ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2015, том 55, № 5, с. 666-674
УДК 550.385:524.1551.594
ЭФФЕКТЫ ВЛИЯНИЯ ЭКСТРАОРДИНАРНЫХ СОБЫТИЙ СОЛНЕЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ НА ВАРИАЦИИ АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ВЫСОКИХ ШИРОТАХ © 2015 г. О. И. Шумилов1, Е. А. Касаткина1, А. В. Франк-Каменецкий2
Полярный геофизический институт, г. Апатиты (Мурманская обл.) 2Институт Арктики и Антарктики, г. Санкт-Петербург e-mail: oleg@aprec.ru Поступила в редакцию 18.03.2015 г.
Приводятся результаты исследований вариаций вертикальной компоненты атмосферного электрического поля Ez по данным высокоширотной обсерватории Апатиты (геомагнитная широта: Ф' = = 63.8°) для трех событий СКЛ г.: 15 апреля, 18 апреля и 4 ноября 2001. Для события СКЛ 15 апреля 2001 г. проведено сопоставление наблюдаемых вариаций Ez с соответствующими данными средне-широтной обсерватории Воейково и обсерватории Восток, находящейся в полярной шапке. Показано, что корональные выбросы массы Солнца и некоторые мощные события СКЛ могут привести к изменениям в глобальной электрической цепи. Возмущения в атмосферном электрическом поле можно рассматривать в качестве диагностики развития активных процессов на Солнце.
DOI: 10.7868/S0016794015050168
1. ВВЕДЕНИЕ
Изучение физических процессов и явлений, протекающих на Солнце и в околоземном космическом пространстве, а также их экологических аспектов, является чрезвычайно актуальным для решения многих проблем физики Солнца, геофизики, климатологии, метеорологии, биофизики и др. Процессы, происходящие в ближнем космосе ("космическая погода"), оказывают существенное влияние на погоду и климат, радиосвязь, биосферу, а также непосредственно на жизнедеятельность и здоровье человека. Известно, что события солнечных космических лучей (СКЛ), сопровождающие солнечные вспышки и корональные выбросы массы или Coronal Mass Ejections (CME), приводят к нарушениям радиосвязи в высокоширотных районах планеты, вызывают понижения в озоновом слое и в радиационном балансе атмосферы, приводят к созданию помех и выходу из строя датчиков космических аппаратов. По определению CME — это грандиозные выбросы вещества (до 10 млрд т) из короны Солнца [Застенкер и Зеленый, 1999; Gosling, 1993].
Эффекты солнечных вспышек и космических лучей в атмосферном электрическом поле исследовались в ряде работ [Моисеев и др., 1993; Mark-son, 1978; Olson et al., 1978; Reagan et al., 1983; Goldberg, 1984; Sheftel et al., 1994; Zadorozhny et al., 1994; Rycroft et al., 2000; Farrel and Desch, 2002]. Отмечалось, что вторжение в атмосферу протонов релятивистских энергий (E > 450 МэВ), характерных для мощных событий СКЛ типа Ground Level
Events (GLE), может привести к значительным изменениям электрических свойств атмосферы. Например, в работах [Reagan et al., 1983; Holzworth et al., 1987] сообщалось о значительном понижении величины Ez (на 90%) и об увеличении проводимости на высоте 30 км во время мощного события GLE 4 августа 1972 г. Такая реакция атмосферы не противоречит концепции "глобальной электрической цепи", согласно которой в атмосфере течет ток, определяемый разностью потенциалов между ионосферой и поверхностью Земли (~250 кВ) и проводимостью атмосферы а, которая, в свою очередь, в нижней атмосфере зависит от ионизации, вызываемой космическими лучами и эманацией радона из почвы. Генератором тока в такой "цепи" служит грозовая активность в тропической зоне [Rycroft et al., 2000]. Предположительно, что некоторые планеты Солнечной Системы (Венера, Марс, Титан) имеют сходную с Землей атмосферную электрическую систему или "глобальную электрическую цепь" [Aplin, 2006]. Проводимость также зависит от степени загрязненности атмосферы, облачности, наличия аэрозолей и, в приземном слое, от метеорологических факторов. Соотношение между этими величинами в приближении "хорошей погоды" определяется законом Ома [Чалмерс, 1974]:
JZ = ®EV
(1)
где — плотность тока.
Согласно модельным оценкам, использующим соотношение (1), только высокоэнергичные частицы (Е > 450 МэВ), проникающие до тропо-
Данные SOHO/LASCO о вспышках и выбросах корональной массы CME
Дата Т1(иТ) I Координаты T2(UT) T3(UT) T4(UT) F Д%)
15/04/2001 13:19 X14 S20 W85 13:38 14:10 19:20 951 44
18/04/2001 02:14 C2 S20 W-Limb 02:30 03:15 10:45 321 14
04/11/2001 16:03 X1 N06 W18 16:12 17:05 06/02:15 31700 3
Обозначения: момент начала вспышки — Т1, интенсивность в рентгеновском диапазоне — I, момент начала СМЕ — Т2, момент начала события СКЛ — Т3, максимум события СКЛ — Т4, интенсивность потока протонов с энергиями Е > 10 МэВ в
_2 _1 _1 _1
максимуме события (см 2 стер 1 с- 1 МэВ-1 - Р), интенсивность космических лучей в максимуме события СКЛ по данным нейтронного монитора обс. Апатиты (Ф' = 63.8°).
сферных высот и ниже, как во время событий типа GLE, могут вызвать лишь незначительные (~5%) изменения величины Ez на поверхности Земли [Reagan et al., 1983; Farrel and Desch, 2002]. Однако, существует ряд экспериментальных фактов, которые, на первый взгляд, противоречат классической концепции "глобальной электрической цепи". Например, согласно работам [Га-понов и др., 1988; Никифорова и др., 2003, 2005; Hale, 1979; Kleimenova et al., 2009] высыпания частиц с гораздо меньшими энергиями (сотни электрон-вольт) в авроральной зоне во время магни-тосферных возмущений могут привести к вариациям Ez на поверхности Земли. С другой стороны, по данным ракетных и баллонных измерений в стратосфере и нижней мезосфере обнаружено одновременное увеличение Ez и а во время двух событий GLE (16 февраля 1984 г. и 19 октября 1989 г.) [Holzworth et al., 1987; Zadorozhny et al., 1994]. Все это можно объяснить, если вспомнить, что существование больших электрических полей в стратосфере и мезосфере может быть связано с аэрозольными слоями [Hale, 1979; Holzworth et al., 1987; Zadorozhny et al., 1994]. Согласно оценкам авторов работы [Park, 1976] горизонтальные крупномасштабные электрические поля ионосферы эффективно проникают к земной поверхности, вызывая вариации Ez. Известно, что сами СКЛ, проникая в атмосферу, могут через ионизацию воздействовать на процессы нуклеации и образования аэрозолей. Например, во время события GLE 16 февраля 1984 г. по данным лидарных измерений было зафиксировано увеличение концентрации аэрозолей на 50% на высоте 20 км в ав-роральной зоне [Касаткина и др., 1999; Shumilov et al., 1993, 1996a; Kasatkina and Shumilov, 2005]. Для проверки экспериментальных значений скорость ионной нуклеации J (см-3 с-1) рассчитывалась по формуле:
J = 0(1 + (aÖ)1/2/^[H2SO4l)
-Nc
(2)
где а = 10-7 см-3 с-1 — коэффициент ионной рекомбинации; К = 10-9 см-2 с-1 - коэффициент ассоциации молекул И2804; [И2804] - концентрация молекул серной кислоты; - минимально
необходимое для устойчивости кластера количество молекул H2SO4 (Nc = 3 для высоты h < 27 км и Nc = 10 для высоты h > 27 км). При этом оказалось, что экспериментальные и теоретические величины содержания аэрозолей в атмосфере для события GLE 16 февраля 1984 г. совпадают [Kasatkina and Shumilov, 2005].
В работах [Holzworth et al., 1987; Zadorozhny et al., 1994, 1998] было показано, что увеличение величины Ez во время GLE возможно, если увеличение аэрозольной концентрации в атмосфере в процессе ионизации происходит быстрее, чем рост проводимости. Существуют также теоретические обоснования, согласно которым высыпающиеся солнечные протоны могут привести к увеличению Ez в стратосфере вблизи соответствующей широты геомагнитного обрезания, или вблизи границы между теплым и холодным атмосферным фронтом в высоких широтах [Herman and Goldberg, 1978].
Целью данной работы является исследование эффектов событий солнечных космических лучей (СКЛ), связанных с корональными выбросами массы, в атмосферном электрическом поле высоких широт.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ
В работе проанализированы вариации Ez во время трех мощных событий СКЛ, относящихся к классу GLE: 15.04.2001 г., 18.04.2001 г. и 4.11.2001 г. Измерения компоненты Ez проводились на Высокоширотном автоматизированном комплексе, установленном на Кольском полуострове (г. Апатиты, геомагнитная широта: Ф' = = 63.8°) с частотой опроса один раз в 10 с. [Шумилов и др., 2005]. Все эти события GLE сопровождались корональными выбросами массы по данным коронографа LASCO, установленного на борту солнечной гелиосферной обсерватории SOHO. В Таблице приведены сведения о вспышках и CME, приведенные на сайте NOAA [http:// www.sec.noaa.gov]. Информация о событиях GLE взята с сайта станции космических лучей в Оулу (Ф' = 61.8°) [http://cosmicrays.oulu.fi/GLE.html].
C2: 15.04.2001 14:06 EIT: 15.04.2001 14:00
Рис. 1. Фотография короны Солнца во время события CME 15.04.2001 г., полученная с помощью коронографа, установленного на ИСЗ SOHO.
На рисунке 1 приведен снимок коронального выброса 15.04.2001 г., полученный с помощью коронографа, установленного на спутнике SOHO [http://cdaw/gsfc/nasa/gov/CME_list]. Для события GLE 15.04.2001 г. были привлечены также данные измерений Ez в средних широтах (обс. Во-ейково, Ф' = 56.1°) и в полярной шапке (обс. Восток, Ф' = -89.4°) и данные ИСЗ GOES-8 об интенсивности потоков рентгеновского излучения и солнечных протонов [http://rsd.gsfc.nasa.gov/goes] (рис. 2).
На рисунке 2 приведены вариации Ez по данным трех обсерваторий: Апатиты, Восток и Воей-ково, изменения интенсивности космических лучей по данным нейтронного монитора обс. Апатиты, а также вариации рентгеновского излучения и интегральных потоков электронов и протонов по данным ИСЗ G0ES-10 для события GLE 15.04.2001 г. Видно, что изменения в Е,,-ком-поненте электрического поля в обс. Апатиты, представляющие собой иррегулярные колебания с периодом ~10 мин и максимальной амплитудой ~1000 В/м, становятся заметными примерно за 2 часа до начала GLE (14.10 UT) (рис. 2г) и примерно за 1.5 часа до всплеска рентгеновского излучения мощностью Х14 (рис. 2д). Соответствующая вспышка на Солнце произошла в области с гелиосферными координатами S20W85 в 13:19 UT [Nitta et al., 2003] (см. таблицу). Следует отметить, что за период 1976-1989 гг. наблюдалось только 16 вспышек с интенсивнос
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.