Russian Journal of Earth Sciences Russian Journal of Earth Sciences Russian Journal of Earth Sciences 1681-1208 89109 10.2205/2025ES000989 eioxxj ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ ORIGINAL ARTICLES ОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ Fractal Characteristics of the Auroral Oval Structure According to the All-Sky Camera Data in Apatity for 2013–2020 Фрактальные характеристики структуры аврорального овала по данным камеры всего неба в Апатитах за 2013–2020 гг. https://orcid.org/0000-0003-2738-2443 Козелов Борис Владимирович Kozelov Boris Vladimirovich bob-koz@yandex.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 Полярный геофизический институт Апатиты Россия Polar Geophysical Institute Apatity Russian Federation Полярный геофизический институт Апатиты Россия Polar Geophysical Institute Apatity Russian Federation 07 04 2025 07 04 2025 25 3 1 11 30 09 2024 15 01 2025 https://rjes.ru/en/nauka/article/89109/view

Пространственная структура полярных сияний описывается фрактальной размерностью флуктуаций свечения и ее анизотропией в зависимости от направления. Фрактальная размерность оценивается из наклона в логарифмических осях спектра в диапазоне 1,5–50 км, полученного дискретным вейвлет-преобразованием флуктуаций интенсивности свечения с использованием вейвлетов Добеши 5 порядка. Вариабельность структур характеризуется наклоном спектра вариации анизотропии во времени. Приведена статистика этих характеристик по данным наземной камеры всего неба (All-Sky camera) Полярного геофизического института в г. Апатиты за 2013–2020 годы и сделана привязка по положению внутри аврорального овала и значениям геомагнитного поля в обсерватории «Ловозеро». Обсуждается алгоритм моделирования структуры полярных сияний по данным характеристикам.

The spatial structure of polar auroras is described by the fractal dimension of glow fluctuations and its anisotropy from direction. The fractal dimension is estimated from the slope in the logarithmic axes of the spectrum in the range of 1.5–50 km, obtained through discrete wavelet transformation of the intensity fluctuation of the glow using Daubechies wavelets of order 5. The variability of the structures is characterized by the slope of the anisotropy variation spectrum over time. The statistics of these characteristics are presented according to the data of the ground-based all-sky camera of the Polar Geophysical Institute in Apatity for 2013–2020 and referenced to the position inside the auroral oval and the values of the geomagnetic field at Lovozero observatory. An algorithm for modeling the structure of polar auroras based on these characteristics is discussed.

 аврора суббуря высыпания частиц высокоширотная ионосфера скейлинг фрактальный индекс анизотропия пульсирующие полярные сияния фаза расширения aurora substorm particle precipitation high-latitude ionosphere scaling fractal index anisotropy pulsating auroras expansion phase Автор благодарит Дж. Х. Кинг и Н. Папаташвилли (J. H. King, N. Papatashvilli) (Adnet Systems, NASA GSFC) за данные базы OMNI. Работа поддержана грантом РНФ и Министерства образования и науки Мурманской области № 22–12–20017 «Пространственно-временные структуры в околоземном космическом пространстве Арктики: от полярных сияний через особенности самоорганизации плазмы к прохождению радиоволн». The author thanks J. H. King and N. Papatashvilli (Adnet Systems, NASA GSFC) for the OMNI database data. This work was supported by the grant of the Russian Science Foundation and the Ministry of Education and Science of the Murmansk Region No. 22–12–20017 “Spatio-temporal structures in the near-Earth space of the Arctic: from polar auroras through features of plasma self-organization to the passage of radio waves”.

Головчанская И. В., Козелов Б. В. Диапазон масштабов альфвеновской турбулентности в верхней ионосфере авроральной зоны // Космические исследования. — 2016. — Т. 54, № 1. — С. 52—57. — DOI: 10.7868/S002342061601009X. Golovchanskaya I. V., Kozelov B. V. The range of Alfvénic turbulence scales in the topside auroral ionosphere // Cosmic Research. — 2016. — Vol. 54, no. 1. — P. 47–51. — DOI: 10.1134/s0010952516010093. Козелов Б. В., Ролдугин А. В. Фрактальные характеристики структуры аврорального овала на основе экспериментальных данных // 47-й ежегодный Апатитский семинар «Физика авроральных явлений». Тезисы докладов. — Апатиты : Полярный геофизический институт, 2024. — С. 30. Kozelov B. V., Roldugin A. V. Fractal characteristics of the auroral oval structure based on experimental data // The 47th Annual Seminar «Physics of Auroral Phenomena». Abstracts. — Apatity : Polar Geophysical Institute, 2024. — P. 30. — (In Russian). Суворова З. В., Мингалев И. В., Козелов Б. В. Влияние пространственных размеров областей высыпания электронов на прохождение КВ сигналов // Материалы 20-й Международной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». — Институт космических исследований РАН, 2022. — DOI: 10.21046/20DZZconf-2022a. Suvorova Z. V., Mingalev I. V., Kozelov B. V. The Effect of Spatial Dimensions of Electron Precipitation Regions on the Passage of HF Signals // Proceedings of the 20th International Conference «Modern Problems of Remote Sensing of the Earth from Space». — Space Research Institute Russian Academy of Sciences, 2022. — DOI: 10.21046/20DZZconf-2022a. — (In Russian). Харгривс Дж. К. Верхняя атмосфера и солнечно-земные связи: Введение в физику околоземной космической среды. — Ленинград : Гидрометеоиздат, 1982. Hargreaves J. K. The Upper Atmosphere and Solar-Terrestrial Relations: An introduction to the aerospace environment. — Leningrad : Gidrometeoizdat, 1982. — (In Russian). Abry P., Flandrin P., Taqqu M. S., et al. Wavelets for the Analysis, Estimation, and Synthesis of Scaling Data // Self-Similar Network Traffic and Performance Evaluation. — Wiley, 2000. — P. 39–88. — DOI: 10.1002/047120644x.ch2. Abry P., Flandrin P., Taqqu M. S., et al. Wavelets for the Analysis, Estimation, and Synthesis of Scaling Data // Self-Similar Network Traffic and Performance Evaluation. — Wiley, 2000. — P. 39–88. — DOI: 10.1002/047120644x.ch2. Akasofu S.-I. Polar and Magnetospheric Substorms. — Springer Netherlands, 1968. — DOI: 10.1007/978-94-010-3461-6. Akasofu S.-I. Polar and Magnetospheric Substorms. — Springer Netherlands, 1968. — DOI: 10.1007/978-94-010-3461-6. Chang T. Self-organized criticality, multi-fractal spectra, sporadic localized reconnections and intermittent turbulence in the magnetotail // Physics of Plasmas. — 1999. — Vol. 6, no. 11. — P. 4137–4145. — DOI: 10.1063/1.873678. Chang T. Self-organized criticality, multi-fractal spectra, sporadic localized reconnections and intermittent turbulence in the magnetotail // Physics of Plasmas. — 1999. — Vol. 6, no. 11. — P. 4137–4145. — DOI: 10.1063/1.873678. Chernyshov A. A., Kozelov B. V., Mogilevsky M. M. Study of auroral ionosphere using percolation theory and fractal geometry // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. — 2017. — Vol. 161. — P. 127–133. — DOI: 10.1016/j.jastp.2017.06.013. Chernyshov A. A., Kozelov B. V., Mogilevsky M. M. Study of auroral ionosphere using percolation theory and fractal geometry // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. — 2017. — Vol. 161. — P. 127–133. — DOI: 10.1016/j.jastp.2017.06.013. Chernyshov A. A., Mogilevsky M. M., Kozelov B. V. Use of fractal approach to investigate ionospheric conductivity in the auroral zone // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2013. — Vol. 118, no. 7. — P. 4108–4118. — DOI: 10.1002/jgra.50321. Chernyshov A. A., Mogilevsky M. M., Kozelov B. V. Use of fractal approach to investigate ionospheric conductivity in the auroral zone // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2013. — Vol. 118, no. 7. — P. 4108–4118. — DOI: 10.1002/jgra.50321. Feldstein Y. I., Starkov G. V. Dynamics of auroral belt and polar geomagnetic disturbances // Planetary and Space Science. — 1967. — Vol. 15, no. 2. — P. 209–229. — DOI: 10.1016/0032-0633(67)90190-0. Feldstein Y. I., Starkov G. V. Dynamics of auroral belt and polar geomagnetic disturbances // Planetary and Space Science. — 1967. — Vol. 15, no. 2. — P. 209–229. — DOI: 10.1016/0032-0633(67)90190-0. Hardy D. A., Gussenhoven M. S., Holeman E. A statistical model of auroral electron precipitation // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 1985. — Vol. 90, A5. — P. 4229–4248. — DOI: 10.1029/ja090ia05p04229. Hardy D. A., Gussenhoven M. S., Holeman E. A statistical model of auroral electron precipitation // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 1985. — Vol. 90, A5. — P. 4229–4248. — DOI: 10.1029/ja090ia05p04229. Kozelov B. V. Fractal approach to description of the auroral structure // Annales Geophysicae. — 2003. — Vol. 21, no. 9. — P. 2011–2023. — DOI: 10.5194/angeo-21-2011-2003. Kozelov B. V. Fractal approach to description of the auroral structure // Annales Geophysicae. — 2003. — Vol. 21, no. 9. — P. 2011–2023. — DOI: 10.5194/angeo-21-2011-2003. Kozelov B. V., Golovchanskaya I. V. Derivation of aurora scaling parameters from ground-based imaging observations: Numerical tests // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2010. — Vol. 115, A2. — DOI: 10.1029/2009ja014484. Kozelov B. V., Golovchanskaya I. V. Derivation of aurora scaling parameters from ground-based imaging observations: Numerical tests // Journal of Geophysical Research: Space Physics. — 2010. — Vol. 115, A2. — DOI: 10.1029/2009ja014484. Kozelov B. V., Pilgaev S. V., Borovkov L. P., et al. Multi-scale auroral observations in Apatity: winter 2010-2011 // Geoscientific Instrumentation, Methods and Data Systems. — 2012. — Vol. 1, no. 1. — P. 1–6. — DOI: 10.5194/gi-1-1-2012. Kozelov B. V., Pilgaev S. V., Borovkov L. P., et al. Multi-scale auroral observations in Apatity: winter 2010-2011 // Geoscientific Instrumentation, Methods and Data Systems. — 2012. — Vol. 1, no. 1. — P. 1–6. — DOI: 10.5194/gi-1-1-2012. Kozelov B. V., Titova E. E. Conjunction Ground Triangulation of Auroras and Magnetospheric Processes Observed by the Van Allen Probe Satellite near 6 Re // Universe. — 2023. — Vol. 9, no. 8. — P. 353. — DOI: 10.3390/universe9080353. Kozelov B. V., Titova E. E. Conjunction Ground Triangulation of Auroras and Magnetospheric Processes Observed by the Van Allen Probe Satellite near 6 Re // Universe. — 2023. — Vol. 9, no. 8. — P. 353. — DOI: 10.3390/universe9080353. Kozelov B. V., Uritsky V. M., Klimas A. J. Power law probability distributions of multiscale auroral dynamics from groundbased TV observations // Geophysical Research Letters. — 2004. — Vol. 31, no. 20. — DOI: 10.1029/2004GL020962. Kozelov B. V., Uritsky V. M., Klimas A. J. Power law probability distributions of multiscale auroral dynamics from groundbased TV observations // Geophysical Research Letters. — 2004. — Vol. 31, no. 20. — DOI: 10.1029/2004GL020962. Kozelov B. V., Vorobjev V. G., Titova E. E., et al. Diagnostics of the High-Latitude Ionosphere and Spatiotemporal Dynamics of Auroral Precipitations // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. — 2024. — Vol. 88, no. 3. — P. 394–399. — DOI: 10.1134/S1062873823705573. Kozelov B. V., Vorobjev V. G., Titova E. E., et al. Diagnostics of the High-Latitude Ionosphere and Spatiotemporal Dynamics of Auroral Precipitations // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. — 2024. — Vol. 88, no. 3. — P. 394–399. — DOI: 10.1134/S1062873823705573. Milan S. E., Evans T. A., Hubert B. Average auroral configuration parameterized by geomagnetic activity and solar wind conditions // Annales Geophysicae. — 2010. — Vol. 28, no. 4. — P. 1003–1012. — DOI: 10.5194/angeo-28-1003-2010. Milan S. E., Evans T. A., Hubert B. Average auroral configuration parameterized by geomagnetic activity and solar wind conditions // Annales Geophysicae. — 2010. — Vol. 28, no. 4. — P. 1003–1012. — DOI: 10.5194/angeo-28-1003-2010. Newell P. T., Liou K., Zhang Y., et al. OVATION Prime-2013: Extension of auroral precipitation model to higher disturbance levels // Space Weather. — 2014. — Vol. 12, no. 6. — P. 368–379. — DOI: 10.1002/2014SW001056. Newell P. T., Liou K., Zhang Y., et al. OVATION Prime-2013: Extension of auroral precipitation model to higher disturbance levels // Space Weather. — 2014. — Vol. 12, no. 6. — P. 368–379. — DOI: 10.1002/2014SW001056. Oguti T. Similarity between global auroral deformations in DAPP photographs and small scale deformations observed by a TV camera // Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics. — 1975. — Vol. 37, no. 11. — P. 1413–1418. — DOI: 10.1016/0021-9169(75)90070-7. Oguti T. Similarity between global auroral deformations in DAPP photographs and small scale deformations observed by a TV camera // Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics. — 1975. — Vol. 37, no. 11. — P. 1413–1418. — DOI: 10.1016/0021-9169(75)90070-7. Vorobjev V. G., Yagodkina O. I., Katkalov Yu. V. Auroral Precipitation Model and its applications to ionospheric and magnetospheric studies // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. — 2013. — Vol. 102. — P. 157–171. — DOI: 10.1016/j.jastp.2013.05.007. Vorobjev V. G., Yagodkina O. I., Katkalov Yu. V. Auroral Precipitation Model and its applications to ionospheric and magnetospheric studies // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. — 2013. — Vol. 102. — P. 157–171. — DOI: 10.1016/j.jastp.2013.05.007.