научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ШИРОТНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАЗЕМНЫХ ГЕОМАГНИТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ И ФЛЮКТУАЦИЙ В МЕЖПЛАНЕТНОЙ СРЕДЕ МЕТОДАМИ ДИСКРЕТНОГО МАТЕМАТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА Геофизика

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ШИРОТНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАЗЕМНЫХ ГЕОМАГНИТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ И ФЛЮКТУАЦИЙ В МЕЖПЛАНЕТНОЙ СРЕДЕ МЕТОДАМИ ДИСКРЕТНОГО МАТЕМАТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА»

ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 4, с. 489-495

УДК 550.385.37

ИССЛЕДОВАНИЕ ШИРОТНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАЗЕМНЫХ ГЕОМАГНИТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ И ФЛЮКТУАЦИЙ В МЕЖПЛАНЕТНОЙ СРЕДЕ МЕТОДАМИ ДИСКРЕТНОГО МАТЕМАТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

© 2014 г. Н. Р. Зелинский, Н. Г. Клейменова, Л. М. Малышева

ИФЗ РАН, г. Москва, Россия e-mail: kleimen@ifz.ru Поступила в редакцию 10.02.2014 г.

Выполнен анализ наземных геомагнитных пульсаций диапазона Рс5 (2—7 мГц), вызванных прохождением плотных транзиентов в солнечном ветре (возмущений в плотности). Показано, что даже во время самого магнито-спокойного года последних десятилетий (2009 г.) возможно появление интенсивных всплесков в плотности солнечного ветра до Np ~ 30—50 см3 и ее флюктуаций. Приведен анализ двух таких событий, выполненный с помощью одного из новых методов дискретного математического анализа (ДМА), а именно, вычисления функционала энергии фрагмента временного ряда, что в терминах ДМА называется "выпрямлением аномалий". Установлено, что флюктуации в динамическом давлении (плотности) солнечного ветра (СВ) вызывают возбуждение в дневном секторе магнитосфере Земли геомагнитных пульсаций диапазона Рс5 в глобальном по широте масштабе, т.е. от полярных до экваториальных широт. На земной поверхности такие пульсации начинались внезапно и одновременно на всех широтах и также одновременно резко кончались. Флюктуации в межпланетном магнитном поле (ММП) оказались менее геоэффективными в возбуждении геомагнитных пульсаций, чем флюктуации в плотности СВ. Механизмы генерации пульсаций в разных структурных областях магнитосферы, по-видимому, были различными. Сделан вывод, что наиболее вероятным источником наземных пульсаций являются флюктуации соответствующих периодов в плотности солнечного ветра.

DOI: 10.7868/S0016794014040099

1. ВВЕДЕНИЕ

С началом эры модернизации геофизических наблюдений, т.е. замены аналоговой регистрации на цифровую, объем накопленной информации резко возрос и продолжает многократно увеличивается. Поэтому актуальным является развитие нового научного направления — геоинформатики, цель которого разработка математических методов анализа различных геофизических данных с точки зрения извлечения качественной информации, т.е. так называемое "data mining".

Новые методы геоинформатики начали широко применяться при исследовании в сейсмологии, вулканологии, в анализе магнитных аномалий и т.д., например, [Гвишиани и др., 2002, 2003, 2008, 2010; Агаян и др., 2005; Богоутдинов и др., 2007]. В приведенных выше работах развит новый формализованный математический подход к моделированию при обработке геофизических данных, использующий дискретные аналоги фундаментальных понятий математического анализа таких, как предел, непрерывность, гладкость, связность и монотонность, экстремум, перегиб, выпуклость и поэтому названный методом "дискретного математического анализа" (ДМА). Исходной информацией при этом являются наблюдаемые временные ряды геофизических данных. Первые попытки использования некоторых из этих методов для исследования геомагнитных

пульсаций приведены в работах [Клейменова и др., 2012; Зелинский и др., 2014].

Целью данной работы является применение методов дискретного математического анализа для исследования пространственного (широтного) распределения на земной поверхности геомагнитных пульсаций диапазона Рс5 f = 2—7 мГц), вызванных неоднородностями в солнечном ветре, в частности, прохождением через орбиту Земли транзиентов плотности солнечного ветра. Плотные транзиенты, являясь источником резкого возрастания динамического давления, приводят не только к изменению размеров магнитосферы, но и к генерации в ней разного типа волн, в том числе и в диапазоне частот первых мГц ( ULF пульсации с периодами в несколько минут). Наиболее часто это наблюдается во время возросшей геомагнитной активности. Связь наземных геомагнитных пульсаций Рс5 с возмущениями динамического давления солнечного ветра неоднократно обсуждалась в литературе, например, [Rostoker and Sullivan, 1987; Sibeck et al., 1989; Matsuoka et al., 1995; Клейменова и др., 2000; Kepko et al., 2002; Takahasi and Ukhorskiy, 2007; Han et al., 2007; Kessel, 2008; Liu et al., 2010; Takahasi et al., 2012].

Анализ данных базы спутниковой информации OMNI показал, что большие скачки в плотности солнечного ветра (Np) нередко регистрируются и в годы минимума солнечной активности.

Так, во время последнего минимума солнечной активности, в 2006—2009 гг. на фоне небольшой скорости солнечного ветра (~300—350 км/с) нами было выделено более 15 случаев появления всплесков Np со скачком плотности ~40—80 см-3, сопровождающихся ее большими флюктуациями. Даже во время самого магнитоспокойного года последних десятилетий (2009 г.) было обнаружено, по крайней мере, пять таких событий. Ниже приведены результаты исследования широтного распределения геомагнитных пульсаций в диапазоне Рс5 f = 2-7 мГц) во время подхода к магнитосфере резкого градиента плотности солнечного ветра, т.е. его динамического давления. Для анализа выбрано два события (28 мая и 4 октября 2009) с наименьшими пропусками данных в спутниковой базе OMNI. Анализировались дневные часы местного магнитного времени для скандинавского меридиана (геомагнитный полдень около 09 UT), поскольку именно в это местное время наблюдается наилучшая корреляция геомагнитных пульсаций диапазона Рс5 с вариациями динамического давления солнечного ветра [Takahasi et al., 2012].

2. МЕТОДЫ АНАЛИЗА

На первом шаге обработки наблюдений выполнялась фильтрация данных в полосе 2-7 мГц при помощи полосового фильтра Баттерворта с нулевым фазовым сдвигом [Канасевич, 1985], амплитудно-частотная характеристика которого максимально гладкая на частотах полосы пропускания. Использовался фильтр 6-го порядка с крутизною затухания 36 дБ на октаву.

Для последующего исследования геомагнитных пульсаций в данной работе нами использовался выпрямляющий функционал "энергия фрагмента обзора" ДМА [Агаян и др., 2005], вычисляемый по формуле:

k + A/h

E (Ay) = £ (yf - yk)2

где Ук

j = к - h/h

к + h/h

h

2 A + h £ yj'

j = к - h / h

Здесь А — фрагмент локального обзора (т.е. временное окно) h — шаг дискретизации, у — исходный временной ряд [Гвишиани и др., 2003; Агаян и др., 2005]. Использование этого выпрямления позволяет выделить участки исходного временного ряда, аномальные в некоторой окрестности заданной точки, т.е. выпрямление "энергия" несет в себе информацию относительно амплитуды сигнала относительно соседних точек временного ряда и не соответствует абсолютной амплитуде сигнала. Тем самым, такое построение позволяет выделить наиболее изменчивые участки временного ряда. Параметром, регулирующим "чувствительность" выпрямления, является ширина временного окна, в котором оно вычисляется. Нами использовалось окно, равное

5% от длины ряда (т.е. 21 мин для случая 28.05.2009 и 18 мин для случая 04.10.2009).

3. РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА

Рассмотрим сначала условия в межпланетной среде во время анализируемых событий (рис. 1). В обоих случаях в солнечном ветре отмечалось прохождение плотных транзиентов с Np ~ 40—50 см-3 на фоне низкой (~350 км/с) скорости. В компонентах ММП регистрировались знакопеременные вариации. На рисунке 2 показаны магнитограммы некоторых станций скандинавского профиля IMAGE. За интервалы времени обоих событий были исследованы также наземные геомагнитные наблюдения в средних широтах скандинавского меридиана на двух обсерваториях ИНТЕРМАГНЕТс геомагнитными широтами: обс. Борок (BOX, 54.6°) и Львов (LVV, 45.3°). Кроме того был выполнен анализ данных наблюдений с 1-секундной регистрацией на 4-х экваториальных обсерваториях ИНТЕРМАГНЕТ, расположенных на разных долготах, мировое время (UT) геомагнитного полдня которых приведено ниже в скобках после кода обсерватории: AAE (09 UT), MBO (13 UT), PPT (21 UT) и PHU (05 UT).

После предварительной фильтрации в полосе 2-7 мГц данные наземных наблюдений и регистрации вариаций параметров солнечного ветра (СВ) и компонент межпланетного магнитного поля (ММП) были проанализированы с помощью метода ДМА "выпрямление — энергия" (рис. 3). Поскольку в обоих случаях скорость солнечного ветра почти не изменялась, вариации его динамического давления определялись только вариациями плотности. Рассмотрим результаты каждого из событий отдельно. На земной поверхности выделено 4 широтных зоны: полярная, авроральная, среднеширотная и экваториальная.

Событие 28.05.2009 г. На рисунке 1а видно, что около 05:20 UT к магнитосфере Земли подошел плотный транзиент солнечного ветра, характеризующийся резким всплеском в плотности (до ~20 см-3) и скорости СВ, что вызвало большое возрастание динамического давления СВ до 6 нПа. В этот момент видны и небольшие, но резкие изменения в ММП. Затем около 07:20 и 09:10 UT наблюдались скачки в плотности СВ до ~30—40 см-3. На земной поверхности на профиле IMAGE (рис. 2а) наибольшие геомагнитные возмущения отмечались в полярных широтах (LYR, HOR).

Результаты анализа данных наблюдений колебания в диапазоне Рс5 методом ДМА ("выпрямление-энергия") для этого события показаны на рис. 3а. В межпланетной среде (верхние графики) в интервале 05-11 UT четко выделялось три всплеска "энергии" (волновых пакетов в ~05:00-05:30 UT 07:10-08:00 UT и 09:10-09:40 UT, т.е. в предполуденном секторе MLT для скандинавского меридиана.) Первый и третий всплески отмечались в основном в динамическом давлении СВ, а

6

£ 4 $ 2

* 0

28.05.2009 OMNI

04.10.2009 OMNI

н 0 и 4:

-12 8

ч 4

I 0

-8 40

т 30 "20 ^ 10

0

4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 -440

0 -400

5 -360

1 -320

6 -280 -240

0

8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 -380

^ о -370 ^ -360 1 -350 £ -340 -330

UT

UT

Рис. 1. Вариации параметров солнечного ветра и ММП (1-мин данные OMNI, приведенные к магнитопаузе): а — 28 мая 2009 г., б - 04 октября 2009 г.

второй всплеск — в ^-компоненте ММП (рис. 3а). Заметим, что первый всплеск наблюдался при Bz ММП около нуля, а последующие всплески — при Bz ММП < 0.

На земной поверхности в дневном секторе (на долготе скандинавского меридиана) первый и последний всплес

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.

Показать целиком