ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 3, с. 333-340
УДК 550.385.37
АНАЛИЗ ШИРОТНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕОМАГНИТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ Pi2 С ПОМОЩЬЮ МЕТОДА ОБОБЩЕННОЙ ДИСПЕРСИИ
© 2014 г. Н. Г. Клейменова1, Н. Р. Зелинский1, А. Л. Котиков2, 3
Институт физики Земли РАН (ИФЗ РАН), г. Москва 2Санкт-Петербургский филиал института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН(ИЗМИРАН), г. Санкт-Петербург 3Санкт-Петербургский государственный университет (СПбГУ), г. Санкт-Петербург
e-mail: kleimen@ifz.ru Поступила в редакцию 18.11.2013 г.
Исследована пространственная динамика всплесков геомагнитных пульсаций типа Pi2 во время типичного события дрейфующей к полюсу магнитосферной суббури (13 апреля 2010 г.) с помощью метода обобщенной дисперсии, характеризующей интегральное временное приращение суммарной горизонтальной амплитуды волны в данной точке в выбранный интервал времени. При анализе использовались цифровые данные наблюдений скандинавского профиля магнитометров IMAGE с 10-ти секундной дискретизацией и данные наблюдений проекта INTERMAGNET на экваториальных, среднеширотных и субавроральных широтах с 1-секундной дискретизацией. Показано, что всплески Pi2 пульсаций в полосе частот 8—20 мГц появляются одновременно в глобальном масштабе — от полярных до экваториальных широт с максимальными амплитудами на широтах максимальной интенсивности авроральной токовой струи и максимальной амплитуды геомагнитных пульсаций Pi3 в полосе 1.5—6.0 мГц. Первый, левополяризованный интенсивный всплеск Pi2 появился в авроральных широтах через несколько минут после брейкапа, а второй, правополяризованный — на 15 мин позже брейкапа, но на более высоких, полярных широтах, куда к этому времени переместилась суббуря. Направление вращения вектора поляризации волн было противоположным в авро-ральных и субавроральных широтах, но на экваторе и в субавроральной зоне было одинаковым. На экваторе амплитуда пульсаций была максимальной в ночном секторе.
DOI: 10.7868/S0016794014030092
1. ВЕДЕНИЕ
Несмотря на то, что геомагнитные пульсации Pi2 широко исследуются уже более полувека и им посвящено несколько сотен работ, механизм их генерации и роль в физике магнитосферной суббури до сих пор окончательно не установлены. Имеется ряд монографий и обзорных работ, в которых обсуждаются морфологические характеристики Pi2 пульсаций на разных широтах и возможные механизмы их генерации, например, [Троицкая и Гульельми, 1969; Saito, 1969; Гульель-ми и Троицкая, 1973; Пудовкин и др., 1976; Baumjohann and Glassmeier, 1984; Yumoto, 1986; Olson, 1999; Клейменова, 2007; Keiling and Takahashi, 2011].
"Классические" геомагнитные пульсации Pi2 имеют волновую форму затухающего цуга колебаний в полосе частот ~8—15 мГц продолжительностью 5—10 мин с наибольшей амплитудой в авроральных широтах. Одним из важнейших свойств Pi2 пульсаций является их четкая связь с началом взрывной фазы (брейкапом) магнитосферной суббури [Saito et al., 1976; Pashin et al., 1982]. В высоких широтах генерация Pi2 пульса-
ций связана с высыпанием энергичных электронов и интенсификацией продольных токов во время брейкапа. Максимум амплитуды колебаний наблюдается в локальной области широт и долгот и приурочен к области наиболее яркой вспышки полярных сияний [Murphy et al., 2009]. В сопряженных точках Х (Н) компонента Pi2 пульсаций наблюдается в фазе, а Y(D) — в проти-вофазе [Распопов и др., 1967; Yumoto et al., 1990].
Традиционно при изучении Pi2 пульсаций их характеристики часто рассматриваются раздельно на высоких (L > 5), средних (2 < L < 5) и низких (L < 2) широтах. В высоких широтах генерацию Pi2 пульсаций обычно связывают с развитием суббури и появлением в хвосте магнитосферы быстрых потоков электронов (Bursty Bulk Flow — BBF), например, [Kepko and Kivelson, 1999], в средних и низких широтах — с возбуждением плазмосферных резонансов (cavity mode resonance) [Yeoman and Orr, 1989; Sutcliffe and Yumoto, 1991], хотя и некоторые авторы [Nose, 2010] в таком разделении сомневаются. Таким образом, наблюдаемые на земной поверхности Pi2 пульсации на разных широтах, по-видимому, могут иметь различную природу.
В последние годы были разработаны новые возможные механизмы генерации Pi2 как во внутренней, так и во внешней магнитосфере, семь из которых подробно обсуждены в обзоре [Keiling and Takahashi, 2011], такие, как, например, баллонная неустойчивость, или пульсирующие процессы разрыва тока в области диполизации вблизи внутреннего края плазменного слоя хвоста магнитосферы. Однако эти модели требуют дальнейшего теоретического и экспериментального исследования. Не установлены и механизмы распространения Pi2 пульсаций в магнитосфере от области генерации до земной поверхности на разных широтах. Следовательно, анализ пространственно-временных особенностей Pi2 остается важной задачей для изучения физического механизма генерации этого типа пульсаций и локализации их источника.
Целью данной работы является исследование пространственного распределения всплесков Pi2 пульсаций на профиле наземных станций, расположенных от полярных до экваториальных широт, во время типичной дрейфующей к полюсу магнитосферной суббури. Для анализа данных наблюдений был разработан и использован алгоритм вычисления обобщенной дисперсии собственных значений матрицы ковариации в методах дискретного математического анализа. Обобщенная дисперсия характеризует интегральное временное приращение суммарной горизонтальной амплитуды волны в данной точке в выбранный интервал времени.
2. МЕТОД ОБОБЩЕННОЙ ДИСПЕРСИИ
Для анализа геомагнитных пульсаций в данной работе применяются элементы дискретного математического анализа (ДМА). ДМА представляет собой формализованный математический подход к моделированию при обработке геофизических данных. Практическое применение концепции выражается в построении алгоритмов распознавания образов, нечеткой логики, адаптивной фильтрации и кластеризации, использующих одни и те же определения и свойства в рамках ДМА [Zlotnicki et all., 2005; Богоутдинов и др., 2010].
В рамках реализации подхода ДМА в данной работе мы построили выпрямление (т.е. функционал, принимающий неотрицательные значения) магнитограмм по двум компонентам: Xи Y. Исходя из того, что исследуемые колебния имеют частоту порядка 20 мГц и ниже, что при прямом вычислении поляризации с частотой дискретизации 100 мГц ведет к неустойчивостям, в данном анализе выпрямлением была выбрана обобщенная дисперсия, вычисляемая, как колмагоровское среднее [Колмогоров, 1985] собственных векторов матрицы ковариации двухкомпонентных данных [Means, 1972]. При дальнейшем анализе было уста-
новлено, что использование такого выпрямления позволяет выделить главные особенности фильтрованных сигналов в рамках выбранного временного интервала, а регулируемый параметр — ширина окна для расчета матрицы ковариации, позволяет управлять этим процессом.
Расчет матрицы ковариации в окне и получение ее собственных векторов — известная процедура поляризационного анализа, абсолютные величины собственных векторов матрицы ковариа-ции определяют величины полуосей эллипсоида поляризации [Means, 1972]. Относительное изменение величины эллипсоида поляризации (суммарная абсолютная величина его полуосей) несет в себе информацию об амплитуде многокомпонентного сигнала в заданный момент времени (дискрет). Для более адекватной оценки амплитуды необходимо использовать некоторую осред-ненную величину, вычисленную во временном окне. По опыту работы с пульсациями Pc3 [Клейменова и др., 2013] такой характеристикой может выступать обобщенная дисперсия собственных векторов матрицы ковариации.
3. АНАЛИЗ НАБЛЮДЕНИЙ
Для исследований был выбран случай суббури 13 апреля 2010 года, (магнитограммы нескольких станций скандинавского профиля IMAGE приведены в верхней части рис. 1). Суббуря наблюдалась в конце восстановительной фазы небольшой магнитной бури с Dst ~ 60 нТл в максимуме бури и всплеском плотности солнечного ветра до ~25 см-3.
На нижней панели рис. 1 приведены результаты расчетов распределения плотности ионосферных токов на профиле IMAGE в обсуждаемый интервал времени. Отрицательным значениям плотности ионосферных токов соответствует ток западного направления (изолинии плотности этого тока на карте показаны сплошной линией), положительным — восточного (штриховые линии). Алгоритм восстановления меридиональных профилей ионосферных токов основан на решении обратной задачи пересчета вариаций компонент магнитного поля (X, Y, Z) на поверхности Земли в горизонтальные токи на высотах ионосферы (~ 100 км). Методика расчетов профилей ионосферных токов по данным меридиональной цепочки магнитных вариационных станций [Котиков и др., 1991; Kotikov et al., 1993] позволяет с высоким пространственным (~50 км) и временным (~10 с) разрешением прослеживать динамику широтной компоненты токов в интервале широт от 54 до 78° исправленной геомагнитной широты. Рассчитанные профили позволяют локализовать области втекающих и вытекающих продольных токов [Котиков и Шишкина, 1997].
Суббуря началась в авроральных широтах (KEV, IVA) с брейкапа в 22.06 UT и быстро перемещалась в сторону полюса, достигнув геомагнитной широты ~74—75°. Это четко видно на карте распределения ионосферных токов на рис. 1.
Для изучения геомагнитных пульсаций Pi2 исследовались данные наблюдений на скандинавском профиле IMAGE с 10-ти секундным разрешением и экваториальные обсерватории проекта INTERMAGNET с 1-секундным разрешением. Кроме этого использовались наблюдения в том же долготном секторе на среднеширотной обсерватории CLF с геомагнитными координатами (43.80°; 80.24°, магнитная полночь в 20 UT) и суб-авроральной обсерватории PAF с координатами (-57.90°; 128.00°, магнитная полночь в 20 UT).
Первым шагом в проведении анализа Pi2 пульсаций была фильтрация исходных данных наблюдений в полосе частот 8-20 мГц (диапазон Pi2) при помощи фильтра Баттерворда 6-го порядка. Затем в выбранном временном окне вычислялась обобщенная дисперсия матрицы ковариации горизонтальных компонент поля пульсаций (вертикальная компонента поля не
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.