Динамика магнитосферы и аврорального овала во время магнитной бури 27 февраля 2023 года


Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе обсуждаются причины экстремального сжатия магнитосферы во время бури 27.II.2023, когда магнитопауза пересекала геостационарную орбиту. При этом полярные сияния наблюдались на средних широтах. Глобальные параметры магнитосферных токовых систем были рассчитаны по данным параметров межпланетной среды и геомагнитных индексов, характеризующих эволюцию кольцевого тока и западного аврорального электроджета, с использованием параболоидной модели магнитосферы. Был вычислен вклад различных токовых систем в наблюдаемое значение Dst-индекса. Вклад токового слоя хвоста сравним с вкладом кольцевого тока для данной бури. Рассчитанное модельное поле сопоставлено с данными магнитометров космических аппаратов GOES-16, 18; результаты достаточно хорошо согласуются с наблюдениями.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Алексей Анатольевич Лаврухин

Научно-­исследовательский институт ядерной физики имени Д. В. Скобельцына, Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: lavrukhin@physics.msu.ru
Россия, Москва

Игорь Иванович Алексеев

Научно-­исследовательский институт ядерной физики имени Д. В. Скобельцына, Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова

Email: alexeev@dec1.sinp.msu.ru
Россия, Москва

Елена Семеновна Беленькая

Научно-­исследовательский институт ядерной физики имени Д. В. Скобельцына, Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова

Email: lavrukhin@physics.msu.ru
Россия, Москва

Владимир Владимирович Калегаев

Научно-­исследовательский институт ядерной физики имени Д. В. Скобельцына, Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова

Email: klg@dec1.sinp.msu.ru
Россия, Москва

Илья Сергееви Назарков

Научно-­исследовательский институт ядерной физики имени Д. В. Скобельцына, Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова

Email: lavrukhin@physics.msu.ru
Россия, Москва

Дмитрий Владимирович Невский

Научно-­исследовательский институт ядерной физики имени Д. В. Скобельцына, Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова; Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова

Email: lavrukhin@physics.msu.ru
Россия, Москва; Москва

Список литературы

  1. Kalegaev V.V., Makarenkov E. V. Relative importance of ring and tail currents to Dst under extremely disturbed conditions // J. Atmospheric and Solar-­Terrestrial Physics. 2008. V. 70. Iss. 2–4. P. 519–525. https://doi.org/10.1016/j.jastp.2007.08.029
  2. Tsyganenko N. A. Modeling the Earth’s magnetospheric magnetic field confined within a realistic magnetopause // J. Geophys. Res. 1995. V. 100. Iss. A4. P. 5599–5612. https://doi.org/10.1029/94JA03193
  3. Tsyganenko N.A. A model of the magnetosphere with a dawn-dusk asymmetry, 1, Mathematical structure // J. Geophys. Res. 2002. V. 107 Iss. A8. https://doi.org/10.1029/2001JA000219
  4. Tsyganenko N. A. A model of the near magnetosphere with a dawn-dusk asymmetry 2. Parameterization and fitting to observations // J. Geophys. Res. 2002. V. 107. Iss. A8. https://doi.org/10.1029/2001JA000220
  5. Ganushkina N. Yu., Pulkkinen T. I., Kubyshkina M. V. et al. Long-term evolution of magnetospheric current systems during storms // Ann. Geophys. 2004. V. 22. P. 1317–1334. https://doi.org/10.5194/angeo-22-1317-2004
  6. Невский Д.В, Лаврухин А. С., Алексеев И. И. Автоматическое определение положения головной ударной волны и магнитопаузы магнитосферы Меркурия по данным магнитометра космического аппарата MESSENGER // Космические исследования. 2023. Т. 61. № 3. С. 189–201. https://doi.org/10.31857/S0023420623700073
  7. Алексеев И.И., Шабанский В. П. Модель магнитосферного магнитного поля // Геомагнетизм и аэрономия. 1971. Т. 11. № 4. С. 571–579.
  8. Belenkaya E.S., Bobrovnikov S. Y., Alexeev I. I. et al. A model of Jupiter’s magnetospheric magnetic field with variable magnetopause flaring // Planetary and Space Science. 2005. V. 53. Iss. 9. P. 863–872. https://doi.org/10.1016/j.pss.2005.03.004
  9. Nguyen G., Aunai N., Michotte de Welle B. et al. Massive multi-­mission statistical study and analytical modeling of the Earth’s magnetopause: 2. Shape and location // J. Geophysical Research: Space Physics. 2022. V. 127. Art.ID. e2021JA029774. https://doi.org/10.1029/2021JA029774
  10. Collado-­Vega Y.M., Dredger P., Lopez R. E. et al. Magnetopause standoff position changes and geosynchronous orbit crossings: Models and observations // Space Weather. 2023. V. 21. Art.ID. e2022SW003212. https://doi.org/10.1029/2022SW003212
  11. Dredger P.M., Lopez R. E., Collado-­Vega Y.M. et al. Investigating potential causes for the prediction of spurious magnetopause crossings at geosynchronous orbit in MHD simulations // Space Weather. 2023. V. 21. Art.ID. e2022SW003266. https://doi.org/10.1029/2022SW003266
  12. Alexeev I.I., Belenkaya E. S., Kalegaev V. V. et al. Magnetic storms and magnetotail currents //J. Geophys. Res. 1996. V. 101. Iss. A4. P. 7737–7747. https://doi.org/10.1029/95JA03509
  13. Alexeev I.I., Kalegaev V. V., Belenkaya E. S. et al. Dynamic model of the magnetosphere: Case study for January 9–12, 1997 // J. Geophys. Res. 2001. V. 106. Iss. A11. P. 25683–25693. https://doi.org/10.1029/2001JA900057
  14. Kubyshkina M.V., Sergeev V. A., Pulkkinen T. I. Hybrid Input Algorithm: An event-­oriented magnetospheric model. J. Geophys. Res. 1999. V. 104. Iss. A11. P. 24977–24993. https://doi.org/10.1029/1999JA900222
  15. Kalegaev V.V., Ganushkina N. Y., Pulkkinen T. I. et al. Relation between the ring current and the tail current during magnetic storms // Ann. Geophys. 2005. V. 23. P. 523–533. https://doi.org/10.5194/angeo-23-523-2005
  16. Alken P., Thébault E., Beggan C. D. et al. International Geomagnetic Reference Field: the thirteenth generation // Earth Planets Space. 2021. V. 73. Iss. 49. https://doi.org/10.1186/s40623-020-01288-x
  17. Alexeev I.I., Feldstein Ya. I. Modeling of geomagnetic field during magnetic storms and comparison with observations // J. Atmospheric and Solar-­Terrestrial Physics. 2001. V. 63. Iss. 5. P. 431–440. https://doi.org/10.1016/S1364-6826(00)00170-X
  18. Bobrovnikov S. Yu., Alexeev I. I., Belenkaya E. S. et al. Case study of September 24–26, 1998 magnetic storm // Advances in Space Research. 2005. V. 36. Iss. 12. P. 2428–2433. ISSN 0273-1177. https://doi.org/10.1016/j.asr.2003.11.023
  19. Shue J.-H., Song P., Russellet C. T. et al. Magnetopause location under extreme solar wind conditions // J. Geophys. Res. 1998. V. 103. Iss. A8. P. 17691–17700. https://doi.org/10.1029/98JA01103
  20. Старков Г. В. Планетарная морфология сияний // Магнитосферно-­ионосферная физика: Краткий справочник / под ред. Ю. П. Мальцев. СПб.: Наука, 1993.
  21. Alexeev I. I. Energy flux in the Earth’s magnetosphere: Storm – substorm relationship // Space Science Reviews. 2003. V. 107. P. 141–148. https://doi.org/10.1023/A:1025519622160
  22. Dessler A.J., Parker E. N. Hydromagnetic theory of geomagnetic storms // J. Geophys. Res. 1959. V. 64. Iss. 12. P. 2239–2252. https://doi.org/10.1029/JZ064i012p02239
  23. Sckopke N. A general relation between the energy of trapped particles and the disturbance field near the Earth // J. Geophys. Res. 1966. V. 71. Iss. 13. P. 3125– 3130. https://doi.org/10.1029/JZ071i013p03125
  24. Burton R.K., McPherron R.L., Russell C. T. An empirical relationship between interplanetary conditions and Dst // J. Geophys. Res. 1975. V. 80. Iss. 31. P. 4204– 4214. https://doi.org/10.1029/JA080i031p04204
  25. O’Brien T.P., McPherron R. L. An empirical phase space analysis of ring current dynamics: Solar wind control of injection and decay // J. Geophys. Res. 2000. V. 105. Iss. A4. P. 7707–7719. https://doi.org/10.1029/1998JA000437
  26. Jordanova V.K., Torbert R. B., Thorne R. M. et al. Ring current activity during the early Bz < 0 phase of the January 1997 magnetic cloud // J. Geophys. Res. 1999. V. 104. Iss. A11. P. 24895–24914. https://doi.org/10.1029/1999JA900339
  27. Фельдштейн Я.И., Дремухина Л. А., Луи А. Т.Ю. Околоземная граница плазменного слоя в хвосте магнитосферы в периоды магнитных бурь // Геомагнетизм и аэрономия. 2000. Т. 40. № 6. С. 21–24.
  28. Калегаев В.В., Власова В. А. Относительная динамика кольцевого тока – токов хвоста магнитосферы во время геомагнитных бурь разной интенсивности // Геомагнетизм и аэрономия. 2017. Т. 57. № 5. С. 572–577. https://doi.org/10.7868/S0016794017040083.
  29. Tsyganenko N.A., Singer H. J., Kasper J. C. Storm-time distortion of the inner magnetosphere: How severe can it get? // J. Geophys. Res. 2003. V. 108. Iss. A5. Art.ID. 1209. https://doi.org/10.1029/2002JA009808
  30. Sitnik I.M., Alexeev I. I., Nevsky D. V. Debugging the FUMILIM minimization package // Computer Physics Communications. 2024. V. 294. Art.ID. 108868. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2023.108868
  31. Kataoka R., Shiota D., Fujiwara H. et al. Unexpected space weather causing the reentry of 38 Starlink satellites in February 2022 // J. Space Weather Space Clim. 2022. V. 12. Art.ID. 41. https://doi.org/10.1051/swsc/2022034

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Параметры солнечного ветра (плотность n, скорость v и динамическое давление Psw), ММП (|B|, By, Bz), Ey-компоненты электрического поля в солнечном ветре и параметров возмущения магнитосферы AL, Dst в период 26–28.II.2023 (https://swx.sinp.msu.ru/ Данные о солнечном ветре и ММП получаются с различных КА с учетом смещения времени конвекции примерно на 40 мин). Здесь и далее вертикальными штрихованными линиями показано время начала магнитной бури и ее максимума.

Скачать (762KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Модуль магнитного поля вдоль траектории спутников THEMIS A, E, измеренный 26–28 февраля. Вертикальными пунктирными синими линиями обозначено время внезапного начала бури (19:30 UT 26 февраля) и минимума индекса Dst (12:00 UT 27 февраля). Розовым выделены те интервалы времени, в которые КА находился внутри магнитосферы.

Скачать (450KB)
Метаданные
4. Рис. 3. BH-компонента магнитного поля системы VDH на геостационарной орбите в период сильно поджатой магнитосферы 26–28.II.2023 по данным КА GOES-16 и GOES-18.

Скачать (427KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Траектории спутников GOES-16, 18 и THEMIS A, E (26–27.II.2023) в солнечно-­магнитосферных координатах (GSM) в плоскости X-Y. Черной линией точка–тире показано положение магнитопаузы при входе КА THEMIS A, E в магнитосферу (05:20/05:21 UT 26 февраля и 08:06/08:00 UT 27 февраля); сплошной черной линией показано положение магнитопаузы при выходе КА THEMIS из магнитосферы (14:14/13:58 UT 26 февраля и 15:52/15:38 UT 27 февраля). Черными точками показано положение магнитопаузы при ее пересечении КА GOES-18 (21:00 UT 26 февраля). Изменения в положениях магнитопаузы в плоскости X-Y в системе GSM выделено на рисунке розовым цветом. Также 26 февраля отмечены положения спутников во время резкого начала магнитной бури в 19:27 UT; 27 февраля во время минимума SYM-H в 12:12 UT.

Скачать (433KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Параметры параболоидной модели, рассчитанные для магнитной бури 27.II.2023.

Скачать (295KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Верхняя панель: сравнение измеренного на Земле значения Dst (синяя кривая) и рассчитанного по модели (красная кривая); нижняя панель: вклады различных токовых систем (токи Чепмена – Ферраро, кольцевой ток и токи слоя хвоста магнитосферы) в модельное Dst.

Скачать (479KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Сравнение модельных значений и измерений магнитного поля на КА GOES-16.

Скачать (261KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Сравнение модельных значений и измерений магнитного поля на КА GOES-18.

Скачать (265KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Увеличение размеров аврорального овала в 1.5 раза при сжатии магнитосферы на во время бури 27.II.2023, вид сверху на полярную шапку. Проекция токового слоя хвоста магнитосферы закрашена оранжевым цветом. Открытые силовые линии, идущие в доли хвоста, показаны красным цветом, а замкнутые силовые линии сердцевины магнитосферы – синим. Зеленым цветом закрашена зона дневного каспа, куда проникают солнечные протоны вдоль магнитного поля.

Скачать (453KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Сжатие магнитосферы до геостационарной орбиты при приходе фронта коронального выброса массы во время внезапного начала магнитной бури в 19:30 UT 26.II.2023. Показано соответствующее изменение структуры магнитосферы. Нарисованы модельные силовые линии в сечении полдень – полночь в системе координат GSM для двух состояний магнитосферы, при которых расстояние до подсолнечной точки равно 10 RE (а) и 6.6 RE (б) соответственно. По осям расстояние выражено в RE. Различные типы силовых линий маркированы разными цветами. Линии каспа, которые соединяют магнитопаузу и ионосферу, окрашены зеленым цветом, открытые линии полярной шапки, уходящие в торцевое сечение хвоста магнитосферы, – красным, силовые линии аврорального овала, которые соединяют токовый слой хвоста и ионосферу, – оранжевым, а замкнутые силовые линии, которые заполняют сердцевину магнитосферы и пересекают экваториальную плоскость ближе к Земле, чем располагается передний край токового слоя, – синим.

Скачать (496KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Сравнение модельных силовых линий магнитосферы Земли в сечении полдень – полночь системы координат GSM для двух состояний магнитосферы во время магнитной бури, сверху – для расстояния до подсолнечной точки, равного 10 RE, снизу – для 6.6 RE. По осям расстояние выражено в RE.

Скачать (347KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024