ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2008, том 48, № 4, с. 511-519
УДК 550.385.37
ОЦЕНКА УРОВНЯ ДНЕВНОЙ ВОЛНОВОЙ ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ ВО ВРЕМЯ МАГНИТНЫХ БУРЬ С ПОМОЩЬЮ НОВОГО
¿¿/-ИНДЕКСА
© 2008 г. О. В. Козырева, Н. Г. Клейменова
Институт физики Земли РАН, г. Москва e-mail: kozyreva@ifz.ru Поступила в редакцию 28.12.2007 г.
Проведены исследования уровня волновой геомагнитной активности в утреннем и дневном секторах авроральных широт во время сильных магнитных бурь с Dstmin от — 100 до —150 нТл в 1995—2002 гг. с использованием нового CLF-индекса волновой активности, предложенного в работе [Kozyreva etal., 2007]. Обнаружено, что наибольшая интенсивность дневных пульсаций в диапазоне частот Pc5 (2—6 мГц) отмечается в главную фазу магнитной бури, а не в восстановительную, как это считалось ранее. Показано, что основной вклад в дневную волновую активность во время главной фазы магнитной бури вносят утренние геомагнитные пульсации восстановительной фазы суббурь. Появление в восстановительную фазу магнитной бури отдельных интервалов с южным направлением Bz-компоненты ММП приводит к увеличениям значений CLF-индекса.
PACS: 94.30.Ms, 94.30.Lr
1. ВВЕДЕНИЕ
Известно, что наиболее типичными утренними и дневными геомагнитными пульсациями в магнитосфере являются колебания типа Pc5 в диапазоне частот 2—6 мГц. Многочисленные наблюдения на спутниках в магнитосфере Земли также показали, что на расстояниях R > 6—8 Re геомагнитные пульсации диапазона Pc5 являются типичным дневным явлением. Как правило, эти колебания имеют продольную и поперечную компоненту поля одного порядка. Изучению морфологических характеристик и физической природы возбуждения Pc5 пульсаций посвящено огромное число публикаций.
Возбуждение пульсаций играет важную роль в процессах передачи энергии в системе солнечный ветер—магнитосфера Земли. В ряде работ, например, [Antonova, 2000; Borovsky and Funsten, 2003] показано, что эти процессы носят нестационарный и турбулентный характер. Наиболее эффективно передача энергии происходит во время магнитных бурь. Разные магнитные бури характеризуются разным уровнем волновой геомагнитной активности. Однако ни один из геомагнитных индексов, используемых в геофизике (Kp, Ap, AE, AL, Dst, SYM-H, PC), не отражает уровень волновой активности. Для оценки интенсивности волн необходим специальный индекс.
Первые попытки по созданию индекса активности геомагнитных пульсаций диапазона Pc5 были предприняты в конце прошлого века. Так, в работе [Glassmeier, 1995] в качестве такого индекса предлагалось использовать отношение энергии
пульсаций в относительно узкой полосе к энергии в широкой полосе. Этот индекс оказался полезным для изучения узкополосных квази-моно-хроматических Pc5 пульсаций. Подобный параметр, определяемый как отношение мощности пульсаций в полосе 2—10 мГц к мощности пульсаций в полосе 0.2—10 мГц, был использован в работе [Posch et al., 2003] для исследования Pc5 пульсаций во время 5-ти магнитных бурь. Это позволило авторам прийти к выводу, что начальная фаза бури характеризуется возбуждением широкополосных геомагнитных пульсаций во все интервалы местного времени, а восстановительная генерацией утренних узкополосных пульсаций, т.е. подтвердить результаты ранних работ, например, [Троицкая и др., 1965]. Однако в работе [Posch et al., 2003] анализировались наблюдения на станциях, находящихся в одном долготном секторе, что не могло полностью отражать волновую активность в глобальном масштабе.
В работе [O'Brain et al., 2001] для расчета волновой активности использовались данные наблюдений на 11 станциях сети INTERMAGNET, расположенных на L от 3.5 до 7.0. Для каждой станции вычислялся спектр Фурье вектора полного поля (учитывались все три компоненты) в двухчасовом скользящем окне в диапазоне периодов 150—600 с. Затем выбиралась станция, где наблюдалась наибольшая мощность колебаний, но при этом не учитывалось местное время станции. Это приводило к тому, что в оценку волновой активности попадали также ночные колебания этого диапазона, относящиеся к классу иррегулярных Pi3 пульсаций. Кроме того, использование полного
Рис. 1. Карта расположения обсерваторий северного полушария, используемых для вычисления ЦХГ-индекса; сплошные линии — геомагнитные координаты, штриховые — географические.
вектора поля не совсем корректно, так как Z-ком-понента поля является очень чувствительной к локальным геоэлектрическим неоднородностям.
Поскольку анализ данных наземных наблюдений на одной выбранной обсерватории или на каком-то одном меридиане не дает информации об уровне волновой активности в глобальном масштабе, в работе [Kozyreva et al., 2007] был разработан новый индекс для оценки глобальной волновой активности в дневном (03—18 MLT) секторе магнитосферы. В англоязычной литературе частотный диапазон 1—10 мГц принято называть ULF (Ultra Low Frequencies), поэтому предложенный индекс был назван ULF-индексом. В работе [Romanova et al., 2007] ULF-индекс был применен для изучения ускорения энергичных электронов в магнитосфере Земли. Целью настоящей работы является оценка уровня дневной волновой геомагнитной активности во время разных фаз сильных магнитных бурь с помощью ULF-индекса.
2. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ 6Х/-ИНДЕКСА
Для расчета наземного ЦХР-индекса используются 1-мин данные наблюдений на глобальной наземной сети магнитометров северного полушария, включающей более 60 станций (ШТЕЯМА-ОКЕТ, МАСС8, 210 ММ, Гренландия и Арктическое побережье России). На рис. 1 приведена карта расположения обсерваторий, используемых для вычисления ЦХХ-индекса. Для расчета часовых значений ЦХХ-индекса автоматически производится выбор станций для каждого часа суток в зависимости от заданного диапазона геомагнитных широт. Для этих станций сначала вычисляются спектры Фурье в одночасовом окне для двух горизонтальных компонент геомагнитного поля. В окончательном расчете глобального ЦХХ-индек-са (логарифма максимальной амплитуды колебаний в выбранный час) используются только станции, имеющие наибольший уровень сигнала, т.е. превышающий порог К*тах{ 7/}, где 7 — вычис-
ленная амплитуда горизонтальной составляющей j-станции, коэффициент K = 0.5—1.0 (при K = 1 используется только одна станция с наибольшим значением спектрального максимума в заданном диапазоне частот). Более подробно методика вычисления ULF-индекса изложена в работе [Kozyre-va et al., 2007].
Подобным образом рассчитывается ULF-индекс и для околоземного пространства. При этом используются данные геостационарных спутников GOES. А для оценки волновой активности межпланетного магнитного поля ULF-индекс вычисляется по данным спутников WIND, ACE, IMP-8 или 1-мин базе OMNI (ftp://nssdcftp.gsfc.nasa.gov/ spacecraft_data/omni/high_res_omni/monthly_1min/).
База данных часовых значений ULF-индекса находится в свободном доступе в Интернете по адресу ftp://space.augsburg.edu/MACCS/ULF_ index. Данные для каждого месяца года представлены в виде таблиц и рисунков. Значения ULF-индекса на земной поверхности, в околоземном и межпланетном пространстве дополнены данными о скорости (V) и плотности (N) солнечного ветра, Bz составляющей ММП и значением Dst-ин-декса. Кроме того, для каждого дня в специальной директории приводятся исходные магнитограммы (наземных магнитометров, геостационарного и удаленного спутника), на основе которых вычислялся ULF-индекс. К настоящему времени ULF-индекс рассчитан для периода 1991—2003 гг., но эта база продолжает расширяться и уточняться.
3. АНАЛИЗ ДНЕВНОЙ ВОЛНОВОЙ АКТИВНОСТИ
Для анализа геомагнитных пульсаций типа Рс5 в диапазоне частот 2—6 мГц волновой ULF-индекс был рассчитан для утреннего — дневного сектора (03-15 MLT) авроральных широт (Ф = 60-70°).
Сначала был определен фоновый уровень волновой турбулентности, т.е. уровень дневной ULF-активности в магнитоспокойное время. В 1995— 2001 гг. были отобраны дни, в течение которых |Dst| < 20 нТл и Kp < 2. Таких дней оказалось 605, из них 207 зимой, 253 летом и 145 в периоды равноденствия (весной и осенью). Среднее значение ULF-индекса в спокойных условиях составило 0.29 ± 18, при этом в летний период значение ULF-индекса было выше (0.32), чем зимой (0.26) и в равноденствие (0.27). По-видимому, это является результатом ионосферного влияния на уровень волновой турбулентности на земной поверхности, что отмечалось нами ранее в работе [Козырева и др., 2006].
Для исследования уровня утренней-дневной ULF-активности в разные фазы магнитной бури было выбрано 19 сильных бурь с Dst-индексом в максимуме главной фазы бури от —100 до —150 нТл и
продолжительностью от начала бури до максимума главной фазы не более одних суток. Из рассмотрения были исключены так называемые "двойные (double) бури" [Kamide et al., 1998; Tsu-rutani et al., 1999], когда главная фаза бури состоит из двух минимумов, следующих друг за другом с интервалом в несколько часов. Дальнейшее исследование проводилось методом наложения эпох. За нулевую отметку было принято мировое время минимального значения Dst-индекса в главную фазу магнитной бури. Для каждой бури анализировался временной интервал в 48 ч, т.е. сутки до и после минимума Dst. Результаты анализа показаны на рис. 2, где приведены графики часовых значений Dst-индекса (вверху) и ULF-индекса (наземного, магнитосферного и межпланетного) для всех исследуемых бурь, жирными линиями показано среднее часовое значение и среднеквадратичное отклонение (±а).
Рассмотрим особенности наземного ULF-ин-декса (рис. 2б). Четко видно, что с началом магнитной бури интенсивность дневных геомагнитных пульсаций диапазона Рс5 возрастает и значительно превышает фоновые значения. В работах [Козырева и др., 2004; Козырева и Клейменова, 2007] было показано, что в начальную фазу бури наиболее интенсивные геомагнитные пульсации в диапазоне 1—6 мГц наблюдаются в дневном секторе полярной шапки и, по-видимому, являются результатом прямого проникновения гидромагнитных волн из межпланетного пространства. Вероятно, часть таких колебаний проникает и на ав-роральные широты.
Проведенные исследования показали (рис. 2), что наибольшая дневная волновая активность 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.