Solnechno-Zemnaya FizikaSolnechno-Zemnaya FizikaСолнечно-земная физика2712-9640349510.12737/5673ОбзорыReviews ОбзорыAuroral oval as a beautiful but outdated paradigmОвал полярных сияний – прекрасная, но устаревшая парадигмаЛазутинЛеонид ЛеонидовичLazutinLeonid Leonidovichlll@srd.sinp.msu.ru
доктор физико-математических наук;
doctor of physical and mathematical sciences;
Научно-исследовательский нститут ядерной физики им. Д.В. Скобельцина МГУМоскваРоссияSkobeltsyn Institute of Nuclear Physics MSUMoscowRussian Federation1703201517032015112335https://zh-szf.ru/en/nauka/article/3495/view
Авроральный овал как важная область полярной ионосферы присутствует во многих исследованиях и схемах магнитосферных возмущений. Казалось бы, об овале известно все и всем. Вместе с тем в публикациях встречаются свидетельства, непонимания или неполного понимания вопроса, так что назрела необходимость обзора. Работы, в которых описаны основные особенности пространственного распределения полярных сияний, были опубликованы более полувека тому назад и стали библиографической редкостью. Мы расскажем об истории исследования распределения полярных сияний до появления идеи овала, идеи революционной, изменившей наши представления о магнитосферных процессах, расскажем, как идея эта воз-никла, развивалась, как представление о едином овале менялось и как парадигма овала стала непродуктивной (на наш взгляд) для исследования структуры магнитосферы и магнитосферных возмущений. В заключение обозначим место авроральной зоны и авроральной магнитосферы в структуре основных магнитосферных доменов.
Being an important region of the polar ionosphere, the auroral oval is considered in many studies on the disturbed magnetosphere. The oval seems to be thoroughly known to all researchers, but there is evidence of misunderstanding in some papers, so it is time to review this matter. Most works describing the auroral position and dynamics were published more than a half-century ago and became a rarity. In this paper, we tell the history of studies on distribution of auroras before the oval was discovered. We also touch upon the discovery of the oval and tell how it changed our viewpoint on the magnetospheric processes. Besides, we describe how the oval paradigm developed and became non-productive (from our point of view) for studying the structure of the magnetosphere and magnetospheric disturbances. Finally we show the position of the aural zone and auroral magnetosphere among the main domains of the magnetosphere.
ВВЕДЕНИЕДорога от первых исследований географического распределения полярных сияний к парадигме овала была долгой. Десятки авторов мостили эту дорогу, их имена остались только в статьях и книгах пятидесятилетней давности, но без этих забытых исследователей мы не пришли бы к современному пониманию устройства и динамики магнитосферы. История этих исследований подробно описана в монографии С.И. Исаева (см. [Исаев, 1968] и ссылки в ней).Кратко перечислим взятые из [Исаев, 1968] сведения об основных этапах исследований, которые привели к появлению понятия аврорального овала. Зону повышенной частоты полярных сияний, по-видимому, первым описал Е. Лумис в 1860 г. [Loomis, 1860], обнаруживший, что частота появления полярных сияний растет при движении к полюсу до определенного предела, а затем уменьшается (до этого считалось — чем ближе к полюсу, тем сияний больше). Через двадцать лет была опубликована работа Г. Фрица [Fritz, 1881]. Зона максимальной частоты сияний Фрица, средняя по наблюдениям в течение года, располагалась на геомагнитной широте 67° в виде кольца вокруг магнитного полюса. Эти исследования затем повторялись другими авторами по новым данным (рис. 1). Теперь нам понятно, что это географическое распределение формировалось сияниями на ночной стороне.С расширением сети геофизических обсерваторий появилось представление о второй, более высокоширотной зоне полярных сияний. На рис. 2 приведена схема из работы А.П. Никольского, который одним из первых стал развивать идею второй, внутренней зоны [Никольский, 1961]. Видно, что внутренняя зона составлена из двух спиралей. Разработкой идеи двух зон занимались затем многие исследователи полярных сияний, причем большинство представляло их в виде двух соосных колец. Сегодня очевидно, что внутренняя зона создается суточным вращением дневной части аврорального овала.При построении зон сначала использовались изохроны — относительное число дней или часов, когда сияния наблюдались на данной станции в любом участке небосвода. С ростом числа и качества наблюдений стали использоваться изоавроры, при построении которых учитывались только сияния в зените.
Воробьев В.Г. Авроральное свечение в дневном каспе // Физика авроральных явлений / Под ред. Б.Е. Брюнелли, В.Б. Ляцкого. Л.: Наука, 1988. С. 86-144.Akasofu S.-I. Several “controversial” issues of substorms. Space Sci Rev. 2004, vol. 113, pp. 1-40.Воробьев В.Г., Зверев В.Л. Влияние компонент межпланетного магнитного поля на положение овала сияний в дневном секторе // Полярные сияния и свечение ночного неба. М.: Наука, 1981. № 28. С. 21-24.Annales Geophysique. 2009, vol. 27, 4073 р.Грингауз К.И. Малоэнергичная плазма в магнитосфере Земли // Физика магнитосферы. М.: Мир, 1972. С. 413-461.Elphinstone R.D. The double oval UV auroral distribution. 1. Implications for the mapping of auroral arcs. J. Geophys. Res. 1995, vol. 100, pp. 12,075-12,092.Исаев С.И. Морфология полярных сияний. Л.: Наука, 1968. 167 с. URL: http://www.kosmofizika.ru/abmn/isaev/isaev1.htm (дата обращения 09.12.2014).Feldstein Ya.I. Geographic distribution of polar aurora and arc azimuths. Issledovaniya polyarnykh siyanii [Aurora Investigations]. Publ. house of Acad. Sci. of USSR, 1960, no. 4, pp. 61-78.Исаев С.И., Коротин А.Б., Фельдштейн Я.И. Совместная советско-французская экспедиция по исследованию полярных сияний // Геомагнетизм и аэрономия. 1962. Т. 2. С. 1014-1015.Feldstein Ya.I. Prostranstvenno-vremennoe raspredelenie magnitnoi aktivnosti v vysokikh shirotakh Severnogo polushariya [Spatial and Temporal Distribution of Magnetic Activity in the High Latitudes of the North Hemisphere]. Moscow, Publishing house of Acad. Sci. of USSR, 1963б, 63 p. (in Russian).Исаев С.И., Пудовкин М.И. Полярные сияния и процессы в магнитосфере Земли. Л.: Наука, 1972. 244 с.Feldstein Ya.I. Some question of the morphology of polar aurora and magnetic disturbances in high latitudes. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1963a, vol. 3, pp. 227-239 (in Russian).Кузнецов С.Н., Тверская Л.В. Радиационные пояса // Модель космоса / Под ред. М.И. Панасюка, Л.С. Новикова. М.: КДУ, 2007. Т. 1. С. 518-546.Feldstein Ya.I., Galperin Yu.I. Structure of nightside auroral precipitations. Kosmicheskie issledovaniya [Cosmic Research]. 1996, vol. 34, pp. 227-247 (in Russian).Лазутин Л.Л. Структура авроральной магнитосферы и взрывные процессы магнитосферной суббури // Физика авроральных явлений / Под ред. Б.Е. Брюнелли, В.Б. Ляцкого. Л.: Наука, 1988. С. 145-192.Feldstein Ya.I., Solomatina E.K. Some question of aurora geographic distribution in the North hemisphere. Polyarnye siyaniya i svechenie nochnogo neba [Polar Aurora and Airglow]. Moscow, Publ. house of Acad. Sci. of USSR, 1961, no. 7, pp. 51-68 (in Russian).Лазутин Л.Л. Авроральная магнитосфера // Модель космоса / Под. ред. М.И. Панасюка, Л.С. Новикова М.: КДУ, 2007. Т. 1. С. 547-578.Feldstein Ya.I., Starkov G.V. Dynamics of auroral belt and polar geomagnetic disturbances. Planet. Space Sci. 1967, vol. 15, no. 2, pp. 209-230.Лазутин Л.Л. Особенности экспансии к полюсу внешнего радиационного пояса во время магнитосферных суббурь // Геомагнетизм и аэрономия. 2014. Т. 54, № 2. С. 187-194.Feldstein Ya.I., Vorob´ev V.G., Zverev V.L. Planetary structure of polar aurora. IGY results (Review). Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2010. vol. 50, no. 4, pp. 435-458 (in Russian).Никольский А.П. О географическом распределении магнитных возмущений в околополюсной области Арктики // Докл. АН СССР. 1956. Т. 109. С. 939-941.Feldstein Y.I., Vorobjev V.G., Zverev V.L., Forster M. Investigations of the auroral luminosity distribution and the dynamics of discrete auroral forms in a historical retrospective. Hist. Geo. Space Sci. 2014, vol. 5, pp. 81-134.Никольский А.П. О положении второй зоны полярных сияний и связи утренних сияний с магнитными возмущениями // Полярные сияния и свечение ночного неба. М.: Изд-во АН СССР, 1961. №. 7. С. 37-42.Fritz H. Das Polarlight. Leipzig, Brockhaus Publ., 1881, 76 р.Старков Г.В. Планетарная динамика аврорального свечения // Физика околоземного космического пространства. Апатиты: ПГИ, 2000. Т. 3. С. 409-499.Gringauz K.I. Low-energy plasma in the Earth’s magnetosphere. Fizika magnitosfery [Physics of magnetosphere]. Moscow, Mir Publ., 1972, pp. 413-461 (in Russian).Старков Г.В., Реженов Б.В., Воробьев В.Г. и др. Структура авроральных вторжений в дневном секторе // Геомагнетизм и аэрономия. 2002. Т. 42, № 2. С. 186-194.Hartz T.R., Brice H.M. Planet. Space Sci. 1967, vol. 15, pp. 301-309.Старков Г.В., Фельдштейн Я.И. Изменение границ овальной зоны сияний // Геомагнетизм и аэрономия. 1967. Т. 7. С. 62-71.Isaev S.I. Morfologiya polyarnykh ciyanii [Morphology of Polar Aurora]. Leningrad, Nauka Publ., 1968, 167 p. (in Russian).Фельдштейн Я.И. Географическое распределение полярных сияний и азимуты дуг // Исследования полярных сияний. М.: Изд-во АН СССР, 1960. № 4. C. 61-78.Isaev S.I., Korotin A.B., Feldstein Ya.I. Joint Soviet-French expedition for investigation of polar aurora. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1962, vol. 2, pp. 1014-1015 (in Russian).Фельдштейн Я.И. Некоторые вопросы морфологии полярных сияний и магнитных возмущений в высоких широтах // Геомагнетизм и аэрономия. 1963а. Т. 3. С. 227-239.Isaev S.I., Pudovkin M.I. Polyarnye siyaniya i protsessy v magnetosfere Zemli [Polar Aurora and Processes in the Earth´s Magnetosphere]. Leningrad, Nauka Publ., 1972, 244 р. (in Russian).Фельдштейн Я.И. Пространственно-временное распределение магнитной активности в высоких широтах Северного полушария. М.: Изд-во АН СССР, 1963б. 63 с.Khorosheva O.B. Prostranstvenno-vremennoe raspredelenie polyarnykh siyanii [Spatial and Temporal Distribution of Polar Aurora]. Moscow, Nauka Publ., 1967. 82 p. (in Russian).Фельдштейн Я.И., Воробьев В.Г., Зверев В.Л. Планетарные закономерности полярных сияний. Итоги МГГ: Обзор // Геомагнетизм и аэрономия. 2010. Т. 50, № 4. С. 435-458.Khorosheva O.B. Relation of the magnetic disturbances with the dymamics of the magnetospere and interplanetary space. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2007, vol. 47, no. 5, pp. 579-583 (in Russian).Фельдштейн Я.И., Гальперин Ю.И. Структура авроральных вторжений в ночном секторе магнитосферы // Космические исследования. 1996. Т. 34. С. 227-247.Khorosheva O.B. Spatial and temporal distribution of polar auroraи and the relation with highlatitude geomagnetic disturbanses. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1961, vol. 1, pp. 695-701 (in Russian).Фельдштейн Я.И., Соломатина Э.К. Некоторые вопросы географического распределения полярных сияний в Северном полушарии // Полярные сияния и свечение ночного неба. М.: Изд-во АН СССР, 1961. № 7. С. 51-67.Kuznetsov S.N., Tverskaya L.V. Radiation belts. Model´ kosmosa [Model of Outer Space]. Moscow, KDU Publ., 2007, vol. 1, pp. 518-546 (in Russion).Хорошева О.В. Пространственно-временное распределение полярных сияний и их связь с высокоширотными геомагнитными возмущениями // Геомагнетизм и аэрономия. 1961. Т. 1. С. 695-701.Lazutin L.L. Struture of auroral magnetosphere and explosive processes of the magnetospheric substorms. Brunelli B.E., Lyatsky V.B. (eds.). Fizika avroral’nykh javlenii [Physics of Auroral Phenomena]. Leningrad, Nauka Publ., 1988, pp. 145-192 (in Russian).Хорошева О.В. Пространственно-временное распределение полярных сияний. М.: Наука, 1967. 82 с.Lazutin L.L. Auroral magnetosphere. Model’ kosmosa [Model of Outer Space]. Moscow, KDU Publ., 2007. vol. 1, pp. 547-578 (in Russian).Хорошева О.В. Связь геомагнитных возмущений с динамикой магнитосферы и параметрами межпланетной среды // Геомагнетизм и аэрономия. 2007. Т. 47, № 5. С. 579-583.Lazutin L.L. Features of poleward expansion of inner radiation belt during magnetospheric substorms. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2014, vol. 54, no. 2, pp. 187-194 (in Russian).Akasofu S.-I. Several “controversial” issues of substorms // Space Sci Rev. 2004. V. 113. P. 1-40.Lazutin L., Korth A. Distribution of energetic particle «injections» events along the radiation belt slope. Kokubun S., Kamide Y. (eds.) Substorms-4. Tokyo, Terra Publ., 1998, pp. 817-820.Annales Geophysique. 2009. V. 27. 4073 p.Lazutin L., Starkov G., Meng C.-I., et al. Westward Traveling Surge dynamics and the local structure of an isolated substorm. Adv. Space Res. 2001, vol. 28, no. 11, pp. 1623-1629.Elphinstone R.D. The double oval UV auroral distribution. 1. Implications for the mapping of auroral arcs // J. Geophys. Res. 1995. V. 100. P. 12,075-12,092.Loomis E. On geographic distribution of auroras in northern hemisphere. Amer. J. Sci. 1860, vol. 30, pp. 89-94.Feldstein Ya.I., Starkov G.V. Dynamics of auroral belt and polar geomagnetic disturbances // Planet. Space Sci. 1967. V. 15, N 2. P. 209-230.Newell P.T., Feldstein Ya.I., Galperin Yu.I., Meng C.-I. Morphology of nightside precipitation. J. Geophys. Res. 1996, vol. 101, pp. 10737-10748.Feldstein Y.I., Vorobjev V.G., Zverev V.L., Forster M. Investigations of the auroral luminosity distribution and the dynamics of discrete auroral forms in a historical retrospective // Hist. Geo. Space Sci. 2014. V. 5. P. 81-134.Nikolskii A.P. Dual laws of the course of magnetic disturbance and the nature of mean regular variations. Terr. Magn. and Atm. Elec. 1947, vol. 52, pp. 147-173.Fritz H. Das Polarlight. Leipzig: Brockhaus, 1881. 76 р.Nikolskii A.P. On the geographical distribution of magnetic disturbances in polar Arctic region. Doklady Akademii Nauk (DAN) [Reports of Acad. Sci. of USSR]. 1956, vol. 109, pp. 939-941 (in Russian).Hartz T.R., Brice H.M. // Planet. Space Sci. 1967. V. 15. P. 301-309.Nikolskii A.P. On the second zone of polar aurora position and relation if the morning side aurora with magnetic disturbances. Polyarnye siyaniya i svechenie nochnogo neba [Polar Aurora and Airglow]. Publishing house of Acad. Sci. of USSR, 1961, no. 7, pp. 37-42. (in Russian).Lazutin L., Korth A. Distribution of energetic particle «injections» events along the radiation belt slope // Substorms-4 / Eds. S. Kokubun, Y. Kamide. Tokyo: Terra, 1998. P. 817-820.Vorob´ev V.G. Aurora in dayside cusp. Brunelli B.E., Lyatsky V.B. (eds.) Fizika avroral’nykh javlenii [Physics of Auroral Phenomena]. Leningrad, Nauka Publ., 1988, pp. 86-144 (in Russian).Lazutin L., Starkov G., Meng C.-I., et al. Westward traveling surge dynamics and the local structure of an isolated substorm // Adv. Space Res. 2001. V. 28, N 11. P. 1623-1629.Vorob´ev V.G., Zverev V.L. Influence of interplanetary magnetic fields on auroral oval position in a dayside sector. Polyarnye siyaniya i svechenie nochnogo neba [Polar Aurora and Airglow] Moscow, Nauka Publ., 1981. vol. 28, pp. 21-24 (in Russian).Loomis E. On geographic distribution of auroras in Northern hemisphere // Amer. J. Sci. 1860. V. 30. P. 89-94.Starkov G.V. Global dynamics of auroral airglow. Fizika okolozemnogo kosmicheskogo prostranstva [Physics of Near-Earth Space]. Apatity, 2000, vol. 3, pp. 409-499 (in Russian).Newell P.T., Feldstein Ya.I., Galperin Yu.I., Meng C.-I. Morphology of nightside precipitation // J. Geophys. Res. 1996. V. 101. P. 10737-10748.Starkov G.V., Feldstein Ya.I. Changes of the boundaries of auroral oval. Geomagnetizm i aeronomiya. [Geomagnetism and Aeronomy].1967, vol. 7, no. 1, pp. 62-71 (in Russian).Nikolskii A.P. Dual laws of the course of magnetic disturbance and the nature of mean regular variations // Terr. Magn. and Atm. Elec. 1947. V. 52. P. 147-173.Starkov G.V., Feldstein Y.I., Shevnina F. Auroras on the day side of the oval during substorms. Geomagn. Aeron. 1971, vol. 11, pp. 72-75.Starkov G.V., Feldstein Y.I., Shevnina F. Auroras on the day side of the oval during substorms // Geomagn. Aeron. 1971. V. 11. P. 72-75.Starkov G.V., Rezhenov B.V., Vorob´ev V.G. et al. Structure of dayside auroral precipitations. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2002, vol. 42, no. 2, pp. 186-194 (in Russian).Stermer C. The Polar Aurora. Oxford, 1955. 76 р.Stermer C. The Polar Aurora. Oxford, 1955, 76 р.Weill G., Fafiotte M., Huille S., Dellaney J. // Annale de geophysique. 1965. N 3. P. 469-474.Weill G., Fafiotte M., Huille S., Dellaney J. Annales de géophysique. 1965, no. 3, pp. 469-474.