ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2004, том 44, № 6, с. 799-812
УДК 550.338.2
ПЛАНЕТАРНАЯ КАРТИНА ЭФФЕКТОВ КРУПНОМАСШТАБНЫХ ВГВ В ИОНОСФЕРЕ ВО ВРЕМЯ БУРИ 22 МАРТА 1979 г.
© 2004 г. А. Т. Карпачев, Г. Ф. Деминова
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН, Троицк (Московская обл.)
e-mail: karp@izmiran.rssi.ru Поступила в редакцию 03.11.2003 г. После доработки 19.04.2004 г.
Построена картина глобального отклика ионосферы на магнитную бурю 22 марта 1979 г., состоящую из двух мощных суббурь, в первые часы после начала бури. Для этого использованы данные наземного зондирования, спутника "Космос-900", а также распределение джоулева нагрева в высокоширотной ионосфере для максимумов обеих суббурь, полученное в работах [Kamide et al, 1981, Baker et al., 1985, Kamide, Baumjohan, 1985]. Получено, что локализация эффектов крупномасштабных ВГВ по мировому и местному времени определялась картиной нагрева высокоширотной атмосферы, при этом волновой фронт во время обеих суббурь охватывал практически все часы местного времени, т.е. все долготы. Одним из источников ВГВ был нагрев термосферы в области дневного каспа. На средних широтах в ночные часы для обеих суббурь доминирующим был эффект ВГВ с амплитудой подъема слоя F2 в среднем около 150 км, в дневные часы амплитуда эффекта ВГВ была значительно меньше (до 70 км) и наблюдалась суперпозиция эффектов ВГВ и электрических полей. Для средних широт построена зависимость амплитуды эффекта ВГВ в hmF2 иfoF2 от местного времени. На экваториальных широтах были четко зафиксированы эффекты электрических полей маг-нитосферного происхождения, связанные с поворотами .Bz-компоненты ММП, причем днем эффекты электрических полей доминируют над эффектами ВГВ, ночью их амплитуды сравнимы. В ночной ионосфере наблюдалась высокая степень симметрии эффектов ВГВ в северном и южном полушариях вплоть до количественного совпадения их амплитуды. В дневных условиях в американском долготном секторе наблюдалась значительная асимметрия, связанная, по-видимому, с разницей в степени нагрева высокоширотной ионосферы и в характеристиках геомагнитного поля.
1. ВВЕДЕНИЕ
Крупномасштабные внутренние гравитационные волны (ВГВ), генерируемые в области авро-рального овала всплесками восточного и западного электроджетов во время магнитосферных возмущений, исследовались неоднократно (см., например, обзор [Hocke, Schlegel, 1996] и ссылки в нем). Было показано, что крупномасштабные перемещающиеся ионосферные возмущения (ПИВ) являются ионосферным проявлением ВГВ. Были исследованы их характеристики: квазипериод и длина волны, дистанция распространения, дисперсия, амплитуда изменений высоты и концентрации слоя F2 и т.д. Выявлена их зависимость от местного времени, сезона, уровня солнечной и магнитной активности (см.: например, [Шашунь-кина и др., 1998; Шашунькина, Гончарова, 2001], также ссылки в этих работах). В то же время проведенные ранее исследования ионосферных эффектов ВГВ для конкретных суббурь обычно носили локальный характер и в лучшем случае ограничивались анализом данных той или иной меридиональной цепочки станций. Это касается и наземных, и спутниковых исследований. В настоящей статье предпринята попытка построить пла-
нетарную картину ионосферных эффектов ВГВ для магнитной бури 22 марта 1979 г. Для этого были использованы данные более чем 60 станций вертикального зондирования, т.е. практически всех станций в мире, работавших в этот период, а также спутника "Космос-900". Кроме того, привлечены опубликованные ранее результаты анализа вариаций параметров магнитосферы, ионосферы и термосферы для этой бури. Полученная планетарная картина также не является полной, тем не менее позволяет локализовать эффекты ВГВ в пространстве и во времени, изучить зависимости характеристик ПИВ от интенсивности нагрева термосферы и местного времени, разделить эффекты ВГВ и электрических полей, исследовать влияние процессов в дневном каспе и в конечном итоге уточнить картину развития суббури в ионосфере.
2. ДАННЫЕ НАБЛЮДЕНИЙ
2.1. Характеристики бури. Магнитная буря 22 марта 1979 г. относится к периоду координированных наблюдений (период CDAW 6), поэтому ее характеристики в магнитосфере хорошо известны [McPherron, Manka, 1985]. Основные из них
22 марта 1979 г.
Bz, нТл
AE, нТл
ит, ч
Рис. 1. Вариации ^-компоненты ММП, АЕ-, и Кр-индексов магнитной активности во время бури 22 марта 1979 г. Для Вг в интервале 07-18 ОТ использованы данные из работы [McPherron, Manka, 1985], вне этого интервала часовые данные.
представлены на рис. 1. Буря была довольно интенсивной (Кртах = 7-, Об^ = -81 нТл) и состояла из двух последовательных суббурь. Бурю можно считать изолированной, поскольку ей предшествовал длительный практически спокойный период. Это хорошо видно по вариациям АЕ-индекса. Буря началась с приходом к Земле высокоскоростного потока солнечного ветра, что проявилось на магнитограммах в виде внезапного импульса ЖС в 08:26 иТ, что также видно по вариациям АЕ-индекса. Резкий рост давления солнечного ве-
тра привел к интенсификации системы DCF-токов на дневной части магнитосферы, что проявилось как увеличение Dst- и ^р-индексов. Bz-компонен-та ММП в это время была строго положительной. Резкий переворот Bz к югу в 10:08 UT инициировал первую суббурю, которая длилась около 3 ч. Вторая суббуря также началась после очередного переворота Bz к югу в 13:12 UT. Она не была изолированной, поскольку началась сразу после окончания первой суббури, поэтому ее характеристики резко отличались от характеристик первой, что будет обсуждаться ниже. Кроме того, вторая суббуря была более длительной (~4 ч) и интенсивной, поскольку Bz-компонента дольше сохраняла большие отрицательные значения. Оба всплеска авроральных электроструй были резкими и интенсивными, сопровождались сильным нагревом авроральной термосферы и генерацией мощных ВГВ. Однако картины джоулева нагрева сильно различались для обеих суббурь. Они были рассчитаны по данным 107 наземных магнитометров, расположенных в северном полушарии, согласно алгоритму, разработанному группой Ка-миде [Kamide et al., 1981; Kamide, Baumjohan, 1985]. Результаты этих расчетов представлены на рис. 2 в виде полярных диаграмм для максимумов первой (11:40 UT) и второй (14:50 UT) суббурь, взятых из работ [Kamide, Baumjohan, 1985; Baker et al., 1985].
Как видно из рис. 2а, в 11:40 TU наблюдаются четыре области локального нагрева ионосферы. Первая из них расположена в околополуденном секторе в полосе геомагнитных широт ~70-80°, связана с дневным каспом и обеспечена резкой интенсификацией высыпаний частиц, конвергенцией плазмы в узкой горловине конвекции высокоширотной плазмы и джоулевым нагревом электрическими токами. Область нагрева в вечернем секторе на широтах 60-65° обусловлена восточным электроджетом. Более высокоширотная область (с максимумом на ~70°) в вечернем-околополуночном секторе и область в утреннем секторе на широтах 60-65° связаны с западным электроджетом. Как видно из рис. 2а, наиболее сильный нагрев был вызван действием той части западного электроджета, которая затекала в вечерний сектор. Западный электроджет был максимально развит, потому что первая суббуря была локализована в основном в послеполуночном секторе (02-03 LT) хвоста магнитосферы [McPherron, Man-ka 1985; Baker et al., 1985]. Несколько слабее был нагрев на широтах дневного каспа. Наконец, в областях, расположенных в полосе широт 60°-65° и
Рис. 2. Вариации высоты слоя F2 (Ah'F для ночных часов и AhmF2, рассчитанные из M3000F2, для дневных) после двух интенсивных всплесков джоулева нагрева термосферы по данным среднеширотных станций, расположенных на разных долготах (положения указаны жирными точками). Изолиниями представлены вариации джоулева нагрева, рассчитанные для моментов времени 11:40 UT и 14:50 UT [Kamide, Baumjohan, 1985; Baker et al., 1985]. Первая изолиния соответствует величине 0.006 Вт/м2, остальные следуют с таким же интервалом.
1Калиниград 100 рде БиЛд
50
Свердловск 0 100
Мл 50Н
I I Ю 1 £
12 16 20
а 11:40 ИТ
Порт Стенли
Боулдер
100 50 0
100 г Де Билд 50 0
12 16 20 Калиниград
12 16 20
2 16 20 100 50 0
Пойнт Аргуэлло
Свердловск 100 '
50
0
12 16 20
100 50
0
Магадан
Мауи
12 16 20
12 16 20
связанных с обоими электроджетами, нагрев примерно одинаковый и еще более слабый.
Для исследования глобального отклика ионосферы на эту магнитную бурю были использованы данные зондирования всех доступных в МЦД и Интернете наземных станций (свыше 60), расположенных по всему земному шару от субавро-ральных широт северного и южного полушарий до экватора. Оказалось, что на ночной стороне Земли наиболее яркими проявлениями этой бури являются сильные подъемы ^2-слоя с характерной задержкой относительно начала роста AE-ин-декса, которая растет с уменьшением широты. С учетом вариаций foF2 эти явления уверенно отождествляются как ионосферный эффект крупномасштабных ВГВ, распространяющихся от ав-роральных широт к низким. На дневной стороне вариации hmF2 и foF2 имеют более сложный характер, поэтому их интерпретация не столь очевидна и требует тщательного анализа, который будет проведен ниже.
Для демонстрации эффекта этой бури в ионосфере на рис. 2 представлены вариации высоты слоя F2 после двух интенсивных всплесков AE-ин-декса на нескольких станциях, расположенных на последовательных долготах в полосе средних широт. Исключение составляет низкоширотная станция Мауи (Maui, 20.8°Ф), поскольку на этих долготах Тихого океана (~203°E) других станций нет. Все станции расположены в северном полушарии, кроме ст. Порт Стенли (Port Stanley), так как в большом интервале долгот вблизи 300°E в северном полушарии в этот период работающих станций не было. Расположение станций по инвариантной широте и географической долготе (местному времени) показано на рис. 2 жирными точками. Для ночной ионосферы приведены значения Ah'F, т.е. отклонения высоты h'F от медианы, а для дневной ионосферы - отклонения от медианы значений hmF2, рассчитанных из параметра M3000F2. Это связано с тем, что в ночные часы при прохождении ВГВ слой F2
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.