Solnechno-Zemnaya Fizika Solnechno-Zemnaya Fizika Солнечно-земная физика 2712-9640 20950 10.12737/szf-43201808 Результаты исследований Results of current research Результаты исследований Magnetospheric response of two types in PSc geomagnetic pulsations to interaction with interplanetary shock waves Два типа отклика магнитосферы в геомагнитных пульсациях PSc на взаимодействие с межпланетными ударными волнами Пархомов Владимир Александрович Parhomov Vladimir Aleksandrovich pekines_41@mail.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 Бородкова Наталия Львовна Borodkova Natalia Lvovna nlbor@mail.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Яхнин Александр Григорьевич Yahnin Aleksandr Grigoryevich yahnin@pgia.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Теро Райта Tero Raita tero.raita@sgo.fi Цэгмэд Баттуулай Tsegmed Battuulai tseg@iag.ac.mn

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Хомутов Сергей Юрьевич Khomutov Sergey Yuryevich hom@ngs.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Пашинин Александр Юрьевич Pashinin Aleksandr Yuryevich pash@iszf.irk.ru Чиликин Виталий Эдуардович Chilikin Vitaliy Eduardovich Мочалов Алексей Анатольевич Mochalov Aleksey Anatolyevich mochalov@pgia.ru Байкальский государственный университет Иркутск Россия Baikal state university Irkutsk Russian Federation Институт космических исследований РАН Москва Россия Institute of Space Research RAS Moscow Russian Federation Полярный геофизический институт Апатиты Россия Polar Geophysical Institute Apatity Russian Federation Геофизическая обсерватория Соданкюля Соданкюля Финляндия Sodankylä Geophysical Observatory Sodankylä Finland Институт астрономии и геофизики АН Монголии Улан-Батор Монголия Institute of Astronomy and Geophysics AS Mongolia Ulaan-Baatar Mongolia Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН Паратунка Россия Institute of Cosmophysical Research and Radio Wave Propagation FEB RAS Paratunka Russian Federation Институт солнечно-земной физики СО РАН Иркутск Россия Institute of Solar Terrestrial Physics SB RAS Irkutsk Russian Federation Байкальский государственный университет Baikal State University Полярный геофизический институт Апатиты Россия Polar Geophysical Institute Apatity Russian Federation 4 3 68 83 https://zh-szf.ru/en/nauka/article/20950/view

В статье на примере события 22.06.2015 г. приведены новые данные о наличии предвестника большого геомагнитного положительного импульса (ΔSYM-H=110 нТл), вызванного межпланетной ударной волной (МУВ) и развивающегося на фоне главной фазы магнитной бури. Предвестник зарегистрирован глобально в 18:33:27 UT на сети индукционных магнитометров. Он представляет собой цуг колебаний с падающей частотой, имеющий резонансную структуру в спектре в диапазоне 0.25–11 Гц, длительностью ~20 с. Не обнаружено значительных задержек сигналов в реализациях, полученных в далеко отстоящих обсерваториях узкополосной фильтрацией в четырех частотных диапазонах. Выдвинуто предположение, что импульс может возбуждаться в волноводе Земля — ионосфера импульсным электрическим полем, которое возникает в ионосфере при кратковременных процессах взаимодействия МУВ с магнитосферой.

Using the June 22, 2015 event as an example, we present new data confirming the presence of a precursor of the sudden magnetic impulse caused by a powerful interplanetary shock wave (ISW). The precursor in the form of a train of oscillations (broadband pulse) with a falling frequency in the range 0.25÷11 Hz with a duration of ~20 s, which had a spectral resonance structure, was recorded globally by a network of induc-tion magnetometers at 18:33:27 UT. No significant phase delays of the signals were detected in four fre-quency bands at widely spaced observatories. It is sug-gested that the impulse can be excited in the Earth — ionosphere waveguide by a pulsed electric field which occurs in the ionosphere due to the short-term impact of ISW on the magnetosphere.

 положительный геомагнитный импульс глобальный предвестник широкополосный всплеск геомагнитных пульсаций спектральная резонансная структура резонатор Земля — ионосфера ионосферный альфвеновский резонатор sudden magnetic impulse global precursor broadband burst of geomagnetic pulsations spectral resonance structure Earth — ionosphere resonator ionospheric Alfvén resonator

ВВЕДЕНИЕИмпульсное воздействие межпланетной ударной волны (МУВ) на магнитосферу происходит в течение короткого времени и вызывает ряд глобальных возмущений. Наиболее яркими и хорошо отождествимыми эффектами являются положительные и отрицательные магнитные импульсы, которые под-разделяются на внезапные начала SSC (SSC*) (sud-den storm commencement) и внезапные импульсы SI (SI*) (sudden impulse). Обозначение * используется в случаях, когда положительному изменению геомагнитного поля предшествует кратковременное изменение геомагнитного поля обратного знака — предварительный обратный импульс (PRI — preliminary reverse impulse). Результаты изучения этих явлений за более чем 100-летнюю историю обобщены в обзоре [Curto et al., 2007]. Время нарастания Н-компоненты от начала SSC до его максимума, определенное по данным сети INTERMAGNET, колеблется от 2 до 10 мин при среднем значении 4 мин. В геомагнитных пульсациях откликом на внезапные импульсы являются всплески колебаний в широком диапазоне частот 0.0016–5 Гц, (геомагнитные пульсации Psc1-5). Оснащение обсерваторий индукционными магнитометрами с высокой чувствительностью и частотой дискретизации до 100 Гц позволяют обнаружить новые особенности внезапных магнитных импульсов. В статьях [Пархомов и др., 2014, 2017] сообщается о кратковременных (≤20 с) предвестникаx SSC — импульсных всплесках геомагнитных пульсаций в частотном диапазоне 0.2–7 Гц, предваряющих внезапные начала геомагнитных бурь с большой величиной скачка горизонтальной компоненты ΔН. Всплески наблюдались преимущественно при северной ориентации вертикальной компоненты межпланетного магнитного поля (ММП). Для обозначения компонент ММП в статье используется солнечно-эклиптическая система координат GSE. В работе [Пархомов и др., 2014] для изучения характеристик всплесков пульсаций использовались только данные наземных магнитометров и параметры солнечного ветра (СВ). В статье [Пархомов и др., 2017] кроме наземных данных, включающих наблюдения магнитного поля и риометрического поглощения, были привлечены данные о высыпаниях частиц, полученные на низкоорбитальных спутниках POES. Было показано, что начало магнитной бури 17.03.2015 г. предварялось глобальной генерацией цуга колебаний длительностью ~4 с. На дневной стороне этому цугу, в свою очередь, предшествовали высыпания энергичных электронов и протонов, очевидно, связанные с развитием циклотронной неустойчивости во время сжатия магнитосферы. Характерным признаком всплесков геомагнитных пульсаций, рассмотренных в работах [Пархомов и др., 2014, 2017], является гребнеобразный характер распределения энергии в спектре колебаний. Такое распределение обычно называют спектральной резонансной структурой (СРС) и связывают с наличием в магнитосфере ионосферного альфвеновского резонатора (ИАР) [Поляков, Рапопорт, 1981; Belyaev et al., 1989] или с интерференцией прямого и отраженного от верхней ионосферы сигналов от молниевого разряда [Fedorov et al., 2014]. Особенности морфологии и суточного поведения СРС на разных широтах исследованы в статьях [Bösinger et al., 2002, 2004; Semenova, Yahnin, 2008; Yahnin et al., 2003]. Чтобы понять природу всплеска пульсаций, опережающего классические проявления внезапных магнитных импульсов, опубликованных результатов явно недостаточно. В данной работе мы представляем новые данные, полученные из анализа явлений, сопровождающих положительный магнитный импульс с амплитудой ~110 нТл. Этот импульс являлся последним и самым большим из зарегистрированных 21.06.2015 г. в 16:44 UT (1), 22.06.2015 г. в 05:44 UT (2) и в 18:33 UT (3) (рис. 1, 2). Указанные импульсы вызваны взаимодействием с магнитосферой трех МУВ [http://umtof.umd.edu/pm/FIGS.HTML]. По данным каталога «International Service on Rapid Magnetic Variations» [http://www.obsebre.es/en/rapid] все указанные импульсы отнесены к типу SSC. Однако в работе [Громова и др., 2016] первые два импульса отнесены к типу SI, а третий наиболее сильный положительный магнитный импульс (ΔSYM-H~110 нТл) назван аналогом SC. Во избежание разночтений все три положительных скачка геомагнитного поля, которые наблюдались после контакта с магнитосферой трех МУВ, будем называть магнитными импульсами, нумеруя их по времени наблюдения (рис. 1, 2). В частотном диапазоне геомагнитных пульсаций все импульсы сопровождались всплесками Psc1-5. Интересующий нас всплеск пульсаций (предвестник) наблюдался в последнем из этих событий, ему будет уделено основное внимание. 

Громова Л.И., Клейменова Н.Г., Левитин А.Е. и др. Дневные геомагнитные возмущения в высоких широтах во время сильной магнитной бури 21-23 июня 2015 года: начальная фаза бури. Геомагнетизм и аэрономия // 2016. Т. 56, № 3. С. 302-313. DOI: 10.7868/S0016794016030056. Belyaev P. P., Polyakov S. V., Rapopor V.O., Trakhtengerts V.Y. Experimental studies of the resonance structure in the spectrum of the atmospheric electromagnetic background in the range of short-period geomagnetic pulsations, Radiophysics and Quantum Electronics. 1989, vol. 32, pp. 491-498. Гульельми А.В. МГД-волны в околоземной плазме. М.: Наука, 1979. 140 c. Bösinger T., Haldopis C., Belyaev P.P. Yakunin M.N., Semenova N.V., Demekhov A.G., Angelopoulos V. Spectral properties of the ionospheric Alfven resonator as observed at a low latitude station (L = 1.3). J. Geophys. Res. 2002, vol. 107, no. A10, pp. 1281. DOI: 10.1029 / 2001 / JA005076. Леонович А.С., Мазур В.А. Линейная теория МГД-колебаний магнитосферы. М.: Физмат-лит, 2016. 317 с. Bösinger T., Demekhov A.G., Trakhtengerts V.Y. Fine structure in ionospheric Alfven resonator spectra observed at low latitude (L = 1.3). Geophys. Res. Lett. 2004, vol. 31, L18802. DOI: 10.1029 / 2004GL020777. Нишида А. Гидромагнитный диагноз магни-тосферы. М.: Мир, 1980. 299 с. Cully C.M., Ergun R. E., Stevens K., Nammari A., Westfall J. The THEMIS Digital Fields Board. Space Sci. Rev. 2008, vol. 141, iss. 1-4, pp. 343-355. Пархомов В.А., Довбня Б.В., Бородкова Н.А. и др. Импульсные всплески геомагнитных пульсаций в частотном диапазоне 0.2-7 Гц как первый сигнал о взаимодействии межпла-нетных ударных волн с магнитосферой Земли // Солнечно-земная физика. 2014. Вып. 25. С. 21-28. Curto J.J., Araki T., Alberca L.F. Evolution of the concept of sudden storm commencements and their operative identification. Earth, Planets and Space. 2007, vol. 59, no. 11, pp. i-xii. Пархомов В.А., Бородкова Н.Л., Яхнин А.Г. и др. Глобальный импульсный всплеск геомагнитных пульсаций в частотном диапазоне 0.2-5 Гц как предвестник внезапного начала геомагнитной бури Святого Патрика 17.03.2015 // Космические иссл. 2017. № 4. С. 321-334. Dovbnya B.V., Guglielmi A.V., Potapov A.S., Kline B.I., On the existence of an over-ionospheric Alfven resonator. Solar-Terrestrial Phys. 2013, iss. 22, p. 12-15. Поляков С.В., Рапопорт В.О. Ионосферный альфвеновский резонатор // Геомагнетизм и аэрономия. 1981. Т. 21, № 5, C. 610-614. Fedorov E., Schekotov A., Hobara Y., Nakamura R., Yagova N., Hayakawa M. The origin of the spectral resonance structures of the ionospheric Alfvén reso-nator. Single high-altitude re fl ection or resonant cavity excitation? J. Geophys. Res. 2014, vol. 119, pp. 3117-3129. DOI: 10.1002 / 2013JA019428. Belyaev P.P., Polyakov S.V., Rapoport V.O., Trakhtengerts V.Y. Experimental studies of res-onance structure in the spectrum of atmospheric electromagnetic background noise in the range of short-period geomagnetic pulsations // Radio-physics and Quantum Electronics. 1989. V. 32. P. 491-498. Gromova L.I., Kleimenova N.G., Levitin A.E., Gromov S.V., Dremukhina L.A., Zelinskyi N.P. Daytime geomagnetic disturbances in high latitudes during a strong magnetic storm on June 21-23, 2015: the initial phase of the storm. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2016, vol. 56, no. 3, pp. 302-313. DOI: 10.7868 / S0016794016030056. (In Russian). Bösinger T., Haldopis C., Belyaev P.P., et al. Spectral properties of the ionospheric Alfven resonator as observed at a low latitude station (L=1.3) // J. Geophys. Res. 2002. V. 107, N A10. DOI: 10.1029/2001JA005076. Guglielmi A.V. MGD-volny v okolozemnoi plazme [MHD waves in near-Earth plasma]. Moscow, Science Publ. 1979. 140 p. (In Russian). Bösinger T., Demekhov A.G., Trakhtengerts V.Y. Fine structure in ionospheric Alfven reso-nator spectra observed at low latitude (L=1.3) // Geophys. Res. Lett. 2004. V. 31. L18802. P. 1281. DOI: 10.1029/2004GL020777. Hayakawa M., Nickolaenko A. P., Ogava T., Komatsu V. Q-bursts waveforms: model and experiment. Telecommunications and Radio Engineering. 2002, vol. 69 (19), pp. 1735-1750. DOI: 10.1615 / TelecomRadEng.v.69.i19.50. Cully C.M., Ergun R.E., Stevens K., et al. The THEMIS Digital Fields Board // Space Sci. Rev. 2008. V. 141, iss. 1-4. P. 343-355. Kangas J., Guglielmi A., Pokhotelov O. Morphology and physics of the short-period mfgnetic pulsations (A Review). Space Science Rev. 1998, vol. 83, pp. 435-512. Curto J.J., Araki T., Alberca L.F. Evolution of the concept of sudden storm commencements and their operative identification // Earth, Planets and Space. 2007. V. 59, N 11. P. i-xii. Leonovich A.S., Mazur V.A. Lineinaya teoriya MGD-kolebanii magnitosfery. [The linear theory of MHD oscillations of the magnetosphere]. Moscow, Fizmatlit Publ., 2016, 317 p. (In Russian). Dovbnya B.V., Guglielmi A.V., Potapov A.S., Kline B.I. On the existence of an over iono-spheric Alfven resonator // Solar-Terr. Phys. 2013. Iss. 22. P. 12-15. Levshin A.A., Frantsuzova V.I., Shkadinskaya G.V. Spectral-temporal analysis of seismic wave. Com-puter seismology. 1968, vol. 4, p. 197. (In Russian). Fedorov E., Schekotov A., Hobara Y., et al. The origin of spectral resonance structures of the ionospheric Alfvén resonator. Single high-altitude reflection or resonant cavity excitation? // J. Geophys. Res. 2014. V. 119. P. 3117-3129. DOI: 10.1002/2013JA019428. Lin R.L., Zhang X.X., Liu S.Q., Wang Y.L., Gong J.C. A three-dimensional asymmetric magnetopause model. J. Geo-phys. Res. 2010, vol. 115, A04207. DOI: 10.1029 / 2009 / JA014235. Hayakawa M., Nickolaenko A.P., Ogava T., Komatsu V. Q-bursts waveforms: model and experiment // Telecommunications and Radio Engineering 2002. V. 69(19). P. 1735-1750. DOI: 10.1615/TelecomRadEng.v.69.i19.50. Marmet P. New digital filter for analysis of experimental data. Rev. of Scientific Instruments. 1979, vol. 50, no. 1, pp. 79-83. Kangas J., Guglielmi A., Pokhotelov O. Mor-phology and physics of short-period magnetic pulsations (A review) // Space Sci. Rev. 1998. V. 83. P. 435-512. Nishida A. 1980. Geomagnitnyi diagnoz magnitosfery [Geomagnetic diagnosis of the magneto-sphere]. Moscow, Mir Publ., 299 p. (In Russian). Levshin A.A., Frantsuzova V.I, Shkadinskaya G.V. Spectral-temporal analysis of seismic wave // Computer seismology. 1968. V. 4. P. 197. Nickolaenko A. P., Hayakawa M. Resonances in the Earth - Ionosphere cavity. Cluver Academic Pub-lishing. Dordreht, Neederland, 2002, 380 p. Lin R.L., Zhang X.X., Liu S.Q., et al. A three-dimensional asymmetric magnetopause model // J. Geophys. Res. 2010. V. 115, iss. 4. CiteID A04207. DOI: 10.1029/2009JA014235. Olson, J. V., Lee L.G. Pc1 wave generation by sudden impulses. Planet. Space Sci. 1983, vol. 31, no.3, pp.295-302. Marmet P. New digital filter for analysis of ex-perimental data // Rev. of Scientific Instruments. 1979. V. 50, N 1. P. 79-83. Parkhomov V.A., Dovbnya B.V., Borodkova N.L., Safargaleyev V.V., Pashinin A.Y. Pulse bursts of geomagnetic pulsations in 0.2-7 Hz frequency range as a first signal of interaction between interplanetary shock waves and the magnetosphere. Solnechno-zemnaya fizika [Solar-Terr. Phys]. 2014, iss. 25, pp. 21-28. (In Russian). Nickolaenko A.P., Hayakawa M. Resonances in the Earth - Ionosphere Cavity. Cluver Academic Publishing. Dordreht, Neederland. 2002. 380 p. Parkhomov V.A., Dmitriev A. V., Tsegmed B. On the origin of burst Pc1 pulsations produced in interaction with an oblique interplanetary shock. Planet. Space Sci. 2015, vol. 109-110, no.1, pp. 21-31. Olson J.V., Lee L.G. Pc1 wave generation by sudden impulses // Planet. Space Sci. 1983. V. 31, N 3. P. 295-302. Parkhomov V.A., Dovbnya B. V., Borodkova N.L., Dmitriev A. V., Safargaleyev V.V., Pashinin A.Y. Impulse Bursts of Geomagnetic Pulsations as the Ground Signature of Contact of Interplanetary Irregularity with the Dayside Magnetopause. Open Access Library J. 2016, 3: e2493. DOI: 10.4236 / oalib.1102493. Parkhomov V.A., Dmitriev A.V., Tsegmed B. On the origin of burst Pc1 pulsations produced in interaction with an oblique interplanetary shock // Planet. Space Sci. 2015. V. 109-110, N.1. P. 21-31. Parkhomov V.A., Borodkova N.L., Yahnin A.G., Suvorova A.V., Dovbnya B.V., Pashinin A.Y., Kozelov B.V. Global pulse burst of geomagnetic pulsations in 0.2-5 Hz frequency range as a precursor of the sudden commencement of Patric geomagnetic storm on 03/17/2015. Kosmicheskie issledovaniya. [Cosmic Res.] 2017, no. 4, pp. 321-334. (In Russian). Parkhomov V.A., Dovbnya B.V., Borodkova N.L., et al. Impulse Bursts of Geomagnetic Pul-sations as the Ground Signature of Contact of Interplanetary Irregularity with the Dayside Magnetopause. Open Access Library J. 2016. 3: e2493. DOI: 10.4236/oalib.1102493. Polyakov V.O., Rapoport V.Y. Ionospheric Alfven resonator. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1981, vol. 21, no. 5, pp. 610-614. (In Russian). Safargaleev V., Kangas J., Kozlovsky A.Q., Va-silyev A. ULF noice excited by sudden solar wind dynamic pressure // Annales Geophys. 2002. V. 20. P. 1751-1761. Safargaleev V., Kangas J., Kozlovsky A.Q., Vasilyev A. ULF noice excited by sudden solar wind dynamic pressure. Annales Geophys. 2002, vol. 20, pp. 1751-1761. Saito T. Geomagnetic pulsations // Space Sci. Rev. 1969. V. 10, N 3. P. 319-412. Saito T. Geomagnetic pulsations. Space Sci. Rev. 1969, vol. 10, no. 3, pp. 319-412. Semenova N.V., Yahnin A.G. Diurnal behaviour of the ionospheric Alfven resonator signatures as observed at high latitude observatory Barentsburg (L=15) // Ann. Geophys. 2008. V. 26. P. 2245-2251. Semenova N. V., Yahnin A.G. Diurnal behaviour of the ionospheric Alfven resonator signatures as observed at high latitude observatory Barentsburg (L = 15). Ann. Geophys. 2008, vol. 26, pp. 2245-2251. Shiokawa K., Nomura R., Sakaguchi K., et al. The STEL induction magnetometer network for observation of high-frequency geomagnetic pul-sations // Earth, Planets and Space. 2010. V. 62, iss. 6. P. 517-524. Shiokawa K., Nomura R., Sakaguchi K., Otsuka Y., Hamaguchi Y., Satoh M., Katoh Y., Yamamoto Y., Shevtsov BM, Smirnov S., Poddelsky I., Connors M. The STEL induction magnetometer network for observation of high-frequency geomagnetic pulsations. Earth, Planets and Space. 2010, vol. 62, pp. 517-524. Yahnin A.G., Semenova N.V., Ostapenko A.A., et al. Morphology of the spectral resonance structure of the electromagnetic background noise in the range of 0.1-4Hz at L = 5.2 // Ann. Ge-ophys. 2003. V. 21. P. 779-786. Yahnin A.G., Semenova N.V., Ostapenko A.A., Kangas J., Manninen J., Turunen T. Morphology of the spectral resonance structure of the electromagnetic background in the range of 0.1-4 Hz at L = 5.2. Annales Geophysicae. 2003, vol. 21, pp. 779-786. URL: http://umtof.umd.edu/pm/FIGS.HTML (дата обращения 16 августа 2018 г.). URL: http://umtof.umd.edu/pm/FIGS.HTML (accessed August 16, 2018). URL: http://www.obsebre.es/en/rapid (дата обращения 16 августа 2018 г.). URL: http://www.obsebre.es/en/rapid (accessed August 16, 2018). URL: https://satdat.ngdc.noaa.gov/sem/goes/data/full (дата обращения 16 августа 2018 г.). URL: https://satdat.ngdc.noaa.gov/sem/goes/data/full (accessed August 16, 2018). URL: https://cdaweb.sci.gsfc.nasa.gov/cdaweb/istp_public (дата обращения 16 августа 2018 г.). URL: https://cdaweb.sci.gsfc.nasa.gov/cdaweb/istp_public (accessed August 16, 2018).