ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2015, том 55, № 4, с. 511-516
УДК 550.385
СЕЗОННЫЕ ВАРИАЦИИ СТАТИСТИЧЕСКИХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ИНДЕКСОВ ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ © 2015 г. А. А. Нусинов1, Н. М. Руднева1, Е. А. Гинзбург1, Л. А. Дремухина2
1 Институт прикладной геофизики им. акад. Е.К. Федорова, г. Москва 2Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН), г. Москва, г. Троицк e-mail: nusinov@mail.ru Поступила в редакцию 05.02.2015 г.
Проанализированы частотные распределения суточных и часовых индексов магнитной активности, а также часовых значений геоэффективных параметров солнечного ветра по сезонам года. Получено подтверждение равноденственного и летнего максимумов магнитной активности, показана их статистическая значимость. Приведены аргументы, подтверждающие "осевой" и "равноденственный" механизмы возникновения равноденственных максимумов. Высказано предположение, что летний максимум может возникать в результате существования на Солнце активных кэррингтонов-ских долгот.
DOI: 10.7868/S0016794015040100
1. ВВЕДЕНИЕ
Существование равноденственных максимумов магнитной активности замечено очень давно [Cortie, 1912; Bartels, 1932]. Среднемесячные значения индексов магнитной активности, полученные при усреднении за длительный промежуток времени, имеют более высокие значения в период равноденствий. Считалось, что повышение магнитной активности в равноденствия вызвано более частым появлением сильных магнитных бурь [Russell and McPherron, 1973; Gonzalez et al., 1994]. Однако последние статистические исследования [Echer et al., 2011] показали, что, хотя равноденственные максимумы выражены более отчетливо для сильных бурь, умеренные и слабые бури также имеют тенденцию более часто наблюдаться в сезоны равноденствия.
Равноденственные максимумы магнитной активности первоначально пытались объяснить тем, что в равноденствия широта гелиопроекции Земли максимальна, и, следовательно, солнечные потоки от активных областей с наибольшей вероятностью достигнут Земли ("осевая" гипотеза) [Cortie, 1912; Bartels, 1932]. Попытки объяснить сезонные вариации магнитной активности учетом ориентации оси геомагнитного диполя относительно плоскости эклиптики условно относят к "равноденственным" гипотезам [Mcintosh, 1959; Boller and Stolov, 1970]. B работе [Boller and Stolov, 1970] большая часть сезонной вариации объясняется сезонной зависимостью угла между направлением вектора скорости солнечного вектора и осью земного диполя. Авторы [Svalgaard et al., 2002] предлагают объяснять сезонный ход маг-
нитной активности зависимостью неустойчивости Кельвина—Гельмгольца на флангах магнитосферы от сезона года. В работе [Russell and McPherron, 1973] предложено объяснение полугодовых вариаций магнитной активности модуляцией Bz-составляющей межпланетного магнитного поля (ММП) в солнечно-магнитосфер-ной системе координат (GSM) в периоды равноденствия.
Согласно работе [Lyatsky and Tan, 2003] существует широтный эффект полугодовых вариаций магнитной активности: абсолютное значение сезонной вариации не меняется с широтой, а относительное значение достаточно резко уменьшается при возрастании широты. В авроральной зоне сезонные изменения претерпевает только AZ-ин-декс, отражающий суббуревую активность. Сезонные вариации характеристик геомагнитных суббурь и индекса магнитной активности Ар изучались также в работе [Mursula et al., 2011], в которой было отмечено, что амплитуда суббурь и индекс Ар имеют равноденственные максимумы. При этом в 22-м цикле солнечной активности преобладал весенний максимум, а в 23-м цикле — осенний. Причиной равноденственных максимумов в статье [Mursula et al., 2011] предполагается асимметрия солнечного ветра и магнитного поля в полусферах Солнца. При этом авторы полагают, что значения равноденственных максимумов завышены, и считают необходимым провести дополнительный анализ.
Таким образом, несмотря на более чем вековую историю изучения сезонного хода геомагнитной активности, абсолютной ясности в этом во-
P(Ap > X) 1.0
50
100
150
Ap-индекс
Рис. 1. Кумулятивные кривые для Ар-индекса (накопление вероятностей начинается с больших значений Ар). Штриховая линия — зима; тонкая линия — лето; толстая линия — равноденствия.
просе достичь пока не удалось. Что касается летнего максимума, то его обсуждение в литературе отсутствует, хотя в статье [Echer et al., 2011] упоминается о возможном существовании летнего максимума магнитной активности.
Целью настоящей работы было исследовать сезонный ход значений индексов магнитной активности и геоэффективных параметров солнечного ветра на основе статистического анализа, а также получить аргументы в пользу той или иной гипотезы, объясняющей этот сезонный ход. Используется большой объем данных, взятых в интернете на сайте http://omniweb.gsfc.nasa.gov/form/dx1.ht-ml. Применяются несколько отличные от использовавшихся ранее подходы к изучению сезонных вариаций магнитной активности. Основное внимание уделяется изучению характеристик сезонных распределений суточных и часовых индексов магнитной активности и часовых значений геоэффективных параметров солнечного ветра. В качестве геоэффективных параметров рассматривались значения скорости солнечного ветра V и число Вг-событий в солнечном ветре.
Вг-событием в солнечном ветре в данной работе названо зарегистрированное на космических аппаратах вблизи передней точки либрации наблюдение среднечасовых значений вг ММП > 5 нТл в течение интервала времени т > 4 ч. Понятие Вг-со-бытия в солнечном ветре было введено в связи с известным положением Gonzalez et al. [1994], согласно которому для начала развития кольцевого
тока в магнитосфере, соответствующего понижению индекса Лй, необходимо, чтобы вертикальная составляющая ММП сохраняла значение Бг < —5 нТл не менее 3 ч.
Распределения суточных значений индекса Ар получены для периода с 1932 по 2011 гг. Расчет вероятностных распределений значений трехчасовых значений ар и часовых значений Лй был проведен для временного периода длительностью 46 лет с января 1964 г. по декабрь 2009 г. Для расчета распределений Бг-событий был выбран период 1995—2009 гг. с минимальным числом пропусков наблюдений в солнечном ветре. Этот период охватывает один максимум и два минимума солнечной активности. Поскольку скорость солнечного ветра зависит от фазы цикла солнечной активности, функция распределения скорости солнечного ветра рассматривалась отдельно для периодов максимума и минимума солнечной активности в 1998—2003 гг.
2. ЧАСТОТНЫЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
Др-ИНДЕКСОВ МАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ ПО СЕЗОНАМ ГОДА
Предварительно нами были построены гистограммы Ар-индекса для двух способов разделения временного интервала по сезонам года. Первым способом сезоны определялись по месяцам: лето (май—август); зима (ноябрь, декабрь и январь, февраль); равноденствия (март, апрель, сентябрь, октябрь). При использовании второго способа равноденствие соответствовало периоду, отстоящему от дня равноденствия вперед и назад на 81 день, а промежуточные между равноденствиями периоды относились к лету и зиме. Оказалось, что гистограммы для сезонных выборок, определенных двумя способами, отличаются незначительно, а статистика распределений практически идентична. В дальнейшем мы будем пользоваться выборками сезонов по месяцам.
На рисунке 1 приведены кумулятивные кривые (эмпирические функции распределения) [Кимбл, 1982; Пугачев, 1979] Ар-индекса для трех сезонов года. В таблице ниже приведена статистика распределений индекса Ар для трех сезонов года.
Для кумулятивных кривых проверялись гипотезы о совпадении распределений в сезонах по непараметрическому критерию Н.В. Смирнова [Пугачев, 1979]:
и = [«1«2/(«1 + И2)]°'5тах|ВД - (1)
где п1 и п2 — количество наблюдений в каждой из выборок; и — соответствующие функции распределения.
Оказалось, что распределения значений Ар для равноденствия и зимы, для равноденствия и лета различаются с доверительной вероятностью
0
>0.95. Для сезонов зима—лето распределения различаются с доверительной вероятностью ~0.7. Явное различие между функциями распределения Ар для равноденствия и лета—зимы видно для значений Ар > 30 нТл, в то время как для значений Ар > 60 нТл между функциями распределения для зимы и лета это различие небольшое.
3. ЧАСТОТНЫЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТРЕХЧАСОВЫХ ИНДЕКСОВ ар И ЧАСОВЫХ ИНДЕКСОВ Лй МАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ
Для периода 1964—2009 гг. были построены гистограммы частотных распределений и кумулятивные кривые для индексов магнитной активности ар и Лй для трех сезонов года. Накопление вероятностей начинается с больших значений ар и с больших отрицательных значений Накопленные вероятности представлены на гистограммах в логарифмическом масштабе для более четкого отражения малых значений вероятностей, которые как раз и присущи самым интересным и важным событиям высокой магнитной активности. На рис. 2 и 3 представлены гистограммы значений индексов ар и лу?, а на рис. 4 — кумулятивные кривые для этих индексов.
Статистическая проверка различий распределений ар зимой и летом, зимой и в равноденствие по критерию (1) показала, что распределения отличаются с доверительной вероятностью 0.97. Из рисунков видно, что значения индексов ар > ~ 40 нТл и Лй < ~ —50 нТл более часто наблюдаются в равноденственные сезоны. Значение ар = 100 нТл в равноденствие имеет перцентильный ранг ~1 (т.е.
Статистика сезонных распределений индекса Ар
Показатель Зима Лето Равноденствие
Число значений 9680 9901 9821
Минимум 0 0 0
Максимум 280 236 280
Среднее 12.64 13.1 16.29
Медиана 9 8 11
Стандартная ошибка среднего 0.1317 0.1535 0.1884
значения ар > 100 нТл составляют 1% всех наблюдений ар), зимой и летом ранг значения ар = 100 нТл меньше (зимой на ~0.3%). Значения ар > 300 нТл имеют очень маленький перцентильный ранг (вероятность таких высоких значений равна 0.1% и менее). Для индекса Лй вероятность появления больших отрицательных значений также больше в равноденствие. Однако летом Лй-индекс имеет максимум не отрицательных, а положительных значений (см. гистограмму на рис. 3).
Это можно объяснить тем,
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.