научная статья по теме ПРОЯВЛЕНИЕ ОРИЕНТАЦИИ МАГНИТНЫХ ОБЛАКОВ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА В СЕЗОННОЙ ВАРИАЦИИ ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ПРОЯВЛЕНИЕ ОРИЕНТАЦИИ МАГНИТНЫХ ОБЛАКОВ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА В СЕЗОННОЙ ВАРИАЦИИ ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ»

КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, том 52, № 4, с. 286-295

УДК 550.385.4

ПРОЯВЛЕНИЕ ОРИЕНТАЦИИ МАГНИТНЫХ ОБЛАКОВ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА В СЕЗОННОЙ ВАРИАЦИИ ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ © 2014 г. Н. А. Бархатов2, Е. А. Ревунова1 2, А. Б. Виноградов1

Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет (ННГАСУ), г. Нижний Новгород 2Нижегородский государственный педагогический университет (НГПУ), г. Нижний Новгород

nbarkhatov@inbox.ru Поступила в редакцию 18.12.2012 г.

Работа посвящена анализу причин сезонной зависимости геомагнитной активности с учетом ориентации крупномасштабных плазменных структур солнечного ветра, типа магнитных облаков. Обращено внимание на вклад магнитных облаков разной ориентации в периоды равноденствия и солнцестояния. Установлено, что в периоды равноденствия геомагнитная активность увеличивается за счет выбросов с небольшими углами наклона оси к плоскости эклиптики, наиболее часто регистрируемых в околоземном пространстве. В периоды солнцестояния такие облака являются не геоэффективными структурами, вследствие уменьшения значения проекции магнитного поля оси облака на магнитный диполь Земли в такие интервалы, что отражается в снижении уровня геомагнитной активности летом и зимой.

Б01: 10.7868/80023420614040025

1. ВВЕДЕНИЕ

Длительное наблюдение геомагнитной активности показало существование ее полугодовых вариаций, которые проявляются весной и осенью в виде максимумов в долгосрочных средних значениях различных индексов геомагнитной активности [1]. В настоящее время для объяснения сезонных вариаций геомагнитной активности предложено и проверено несколько гипотез. Гипотезы можно разделить на две основные группы: осевая гипотеза, в которой основную роль играет гелиографическая широта Земли, и гипотеза равноденствия, согласно которой геомагнитная активность увеличивается, когда угол между земным диполем и потоком солнечного ветра составляет 90°. К сожалению, эффекты, отвечающие обеим гипотезам, дополняют друг друга в равноденствие. Это не позволяет сделать однозначный вывод о реальной причине полугодовых вариаций геомагнитной активности.

Осевая гипотеза полугодовой вариации геомагнитной активности связана с изменением ге-лиопроекции Земли на солнечный диск в течение года [1, 2]. Вследствие изменения наклона оси вращения Солнца к линии Солнце—Земля на ~7° весной и осенью угловое расстояние от солнечного экватора и проекция Земли максимальны, и Земля более тесно связана с зонами активных областей (солнечными пятнами), которые группируются в "королевских" зонах от 10 до 30 градусов северной и южной гелиографических широт (рис. 1). Таким образом, в периоды равноденствий, когда

широта гелиопроекции Земли максимальна, существует наибольшая вероятность столкновения Земли с солнечными потоками из активных областей.

В гипотезе равноденствия можно выделить две основные модели — неустойчивость Кельвина-Гельмгольца (модель Боллера-Столова, Boller-Stolov model) и эффект Рассела-Макферрона [3, 4]. Как было показано в работе [3] неустойчивость Кельвина-Гельмгольца возникает на флангах магнитосферы, ее интенсивность зависит от суточных и годовых изменений угла между диполем Земли и солнечным ветром. При этом максимум волновой нестабильности приходится на периоды равноденствия (когда земной диполь перпендикулярен потоку солнечного ветра), а минимум — на периоды солнцестояния. Предполагается, что нестабильность Кельвина-Гельмгольца, наблюдаемая на магнитопаузе, инициирует геомагнитные возмущения, которые определяются как полугодовые изменения геомагнитной активности.

Хорошо известно объяснение сезонной вариации геомагнитной активности в рамках теории равноденствия предложенное Расселом и Мак-ферроном в работе [4]. Согласно ему, межпланетное магнитное поле (ММП) образуется в солнечно-экваториальной (GSEQ) системе координат. В свою очередь взаимодействие южной компоненты ММП с магнитосферой происходит в солнеч-но-магнитосферной системе координат (GSM). Эти системы координат имеют общую ось X, которая указывает на Солнце, а оси Y и Z отличают-

Декабрь Июнь Март Сентябрь

Рис. 1. Изменение широты гелиопроекции Земли на диск Солнца в зависимости от сезона.

ся вращением вокруг оси X. Поскольку все системы имеют общую ось X, то Вх компонента ММП будет одинакова в каждой системе, а значения компоненты Ву и В1 будут меняться при переходе из одной системы координат в другую. Таким образом, данная гипотеза объясняет полугодовое изменение геомагнитной активности, как увеличение южной компоненты ММП в связи с ее изменением в солнечно-магнитосферной системе координат по отношению к солнечно-экваториальной системе. Данное явление было названо эффектом Рассела-Макферрона. Гипотеза, предложенная Расселом и Макферроном, не исключает осевую модель, поскольку солнечно-экваториальная система зависит от гелиографической широты Земли [4].

Все предложенные гипотезы сезонной зависимости геомагнитной активности учитывают только взаимную ориентацию Солнца, солнечного потока и диполя Земли, не затрагивая внутреннюю структуру потоков и их характеристики. Вместе с тем, форма и структура возникающего плазменного потока определяется типом солнечного источника, а его действие на земную магнитосферу зависит еще и от взаимного расположения солнечного источника и Земли. Такие геоэффективные структуры как магнитные облака, в отличие от других плазменных потоков, обладают выраженной ориентацией в пространстве, определяемой магнитными силовыми линиями группы солнечных пятен, которые в свою очередь имеют наиболее предпочтительные расположения. Именно поэтому они могут становиться источниками магнитных бурь различной интенсивности в периоды равноденствия и солнцестояния.

Магнитные облака представляют собой подкласс корональных выбросов массы (КВМ). Их главной особенностью является наличие характерной внутренней структуры, высокое значение магнитного поля и монотонное вращение его вектора. В связи со всеми этим обстоятельствами магнитные облака являются одними из самых геоэффективных структур солнечного ветра [5, 6]. Численное моделирование конфигурации (ори-

ентация и расположение в плоскости эклиптики) магнитных облаков выполняемое в работе [7] на основе бессиловой цилиндрической модели, описывает распределение магнитного поля в них с помощью шести параметров: значение вектора магнитного поля на оси Во (нТл), радиус облака Я (ЯЕ, радиус Земли), прицельный параметр Ь (ЯЕ) — расстояние от оси облака до линии Солнце-Земля, спиральность Н, показывающая направление вращения вектора магнитного поля в облаке, и два угла, определяющие ориентацию облака в пространстве: угол наклона оси облака к плоскости эклиптики (е) и угол между осью Х в солнечно-эклиптической системе координат и проекцией оси на плоскость эклиптики (в). Поскольку наиболее сильное магнитное поле регистрируется на оси магнитных облаков, то больший вклад в их геоэффективность вносит угол е [8].

В работе предлагается модель сезонной зависимости геомагнитной активности, учитывающей ориентацию магнитных облаков солнечного ветра относительно плоскости эклиптики. Действительно, солнечными источниками магнитных облаков являются группы пятен, расположенные в основном в зонах "королевских" широт. Поэтому в связи с изменением наклона оси вращения Солнца к линии Солнце—Земля, и как следствие, изменением гелиопроекции Земли на солнечный диск, частота появления выбросов в окрестности Земли должна увеличиваться в периоды равноденствия. Согласно нашей гипотезе, проверяемой ниже, ориентация магнитных облаков в пространстве должна отражаться в их геоэффективности вследствие изменения значения проекции осевого магнитного поля облака на земной диполь в периоды равноденствия и солнцестояния.

2. УСТАНОВЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ОРИЕНТАЦИИ ОСИ ВРАЩЕНИЯ СОЛНЦА НА ГЕОМАГНИТНУЮ АКТИВНОСТЬ

Исследование влияния ориентации оси вращения Солнца на геомагнитную активность про-

S 10

В

а

х

3 8 я

IS

g 6

m

о . о 4

í-ч

о

4 о

и

р 2

0

Li

П

11

h ^ 0\ 1Л н

^ m CN <"N <"N

m

CN CN m

2 4

Широта солнечного источника, град Рис. 2. Распределение широт источников геоэффективных КВМ за полный 23 цикл солнечной активности.

водилось для геоэффективных КВМ (Dsl < —10 нТл), зарегистрированных в течение 23 солнечного цикла, по материалам следующих каталогов солнечных вспышек, КВМ за полный 23 солнечный цикл (1996—2006 гг.) и по данным о глобальной геомагнитной активности на основе D^-индекса: Virtual Solar Observatory (http://vso.nso. edu/cgi/catalogui); Wind/WAVES type II bursts and CM Es (http ://c daw.gsfc. nasa.gov/CME_list/radio/ waves_type2.html); Каталог На вспышек (ftp://ftp. ngdc.noaa.gov/STP/SOLAR_DATA/); LASCO Coronal Mass Ejections Lists (http://lasco-www.nrl.na-vy.mil/index.php?p=content/cmelist); CACTUS, A software package for 'Computer Aided CME Tracking' (http://sidc.oma.be/cactus/).

Статистический анализ возникновения отобранных КВМ подтвердил известное распределение широтных координат источников солнечной активности имеющее два симметричных максимума в зонах королевских широт ±10°—30° (рис. 2).

В качестве количественной характеристики распределения координат источников КВМ по полушариям рассчитано соотношение количества изучаемых событий в процентах. Кроме того, для каждого из рассмотренных распределений были оценены значения математического ожидания широты источника (M) и дисперсия их распределения (D).

да да

M = £ PkXk, D = £ pk(xk - M)2, k=1 k=1 где к — число КВМ со значением широты источника xk, рк — вероятность появления источника с широтой xk. Симметрия полного распределения

широт солнечных источников геоэффективных КВМ (рис. 2) демонстрируется значениями вычисленных количественных характеристик (отличие между числом событий в полушариях равно 10%, 45% событий зарегистрированы в южном полушарии, М = 17, Б = 60 и 55% в северном, М = 19, Б = 77).

Как отмечалось во Введение, изменение угла наклона оси вращения Солнца относительно линии Солнце—Земля приводит к изменению широты гелиопроекции Земли и в периоды осеннего/весеннего равноденствия она проецируется в области "к

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

Пoхожие научные работыпо теме «Космические исследования»