Evolution of the Northern Auroral Oval in the Light of Modern Changes in The Earth’s Magnetic Field

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The active development of the Arctic, the increase in the intensity of navigation along the Northern Sea Route and the increase in the intensity of airlines in the airspace of the Arctic Ocean draws attention to the problem of violations of the transpolar propagation of radio waves. In high-latitude regions, the passage of navigation signals from global positioning systems depends on the state of the ionosphere. During geomagnetic disturbances, ionospheric inhomogeneities develop, leading to interference with satellite positioning systems. The position and shape of the auroras depend on the state of the magnetosphere. In the process of work, for the first time, a component model of the magnetic field of the auroral zone was calculated based on an updated digital model of the full values of the components of the Earth’s magnetic field of the SPbF IZMIRAN. The magnetic field of the auroral zone is calculated for altitudes from 0 to 1000 km for the period from 1900 to 2023, including for heights of 100-110 km, where the intensity of the aurora reaches its maximum in the near-Earth space of the Arctic. The spatial displacement of the auroral oval has been estimated for the period from 1957 (its first mathematical description) to the present. The analysis showed, that the displacement of the auroral oval boundaries during the considered period occurred in time and space co-directionally with the movement of the extremumes isolines of the horizontal and vertical components of the auroral zone magnetic field of the northern hemisphere.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. A. Petrova

Saint Petersburg Branch of Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation of Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: aa_petrova@inbox.ru
Russian Federation, St. Petersburg

O. V. Latysheva

Saint Petersburg Branch of Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation of Russian Academy of Sciences

Email: l-olli@yandex.ru
Russian Federation, St. Petersburg

References

  1. Захаров В.И., Чернышов А.А., Милох В., Джин Я. Влияние ионосферы на параметры навигационных сигналов GPS во время геомагнитной суббури // Геомагнетизм и аэрономия. T. 60. № 6. С. 769–782. 2020. https://doi.org/10.31857/S0016794020060152
  2. Копытенко Ю.А., Петрова А.А. Результаты разработки и применения компонентной модели магнитного поля Земли в интересах магнитной картографии и геофизики // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. Т. 9. № 2. С. 88–106. 2016.
  3. Копытенко Ю.А., Петрова А.А. Мировые карты компонент магнитного поля Земли эпохи 2020 / Труды XV Всероссийской конференции “Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики”. СПб, 21–25 сентября 2020 г. С. 288–291. 2020.
  4. Копытенко Ю.А., Петрова А.А., Алексеев В.Ф. и др. Применение высотных моделей магнитного поля Земли для решения геофизических задач // Космич. исслед. Т. 57. № 3. С. 185–191. 2019. https://doi.org/10.1134/S0010952519030067
  5. Копытенко Ю.А., Петрова А.А., Гурьев И.С., Лабецкий П.В., Латышева О.В. Анализ информативности магнитного поля земли в околоземном космическом пространстве // Космич. исслед. Т. 59. № 3. С. 177–190. 2021. https://doi.org/10.1134/S0010952521030059
  6. Копытенко Ю.А., Петрова А.А., Латышева О.В. Магнитные аномалии литосферы в околоземном космическом пространстве / Материалы научной конференции “Магнетизм на Земле и в космосе”. М., 15–16 мая 2019 г. ИЗМИРАН. С. 91–95. 2019а. https://doi.org/10.31361/pushkov2019.021
  7. Николаев А.В., Долгачёва С.А., Черняева С.А. О точности определяемых видимых границ полярных сияний в модели OVATION Prime (PC) // Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. Т. 37. № 4. C. 171-182. 2021. https://doi.org/10.26117/2079-6641-2021-37-4-171-182
  8. Петрова А.А. Цифровые карты компонент вектора индукции магнитного поля / Сб. трудов “Электромагнитные и плазменные процессы от недр Солнца до недр Земли”. Ред. В.Д. Кузнецов. Москва: изд-во ИЗМИРАН. С. 412–423. 2015.
  9. Петрова А.А., Латышева О.В. Верификация модели аномалий компонент магнитного поля Арктики / Материалы Всероссийской конференции: Глобальные проблемы Арктики и Антарктики. Архангельск, 2–5 ноября 2020 г. Отв. ред. акад. РАН А.О. Глико, акад. РАН А.А. Барях, чл.-корр. РАН К.В. Лобанов, чл.-корр. РАН И.Н. Болотов. ФИЦКИА УрО РАН. С. 279–284. 2020.
  10. Петрова А.А., Латышева О.В., Копытенко Ю.А. Глубинное строение Арктики и Антарктики по магнитным аномалиям компонент и аномалиям силы тяжести // Космич. исслед. Т. 60. № 4. С. 331–347. 2022.
  11. Пудовкин М.И., Козелов В.П., Лазутин Л.Л., Трошичев О.А., Чертков А.Д. Физические основы прогнозирования магнитосферных возмущений. Л.: Наука, 312 с. 1977.
  12. Пудовкин М.И., Семенов В.С. Теория пересоединения и взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой Земли. М.: Наука, 126 с. 1985.
  13. Старков Г.В. Синоптические карты овала полярных сияний в разные моменты мирового времени /Авроральные явления 70-I: материалы наблюдений Полярного геофизического института за первое полугодие 1970 г. Акад. Наук СССР, Кольский фил-л им. С.М. Кирова. Отв. ред. Брюнелли. Апатиты: Кольский филиал АН СССР. 156 с. 1973.
  14. Трошичев О.А. Ионосферно-магнитные возмущения в высоких широтах. Л.: Гидрометеоиздат, 256 с. 1986.
  15. Системный мониторинг ионосферы. Сборник научных трудов под ред. Н.Г. Котонаевой. М.: Физматлит, 416 с. 2019.
  16. Филатов М.В., Швец МВ., Пильгаев С.В., Ларченко А.В., Черноус С.А. Полярные сияния как индикатор устойчивости сигнала GPS-приемника // Труды Кольского научного центра РАН. № 6 (32). С. 93–100. 2015.
  17. Филатов М.В., Черноус С.А. Опыт тестирования модели овала полярных сияний NORUSСA // Труды Кольского научного центра РАН. № 7–3 (8). С. 38–46. 2017.
  18. Хорошева О.Б. Пространственно-временное распределение полярных сияний и их связь с высокоширотными геомагнитными возмущениями // Геомагнетизм и аэрономия. 1961. Т. 1. С. 695–701.
  19. Хорошева О.Б. Пространственно-временное распределение полярных сияний. М.: Наука, 82 с. 1967.
  20. Черноус С.А., Алпатов В.В., Будников П.А., Филатов М.В. Сопоставление положения аврорального овала и пространственно-временного распределения индекса флуктуаций ПЭС по данным сети станций радиотомографии ионосферы // Труды Кольского научного центра РАН. № 5–4 (9). С. 108–116. 2018.
  21. Черноус С.А., Филатов М.В., Шагимуратов И.И., Ефишов И.И. Дискретные полярные сияния на Шпицбергене как индикатор влияния состояния полярной ионосферы на навигационные сигналы // Вестн. КНЦ РАН. № 3 (10). С. 106–114. 2018а.
  22. Черноус C.А., Шагимуратов И.И., Иевенко И.Б., Филатов М.В., Ефишов И.И., Швец М.В., Калитенков Н.В. Авроральные возмущения как индикатор воздействия ионосферы на навигационные сигналы // Химическая физика. Т. 37. № 5. С. 77–83. 2018б. https://doi.org/10.7868/S0207401X18050102.
  23. Черноус С.А., Шагимуратов И.И., Филатов М.В., Ефишов И.И. Сравнение пространственно-временного распределения неоднородностей ПЭС и модельного аврорального овала / Proc. XLI Annual Seminar “Physics of Auroral Phenomena”. Apatity, 12 – 16 March 2018. P. 160–163. 2018в. https://doi.org/10.25702/KSC.2588-0039.2018.41.160-163.
  24. Черноус С.А., Шагимуратов И.И., Вульфович Б.А., Калитёнков Н.В. Навигация GPS/ГЛОНАСС в Арктике и полярные сияния // Вестн. МГТУ. Т. 19. № 4. С. 806–812. 2016. https://doi.org/10.21443/1560-9278-2016-4-806-812.
  25. Шагимуратов И.И., Филатов М.В., Ефишов И.И., Захаренкова И.Е., Тепеницына Н.Ю. Флуктуации полного электронного содержания и ошибки GPS позиционирования, обусловленные полярными сияниями во время аврорального возмущения 27 сентября 2019 года // Известия РАН. Сер. физическая. Т. 85. № 3. С. 433–439. 2021. https://doi.org/10.3103/S1062873821030230
  26. Alken P., Thébault E., Beggan C.D., and M. Nosé Special issue “International Geomagnetic Reference Field: the thirteenth generation” // Earth, Planets and Space. V. 74. A11. 2022. https://doi.org/10.1186/s40623-021-01569-z
  27. Alken P., Thébault E., Beggan C.D. et al. Earth. International Geomagnetic Reference Field: the thirteenth generation // Planets and Space. V. 73. A49. 2021. https://doi.org/10.1186/s40623-020-01288-x
  28. Astafyeva E., Yasyukevich Yu., Maksikov A., Zhivetiev I. Geomagnetic storms super-storms and their impact on GPS-based navigation // Space Weather. V. 12. № 7. P. 508–525. 2014. https://doi.org/10.1002/2014SW001072
  29. Aurora - 30 minute forecast/ OVATION-Prime Model. Current Space Weather Conditions on NOAA Scales. https://www.swpc.noaa.gov/products/aurora-30-minute-forecast
  30. Brown W., Beggan C., Cox G., and Macmillan S. The new WMM2020 and IGRF-13 models and a retrospective analysis of IGRF secular variation / EGU General Assembly 2020. Online. 4–8 May 2020. EGU2020-9775. 2020. https://doi.org/10.5194/egusphere-egu2020-9775
  31. Breedveld M. J. Predicting the Auroral Oval Boundaries by Means of Polar Operational Environmental Satellite Particle Precipitation Data. Master’s Thesis in Space Physics, FYS-3931. UiT The Arctic University of Norway. 121 p. 2020.
  32. Chernous S., Budnikov P., Shagimuratov I., Alpatov V., Filatov M., Efishov I., Tepenitsina N. Variations of GNSS signals in Euro-Arctic region during auroral Activity / 45th Annual European Meeting on Atmospheric Studies by Optical Methods. Kiruna, 27-31 August 2018. P. 10. 2018.
  33. Case N.A., MacDonald E.A., and Viereck R. Using citizen science reports to define the equatorial extent of auroral visibility // Space Weather. V. 14. № 3. P. 198-209. 2016. https://doi.org/10.1002/2015SW001320
  34. Feldstein Y.I., Starkov G.V. Dynamics of auroral belt and polar geomagnetic disturbances // Planetary and Space Science. V. 15. № 2. P. 209–229. 1967.
  35. Kalb V., Kosar B., Collado-Vega Y., Davidson C. Aurora detection from nighttime lights for Earth and Space Science applications // Earth and Space Science. V. 10. e2022EA002513. 2023.
  36. Kopytenko Yu.A., Chernouss S., Petrova A.A, Filatov M.V., Petrishchev M.S. The Study of Auroral Oval Position Changes in Terms of Moving of the Earth Magnetic Pole / Problems of Geocosmos–2018. Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences. P. 289–297. 2019. https://doi.org/10.1007/978-3-030-21788-4_25
  37. Longcope D.W. Topological Methods for the Analysis of Solar Magnetic Fields // Living Rev. Solar Physics. V. 2. A7. 2005. https://doi.org/10.12942/lrsp-2005-7
  38. Machol J.L., Green J.C., Redmon R.J., Viereck R.A., Newell P.T. Evaluation of OVATION Prime as a forecast model for visible aurorae // Space Weather. V. 10. № 3. 2012. https://doi.org/10.1029/2011SW000746
  39. Maffei S., Eggington J.W.B., Livermore P.W. et al. Climatological predictions of the auroral zone locations driven by moderate and severe space weather events // Scientific Reports. V. 13. A779. 2023. https://doi.org/10.1038/s41598-022-25704-2
  40. Marchaudon A., Owen C.J., Bosqued J.-M. et al. Simultaneous. Double Star and Cluster FTEs observations on the dawnside flank of the magnetosphere // Ann. Geophys. V. 23. № 8. P. 2877–2887. 2005. https://doi.org/10.5194/angeo-23-2877-2005
  41. Mooney M.K., Marsh M.S., Forsyth C., et al. Evaluating auroral forecasts against satellite observations // Space Weather. V. 19. e2020SW002688. 2021. https://doi.org/10.1029/2020SW002688
  42. Newell P.T., Sotirelis T., and Wing S. Diffuse, monoenergetic, and broadband aurora: The global precipitation budget // J. Geophys. Res. V. 114. A09207. 2009. https://doi.org/10.1029/2009JA014326
  43. Newell P., Liou Kan, Zhang Yuchao, Sotirelis T., Paxton Larry, Mitchell E. OVATION Prime-2013: Extension of Auroral Precipitation Model to Higher Disturbance Levels // Space Weather. V. 12. P. 368–379. 2014. https://doi.org/10.1002/2014SW001056
  44. Olsen N., Pauluhn A. Exploring Earth’s magnetic field – Three make a Swarm // Spatium.V. 43. P. 3–15. 2019.
  45. Oguti T. Prediction of the Location and Form of the Auroral Zone: Wandering of the Auroral Zone out of High Latitudes // Journal of Geophysical Research. V. 98. № A7. P. 11649–11655. 1993.
  46. Petrova A.A., Latysheva O.V., Petrova A.I. Verification of the Arctic Magnetic Field Component Model Based on Observations on the CHAMP and Swarm Satellites // Problems of Geocosmos–2020. Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences. Springer, Cham, P. 53–63. 2022. https://doi.org/10.1007/978-3-030-91467-7_5
  47. Petrukovich A.A., Mogilevsky M.M., Chernyshov A.A., and Shklyar D.R. Some aspects of magnetosphere–ionosphere relations // Physics-Uspekhi. V. 58. № 6. P. 606–611. 2015. https://doi.org/10.3367/UFNe.0185.201506i.0649
  48. Sabaka T.J., Clausen L.T., Olsen N., Finlay C.C. A comprehensive model of Earth’s magnetic field determined from 4 years of Swarm satellite observations // Earth, Planets and Space. V. 70. № 130. P. 1–26. 2018. https://doi.org/10.1186/s40623-018-0896-3
  49. Sigernes F., Dyrland M., Brekke P., Gjengedal E.K., Chernouss S., Lorentzen D.A., Oksavik K., Deehr C.S. Oval Real-Time Prediction –SvalTrackII // Optica Pura y Aplicada. V. 44. № 4. P. 599–603. 2011.
  50. Sigernes F., Ivanov Yu., Chernouss S. et al. Hyperspectral all-sky imaging of auroras // Optics Express. V. 20. № 25. P. 27650–27660. 2012. https://doi.org/10.1364/OE.20.027650
  51. Thébault E., Vigneron P., Langlais B., Hulot G. A Swarm lithospheric magnetic field model to SH degree 80 // Earth, Planets and Space. V. 68. A126. 2016. https://doi.org/10.1186/s40623-016-0510-5
  52. Tsyganenko N.A. Secular Drift of the Auroral Ovals: How Fast Do They Actually Move? // Geophysical Research Letters. V. 46. № 6. P. 3017–3023. 2019. https://doi.org/10.1029/2019GL082159
  53. Zhang Binzheng, Delamere Peter A., Zhonghua Yao et al. How Jupiter’s unusual magnetospheric topology structures its aurora // Science Advances. V. 7. № 15. 2021. https://doi.org/10.1126/sciadv.abd1204

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. MF progression for the period from 1900 to 2025 (a) - MF position on the Earth surface; (b) - zero isoline of the H-component of the permanent MFZ at altitudes up to 1000 km. 1 - MF position according to the IGRF 13 model (1900-2025); 2 - MF position according to the H-component of the auroral zone magnetic field for a height of 0 km; 3 - evolution of the MF position from 1957 to 2025 at heights from 0 to 1000 km (SPbF IZMIRAN model); 4 - geomagnetic pole of 1900-2025.

Download (93KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Evolution of the MF position in the period from 1957 to 2025 at altitudes from 0 to 1000 km. 1 - The trajectory of MF movement along the H-component of the MFZ at altitudes of 0, 120, 400 km (model of SPbF IZMIRAN).

Download (76KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Evolution of the polar aurora oval during the quiet period of geomagnetic activity: (a, b) - Z- and H-components of the MPZ, 1957; (c, d) - Z- and H-components of the MPZ, 1970; (e, f) - Z- and H-components of the MPZ, 2023. 1 - oval of 1957; 2 - oval of 1970, 3- oval 17.01.2023 (Kp = 3 ); 4 - displacement of H minima from 1957 to 2025 at a height of 110 km; 5 - zone of maximum of the Z-component of the auroral magnetic field at the boundary of the oval on a quiet day; 6 - geomagnetic pole of 1900-2025; 7 - isolines of the Z-component of the auroral magnetic field (height of 110 km); 8 - isolines of the H-component of the MPZ (height of 110 km).

Download (158KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Position of the Northern Lights ovals in 1957 and 2023 under conditions of weak geomagnetic activity. 1 - positions of the MF up to a height of 400 km ((a) - 1957, (b) - 2023); 2 - trajectory of the MF from 1957 to 2023 at a height of 120 km; 3 - positions of the maximums of the Z-component of the MFZ up to a height of 400 km and at the edges of the ovals: (a) - 1957, (b) - 2023; 4 - northern auroral ovals: (a) -1957, (b) - oval 17.01.2023 (Kp = 3) according to the forecast of the OVATION model.

Download (56KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Position of the polar aurora oval during the periods of different geomagnetic activity. (a, b) - Z and H components of the MFZ 2015; (c, d) - Z and H of 2023. Ovals on a perturbed day: 1 - 17.03.2015 (Kp = 9); 2 - 23.03.2023 (Kp = 7); 3 - zone of Z maxima; 4 - Z of the auroral zone (height 200 km); 5 - oval on a quiet day 17. 01.01.2023 (Kp = 3); 6 - MF displacement from 1957 to 2023 (height 200 km); 7 - displacement of the geomagnetic pole 1900-2025; 8 -H auroral zone (height 200 km).

Download (125KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Northern Hemisphere auroral zone: (a) - northern auroral oval in winter periods of different years: 1957 oval, 1970 oval, 1965 and 2020 model ovals, (c) - boundaries of the northern auroral ovals according to the current forecasts of the OVATION model on magnetically quiet days in 2014, 2016, 2018, 2020. Evolution of the H-component of the auroral magnetic field (100 km height): (b) - for the period from 1957 to 2020, (d) - for the period from 2014 to 2022. 1 - displacement of the H-component from 1957 to 2023 at a height of 100 km; 2 - displacement of the geomagnetic pole (1900-2023); 3 - displacement of the MF at the surface height (1957 to 2023).

Download (139KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences