Borok Geophysical Observatory, the Branch of Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences ( v.n.s)
employee
Borok, Russian Federation
Borok, Russian Federation
We present the results of investigation of the influence of geomagnetic activity, solar wind and parameters of the interplanetary magnetic field (IMF) on properties of the intermittency of midlatitude burst series of Pi2 geomagnetic pulsations observed during magnetospheric substorms on the nightside (substorm Pi2) and in the absence of these phenomena (nonsub-storm Pi2). We considered the index α as a main characteristic of intermittency of substorm and nonsubstorm Pi2 pulsations. The index α characterizes the slope of the cumulative distribution function of Pi2 burst amplitudes. The study indicated that the value and dynamics of the index α varies depending on the planetary geomagnetic activity, auroral activity and the intensity of magnetospheric ring currents. In addition, the forms of dependences of the index α on the density n, velocity V, dynamic pressure Pd of the solar wind and IMF Bx-component are different. The behavior of the index α depending on the module of B, By- and Bz-components is similar. We found some critical values of V, Pd, B, By- and Bz-components, after reaching of which the turbulence of the magnetotail plasma during substorm development is decreased. The revealed patterns of the intermittency of Pi2 pulsations can be used for qualitative assessment of turbulence level in the magnetotail plasma depending on changing interplanetary conditions.
magnetosphere, substorms, geomagnetic pulsations, intermittency, turbulence.
ВВЕДЕНИЕ
Магнитосфера Земли подвержена постоянному воздействию солнечного ветра, энергия которого накапливается в хвосте магнитосферы за счет пересоединения межпланетного магнитного поля (ММП) и геомагнитного поля. Изменение параметров солнечного ветра влияет на формирование крупномасштабного электрического поля, которое, в свою очередь, определяет развитие плазменных и волновых процессов в хвосте магнитосферы, его конфигурацию и т. д. За процессы взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли ответственны Bz-компонента ММП и связанное с ней межпланетное электрическое поле Ey= -VBz. В частности, количество энергии, обеспечивающей суббуревую активность, контролируется направлением вертикальной компоненты ММП. Это количество энергии резко увеличивается при смене направления Bz-компоненты с северного на южное [Arnoldy, 1971]. Существенную роль при передаче энергии солнечного ветра в земную магнитосферу играет динамическое давление солнечного ветра Pd=ρV2, где ρ - плотность плазмы, V - скорость солнечного ветра. Причем не только Pd определяет степень сжатия магнитосферы потоком солнечного ветра, но и его флуктуации, наряду с южным направлением Bz-компоненты ММП, оказывают существенное воздействие на процессы в дневной и ночной магнитосфере [Бородкова, 2010]. Кроме того, такие параметры, как Bx-, By-компоненты и долгота φ вектора напряженности B, обусловленные секторной структурой ММП, оказывают влияние на геофизические процессы.
В результате накопления энергии солнечного ветра в хвосте возникают суббури, которые относятся к наиболее часто встречающимся магнитным возмущениям в земной магнитосфере [Lui, 2001; Арыков и др., 2002; Tanskanen, 2009]. Фаза развития практически каждой суббури связана с иррегулярными геомагнитными пульсациями Pi2, имеющими вид каплеобразных всплесков или затухающих цугов с периодами ~(40-150) с [Saito, 1969; Olson, 1999]. Пульсации Pi2 являются своеобразным индикатором активизации авроральных процессов во взрывной фазе суббури [Rostoker, Olson, 1978]. Однако всплески Pi2 могут наблюдаться также в условиях спокойной магнитосферы, т. е. в отсутствие суббурь на ночной стороне аврорального овала [Kim et al., 2005; Cheng et al., 2009; Куражковская, Клайн, 2010]. Максимум частоты появления пульсаций Pi2 приходится на околополуночное время, область их наблюдения простирается от экваториальных широт до полярной шапки, а максимум интенсивности приходится на авроральные широты [Пудовкин и др., 1976].
Пульсации Pi2 наблюдаются как изолированные всплески или цуги, а также как последовательности отдельных волновых пакетов (серии всплесков). В работах [Куражковская, Клайн, 2010; 2014] отмечалось, что пульсации Pi2, состоящие из нескольких всплесков, по внешнему виду напоминают сигналы, в которых чередуются редкие выбросы и интервалы спокойного магнитного поля. Подобные сигналы называются перемежающимися, и для них характерно чередование интервалов регулярного поведения (ламинарные фазы) и хаотических всплесков (турбулентные фазы) [Manneville, Pomeau, 1980; Берже и др., 1991]. Перемежающиеся волновые процессы характеризуются определенными закономерностями. Так, согласно работам [Малинецкий, Потапов, 2000; Писаренко, Родкин, 2007], основными признаками перемежаемости являются экспоненциальное распределение межпиковых интервалов и степенное распределение амплитуд пиков (выбросов). Кумулятивная функция распределения амплитуд выбросов обычно имеет негауссову форму, т. е. для нее характерен длинный хвост. Подобные распределения в литературе называются «распределениями с тяжелыми хвостами» (heavy tails или fat tails) [Малинецкий, Потапов, 2000; Писаренко, Родкин, 2007], которые удовлетворительно описываются степенной функцией вида f(x)=x-α при всех x, превышающих некоторый порог x0 (x>x0). Характерной особенностью перемежаемости является ее тесная связь с турбулентностью среды, в которой формируются выбросы с большой амплитудой. Распределение амплитуды выбросов, формирующихся в слаботурбулизованной среде, как правило, аппроксимируется степенной функцией с показателем, близким 1. Если среда сильно турбулизована, показатель обычно значительно больше 1 и в экстремальных случаях приближается к 8 [Малинецкий, Потапов, 2000].
1. Akasofu S.I., Chapman S., Meng C.I. The polar electrojet. J. Atmos. Terr. Phys. 1965, vol. 27, pp. 1275–1305.
2. Arnoldy R.L. Signature for the interplanetary medium for substorms. J. Geophys. Res. 1971, vol. 76, no. 22, pp. 5189–5201.
3. Arykov A.A., Maltsev Yu.P., Golovchanskaya I.V. Statistical study of the behavior of solar wind parameters during substorms. Geomagnetizm i Aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2002, vol. 42, pp. 163–1858 (in Russian).
4. Berge P., Pomeau Y., Vidal C. Poryadok v khaose [Order in Chaos]. Moscow, Mir Publ., 1991. 368 p. (in Russian).
5. Borodkova N. L. Effect of large and sharp changes of solar wind dynamic pressure on the Earth’s mag-netosphere: Analysis of several events. Kosmicheskiye issledovaniya [Cosmic Research]. 2010, vol. 48, no. 1, pp. 43–57 (in Russian). DOI: 10.1134/S001095251001003X.
6. Borovsky J.E., Funsten H.O. Role of solar wind tur-bulence in the coupling of the solar wind to the Earth’s magnetosphere. J. Geophys. Res. 2003, vol. 108 (A6), 1246. DOI: 10.1029/2002JA009601.
7. Cheng C.-C., Russell C.T. Shue J.-H. On the associ-ation of quiet-time Pi2 pulsations with IMF varia-tions. Adv. Space Res. 2009, vol. 43, iss. 7, pp. 1118–1129. DOI: 10.1016/ j.asr.2008.12.001.
8. Consolini G., De Michelis P. Local intermittency measure analysis of AE index: The directly driven and unloading component. Geophys. Res. Lett. 2005, vol. 32, L05101. DOI: 10.1029/2004GL022063.
9. Dobias P., Wanliss J.A. Intermittency of storms and substorms: Is it related to the critical behaviour? Ann. Geophys. 2009, vol. 27. pp. 2001–2018.
10. Hsu T.-S., McPherron R.L. A statistical study of the relation of Pi2 and plasma flows in the tail. J. Ge-ophys. Res. 2007, vol. 112, A05209. DOI: 10.1029/2006JA011782.
11. Keiling A., Takahashi K. Review of Pi2 models. Space Sci. Rev. 2011, vol. 161, pp. 63–148. DOI: 10.1007/s11214-011-9818-4.
12. Kim K.-H., Takahashi K., Lee D.-H., Sutcliffe P.R., Yumoto K. Pi2 pulsations associated with poleward boundary intensifications during the absence of substorms. J. Geophys. Res. 2005, vol. 110, A01217. DOI: 10.1029/20043JA010780.
13. Klain B.I., Kurazhkovskaya N.A., Zotov O.D. Inves-tigation of the amplitude features of high-latitude magnetic impulse events. Solnechno-Zemnaya Fizika [Solar-Terrestrial Physics]. 2007, no. 10, pp. 81–88 (in Russian).
14. Klain B.I., Kurazhkovskaya N.A., Kurazhkovsky A.Yu. Intermittency in wave processes. Fizika Zemli [Izvestiya, Physics of the Solid Earth]. 2008, no. 10, pp. 25–34 (in Russian). DOI: 10.1134/S1069351308100054.
15. Kurazhkovskaya N.A., Klain, B.I. About the power law of SSC amplitudes distributions. Geophys. Res. Abstracts. General Assembly European Geosciences Union. 2008, vol. 10. SRef-ID: 1607-7962/gra/EGU2008-A-01309.
16. Kurazhkovskaya N.A., Klain B.I. Burst regimes of long-period irregular pulsations at frequencies of 2.0–6.0 mHz and substorm activity in the nightside magnetosphere. Geomagnetizm i Aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2009, vol. 49, no. 4, pp. 483–493 (in Russian). DOI: 10. 1134/S0016793209040057.
17. Kurazhkovskaya N.A., Klain B.I. Intermittence in midlatitude Pi2 pulsations observed during magne-tospheric substorms and in the absence of these phe-nomena. Solnechno-Zemnaya Fizika [Solar-Terrestrial Physics]. 2010, no. 15, pp. 58–65 (in Russian).
18. Kurazhkovskaya N.A., Klain B.I. Specific features of the characteristics of midlatitude substorm and nonsubstorm Pi2 geomagnetic pulsations and their generation conditions. Geomagnetizm i Aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2014, vol. 54, no. 1, pp. 43–54 (in Russian). DOI: 10.1134/ S0016793214010071.
19. Lui A.T.Y. Multifractal and intermittent nature of substorm-associated magnetic turbulence in the magnetotail. J. Atmos. Sol. Terr. Phys. 2001, vol. 63, pp. 1379–1385.
20. Malinetsky G.G., Potapov A.B. Sovremennye problemy nelineinoi dinamiki [Modern Problems of the Nonlinear Dynamics]. Moscow, Editorial URSS Publ., 2000. 336 p.
21. Manneville P., Pomeau Y. Different ways to turbu-lence in dissipative dynamical systems. Physica D. 1980, vol. 1, no. 2, pp. 219–226.
22. Olson J.V. Pi2 pulsations and substorm onsets: A review. J. Geophys. Res. 1999, vol. 104, no. 8. pp. 17499–17520.
23. Parkinson M.L., Healey R.C., Dyson P.L. Solar cycle changes in the geoeffectiveness of small-scale solar wind turbulence measured by Wind and ACE at 1 AU. Ann. Geophys. 2007, vol. 25. pp. 1183–1197.
24. Pisarenko V.F., Rodkin M.V. Raspredeleniya s tyazhelymi khvostami: Prilozhenie k analizu katastrof [Heavy Tail Distributions: Application to the Catas-trophe Analysis]. Moscow, GEOS Publ., 2007. 242 p.
25. Pudovkin M.I., Raspopov O.M., Kleimenova N.G. Vozmushcheniya elektromagnitnogo polya Zemli. Chast’ II. Korotkoperiodicheskie kolebaniya geomagnitnogo polya [Disturbances of the Earth’s Elec-tromagnetic Field. Part 2. Short-Period Geomagnetic Field Oscillations]. Leningrad, Leningr. Gos. Univ. Publ., 1976. 271 p.
26. Riazantseva M.O., Zastenker G.N. Intermittency of solar wind density fluctuations and its relation to sharp density changes. Kosmicheskiye issledovaniya [Cosmic Research]. 2008, vol. 46, no. 1, pp. 3–9 (in Russian).
27. Rostoker G., Olson V. Pi2 micropulsations as indicators of substorm onsets and intensifications. J. Geomagn. Geoelectr. 1978, vol. 30, pp. 135–147.
28. Saito T. Geomagnetic pulsations. Space Sci. Rev. 1969, vol. 10, pp. 319–412.
29. Sornette D. Critical Phenomena in Natural Sciences. Berlin, Heidelberg, Springer-Verlag, 2006. 528 p.
30. Stepanova M.V., Antonova E.E., Foppiano A.J., Rosenberg T.J. Intermittency in the auroral absorption fluctuations as manifestation of magnetospheric turbulence. Adv. Space Res. 2006, vol. 37. pp. 559–565. DOI: 10.1016/j.asr.2005.04.112.
31. Stepanova M., Pinto V., Valdivia J.A., Antonova E.E. Spatial distribution of the eddy diffusion coefficients in the plasma sheet during quiet time and substorms from THEMIS satellite data. J. Geophys. Res. 2011, vol. 116, A00I24. DOI: 10.1029/2010JA015887.
32. Stepanova M., Antonova E. E. Role of turbulent transport in the evolution of the k distribution func-tions in the plasma sheet. J. Geophys. Res. Space Phys. 2015, vol. 120, pp. 3702–3714. DOI: 10.1002/2014JA020684.
33. Tanskanen E. I. A comprehensive high-throughput analysis of substorms observed by IMAGE magnetometer network: Years 1993–2003 examined. J. Geophys. Res. 2009, vol. 114, A05204. DOI: 10.1029/2008JA013682.
34. Yordanova E., Balogh A., Noullez A., von Steiger R. Turbulence and intermittency in the heliospheric magnetic field in fast and slow solar wind. J. Ge-ophys. Res. 2009, vol. 114, A08101. DOI: 10.1029/2009JA014067.
35. Zelenyi L.M., Milovanov A.V. Fractal topology and strange kinetics: From percolation theory to problems in cosmic electrodynamics. Uspekhi Fizicheskich nauk [Physics-Uspekhi (Advances in Physical Sciences)]. 2004, vol. 47, iss. 8, pp. 809–852 (in Russian).
36. Zimbardo G., Greco A., Taktakishvili A.L., Veltri P., Zelenyi L.M. Magnetic turbulence and particle dynamics in the Earth’s magnetotail. Ann. Geophys. 2003, vol. 21, pp. 1947–1953.
37. Zotov O.D., Klain B.I., Kurazhkovskaya N.A. Stochastic resonance in the Earth’s magnetosphere dy-namics. Proc. 7th International Conference “Problems of Geocosmos”, St. Petersburg, May 26–30, 2008, Eds. V.N. Troyan, M. Hayakawa, V.S. Semenov. SPb. 2008, pp. 360–364.
38. http://swdcwww.kugi.kyoto-u.ac.jp/index.html.
39. http://omniweb.gsfc.nasa.gov/ow.html.
