Пространственно-временные структуры в овале полярных сияний: подходы к моделированию

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Взаимодействие окружающей Землю магнитосферно-ионосферной (МИ) системы со средой (солнечным ветром) происходит в форме череды переходных процессов на разных масштабах. Наиболее крупные из них, магнитные бури, очевидно триггируются возмущениями в солнечном ветре (англ. direct driving). Роль внутренней динамики МИ-системы, вызванной в значительной степени нелинейностью и временными запаздываниями процессов поступления и сброса (англ. load-unload processes) энергии и частиц из солнечного ветра в магнитосферу, становится более существенной на меньших масштабах (суббури, псевдобрейкапы, инжекции, активизации). Типичное динамическое состояние МИ-системы описывается как самоорганизованная критичность или турбулентность, для которых свойственны статистическая масштабная инвариантность (скейнинг, англ. scathing) в распределениях флуктуаций многих характеристик. Динамика МИ-системы проектируется в область аврорального овала, само существование которого обусловлено этой динамикой. Пространственно-временная структура авроральных возмущений в большой степени отражает структуру процессов в МИ-плазме. Описание этой структуры важно как для фундаментального изучения плазменных процессов, так и для многих актуальных прикладных вопросов, связанных с прохождением радиоволн в ионосфере и жизнедеятельностью в высоких широтах. В статье обсуждаются подходы и наработки для построения модели пространственно-временной структуры аврорального овала, основанные на фрактальных и мультифрактальных характеристиках.

Об авторах

Б. В. Козелов

Полярный геофизический институт

Автор, ответственный за переписку.
Email: boris.kozelov@gmail.com
Россия, Мурманская область, Апатиты

Список литературы

  1. Akasofu S.-I. Polar and magnetospheric substorm. Dordrecht, Holland: D. Reidel Publishing Company, 1968. https://doi.org/10.1007/978-94-010-3461-6
  2. Козелов Б.В. Природа полярных сияний и подходы к описанию структуры аврорального свечения // Мат. исслед. в естеств. науках: Тр. 7-й Всероссийской науч. шк. Апатиты, Геолог. ин-т КНЦ РАН, Кольское отд-ние РМО. 3–6 окт. 2011 / под ред. Ю.Л. Войтеховского. Апатиты: Изд-во K&M, 2011. С. 32–47.
  3. Yahnin A.G., Despirak I.V., Lubchich A.A. et al. Relationship between substorm auroras and processes in the near-Earth magnetotail // Space Sci. Reviews. 2006. V. 122. P. 97–106.
  4. Сахаров Я.А., Мингалев И.В., Козелов Б.В. и др. Влияние геомагнитного возмущения на зоны доступности односкачковой связи коротковолнового диапазона // Изв. РАН. Сер. физ. 2022. Т. 86. № 3. С. 386–392.
  5. Chernyshov A.A., Kozelov B.V., Mogilevsky M.M. Study of auroral ionosphere using percolation theory and fractal geometry // J. Atmos. Solar-Terrest. Phys. 2017. V. 161. P. 127–133.
  6. Milovanov A.V., Zelenyi L.M., Zimbardo G. Fractal structures and power law spectra in the distant Earth’s magnetotail // J. Geophys. Res. 1996. V. 101(A9). P. 19903–19910.
  7. Каррерас Б.А., Ньюман Д., Линч В.Е., Даймонд П.Х. Самоорганизованная критичность как парадигма для процессов переноса в плазме, удерживаемой магнитным полем // Физика плазмы. 1996. Т. 22. № 9. С. 819–833.
  8. Frisch U. Turbulence: The Legacy of A.N. Kolmogorov. Cambridge University Press, 1995.
  9. Bak P. How nature works. The science of self-organized criticality: Oxford University Press, 1997.
  10. Jensen H.J. Self-organized criticality. Cambridge University Press, 1998.
  11. Lui A.T.Y. Multiscale phenomena in the near-Earth magnetosphere // J. Atm. Solar-Terr. Phys. 2002. V. 64. P. 125–143.
  12. Mandelbrot B. The fractal geometry of nature. San-Francisco: Freeman, 1982.
  13. Wendt H., Roux S.G., Jaffard S., Abry P. Wavelet leaders and bootstrap for multifractal analysis of images // Signal Proces. 2009. V. 89. P. 1100–1114.
  14. Uritsky V., Pudovkin M.I., Steen A. Geomagnetic substorm as perturbed self-organized critical dynamics of the magnetosphere // J. Atm. Solar-Terr. Phys. 2001. V. 63. P. 1415–1424.
  15. Uritsky V.M., Klimas A.J., Vassiliadis D.et al. Scale-free statistics of spatiotemporal auroral emissions as depicted by POLAR UVI images: Dynamic magnetosphere is an avalanching system // J. Geophys. Res. 2002. V. 107(A12), Art. № 1426. https://doi.org/10.1029/2001000281
  16. Kozelov B.V., Uritsky V.M., Klimas A.J. Power law probability distributions of multiscale auroral dynamics from ground-based TV observations // Geophys. Res. Lett. 2004. V. 31. Art. № L20804.
  17. Козелов Б.В., Ролдугин А.В. Пространственно-временное самоподобие на малых масштабах в суббуревых активизациях по данным высокоскоростной камеры в Ловозеро // Изв. РАН. Сер. физ. 2022. Т. 86. № 3. С. 335–339.
  18. Uritsky V., Klimas A., Vassiliadis D. Evaluation of spreading critical exponents from the spatiotemporal evolution of emission regions in the nighttime aurora // Geophys. Res. Lett. 2003. V. 30(15). https://doi.org/10.1029/2002GL016556
  19. Uritsky V.M., Donovan E., Trondsen T. et al. Data-derived spatiotemporal resolution constraints for global auroral imagers // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. Art. № A09205.
  20. Kozelov B.V., Rypdal K. Intermittence in auroral fluctuations during substorm // Physics of Auroral Phenomena. Proc. 29th Annual Seminar. Apatity, 2006. P. 48–51.
  21. Kozelov B.V., Rypdal K. Spatial scaling of optical fluctuations during substorm-time aurora // Ann. Geophys. 2007. V. 25. P. 915–927.
  22. Golovchanskaya I.V., Kozelov B.V., Sergienko T.I. et al. Scaling behavior of auroral luminosity fluctuations observed by Auroral Large Imaging System (ALIS) // J. Geophys. Res. 2008. V. 113. Art. № A10303.
  23. Abry P., Flandrin P., Taqqu M.S., Veitch D. Wavelets for the analysis, estimation and synthesis of scaling data // Self-Similar Network Traffic and Performance Evaluation / ed. K. Park, W. Willinger. Hoboken, NJ: Wiley-Interscience, 2000. P. 39–88. https://doi.org/10.1002/047120644X.ch2
  24. Козелов Б.В. Фрактальные характеристики пространственной структуры полярных сияний // Физика околоземного космич. пространства. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2000. С. 572–597.
  25. Kozelov B.V. Fractal approach to description of the auroral structure // Ann. Geophys. 2003. V. 21. P. 2011–2023.
  26. Kozelov B.V., Golovchanskaya I.V., Mingalev O.V. Inverse cascade in the structure of substorm aurora and non-linear dynamics of field-aligned current filaments // Ann. Geophys. 2011. V. 29. P. 1349–1354.
  27. Chang T., Tam S.W.Y., Wu C. Complexity induced anisotropic bimodal intermittent turbulence in space plasmas // Phys. Plasma. 2004. V. 11(4). P. 1287–1299.
  28. Kozelov B.V., Golovchanskaya I.V. Scaling of electric field fluctuations associated with the aurora during northward IMF // Geophys. Res. Lett. 2006. V. 33. Art. № L20109.
  29. Takens F. On the numerical determination of the dimension of an attractor // Dynamical Systems and Bifurcations / ed. Braaksma B.L.J., Broer H.W., Takens F. Book ser. Groningen. Lecture Notes in Mathematics. Berlin: Springer-Verlag, 1985. V. 1125. P. 99–106.
  30. Grassberger P., Procaccia I. Characterization of strange attractors // Phys. Rev. Let. 1983. V. 50(5). P. 346–349.
  31. Kozelov B.V., Vjalkova N.Y. Search of temporal chaos in TV images of aurora // Intern. J. Geomagn. Aeron. 2005. V. 5. Art. № GI3005. https://doi.org/10.1029/2005GI000102
  32. Kozelov B.V., Kozelova T.V., Kornilova T.A. Dynamics of auroral intensification as an output of magnetosphere-ionosphere system // Proc. 6th Intern. Conf. Substorms. University of Washington, Seattle, 25–29 Mar. 2002. P. 432–437.
  33. Козелов Б.В., Ролдугин А.В. Получение информации об ионосферно-магнитосферной плазме по наблюдениям полярных сияний // Изв. РАН. Сер. физ. 2021. Т. 85. № 3. С. 366–371.
  34. Козелова Т.В., Пудовкин М.И., Лазутин Л.Л. Особенности развития стимулированных и спонтанных магнитосферных суббурь по спутниковым и наземным данным // Геомагнетизм и аэрономия. 1989. Т. 29. № 6. С. 910–915.
  35. Kozelov B.V., Pilgaev S.V., Borovkov L.P., Yurov V.E. Multi-scale auroral observations in Apatity: winter 2010–2011 // Geosci. Instrum. Method. Data Syst. 2012. V. 1. Iss. 1. P. 1–6. https://doi.org/10.5194/gi-1-1-2012
  36. Kozelov B.V., Golovchanskaya I.V. Derivation of aurora scaling parameters from ground-based imaging observations: Numerical tests // J. Geophys. Res. 2010. V. 115. Art. № A02204.
  37. Chernyshov A.A., Mogilevsky M.M., Kozelov B.V. Use of fractal approach to investigate ionospheric conductivity in the auroral zone // J. Geophys. Res. 2013. V. 118(7). P. 4108–4118.

Дополнительные файлы


© Б.В. Козелов, 2023

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».