Динаміка авроральних променів за телевізійними спостереженнями - Автореферат

Однак механізм цього явища в багатьох аспектах ще не розкритий і до числа актуальних задач на сьогодні відноситься докладне вивчення елементарних процесів суббур та отримання їх кількісних характеристик. Для вивчення мікроструктури полярних сяйв успішно використовуються високочутливі телевізійні приймачі зображення: досліджено маломасштабні деформації авроральних дуг за спостереженнями в області магнітного зеніту [1-3]*; одержано дані про поперечні розміри авроральних структур [4], зокрема дуг [5], в тому числі і при наближенні до мінімально можливих значень їх ширини [6]; істотно розширено дані про динаміку пульсуючих сяйв, їхні висоти і звязки з геомагнітними збуреннями [7-10]; в експериментах з інжекцією електронних пучків в іоносфері зареєстровано і детально вивчено нові оптичні ефекти, якими супроводжувалось формування променів штучного полярного сяйва [11-13]. Розробити методику вимірювань положень радіанта променистої корони полярного сяйва (аврорального зеніту) за телевізійними знімками, застосувати методику для обробки зображень корони і вивчити просторово-часову динаміку аврорального зеніту в умовах інтенсивної суббурі. З вимірювань положень радіанта променів штучного полярного сяйва в експериментах "Зарница" визначено орієнтацію геомагнітних силових ліній в області інжекції електронних пучків з похибкою до ±1у, не досягнутою в аналогах і прототипі цієї методики. Визначення критеріїв, що забезпечують підвищення точності вимірювань орієнтації геомагнітних силових ліній за наземними телевізійними спостереженнями променів штучного полярного сяйва поблизу магнітного зеніту; позиційні вимірювання, визначення радіанта променів і орієнтації силових ліній, порівняння з модельними елементами геомагнітного поля [4, 10].З вимірювань телевізійних знімків отримано просторово-часові характеристики променів в активних дугах і смугах полярного сяйва. Спостереження в області магнітного зеніту показують, що маломасштабні (0.2 - 1 км) квазіциліндричні авроральні промені можуть зявлятися як у результаті розпаду інтенсивних листових електронних потоків на відносно ізольовані пучки, так і без звязку з еволюцією листових висипань. Не виключена можливість активізації авроральних дуг і смуг з одночасним утворенням і деформацій, і власне променів, які відбивають пучкову структуру деформованого листового висипання. У залежності t(v) виявлено тенденцію до зменшення максимально можливого часу життя променів при зростанні швидкості їхнього дрейфу (рис. На основі аналізу характеристик, повязаних з тривалістю існування променів, зроблено висновок, що стійкість пучка електронів, який формує авроральний промінь, значною мірою визначається ефективністю іонізації в області вторгнення і гальмування пучка.В роботі за матеріалами телевізійних спостережень одержані нові експериментальні дані, які характеризують просторово-часову динаміку променів полярного сяйва. За допомогою високочутливого аналогового приймача зображень суперізокона ЛИ804 (поріг за освітленістю ~10-7 лк і за контрастом ~0.01) вперше проведено систематичні спостереження променистих форм полярних сяйв і їх реєстрація з часовою роздільною здатністю 0.1 с. Отримано розподіли значень цих характеристик і виявлено такі співвідношення між ними: - час життя променів у середньому зменшується зі збільшенням швидкості їхнього горизонтального дрейфу і зростає із збільшенням яскравості і ширини; Зроблено висновки, що співвідношення, які спостерігаються в динаміці променів між визначеними характеристиками: а) вказують на залежність стійкості пучка електронів, що вторгається в атмосферу, від ефективності здійснюваної ним іонізації; б) свідчать про звязок розмірів променів з параметрами енергетичного спектра електронів; в) відбивають наявність систематичних змін енергетичного спектра дрейфуючих на схід електронних пучків та його змін упродовж ночі.

В роботі за матеріалами телевізійних спостережень одержані нові експериментальні дані, які характеризують просторово-часову динаміку променів полярного сяйва.

1. За допомогою високочутливого аналогового приймача зображень суперізокона ЛИ804 (поріг за освітленістю ~10-7 лк і за контрастом ~0.01) вперше проведено систематичні спостереження променистих форм полярних сяйв і їх реєстрація з часовою роздільною здатністю 0.1 с.

2. Виміряно час життя, швидкість горизонтального дрейфу, поздовжні і поперечні розміри, а також відносні яскравості променів в активних авроральних дугах і смугах. Отримано розподіли значень цих характеристик і виявлено такі співвідношення між ними: - час життя променів у середньому зменшується зі збільшенням швидкості їхнього горизонтального дрейфу і зростає із збільшенням яскравості і ширини;

- відношення довжини променів до ширини обмежене значеннями 4 < L/D < 20;

- ширина променів зменшується вдвічі протягом ночі в інтервалі місцевого часу 22-04 год;

- довжина променів, які дрейфують на схід, зменшується упродовж часу їх життя.

3. Зроблено висновки, що співвідношення, які спостерігаються в динаміці променів між визначеними характеристиками: а) вказують на залежність стійкості пучка електронів, що вторгається в атмосферу, від ефективності здійснюваної ним іонізації; б) свідчать про звязок розмірів променів з параметрами енергетичного спектра електронів; в) відбивають наявність систематичних змін енергетичного спектра дрейфуючих на схід електронних пучків та його змін упродовж ночі.

4. Вперше в дослідженнях маломасштабних авроральних структур здійснено визначення і аналіз пяти характеристик авроральних променів, поєднання яких дозволило виявити нові особливості у поведінці променів.

5. Виявлено, що поверхнева яскравість нічного неба в авроральних дірах з розмірами 1-3 км становить ~5Ч10-8 сб. Це менше відзначених у зоні сяйв мінімальних значень яскравості нічного неба і свідчить про відсутність у відповідних магнітних силових трубках висипань, навіть фонових.

6. З використанням розробленої методики виміряні положення радіанта променистої корони полярного сяйва і досліджені основні типи його міграцій з характерним часом від 1 с до 10 хв: - збільшення амплітуди швидких міграцій аврорального зеніту супроводжується зростанням амплітуди геомагнітних пульсацій на поверхні Землі;

- існує асиметрія гвинтоподібного збурення орієнтації променів у короні;

- густина висхідного струму в області компактних променистих форм сяйва, визначена за величиною гвинтового закручення силових ліній, досягає ~0.8Ч10-4 А/м2;

- зміна орієнтації геомагнітних силових ліній в інтервалі висот 0-150 км у період інтенсивної суббурі складає близько 2°, а напрямок і амплітуда відхилень у середньому за інтервал спостережень відповідають північно-західному напрямку іоносферного струму.

- в цілому аналіз міграцій аврорального зеніту дає свідчення про характер локальних геомагнітних збурень і авроральних струмів за спостереженнями променистих сяйв з одного пункту.

7. Вдосконалена методика вимірювань орієнтації геомагнітних силових ліній за зображеннями променів штучного полярного сяйва забезпечує зниження похибок до ±1ґ. Перевагою методики є можливість більш точного визначення схилення і нахилення геомагнітного поля в області висот 100-200 км, де відсутні систематичні геомагнітні вимірювання.

8. Результати роботи показують доцільність проведення ТВ-спостережень у магнітному зеніті: а) вузьких авроральних дуг у поєднанні з одночасною реєстрацією їх бокового ракурсу з іншого пункту (за схемою спостережень "вид знизу вид збоку") для виділення внеску пучкової структури та деформацій листових електронних висипань у променисту структуру, яка спостерігається в дугах; б) маломасштабної структури сяйв у магнітноспряжених ділянках іоносфери для пошуку ефектів спряженості в процесах формування авроральних дір; в) променистої корони і одночасно дискретних сяйв в суміжних ділянках для аналізу динаміки аврорального зеніту та зіставлення її з геомагнітними пульсаціями на поверхні Землі; г) променів ШПС з урахуванням розроблених (розділ 4) критеріїв для уточнення конфігурації магнітного поля і вивчення локальних магнітних збурень на висотах іоносфери.

1. Дзюбенко Н.И., Евтушевский А.М. Ободной особенности в динамике лучей в активных авроральных полосах // Проблемы космической физики. - Киев: Вища школа, 1979. - Вып. 14. - С. 23-26.

2. Евтушевский А.М., Милиневский Г.П., Попов О.С., Господинов Г.А., Кравченко В.А. Синхронная телевизионная регистрация активных форм и спектров полярных сияний // Геомагнетизм и аэрономия. - 1980. - Т. 20, №5. - С. 959-961.

3. Евтушевский А.М., Милиневский Г.П. Движение радианта авроральных лучей по телевизионным наблюдениям // Проблемы космической физики. - Киев: Вища школа, 1985. - Вып. 20. - С. 7-10.

4. Евтушевский А.М., Ивченко В.Н., Милиневский Г.П., Молотай А.А. Радиант лучей искусственного полярного сияния // Геомагнетизм и аэрономия. - 1986. - Т. 26, № 2. - С. 334-336.

5. Дзюбенко Н.И., Евтушевский А.М., Милиневский Г.П. Положение аврорального зенита и токовая система авроральной суббури // Электродинамические процессы в высоких широтах. - Апатиты: Кольский филиал АН СССР. - 1988. - С. 17-21.

6. Дзюбенко Н.И., Евтушевский А.М., Милиневский Г.П. Фотометрические профили авроральных дыр ("черных сияний") // Морфология и физика полярных сияний. - Апатиты: Кольский филиал АН СССР. - 1988. - С. 28-32.

7. Дзюбенко Н.И., Евтушевский А.М. Зависимость времени жизни авроральных лучей от скорости их дрейфа // Вестник Киев. ун-та. Астрономия. - 1990. - Вып 32. - С. 69-72.

8. Євтушевський О.М. Геометрія авроральних променів // Вісник Київ. ун-ту. Астрономія. - 1997. - Вип. 34. - С. 135-141.

9. Dzubenko M.I., Evtushevsky A.M., Ivchenko V.M. Some effects of background ionospheric electrical conductivity in the characteristics of aurorae // Вісник Київ. ун-ту. Астрономія. - 1999. - Вип. 35. - C. 87-92.

10. Способ определения ориентации магнитных силовых линий на высотах ионосферы планет: А.с. 1492939 СССР, МКИ3 G 01J1/10 / Дзюбенко Н.И., Евтушевский А.М., Ивченко В.Н., Милиневский Г.П. - № 4042571/21; заявлено 25.03.86. Зарегистрировано 8.03.89.

11. Евтушевский А.М. Измерение склонения и наклонения геомагнитного поля на высотах ионосферы методом радианта лучей искусственного полярного сияния / Киевский госуниверситет им. Т. Шевченко. - Киев, 1988. - 26 с. - Деп. в УКРНИИНТИ 26.02.88, № 557-Ук 88.

12. Дзюбенко Н.И., Евтушевский А.М., Милиневский Г.П. Применение метода радианта лучей полярных сияний в исследованиях геомагнитного поля // Тезисы докладов Международного симпозиума "Полярные геомагнитные явления", 21-31 мая 1986 г., г. Суздаль. - М.: АН СССР. - 1986. - С. 42-43.

13. Дзюбенко Н.И., Евтушевский А.М., Милиневский Г.П. Авроральные дыры // Тезисы докладов Международного симпозиума "Оптические эмиссии средней и верхней атмосферы", 16-21 октября 1989 г. - Стара Загора: Болгарская АН. - 1989. - С. 44-45.

14. Dzubenko N.I., Evtushevsky A.M. Variation of auroral ray dimensions // Abstracts of the 23rd European Meeting on Atmospheric Studies by Optical Methods, Kyiv, September 2-6, 1996. - Kyiv. - 1996. - P. 16.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Oguti T. Rotational deformations and related drift motions of auroral arcs // J. Geophys. Res. - 1974. - Vol. 79, No. 25. - P. 3861 - 3865.

2. Hallinan T.J., Davis Т.N. Small-scale auroral arc distortions // Planet. Space Sci. - 1980. - Vol. 18, No. 12. - P.1735 - 1744.

3. Vogt J., Frey H.U., Haerendel G., et al. Shear velocity profiles associated with auroral curls // J. Geophys. Res. - 1999. - Vol. 104, No. A8. - P. 17277-17288.

4. Maggs J.E., Davis T.N. Measurements of the thickness of auroral structures // Planet. Space Sci. - 1968. - Vol. 16, No. 2. - P.205-215.

5. Stenbaek-Nielsen H.C., Hallinan T.J, Osborne D.L., et al. Aircraft observations conjugate to FAST: auroral arc thicknesses // Geophys. Res. Lett. - 1998. - Vol. 25, No. 12. - P. 2073-2076.

6. Borovsky J.E., Suszcynsky D.M., Buchwald M.I. Measuring of the thicknesses of auroral curtains // Arctic. - 1991. - Vol. 44, No. 3. - P. 231-238.

7. Royrvik О., Davis Т.N. Pulsating aurora: local and global morphology // J. Geophys. Res. - 1977. - Vol. 82, No. 29. - P. 4720-4740.

8. Stenbaek-Nielsen H.C., Hallinan T.J., Davis T.N. Stereo-TV observations of pulsating aurora // J. Geomag. Geoelectr. - 1978. - Vol. 30, No. 4. - Р. 343-344.

9. Тагиров В.Р., Трахтенгерц B.C., Черноус С.А. О природе пульсирующих пятен полярных сияний. 1. Экспериментальные данные: Препр. / ПГИ АН СССР; 03-41. - Апатиты: 1986. - 38 с.

10. Suszcynsky D.M., Borovsky J.E., Thomsen M.F., et al. Coordinated ground-based and geosynchronous satellite-based measurements of auroral pulsations // Proc. SPIE: 23rd European Meeting on Atmospheric Studies by Optical Methods, Kyiv, September 2-6, 1996. - 1997. - Vol. 3237. - P. 2-7.

11. Несмянович А.Т., Ивченко В.Н., Близнюк Н.Н. и др. Оптические эффекты в космическом эксперименте "Зарница-1"// Космические исследования на Украине. - Киев: Наукова думка, 1978. - Вып. 12. - С. 88-92.

12. Дзюбенко Н.И., Ивченко В.Н., Милиневский Г.П. Околоракетное свечение в космических экспериментах "Зарница-1" и "Зарница-2" // Космические исследования. - 1980. - Т. 18, вып. 2. - С. 290-292.

13. Искусственные пучки частиц в космической плазме: Пер. с англ. - М.: Мир, 1985. - 452 с.

14. Величко В.А., Молочушкин Н.Е., Самсонов В.П. Ориентация лучей активных корон полярных сияний // Геомагнетизм и аэрономия. - 1987. - Т. 27, № 2. - С. 326-328.

15. Назарчук Г.К. Анализ быстрых движений радианта полярного сияния по телевизионным наблюдениям в б. Тикси // Геомагнетизм и аэрономия. - 1990. - Т. 30, № 2. - С. 240-244.

16. Solovyev S.I., Baishev D.G, Barkova E.S. et al. Pi2 magnetic pulsations as response on spatiotemporal oscillations of auroral arc current system // Geophys. Res. Lett. - 2000. - Vol. 27, No. 13. - P. 1839-1842.