научная статья по теме ГЕОМАГНИТНАЯ АКТИВНОСТЬ КАК ОТРАЖЕНИЕ ПРОЦЕССОВ В МАГНИТОСФЕРНОМ ХВОСТЕ. 1. ИСТОЧНИК СУТОЧНОЙ И ПОЛУГОДОВОЙ ВАРИАЦИЙ ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ГЕОМАГНИТНАЯ АКТИВНОСТЬ КАК ОТРАЖЕНИЕ ПРОЦЕССОВ В МАГНИТОСФЕРНОМ ХВОСТЕ. 1. ИСТОЧНИК СУТОЧНОЙ И ПОЛУГОДОВОЙ ВАРИАЦИЙ ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ»

ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2013, том 53, № 4, с. 469-475

УДК 550.386

ГЕОМАГНИТНАЯ АКТИВНОСТЬ КАК ОТРАЖЕНИЕ ПРОЦЕССОВ

В МАГНИТОСФЕРНОМ ХВОСТЕ. 1. ИСТОЧНИК СУТОЧНОЙ И ПОЛУГОДОВОЙ ВАРИАЦИЙ ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ © 2013 г. А. А. Данилов, Г. Ф. Крымский, Г. А. Макаров

Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера СО РАН, г. Якутск

e-mail: gmakarov@ikfia.ysn.ru Поступила в редакцию 03.08.2011 г. После доработки 21.05.2012 г.

Исследуются суточная и полугодовая вариации геомагнитной активности. Установлено, что имеется внутримагнитосферный источник магнитной активности, зависящий от угла ф между плоскостями плазменного слоя хвоста магнитосферы и геомагнитного экватора. Показано, что суточная и полугодовая вариации магнитной активности создаются изменением величины этого угла.

DOI: 10.7868/S0016794013040056

1. ВВЕДЕНИЕ

Давно известно, что геомагнитная активность обладает полугодовыми вариациями с максимумами в равноденственные периоды. Ранее для объяснения этой вариации были выдвинуты две гипотезы: равноденственная [Bartels, 1932; McIntosh, 1959] и аксиальная [Cortie, 1912]. Равноденственная гипотеза связывает полугодовые вариации с изменением ориентации геомагнитного диполя относительно линии Солнце—Земля, аксиальная гипотеза — с изменением гелиошироты Земли. Были выдвинуты и другие гипотезы, исходящие из того, что причиной полугодовой вариации являются внешние относительно магнитосферы источники, однако ясного представления о физической природе полугодовой вариации магнитной активности все еще нет.

Исследование геометрического эффекта в ав-роральном поглощении радиоволн, возникающего при изменении наклона геомагнитного диполя относительно направления на Солнце, показало, что в субавроральной зоне, куда проектируются силовые линии замкнутой магнитосферы, наблюдается ярко выраженная полугодовая вариация с максимумом в равноденственные периоды, тогда как в полярной шапке такой эффект отсутствует [Данилов и Соколов, 2001]. Это означает, что полугодовая вариация радиоволн является свойством устойчивой магнитосферы. В работе [Данилов и Макаров, 2006] показано, что в возмущенные периоды на средних широтах суточная и полугодовая вариации зависят от положения плазменного слоя хвоста магнитосферы относительно геомагнитного экватора.

Целью статьи является исследование суточной и полугодовой вариаций магнитной активности, связанных с изменением расположения плазменного слоя хвоста относительно геомагнитного экватора, а также выяснение физической причины полугодовой вариации геомагнитной активности.

2. СУТОЧНЫЕ ВАРИАЦИИ МАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ

Для анализа используются трехчасовые геомагнитные индексы an и as и их среднесуточные значения An и As за 1968—1975 гг. [Geomagnetic Data, 1972-1976].

Пространственно-временные изменения магнитной активности состоят из нескольких простых мод. Во-первых, в связи с тем, что сезоны в северном и южном полушариях Земли противоположны, имеется мода, зависящая от освещенности полушарий. Эта мода легко выделяется, если образовать разности среднемесячных и трехчасовых значений этих индексов. При этом выделяется мода, связанная с летним периодом местного сезона. Во-вторых, имеется мода, зависящая от знака межпланетного магнитного поля (ММП). Магнитная активность возрастает в осенние месяцы и в утренние часы в случае положительного знака ММП (+ВУ) и в весенние месяцы и в вечерние часы в случае отрицательного ММП (-By). Этот секторный эффект протекает в северном и южном полушариях синфазно. Для исключения эффекта секторной структуры ММП данные в периоды +By и -By суммируются. В-третьих, магнитная активность обладает существенной асимметрией, заключающейся в том, что в северном полушарии в положительном сек-

N

Рис. 1. Схема расположения угла атаки х, угла у и угла ф между плазменным слоем (ПС) и геомагнитным

экватором (ЭП), показаны геомагнитная ось (NS) и

линия Земля—Солнце (З—С).

торе ММП активность выше, чем в южном, а в отрицательном секторе ММП, наоборот, активность выше в южном полушарии, чем в северном.

Магнитная активность сильно зависит от межпланетных параметров, что сильно осложняет анализ. Для ослабления этого эффекта весь материал разделялся на пять независимых друг от друга групп. Так в первую группу вошли дни, имеющие суточную сумму ЪКр в диапазоне 0—12 баллов, во вторую — 13—18, в третью — 19—23, в четвертую — 24—33, в пятую — более, чем 34 балла. Обработка выполнялась методом наложенных эпох.

Геофизические явления зависят от геомагнитных координат и от ориентации геомагнитного диполя в межпланетном пространстве, в частности, относительно направления на Солнце. На отдельной станции суточные вариации геомагнитного поля протекают по местному времени. Индексы an и as получены по данным 5 северных и 7 южных обсерваторий, расположенных на разных долготах. В этом случае вариации по местному времени исключаются, а вариации по мировому времени выделяются. В литературе в качестве мирового (планетарного) времени используется лондонское время UT. При этом, чтобы определить направление дипольной оси от Солнца и к Солнцу, авторы вычитают от UT 4 ч 30 мин и 16 ч 30 мин. Если приходится пользоваться мировым временем часто, то эта процедура весьма неудобна. В настоящей статье в качестве мирового (планетарного) времени принято солнечное время северного геомагнитного полюса GMT, отличающееся от UT на 4 ч 30 мин (GMT = UT - 4.5). Это время однозначно определяет ориентацию геомагнитного диполя в межпланетном пространстве. Так, в 12 и 24 ч GMT геомагнитная ось направлена соответственно в сторону Солнца и от Солнца.

В статье анализируются изменения индекса am = 1/2(an + as) при изменении наклона геомагнитного диполя в сторону Солнца и от Солнца, характеризуемого углом ф. На рисунке 1 приведена схема, показывающая расположение угла ф в хвосте и угла атаки х. Хвост магнитосферы ориентируется по направлению скорости солнечного ветра, поэтому плазменный слой располагается, вероятно, на продолжении линии Земля—Солнце. Угол атаки х между солнечным ветром и лобовой частью магнитосферы равен углу между линией Солнце—Земля и геомагнитной осью, угол ф образуется прямыми: продолжением линии Солнце-Земля в хвосте и линией пересечения плоскости XZ с плоскостью экватора Земли. Согласно схеме угол атаки х = 90° + у, где у — переменная по сезонам часть угла атаки, отсчитываемая от геомагнитного экватора (sin х = sin(90° + у) = cos у). Углы ф и у равны, как накрест лежащие при двух пересекающихся прямых. Отметим, что углы ф и у равны только по величине, но они характеризуют два разных источника: угол у определяет падение плазмы солнечного ветра на магнитосферу, а угол ф — инжекцию потока заряженных частиц из хвоста во внутреннюю магнитосферу. В дальнейшем для краткости угол у будем называть углом атаки солнечного ветра, а угол ф — углом между плазменным слоем и геомагнитным экватором.

На рисунке 2 представлены трехчасовые изменения am в возмущенные дни (ЕКр = 24—33) и cosф для зимнего (а) и летнего (б) сезонов. Отметим, что соответствие между изменениями am и cosф недостаточное. Фаза максимума суточной вариации am приходится на 14.4 GMT и 4.0 GMT для зимы и лета соответственно, тогда как соответствующие максимумы cosф приходятся на 12.0 GMT и 24.0 GMT. Сдвиг фазы в am связан с наличием отмеченных выше простых мод магнитной активности по трем причинам: 1) в декабрьское солнцестояние электропроводимость ионосферы в S полушарии выше, чем в N полушарии, а в июньское солнцестояние, наоборот, электропроводимость в N полушарии выше, чем в S полушарии; 2) магнитная активность в положительном секторе ММП доминирует в N полушарии, а в отрицательном секторе ММП в S полушарии; 3) в положительном секторе ММП активность возрастает в 6 ч GMT, а в отрицательном секторе ММП — в 18 ч GMT. В силу этих причин в зимние месяцы максимум суточной вариации am сдвигается на 14.4 ч GMT, а в летние — на 4.0 ч GMT. В равноденствия угол ф практически не изменяется по времени суток, поэтому отсутствуют и вариации am.

Для определения корреляции Дam с Дф в течение года были вычислены амплитуда R и фаза максимума T первой гармоники, имеющей суточ-

20 10 0

&

X

£-10

-20

-30

-40 1.00

¡Г °.95

§ 0.90

0.85

Сглаженные

¿_----о / Экспериментальные

6 9 12 15 18 21 Время, GMT

6 9 12 15 Время, GMT

18 21

Рис. 2. Суточные вариации геомагнитного индекса ат в возмущенные дни ((ЕКр = 24—33) и ео8ф в зимние (ноябрь— декабрь—январь) (а) и летние (июнь—июль—август) (б) месяцы (учетверенные значения ат), для экспериментальных данных приведены среднеквадратичные ошибки ат.

0

3

0

3

ный период. Далее вектор суточной вариации R был разложен на две компоненты ax = R cos + T) и ay = Rsin+ T). Компонента ax определяет суточные изменения am, возникающие при изменении наклона диполя в солнечном (0-12 ч GMT) направлении, компонента ay - в перпендикулярном (6-18 ч GMT) направлении. Реальные сезонные изменения, зависящие от Дф наблюдаются только в компоненте ax. Изменения ay в положительном и отрицательном секторах ММП противоположны по фазе [Данилов, 1993] и при образовании их суммы они нейтрализуются.

На рисунке 3а представлены изменения ax по месяцам для четырех групп дней с разной магнитной активностью (данные по группе ЪКр > 34 не приведены в связи с их малой статистикой). На рисунке 3б приведены аналогичные графики Д cos ф = 1/2 (cosф12 - cos ф24), где индексы 12 и 24 обозначают часы суток по GMT. Видно, что в зимние месяцы компонента ax направлена в сторону Солнца, в летние - от Солнца. Также меняет знак от зимы к лету величина Д cos ф. Наибольшие значения ax и Дcosф приходятся на солнцестояния, а в равноденствия графики переходят через нуль. В таблице приведены для четырех групп дней коэффициенты регрессии ß и корреляции r, полученные по данным рис. 3. Из таблицы видно, что коэффициенты корреляции достаточно высокие, особенно по группам возмущенных дней. Таким образом, по данным рис. 3 и таблицы можно утверждать, что между изменениями ax и косинуса угла ф имеется полная корреляция.

8 г

нТл 0

о

о <

0 0.1

-о- 0-12 -

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

Пoхожие научные работыпо теме «Геофизика»