ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2008, том 48, № 1, с. 134-142
= ДИСКУССИИ
УДК 550.388
ПОНЯТИЕ "ГЕОМАГНИТНАЯ АКТИВНОСТЬ" В СОВРЕМЕННОЙ
СОЛНЕЧНО-ЗЕМНОЙ ФИЗИКЕ © 2008 г. Ю. Р. Ривин
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН, Троицк (Московская обл.) e-mail: ju_rivin@web.de Поступила в редакцию 20.06.2006 г. После доработки 10.05.2007 г.
Современное понятие "геомагнитная активность" как визуально наблюдаемых возмущений с определением по ним индексов является эрзацем по отношению к реальным вариациям геомагнитного поля. Поэтому его использование сопровождается рядом искажений свойств первичной информации. Кроме того, это понятие несколько шире класса вариаций, который реально анализируется. Новое понятие геомагнитной активности включает в себя только те вариации поля, которые создаются корпускулярным излучением Солнца с "вмороженными" в него магнитными полями, а также при взаимодействии этого излучения с магнитосферой Земли. Такие вариации обусловлены на средних широтах, главным образом, магнитными бурями. Переход к новому понятию с использованием современных методов анализа позволяет отказаться от шкалы индексов Бартельса, повышает точность выделения и исследования вариаций поля во всех диапазонах частот, их информативность, предлагает более простые основы для создания индексов исходного и детектированного рядов.
PACS: 94.30.Va, 91.25.Rt
1. ВВЕДЕНИЕ
Преобладающая часть временных изменений геомагнитного поля от внешних источников связана с иррегулярными флуктуациями. Но среди них встречаются и квазипериодические вариации (~27-дневная и ее две гармоники, сезонная, ~11-летняя и др.). Большой диапазон изменений поля (от минут до нескольких десятилетий) создает трудности его анализа. Для преодоления этих трудностей, упрощения вычислительных работ ~100 лет назад были введены индексы геомагнитной активности (ГА).
Так, в 1905 году в некоторых магнитных обсерваториях появились вычисления суточных характеристик ГА в виде С-индекса. Несколько позже была введена Международная суточная характеристика С, согласно которой степень возмущен-ности каждого дня обозначалась одним из чисел 0, 1, 2. Такие значения имели еще название "мера активности".
Мера активности давала грубые субъективные оценки изменений поля. Поэтому Бартельсом [Bartels, 1955] в 1930-х годах был предложен ^-индекс — максимальный размах изменений геомагнитного поля внутри трехчасового интервала по одной из трех компонент (H, D, Z) после исключения из этих изменений суточной вариации. Большие изменения величин такого размаха в каждой из магнитных обсерваторий на разных широтах потребовали введения некоторого алго-
ритма, который учитывал бы все эти обстоятельства. В качестве такого алгоритма Бартельс предложил логарифмическую шкалу чисел К, где каждому такому числу соответствовала некоторая область изменений амплитудных значений поля. В 1939 году был введен планетарный индекс Кр. Примерно в это же время был предложен перерасчет индекса Кр в индекс с линейной шкалой амплитуд Ар. Кроме того, Международная служба геомагнитных индексов (иОС1) составила список среднеширотных обсерваторий, по которым эти индексы определялись.
В начале 1970-х годов Майо [Мауаиё, 1971] показал, что для описания ГА достаточно использовать данные только двух антиподальных магнитных обсерваторий (Хартленд и Мельбурн) и ввел аа-индекс. Обе эти обсерватории находятся на средних широтах каждого из полушарий Земли, поэтому они отражают, в основном, изменения квазидипольных полей магнитосферного кольцевого тока (БК) и токов на дневной стороне магнитосферы (БС1).
В последующие десятилетия были предложены и другие многочисленные индексы ГА, но по разным причинам они не нашли широкого применения. Для примера можно привести индекс М(Кр) = 10 (Шр - 10) [Оль, 1969]. Автор предложил его для большего удобства согласования ~11-летних циклов геомагнитной и солнечной активностей, а также прогноза максимума начинаю-
щегося цикла солнечной активности по характеристикам предыдущего цикла ГА. Однако, этот индекс не получил широкого мирового признания.
Позже были введены среднечасовые индексы Лй (для описания изменений ГА на низких широтах), а также АЕ, АЕ, Ли, Р (для описания ГА на высоких широтах и в полярных регионах). При их определении используется максимальный размах колебаний между верхней и нижней огибающими изменений за определенные временные интервалы.
Прошло уже ~100 лет, но подход к изучению геомагнитной активности как к "степени возму-щенности магнитного поля Земли" [Яновский, 1964, с. 265], то есть к изучению визуально наблюдаемого явления во всей его сложности, практически сохраняется [Оль, 1969; Lundbak, 1984; Борец и др., 1988; Головков и др., 1989; Sucksdorff й а1., 1991]. Между тем такое понимание не указывает физической сущности явления "геомагнитная активность", что важно в современной солнечно-земной физике для создания его физических моделей. Кроме того, это понятие включает вариации от различных источников, а реально индексы ГА использовались для описания, главным образом, только той части временных изменений поля, которая имела продолжительность от суток и более (это следует из того, что для описания одной волны синусоиды желательно иметь не менее восьми точек). Бухтообразные изменения при этом отсекались.
Учет достигнутых сегодня результатов в изучении ГА и геомагнитного поля делает целесообразным замену прежнего понятия ГА на понятие, которое содержит конкретные физические процессы, создающие на средних широтах основную часть возмущенности в этом диапазоне периодов. Новое определение ГА сформулируем так: геомагнитная активность — это часть изменений магнитного поля Земли, которые происходят одновременно по всей поверхности Земли под влиянием воздействия на это поле солнечного корпускулярного излучения с "вмороженными" в него магнитными полями. Такого рода изменения несут информацию о процессах на Солнце и в межпланетной среде, о взаимодействии солнечного ветра с магнитосферой Земли и о процессах внутри магнитосферы. Кроме того, такое определение отсекает вариации геомагнитного поля, обусловленные другими внешними источниками (волновое излучение Солнца, гравитационное поле Луны, частично процессы в ионосфере авроральной зоны и полярной шапки, а также ряд других). В значительной степени такая активность определяется магнитными бурями. Поскольку предлагаемое определение охватывает практически весь диапазон вариаций геомагнитного поля, которые ранее изучались как ГА, с целью преемственности, ве-
роятно, за этими вариациями следует сохранить уже существующее устоявшееся название.
Цель данной работы: (а) привести формулировку понятия геомагнитная активность в соответствие с физическими процессами, которые определяют его основное содержание; (б) проанализировать положительные моменты и некоторые важные недостатки получения индексов активности методом Бартельса, (в) предложить новые методы анализа активности на среднеши-ротных обсерваториях, вносящие меньшие погрешности в вариации геомагнитного поля, чем метод Бартельса.
2. ПЛЮСЫ И МИНУСЫ СОВРЕМЕННЫХ СРЕДНЕШИРОТНЫХ ИНДЕКСОВ ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ
Переход от анализов непосредственно вариаций геомагнитного поля к анализам индексов активности C, K, aa имел как положительную, так и отрицательную стороны.
К положительной стороне следует отнести, по крайней мере, три момента:
1) Получение K-индекса внутри интервала 3 ч отсекало значительное количество бухтообраз-ных изменений, подпадающих ранее под определение ГА.
2) Было достигнуто понимание, что для выделения ГА из вариаций геомагнитного поля необходимо исключать суточные вариации, изменяющиеся по местному времени, и предложен метод такого исключения — получение средней по пяти спокойным дням месяца.
3) Метод получения K-индекса породил простой метод выделения из общей кривой изменений поля многолетних вариаций, создаваемых внешними источниками (правда, при этом пришлось отойти от непосредственных значений поля на каждый момент, отсчитанных от некоторого уровня, прибегнуть к новой его характеристике). Такое разделение позволило установить ряд свойств геомагнитных возмущений на протяженном временном интервале.
Негативная сторона перехода к индексам ГА обусловлена:
1) Заменой знакопеременного исходного ряда вариаций знакопостоянным, т.е. детектированным, в котором (за счет нелинейности преобразования) искажены первичные данные. Действительно, пусть исходная вариация (допустим это квазигармоническое изменение) есть амплитуд-но-модулированный процесс
y = (1 + a sin Qt) sin ю t = sin ю? + + (a/2)[(cos(ю - Q)t- cos(ю + Q)?)],
где ю и D — соответственно несущая и модулирующая частоты, a — глубина модуляции. Спектр такого процесса, содержащий несущую частоту и две боковые, отстоящие от несущей на ±D, хорошо известен.
В результате линейного детектирования (1) Ы = ( 2/п){( 1 + a sin D t) - Z( 1 /4 к2 - 1) x x [cos2kюt + (m/2)sin(2кю + D)t- (2) - (m/2)sin(2кю - D)t]},
где к = 1—да. Сравнение выражений (1) и (2) показывает значительное различие их частотного состава, а, следовательно, и временных изменений.
Из (2) не трудно видеть, что операция получения максимального размаха изменений геомагнитного поля внутри трехчасового интервала сродни детектированию исходных вариаций и приводит к искажению первичных изменений. Впрочем, эта негативная сторона имеет сегодня и положительный аспект, поскольку трудом нескольких поколений магнитологов создан ряд амплитудной модуляции ~27-дневной вариации магнитного поля Солнца за ~200 лет [Ривин, 1998]).
2) Большими неконтролируемыми погрешностями получения удаляемой суточной волны. Кроме того, при таком удалении частично искажались и магнитные бури с близкой продолжительностью.
3) Произвольным выбором в разных магнитных обсерваториях только одной из компонент векторного поля. Отсутствием определения истинного изменения величины всего поля.
4) Большим призволом в выборе шкал индексов и в пересчете индексов в амплитуды геомагнитного поля.
Введение индексов Бартельса в первой половине прошлого века
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.