ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2007, том 47, № 2, с. 167-175
УДК 550.385
ЗАВИСИМОСТЬ ГЕОМАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИИ ОТ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИИ ¿^-КОМПОНЕНТЫ
СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА
© 2007 г. |С. 3. Кершенгольц, Е. С. Баркова, И. Я. Плотников
Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю Г. Шафера
СО РАН, Якутск e-mail: barkova@ikfia.ysn.ru
Поступила в редакцию 28.12.2005 г. После доработки 10.04.2006 г.
Для двух типов событий: 1 - магнитные облака и 2 - высокоскоростные потоки, исследована зависимость зональных геомагнитных индексов (AE, Ap, Кр, Кл и Dst) от параметров солнечного ветра (Еу-компоненты электрического поля, динамического давления Рй и нерегулярности ММП сБ). В соответствии с эмпирическими соотношениями для первого типа событий установлено, что при Еу < 12 мВ/м индексы АЕ, Ар, Кр, Кл зависят прямо пропорционально от величины Еу, а при Еу > > 12 мВ/м - обратно пропорционально. В отличие от этого, Dst-индекс связан с Еу монотонной нелинейной зависимостью. Для второго типа событий характерна линейная зависимость всех геомагнитных индексов от Еу. Показано, что особенности геоэффективности магнитных облаков и высокоскоростных потоков солнечного ветра обусловлены зависимостью потенциала электрического поля поперек полярной шапки от электрического поля, динамического давления солнечного ветра и флуктуаций межпланетного магнитного поля.
PACS: 94.30.Ms; 96.50.Bh
1. ВВЕДЕНИЕ
Воздействие солнечной активности на магнитное поле Земли в значительной степени определяется истечением солнечной плазмы в межпланетное пространство. Влиянию солнечного ветра на геомагнитное поле посвящено много работ, согласно которым, основным фактором мировой бури является южнонаправленное межпланетное магнитное поле (ММП). В ставших классическими работах [Акасофу и Чепмен, 1974; Nishida, 1980], кроме того, обращено внимание на особенности спорадических и рекуррентных проявлений возмущений солнечного ветра. Замечено, что производимые ими геомагнитные бури различаются характеристиками временного хода [Burlaga and Lepping, 1977]. Вопрос о критическом параметре межпланетной среды, при изменении которого формируются разного вида геомагнитные возмущения, до сих пор остается открытым.
Для разделения факторов на сопутствующие и непосредственно производящие магнитную бурю интерес представляют корреляционные связи между геомагнитной активностью, вариациями ММП и изменениями параметров межпланетной плазмы. В работах [Akasofu, 1983; Baker et al., 1981] определены геоэффективные вклады величины B ММП, компоненты Bz (в GSM системе), скорости V, плотности N и температуры T плазмы солнечного ветра. Среди перечисленных параметров
наиболее значим вклад южнонаправленного Bz ММП, эффективность которого связывают с воздействием на магнитосферу электрического поля E = -[VB] солнечного ветра. Считается, что электрическое поле является критическим буревым [Barton et al., 1975].
Для выяснения роли межпланетного электрического поля в буревой динамике магнитосферы необходимо изучить характеристики вариаций Еу во время прохождения структур с разной внутренней организацией. Как наиболее предпочтительные объекты исследования, в данной работе рассматриваются магнитные облака (МО) и высокоскоростные потоки (ВСП).
Отметим, что впервые в работе [Burlaga et al., 1978] были описаны магнитные облака и выявлены их вклады в геомагнитную активность. В последнее время, согласно [Bothmer and Schwenn, 1998; Klein and Burlaga, 1982], структура МО определяется параметрами солнечного ветра по следующим признакам:
1. Средняя величина магнитного поля в МО более чем на 10 нТл превышает ММП окружающего солнечного ветра.
2. Низкое значение параметра ß плазмы.
3. Вектор магнитного поля поворачивается от южного направления к северному (SN) или наоборот (NS).
Приход к Земле магнитного облака, как правило, отмечается сильным геомагнитным возмущением [Wilson, 1987]. Статистические исследования [Wilson, 1990] показали высокую степень вероятности (P > 0.99) связи между МО и геомагнитными бурями. Во время прохождения МО наблюдается минимум Dst вариации и соответствующим индексом оценивается геомагнитная воз-мущенность в низкоширотной области.
С другой стороны, известно, что общее количество геомагнитных бурь лишь на ~50% обеспечено магнитными облаками [Burlaga et al., 1987]. Другую половину всех бурь производят структуры, для которых характерны высокие скорости солнечного ветра, так называемые ВСП, фрагментарно замагниченные межпланетным южнонаправленным полем [Zhang et al., 2004].
Во всех случаях при прохождениях МО и ВСП отмечаются понижения Dst-индекса и возрастания геомагнитной активности в субавроральной и авроральной зонах. По индексам возмущений Kp и AE можно оценить потерю энергии, поступающей из внешней магнитосферы в эти регионы, и c учетом этого скорректировать долю энергии солнечного ветра, вносимую в кольцевой ток или во внутреннюю магнитосферу.
Передача энергии от МО и ВСП в среднеши-ротную ионосферу обусловливает связь между суточным индексом YKp и компонентой Ey электрического поля. При учете пространственного разноса между Землей и космическим аппаратом в работе [Taradori, 1998] на примере развития бури 22-25 июля 1974 г. показано хорошее соответствие времен экстремумов Ey и Kp. Определенные по экстремальным величинам этих параметров амплитудные регрессионные зависимости имеют вид немонотонных кривых. Заметим, что качественно вид зависимости [Taradori, 1998] не соответствует насыщению функции связи. Разный характер связи, по-видимому, обусловлен особенностями геоэффективности типов крупномасштабных возмущений солнечного ветра.
В частности, в работе [Гельберг и Кершен-гольц, 2002] для магнитных облаков при условии Ey < 12 мВ/м получена прямо пропорциональная зависимость индексов Kp и высокоширотного AE от Ey, а при Ey > 12 мВ/м обратно пропорциональная. В отсутствие облаков во время магнитосфер-ных возмущений исследуемая зависимость практически линейная. В случае высокоскоростных потоков особенности связи геомагнитных индексов с Ey менее изучены. Интерес представляют как сами регрессионные зависимости, так и их сопоставление для событий МО и ВСП.
Цель данной работы - исследовать зависимость зональных геомагнитных индексов от электрического поля солнечного ветра во время
прохождения магнитных облаков и высокоскоростных потоков.
2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И ИХ АНАЛИЗ
Из каталога Кинга (CD-ROM) и работ [Klein and Burlaga, 1982; Bothmer and Schwenn, 1998; Wilson 1987; Badruddin, 1998; Fenrich and Luhmann, 1998; Burlaga et al., 1987] за период 1966-1990 г. выбраны данные 73 буревых событий, из которых 35 связаны с прохождением у орбиты Земли магнитных облаков и 38 - высокоскоростных потоков. Рассмотрены события, для которых при полном наборе экстремальных значений комплекса параметров межпланетной среды имеется не менее 5 часов регистрации отрицательных значений Bz ММП.
По среднечасовым измерениям ММП для каждого события определена максимальная южнонаправленная Bz-компонента и в соответствующий ей момент времени установлена скорость Vsw солнечного ветра. Результаты вычислений максимальных значений компоненты Ey = VswBz электрического поля сгруппированы в две выборки буревых событий (МО и ВСП). Соответствующие им интенсивности возмущений определены по бюллетеням геомагнитных данных [Geomagnetic data. 1978-1990]. Для каждого события выбраны максимальные часовые |Dst|, AE и трехчасовые Kn-, Kp-, Ap-индексы.
Для сравнения в двух выборках событий вычислены средние значения параметров солнечной плазмы и ММП: для облаков Vsw = 467 км/с, B = = 18.2 нТл, N = 10 см-3 и "необлаков" Vsw = 546 км/с, B = 20.9 нТл, N = 17 см3. Из сопоставления видно, что средние характеристики для 2-й группы событий соответствуют более плотным (на ~70%) высокоскоростным (на ~20%) потокам плазмы с усиленной (на ~2%) замагниченностью.
В пользу обоснованной значимости этих различий получены следующие сведения о солнечных источниках второй группы событий. По измерениям скорости солнечного ветра и расстоянию между Солнцем и космическим аппаратом вычислены времена выходов каждого ВСП из солнечной атмосферы. Из сравнения расчетного времени со временем регистрации солнечной вспышки по бюллетеням солнечно-геофизических данных [Solar-Geophysical Data, 1980-1993, Солнечные данные, 1980-1993] определена приближенно локализация активной области на диске Солнца.
В 21 событии эффективные очаги располагались вблизи центрального меридиана Солнца. Из них в 11 : 9 : 1 случаях наблюдались вспышки с баллами, соответственно, 1 : 2 : 3. Следовательно, данные привязки событий позволяют предположить, что по имеющимся солнечным данным основная 21/38 часть событий во 2-й группе ("не
1600
£1200 к
^ 800
400 300
ч Н 200
к
100
0
80
60
40
80
60
S
40
20
300
ч
<3 200
Г\
^ 100
r = 0.7
_|_|_
r = 0.9
_|_L_
r = 0.8
15 20 Ey, мВ/м
1800 1200
80 60 40 80
60
40
250 150 50
■fs-
600 - ■ ■ 1
400 -
300 -
200 -
100 - ■ -Ж*«
/i. 1
0 -
r = 0.6
10 15 20 25 Ey, мВ/м
Рис. 1. Зависимость геомагнитных индексов от Еу-компоненты электрического поля солнечного ветра для магнитных облаков (а) и высокоскоростных потоков (•).
облаков") соответствует истечениям высокоскоростной и плотной плазмы из очагов активности центрального сектора солнечного диска.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
По схеме из работы [Barton et al., 1975] в экстремальных условиях (d|Dst|/dt ~ 0) баланс распада и энергизации частиц кольцевого тока устанав-
ливается при максимальных значениях |Dst| и Еу, исходя из того, что время развития экстремальных условий в солнечном ветре много превосходит время реакции магнитосферы. Такой подход вполне уместен в анализе всего набора индексов.
На рис. 1а, 16 для выборок, соответственно, МО и ВСП сопоставлены корреляционные связи геомагнитных индексов АЕ, Ар, Кр, Кл и |Dst| от максимальных значений электрического поля Еу
Уравнения регрессий для двух типов событий
магнитные облака r1 r2 "не облака" r1 r2
AE = 137.7 + 186.9Ey - 7.4Ey2 0.4 0.7 AE = 819.5 + 34.3Ey 0.6 0.4
Ap = 95
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.