ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2004, том 44, № 5, с. 616-623
УДК 550.385.37
АМПЛИТУДЫ ГЕОМАГНИТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ Pc3 И Pc4 ВБЛИЗИ ПРОЕКЦИИ ПЛАЗМОПАУЗЫ (обе. КЕРГЕЛЕН)
© 2004 г. Ж.-Ж. Шотт1, Н. Г. Клейменова2, О. В. Козырева2
1Школа наук о Земле и обсерватория, Страсбург (Франция) 2Институт физики Земли РАН, Москва (Россия) e-mail: kleimen@ifz.ru Поступила в редакцию 26.01.2004 г.
По результатам спектрально-временного анализа данных трех лет (1995-1997 гг.) непрерывных наблюдений в субавроральной обс. Кергелен (Ф = 57.9°) исследовался суточный ход средних значений амплитуд геомагнитных пульсаций Pc3 и Pc4, а также его вариации в зависимости от сезона и уровня геомагнитной активности. Установлено, что в сильно возмущенных условиях (LKp > 25) максимум в суточном ходе средних амплитуд Pc3 резко сдвигается от полуденных к утренним часам, а Pc4 - к послеполуденным. При этом средние амплитуды пульсаций Pc4 зависят как от сезона года, так и от уровня магнитной активности, а амплитуды пульсаций Pc3 определяются, в основном, уровнем магнитной активности и слабо зависят от сезона. Выявленные различия в зависимости амплитудных характеристик пульсаций диапазона Pc3 и Pc4 от уровня геомагнитной активности и сезона свидетельствуют о различии первичных источников этих пульсаций, что, по-видимому, не позволяет объединять их в единый класс колебаний.
1. ВВЕДЕНИЕ
По существующей классификации, принятой МАГА в 1973 г., к геомагнитным пульсациям Pc3 относятся колебания с периодами T = 15-45 с, а к Pc4 - с T = 45-150 с. На средних и субавроральных широтах Pc3 и Pc4 являются типичным дневным режимом колебаний. Основные морфологические характеристики этих пульсаций были установлены еще в 60-70-х годах прошлого столетия на основании анализа аналоговой регистрации на бумажных самописцах [Пудовкин и др. (1976) и цитируемая там литература]. Как правило, исследовались квазимонохроматические колебания в относительно узкой полосе частот Pc3 или Pc4. В случае "смешанных" режимов, т.е. появления колебаний в широкой полосе частот, охватывающей Pc3 и Pc4, средние амплитуды пульсаций обычно определялись визуально.
С появлением цифровой регистрации колебания в диапазонах Pc4 и Pc3, как правило, стали рассматриваться как единый класс колебаний с T = 15-45 с, соответствующий диапазону частот фундаментальной моды резонансных альвенов-ских колебаний во внутренней магнитосфере. Главным источником энергии этих колебаний являются волны (upstream waves), возбуждающиеся в турбулентной области на границе магнитосферы перед фронтом ударной волны за счет ионно-циклотронного резонанса отраженных от магнитосферы протонов солнечного ветра [например, обзор Russell and Hoppe, (1983) и цитируемая там литература]. Период таких волн определяется ве-
личиной межпланетного поля (|B| ММП), а амплитуда скоростью солнечного ветра. Необходимым условием генерации волн являются небольшие (<30°) значения cone angle, т.е. угла между направлением ММП и линией Солнце-Земля [например, Большакова и Троицкая, 1968; Троицкая и др., 1971; Singer et al., 1977; Engebretson et al., 1987 и многие другие].
Наиболее четко связь характеристик пульсаций с параметрами ММП отмечается для диапазона Pc3. Однако для диапазона Pc 4 такая корреляция наблюдается далеко не всегда [Slawinski et al., 1988; Odera et al., 1991; Chi et al., 1998]. Кроме того, было установлено, что пульсации Pc4 в отличие от Pc3 являются характерным колебательным режимом магнитоспокойной магнитосферы [например, Troitskaya, 1967; Большакова и др., 1995]. Поэтому возникает вопрос, является ли обоснованным объединение Pc3 и Pc4 пульсаций в единый класс колебаний?
Для ответа на этот вопрос были выполнены исследования зависимости суточных вариаций средних амплитуд геомагнитных пульсаций Pc3 и Pc4 от уровня геомагнитной активности и сезона года на субавроральных широтах, где альвеновский резонанс силовых линий соответствует диапазону Pc4. Ранее такие исследования проводились только для более низких широт, где собственные колебания силовых линий попадают в диапазон Pc3.
2. ДАННЫЕ
Для анализа использовались данные трех лет непрерывных магнитных наблюдений за 1995— 1997 гг. (период минимума солнечной активности) с временным разрешением в 2 с на французской субавроральной обс. Кергелен (Kerguelen), международный код которой PAF, (Port-aux-France). Исправленные геомагнитные координаты: Ф = = -57.9°, Л = 128.0°, местный геомагнитный полдень в 08.08 Ш\ В магнитоспокойных условиях эта обсерватория располагается внутри плазмо-сферы, в условиях умеренной геомагнитной активности - вблизи проекции плазмопаузы, а во время сильных возмущений - вне ее.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА
Из данных трехлетних наблюдений для анализа было выбрано 1016 дней качественных данных (т.е. без перерывов в регистрации), из которых 328 было магнитоспокойных (ф с ЪКр < 10, 553 умеренно возмущенных с 10 < ЪКр < 25 и 135 сильно возмущенных дней с ЪКр > 25. В таблице показано распределение по сезонам выбранных для анализа дней каждого года в зависимости от уровня геомагнитной активности. Заметим, что обс. Кергелен находится в Южном полушарии, т.е. сезон, обозначенный в таблицах цифрой 1, соответствует летнему сезону, 2 - осеннему, 3 - зимнему, 4 - весеннему. Из таблицы видно, что за три года наблюдений магнитоспокойных дней в периоды зимнего и летнего солнцестояния было 182, а в периоды осеннего и весеннего равноденствия -146, умеренно возмущенных - 268 и 285, а сильно возмущенных 47 и 88, соответственно.
Для каждого из 1016 дней наблюдений за дневные часы (07-19 MLT), что соответствует 03-15 были вычислены динамические амплитудные спектры пульсаций в полосе 5-50 мГц с временным окном в 30 мин. Спектральный анализ показал, что амплитуды пульсаций значительно изменяются во времени. Колебания, как правило, представляют собой последовательность отдельных волновых пакетов. Длительные монохроматические режимы отмечаются только в диапазоне Рс4, т.е. на частотах ниже 20 мГц.
На рис. 1 приведены примеры динамических спектров в магнитоспокойных (два верхних графика, а, 6) и умеренно возмущенных (два нижних графика, в, „) условиях. Масштаб для каждого графика показан справа. Наиболее типичным для магнитоспокойных условий является амплитудный динамический спектр, представленный на рис. 16, т.е. достаточно длительные квази-монохро-матические колебания в диапазоне Рс 4 (6-12 мГц), как это было установлено ранее и по аналоговой записи в среднеширотной обс. Борок [Большакова и др., 1995]. Однако, как показал спектральный
Число анализируемых дней в разные сезоны года для различных уровней геомагнитной активности
Сезон Активность Годы Итого
1995 1996 1997
1 (лето) а 25 22 40 87
т 31 54 33 118
d 19 5 9 33
2 (осень) а 19 16 33 68
т 40 58 50 148
d 31 10 6 47
3 (зима) а 22 34 39 95
т 55 49 46 150
d 12 1 1 14
4 (весна) а 26 18 34 78
т 35 54 48 137
d 19 14 8 41
Итого 334 335 347 1016
Примечание: 1 - декабрь-февраль, 2 - март-май, 3 - июнь-август, 4 - сентябрь-ноябрь.
анализ наблюдений, в субавроральных широтах и в магнитоспокойных условиях возможно одновременное появление отдельных всплесков пульсаций Рс3 на фоне Рс4, как это видно на рис. 1а. В магнитовозмущенных условиях спектры пульсаций представляют сложную сильно вариабельную во времени картину, амплитуды пульсаций возрастают, а спектр расширяется.
Для анализа временных вариаций средних амплитуд колебаний использовалась следующая методика. По амплитудным динамическим спектрам вычислялись средние значения амплитуды (А) и дисперсии (а) в полосе 25-40 мГц для пульсаций Рс3 и в полосе 6-20 мГц для пульсаций Рс4 для каждого последовательного 30-мин интервала каждого из 1016 дней. Затем в зависимости от сезона и уровня геомагнитной активности были сформированы соответствующие выборки (см. таблицу), для каждой из которых был вычислен и построен суточный ход средних амплитуд.
Анализ амплитуд геомагнитных пульсаций выполнялся для Х-компоненты поля. Однако следует заметить, что из-за горизонтальных неоднородно-стей глубинного геоэлектрического строения земной коры в окрестностях обс. Кергелен и влияния берегового (островного) эффекта амплитуда 7-компоненты поля геомагнитных пульсаций в интервале периодов 5-1000 с вдвое превышает амплитуду Х-компоненты [Ковтун и др., 1968].
На рис. 2 показан осредненный по 3-м точкам суточный ход средних амплитуд Рс3 и Рс4 пульсаций в разные годы. Геомагнитный полдень - около 08 Ш\ Из графиков видно, что средняя ампли-
мГц 50
40
30
20
10
50 40 30 20 10
50 40 30 20 10
50 40 30 20 10
03 05 07 09 11 13
15 ит
Рис. 1. Пример амплитудных динамических спектров пульсаций в магнитоспокойных (а, б) и умеренно возмущенных (в, г) условиях.
туда Рс4 почти вдвое выше, чем Рс3. Дисперсия На рисунках данные о дисперсии не приводятся,
(а), вычисленная для каждого 30-мин интервала, чтобы не усложнять графики. была достаточно большой, порядка амплитуды Рис. 3 демонстрирует осредненный за три года
колебаний, и характеризовалась таким же суточ- наблюдений суточный ход средних амплитуд Рс3
ным ходом, как и средняя амплитуда колебаний. и Рс4 в зависимости от магнитной активности.
а
нТл 1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
Рс4
1995
1996
1997
Рс3
1995
1996
1997
03
05
07
09
11
13
15 ит
Рис. 2. Суточный ход средних амплитуд геомагнитных пульсаций в 1995-1997 гг.
Видно, что с увеличением уровня геомагнитной активности резко возрастают средние амплитуды пульсаций. Такая же зависимость получена и для дисперсии (а). В условиях сильной магнитной воз-мущенности средняя амплитуда пульсаций возрастает в 3-4 раза, а ее суточный ход резко меняется и становится несимметричным относительно полдня. При этом в диапазоне Рс3 максимум смещается на утренние (07-10 MLT, 03-06 иТ) часы, а в диапазоне Рс4 - на послеполуденные (14-17 MLT, 10-13 иТ). Пример появления интенсивных утренних Рс3 пульсаций показан на рис. 1в. Таким образом, суточное распределение амплитуд Рс3 и Рс4 в магнитовозмущенное (ХКр > 25) время различно.
Далее были исследованы сезонные вариации суточного хода средних амплит
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.