УДК 550.385.4
СВЯЗЬ ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ С ОРИЕНТАЦИЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА ОТНОСИТЕЛЬНО ЗЕМНОГО МАГНИТНОГО МОМЕНТА
© 2008 г. Н. А. Бархатов12, Л. И. Громова3, А. Е. Левитин3, С.Е. Ревунов2
Научно-исследовательский радиофизический институт (НИРФИ), Нижний Новгород 2Нижегородский государственный педагогический университет, Нижний Новгород 3Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН), Троицк (Московская обл.) Поступила в редакцию 08.10.2007 г. После доработки 21.05.2008 г.
Проведена оценка связи Кр индекса геомагнитной активности с электрическим полем солнечного ветра Eсв и с проекцией этого поля на геомагнитный диполь. Анализ показал, что основным геоэффективным параметром, как это уже неоднократно отмечено многими исследователями, является южная (Бг < 0) компонента вектора межпланетного магнитного поля. Ее присутствие в любых комбинациях параметров межпланетной среды обеспечивает наличие, выделяемой авторами различных исследований, значительного уровня корреляции таких комбинаций с геомагнитной активностью. Именно эта компонента поля играет главную роль и в наличии связи Кр-индекса с взаимной ориентацией Есв и магнитного момента Земли.
PACS: 96.60.Vg
1. ВВЕДЕНИЕ
Связь геомагнитной активности с параметрами межпланетной среды была обнаружена, как только спутниковые измерения в солнечном ветре стали достоянием магнитологов [Яновский, 1978; Нишида, 1980]. За прошедшие годы было выполнено большое количество анализов связи различных индексов геомагнитной активности с параметрами солнечного ветра и межпланетного магнитного поля (ММП). Одновременно исследователи старались определить физические процессы, стоящие за найденными корреляционными связями, указывающими на первостепенную зависимость геомагнитных возмущений от южной (Bz < 0) вертикальной компоненты вектора B(Bx, By, Bz) ММП.
Индекс геомагнитной активности Кр был введен с целью контроля планетарных геомагнитных возмущений, то есть таких, которые фиксируются одновременно всей мировой сетью магнитных обсерваторий. Анализ распределений этого индекса по месяцам года, выявил статистическую закономерность появления их максимумов в периоды весеннего (март-апрель) и осеннего (сентябрь-октябрь) равноденствия. Такое распределение геомагнитной активности, которая характеризуется Кр индексом, было объяснено в статье [Rassell and McPherron, 1973] как результат зависимости геоэффективности взаимодействия межпланетной среды с магнитным полем магнитосферы от пространственного положения планеты в околосолнечном пространстве. Солнечный ве-
тер на уровне Солнца возникает в результате процессов, которые наилучшим образом описываются в солнечно-эклиптической системе координат (БЕ). С другой стороны, солнечный ветер воздействует на магнитосферу Земли и вызывает электромагнитные процессы, которые наиболее естественно описывать в системах координат, связанных с геомагнитным диполем, например, в солнечно-магнитосферной (SM) или солнечно-магнитной (SMAG). Расчет компонент вектора ММП В, за годичный период их наблюдений, во всех указанных системах координат, показывает следующее. Отрицательные значения Б1 будут характеризоваться в системах SM и SMAG большими по абсолютной амплитуде отрицательными значениями Б1, чем в системах координат БЕ, особенно в сезоны весеннего и осеннего равноденствия. То есть, положение магнитного диполя, определяющего конструкцию систем SM и SMAG в околосолнечном пространстве, влияет на уровень поступления в магнитосферу электромагнитной энергии, контролируемый Б1 < 0 компонентой вектора ММП. Общая электромагнитная обстановка в околоземном пространстве зависит от этого уровня.
Здесь мы считаем нужным обратить внимание на то, что количественная оценка геомагнитной активности зависит от того, что понимается под этой активностью. Создатели индексов такой активности, определяли ее, как степень возмущен-ности магнитного поля. При этом полагалось, что если это поле за какой-либо промежуток времени
остается неизменным, то магнитная активность за это время считается равной нулю. Если же происходят сильные изменения магнитного поля, то магнитная активность достигает большой величины: магнитная активность тем больше, чем больше амплитуда колебаний компонент вектора магнитного поля Земли, а также чем больше происходит колебаний в единицу времени. Во избежание субъективности в оценках состояния магнитного поля, было принято решение конкретного представления магнитной активности объективными числами, получившими название индексов геомагнитной активности [Яновский, 1978].
Индексы вводились с учетом экспериментального факта, что интенсивность геомагнитных вариаций зависит от широты точки наблюдения. Соответственно, вводимые индексы были разделены на три группы. Первая — индексы, которые информируют о локальной по территории геомагнитной возмущенности. Это, в первую очередь, ^-индек-сы, которые описывают возмущенность поля на конкретной обсерватории. Вторая — индексы, которые должны характеризовать геомагнитную воз-мущенность, носящую планетарный характер. Это, в первую очередь, планетарный ^-индекс, который определяется по данным обсерваторий, расположенных в субавроральной зоне. Считалось, что, так как эти обсерватории удалены от локального токового источника, расположенного в авроральной зоне, то и возмущение, которое ими регистрируется, наилучшим образом характеризует именно токовый источник, стоящий за мировыми событиями, которыми являются магнитные бури. Третья группа индексов — это индексы, которые должны характеризовать интенсивность магнитной возмущенности от вполне конкретного источника. Это АЕ-, Аи- АХ-индек-сы, которые должны давать количественную оценку интенсивности токовых систем в области аврорального овала, Лй-индекс, который должен характеризовать интенсивность кольцевого тока и РС-индекс, который должен характеризовать электрическое поле в полярной шапке (разность потенциалов через полярную шапку).
Все эти, достаточно условные индексы, введенные с целью предварительного количественного контроля состояния геомагнитного поля и дальнейшего совершенствования количественного представления о временной динамике амплитуд геомагнитных вариаций, получили широкое распространение. Оставаясь неизменными в течение десятилетий, они стали многими восприниматься как истинная количественная информация о поведении геомагнитной активности. Произошла определенная подмена понятий. Самое главное — вместо представления о динамике геомагнитной активности, как динамике суммарной энергии, содержащейся в геомагнитных вариациях, распределенных по всей поверхности
планеты, стало использоваться представление об этой динамике на основе временного годового хода индекса Kp. Здесь сыграло свою роль название индекса — планетарный, которым он действительно частично является, но современные знания о развитии магнитосферных возмущений выявили отрицательные стороны использования его, как корректного носителя количественной информации о глобальной геомагнитной активности.
Оказалось, что в период магнитных бурь этот индекс часто работает, как показатель не планетарной, а локальной активности, потому что в периоды таких возмущений происходит расширение зоны полярных сияний и сползание авро-ральных электроструй к югу. В это время Kp-индекс, по сути, выполняет функцию индексов интенсивности авроральных электроструй AE (AU,, AL), которые в главную фазу бури начинают давать о них искаженную информацию, так как обсерватории AE-индекса оказываются вне того пространства, куда смещаются максимумы амплитуд авроральных токов. Соответственно, описание геомагнитной активности в течение года на основе индекса Kp отражает помесячное распределение числа магнитных бурь, а не реальное распределение интегральной геомагнитной активности по всей поверхности планеты. И хотя главные фазы магнитных бурь занимают всего ~5% времени года, но именно их значительный вклад в суммарную годовую геомагнитную активность, определяемую по этому индексу, выводит на первое место активность в марте-апреле и сентябре-октябре. Именно в эти сезоны года число магнитных бурь чаще всего превосходит их число в другие сезоны года (статистическая закономерность, которая в отдельные годы может нарушаться). Если же анализировать годовое распределение геомагнитной активности на основе, например, индексов AE (AU, AL) интенсивности авроральных электроструй, то пиковые уровни такой активности приходятся совсем на другие месяцы года, что связано с динамикой проводимости ионосферы [Lyatsky and Tan, 2003].
Кроме объяснения годового хода геомагнитной активности, которая характеризуется ^-индексом, предложенного авторами [Rassell and McPherron, 1973], существует представление о непосредственной связи этой активности с взаимной ориентацией векторов электрического поля солнечного ветра E и вектора геомагнитного момента M ([Кузнецова и др., 2006] и ссылки в ней). Однако, так как электрическое поле E = —[VB] содержит в себе Bz компоненту вектора ММП, то всегда остается подозрение, что связь индекса Kp с углом а между векторами М и Е просто связана с тем, что cos а = [EM]/|E||M| есть функция Bz ММП в солнечно-магнитосферной системе координат.
СВЯЗЬ ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ
747
То есть, наличие такой связи есть просто следствие идеи Рассела и МакФеррона.
В данной работе для проверки такого заключения нами исследована связь Кр-индекса с проекциями вектора электрического поля солнечного ветра Есв на геомагнитный диполь: Ецсв — проекция вдоль диполя и Е1св — проекция перпендикулярная к диполю. При этом мы пытаемся оценить, какая часть такой связи определяется южной компонентой вектора ММП, а какая углом а.
2. АНАЛИЗ СВЯЗИ Кр-ИНДЕКСА С ЮЖНОЙ КОМПОНЕНТОЙ ВЕКТОРА
ММП И С ВЗАИМНОЙ ОРИЕНТАЦИЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА И МАГНИТНОГО МОМЕНТА ЗЕМЛИ
На ранней стадии анализа связи геомагнитной активности с параметрами межпланетной среды, индексы этой активности представляли в форме корреляционных уравнений, куда входили различные сочетания параметров солнечного ветра и 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.