Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
We present results of a study of mid-latitude auroras. The study is based on optical measurements and theoretical modeling. The modeling shows that precipitation can indirectly generate airglow in red and green lines of atomic oxygen by increasing rates of ion formation and heating of thermal electrons. This causes an increase in the rate of dissociative recombination and thermal-electron-collision excitation of the 1D and 1S levels.
ionospheric disturbance, upper airglow, geomagnetic storms, modeling
ВВЕДЕНИЕ
Анализ данных наблюдения атмосферных эмиссий атомарного кислорода 557.7 и 630 нм, полученных в регионе Восточной Сибири (52° N, 103° E) во время умеренных геомагнитных бурь, выявил возмущения в вариациях интенсивности рассматриваемых эмиссий [Леонович и др., 2012; Leonovich et al., 2015]. На рис. 1 показано поведение параметров околоземного космического пространства (Bz-компоненты межпланетного геомагнитного поля, плотности протонов солнечного ветра, Dst-вариации) и ночной интенсивности эмиссии атомарного кислорода в красной (630 нм) и зеленой (557.7 нм) линиях во время слабой (4-6 апреля 2008 г.: Kp max=5, Ap max=45, Dst=-40) и умеренных (23-24 сентября 2006 г.: Kp max=7, Ap max=45, Dst=-60; 5-8 апреля 2010 г.: Kp max=7, Ap max>100, Dst=-80) геомагнитных бурь. Для сравнения на рис. 2 показаны вариации интенсивности рассматриваемых эмиссий для спокойных геомагнитных условий. Можно заметить значительное для средних широт увеличение интенсивности красной эмиссии на величину ≥100 Рл.
Для интерпретации наблюдаемой интенсивности свечения атомарного кислорода в линиях 557.7 и 630 нм было выполнено теоретическое моделирование высотных профилей объемных и интегральных эмиссий, которые могут возникать в ночной среднеширотной ионосфере под действием вторгающихся потоков электронов с различными средними и интегральными энергиями.
В основе этой интерпретации лежит предположение [Leonovich et al., 2015] о том, что эти электроны проникли на среднеширотные L-оболочки, где были захвачены, в результате дрейфа из внутренней магнитосферы при усилении электрического поля конвекции во время предшествующей магнитной бури. Затем, в ходе нового геомагнитного возмущения, происходит интенсивное рассеяние захваченных электронов на магнитозвуковых волнах [Hasegawa, 1976; Goertz, 1984; Leonovich, Mazur, 1989], приводящее к их высыпанию в нижележащую ионосферу. Известно, что захваченные заряженные частицы испытывают азимутальный дрейф, который приводит к их распределению по долготе вплоть до дневного сектора при сильных магнитных бурях.
Цель данной работы заключалась в исследовании зависимости высотной структуры ионосферы и кислородных эмиссий от характеристик высыпающихся электронов, которые могут воздействовать на среднеширотную ночную ионосферу во время магнитных бурь различной интенсивности.
1. Banks P.M., Chappell C.R., Nagy A.F. A new model for the interaction of auroral electrons with the atmosphere: Spectral degradation, backscatter, optical emission, and ionization. J. Geophys. Res. 1974, vol. 79, iss. 10, pp. 1459-1470.
2. Hasegawa A. Particle acceleration by MHD surface wave and formation of aurorae. J. Geophys. Res. 1976, vol. 81, iss. 28, pp. 5083-5090.
3. Goertz C.K. Kinetic Alfv´en waves on auroral field lines. Planet. Space Sci. 1984, vol. 32, pp. 1387-1392.
4. Krinberg I.A. Kinetika elektronov v ionosfere i atmosfere Zemli [Kinetics of electrons in Earth´s ionosphere and plasmasphere]. Moscow, Nauka Publ., 1978, 215 p. (In Russian).
5. Krinberg I.A., Tashchilin A.V. Ionosfera i plazmosfera [Ionosphere and plasmasphere]. Moscow, Nauka Publ., 1984. 188 p. (In Russian).
6. Leonovich A.S., Mazur V.A. Resonance excitation of standing Alfven waves in an axisymmetric magnetosphere (monochromatic oscillations). Planet. Space Sci. 1989, vol. 37, pp. 1095-1108.
7. Leonovich L.A., Mikhalev A.V., Leonovich V.A. Manifestation of geomagnetic disturbances in midlatitude upper atmosphere airglow. Solnechno-zemnaya fizika [Solar-Terrestrial Phys.]. 2012, vol. 20, pp. 109-115. (In Russian).
8. Leonovich L.A., Tashchilin A.V., Leonovich V.A. Response of 557.7 and 630 nm atomic oxygen emissions to sharp variations in solar wind parameters. Atmos. Ocean. Optics. 2015, vol. 28, no. 4, pp. 376-380.
9. de Meneses F.C., Muralikrishna P., Clemesha B.R. Height profiles of OI 630 nm and OI 557.7 nm airglow intensities measured via rocket-borne photometers and estimated using electron density data: comparison. Geofisica Internacional. 2008, vol. 47, no. 3, pp. 161-166.
10. Fox J.L., Sung K.Y. Solar activity variations of the Venus thermosphere/ionosphere. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2001, vol. 106, iss. A10, pp. 21305-21335.
11. Hierl P.M., Dotan I., Seeley J.V., et al. Rate constants for the reactions of O+ with N2 and O2 as a function of temperature (300-1800 K). J. Chem. Phys. 1997, vol. 106, no. 9, pp. 3540-3544.
12. Mantas G.P. Large 6300-Å airglow intensity enhancements observed in Ionosphere Heating Experiments are excited by thermal electrons. J. Geophys. Res.: Space Phys. 1994, vol. 99, iss. A5, pp. 8993-9002.
13. Picone J.M., Hedin A.E., Drob D.P., Aikin A.C. NRLMSISE-00 empirical model of the atmosphere: Statistical comparisons and scientific issues. J. Geophys. Res. 2002, vol. 107, iss. A12, pp. SIA 15-1-SIA 15-16.
14. Rees M.H. Physics and Chemistry of the Upper Atmosphere. Cambridge University Press., 1989, 289 p.
15. Richards P.G. Reexamination of ionospheric photochemistry. J. Geophys. Res. 2011, vol. 116, iss. A8, A08307.
16. Schunk R., Nagy A. Ionospheres. Cambridge University Press., 2009, 628 p.
