научная статья по теме НАКЛОН СПЕКТРА ВЫСОКОШИРОТНЫХ ГЕОМАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ДИАПАЗОНА 1–5 МГЦ. КОНТРОЛИРУЮЩИЕ ПАРАМЕТРЫ ВНЕ И ВНУТРИ МАГНИТОСФЕРЫ Геофизика

Текст научной статьи на тему «НАКЛОН СПЕКТРА ВЫСОКОШИРОТНЫХ ГЕОМАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ДИАПАЗОНА 1–5 МГЦ. КОНТРОЛИРУЮЩИЕ ПАРАМЕТРЫ ВНЕ И ВНУТРИ МАГНИТОСФЕРЫ»

УДК 551.510.413.7,550.385.37,523.62-726

НАКЛОН СПЕКТРА ВЫСОКОШИРОТНЫХ ГЕОМАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ДИАПАЗОНА 1-5 МГЦ. КОНТРОЛИРУЮЩИЕ ПАРАМЕТРЫ ВНЕ И ВНУТРИ МАГНИТОСФЕРЫ

© 2015 г. Н. В. Ягова

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва e-mail: nyagova@yandex.ru Поступила в редакцию 03.12. 2013 г. После доработки 18.06.2014 г.

Проанализирована зависимость наклона спектра длиннопериодных высокоширотных геомагнитных флуктуаций диапазона Pc5/Pi3 (1—5 мГц) для различных интервалов местного магнитного времени от параметров межпланетного магнитного поля и плазмы перед ударной волной и в магнито-слое. Показано, что в отличие от спектральной плотности мощности, для которой когерентные на масштабах 103 км вариации определяются зависимостью от параметров плазмы перед ударной волной, когерентные вариации спектрального наклона определяются процессами в магнитослое. Выявлена связь наклона спектра на геомагнитных широтах Ф > 73° с параметрами колебаний магнитного поля в магнитослое. Таким образом, спектральный наклон высокоширотных возмущений диапазона 1—5 мГц является отражением процессов в магнитослое, удаленных от подсолнечной точки, и не может быть предсказан только на основе анализа параметров межпланетной среды перед ударной волной.

DOI: 10.7868/S0016794015010149

1. ВВЕДЕНИЕ

Во внешней магнитосфере (X > 6) и на поверхности Земли на высоких геомагнитных широтах (Ф > 65°) широкополосные ультранизкочастотные (УНЧ) геомагнитные возмущения диапазона первых миллигерц являются доминирующим типом сигнала, который наблюдается практически непрерывно. Вместе с тем, систематическое исследование параметров высокоширотных шумов находится в начальной стадии. В работах [Уа§оуа й а1., 2002; 2004] показано, что параметры УНЧ шумов диапазона первых миллигерц на геомагнитных широтах Ф > 73° подчиняются тем же закономерностям, что и параметры узкополосных Рс5 пульсаций на тех же широтах. В работе [Сойке! а1., 2007] показано, что низкая добротность преобладающих в высоких широтах геомагнитных возмущений диапазона Рс5/Р/3 может быть связана не с диссипативными процессами, а с существенными изменениями параметров системы за время порядка периода колебаний. В настоящей работе мы используем обозначение Р3, поскольку в области геомагнитных широт Ф > 73° преобладают широкополосные возмущения, но разделения сигналов по спектральному составу не проводится.

В большей части работ, посвященных изучению пространственных и временных вариаций спектральных параметров высокоширотных Рс5/Р/3, авторы ограничиваются анализом спектральной мощности и регулярными, то есть, су-

точной и сезонной вариациями. Суточный ход и широтное распределение спектральной плотности мощности высокоширотных возмущений диапазона Pc5/Pi3 зависят от времени года [Ballatore et al., 1998] и от параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля [Engebretson et al., 1998]. В работах [Anderson et al., 1990, Takahashi and Anderson, 1992] создана статистическая модель для мощности Pc4—5 в магнитосфере на основе анализа многолетних измерений магнитного поля на маг-нитосферных спутниках. В работе [Yagova et al., 2004] на основе анализа спектральной плотности мощности и спектральной когерентности высокоширотных Pi3 показано, что области высокой когерентности существуют на региональных масштабах (до 103 км) и примерно соответствуют основным магнитосферным областям, но значимая положительная корреляция существует и между вариациями спектральной плотности мощности Pi3 для геомагнитных широт Ф > 65°, по крайней мере, на временных масштабах от нескольких дней. Когерентные на больших масштабах вариации спектральной мощности Pi3 определяются ее зависимостью от параметров плазмы и магнитного поля перед ударной волной.

Наиболее полно исследована, см. например, [Samson, 1972], зависимость спектральной мощности геомагнитных возмущений в диапазоне первых миллигерц от скорости солнечного ветра. Связь амплитуды высокоширотных Pc5/Pi3 коле-

баний с импульсными и квазипериодическими вариациями динамического давления солнечного ветра изучалась в работах [Prikryl et al., 1999; Pil-ipenko et al., 2000; Kim et al., 2002; Kepko et al., 2002] для отдельных событий, а в работе [Yagod-kina and Vorobjev, 1997] исследована генерация высокоширотных Pc 3—4 пульсаций импульсами динамического давления солнечного ветра. В работе [Yagova et al., 2007] показано, что связь между спектральной плотностью мощности высокоширотных Pi3 шумов и амплитудой колебаний магнитного поля перед ударной волной и динамического давления солнечного ветра существует не только для отдельных волновых пакетов большой амплитуды, но и как статистическая зависимость при любом уровне амплитуд. Takahashi and Ukhorskij [2008] проанализировали зависимость спектральной плотности мощности в диапазоне Pc5 на геостационарной орбите от параметров межпланетного магнитного поля и плазмы солнечного ветра перед ударной волной. В работе подтверждено существование корреляции вариаций спектральной плотности мощности Pc5 с вариациями скорости солнечного ветра и динамического давления солнечного ветра, а также с уровнем флуктуаций межпланетного магнитного поля и динамического давления солнечного ветра. В работе [Yagova et al., 2007] проведен анализ влияния коррелирующих между собой параметров межпланетной среды на мощность наземных высокоширотных Pi3 шумов. Обнаружены три группы линейно независимых параметров, измеренных в невозмущенном солнечном ветре, которые влияют на спектральную плотность мощности высокоширотных наземных Pi3:

— скорость солнечного ветра Vx;

— спектральная плотность мощности флуктуа-ций магнитного поля и динамического давления солнечного ветра Sp,

— абсолютный уровень динамического давления солнечного ветра p и связанный с ним поток надтепловых протонов в солнечном ветре.

В работе [Yagova et al., 2010] проведено исследование суточного хода и широтного распределения спектральных параметров высокоширотных Pi3. В работе показано, что при временном осреднении на интервалах порядка или больше нескольких дней существует зависимость спектрального наклона и спектральных параметров, определяющих форму спектра, от геомагнитной широты и местного магнитного времени, повторяющаяся для разных временных интервалов и различных точек на поверхности Земли. Существование регулярной составляющей в вариациях спектральных параметров высокоширотных Pi3 ставит вопрос о внемагнитосферных факторах, управляющих этими вариациями. Это могут быть как параметры невозмущенного солнечного вет-

ра, определяющие вариации спектральной плотности мощности наземных высокоширотных Pi3, так и параметры плазмы и магнитного поля в маг-нитослое, которые не могут быть полностью предсказаны по значениям параметров межпланетной среды, измеренных перед ударной волной.

Магнитослой, т.е. область между ударной волной и магнитопаузой, характеризуется высокими (порядка невозмущенных значений) амплитудами колебаний магнитного поля и плотности плазмы. МГД волны в магнитослое интенсивно исследовались в течение многих десятилетий, см. например, [Schwartz et al., 1996; Gutynska et al., 2008] и цитированную там литературу. Engebretson et al. [1991] исследовали зависимость амплитуды высокоширотных Pc3/4 пульсаций от уровня турбулентности в магнитослое и отметили рост амплитуд в условиях квазипараллельной ударной волны. В работе [Kessel et al., 2004] спектральная мощность геомагнитных возмущений диапазона Pc5 анализируется в солнечном ветре, в магнитослое и на Земле. В работе показано, что при высоких скоростях солнечного ветра мощность Pc5 изменяется согласованно всюду от невозмущенного солнечного ветра до поверхности Земли.

Вместе с тем, значения коэффициентов корреляции между вариациями спектральной плотности мощности магнитного поля в солнечном ветре и в магнитослое и анализ отдельных событий показывают, что вариации амплитуды колебаний магнитного поля в магнитослое не полностью определяются вариациями амплитуды колебаний магнитного поля в невозмущенном солнечном ветре. Hietala et al. [2012] проанализировали данные одновременных измерений параметров плазмы и магнитного поля в магнитосфере на спутнике GOES и в магнитослое на спутнике CLUSTER. В работе показано, что возбуждение пульсаций давления плазмы на геостационарной орбите может быть вызвано сверхзвуковыми потоками плазмы в магнитослое в условиях квазипараллельной ударной волны. При этих условиях для магнитослоя типичны резкие импульсы динамического давления [Shevyrev et al., 2003; Archer et al., 2012], которые могут вызывать возмущения магнитного поля внутри магнитосферы за счет колебаний положения магнитопаузы. В работе [Gutynska et al., 2008; 2009] систематически исследованы спектральные параметры УНЧ возмущений в магнитослое в широком диапазоне частот. Авторы анализируют спектральную плотность мощности, спектральный наклон и коэффициенты корреляции во временной области по двухточечным наблюдениям в разных областях магнитослоя. В работе [Gutynska et al., 2009] приведены результаты для номинального частотного диапазона от 1 до 125 мГц, но фактически выбранное авторами 30-минутное временное окно приводит к заметной ошибке вблизи нижней границы частотного интервала. Та-

ким образом, выявленные закономерности для спектрального наклона: уменьшение наклона с расстоянием до подсолнечной точки и наличие слабой зависимости от скорости солнечного ветра относятся кf > 5 мГц, а результаты, полученные для более низких частот, требуют дополнительных исследований. Из рисунка 11 работы [Gutyn-ska et al., 2009] следует, что закономерности в этом частотном диапазоне могут существенно отличаться от полученных для более высоких частот.

Таким образом, хотя возмущения диапазона первых миллигерц доминируют на высоких широтах на Земле и во внешней магнитосфере, систематического статистического исследования связи спектральных параметров геомагнитных шумов диапазона первых миллигерц в магнитосфере, магнитослое и перед ударной волной до сих пор, насколько известно автору, не проводилось.

Настоящая работа посвящена вариациям спектрального н

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