ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2011, том 51, № 3, с. 397-404
УДК 523.745;550.386
ВАРИАЦИИ ПРИЗЕМНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ВЫСОКИХ ШИРОТАХ И РАЗНОСТИ ПОТЕНЦИАЛОВ ПОПЕРЕК ПОЛЯРНОЙ ШАПКИ ВО ВРЕМЯ УТРЕННИХ ПОЛЯРНЫХ СУББУРЬ
© 2011 г. Н. Г. Клейменова1, О. В. Козырева1, М. Кубицки2, С. Михновски2
Учреждение РАН Институт физики Земли, Москва 2Институт геофизики Польской Академии Наук, Варшава e-mail: kleimen@ifz.ru Поступила в редакцию 12.11.2010 г.
Выполнены исследования временных вариаций приземного атмосферного электрического поля (Ez) на геомагнитной широте 74° (обс. Хорзунд) во время полярных суббурь. Проведено сопоставление вариаций Ez с вариациями разности потенциалов поперек полярной шапки (Up) по данным наблюдений на радарах SuperDARN. Установлено, что в утреннем секторе временные вариации Ez в значительной мере контролируются временными вариациями электроджета и практически не зависят от временных вариаций Up. Можно предположить, что это является результатом проникновения электрического поля электроджета на тропосферные высоты.
1. ВВЕДЕНИЕ
К настоящему времени надежно установлено влияние магнитосферных суббурь на вариации атмосферного электрического поля (Ez) в аврораль-ных и полярных широтах [Olson, 1971; Бандилет идр., 1985, 1986; Апсен и др., 1988; Michnowski et al., 1991; Belova et al., 2001; Никифорова и др., 2003; Kleimenova et al., 2006; Kozyreva et al., 2007; Клейменова и др., 2010]. Особенно четко эти эффекты наблюдались в авроральной зоне, где развитие магнитосферных суббурь сопровождалось таким же бухтообразным уменьшением Ez (отрицательные градиенты). В более высоких широтах в подготовительную фазу суббури отмечалось возрастание Ez (положительные градиенты) [Бандилет и др., 1985], которое с началом фазы развития суббури иногда сменялось уменьшением Ez, т.е. отрицательными градиентами [Michnowski et al., 1991]. В работе [Клейменова и др. 2010] показано, что в обс. Хорзунд на геомагнитной широте 74° в вариациях Ez, связанных с суббурями, в утреннем секторе наблюдались положительные градиенты Ez, а в вечернем — отрицательные (уменьшение амплитуды Ez).
В то же время многими авторами отмечалось, что на вариации атмосферного электрического поля в полярных широтах значительное влияние оказывают электрические поля ионосферной конвекции, т.е. изменения разности потенциалов поперек полярной шапки, [Angelo et al., 1982; Жданов и др., 1984; Апсен и др., 1988; Tinsley et al., 1998; Corney etal., 2003; Круглов и Франк-Каменецкий, 2010]. Кроме того, высокоширотные вариации Ez контролируются также Bz- и ВУ-компонентами межпланетного магнитного поля (ММП) [Michnowski,
1998; Ргапк-Кашепейзку й а1., 2001], и продольными электрическими токами [Michnowski, 1998; Морозов и Трошичев, 2008].
Целью данной работы является исследование возможных эффектов влияния разности потенциалов поперек полярной шапки во время магнитосферных суббурь на приземное электрическое поле атмосферы в обс. Хорзунд (НОЯ, Ф' = 74.0°, Л = = 110.5°) на архипелаге Шпицберген. Эта обсерватория в зависимости от уровня геомагнитной активности и местного времени может проектироваться в различные магнитосферные домены. Во время сильных магнитных возмущений полярная шапка расширяется, и обс. Хорзунд оказывается в области разомкнутых силовых линий. В магнито-спокойных условиях, когда размер полярной шапки уменьшается, обс. Хорзунд может проектироваться в область экваториальной границы полярной шапки или в авроральную зону, т.е. в область замкнутых силовых линий.
2. АНАЛИЗ ДАННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ
В работе использованы данные наблюдений вариаций вертикальной компоненты атмосферного электрического поля (Е£) в польской обс. Хорзунд, полученные в условиях так называемой "хорошей погоды", т.е. в отсутствии сильного ветра, осадков и др. Наблюдения выполнялись с помощью электростатического флюксметра [КиЫсЫ, 2001]. Наиболее детально были проанализированы 12 случаев утренних суббурь в 2004—2006 гг., ранее обсуждаемые в работе [Клейменова и др., 2010] и 10 ночных суббурь. Рассмотрим эти данные подробнее. При анализе зарегистрированные в обс. Хорзунд
27.10.2005 г.
о о
£ я
0 0
2
Ez
HOR
X
HOR(74.0°)
BJN(71.3°)
SOR(67.2°)
IVA(64.8°)
0 01
02 UT
03 04
60 50 « 40 * 30 20
0
5
£ Я
0
2
VV б А/Ч
А,
1 г* Я \\
Up
Ez
HOR
X
HOR
0 01
02
03 04
UT
Рис. 1. Вариации Е1 в относительных единицах в обс. Хорзунд и магнитограммы некоторых скандинавских обсерваторий (а), справа показаны их международные коды и геомагнитная широта; вариации разности потенциалов поперек полярной шапки (Цр), Ez и Х-компоненты магнитного поля в обс. Хорзунд 27 октября 2005 г. (б).
1-минутные значения осреднялись с использованием 10 мин скользящего окна для устранения мелкомасштабных флюктуаций с периодами меньше 10 мин. Кривая Карнеги из наблюденных значений Е1 не вычиталась.
Наиболее четкие результаты были получены для утреннего сектора, в котором развитие суббури обычно сопровождалось положительными отклонениями Ez [Клейменова и др., 2010]. В качестве
примера рассмотрим случай утренней суббури 27 октября 2005 г. (рис. 1) в умеренно возмущенных условиях с Кр = 3. Видно (рис. 1а), что в 00—02 UT на геомагнитных широтах ниже 70° (обс. SOR, IVA) наблюдалась интенсивная суббуря с наибольшей амплитудой (~300 нТл) в обс. SOR (Ф = 67.2°), где, судя по поведению Z-компоненты поля (эти данные на рисунке не приводятся), располагался центр авроральной электроструи. В обс. HOR в это время отмечались лишь незначительные геомагнитные возмущения (рис. 1а). Положительные отклонения в Ez в HOR в общих чертах были зеркально подобны временному ходу магнитной бухты а авроральных широтах.
На рис. 1б для данного интервала времени приведены вариации разности потенциалов поперек полярной шапки (Up). Значения Up были взяты с сайта [http://superdarn.jhuapl.edu], где представлены глобальные картины конвекции с 2-минутным временным разрешением, полученные по наблюдениям на системе высокоширотных радаров SuperDARN и модельным расчетам [Ruohoniemi and Baker, 1998; Shepherd and Ruohoniemi, 2000]. На рис. 1б также показаны данные регистрации Ez и вариации Х-компо-ненты магнитного поля в обс. Хорзунд в более детальном масштабе. Четко видно, что каждое из 5-ти отрицательных бухтообразных возмущений в магнитном поле в HOR сопровождалось положительными отклонениями в Ez, однако линейного соотношения между амплитудами вариаций в Ez и в Х-компоненте не отмечалось. Например, в интервале 01.20—02.00 UT незначительные возмущения в Х-компоненте магнитного поля сопровождались относительно большими отклонениями в Ez, а в интервале 02—03 UT наблюдалась обратная картина, и относительно большие магнитные возмущения сопровождались незначительными отклонениями в Ez.
Заметим, что временной ход Х-компоненты магнитного поля в HOR значительно отличался от временных вариаций в Х-компоненте магнитного поля в аворальных широтах. Таким образом, в общих чертах временные вариации в Ez были зеркально подобны геомагнитной суббуре в авроральных широтах, однако детальные изменения в Ez контролировались локальными геомагнитными возмущениями в полярных широтах. На рис. 1б также видно, что временные вариации разности потенциалов поперек полярной шапки (Up), в основном, не совпадали с вариациями атмосферного электрического поля в обс. Хорзунд. Лишь в отдельных интервалах можно выделить некоторую тенденцию к относительному подобию вариаций в Up и Ez.
На рис. 2 приведен пример положительных отклонений Ez во время развития полярной суббури в магнитоспокойных условиях 6 октября 2008 г. В авроральных широтах в это время суббурь не наблюдалось. На верхнем графике рис. 2 также показаны
вариации разности потенциалов поперек полярной шапки (ир) по данным наблюдений на радарах SuperDARN. Видно, что в общих чертах временные вариации зеркально повторяли временные вариации Х-компоненты магнитного поля в обс. Хорзунд, а временные вариации разности потенциалов полярной шапки имели совершенно иной вид.
На рис. 3а приведен еще один пример положительных отклонений в во время утренней суббури 4 сентября 2006 г. в магнитовозмущенных условиях при Кр = 5 в главную фазу небольшой магнитной бури, в максимуме которой индекс Dst был всего порядка — 40 нТл. Суббуря, начавшись в ав-роральных широтах около 03 иТ , постепенно перемещалась к северу. Возрастание в обс. Хорзунд также началось около 03 иТ, т.е. одновременно с суббурей в авроральной зоне. Перед суббурей наблюдалось значительное увеличение ир до ~90 кВ. С перемещением суббури к полюсу наблюдалось уменьшение разности потенциалов поперек полярной шапки (до ~50 кВ). Общий ход временных вариаций не совпадал ни с временными вариациями Х-компоненты магнитного поля в НОЯ, ни с вариациями потенциала полярной шапки. Более того, резкое уменьшение ир в 03.30—03.40 иТ сопровождалось значительным возрастанием Е^. Заметим, что, как следует из метеонаблюдений, резкий пик в значениях Е1 около 04.30 иТ, может быть результатом локального увеличения облачности в это время.
Похожая ситуация наблюдалась и в главную фазу другой небольшой магнитной бури 25 ноября 2004 г. (рис. 3б). Перед полярной суббурей (03.10— 03.30 иТ) значения ир возросли до ~110 кВ, а затем с началом суббури уменьшились до ~80 кВ и сопровождались значительными положительными отклонениями в Ez, в общих чертах зеркально подобными временным вариациям Х-компоненты геомагнитного поля в обс. Хорзунд. Кратковременное (04.20—04.40 иТ) появление положительных значений Bz ММП привело (с ~ 10 мин запозданием) к затуханию суббури и кратковременному уменьшению ир до ~50 кВ. В интервале 04.30— 05.10 иТ наблюдался редкий случай подобия временных вариаций Ez и ир, которые были зеркально подобны вариациям Х-компоненты магнитного поля в обс. Хорзунд.
Таким образом, анализ данных наблюдений показывает, что в обс. Хорзунд временные вариации в Ez в общих чертах, как правило, зеркально подобны авроральной геомагнитной суббуре, при этом детальные изменения в Ez чаще контролируются геомагнитными возмущениями в полярных широтах, т.е. "над головой".
Далее для каждого
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.