Статистические характеристики и механизмы образования провалов в концентрации ионов He + на высотах верхней ионосферы

Актуальность темы

и современное состояние проблемы. Провал в легких ионах Н+ и Не+ (ПЛИ) является индикатором экваториальной плазмопаузы на высотах верхней ионосферы, по динамике ПЛИ можно проводить мониторинг плазмопаузы. Однако, если анализу, в том числе статистическому, характеристик плазмопаузы посвящено большое количество работ, ПЛИ же исследовался, в основном, на отдельных примерах. Поэтому большинство характеристик ПЛИ до сих пор изучено недостаточно хорошо, они, как правило, описываются качественными, сугубо приближенными формулировками, как например: «ПЛИ чаще наблюдается в ночных условия, чем в дневных». Относительно некоторых характеристик ПЛИ вообще нет единой точки зрения, например, часть авторов считает, что ПЛИ с ростом магнитной активности становится глубже и наблюдается чаще, а другая часть не видит существенных изменений в структуре ПЛИ при изменениях магнитной активности. Не существует даже общепринятого определения ПЛИ, часто под этой структурой понимают резкое падение концентрации легких ионов на широтах плазмопаузы, без полярной стенки. Характеристики ПЛИ определяются вариациями концентрации легких ионов на средних и авроральных широтах. Анализ литературы показывает, что даже суточные и сезонные вариации концентрации Н+ и Не+ в верхней ионосфере изучены настолько слабо, что на них не удается опереться при исследовании соответствующих вариаций характеристик ПЛИ. Поэтому при исследовании ПЛИ приходится решать сразу две задачи — сначала выделять вариации фоновых концентраций ионов Н+ или Не+, а затем на их основе проводить анализ поведения ПЛИ.

О субпровалах в легких ионах известно еще меньше, чем о ПЛИ. Они были обнаружены в отдельных случаях экваториальнее ПЛИ во время сильных возмущений, и глубоко в плазмосфере (на 1−1.5) в спокойных условиях. Субпровалы в концентрации легких ионов регистрируются в очень большой полосе широт (~ 25−57°Ф) и потому явно связаны с разными механизмами образования. Однако редкие, внесистемные попытки обнаружить эти механизмы еще сильнее запутывают картину, поскольку часто провал одного типа за время наблюдений плавно переходит в провал другого типа, с совершенно другими характеристиками. Субпровалы, наблюдаемые во внутренней плазмосфере, по-видимому, образуются в магнитоспокойные периоды времени, хотя обоснованных механизмов для их формирования в условиях достаточно стабильной внутренней плазмосферы предложено не было. Более высокоширотные субпровалы, безусловно, являются проявлением динамических процессов, протекающих во внешней плазмосфере во время возмущений. В последнее время исследованию механизмов бурь и суббурь уделяется огромное внимание. Однако, подавляющее большинство этих иследований относится к удаленным областям магнитосферы. Этот акцент в новейших исследованиях околоземного пространства частично связан с ошибочным представлением о том, что его более близкая часть, т. е. ионосфера, изучена достаточно хорошо. Как было сказано выше, это далеко не так и потому существующие пробелы в исследованиях должны быть устранены. Обширный материал, накопленный за более чем 30 лет спутниковых наблюдений, позволяет это сделать. Так, например, банк данных спутника «188-Ь» содержит измерения концентрации ионов 0+, Не+ и Н+, полученных вдоль ~1100 орбит, что составляет около 4000 пролетов спутника над среднеширотной и высокоширотной ионосферой обоих полушарий для разных условий. Этого вполне достаточно для решения многих задач. Однако эти данные в течение 22 лет после запуска спутника использовались редко. Более того, немногочисленные публикации по данным «188-Ь» относились в основном к экваториальным широтам.

Итак, исходя из вышеизложенного, целью исследования является:

1. Выделение и классификация разных типов провалов в концентрации ионов Не+ на основе системного анализа достаточно большого массива данных спутника «188-Ь».

2. Выявление зависимости вероятности наблюдения ПЛИ и субпровалов концентрации Не+ от широты, долготы, местного времени, сезона и уровня геомагнитной активности.

3. Исследование вариаций концентрации Не+ в области провалов в зависимости от местного времени, сезона, долготы и магнитной активности.

4. Интерпретация и разработка возможных механизмов формирования субпровалов разных типов. —.

Научная новизна настоящей работы состоит в том, что:

1. Впервые на основе системного анализа большого массива данных спутника «1вЗ-Ь» проведена четкая классификация разных типов провалов в [Не+].

2. Впервые на основе статистического анализа данных спутника «1в8-Ь» обнаружены и детально исследованы ранее неизвестные вариации вероятности наблюдения (Р) ПЛИ и субпровалов в зависимости: от времени суток для летних/зимних условийот сезона в ночных/дневных условиях, обнаруживающие ночные равноденственные максимумы Рдля ПЛИот долготы в ночных условиях для обоих полушарий, выявляющие сильную асимметрию полушарийот широты для зимних ночных и летних дневных условий. Получена зависимость величины Рдля ПЛИ и «высокоширотных» субпровалов от уровня геомагнитной активности.

3. Детально исследованы слабо или совсем неизученные вариации концентрации Не+, определяющие вариации величины Р для провалов обоих типов, и выделены в зависимости: от времени суток, сезона и долготы на средних, субавроральных и авроральных широтах. Выявлено, что.

— вариации величины Р для субпровалов зависят и определяются вариациями фоновой концентрации Не+ в первом приближении;

— вариации величины Р для ПЛИ определяются главным образом вариациями [Не+] на полярной стенке, в большей степени вариациями [Не+] - в минимуме и в меньшей степени — на экваториальной стенке;

— вариации [Не+] зависят, в свою очередь, от вариаций концентрации 0+.

4. Найдены возможные причины формирования субпровалов разных типов.

Предложена качественная интерпретация формирования высокоширотных субпровалов механизмом образования «плазменных хвостов» в периоды возмущений и механизмом кольцевых ионосферных провалов (КИП).

Выявлена роль электрических полей магнитосферного происхождения в формировании субпровалов.

— Детально разработан механизм образования субпровалов, локализованных в полосе широт 35−45°Ф, связанный с выносом легких ионов из летнего полушария в зимнее.

Личное участие. Автору принадлежит статистическая обработка данных спутника «188-Ь», участие в анализе полученных результатов, а также интерпретация и разработка механизмов формирования субпровалов.

Практическая и научная значимость работы. Результаты статистического анализа сезонных, суточных, широтных и долготных вариаций [Не+] представляют в совокупности достаточно полную картину распределения концентрации на средних, субавроральных и авроральных широтах верхней ионосферы, которая может использована для дальнейших экспериментальных и теоретических исследований околоземного пространства. Обнаружение сильной зависимости вариаций Не+ от вариаций 0+ является убедительным экспериментальным подтверждением тесной связи между верхней и нижней ионосферой. Кроме того необходимо отметить, что изучаемые вариации [Не+] на высотах верхней ионосферы определяют соответствующие вариации [Не+] на плазмосферных высотах и влияют на генерацию и распространение ионно-циклотронных волн. Обнаружение свыше 500 субпровалов за 1.5 года работы спутника «(Бв-Ь» резко меняет и расширяет наши представления о процессах, имеющих место в верхней ионосфере как в возмущенных, так и в спокойных условиях. Наконец, результаты статистического анализа характеристик ПЛИ позволяют существенно уточнить механизмы его образования, а, следовательно, более точно отобразить процессы магнитосферно-плазмосферно-ионосферной связи.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Ранее неизвестные статистические характеристики провалов в концентрации Не+, выделенные и исследованные по данным спутника «188-Ь» на высотах 1000−1200 км: а) Вариации вероятности наблюдения ПЛИ и субпровалов в зависимости: от времени суток для летних и зимних условий, от сезона для ночных и дневных условий, от долготы для ночных зимних и летних условий обоих полушарий. о — от времени суток для летних и зимних условий, от сезона для ночных и дневных условий, от долготы для ночных зимних и летних условий обоих полушарий. б) Вариации вероятности наблюдения субпровалов в зависимости: от широты для зимних ночных и летних дневных условий, в) Вариации вероятности наблюдения ПЛИ в зависимости от уровня геомагнитной активности.

2. Ранее неизвестные статистически выделенные и детально исследованные вариации концентрации ионов Не+ в области средних, субавроральных и авроральных широт в зависимости:

— от времени суток, сезона и долготы. Обнаружение сильной зависимости вариаций Не+ от вариаций 0+.

3. Результаты исследования возможных причин образования субпровалов, состоящие: а) в качественной интерпретации образования высокоширотных субпровалов механизмами «плазменных хвостов» и кольцевых ионосферных провалов (КИП) -эффективными в разных секторах местного времени. б) в качественном описании механизма образования крайне низкоширотных субпровалов, связанного с развитием плазменных экваториальных «баблов». в) в разработке механизма, связанного с оттоком легких ионов из летнего полушария в зимнее, для объяснения образования субпровалов, локализованных в полосе широт 35−45°Ф в спокойных геомагнитных условиях.

Апробация результатов и публикации. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на I Евроазиатском Симпозиуме по космическим наукам и технологиям (Тубитак, Турция, 1993 г.), на Интернациональном Симпозиуме по проблемам спутниковых исследований магнитосферных и ионосферных процессов (Москва, ИЗМИРАН, 1995 г.), на XXXI Научной Ассамблее COSPAR (Бирмингем, Великобритания, 1996 г.), на VIII Научной Ассамблее IAGA (Уппсала, Швеция, 1997), на двух Интернациональных конференциях по проблемам геокосмоса (Санкт-Петербург, 1996, 1998), на.

Генеральной Ассамблее С08РА1Ч (Нагойя, Япония, 1998), на XXII Генеральной Ассамблее ИЮв (Бирмингем, Великобритания, 1999), а также на научных семинарах и Учёном Совете ИЗМИРАН. По теме диссертации опубликовано 14 работ. Материалы диссертации использованы в научных отчётах.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Работа содержит 175 страниц текста, в том числе 54 рисунка и две таблицы. Список цитируемой литературы включает 137 наименований.

§ 5.5 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ГЛАВЫ V.

Детальный анализ характеристик субпровалов позволил выявить возможные причины их образования. Эти причины разные в разных интервалах широт. Исходя из этого субпровалы можно условно разделить на высокоширотные, низкоширотные и крайне низкоширотные. Таким образом, высказанное выше предположение о том, что субпровалы связаны с разными причинами подтвердилось. Конкретно, были получены следующие выводы.

1. Высокоширотные субпровалы (Ф>47−48°) наблюдаются в ночное время с максимумом вероятности в утренние часы и в дневное время с максимумом вероятности в послеполуденные часы. Дневные субпровалы связаны, очевидно, с образованием «плазменных хвостов» в этом секторе местного времени. Ночные субпровалы формируются тем же самым механизмом, что и красные устойчивые дуги и провал в которые чаще всего наблюдаются на восстановительной фазе бури в утренние часы местного времени. В вечернем секторе субпровалы, кроме того, могут, по-видимому, формироваться узкой полосой западного дрейфа плазмы в результате джоулева нагрева термосферы.

2. Крайне низкоширотные субпровалы (Ф<35°) наблюдаются в зимних ночных условиях и не регистрируются летом. Они, по всей видимости, связаны с образованием экваториальных «баблов», которые также наблюдаются в основном в зимнее время с 18 П" до 05 1 Т. «Баблы» поднимаются над экватором на большие (плазмосферные) высоты (до 3000 км), приобретают «бананообразную» форму, растянутую вдоль силовой трубки, и проявляются как субпровалы на широтах 20−35°Ф на ионосферных высотах -1100 км. На более низких широтах субпровалы поглощаются глубоким экваториальным провалом в [Не+].

3. В формировании низкоширотных субпровалов, локализованных в полосе широт 35−45°Ф зимнего периода, могут участвовать, по-видимому, только электрические поля. Наблюдения показывают, что всплески электрических полей магнитосферного происхождения во время возмущений наиболее часто наблюдаются вблизи 1~2. Электрическое поле магнитосферной конвекции наиболее эффективно проникает в вечерние и околополуночные часы, но значительной величины может достигать уже в -14 1 Т. А поскольку субпровалы.

4 ОУ легче образуются при низкой фоновой концентрации, то чаще всего в зимних условиях они появляются в послеполуночные часы местного времени.

4. За формирование ярко выраженных низкоширотных субпровалов, локализованных в полосе широт 35−45°Ф летнего периода, ответственней процесс выноса легких ионов из летнего полушария в зимнее. Этот процесс наиболее эффективно протекает в южном полушарии, в полосе широт 35−45°Ф и интервале времени 12−22 1 Т. Его эффективность зависит от сезона, долготы и максимальна вблизи солнечного терминатора, который определяет резкий рост [0+], с которым связано уменьшение [Не+]. Процесс образования этого типа субпровалов не зависит от уровня геомагнитной активности. В зимнем полушарии на широтах летнего субпровала образуется довольно значительное повышение [Не+].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Подводя итоги выполненных исследований, суммируем кратко основные результаты:

1) На основе системного анализа большого массива данных спутника «188-Ь» (-4000 пролетов) разработана методика разделения провалов и выделены провалы в [Не+].

• Выделены высокоширотные провалы, расположенные внутри аврорального овала.

• Выделены ПЛИ, связанные с внутренней плазмопаузой.

• Выделены несколько случаев ПЛИ, расположенных в дневные и вечерние часы на широтах внешней (классической) плазмопаузы.

• Выделены свыше 500 субпровалов разных типов в полосе широт ~25−57°Ф.

• Показано, что ПЛИ, расположенные вблизи внутренней плазмопаузы, вместе с ней смещаются к экватору при росте Кр-индекса. Это означает, что положение ПЛИ на высоте — 1100 км не отслеживает дневной или вечерней выпуклости, как у ГИП или у классической плазмопаузы.

• Обнаружено, что вероятность наблюдения (Р) ПЛИ в ночных зимних, так и в дневных летних условиях слабо зависит от магнитной активности.

2) Впервые выделены и детально исследованы суточные и сезонные вариации Р для ПЛИ и субпровалов.

• Обнаружено, что в ночных условиях значения Р для ПЛИ несколько выше зимой (-40−60%), чем летом (35−55%) и достигают максимумов в периоды равноденствий (до 80−90% в марте). Значения Р для субпровалов уменьшаются от -30% зимой до 5−10% летом, показывая равноденственные минимумы.

• Обнаружено, что в дневных условиях ПЛИ довольно часто наблюдаются летом (Р~30%) и очень редко зимой (Р=5−10%). Субпровалы не часто, но стабильно наблюдаются летом (Р=7−12%), редко зимой (Р=2−3%) и полностью отсутствуют в равноденствия. лы.

• Выявлено, что ПЛИ чаще наблюдаются ночью (Р=40−60%), чем днем (Р= 1030%). Субпровалы же чаще наблюдаются зимой в послеполуночные часы, а летом — в послеполуденные и вечерние.

• Показано, что суточные и сезонные вариации величины Р определяются соответствующими вариациями [Не+] в области провалов. Роль фоновых вариаций в вариациях величины Р для ПЛИ проявляется в меньшей степени на экваториальной стенке, в большей — в минимуме и становится доминирующей на полярной стенке. Значения Р для субпровалов определяются вариациями фоновой концентрации в первом приближении. Главной особенностью вариаций [Не+] является сильная зависимость от поведения ионов 0+, растущая с широтой.

3) Впервые выделены и детально исследованы долготные вариации Рдля ПЛИ и субпровалов в [Не+] в ночных зимних и летних условиях.

• Обнаружено, что значения Рдля ПЛИ изменяются с долготой от 20−25% до 7580%. Амплитуда долготного эффекта летом больше, чем зимой, и в южном полушарии больше, чем в северном.

• Обнаружено, что величина Рдля субпровалов изменяется с долготой от 0−10% до 25−50%, причём изменения наиболее сильно выражены в северном полушарии в зимних условиях.

• Показано, что вариации величины Р связаны с соответствующими вариациями [Не+] в области провалов. Долготные вариации [Не+], в свою очередь, определяются вариациями [0+]. Обнаружено, что долготные вариации [Не+] и [0+] летом на средних широтах антикоррелируют, а во всех остальных случаях коррелируют. Выявлены причины такой взаимосвязи, механизмы образования долготных вариаций концентрации ионов на средних и высоких широтах, а также причины асимметрии структуры провалов в северном и южном полушариях.

• Показано, что вариации [Не+] с долготой меняются значительно, хотя менее сильно, чем [0+]. Амплитуда долготного эффекта (А) больше на средних широтах, чем на высоких (А-2−4 и 1.7−3 соответственно), в ю.п. больше, чем в с.п. (на средних широтах Д~2.2−4 и 1.7−3.3 соответственно), зимой больше, чем летом (на средних широтах А~3.3−4 и 1.7−2.2 соответственно).

4) Обнаружены возможные причины образования субпровалов разных типов в концентрации Не+.

• Предложена качественная интерпретация дневных и ночных высокоширотных (Ф>47−48°) субпровалов. Дневные субпровалы формируются, по всей видимости, механизмом «плазменных хвостов», а ночные (утренние) -механизмом кольцевых ионосферных провалов (КИП), наблюдаемых в утренние часы на восстановительной фазе бури. В вечернее время высокоширотные субпровалы, по-видимому, формируются узкой полосой западного дрейфа плазмы в результате джоулева нагрева термосферы.

• Разработан качественно механизм образования крайне низкоширотных субпровалов (Ф<35°), наблюдаемых в зимних ночных магнито-спокойных условиях. Они, по всей вероятности, связаны с образованием, развитием и динамикой экваториальных «баблов» («bubbles»), также наблюдаемых в зимний период с 18 до 05 LT.

• Выявлено влияние всплесков Е-полей магнитосферного происхождения, наиболее часто наблюдаемых вблизи L~2, на образование низкоширотных [35−45°Ф] субпровалов зимнего периода.

• Детально разработан механизм формирования низкоширотных [35−45°Ф] субпровалов летнего периода, связанный с процессом выноса легких ионов из летнего полушария в зимнее.

Наблюдения показывают, что форма провалов в концентрации ионов Не+ и Н+ в первом приближении подобна. С другой стороны известно, что разница в природе их происхождения может приводить к значительным отличиям в тонкой структуре провала. Поэтому, строго говоря, полученные в работе результаты относятся только к ионам Не+.