределения волновых полей внутри волновода. В этих случаях можно ожидать определенные пространственные формы высыпающихся электронов. Выяснение этого вопроса требует
детальной информации о пространственно-временных вариациях свечения в различных типах пульсирующей авроры.
Начиная с ранних работ, основанных на визуальных наблюдениях, многие авторы отмечали элементы самоподобия в оптической авроре (Hallinan and Davis, 1970; Oguti, 1975; Trondsen and Cogger, 1998). Так, Огути отмечал подобие авроральных форм на разных масштабах, наблюдаемых высокочувствительными телевизионными камерами, что предполагает наличие простых законов подобия, которым подчиняется авроральная динамика. В относительно недавних работах (Uritsky et al., 2002; Kozelov, 2003; Kozelov et al., 2004; Kozelov and Rypdal, 2007) самоподобие (масштабная инвариантность) в динамике полярных сияний во время взрывной фазы суббури рассматривалось как свидетельство состояний самоорганизованной критичности и перемежающейся турбулентности в магнитосферной плазме. Такие состояния характеризуются степенным видом статистических зависимостей определенных характеристик от пространственного/временного масштаба.
Между тем, связь пространственной структуры полярных сияний с возмущениями плазмы в магнитосфере до сих пор является открытой проблемой. Хотя известно, что основная энергия наиболее активных суббуревых транзиентов содержится в магнитосферном плазменном слое (Yahnin et al., 2006), источник мелкомасштабных структур не вполне понятен. Определенный класс ярких авроральных структур, расположенных на замкнутых силовых линиях, генерируется потоками ускоренных электронов. На достаточно больших масштабах (> 50-100 км), соответствующих инвертированным-V структурам, электроны ускоряются в статических продольных электрических полях, возникающих на высотах ~1 Re в областях сильных продольных токов, а на малых масштабах (~ 0.1-10 км) - в электрических полях, связанных с волнами. Некоторую дополнительную информацию о структурировании плазмы на малых масштабах дали наблюдения электрических и магнитных полей низковысотными спутниками, в особенности спутниками Freja и FAST [Stasiewicz, 2000].
Начиная с середины 70-ых годов, в ряде работ приводились доказательства (в большинстве случаев, основанные на степенном характере Фурье спектров спутниковых данных), что мелкомасштабные электрические и магнитные поля в высокоширотной ионосфере имеют турбулентную природу (Kintner, 1976; Weimer et al., 1985; Basu et al., 1988; обзор Antonova, 2002 и ссылки в нём). Позже, более корректными методами статистической физики и вейвлет-анализа было продемонстрировано, что мелкомасштабные электрические поля в авроральной зоне и полярной шапке являются проявлением перемежающейся турбулентности, которая развивается в областях крупномасштабных продольных токов (например, Tam et al., 2005; Golovchanskaya et al., 2006; Kozelov and Golovchanskaya, 2006; Kozelov et al., 2008). Такой вывод основывался на наличии свойств масштабной инвариантности (скейлинга) исследуемых флуктуаций и негауссовом виде функции плотности вероятности флуктуаций.
При сравнении характеристик масштабирования авроральных флуктуаций и флуктуаций электрического поля необходимо принимать во внимание, что в первом случае пространственную и временную природу флуктуаций можно надёжно различить, тогда как в случае полей, наблюдаемых одним спутником, различить пространственные и временные флуктуации можно лишь привлекая дополнительные предположения. В ряде случаев такие предположения оправданы (Kozelov et al., 2008). Следует также еще раз отметить, что в настоящее время нет однозначной теоретической модели, позволяющей связать наблюдаемые на низковысотных спутниках флуктуации электрического поля с механизмами продольного ускорения электронов, приводящих к оптической авроре (Borovsky, 1993). Ситуация осложняется принципиально разной физикой, определяющей магнитосферно-ионосферное взаимодействие на больших и малых масштабах. Для масштабов больших нескольких десятков километров магнитосферный генератор является генератором напряжения, магнитосферные электрические поля мало искажаются при передаче в ионосферу, и с хорошей точностью выполняется приближение электростатики (Lysak, 1985; Vickrey et al., 1986; Weimer et al., 1987). Напротив, для малых масштабов магнитосферный генератор является генератором тока, статические электрические поля при передаче в ионосферу сильно затухают, и значительную роль в магнитосферно-ионосферном взаимодействии играют волны (Weimer et al., 1985; Ishii et al., 1992). При этом особая роль принадлежит дисперсионным (кинетическим и инерционным) альвеновским волнам, в которых присутствует продольная компонента электрического поля, способная приводить к ускорению электронов (Dubinin et al., 1988; Knudsen et al., 1990; Stasiewicz, 2000; Pokhotelov et al., 2003).
Другим видом авроральных структур являются наблюдаемые в утреннем секторе пульсирующие сияния, которые обычно связывают с генерацией ОНЧ хоров, причем вариации амплитуды хоров и сияний обычно показывают близкие квазипериоды около 10-30 сек. Механизм формирования пульсирующих пятен полярных сияний и их связь с ОНЧ хорами был предложен в работах Трахтенгерца с соавторами и основан на автоколебательных процессах в проточном циклотронном мазере (Трахтенгерц, 1986; Demekhov and Trakhtengerts,1994). Отметим, что теория проточного мазера объясняет пульсирующие пятна, в которых форма пятен не изменяется, так называемые “pure pulsation patches” (Yamamoto. and Oguti, 1982). Экспериментально установлено, что в утреннем секторе наблюдаются и другие типы пульсирующей авроры (expansion and/or propagating pulsation, steaming pulsation, fast auroral waves). Поскольку свистовые волны, по-видимому, играют решающую роль в утренних высыпаниях, можно ожидать, что различные типы пульсирующей авроры связаны с различными режимами циклотронной неустойчивости в магнитосфере. В теории проточного циклотронного мазера (Трахтенгерц и др,. 1986; Demekhov, and Trakhtengerts, 1994) также важную роль играет наличие волокна повышенной концентрации холодной плазмы. Это волокно играет роль резонатора для свистовых волн и, с другой стороны, выделено по отношению к окружающей плазме более благоприятными условиями для развития циклотронной неустойчивости. В работе (Пасманик, 2004) выполнено обобщение классической квазилинейной теории циклотронного взаимодействия на случай цилиндрического плазменного волновода при учете пространственного распределения энергичных частиц и модовой структуры возбуждаемых волн. В зависимости от параметров магнитосферного волновода эти собственные волноводные моды будут иметь различные пространственные распределения волновых полей внутри волновода. В этих случаях можно ожидать определенные пространственные формы высыпающихся электронов. Выяснение этого вопроса требует
детальной информации о пространственно-временных вариациях свечения в различных типах пульсирующей авроры.
Используемые
подходы и методы
Наблюдения мелкомасштабной
структуры полярных сияний производятся из двух или трёх точек с
использованием комплекса высокочувствительных ПЗС камер с различным
полем зрения. Общая обстановка в районе наблюдений регистрируется
камерой всего неба. Цветная камера с полем зрения 60 градусов
дает качественную информацию об энергии высыпающихся частиц вблизи
магнитного зенита. Камеры с малым полем зрения (15 градусов) разнесены
на 4-10 км и направлены на одну и ту же область вблизи магнитного
зенита, что позволит восстановить пространственную структуру высыпаний
в плоскости, перпендикулярной силовым линиям магнитного поля. Эти
камеры снабжены стеклянными фильтрами, подавляющими красную область
спектра для уменьшения влияния долгоживущих состояний атома кислорода и
улучшения временного разрешения. Другой режим работы узкоугольных камер
- наблюдения в направлении на север - позволит получить детальную
информацию о динамике высотного профиля аврорального свечения в
лучистых структурах. Данный наблюдательный комплекс имеет значительный
элемент новизны, как по подбору камер, так и по режимам их работы.
Регулярных наблюдений подобным комплексом, насколько нам известно,
ранее не проводилось. Существующие в настоящее время распределенные
системы наземных наблюдений ALIS (Швеция и Норвегия) и THEMIS (Канада),
а также обычно используемые авроральные камеры всего неба,
ориентированы на исследование крупномасштабных процессов.
Данные наблюдений будут анализироваться с использованием статистических методов с целью выявления характерных пространственно-временных масштабов и/или пределов масштабной инвариантности (скейлинга). В основе подхода лежат представления о турбулентном состоянии магнитосферно-ионосферной плазмы, при котором переходные процессы отражают происходящую в ней самоорганизацию к критическому состоянию. Этот подход в значительной степени новый и активно развивается в последние годы предполагаемыми исполнителями проекта.
Данные наблюдений будут анализироваться с использованием статистических методов с целью выявления характерных пространственно-временных масштабов и/или пределов масштабной инвариантности (скейлинга). В основе подхода лежат представления о турбулентном состоянии магнитосферно-ионосферной плазмы, при котором переходные процессы отражают происходящую в ней самоорганизацию к критическому состоянию. Этот подход в значительной степени новый и активно развивается в последние годы предполагаемыми исполнителями проекта.
Общий план работ:
1. Проведение наблюдений полярных сияний в темное время суток со стационарных пунктов (здания АО ПГИ и Апатитского стратосферного полигона) – в патрульном режиме, с выносного пункта (~10 км от г. Апатиты) – при наличии благоприятного прогноза для погодных условий и геомагнитной активности.
2. Оперативное представление обзорных данных наблюдений в сети Internet.
3. Статистический, в том числе скейлинговый, анализ поперечной к магнитному полю структуры полярных сияний с учетом их морфологии (фазы суббуревых возмущений, развитие пульсирующих форм и т.д.)
4. Статистический анализ пространственно-временной динамики высотного профиля аврорального свечения в лучистых структурах.
5. Верификация физических механизмов формирования аврорального структурирования.
1. Проведение наблюдений полярных сияний в темное время суток со стационарных пунктов (здания АО ПГИ и Апатитского стратосферного полигона) – в патрульном режиме, с выносного пункта (~10 км от г. Апатиты) – при наличии благоприятного прогноза для погодных условий и геомагнитной активности.
2. Оперативное представление обзорных данных наблюдений в сети Internet.
3. Статистический, в том числе скейлинговый, анализ поперечной к магнитному полю структуры полярных сияний с учетом их морфологии (фазы суббуревых возмущений, развитие пульсирующих форм и т.д.)
4. Статистический анализ пространственно-временной динамики высотного профиля аврорального свечения в лучистых структурах.
5. Верификация физических механизмов формирования аврорального структурирования.
Last
modified: 28 November, 00:57 UT