научная статья по теме ПРОЯВЛЕНИЕ КОНФИГУРАЦИЙ МАГНИТНЫХ ОБЛАКОВ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА В ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ПРОЯВЛЕНИЕ КОНФИГУРАЦИЙ МАГНИТНЫХ ОБЛАКОВ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА В ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ»

КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2009, том 47, № 4, с. 300-310

УДК 550.385.4

ПРОЯВЛЕНИЕ КОНФИГУРАЦИЙ МАГНИТНЫХ ОБЛАКОВ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА В ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ

© 2009 г. Н. А. Бархатов1, 2, Е. А. Калинина1, А. Е. Левитин3

Нижегородский государственный педагогический университет, г. Нижний Новгород (n@barkh.sci-nnov.ru) 2Научно-исследователъскийрадиофизический институт, г. Нижний Новгород 3Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН, г. Троицк

Поступила в редакцию 27.11.2007 г.

В работе на основе анализа данных многоспутниковых наблюдений магнитных облаков на трассе Венера-Земля устанавливается зависимость их геоэффективности от ориентации в плоскости эклиптики и расположения относительно линии Солнце-Земля. Параметры облаков определялись на основе модели бессиловой цилиндрической потоковой нити. Поиск магнитных облаков в потоке данных с патрульного космического аппарата проводился с помощью созданной компьютерной программы.

PACS: 96.50.Uv

1. ВВЕДЕНИЕ

В 90-е гг. стало ясно, что основным источником геоэффективных возмущений солнечного ветра, дающих заметное воздействие на земные процессы, являются корональные выбросы вещества (КВВ). При своем движении от Солнца они часто принимают форму замкнутых образований со своеобразным поведением плазмы и магнитного поля - магнитных облаков, приводящих к сильным (иногда экстремальным) геомагнитным возмущениям на Земле [1]. Согласно [1, 2, 3], магнитные облака идентифицируются с помощью трех основных признаков: монотонного вращения вектора магнитного поля; высокого значения силы магнитного поля в магнитном облаке; низкой температуры по отношению к фоновому значению. В магнитных облаках так же отмечается низкое значение плазменного Р-параметра (магнитное давление плазмы в облаках Б2/8п превышает тепловое пкТ).

Магнитные облака, наряду с высокоскоростными потоками (например, СШ) и плотными структурами (например, активизировавшиеся волокна 8БР, ударные волны, гелиосферный токовый слой ЫС8), являются одним из основных источников сильных продолжительных отрицательных Б1 компонент межпланетного магнитного поля (ММП) и, следовательно, главным источником геомагнитной активности [4, 5, 6].

Изучение геоэффективности магнитных облаков носит в основном статистический характер [4, 7, 8]. В результате таких исследований было установлено, что:

1) "униполярные B" магнитные S облака вызывают в основном интенсивные магнитные бури, магнитные N облака - умеренные бури, "биполярные B" магнитные SN и NS облака - интенсивные бури [8];

2) в магнитном облаке наиболее геоэффективными являются ведущая область, комбинация оболочки и ведущей области, кроме того, при таких комбинациях могут развиться многошаговые бури [8];

3) комбинации событий магнитных облаков, ударных волн и sector boundary crossings являются более геоэффективными, чем каждая такая структура в отдельности [4].

В настоящее время существует несколько моделей для описания структуры магнитных облаков. Наиболее распространенной является бессиловой подход. Он предполагает, что токи в облаке параллельны (антипараллельны) линиям магнитного поля, а перпендикулярная компонента тока отсутствует. Этот подход используют для тороидальной [9, 10] или цилиндрической [11, 12] конфигураций поля в облаке. Для более точного приближения рассматриваемых моделей к реальному магнитному облаку для учета особенностей его переноса в межпланетном пространстве в модель облака добавляют его взаимодействие с солнечным ветром. В результате этого структура модельного облака деформируется, отклоняясь от цилиндрической [13, 14]. Описание магнитных облаков выполняется также на не бессиловых моделях, в которых учитывается наличие в облаке не нулевой перпендикулярной компоненты тока [15]. Все эти модели и приближения согласуются

друг с другом и, как показано в [14], усложнение модели в действительности не ведет к существенным уточнениям в основных параметрах облаков (величина магнитного поля на оси облака, его радиус, прицельный параметр по отношению к Земле, угол наклона к плоскости эклиптики). Именно эти характеристики облаков являются ключевыми с точки зрения их геоэффективности. Таким образом, при решении задачи установления геомагнитной эффективности облаков можно остановиться на простейшей бессиловой модели.

В последнее десятилетие для изучения явлений космической погоды широкое распространение получил метод многоспутниковых наблюдений. Такой подход дает возможность рассматривать эволюцию событий в межпланетном пространстве, при достаточно большом расстоянии между КА, или получать их трехмерные структуры, если КА находятся относительно близко друг к другу. Многоспутниковые наблюдения используют и для изучения магнитных облаков. Например, в работе [16] на основе анализа многоспутниковых наблюдений магнитного облака уточняется модель описания его структуры, а работа [17] посвящена особенностям эволюции магнитного облака на протяженной трассе (от КА ACE до Ulysses). Однако изучение геоэффективных свойств магнитных облаков обычно проводится по данным с одного КА, находящегося вблизи Земли [4, 8]. При этом рассматриваются события "движущиеся" строго на Землю. По таким исследованиям сложно сделать вывод о влияния прицельного параметра магнитного облака на его геоэффективность, т.е. вероятность вызвать магнитосферную бурю, так как все рассматриваемые магнитные облака точно пройдут через Землю. В нашей работе для изучения этой зависимости используются данные многоспутниковых наблюдений магнитных облаков на трассе Венера-Земля, т.е. выполняется анализ результатов регистрации одних и тех же событий на разных расстояниях от линии Солнце-Земля. При этом используются данные о параметрах солнечного ветра и межпланетного магнитного поля с КА Pioneer Venus Orbiter (PVO), находящегося около Венеры в стороне от линии Солнце-Земля, и спутниковой системы OMNI непосредственно перед земной ударной волной. Применение результатов многоспутниковых наблюдений в изучении геоэффективности облаков с учетом их расположения в пространстве позволяет сделать вывод о связи параметров облаков с геомагнитной активностью.

В данном исследовании поиск магнитных облаков в потоке данных с патрульных КА и вычисление их параметров проводился с помощью специально созданной компьютерной программы,

Рис. 1

основанной на модели бессиловой цилиндрической потоковой нити.

2. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МАГНИТНЫХ ОБЛАКОВ

Наиболее часто магнитные облака представляют крупномасштабными цилиндрическими бессиловыми магнитными потоковыми трубками, что означает параллельность (или антипараллельность) электрического тока линиям магнитного поля. В этом случае справедливо решение, предлагаемое в [18]. В данной работе так же использовано это решение для цилиндрического магнитного облака, ось которого направлена вдоль оси X (рис. 1). На рис. 1 представлена солнечно-эклиптическая система координат (XYZ) и система координат внутри облака ^^(^с). Ось облака составляет с плоскостью эклиптики угол £, в - азимутальный угол, отсчитываемый от оси X в плоскости эклиптики. Подробно создание модели магнитного облака представлено в Приложении. Уравнения (2)-(4) в Приложении описывают поведение компонент магнитного поля в облаке. Входящие в них функции Бесселя указывают на спиральное вращение магнитного поля внутри такой структуры.

Изучение конкретных магнитных облаков, направленное на поиск их параметров, выполнялось на основе уравнений (2)-(4) для компонент магнитного поля в солнечно-эклиптической СК с достижением наименьшего среднеквадратичного отклонения модельных результатов от экспери-

0.8 0.4 0

-0.4

-0.

Орбита

в III-IV.1979 + XII.1979-III.1980 ■ X.1980-I.1981 □ VII-IX.1981 ♦ V-VIII.1982 О III-VI.1983

А XII.1983-III.1984 д X.1984-I.1985 • VII-X.1985 ° VII-VIII.1986 и III-VI.1987 х XII.1987-III.1988

-0.8 -0.4 0 0.4 0.

Рис. 2. Расположение КА РУО относительно линии Солнце-Земля. Пунктир - орбита Венеры, сплошные линии ■ участки траектории КА РУО. Справа указаны интервалы, когда КА находился сбоку от линии Солнце-Земля [14].

ментальных данных. При этом минимальное расхождение вычислялась по формуле:

х2 = £[(бх - вМ)2 + (в у - <)2 + (вг - вМ)2 ]ят\

Реально, для оценки качества моделирования использовался модифицированный %2, учитывающий относительные отклонения:

_ X [(B , - BM)2 + ( By - вM)2 + ( Bz - вM) 2 -

M 2

2-,

2

Xnorm

BÖ N

Здесь Вх, Ву, В1 - экспериментальные данные, ВМ,

пМ пМ п

Ву , Вг - модельные, В0 величина магнитного поля на оси облака, а N - число точек в ряду данных для данного облака.

Результаты моделирования конкретных облаков приведены ниже в разделах посвященных изучению их геоэффективности.

3. ОТБОР СЛУЧАЕВ МАГНИТНЫХ ОБЛАКОВ ДЛЯ АНАЛИЗА

Для изучения влияния локализации и ориентации облаков в межпланетном пространстве на геомагнитное поле использовались данные по параметрам солнечного ветра и компонентам ММП (в период с 1979 по 1988 г) с КА PVO (орбитальный КА вблизи Венеры, [http://lewes.gsfc. nasa.gov/cgi-bin/cohoweb/selector1.pl?spacecraft=pvo]), когда он находился в стороне от линии Солнце-Земля [19] и данные со спутниковой системы OMNI [http://www.ngdc.noaa.gov] в те же интервалы времени. На рис. 2 представлено расположение КА PVO относительно линии Солнце-Земля за изучаемые периоды времени. В дополнение, исследовались интервалы, когда КА PVO находился

вблизи линии Солнце-Земля. За все рассмотренные периоды было обнаружено, выполнено моделирование и изучена геоэффективность 8 магнитных облаков (таблица).

Поиск магнитных облаков в потоке данных проводился специально созданной компьютерной программой, основанной на модели бессиловой цилиндрической потоковой нити. В процессе работы программы выполняется перебор возможных значений параметров магнитных облаков, определяются значения компонент магнитного поля (согласно (2)-(4) в Приложении), и вычисляется их среднеквадратичное отклонение от зарегистрированных реальных данных. Работа программы направлена на установление интервалов магнитных облаков заданной длины путем минимизации среднеквадратичного отклон

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 «Космические исследования»