УДК 550.385.37
ГЛОБАЛЬНЫЕ ГЕОМАГНИТНЫЕ ПУЛЬСАЦИИ Pi3 КАК ОТКЛИК БОЛЬШИХ ВАРИАЦИЙ В СОЛНЕЧНОМ ВЕТРЕ И ММП ВО ВРЕМЯ МАГНИТНОЙ БУРИ (5 АВГУСТА 2011 г.)
© 2014 г. Н. Г. Клейменова, О. В. Козырева
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва e-mail: kleimen@ifz.ru Поступила в редакцию 25.07.2013 г.
Проведен анализ пространственно-временных и спектральных особенностей наземных геомагнитных пульсаций в диапазоне частот 1—5 мГц в начальную фазу одной из сильных магнитных бурь 24-го цикла солнечной активности (05—06 августа 2011 г. с Л5?-вариацией в максимуме бури —110 нТл). Отличительной чертой условий в межпланетной среде, вызвавших бурю, были большие знакопеременные амплитуды вариаций параметров ММП (от —20 до +20 нТл) при высокой скорости солнечного ветра (~650 км/с), сопровождаемые интенсивными всплесками в плотности солнечного ветра (до ~50 см-3). Обнаружены глобальные по долготе и широте геомагнитные пульсации Pi3, синфазные в средних и экваториальных широтах. Начало генерации пульсаций вызвано импульсом динамического давления солнечного ветра (~20 нПа), т.е. значительным поджатием магнитосферы. Максимум (2-3 мГц) в амплитудном спектре приэкваториальных пульсаций совпал с максимумом пульсаций в дневной полярной шапке. После следующего скачка динамического давления солнечного ветра (~35 нПа) в спектре пульсаций появился дополнительный максимум в полосе частот ~3.5-4.5 мГц. Глобальные пульсации внезапно прекратились после резкого уменьшения динамического давления солнечного ветра и соответствующего расширения магнитосферы. Полученные результаты были сопоставлены с временной динамикой положения и формы плазмопаузы.
DOI: 10.7868/S0016794014020114
1. ВВЕДЕНИЕ
Хорошо известно, что подход межпланетного магнитного облака к магнитосфере Земли вызывает магнитную бурю. Передний фронт, или турбулентная оболочка облака, характеризуется повышенным динамическим давлением солнечного ветра и значительными вариациями параметров межпланетного магнитного поля (ММП). Это приводит к развитию начальной фазы бури, во время которой, как показано в работе [Козырева и др., 2004], в дневном секторе полярных широт наблюдаются интенсивные геомагнитные пульсации диапазона Pc5/Pi3 (f ~1—6 мГц). Однако во время некоторых больших магнитных бурь такие пульсации наблюдались и в глобальном масштабе, от полярных до экваториальных широт [Schott et al., 1998; Villante et al., 1998; Клейменова и др., 2003; Козырева и др., 2005].
Одной из сильных магнитных бурь 24-го цикла солнечной активности была магнитная буря 05—06 августа 2011 г., в максимуме которой Dst-ва-риация достигала значений до —110 нТл (рис. 1а). Отличительной чертой условий в межпланетной среде были большие знакопеременные амплитуды вариаций параметров ММП (от —20 до +20 нТл) при достаточно высокой скорости солнечного ветра (~650 км/с). Кроме того, наблюдались
всплески плотности солнечного ветра до ~50 см-3. Наибольшие возмущения в межпланетной среде отмечались в интервале 18-24 UT.
Цель данной работы — исследование наземных геомагнитных пульсаций в диапазоне частот 1—5 мГц во время высокоамплитудных вариаций параметров межпланетной среды в магнитную бурю 5 августа 2011 г.
2. НАБЛЮДЕНИЯ
Вариации параметров солнечного ветра и ММП в обсуждаемом интервале времени (18—24 UT 5 августа 2011 г.) показаны на рис. 1б, построенном по данным 1-мин базы OMNI, приведенным к границе магнитосферы. На верхнем графике представлены 1-мин данные вариаций индекса Sym-H. Видно, что наибольшие возмущения в межпланетной среде отмечались в начальной фазе магнитной бури до появления устойчивых отрицательных значений Sym-H индекса, свидетельствующих о начале главной фазы магнитной бури около 22 UT. На земной поверхности в это время начались интенсивные геомагнитные возмущения в вечернем секторе, что четко видно на скандинавском профиле магнитометров IMAGE (рис. 2). Далее в статье используются не названия обсерваторий, а их
05—06 августа 2011 г.
05.08.2011 г.
Dst
Np
10 £ 0 к-10 -20
Bx
By
Bz
00 08 16 05.08.2011 г.
00
08 16 06.08.2011 г.
00
50 £ 0 к -50 -100
а
G
x
£
X
£
X
25 15 5
650 550 450 40 20 20
0
-20 20 0 -20 10
18
Np
Sym-H
Bx
By
Bz
19 20
21
22 23 24 UT
Рис. 1. Вариации параметров солнечного ветра и ММП во время магнитной бури 05—06 августа 2011 г. (а) и в интервале 18—24 иТ 05 августа (б), подробности в тексте.
3-х буквенные международные коды, которые показаны на всех графиках справа.
Максимальная амплитуда суббури, начавшейся около 22 иТ, составляла порядка 1500 нТл и регистрировалась не в авроральных, а в более низких, субавроральных широтах (ОШ). Заметим, что наблюдения на этих широтах не используются при вычислении АЕ-индекса суббуревой активности.
Большой всплеск динамического давления солнечного ветра (-37 см-3) около 19 иТ, сопровождаемый резким изменением амплитуды и знака всех компонент ММП, привел к значительному поджатию дневной магнитопаузы, что четко видно на нижнем графике рис. 1б, где показаны временные изменения расстояния (Я) до подсолнечной границы магнитосферы, вычисленные в радиусах Земли (ЯЕ) согласно модели [Сергеев и Цыганенко, 1980]. Это поджатие проявилось как импульсный всплеск индекса Буш-Н, а в геомагнитных наблюдениях вблизи экватора (нижний график на рис. 2) как Б1. Такой же всплеск отмечался и на геостационарном спутнике GOES-13 (рис. 3), находящемся в это время в околополуденном секторе магнитосферы. Однако следует
заметить, что как по наземным, так и по спутниковым данным начало этого всплеска было зарегистрировано на несколько минут раньше, чем по данным OMNI. Поскольку данные OMNI, приведенные к границе магнитосферы, вычисляются на основе наблюдений спутника АСЕ, находящегося в точке либрации, т.е. удаленного от Земли на 1 AU, можно предположить, что за время перемещения облака солнечной плазмы от этой точки до границы магнитосферы могла измениться скорость солнечного ветра или ее направление, что привело к некорректной оценке времени по данным OMNI.
Наибольший всплеск плотности солнечного ветра (до -50 см-3) наблюдался около 20 UT и сопровождался резким изменением амплитуды и знака всех компонент ММП (рис. 1б). Резко возросшее динамическое давление солнечного ветра (до -35 нПа) привело к значительному поджатию дневной магнитопаузы (нижний график на рис. 1б). Это подтверждается также наблюдениями на геостационарном спутнике GOES-13 (рис. 3), который в интервале 20.00-20.30 UT трижды оказывался за границей магнитосферы или около нее, поскольку перпендикулярная к плоскости отбиты спутника компонента магнитного поля Hp стано-
вилась отрицательной или приближалась к нулю. Такие вариации магнитного поля на геостационарном спутнике в работе [Dmitriev et al., 2005] интерпретировались как волнообразные движения маг-нитопаузы, вызванные флюктуациями динамического давления солнечного ветра.
На подавляющем большинстве наземных обсерваторий цифровые геомагнитные наблюдения осуществляются с опросом в 1 мин, что позволяет исследовать геомагнитные пульсации с периодами в несколько минут (диапазон квазисинусоидальных пульсаций Рс5 и иррегулярных Pi3). Для исследования этих пульсаций была проведена фильтрация наземных геомагнитных наблюдений в полосе частот 1-5 мГц. Как показано выше, в интервале (18-24 UT) наибольшие геомагнитные возмущения регистрировались в ночном секторе, поэтому в первую очередь были рассмотрены пространственно-временные особенности ночных иррегулярных Pi3 пульсаций (рис. 4а) на скандинавском профиле IMAGE. Видно, что интенсивные Pi3 пульсации регистрировались в той же области широт, что и суббури (рис. 2), и представляли собой тонкую временную структуру суббури. Суббуря, начавшаяся около 22 UT, и сопровождающие ее Pi3 пульсации со временем постепенно перемещались от субавроральных широт (OUJ) к полярным (HOR, LYR). Мы считаем, что наиболее вероятным источником этих пульсаций являлись временные флюктуации интенсивности продольных электрических токов, с которыми связаны суббури. Подобный вывод был получен нами ранее и в работе [Kleimenova et al., 2004].
Некоторыми авторами, например, [Kikuchi and Araki, 1979; Araki et al., 1985; Somayajulu et al., 1987; Abdu et al., 1998; Kikuchi et al., 2000] было показано, что во время суббурь электрические поля из высоких широт могут почти мгновенно проникать в экваториальную ионосферу. Поэтому можно предположить, что электрическое поле высокоширотных геомагнитных пульсаций Pi3, проникая к экватору, может привести к возбуждению Pi3 колебаний на экваториальных широтах. Для проверки этой гипотезы мы сравнили наблюдения на профиле IMAGE с одновременной магнитной регистрацией на приэкваториальных и низкоширотных обсерваториях, расположенных в том же долготном секторе (нижние графики на рис. 4а). Однако эта гипотеза не получила подтверждения. Интенсивные геомагнитные пульсации Pi3 вблизи экватора наблюдались не во время суббурь в данном долготном секторе (рис. 2), а в предшествующее время в 19-21 UT (рис. 4а), когда в межпланетной среде регистрировались большие амплитуды ММП и плотности солнечного ветра (рис. 1б). Это дало возможность предположить, что пульсации Pi3 вблизи экватора были результатом проникновения флюктуаций из межпланетной
05.08.2011 г.
£ X
0 0 0
2
•----------- V/ \ .
..... ^ . V у 1,
" * \~ Jj Г'
- —— vy
1 /V 1 / \\ fj \ V S i
1 1 1 1
LYR(75.1°, 113.0°) H0R(74.0°, 110.5°) S0R(67.2°, 106.7°) MAS(66.1°, 106.9°) IVA(64.8°, 110.1°)
S0D(63.8°, 107.7°) 0UJ(60.9°, 106.5°)
NUR(56.6°, 103.0°)
18 19 20 21 22 23 00
CLF(43.8°, 80.2°) TAM(4.0°, 78.4°) AAE(5.2°, 111.4°)
18 19 20
21 UT
22 23 00
Рис. 2. Геомагнитные вариации на земной поверхности: а — в ночном секторе авроральных широт, б — на экваториальных обсерваториях; зачерненные кружки — геомагнитная полночь, светлые треугольники — полдень, международные коды обсерваторий и их геомагнитные координаты показаны справа.
200 150 ч 100 £ 50 к 0 —50 100
4 50
5 0
—50
150 Я 100 Ъ 50 0
05.08.2011 г. G0ES-13
1 1 1 1 1
1 1 1
1 1
Hp
Нп
Не
18
19
20 21 22 23 00
Рис. 3. Временные вариации
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.