научная статья по теме ПЛАНЕТАРНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОМАГНИТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ ВО ВРЕМЯ МАГНИТНОЙ БУРИ В МИНИМУМЕ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ПЛАНЕТАРНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОМАГНИТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ ВО ВРЕМЯ МАГНИТНОЙ БУРИ В МИНИМУМЕ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ»

ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2014, № 1, с. 104-113

УДК 550.385.37

ПЛАНЕТАРНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОМАГНИТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ ВО ВРЕМЯ МАГНИТНОЙ БУРИ В МИНИМУМЕ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ

© 2014 г. Н. Г. Клейменова, О. В. Козырева

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва Е-шаП: kleimen@ifz.ru Поступила в редакцию 18.02.2013 г.

Рассматриваются особенности планетарного распределения волновых явлений (геомагнитных пульсаций) в магнитной оболочке Земли — магнитосфере во время сильной магнитной бури (14—15 декабря 2006 г.), не типичной для минимума солнечной активности. Буря была вызвана подходом к магнитосфере Земли межпланетного магнитного облака. Работа основана на анализе 1-мин данных цифровых глобальных геомагнитных наблюдений на нескольких широтных профилях мировой сети наземных станций. Исследуются геомагнитные пульсации типа Рс5, т.е. в диапазоне частот 1.5—7 мГц (Т ~ 2—10 мин), а также флюктуации в этой полосе частот в межпланетном магнитном поле (ММП) и в плотности солнечного ветра. Показано, что в начальную фазу бури при положительных значениях Вz ММП, наиболее интенсивные геомагнитные пульсации были зарегистрированы в дневном секторе полярных широт. Предполагается, что они могут быть вызваны проникновением флюктуирующих потоков солнечного ветра в ионосферу Земли в области дневного полярного каспа. Возникающие при этом флюктуации ионосферного электрического тока регистрируются наземными магнитометрами как геомагнитные пульсации. При отрицательных значениях Вz ММП в ночной магнитосфере происходит развитие суббурь, а на земной поверхности в этой области широт отмечалась интенсификация геомагнитных пульсаций. Генерация этих пульсаций, по-видимому, вызвана флюктуациями магнитосферных продольных электрических токов, текущих вдоль силовых линий геомагнитного поля из области зарождения суббури. Эти геомагнитные пульсации не связаны с флюктуациями в межпланетной среде. В главную фазу магнитной бури, когда флюктуаций в межпланетной среде практически нет, наиболее интенсивные геомагнитные пульсации наблюдались в утреннем секторе Земли в области замкнутой магнитосферы. Генерация этих пульсаций, по-видимому, вызвана резонансом геомагнитных силовых линий. Таким образом, показано, что геомагнитные пульсации диапазона Рс5, наблюдаемые на земной поверхности во время магнитной бури, имеют различную природу и характеризуются разным планетарным распределением.

Б01: 10.7868/80002333713060069

1. ВВЕДЕНИЕ

Магнитное поле Земли слагается из двух частей различной природы: почти постоянной, источники которой расположены внутри Земли, и переменной, источники которой связаны с плазменными процессами в магнитосфере Земли. Магнитосфера Земли представляет собой самую внешнюю оболочку нашей планеты.

Принципиальной особенностью переменного магнитного поля Земли является его нестационарность, проявляющаяся как непрерывное возбуждение в магнитосфере разнообразных колебательных режимов различных типов и масштабов. Иррегулярные колебания магнитного поля с временным масштабом порядка 15—60 минут обычно называют вариациями поля. Более короткопери-одные колебания с периодами от секунд до нескольких минут называют геомагнитными пульсациями. Сейчас в мировой литературе для этих колебаний часто используется термин ULF (ultra-low frequencies) волны.

Наличие пульсирующих вариаций в геомагнитном поле было известно давно, однако, из-за низкой чувствительности регистрирующей аппаратуры серьезные исследования они долгое время оставались вне поля зрения исследователей. Систематическое изучение геомагнитных пульсаций в России началось лишь в 50-х годах прошлого столетия во время Международного Геофизического года (1957 г.), после того, как по инициативе В.А. Троицкой были организованы одновременные наблюдения на 20 временных пунктах на разных широтах, включая Арктику и Антарктику. Полученные результаты стимулировали широкое развитие этого направления и в других странах. В эти же годы стали интенсивно развиваться методы изучения структуры земной коры, использующие электрическую и магнитную составляющие геомагнитных пульсаций.

После запусков первых спутников Земли стало ясно, что по физической природе геомагнитные пульсации — это гидромагнитные волны, возбуж-

даемые в магнитосфере Земли и в солнечном ветре. Верхняя частота пульсаций определяется ги-рочастотой протонов в магнитосфере, на земной поверхности это соответствует частотному диапазону порядка 3—5 Гц. Многообразие видов пульсаций может быть разделено на два больших класса — иррегулярные, импульсные пульсации (ри1-sations irregular — Р/), имеющие вид отдельных всплесков с нестационарным спектром длительностью в несколько минут, и непрерывные (рика-tion соntinues — Рс), продолжающиеся до нескольких часов с квазизинусоидальной формой и устойчивым режимом. Как правило, иррегулярные пульсации (Р/) характерны для ночных часов, а непрерывные (Рс) — для дневных.

Работами В. А. Троицкой и ее учеников были установлены основные фундаментальные характеристики геомагнитных пульсаций, показана возможность использования наземных наблюдений геомагнитных пульсаций для диагностики плазменных процессов в околоземном пространстве [например, Тго^кауа, 1964; Троицкая и др., 1965; Троицкая, Гульельми, 1969; Гульельми, Троицкая, 1973; Гохберг и др., 1973; Троицкая и др., 1974; Пудовкин и др., 1976; Тго^кауа еt а1., 1980; Пилипенко и др., 1988; РШрелко, 1990; Клейменова, 2007; Козырева, Клейменова, 2008; 2010].

В настоящее время это направление исследований является одной из актуальных проблем, как в геомагнетизме, так и в солнечно-земной физике. Пульсации геомагнитного поля имеют большое значение для изучения процессов в магнитной оболочке Земли, подобно тому, как сейсмические волны для изучения строения земной коры. Возбуждение геомагнитных пульсаций сопровождает многие геофизические явления, такие, как магнитные бури и суббури, полярные сияния, взрывы, ураганы, землетрясения. В настоящее время на земной поверхности имеется более 300 станций, где производится цифровая регистрация переменного магнитного поля Земли с дискретизацией 1 мин, что позволяет исследовать геомагнитные пульсации с периодами несколько минут, т.е. типа Рс5 и Р/3 (Т~ 150-600 с, f ~ 1.5-7.0 мГц).

Целью данной работы является исследование пространственного распределения, интенсивности и спектрального состава геомагнитных пульсаций диапазона Рс5 во время магнитной бури 14-15 декабря 2006 г.

2. ДАННЫЕ

Работа основана на анализе 1-мин данных цифровых глобальных геомагнитных наблюдений на нескольких широтных профилях мировой сети наземных станций и обсерваторий (IMAGE, IOTERMAGNE^ SAMNEX CARISMA, MACCS, GREENLAND, 210ММ) и 1-мин данных регистрации параметров солнечного ветра и ММП ба-

зы OMNI (http://nssdcftp.gsfc.nasa.gov/spa-cecraft_data/omni/high_res_omni/).

Поскольку анализ данных наземных наблюдений на одной выбранной станции или меридиане не дает информации об уровне волновой активности в глобальном масштабе, для оценки планетарной активности геомагнитных пульсаций был разработан специальный ULF-индекс [Ко2угеуа е! а1., 2007]. Первоначально этот индекс был рассчитан для оценки уровня геомагнитных пульсаций Рс5 в дневном (03—18 MLT) секторе магнитосферы на геомагнитных широтах 60°—70°, и уровня флюктуации в межпланетной среде: плотности солнечного ветра (Np) и ММП (IMF). Эти базовые значения ULF-индекса за 1997—2010 годы размещены в Интернете в свободном доступе по адресу ftp://space.augsburg.edu/MACCS/ULF_index, где данные для каждого месяца года представлены в виде таблиц и графиков. Наземный ULF-индекс (ULFg) вычисляется по 1-мин данным наблюдений на глобальной сети магнитометров северного полушария, а ULF-индекс для межпланетной среды рассчитывается по 1-мин данным базы OMNI. Для расчета базового наземного ULF-индекса программа автоматически производит выбор станций для заданного интервала геомагнитных широт и долгот (MLT). Далее вычисляются спектры Фурье для двух горизонтальных компонент магнитного поля (X, Y) в одночасовом окне по методу Филона. Общая спектральная мощность горизонтальной компоненты определяется как сумма спектральных мощностей двух компонент X и Y. Полученные часовые значения общей мощности для каждой станции нормируются на частотную полосу и число компонент, извлекается квадратный корень. Таким образом, полученные значения индекса по существу являются амплитудой колебаний и имеют размерность нТл. Затем определяются станции, имеющие в выбранный час наибольший уровень сигнала, и вычисляется среднее значение для этих станций.

Для проведения исследований в данной работе были разработаны специальные программы для вычисления наземного ULF-индекса в расширенной области геомагнитных широт 63°—75° (поскольку нас интересовали глобальные характеристики пульсаций) для трех различных интервалов местного магнитного времени (MLT): 03— 09 MLT, 09-15 MLT и 21-03 MLT, т.е. для утреннего, дневного и ночного секторов. Для оценки уровня флюктуации в межпланетной среде кроме базовых значений ULF-индекса (ULFNp и ULFimf) были рассчитаны значения ULF-индекса для 3-х компонент ММП (ULF&, ULF^ и ULF^).

3. МАГНИТНАЯ БУРЯ 14-15 ДЕКАБРЯ 2006 ГОДА

Исследуемая в данной работе магнитная буря, в максимуме которой Dst = -145 нТл, наблюда-

лась во время необычно длинного периода минимума солнечной активности. Буря была нетипичной для такого периода. Хорошо известно, что в минимуме солнечной активности магнитные бури обычно вызывается высокоскоростными потоками солнечного ветра из корональных дыр, когда в ходе движения от Солнца быстрый поток солнечного ветра догоняет более медленный, образуя так называемую "коротирующую область взаимодействия" (CIR — ^rotating interaction region). Это приводит к развитию в магнитосфере Земли слабых и умеренных магнитных бурь с Dst индексом порядка —(40—60) нТл. Более сильные магнитные бури вызываются вспышками на Солнце, сопровождаемыми интенсивными выбросами массы (СМЕ — согоп^ mаss е]есйо^. Такие бури (СМЕ-бури) характерны для максимума солнечной активности (например, [Воrоvskу, Dеntоn, 2006]) и редко наблюдаются в период

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