научная статья по теме СООТНОШЕНИЕ МЕЖДУ ПОТЕНЦИАЛОМ ИОНОСФЕРЫ И ПРИЗЕМНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ В ЮЖНОЙ ПОЛЯРНОЙ ШАПКЕ Геофизика

Текст научной статьи на тему «СООТНОШЕНИЕ МЕЖДУ ПОТЕНЦИАЛОМ ИОНОСФЕРЫ И ПРИЗЕМНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ В ЮЖНОЙ ПОЛЯРНОЙ ШАПКЕ»

УДК 523.745;550.386

СООТНОШЕНИЕ МЕЖДУ ПОТЕНЦИАЛОМ ИОНОСФЕРЫ И ПРИЗЕМНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ В ЮЖНОЙ ПОЛЯРНОЙ ШАПКЕ

© 2011 г. Р. Ю. Лукьянова12, А. А. Круглов3, А. В. Франк-Каменецкий1, А. Л. Котиков3,

Г. Б. Бернс4, В. Д. Р. Френч4

1ГУАрктический и антарктический научно-исследовательский институт, г. Санкт-Петербург, 2Учреждение РАН Институт космических исследований, г. Москва 3Санкт-Петербургский государственный университет, г. Санкт-Петербург 4Австралийский Антарктический Дивизион, г. Кингстон, Австралия e-mail: renata@aari.nw.ru Поступила в редакцию 25.11.2010 г.

Получены соотношения между среднечасовыми значениями вертикального приземного электрического поля, измеряемого на ст. Восток в Антарктике, и потенциалом ионосферы над станцией. В обоих параметрах рассматривалась та часть, которая контролируется солнечным ветром, соответственно AEz и Uext. Для определения ионосферного потенциала применялись модели конвекции [Weimer, 1995] и [Lukianova and Christiansen, 2006], а также модель по данным системы радаров SuperDARN. Анализ проведен как на примере отдельных дней, так и на всей выборке 170 дней "хорошей погоды" за 1998—2000 гг. Для отдельного дня наилучший коэффициент корреляции (R) между AEz и Uext, полученный по трем моделям, составил соответственно 0.81, 0.80 и 0.88. Общий коэффициент корреляции для всего массива данных составил R = 0.24—0.32. В суточном ходе R изменялся от больших значений днем (R « 0.4) к меньшим значениям ночью (R « 0.1), при этом в ранние утренние часы наблюдалось некоторое повышение R. Особенности суточного хода R, по-видимому, отражают возможности адекватного описания структуры эквипотенциалей электрического поля ионосферы с помощью крупномасштабных стационарных моделей конвекции. В зависимости от ориентации межпланетного магнитного поля (ММП) R изменяется сложным образом, но общая тенденция состоит в его повышении при переходе от ММП By < 0 к By > 0. Этот факт объясняется асимметрией картин конвекции при противоположных знаках By.

1. ВВЕДЕНИЕ

Электрическое поле атмосферы очень изменчиво. Напряженность вертикальной компоненты поля (которая обычно много больше горизонтальной) у поверхности Земли достигает нескольких кВ/м при осадках, поземках и облачности. В так называемых "условиях хорошей погоды", т. е: в отсутствие всякого рода осадков, инея, тумана, нижней облачности и сильного ветра, напряженность атмосферного электрического поля Е1 у поверхности составляет около 150 В/м. В направлении этого поля в слабо проводящем воздухе течет электрический ток с плотностью несколько пА/м2. Величина Е1 меняется во времени и пространстве, причем колебания относительно среднего значения могут составлять от единиц до десятков процентов. Измерения электрического поля, тока и проводимости в условиях хорошей погоды могут дать много полезной информации для изучения электрического состояния атмосферы в рамках концепции глобальной электрической цепи. Грозы и сильно электрифицированные облака действуют как метеорологический (внутриатмосфер-ный) генератор и создают сравнительно медленно меняющуюся во времени (из-за пространствен-

ной/временной неравномерности грозовой активности) разность потенциалов иш ~ 240 кВ между ионосферой и поверхностью Земли [Магкюп, 2007]. Поскольку потенциал на поверхности Земли принимается равным нулю, иш можно называть просто метеорологическим потенциалом ионосферы. Считается, что этот потенциал в заданный момент времени одинаков во всех точках ионосферной оболочки независимо от широты. В высокоширотной части ионосферы (выше 60° геомагнитной широты) на иш накладывается потенциал от другого источника — магнитосферного. Распределение этого ионосферного потенциала, обозначаемого в дальнейшем ивх1, соответствует линиям конвекции ионосферной плазмы, которая непосредственно связана с движением плазмы в магнитосфере. Обычно картина конвекции (она же является картиной эквипотенциалей ивх1) представляет собой два вихря противоположной направленности с фокусами, расположенными в утреннем и вечернем секторах местного магнитного времни (МЕГ) на геомагнитной широте примерно 75°. Разность потенциалов поперек полярной шапки А и, то есть разность потенциалов в фокусах вихрей, является

важным параметром, характеризующим интенсивность конвекции. Однако, этот параметр не отражает значение Uext в ионосфере над заданной географической точкой поверхности Земли, где находится прибор, измеряющий атмосферное электрическое поле. И структура, и величина Uext в отличие от Uint весьма изменчивы во времени и пространстве, поскольку электрические поля магнитосферного происхождения контролируются солнечным ветром, а также проводимостью ионосферы. Таким образом, Uext может меняться в течение суток в достаточно широких пределах, например, ±50 кВ.

Связь вариаций атмосферного электрического поля с параметрами солнечного ветра, а также с вариациями ионосферного потенциала, показана в работах [Frank-Kamenrtsky et al., 2001; Corney et al., 2003, Burns et al., 2005; Kruglov et al., 2010]. Так, в работе [Frank-Kamenetsky et al., 2001] было показано, что на ст. Восток величина вариаций вертикального электрического поля коррелирует с Bz и By компонентами ММП. В работах [Burns et al., 2005; Corney et al., 2003] была получена статистически значимая связь величины усредненных вариаций приземного электрического поля в различные часы суток с потенциалом, рассчитанным по модели Веймера [Wimer, 1995].

В высокоширотных областях распределение Uext, в целом, соответствует структуре крупномасштабной квазистационарной конвекции. Кроме того, в ионосфере часто развиваются турбулентные процессы, к которым можно отнести суббури, дуги полярных сияний, нейтральные ветры и другие явления, модифицирующие распределение потенциала на локальном уровне.

В идеализированном случае в любой заданной точке высокоширотной области можно ожидать подобия в изменении атмосферного электрического поля и потенциала ионосферы над этой точкой. Однако, в реальности, не всегда можно получить четкую зависимость. Это обусловлено как проблемами измерения Ez, так и сложностью точного определения постоянно меняющегося под действием ММП потенциала ионосферы. Развитие моделей конвекции, основанных на различных подходах, является важной задачей для повышения достоверности в знании распределения ионосферного потенциала.

Данная работа посвящена изучению соотношений между приземным электрическим полем AEz, измеренным на ст. Восток в Антарктике, и потенциалом ионосферы непосредственно над точкой наблюдения (Uext) как на примере отдельных случаев, так и на большом массиве экспериментальных данных.

2. ДАННЫЕ И МОДЕЛИ 2.1. Приземное электрическое поле

Основным рассматриваемым параметром является атмосферное электрическое поле, измеряемое

на ст. Восток в Антарктике (геомагнитная широта — 83.6°; местный геомагнитный полдень соответствует ~13 UT). Для исследования вариаций атмосферного электрического поля необходимо, в первую очередь, разделить их на "внутренние", обусловленные грозовым источником, и "внешние", обусловленные взаимодействием солнечного ветра с магнитосферой Земли.

В работах [Park, 1978; Roble and Hays, 1978] рассмотрена аналитическая модель передачи потенциала из ионосферы к поверхности Земли и показано, что у поверхности Ez = —a U, где Ez — величина полного электрического поля у поверхности, а — коэффициент, характеризующий проводимость атмосферы над точкой наблюдения, U = Uint + Uext — суммарный потенциал ионосферы над точкой наблюдения, Ez=Ez0 + aUext, где Ez0 — электрическое поле, создаваемое внутриатмосферными источниками.

Таким образом, если мы имеем измеренное электрическое поле Ez и рассчитанный по модели (в данном случае использовалась модель Веймера) потенциал ионосферы Uext, то простой линейно регрессионный анализ позволяет получить грозовую часть измеренного поля Ez0 и коэффициент регрессии а, величину, пропорциональную проводимости столба атмосферы над точкой наблюдения. В работе [Kruglov et al, 2010] показано хорошее соответствие хода Ez,, полученного указанным способом для станции Восток, и кривой Карнеги для различных сезонов года.

В настоящей работе для каждого часа статистическое значение Ez0 вычиталось из реально измеренной величины Ez (полное вертикальное поле) и полученное значение AEz соотносилось с вариациями ионосферного потенциала над точкой наблюдения, рассчитанными по трем различным моделям конвекции.

2.2. Модели конвекции

Существует несколько эмпирических моделей конвекции ионосферной плазмы, основаных на сопоставлении значений электрического потенциала, измеряемого различными инструментами, с соответствующими значениями ММП [Heppner and Maynard, 1987; Richmond and Kamide, 1988; Weimer, 1995; Dremukhina et al., 1998; Papitashvili and Rich, 2002; Ruohoniemi and Greenwald, 2005]. Модели параметризованы по величине и направлению ММП и сезону года, что позволяет получить усредненные картины конвекции для различных комбинаций параметров.

Одним из новых инструментов, обеспечивших значительный шаг вперед в моделировании электродинамики высокоширотной ионосферы, стала группа европейских низкоорбитальных спутников с полярной орбитой, таких как Magsat, Oersted и Champ. Эти спутники, оснащенные чувствитель-

ными магнитометрами, выполнили большое количество магнитных измерений над E-слоем ионосферы. В результате обработки данных миллиона пролетов, была создана статистическая модель продольных токов (ПТ) для обоих полушарий и разных сезонов, параметризованная по величине и ориентации ММП [Papitashvili et al., 2002]. В дальнейшем, была проведена более детальная параметризация, позволившая получить карты ПТ для любого дня года и значений Bz и By с шагом 1 нТл. Соответствующие распределения ПТ в комбинации с распределением проводимости, зависящим от дня года, солнечной (/10.7 индекс) и геомагнитной (Кр индекс) активности, служат входными параметрами для численной модели конвекции [Lukianova and Christiansen, 2006]. Модель (называемая в данной работе LC06) является сравнительно новой, полученные результаты находятся в достат

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