КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, том 42, № 5, с. 509-554
УДК 550.385.4
МАГНИТНЫЕ БУРИ В ОКТЯБРЕ 2003 ГОДА КОЛЛАБОРАЦИЯ "СОЛНЕЧНЫЕ ЭКСТРЕМАЛЬНЫЕ СОБЫТИЯ 2003 ГОДА
(СЭС - 2003)"
© 2004 г. М. И. Панасшк1, С. Н. Кузнецов1, Л. Л. Лазутин1, С. И. Авдшшин2, И. И. Алексеев1, П. П. Аммосов3, А. Е. Антонова1, Д. Г. Баишев3, Е. С. Беленькая1, А. Б. Белецкий4, А. В. Белов5, В. В. Бенгин6, С. Ю. Бобровников1, В. А. Бондаренко6, К. А. Боярчук5, И. С. Веселовский1, Т. Ю. Вьшшкова7, Г. А. Гаврильева3, С. П. Гайдаш5, Е. А. Гинзбург2, Ю. И. Денисов1, А. В. Дмитриев1, Г. А. Жеребцов4, Л. М. Зеленый8, Г. С. Иванов-Холодный5, В. В. Калегаев1, Х. Д. Канониди5, Н. Г. Клейменова9, О. В. Козырева9, О. П. Коломийцев5, И. А. Крашенинников5, А. А. Криволуцкий7, А. П. Кропоткин1, А. А. Куминов7, Л. Н. Лещенко5, Б. В. Марьин1, В. Г. Митрикас6, А. В. Михалев4, В. А. Муллаяров3, Е. А. Муравьева1, И. Н. Мягкова1, В. М. Петров6, А. А. Петрукович8, А. Н. Подорольский1,
М. И. Пудовкин10, С. Н. Самсонов3, Я. А. Сахаров11, П. М. Свидский2, В. Д. Соколов3,
С. И. Соловьев3, |Э. Н. Сосновец1, Г. В. Старков11, Л. И. Старостин1, Л. В. Тверская1, М. В. Тельцов1, О. А. Трошичев12, В. В. Цетлин6, Б. Ю. Юшков11
1 Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ 2 Институт прикладной геофизики им. Е.К. Федорова, г. Москва 3 Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера СО РАН, г. Якутск 4 Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск 5 Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН, г. Троицк 6 Институт медико-биологических проблем , г. Москва 7 Центральная аэрологическая обсерватория, г. Долгопрудный 8 Институт космических исследований РАН, г. Москва 9 Объединенный Институт физики Земли РАН, г. Москва
10 Научно-исследовательский физический институт Санкт-Петербургского государственного университета 11 Полярный геофизический институт Кольского филиала РАН, г. Апатиты 12 Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт, г. Санкт-Петербург
Поступила в редакцию 19.05.2004 г.
Представлены результаты предварительного анализа спутниковых и наземных измерений во время исключительно сильных магнитных бурь конца октября 2003 года с использованием численного моделирования. На геостационарных спутниках Экспресс-А2 и А3, а также низковысотных полярных ИСЗ Коронас-Ф и Метеор-3М проводились измерения заряженных частиц, электронов, протонов и ионов солнечного и магнитосферного происхождения в широком диапазоне энергий. Возмущения геомагнитного поля, вызванные экстремально высокой активностью на Солнце, исследовались на более чем двадцати магнитных станциях от Ловозеро в Мурманской области до Тикси в Саха-Якутии. Получены уникальные данные по динамике ионосферы, риометрическому поглощению, геомагнитным пульсациям, наблюдениям полярных сияний в средних широтах.
1. ВВЕДЕНИЕ
Активные процессы на Солнце в конце октября 2003 года инициировали серию магнитосферных возмущений, изучение которых представляет значительный интерес для понимания физики магнитосферы и задач практического значения. Отечественные экспериментальные ресурсы представляют на данный момент большой комплекс наземных и космических приборов, достаточный для серьезного исследования процессов солнечно-земной активности. Настоящая работа является
попыткой объединить усилия российских научных коллективов для изучения экстремальных событий в октябре-ноябре 2003 года. Поэтому основной упор в ней будет сделан на осмыслении результатов измерений на отечественных космических аппаратах и наземных обсерваториях.
Магнитная буря вызывает в магнитосфере множество процессов. Мы рассмотрим основные -деформации структуры магнитосферы, границы проникновения солнечных космических лучей, границы авроральной зоны и полярной шапки,
400 350 300 250 200 150 100 50 0
3.11 3.111 3.1У 3.У 3.У1 3.У11 3.УШ 3.1Х 3.X 3.Х1 3.Х11 3.Х111 Январь-декабрь, 2003 г.
Рис. 1. Суточные значения Ар-индекса геомагнитной активности в 2003 году.
динамики радиационных поясов, влияние суббурь на развитие токовых систем магнитной бури. Теоретическая часть представлена модельными расчетами для данной конкретной серии мировых бурь на базе параболоидной модели магнитосферы и сравнением результатов модели с измерениями. Цельная картина бури смоделирована как изменение во времени глобальных магнитосфер-ных токовых систем. Эти токовые системы присутствуют перманентно, они существуют и в спокойной магнитосфере. Однако во время бури, под воздействием мощных потоков солнечной плазмы, интенсивность этих токовых систем возрастает более чем на порядок. Кардинально меняется и пространственная структура магнитосферы.
Настоящая работа представляет собой первую попытку создания коллаборации большой группы авторов и научных коллективов для оперативного анализа событий, представляющих исключительный интерес для фундаментальных и прикладных задач космической погоды. При этом неизбежно возникает неоднородность отдельных разделов в размерах и стиле изложения. Неизбежны и расхождения в интерпретации результатов наблюдений, и читателю не навязывается лишь одна из версий. Многие выводы носят предварительный характер, большая часть работ представлена в сжатом виде и несомненно будет развернута в последующих публикациях.
2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МАГНИТОСФЕРНОЙ АКТИВНОСТИ
Исследованию процессов на Солнце и в гелио-сфере посвящена первая статья коллаборации [1]. Здесь мы дадим краткую сводку параметров солнечного ветра, определявших динамику магнито-сферных процессов в исследуемый период.
По геомагнитной активности 2003 год стал бы самым возмущенным годом 23-го цикла даже без последнего всплеска солнечной активности. Все наиболее сильные межпланетные и геомагнитные возмущения в 2003 году были связаны с эруптивной активностью Солнца. На протяжении всего года Земля переходила из одного высокоскоростного потока солнечного ветра, обусловленного коро-нальной дырой, в другой поток. Причем магнитные бури, вызванные высокоскоростным потоком солнечного ветра из одной, самой протяженной корональной дыры, продолжались по несколько суток подряд, а порой и дольше недели. Когда же к влиянию корональных дыр добавились спорадические эффекты, средняя активность магнитного поля Земли стала исключительно высокой. Это хорошо видно на графике поведения Ар-индекса геомагнитной активности в 2003 году (рис. 1). Второй максимум геомагнитной активности, как правило, наблюдается на спаде солнечного цикла, но в текущем цикле он оказался значительно выше первого. Средний за год Ар-индекс геомагнитной активности в 2003 году равен 21.9 нТл. Это очень высокое значение, уступающее только 1951, 1960, 1982 и 1991 годам (рис. 2).
В 2003 году по предварительным расчетам зарегистрированы 62 магнитные бури. Среди них: исключительно возмущенные периоды 29-31.Х и 20.Х1. Трижды 29-30.Х наблюдался максимально возможный трехчасовой Ар-индекс, равный 9; в текущем цикле до этого был только один такой 3-часовой интервал в июле 2000 года. Три последних дня октября оказались самым возмущенным трехдневным интервалом за всю историю Ар-индексов.
Высокая магнитная активность явилась следствием исключительно высокой активности на Солнце. Первая группа пятен появилась на восточном лимбе 17.Х, и к 29.Х создалась редчайшая
20-
15-
10-
5-
0
V, км/с 2000
ACE/SWICS
29-30.X.03 г.
2000
2001
2002 2003 гг.
1500
1000
500
Рис. 2. Среднегодовые значения А^-индекса геомагнитной активности в период с 2000 по 2003 г.
ситуация, когда три огромные группы пятен одновременно находились на видимом диске Солнца. Последовала серия вспышек, всплесков радиоизлучения, выбросов вещества. Из этой серии следует выделить вспышку X17.2/4B вблизи центрального меридиана, начавшуюся 28.X в 09.51 UT и достигшую максимума в 11.10 UT. Она сопровождалась мощными радиовсплесками всех типов и ускорением заряженных частиц до энергии свыше 7 ГэВ. Во время вспышки наблюдался очень большой, плотный и быстрый выброс солнечного вещества, со скоростью свыше 2100 км/с. Межпланетная ударная волна (МУВ) достигла Земли 29.X в 06.12 UT, всего через 19 часов после вспышки. Это самый быстрый приход межпланетного возмущения с 1972 года. Вечером 29-го произошла еще одна гигантская протонная вспышка (X10.0/2B S15W02) с радиовсплесками 2-го и 4-го типа, большим потоком ускоренных частиц и ярким и быстрым (скорость почти 2000 км/с) выбросом вещества.
В результате уникального сочетания воздействия двух скоростных потоков солнечного ветра началась исключительно большая серия магнитных бурь.
К сожалению, при экстремальных параметрах корональных выбросов массы (КВМ), имевших место во время магнитных бурь октября 2003 года, детекторы КА, предназначенные для регистрации характеристик плазмы в околоземном пространстве, оказались не готовы к работе в таких условиях. Мощные потоки частиц привели к нарушениям в работе приборов, измерявших параметры плазмы, практически на всех космических аппаратах, осуществлявших мониторинг солнечного ветра (ACE, Geotail, SOHO). В результате,
1
2
0 03
12
18 00 06 UT
12 18 24
Рис. 3. Скорость плазмы солнечного ветра, полученная по спектру Не++. Данные прибора 8^1С8 на КА АСЕ, находящемся в точке либрации. 1 - потоковая скорость, 2 - тепловая скорость.
данные по скорости и плотности солнечного ветра во время главной фазы магнитных бурь 28-31.Х.2003 года носят фрагментарный и противоречивый характер. Тем не менее, представленные через Интернет в распоряжение научной общественности данные этих космических аппаратов позволяют восстановить временной профиль потока солнечного ветра в окрестности магнитосферы и являются наряду с магнитными индексами ценной опорой для конкретного анализа маг-нитосферных процессов.
На рис. 3 показана потоковая скорость плазмы солнечного ветра, полученная по спектру Не++, измеренному прибором 8,ШС8 на КА АСЕ, предназначенном для изучения энергетического спектра ионов солнечного ветра. Скорость плазмы солнечного ветра была определена по данным 8,ШС8/АСЕ, поскольку дрейфовая скорость ионов в скрещенных полях не зависи
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.