научная статья по теме ГЕНЕРАЦИЯ МАГНИТНОГО ВОЗМУЩЕНИЯ В ПЕРИОД ИСТОРИЧЕСКОЙ МАГНИТНОЙ БУРИ В СЕНТЯБРЕ 1859 Г Геофизика

Текст научной статьи на тему «ГЕНЕРАЦИЯ МАГНИТНОГО ВОЗМУЩЕНИЯ В ПЕРИОД ИСТОРИЧЕСКОЙ МАГНИТНОЙ БУРИ В СЕНТЯБРЕ 1859 Г»

ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 3, с. 324-332

УДК 523.9

ГЕНЕРАЦИЯ МАГНИТНОГО ВОЗМУЩЕНИЯ В ПЕРИОД ИСТОРИЧЕСКОЙ МАГНИТНОЙ БУРИ В СЕНТЯБРЕ 1859 г. © 2014 г. А. Е. Левитин1, Л. А. Дремухина1, Л. И. Громова1, Н. Г. Птицына2

Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН(ИЗМИРАН), г. Москва, г. Троицк 2С.-Петербургский филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН, г. С.-Петербург e-mail: levitin@izmiran.ru Поступила в редакцию 28.11.2013 г.

Представлены результаты модельного расчета магнитного возмущения, зафиксированного в обсерватории Колаба (Индия) в период исторической гигантской магнитной бури 1—2 сентября 1859 года. Расчет демонстрирует возможность генерации наблюдаемой необычайно быстрой двухчасовой главной фазы этой бури с отрицательной амплитудой ^-компоненты вектора геомагнитного поля — 1600 нТл и необычайно быстрой полуторачасовой начальной фазой восстановления поля от максимума до амплитуды —110 нТл. При расчете использовались модели магнитосферных токовых систем: кольцевой ток (DR), ток на магнитопаузе магнитосферы (DCF), токовая система хвоста магнитосферы (DT) и высокоширотная токовая система (DP). Природа необычной временной динамики зарегистрированного геомагнитного возмущения связана с возможным быстрым и значительным по величине смещением высокоширотных токов в сторону экватора во время главной фазы анализируемой гигантской бури и таким же быстрым перемещением их обратно на начальной фазе восстановления поля. Необычайно большая амплитуда зафиксированного геомагнитного возмущения могла быть вызвана суммарным вкладом указанных магнитосферных токовых систем в период генерации бури в результате взаимодействия магнитосферы с веществом солнечного плазменного выброса во время гигантской солнечной вспышки, предшествующей буре.

DOI: 10.7868/S0016794014030110

1. ВВЕДЕНИЕ

Космическая погода способна катастрофическим образом воздействовать на спутниковые и наземные технические системы. Наблюдавшиеся в спутниковую эпоху гигантские магнитные бури с амплитудами индекса Dst порядка —400 нТл и ниже реально подтвердили этот факт. Исследование подобных бурь возродило интерес к такому экстраординарному событию в солнечно-земных связях, каким была геомагнитная буря в начале сентября 1859 года, зарегистрированная в обсерватории Колаба (Индия). Эта буря началась спустя 17 часов 40 мин после солнечной вспышки, наблюдаемой в белом свете Кэррингтоном и Ходжсоном [Carrington, 1860; Hodgson, 1860]. Это были первые наблюдения солнечных вспышек, к тому же очень интенсивных, так как только очень интенсивные вспышки можно наблюдать в белом свете. Возникшее вслед за солнечной вспышкой магнитное возмущение ^-составляющей геомагнитного поля на обсерватории Колаба приведено на рис. 1 в статье [Tsurutani et al., 2003], из которого можно видеть, что ее отрицательная амплитуда достигала величины —1600 нТл. Рассматриваемой буре посвящен целый ряд исследований зарубеж-

ных и российских ученых [Carrington, 1860; Cliver and Svalgaard, 2004; Cliver, 2006; Levitin et al., 2009; Li et al., 2006; Nevanlinna, 2006; Siscoe et al., 2006; Tsurutani et al., 2003; Тясто и др., 2009, и ссылки в них]. Их результаты показали, что почти по всем наблюдаемым возмущениям в солнечно-земном пространстве и на Земле, таким как амплитуда понижения ^-составляющей геомагнитного поля на обсерваториях; интенсивность потока солнечных энергичных протонов (с энергиями >30 Мэв); значения внезапных ионосферных всплесков, вызванных усилением рентгеновского и ультрафиолетового излучений и, как следствие, проводимости ионосферы, — сентябрьская буря 1859 года держит первенство за весь период научных наблюдений. Только по одному показателю — времени запаздывания земных проявлений активности после солнечной вспышки, то есть скорости распространения ударной волны, она уступает магнитной буре 4 августа 1972 года с минимальной амплитудой Dst-вариации всего лишь —125 нТл, для которой время прихода ударной волны составило 14 часов 40 минут. Опубликованные в указанных выше статьях оценки скорости распространения возмущения от Солнца таковы: ско-

Н, нТл

37000

36500

36000

35500

35000

SSC?

1600 нТл

850 нТл

-U13 нТл ^j/*-*».

2 ч 6 мин

_i_I_I_

16 20 0 1 сентября

12 16 20

2 сентября

0 4 8 12 16

Местное время, ч 3 сентября 1859 г.

Рис. 1. Возмущение Н-составляющей вектора геомагнитного поля, зарегистрированное на обсерватории Колаба (Индия) 1—2 сентября 1859 года из работы [Ы е! а1., 2006]. По оси ординат — амплитуда возмущения в нТл, по оси абсцисс — местное время в часах; Указаны возможный момент регистрации 88С бури, уровень магнитного поля до ее начала, амплитуды магнитного возмущения в период бури.

рость солнечного ветра Ксв ~ 2350 км/с для 1— 2 сентября 1859 года и Усв ~ 2850 км/с для 4 августа 1972 года. Одновременно с обсерваторией Колаба интенсивные возмущения горизонтальной компоненты вектора геомагнитного поля наблюдались и в других работающих в то время наблюдательных пунктах. В частности, измерения часовых значений ^-компоненты магнитного поля на сети российских обсерваторий, проанализированных в работе [Тясто и др., 2009], дает основание считать зафиксированное наблюдателями геомагнитное возмущение планетарным событием, а не ошибкой измерения на отдельной обсерватории.

При анализе магнитограммы, зарегистрированной в обсерватории Колаба, значительный интерес представляет не только амплитуда, но и временная динамика Н-компоненты вектора магнитного возмущения. На магнитограмме этой бури (рис. 1) видно, что длительности ее главной фазы и начала фазы восстановления поля практически одинаковые и составляют каждая всего полтора—два часа. Такая скорость развития и убывания геомагнитного возмущения не соответствует представлению о том, что основным генератором этой вариации во время магнитной бури является кольцевой ток.

По оценкам, проведенным авторами статьи [ТвигШат е! а1., 2003], геомагнитное возмущение, зафиксированное в Колабе, соответствует современному индексу Лй, равному —1760 нТл, то есть,

это наибольшее значение индекса Dst за весь период наблюдений. Необходимо отметить, что это значение Dst имеет чисто оценочный характер. Индекс Dst был введен для анализа магнитных бурь, как аксиально-симметричная вариация магнитного возмущения, вычисляемая усреднением по четырем среднеширотным обсерваториям, и приведенная к экватору. В течение сильной магнитной бури возможны существенные различия в амплитудах возмущений геомагнитного поля на этих четырех обсерваториях, что связано с зависимостью амплитуды от местного времени. Поэтому, как было замечено в комментарии [Akasofu and Kamide, 2005] на статью [Tsurutani et al., 2003], не совсем корректно считать величину магнитного возмущения в Колабе амплитудой Dst-индекса в период этой бури, реальная величина которой могла быть меньше амплитуды магнитного поля, представленного на рис. 1.

Цель данной работы — продемонстрировать возможность объяснения зафиксированного геомагнитного возмущения суммарным магнитным полем, генераторами которого были, кроме кольцевого тока, еще две токовые системы: токовая система в хвостовой части магнитосферы (DT) и высокоширотная токовая система (DP). Обе они способны быстро смещаться в пространстве: первая система — в сторону планеты и обратно, в сторону хвоста магнитосферы; вторая система — к экваториальным широтам и обратно, в высокоширотную зону. В наши расчеты включена также оценка магнитного возмущения, которое во вре-

4

8

мя этой бури могло быть создано токовой системой DCF.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ МАГНИТНОГО ВОЗМУЩЕНИЯ, ЗАРЕГИСТРИРОВАННОГО В ОБСЕРВАТОРИИ КОЛАБА 1-2 СЕНТЯБРЯ 1859 ГОДА

Входными параметрами для моделирования магнитного возмущения на обсерватории Колаба 1-2 сентября 1859 года являются значения параметров межпланетной среды, взаимодействие которой с магнитосферой и стало причиной генерации этой гигантской магнитной бури. Их можно оценить из временной динамики зафиксированного возмущения на основе существующих моделей, связывающих Dst вариацию с этими параметрами. Так, авторы статьи [Li et al., 2006] провели оценку параметров межпланетной среды, опираясь на известную модель [Burton et al., 1975], в которой полагается, что наблюдаемая на уровне земной поверхности Dst вариация во время бури есть сумма амплитуд магнитных полей, токовых систем DCF и DR: Dst = DCF + DR. Вклад магнитного возмущения токовой системы DCF в Dst вариацию определяется через соотношение DCF = = b(Pdyn)1/2, где b — константа, Pdyn — кинетическое давление солнечного ветра. Временную динамику кольцевого тока в течение магнитной бури рассчитывают, используя классическое уравнение dDst*/dt = F(t) — Dst*. В этом уравнении t — время, Dst* = Dst — b(Pdyn)1/2 + с (с — это часть амплитуды магнитного возмущения Dst, создаваемого спокойным кольцевым током и равная -10—20 нТл), F(t) — функция инжекции энергии в кольцевой ток и т — временной параметр, определяющий распад кольцевого тока. Для расчета магнитного поля, создаваемого кольцевым током в период анализируемой магнитной бури, предполагались значения констант b = 7.26 нТл/нPa и с = 11 нТл, а зависимости между F и т от параметров межпланетной среды (скорости солнечного ветра Усв и южной вертикальной компоненты вектора межпланетного магнитного поля (ММП) Bs) следующими: F = —4.4( VBs — 0.5) нТл/час; т = = 24exp(9.74/(4.69 + VB)) часов.

Параметры межпланетной среды вблизи орбиты Земли в период рассматриваемой магнитной бури, определенные авторами статьи [Li et al., 2006] и используемые другими исследователями этой бури, представлены на рис. 2. Они имеют такие необычайно большие значения, какие никогда не наблюдались за весь период спутниковых измерений: скорость солнечного ветра V^ -- 1500—1700 км/с; вертикальная компонента вектора ММП Bs - —(40—60) нТл, а концентрация протонов в солнечном ветре Np -1200—1600 см—3. Отметим, что анализ гигантских бурь, происхо-

дивших в периоды отсутствия данных о параметрах межпланетной среды, проводящийся только на основе индексов г

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.

Показать целиком