Эволюция Северного аврорального овала в свете современных изменений магнитного поля Земли

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Активное освоение Арктики, увеличение интенсивности судоходства по Северному морскому пути и авиалиний в воздушном пространстве Северного Ледовитого океана привлекает внимание к проблеме нарушений трансполярного распространения радиоволн. В высокоширотных областях прохождение навигационных сигналов систем глобального позиционирования зависит от состояния ионосферы. Во время геомагнитных возмущений развиваются ионосферные неоднородности, приводящие к помехам систем спутникового позиционирования. Положение и форма полярных сияний зависят от состояния магнитосферы. В процессе работы впервые выполнен расчет компонентной модели магнитного поля авроральной зоны на основе обновляемой цифровой модели полных значений компонент магнитного поля Земли СПбФ ИЗМИРАН. Магнитное поле авроральной зоны рассчитано для высот от 0 до 1000 км на период с 1900 по 2023 гг., в том числе для высоты 100−110 км, где интенсивность полярных сияний достигает максимума в околоземном космическом пространстве Арктики. Оценка пространственного смещения овала полярных сияний проведена за период с 1957 г. (его первого математического описания) по настоящее время. Как показал анализ, смещение границ овала полярных сияний за рассмотренный период происходило во времени и в пространстве сонаправленно перемещению изолиний экстремумов горизонтальной и вертикальной компонент магнитного поля авроральной зоны северного полушария.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. А. Петрова

Санкт-Петербургский филиал Федерального Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (СПбФ ИЗМИРАН)

Автор, ответственный за переписку.
Email: aa_petrova@inbox.ru
Россия, Санкт-Петербург

О. В. Латышева

Санкт-Петербургский филиал Федерального Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (СПбФ ИЗМИРАН)

Email: l-olli@yandex.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  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

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Продвижение МП за период с 1900 по 2025 гг. (а) – Положение МП на земной поверхности; (б) – нулевая изолиния H-компоненты постоянного МПЗ на высотах до 1000 км. 1 – Положение МП по модели IGRF 13 (1900-2025 гг.); 2 – положение МП по H-компоненте магнитного поля авроральной зоны для высоты 0 км; 3 – эволюция положения МП с 1957 по 2025 гг. на высотах от 0 до 1000 км (модель СПбФ ИЗМИРАН); 4 – геомагнитный полюс 1900–2025 гг.

Скачать (93KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Эволюция положения МП в период с 1957 по 2025 гг. на высотах от 0 до 1000 км. 1 – Траектория перемещения МП по H-компоненте МПЗ на высотах 0, 120, 400 км (модель СПбФ ИЗМИРАН).

Скачать (76KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Эволюция овала полярных сияний в спокойный период геомагнитной активности: (а, б) – Z- и H-компоненты МПЗ, 1957 г.; (в, г) – Z- и H- 1970 г.; (д, е) – Z- и H-компоненты МПЗ, 2023 г. 1 – овал 1957 г.; 2 – овал 1970 г., 3– овал 17.01.2023 г. (Kp = 3 ); 4 – перемещение минимумов H с 1957 по 2025 гг. на высоте 110 км; 5 – зона максимума Z-компоненты магнитного поля авроральной зоны на границе овала в спокойный день; 6 – геомагнитный полюс 1900-2025 гг.; 7 – изолинии Z-компоненты магнитного поля авроральной зоны (высота 110 км); 8 – изолинии H-компоненты МПЗ (высота 110 км).

Скачать (158KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Положение овалов северных сияний 1957 и 2023 гг. в условиях слабой геомагнитной активности. 1 – положения МП до высоты 400 км ((а) – 1957 г., (б) – 2023 г.); 2 – траектория МП с 1957 по 2023 гг. на высоте 120 км; 3 – положения максимумов Z-компоненты МПЗ до высоты 400 км и на кромках овалов: (а) – 1957 г., (б) – 2023 г.; 4 – северные авроральные овалы: (а) –1957 г., (б) – овал 17.01.2023 г. (Kp = 3) по прогнозу модели OVATION.

Скачать (56KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Положение овала полярного сияния в периоды разной геомагнитной активности. (а, б) – Z- и H-компоненты МПЗ 2015 г.; (в, г) – Z и H 2023 г. Овалы в возмущенный день: 1 – 17.03.2015 (Kp = 9); 2 – 23.03.2023 (Kp = 7); 3 – зона максимумов Z; 4 – Z авроральной зоны (высота 200 км); 5 – овал в спокойный день 17.01.2023 (Kp = 3); 6 – перемещение МП с 1957 по 2023 гг. (высота 200 км); 7 – перемещение геомагнитного полюса 1900–2025 гг.; 8 –H-авроральной зоны (высота 200 км).

Скачать (125KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Авроральная зона северного полушария: (а) – северный авроральный овал в зимние периоды разных лет: овал 1957 г., овал 1970 г, модельные овалы 1965 и 2020 гг., (в) – границы северных авроральных овалов по текущим прогнозам модели OVATION в магнитоспокойные дни 2014, 2016, 2018, 2020 гг. Эволюция H-компоненты магнитного поля авроральной зоны (высота 100 км): (б) – за период с 1957 по 2020 гг., (г) – за период с 2014 по 2022 гг. 1 – перемещение H-компоненты с 1957 по 2023 г. на высоте 100 км; 2 – перемещение геомагнитного полюса (1900-2023 гг.); 3 – перемещение МП на приземной высоте (1957 по 2023 г.).

Скачать (139KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024