Институт Солнечно-Земной Физики СО РАН, Иркутск

Интервал (0000-1200)UT, 3 мая 1986 г. (CDAW9C), исследуется с использованием традиционной базы данных, дополненной выходными параметрами техники инверсии магнитограмм ТИМ 2. В указанном интервале наблюдались четыре суббури. В результате таймирования с помощью метода ТИМ2 было найдено, что все они принадлежат к особому, слабо изученному, классу неизолированных суббурь. Тем не менее, результаты исследования поддерживают разработанный ранее в ИСЗФ сценарий суббури с двумя активными фазами, как альтернативу классическому сценарию суббури с фазами роста, расширения и восстановления. Рассмотренные суббури содержат каждая две активные фазы: одна из них создается неустойчивостью в ближней, замкнутой, части хвоста геомагнитосферы, вторая - пересоединением открытого магнитного потока. Главное отличие исследованных суббурь от ранее изученных заключается в том, что признаки начальной и конечной фаз в налагающихся суббурях смешаны.

Суббуря представляет собой последовательность процессов, которые происходят в магнитосфере Земли, когда поступающий в нее из солнечного ветра поток электромагнитной энергии и примерно равная ей мощность возмущения достигают значений ~ 10¹¹ Вт, что на порядок больше мощности процессов, создаваемых солнечным ветром в спокойных условиях. Среди множества известных моделей типичной суббури можно выделить два основных типа. Первый включает, как механизм суббури, частичное или мелкомасштабное разрушение тока в ближнем геомагнитном хвосте (÷ x÷ ~15 R_E), без пересоединения открытого магнитного потока (модели типа Current Disruptions [1]). В модели с околоземной нейтральной линией NENL в качестве механизма суббури рассматривается крупномасштабное пересоединение открытого магнитного потока в среднем хвосте [2]. Два основных типа моделей суббури различаются по физике неустойчивостей: в модели NENL это тиринг-неустойчивость, с пинчеванием, без разрушения тока хвоста [3]; в модели [1] это CDI (current driven instabilities), с частичным разрушением тока в ближнем хвосте и без пересоединения открытого потока. Существует модель суббури, синтезирующая оба этих подхода, но на основе процессов типа Current Disruptions [4,5]. Однако, согласно сторонникам модели NENL, фундаментальное значение имеет только пересоединение открытого хвоста, т. к. именно открытый хвост есть та область, где запасается энергия, питающая процессы суббури как в среднем, так и в ближнем хвосте. Вопрос о том, какой один основной процесс (образование околоземной нейтральной линии NENL или же механизм CD) доминирует в активной фазе суббури - есть фундаментальный вопрос физики суббурь [2].

В общепринятом сценарии изолированной суббури имеются три фазы: фаза роста, расширения (активная фаза) и фаза восстановления. Сценарий суббури с двумя активными фазами был развит Мишиным и др. [6]. Сценарий [6] описывает типичную изолированную суббурю как последовательность следующих четырех фаз: фаза роста; первая активная фаза или фаза многократных начал; вторая активная фаза или фаза расширения; фаза возврата. Существенно, что названный сценарий содержит первую активную фазу с характерными процессами, не свойственными фазе расширения. Вторая активная фаза подобна фазе расширения в модели NENL [2].

Цель настоящей работы - таймирование фаз "цепочки" суббурь в интервале (0000-1200)UT, 3 мая 1986 г. с использованием традиционных для исследования суббурь данных и выходных параметров ТИМ 2 (см. гл. 2). Таймирование фаз суббури позволяет упорядочить наблюдения комплекса геофизических явлений в магнитосфере Земли.

Техника инверсии магнитограмм (ТИМ 2), разработанная в СибИЗМИРе (ИСЗФ), обеспечивает получение принципиально новой информации о магнитосферных суббурях [6]. Входные данные ТИМ 2 обеспечиваются мировой наземной сетью магнитных станций. Выходные данные: карты эквивалентных и двухмерных токов в ионосфере, плотности продольных токов, изолиний электрического потенциала; площадь полярной шапки и открытый магнитный поток. Пространственное разрешение ТИМ 2 определяется как числом и распределением сети станций, так и длиной ряда, аппроксимирующих потенциал поля геомагнитных вариаций (ПГВ) [6]. Отметим, что в данной работе исследование интервала (0000-1200)UT проводилось с использованием улучшенного варианта ТИМ 2, в котором длина ряда, аппроксимирующих потенциал ПГВ, увеличена более чем в полтора раза по сравнению с ранними вариантами ТИМ, что исчерпывает возможности реально действующей сети наземных магнитных станций.

Одним из основных параметров, характеризующих магнитосферную суббурю, служит открытый магнитный поток Y ₁, отражающий процесс пересоединения открытых силовых линий магнитохвоста. Магнитный поток открытого хвоста вычисляется как произведение среднего значения напряженности магнитного поля в полярной шапке на ее площадь. Граница полярной шапки - проекция на ионосферу открытого хвоста магнитосферы, определяется методом ТИМ 2 [6]. График вариаций Y ₁(UT) в ходе суббури позволяет определить время начала пересоединения в открытом хвосте, как начало быстрого и глубокого уменьшения значений открытого магнитного потока Y ₁.

Параметр t_w - местное геомагнитное время (MLT) центра разрыва Харанга, позволяет определить, какого типа эквивалентная токовая система наблюдается в рассматриваемый момент времени: DP1, DP2 типа или переходная DP1® DP2.

Этот параметр определяется, используя эквивалентную токовую систему, как MLT западного края западного электроджета. Значения t_w ~ 345° (т. е. 2300 MLT) соответствует токовой системе DP2 типа; значения t_w <270° соответствует типу DP1. Промежуточные значения t_w - признак перехода DP2® DP1. Переход к токовой системе DP1 свидетельствует о формировании крупномасштабного токового клина, т.е. начало околоземного пересоединения открытого хвоста.

Интервалы (0000-0200)UT и (0900-1030)UT, 3 мая 1986 г., исследовались с использованием традиционной базы данных в рамках международного проекта CDAW9C, и результатам этих исследований посвящено большое количество статей [7-10]. Промежуток времени (0200-0900)UT, 3 мая 1986 г. изучен не был и представляет интерес для исследования, так как в указанном интервале сохранялся высокий уровень активности (значения АЕ-индекса ~ 400-1000 нТл).

1. Суббуря в интервале (0000-0310)UT, 3.05.86.

Рис. 1. Графики АЕ-индекса (а) и параметров tw (б), Y 1 (с) для суббурь CDAW 9C (00-12)UT, 3 мая 1986 года. Границы фаз отмечены вертикальными линиями: 1- фаза роста, 2- первая активная фаза, 3- фаза расширения, 4- фаза восстановления. Одна звездочка - начало первой активной фазы; две звездочки - начало фазы расширения.

Из рис.1 видно, что в интервале (0000-0111)UT происходило быстрое увеличение открытого магнитного потока Y ₁ , параметр t_w был ~ 320° , что соответствует токовой системе DP2 типа. На магнитограммах резких вспышек активности, характерных для активных фаз суббури, в данном интервале не наблюдается (рис.2). Однако, значения АЕ-индекса в интервале (0000-0111)UT достаточно высокие, что говорит о том, что в указанном промежутке времени фаза роста данной суббури "смешана" с фазой восстановления предыдущей суббури.

Первая вспышка активности видна в 0111 UT, одновременно с началом спада значений t_w, но не сопровождалась полным переходом DP2® DP1. По данным рис.1с, рост значений Y ₁ после 0111 UT продолжался, т. е. пересоединение открытого хвоста не начиналось. Интервал (0000-0130)UT соответствует первой активной фазе.

В момент времени 0130 UT начинается резкое падение Y ₁ , новое усиление активности - резкий рост значений АЕ-индекса, быстро завершается переход DP2® DP1. На магнитограммах эта интенсификация видна на станциях в области геомагнитных широт 65° -69° , MLT ~ 18 часов (рис.2). Согласно каждому из этих признаков, интенсификация в 0130 UT была началом фазы расширения. Длительность второй активной фазы составляет ~ 25 мин, после чего суббуря входит в фазу восстановления.

Наши результаты, полученные по обновленным исходным данным и с улучшенным пространственным разрешением ТИМ2, тем не менее, согласуются с результатами таймирования работ [7,8] и не согласуются с результатами [9,10]. Из-за отсутствия параметра, характеризующего процесс пересоединения открытого хвоста, у авторов [9,10] фаза расширения начинается в 0111 UT, тогда как по нашим данным момент времени 0111 UT соответствует началу фазы многократных начал (1-ая активная фаза).

2. Суббуря в интервале (0310-0654)UT, 3 мая 1986 г.

Необходимо отметить, что эта суббуря отчетливо не выделяется при использовании традиционной базы данных, но становится видна при добавлении параметров Y ₁ и t_w.

Другой особенностью является то, что высокий уровень активности сохранился (см. гр. АЕ-индекса на рис.1а), и фаза роста этой суббури отсутствовала. В интервале (0310-0436)UT проявляются признаки первой активной фазы с началом в 0310 UT. В ходе этой фазы продолжается рост Y ₁, но начинается переход DP2® DP1, указывающий на частичное или мелкомасштабное разрушение токового слоя хвоста.

Всплеск активности в 0436 UT сопровождался быстрым и полным переходом ионосферной токовой системы от DP2 к DP1 типу (рис.1б). Переход DP2® DP1 означает пространственную реконфигурацию токовой системы. Другая особенность момента 0436 UT связана с внезапным и глубоким началом спада Y ₁ (рис.1с). Этот спад значений открытого магнитного потока Y ₁ есть признак пересоединения открытого хвоста, т. е. формирование околоземной нейтральной линии. Т.о., момент времени 0436 UT мы определяем, как начало фазы расширения. На X-магнитограммах начало второй активной фазы наиболее хорошо наблюдается на станциях Fort Smith (65,1° ), Lynn Lake (66° ), Fort Simpson (67,3° ), Fort Churchill (68,7° ), Yellowknife (69,1° ) в вечернем секторе (рис.3).

В промежутке времени (0512-0654)UT параметр t_w растет до значений ~340° , что соответствует переходу от токовой системы DP1 к DP2 (рис.1б). Такой переход DP1® DP2 является особенностью фазы восстановления. Однако, в интервале (0512-0654)UT значения АЕ-индекса остаются достаточно высокими, и наблюдается быстрый рост значений открытого магнитного потока Y ₁ (рис.1с).

3. Суббуря в интервале (0512-0912)UT.

В неизолированной суббуре предфаза может быть "смешана" с фазой восстановления предыдущей суббури, а при отсутствии предфазы происходит "смешивание" активной фазы с фазой восстановления предыдущей суббури. В данной суббуре также наблюдается отсутствие фазы роста. В промежутке времени (0512-0654)UT фаза восстановления предыдущей суббури налагается на первую активную фазу данной суббури. Момент времени 0654 UT, по характерным изменениям параметров t_w, Y ₁ (рис.1б, с) и X-магнитограммам станций Meanook (62° ), Lynn Lake (66° ), Fort Churchill (68,7° ) (см. рис.3), можно определить как еще одно начало 1-ой активной фазы. Это объясняется тем, что 1-ая активная фаза - есть фаза многократных начал. В интервале (0654-0712)UT сохраняются высокие значения АЕ-индекса; ионосферная токовая система - промежуточная между DP2 и DP1, слабое северо-западное расширение западной электроструи; значения Y ₁ вблизи максимума (рис.1). Наблюдаемые всплески активности не сопровождаются реконфигурацией открытого хвоста.

Началом фазы расширения определен момент времени 0712 UT - последний по времени из многократных начал всплеск активности. Главная особенность этого момента времени - начало резкого уменьшения значений Y ₁ (рис.1с). В интервале (0712-0748)UT происходит спад значений t_w до ~270° , что свидетельствует о крупномасштабном разрыве тока хвоста. На магнитограммах в 0712 UT всплеск активности виден в области геомагнитных широт 62° -69° (станции TLK, COL, FSM, FSP, YEK, см. рис.3). Необходимо отметить, что в течение фазы расширения наблюдается уменьшение значений АЕ-индекса до ~400 нТл (рис.1а).

В интервале (0748-0919)UT фаза восстановления налагается на активную фазу следующей суббури.

4.Суббуря в интервале (0748-1030)UT.

Началом 1-ой активной фазы определен момент вблизи 0919 UT: медленный переход DP1® DP2, рост значений АЕ-индекса; продолжается рост значений открытого магнитного потока Y ₁ (рис.1а-с).

Началом 2-ой активной фазы, связанным с пересоединением открытого хвоста, определен момент времени 0935 UT. Эквивалентным признаком фазы расширения является спад значений t_w до уровня, соответствующего токовой системе типа DP1 (t_w<270° ). Такой спад свидетельствует о крупномасштабном разрыве тока хвоста. На X-магнитограммах начало фазы расширения наблюдается в области геомагнитных широт 62,2° -68,9° в вечернем секторе (рис.4). Длительность 2-ой активной фазы составляет ~16 мин по данным рис.1 и 4, после чего суббуря входит в фазу восстановления и затухает.

Наши результаты частично совпадают с описанием данной суббури в работе [6], но отличие в том, что в интервале (0748-0919)UT по нашим результатам фаза восстановления предыдущей суббури "смешана" с фазой многократных начал данной суббури, а фаза роста отсутствует.

Был исследован интервал CDAW9C, (0000-1200)UT, 3 мая 1986 г., особенностью которого является цепочка неизолированных суббурь. Выполнено таймирование суббурь на основе новых методов ТИМ2, которые использовались как существенное дополнение традиционных данных. В отличие от последних, ТИМ2 обеспечивает, прежде всего, ранее недоступные данные о динамике открытого магнитного потока.

Найдено, что рассмотренные суббури проходят в своем развитии налагающиеся начальную и конечную фазы, т.е. в неизолированной суббуре фаза роста может быть "смешана" с фазой восстановления предыдущей суббури или отсутствовать при сохранении высокого уровня активности. Важная особенность исследованных суббурь заключается в том, что каждая из них содержит две активные фазы, соответственно, без и с участием пересоединения открытого магнитного потока хвоста. Последнее отличает поддерживаемый в данной работе сценарий суббури ИСЗФ от классического сценария, который соответствует известной модели NENL [2], учитывающей в суббуре только один фундаментальный процесс - пересоединение открытого магнитного потока.

В целом, хотя неизолированные суббури различаются в отдельных деталях, что является темой дальнейшего исследования, все они качественно соответствуют модели суббури с двухстадийным развитием активной фазы [6], которая создается последовательным развитием двух процессов, существенно различных физически: первый имеет место в ближнем хвосте и не включает в себя формирование NENL; второй следует за первым в среднем хвосте, распространяется в дальний хвост и содержит образование околоземной нейтральной линии.

Работа выполнена в рамках проекта РФФИ № 98-05-04-133, № 99-05-65-234 и № 98-05-65-406.

1. Lui A. T. Y. Current disruption in the Earth's magnetosphere: Observations and models// J. Geophys. Res. 1996, v. 101, p. 13067.
2. Baker D. N., Pulkkinen T. I., Angelopoulas V. et al. Neutral line model of substorms: Past results and present view// J. Geophys. Res. 1996, v. 101, p. 12975.
3. Zelenyi L.M., Petrukovich A. A., Budnick E. Y. et al. Substorm onsets models and interval observations// ICS-4 Proceedings, 1998, p. 327-330.
4. Rothwell P. L., Block L. P., Silevitch M. B., Falthammar C. G. A new model for substorms onsets: the pre-breakup and triggering regimes// Geophys. Res. Lett. 1988, v.15, p. 1279-1282.
5. Lui A. T. Y. Extended consideration of a synthesis model for magnetospheric substorms// Magnetospheric substorms 1991, p. 43-60 (Geophys. Monogr., v.64)
6. Mishin V. M., Block L. P., Bazarzhapov A. D. et al. A study of the CDAW 9C substorm of May 3, 1986, using magnetogram inversion technique 2, and a substorm scenario with two active phases// J. Geophys. Res. 1997, v.102, p. 19845-19859.
7. Mishin V. M., Saifudinova T. I., Bazarzhapov A. D. et al. Substorm scenario with two active phases: A study of CDAW 9C events// Proc. First Int. Conf. on Substorms 1992, p. 383-389.
8. Mishin V. M., Bazarzhapov A. D., Saifudinova T. I., Lunyushkin S. B. Investigation of the CDAW 9C-1 substorm// Proc. Third Int. Conf. on Substorms 1996, p. 121-125.
9. Pulkkinen T. I., Baker D. N., Fairfield D. H. et al. Modeling the growth phase of a substorm using the Tsyganenko model and multispacecraft observation: CDAW9, event C//Geophys. Res. Lett. 1991, v.18, p.1963.