ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 5, с. 691-700
УДК 550.385.37
ЭФФЕКТЫ СОЛНЕЧНОЙ И ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТЕЙ В ВАРИАЦИЯХ СПЕКТРОВ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН В ПРИЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЕ НА КАМЧАТКЕ ВО ВРЕМЯ СОЛНЕЧНЫХ СОБЫТИЙ В ОКТЯБРЕ 2003 г. © 2014 г. Г. А. Михайлова1, О. В. Капустина1, С. Э. Смирнов2
1 Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн
им. Н.В.Пушкова РАН(ИЗМИРАН), г. Троицк, г. Москва
2 Институт космофизических исследований и распространения радиоволн
ДВО РАН, п. Паратунка (Камчатский край) e-mail: yumikh@izmiran.ru; sergey@ikir.ru Поступила в редакцию 25.03.2014 г.
Выполнен спектральный анализ записей метеорологических (температура, влажность, давление атмосферы) и электрических величин (напряженность квазистатического электрического поля и электропроводность воздуха), наблюдаемых одновременно в обс. "Паратунка" во время солнечных событий в период с 21 по 31 октября 2003 г. Использованы также одновременные записи потоков рентгеновского излучения Солнца, галактических космических лучей и горизонтальной компоненты геомагнитного поля. Показано, что в спектрах мощности метеорологических величин в условиях "хорошей погоды" наблюдались колебания с периодом тепловых приливных волн (T ~ 12 и 24 ч), обусловленные притоком теплового излучения Солнца. Во время сильных солнечных вспышек и геомагнитной бури 29—31 октября при наличии преобладающего компонента с T ~ 24 ч в их спектрах появился дополнительный компонент с T ~ 48 ч (период волн планетарного масштаба). В спектрах мощности электропроводности атмосферы и напряженности электрического поля с развитием солнечной и геомагнитной активностей наблюдались компоненты как тепловых приливных волн, так и волн планетарного масштаба, сильно изменяясь по интенсивности. В спектрах мощности потоков галактических космических лучей, сопровождающих сильные солнечные вспышки, преобладали компоненты с T ~ 48 ч с появлением дополнительных более слабых по интенсивности компонентов с T ~ 24 ч. Одновременное усиление компонентов с T ~ 48 ч в спектрах мощности электропроводности и напряженности электрического поля указывает на тот факт, что во время сильных солнечных вспышек и геомагнитных бурь действующим ионизатором нижней тропосферы являются преимущественно галактические космические лучи. Выделенный период колебаний с T ~ 48 ч в их спектрах, а также в спектрах рентгеновского излучения Солнца, по-видимому, вызван динамикой солнечной и геомагнитной активностей с этим временным масштабом.
DOI: 10.7868/S0016794014050113
1. ВВЕДЕНИЕ
В условиях "хорошей погоды" в рамках модели шарового конденсатора, образованного поверхностью Земли и нижней границей ионосферы, ток проводимости в глобальной электрической цепи (ГЭЦ) определяется удаленными грозовыми источниками, так называемым глобальным грозовым генератором. Кроме него, существуют и другие дополнительные генераторы глобального масштаба: это ионосферный генератор (в динамо-области на Н ~ 100—120 км), магнитосферный генератор и СКЛ в верхней атмосфере полярных широт, а также ГКЛ в средней атмосфере (Н ~ 15—25 км).
В приземной атмосфере средних широт как части ГЭЦ, кроме глобальных источников, включаются локальные источники тока: это конвективный генератор и генератор сейсмической приро-
ды, поставляющий в атмосферу радиоактивный газ, Rn. К локальным генераторам следует отнести и кучевые облака, отрицательно заряженные в нижней их части. Локальные генераторы, как известно, проявляют сильную зависимость от метеорологических величин (температуры, давления, влажности атмосферы и скорости ветра), которые, в свою очередь, зависят от солнечной активности. Ионосферное динамо вносит несущественный вклад в атмосферные параметры (~5—10%) [Roble, 1985]. На средних широтах в приземной атмосфере в условиях "хорошей погоды" следует также пренебречь действием СКЛ и магнитосферного генератора. Даже в полярных широтах вклад магнитосферного генератора составляет ~±20% относительно вклада грозового генератора [Roble, 1985].
Во время сильных солнечных вспышек и геомагнитных бурь как глобальных процессов их влияние проявляется, прежде всего, в вариациях глобальных источников тока в ГЭЦ. Результаты анализа этих эффектов на средних и высоких широтах, приведены в довольно многочисленных работах и последовательно отражены в обзорах [Roble, 1985; Rycroft et al., 2012], включая, в том числе, солнечное событие в августе 1972 г.
Подобные солнечные события произошли в октябре 2003 г. и ноябре 2004 г. Детальный анализ временных вариаций напряженности электрического поля и электропроводности атмосферы в приземной атмосфере на Камчатке во время этих событий ранее нами выполнен в работах [Смирнов и др., 2013; Смирнов и др., 2014]. При этом были рассмотрены одновременно наблюдаемые вариации локальных метеорологических величин (температура, давление, влажность атмосферы и скорость ветра), а также солнечных и геомагнитных параметров (потоки рентгеновского излучения как показателя уровня солнечной активности, потоки СКЛ и ГКЛ, Лй-вариации, ^-индексы, горизонтальная компонента геомагнитного поля). Такой комплексный подход, впервые выполненный в исследованиях эффектов солнечных явлений в атмосферном электричестве приземной атмосферы, позволил отдельно выделить вклад глобальных и локальных источников во временных вариациях электропроводности атмосферы и напряженности электрического поля.
Временные вариации приведенных выше величин, естественно, связаны с динамикой атмосферы в этот период. В этой связи для обнаружения более четких причинно-следственных связей между рассматриваемыми величинами представляло интерес исследовать их частотные вариации в широком диапазоне периодов атмосферных волн: тепловых приливных волн (ТПВ, Т = 4—24 ч) и волн планетарного масштаба (ВПМ, Т > 24 ч). Первая попытка в этом направлении была реализована в работе [Смирнов и др., 2013] для солнечных событий в ноябре 2004 г. Настоящая работа является продолжением этих исследований для солнечных событий в октябре 2003 г.
2. ИСХОДНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
На рисунке 1 приведены данные одновременных наблюдений следующих величин в период с 21 по 31 октября 2003 г.
Кривая 1 — напряженность квазистатического электрического поля (Ег-компонента), измеренная прибором "Поле-2" с точностью 0.3 В/м и с дискретностью по времени 1 мин, а также значения индекса (нТл), определенные с дискрет-
ностью по времени 1 ч (http://spidr.ngdc.noaa.gov// spidr).
Кривые 2 и 3 — электропроводности атмосферы, обусловленные отдельно положительными (Х+) и отрицательными (А,_) ионами и измеренные прибором "Электропроводность-2" с дискретностью по времени 1 мин.
Кривые 4—8 — соответственно, давление (Р, гПа); температура (Т°, С); влажность (V, %); осадки; скорость ветра (и, м/с), измеренные с дискретностью по времени 10 мин цифровыми станциями ^^-2000 и ^^-2300. Выходные данные поступают в обсерваторию по радиоканалу на частоте 433 МГц. На кривую 4 нанесена дополнительно кривая записи горизонтальной компоненты геомагнитного поля (Н, нТл), измеренная феррорезо-нансным магнитометром FRG-601G с точностью 0.01 нТл и с дискретностью по времени 1 мин.
Кривые 1—8 построены по результатам наблюдений в обс. "Паратунка" (ф = 58.9° N X = 158.25° Е; Ф = 46.37°; L = 2.1). В работе использованы также данные наблюдений состояния облачности и осадков на местной метеорологической станции. К сожалению, в обсерватории отсутствуют акти-нометрические наблюдения.
Кривая 7 — трехчасовые значения ^р-индеса.
Кривая 9 — потоки галактических космических лучей N — число частиц/мин), измеренные нейтронным монитором с дискретностью по времени 1 мин в обс. "Стекольный" ИКИР ДВО РАН.
Кривая 10 — последовательность солнечных вспышек, измеренная в потоках Х-лучей (Вт/м2) на спутнике GOES-12 (http://goes.ngdc.noaa.goV//data/ avg).
В дополнение к этому рисунку в таблице приведена более детальная хронологическая последовательность этих событий, подробно описанная в статье [Веселовский и др., 2004], а на рис. 2 показана в увеличенном масштабе последовательность нескольких, наиболее интересных фрагментов записей электропроводности и напряженности электрического поля в зависимости от времени иТ (в обсерватории местный полдень наступает в 01:45 иТ, а полночь — в 10:55 ЦТ). Детальный анализ временных вариаций записей, показанных на рис. 1, выполнен в работе [Смирнов и др., 2013]. Ниже приводятся результаты их спектрального анализа.
3. МЕТОД СПЕКТРАЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ
Для оценки спектральной плотности мощности (далее, спектра мощности) использован классический метод периодограмм. Выбор длительности Т временного "окна" (Т = 2 сут) обусловлен продолжительностью периодов аномальных всплесков солнечной (22—23; 26—27; 28—29; 29— 30 октября) и соответственно, геомагнитной (24—
«
2000 1000 0
-1000
-2000 6000
^ 4000
2000
0
2000
^ 4000
6000 1020
С 1000
^ 980 -
20 3 15
I 10
- 5
^ 0
^ -5
80
ж 60 V
! 40
, 20 ¡2 4
о
Н «
И §
1=
а &
и О
X
О0 16
12 8 4 0
8000
7000
6000 1Е-3 1Е-4 1Е-5 1Е-6 21
400
200 £
200 3 400
22 23 24 25 26 27
2003.10
28
29 30 31
Рис. 1. Суточные вариации напряженности электрического поля, электропроводности атмосферы, метеорологических, геофизических и солнечных величин в период 21-31 октября 2003 г.
25; 29-30; 30-31 октября) активностей. Далее ис- появления сильной солнечной вспышки 23 октяб-
пользован метод наложенных эпох, в котором в ря. В этот период действительно сохранялись усло-
качестве опорных дней для сравнения выбраны вия "хорошей погоды": слабый ветер с и < 4 м/с;
дни "хорошей погоды" 21-22 октября до момента отсутствие осадков; наличие высоких слоистых
2
Вспышечные события в АО 10484 и 10486 в период 19—31 октября 2003 г. и их проявления в околоземном пространстве [Веселовский и др., 2004], данные из INTERNET Dst — (http://spidr.ngdc.noaa.gov/spidr/); Kp — (http:// wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/cgi-bin/kp-cgi)
Дата Вспышка SC UT Dst, нТл Kp СКЛ Е, МэВ Р, см-2с-1ср-1 ГКЛ, % Главная фаза бури
Время, UT Длит., мин Балл
19 16:29; 79 X1.1
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.