Chengming T., Baolin T., Yihua Ya., Wei W., Linjie Ch., Fei L., Yujiang D. «Fine structure events in microwave emission during solar minimum» Солнечно-земная физика, 5, № 2, с. 4-10 (2019)

The solar minimum is a period with a relatively smaller number of sunspots and solar eruptions, and has been less studied before. Since the radio signal rapidly responds to the change of solar plasma and magnetic field, we perform a comprehensive analysis of high resolution spectrum data from SBRS and MUSER: 1) a search for solar radio bursts of different kinds in recent solar minima (2007–2009 and 2016–2018); 2) an analysis of several typical radio burst events, negative and positive drifting bursts, for example the November 22, 2015 and August 29, 2016 events; superfine spectral structure events with mini-flares and even without sunspots, for example the March 28, 2008 and July 04, 2017 events. These results show that there were many radio bursts with a fine structure during solar minima. These events occurred not only in powerful flares, but also in faint flares (class C and B by GOES) or even without flares, but in regions related to weak brightenings or ejecta. We assume that the weak solar radio bursts observed by telescopes with high sensitivity and low interference will help us to understand the basic physical characteristics of small-scale solar eruptions.

Leonovich A.S., Quigang Z., Kozlov D.A., Yongfu W. «Alfven waves in the magnetosphere generated by shock wave/plasmapause interaction» Солнечно-земная физика, 5, № 2, с. 11-16 (2019)

We study Alfven waves generated in the magnetosphere during the passage of an interplanetary shock wave. After shock wave passage, the oscillations with typical Alfven wave dispersion have been detected in spacecraft observations inside the magnetosphere. The most frequently observed oscillations are those with toroidal polarization; their spatial structure is described well by the field line resonance (FLR) theory. The oscillations with poloidal polarization are observed after shock wave passage as well. They cannot be generated by FLR and cannot result from instability of high-energy particle fluxes because no such fluxes were detected at that time. We discuss an alternative hypothesis suggesting that resonant Alfven waves are excited by a secondary source: a highly localized pulse of fast magnetosonic waves, which is generated in the shock wave/plasmapause contact region. The spectrum of such a source contains oscillation harmonics capable of exciting both the toroidal and poloidal resonant Alfven waves.

Lunyushkin S.B., Mishin V.V., Karavaev Yu.A., Penskikh Yu.V., Kapustin V.E. «Studying the dynamics of electric currents and polar caps in ionospheres of two hemispheres during the August 17, 2001 geomagnetic storm» Солнечно-земная физика, 5, № 2, с. 17-29 (2019)

The magnetogram inversion technique (MIT), developed at ISTP SB RAS more than forty years ago, has been used until recently only in the Northern Hemisphere. In recent years, MIT has been improved and extended to make instantaneous calculations of 2D distributions of electric fields, horizontal and field-aligned currents in two polar ionospheres. The calculations were carried out based on one-minute ground-based geomagnetic measurements from the worldwide network of stations in both hemispheres (SuperMAG). In this paper, this extended technique is used in the approximation of uniform ionospheric conductance and is applied for the first time to calculations of equivalent and field-aligned currents in two hemispheres through the example of the August 17, 2001 geomagnetic storm. We have obtained the main and essential result: the advanced MIT-ISTP can calculate large-scale distributions of ionospheric convection and FACs in the Northern (N) and Southern (S) polar ionospheres with a high degree of expected hemispheric similarity between these distributions. Using the said event as an example, we have established that the equivalent and field-aligned currents obtained with the advanced technique exhibit the expected dynamics of auroral electrojets and polar caps in two hemispheres. Hall current intensities in polar caps and auroral electrojets, calculated from the equivalent current function, change fairly synchronously in the N and S hemispheres throughout the magnetic storm. Both (westward and eastward) electrojets of the N hemisphere are markedly more intense than respective electrojets of the S hemisphere, and the Hall current in the north polar cap is almost twice as intense as that in the south one. This interhemispheric asymmetry is likely to be due to seasonal conductance variations, which is implicitly contained in the current function. From FAC distributions we determine auroral oval boundaries and calculate magnetic fluxes through the polar caps in the N and S hemispheres. These magnetic fluxes coincide with an accuracy of about 5% and change almost synchronously during the magnetic storm. In the N hemisphere, the magnetic flux in the dawn polar cap is more intense that that in the dusk one, and vice versa in the S hemisphere. These asymmetries (dawn-dusk and interhemispheric) in the polar caps are consistent with the theory of reconnection for IMF B_y>0 and with satellite images of auroral ovals; both of these asymmetries decrease during the substorm expansion phase.

Dali Ya., Tiemin Zh., Jihong W., Jianqing Wu., Linmao W., Xu Z., Hongyan P. «Characteristics of double sodium layer over Haikou, China (20.0°N, 110.1°E)» Солнечно-земная физика, 5, № 2, с. 30-34 (2019)

We study the property of double sodium layer structures (DSLs) in the mesosphere and lower thermosphere (MLT) by a lidar at the low-latitude location of Haikou (20.0°N, 110.1°E), China. From April 2010 to December 2013, 21 DSLs were observed within a total of 377 observation days. DSLs were recorded at middle latitudes of Beijing and Wuhan, China, but were rarely observed at low latitudes. We analyze and discuss characteristics of DSLs such as time of occurrence, peak altitude, FWHM, duration time, etc. At the same time, the critical frequency f_oE_s and the virtual height h E_s of the sporadic E layer E_s were observed by an ionosonde over Danzhou (19.0°N, 109.3°E). We discuss such their characteristics as differences of time, differences of altitude compared to DSLs. We used an Nd:YAG laser pumped dye laser to generate the probing beam. The wavelength of the dye laser was set to 589 nm by a sodium fluorescence cell. The backscattered fluorescence photons from the sodium layer were collected by a telescope with the ∼1000 mm primary mirror.

Leonovich L.A., Tashchilin A.V., Lunyushkin S.B., Karavaev Yu.A., Penskikh Yu.V. «Studying 630 nm atomic oxygen emission sources during strong magnetic storms in the night mid-latitude ionosphere» Солнечно-земная физика, 5, № 2, с. 35-41 (2019)

We analyze significant increases in 630 nm atomic oxygen night emissions during very strong geomagnetic storms, using optical measurements, theoretical modeling, and magnetogram inversion technique (MIT) data. It is shown that during strong magnetic storms when electron precipitation equatorial boundary at the night sector expands up to ∼40°, the interaction of energetic electron flux with thermospheric components may cause extreme increases in the 630 nm emission intensity. Model calculations of the red line intensity show good agreement with observational data. Using the November 20, 2003 magnetic storm as an example, we have found that oxygen atom collisions with thermal Maxwell and superthermal electrons make a major contribution to the integral emission intensity. Thermospheric density variations during the magnetic storm significantly affect the red line generation.

Beletskii A.B., Rakhmatulin R.A., Syrenova T.Ye., Vasilev R.V., Mikhalev A.V., Pashinin A.Yu., Shiokawa K., Nishitani N. «Preliminary results of simultaneous recording of auroral and geomagnetic pulsations at the ISTP SB RAS station Istok» Солнечно-земная физика, 5, № 2, с. 42-48 (2019)

The paper presents the results on first synchronous observations of variations in auroral luminosity and geomagnetic field, made with high temporal resolution at the ISTP SB RAS high-latitude station Istok (70°N, 88°E) in September–December 2018. Auroras were recorded with all-sky camera, pulsations in the auroras were recorded by a photometer in four spectral ranges with silicon photomultipliers. Continuous monitoring of geomagnetic pulsations was performed using a LEMI-30 three-component induction magnetometer. Both synchronous bursts of auroras and magnetic field pulsations, as well as disturbances of auroras, not accompanied by disturbances in the geomagnetic field, were observed. We note that the photometer clearly recorded short-period (∼20 min) variations in in auroral luminosity. At the same time, some instability of the photometer signal level occurred at sufficiently long time intervals. In the photometer data, there are powerful signal bursts, probably of a hardware nature. Nevertheless, the temporary distribution analysis of the registration moments (registration frequency) of signal bursts indicates the possible dependence of the burst registration frequency on the geomagnetic activity level.

Sha Li., Yihua Ya., Zhijun Ch., Wei W. «Comparing simulated results of folded and unfolded log-periodic antenna used for observing the Sun» Солнечно-земная физика, 5, № 2, с. 49-54 (2019)

There are two antenna arrays located in Mingantu Spectral Radio Heliograph (MUSER). MUSER-I and MUSER-II cover the frequency band ranging from 0.4 to 2 GHz and from 2 to 15 GHz respectively. A third antenna array covering 30–240 MHz will be established in the coming years. A log-periodic antenna is one of the choices for MUSER low frequency band; it radiates structures capable of maintaining consistent impedance characteristics over a wide bandwidth. Due to the ability of achieving high gain, it is widely used in many broadband applications. In this program, folded and unfolded log-periodic antennas are simulated for the Meridian project. In order to improve its return loss, this antenna is optimized with the width of each pole and the height of the substrate. This optimized process has been implemented in the simulated software HFSS.

Jun Ch., Yihua Ya., Dong Zh., Long Xu. «Scale sequentially CLEAN for MingantU SpEctral Radioheliograph» Солнечно-земная физика, 5, № 2, с. 55-62 (2019)

MingantU SpEctral Radioheliograph (MUSER) is a solar-dedicated radio heliograph, adopting aperture synthesis technique to image the Sun in the frequency range of 0.4 GHz to 15 GHz. MUSER has extremely high spatial resolution, temporal resolution, and frequency resolution beyond those of contemporary devices of the same category. For aperture synthesis, the number of antennas is limited, so sparse sampling of Fourier components is actually obtained for solar observation, which corresponds to the situation that a clean image is convolved by a dirty beam with strong sidelobe in a spatial domain. Thus, the deconvolution, such as CLEAN, is generally required for imaging the aperture synthesis to remove artifacts caused by the convolving dirty beam. The traditional Hogbom CLEAN is based on the assumption that an observed object is only composed of point sources. This assumption does not hold for solar observation, where the solar disk is an extended source containing complex structures and diffuse features. In this paper, we make the first attempt to employ scale sequentially CLEAN for MUSER imaging, including Multi-Resolution CLEAN and Wavelet CLEAN. The experimental results demonstrate that the scale sequentially CLEAN, especially wavelet CLEAN, is superior to the traditional CLEAN algorithm in smaller number of iterations and improved image quality. We provide optimized wavelet parameters to further improve the performance of wavelet CLEAN.

Zhenghua H., Bo Li., Lidong X. «Observations of small-scale energetic events in the solar transition region: explosive events, UV bursts, and network jets» Солнечно-земная физика, 5, № 2, с. 63-73 (2019)

In this paper, we review observational aspects of three common small-scale energetic events in the solar transition region (TR), namely TR explosive events, ultraviolet bursts and jets. These events are defined in either (both) spectral or (and) imaging data. The development of multiple instruments capable of observing the TR has allowed researchers to gain numerous insights into these phenomena in recent years. These events have provided a proxy to study how mass and energy are transported between the solar chromosphere and the corona. As the physical mechanisms responsible for these small-scale events might be similar to the mechanisms responsible for large-scale phenomena, such as flares and coronal mass ejections, analysis of these events could also help our understanding of the solar atmosphere from small to large scales. The observations of these small-scale energetic events demonstrate that the TR is extremely dynamic and is a crucial layer in the solar atmosphere between the chromosphere and the corona.

Петухова А.С., Петухов С.И. «Тороидальные модели магнитного поля с винтовой структурой» Солнечно-земная физика, 5, № 2, с. 74-81 (2019)

Представлены и обсуждаются свойства следующих моделей магнитного поля в магнитном облаке: решение Миллера–Тернера, модифицированное решение Миллера–Тернера, тороидальная и интегральная модели Ромашеца–Вандаса, модель Криттинама–Руффоло. Магнитное поле во всех моделях обладает винтовой структурой, что является главным признаком магнитного облака. Первые три модели описывают магнитное поле внутри заданного идеального тора. В интегральной модели параметры образующего тора неоднозначно определяют объем и форму области, занятой магнитным полем. В модели Криттинама–Руффоло радиус сечения тора имеет переменное значение, что лучше соответствует реальной форме магнитных облаков во внутренней гелиосфере. Модели могут быть использованы при интерпретации прямых измерений компонент магнитного поля, изучении форбуш-понижений в магнитных облаках и исследовании распространения солнечных энергичных частиц, сопровождающих выбросы коронального солнечного вещества.

Смирнов В.М., Смирнова Е.В. «Ионосферные эффекты двух солнечных вспышек максимума 23-го и минимума 24-го циклов солнечной активности» Солнечно-земная физика, 5, № 2, с. 82-88 (2019)

На основе данных навигационных спутниковых систем GPS и ГЛОНАСС рассмотрены отклики среднеширотной ионосферы на экстремальные солнечные вспышки, произошедшие в максимуме 23-го (28 октября 2003 г.) и минимуме 24-го (6 сентября 2017 г.) циклов солнечной активности в одно время года и при близких зенитных углах Солнца. Для выделения отклика использовалась скорость изменения полного электронного содержания, которая практически не зависит от характеристик аппаратуры и определяется только параметрами среды распространения, в данном случае ионосферы. Показано, что форма отклика ионосферы практически не зависит от общей длительности вспышки. В обоих случаях длительность основного отклика по уровню 0.5 составляет примерно 1.5–2 мин, при этом общая длительность отклика составляет около 10 мин и почти не зависит от мощности солнечной вспышки.

Дмитриенко И.С. «Возмущения второго порядка в альфвеновских волнах в приближении холодной плазмы» Солнечно-земная физика, 5, № 2, с. 89-96 (2019)

Изучены возмущения второго порядка по амплитуде, создаваемые альфвеновскими волнами. Для таких возмущений получены уравнения и найдены их решения. Показано, что возмущения второго порядка создаются магнитным давлением волн и представляют собой течения плазмы и возмущения магнитного поля в плоскости, перпендикулярной направлению возмущения поля и смещению плазмы в альфвеновской волне. В связи с интерпретацией наблюдаемых в хвосте магнитосферы быстрых потоков плазмы наибольший интерес представляет полученное описание течений второго порядка, связывающее их свойства со свойствами альфвеновских волн и породившего их возмущения. Результаты позволяют предположить, что по меньшей мере часть наблюдаемых в хвосте магнитосферы быстрых потоков плазмы может быть одним из проявлений распространяющихся альфвеновских волн. Используемая модель среды и приближение холодной плазмы вполне применимы на внешних краях плазменного слоя (PSBL), где наблюдается существенная часть быстрых потоков плазмы.

Лунюшкин С.Б., Пенских Ю.В. «Диагностика границ аврорального овала на основе техники инверсии магнитограмм» Солнечно-земная физика, 5, № 2, с. 97-113 (2019)

Показано, что граница обращения ионосферной конвекции является фундаментальным параметром магнитосферно-ионосферной связи, определяющим сильную аналогию между электростатическим потенциалом ионосферы и эквивалентной токовой функцией в приближении дипольного геомагнитного поля и однородной проводимости ионосферы. Разработан новый наземный метод автоматической диагностики границ аврорального овала по выходным данным техники инверсии магнитограмм (ТИМ). На основе карт распределений токовой функции и продольных токов, рассчитанных на первом этапе ТИМ при однородной проводимости ионосферы, определяются граница обращения ионосферной конвекции, граница полярной шапки, экваториальная граница аврорального овала и линия максимумов плотности авроральных электроструй. Указанные параметры ранее определялись визуально-ручным методом: анализом карт продольных и эквивалентных токов на экране монитора и проведением заданных границ с помощью мыши, что занимало очень много времени (недели и месяцы). Сравнение границ, полученных старым ручным и новым автоматическим методами, показало, что коэффициент корреляции между двумя границами составляет в среднем 0.85, а среднеквадратичное отклонение не превышает 2° по широте. Обеспечивая достаточную точность определения границ, автоматический метод сокращает время обработки необходимых объемов данных на два–три порядка (до минут и часов), освобождая исследователя от трудоемкой визуальной работы. Новый метод реализован как один из важных блоков модернизированного комплекса программ ТИМ.

Захаров В.И., Пилипенко В.А., Грушин В.А., Хамидуллин А.Ф. «Влияние тайфуна Vongfong 2014 на ионосферу и геомагнитное поле по данным спутников Swarm: 1. Волновые возмущения ионосферной плазмы» Солнечно-земная физика, 5, № 2, с. 114-123 (2019)

Рассмотрено влияние крупных атмосферных процессов на ионосферу на примере тропического тайфуна Vongfong 2014 г. с использованием данных трехспутниковой миссии Swarm (высота 450–500 км). Обсуждаются два возможных механизма передачи возмущения на ионосферные высоты – генерация акустико-гравитационных волн (АГВ) и возбуждение электрических полей в атмосфере. Предложены новые методики выделения ионосферного отклика на АГВ по данным низкоорбитальных спутников. Первая основана на определении относительных вариаций электронной плотности в диапазоне периодов от 15 до 150–180 с, соответствующих определенным масштабам АГВ. Вторая базируется на оценке пространственно-временных производных электронной концентрации, измеренной на двух спутниках Swarm, находящихся на близких орбитах. Оценены характерные величины эффектов ионосферного отклика, и определены их пространственно-временные характеристики для рассмотренного крупного тропического циклона.

Кушнаренко Г.П., Яковлева О.Е., Кузнецова Г.М. «Электронная концентрация на высотах ионосферного слоя F1 в период 2007–2014 гг. над Норильском» Солнечно-земная физика, 5, № 2, с. 124-128 (2019)

Представлены результаты анализа данных по электронной концентрации N_e, полученных с помощью дигизонда в годы минимума, роста и максимума солнечной активности (2007–2014) на ст. Норильск (69.4°N, 88.1°E). Расчеты выполнены с использованием авторской полуэмпирической модели, описывающей связь N_e с характеристиками термосферы. Рассчитаны новые коэффициенты аппроксимации, соответствующие указанным выше условиям конкретно для ст. Норильск. В результате получены высотные изменения годовых вариаций дневной N_e на высотах слоя F1 ионосферы 120–200 км. Аппроксимация экспериментальных данных вполне удовлетворительно описывает N_e на указанных высотах в дневные часы разных сезонов в условиях различной солнечной активности. Показано, что в годы минимума на всех высотах слоя F1 сохраняется тенденция к максимальным значениям N_e в летний период и к минимальным – в зимний. В последующие годы и в год максимума солнечной активности характерной особенностью поведения N_e является изменение фазы годовой вариации на 180° в интервале высот 170–180 км: максимальные величины наблюдаются зимой и минимальные – летом.

Кушнаренко Г.П., Яковлева О.Е., Кузнецова Г.М. «Геомагнитные возмущения на высотах слоя F1 ионосферы в различных условиях солнечной активности над Норильском» Солнечно-земная физика, 5, № 2, с. 129-132 (2019)

Исследовано влияние геомагнитных возмущений на электронную концентрацию N_e на ионосферной станции Норильск (69°N; 88°E) на высотах слоя F1 (120–200 км). Анализировались 25 умеренных и слабых геомагнитных возмущений для двух сезонов – весны и осени – в период 2003–2014 гг. На основе значений N_e, полученных по измерениям с помощью дигизонда на ст. Норильск за этот период, проведен анализ изменений N_e во время геомагнитных возмущений весной и осенью за длительный промежуток времени. Выявлена весенне-осенняя асимметрия, которая присутствует во все периоды солнечной активности и проявляется в значительном понижении электронной концентрации во время главной фазы осенних штормов на всех высотах по сравнению со спокойными днями: до 2.6 раз на высоте 200 км и несколько меньше на нижних высотах. Во время весенних возмущений такого явления не наблюдается: изменения N_e гораздо слабее.

Лоптева Л.С., Кушталь Г.И., Прошин В.А., Скоморовский В.И., Фирстов С.В., Химич В.А., Чупраков С.А. «Хромосферный K СаII Телескоп Байкальской астрофизической обсерватории. Новый свет» Солнечно-земная физика, 5, № 2, с. 133-147 (2019)

В последние годы большинство результатов исследований хромосферы Солнца по линиям Н и K CaII основано на фильтровых наблюдениях. Хромосферный телескоп полного диска Солнца в линии K CaII снова включен в наблюдения по программам Службы Солнца и научных исследований. Рассмотрены методические вопросы юстировки телескопа и модернизированного интерференционно-поляризационного фильтра (ИПФ) фирмы B. Halle на линию K СаII. После многолетней непрерывной эксплуатации возникла острая необходимость замены вышедших из строя частей хромосферного телескопа. Выполнена чистка и отъюстирована заново оптика всего телескопа. Полученные интерферограммы волнового фронта телеобъектива и всего телескопа показывают, что искажения волнового фронта всего оптического тракта находятся в пределах 0.25λ. Приводятся схемы и обсуждаются оптико-физические характеристики элементов ИПФ. Заменены ИФ предварительной монохроматизации, УФ-поляризаторы и проведена настройка полосы пропускания регулируемых ступеней ИПФ. Спектральные характеристики ИПФ обеспечивают достаточно высокий контраст монохроматических изображений крупномасштабных явлений. С установленными на телескопе коллиматором и камерой Sony Cyber-Shot DSC-S85 не реализуется теоретическая разрешающая сила 180-мм телескопа, поэтому были рассчитаны две схемы телескопа для возможного улучшения пространственного разрешения.