КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2007, том 45, № 1, с. 3-11
УДК 523.6: 523.985.3
СТАТИСТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕЛИОСФЕРНЫХ УСЛОВИЙ, ПРИВОДЯЩИХ К МАГНИТНЫМ БУРЯМ
© 2007 г. Ю. И. Ермолаев, М. Ю. Ермолаев, И. Г. Лодкина, Н. С. Николаева
Институт космических исследований РАН, г. Москва yermol@iki.rssi.ru Поступила в редакцию 27.12.2005 г.
В работе на основании базы данных OMNI проводится исследование временного хода параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля для 623 магнитных бурь в период 1976-2000 гг. Анализ проводится методом наложения эпох (за начало эпохи взято время начала магнитной бури) для 5 различных категорий бурь, возбужденных различными типами солнечного ветра: CIR - 121 буря, Sheath - 22, МС - 113 и "неопределенный тип" - 367, а также для "всех бурь" - 623 бури. Полученные данные, с одной стороны, подтверждают полученные ранее результаты без селекции интервалов по типам солнечного ветра, а с другой стороны, указывают на имеющиеся различия в ходе параметров для различных типов солнечного ветра. Хотя наименьшие значения ^-компоненты ММП наблюдаются в МС, наименьшие значения .D^-индекса достигаются в Sheath. Таким образом, наибольшие магнитные бури, в среднем, возбуждаются во время Sheath, а не во время тела МС, возможно, за счет более высокого давления в Sheath. Более высокие значения параметров nkT, T/Texp и в наблюдаются в CIR и Sheath, и более низкие в МС, что соответствует физической сущности этих типов солнечного ветра.
PACS: 96.50.Uv, 96.50.Qx, 94.30.Lr
1. ВВЕДЕНИЕ
Одним из ключевых вопросов солнечно-земной физики является определение условий в солнечном ветре, ответственных за возбуждение магнитосферных возмущений вообще и магнитных бурь в частности. Хотя уже давно прямые измерения в межпланетной среде показали, что геомагнитные бури связаны в основном с ориентацией межпланетного магнитного поля (ММП) в южном направлении, т.е. с Bz < 0 [1, 2], и к настоящему времени накоплен и проанализирован большой экспериментальный материал об условиях в межпланетной среде и в магнитосфере во время магнитных бурь (см., например, статьи и обзоры [3-16] и ссылки в них), многие вопросы остаются открытыми до сих пор.
В обычном квазистационарном солнечном ветре магнитное поле лежит в плоскости эклиптики, и он вообще не содержит значительной и длительной В2-компоненты ММП, достаточной для возбуждения магнитной бури. Однако некоторые возмущенные типы течений солнечного ветра, прежде всего такие, как магнитные облака (magnetic cloud - MC) и области сжатия на границе медленного и быстрого потока солнечного ветра (corotating interaction region - CIR), могут содержать большую и длительную В2-компоненту ММП, в том числе, и южной ориентации, которая приводит к магнитной буре ([6, 9, 17-21]). Хотя эти факты хорошо известны и широко обсужда-
ются в научной литературе, их анализ страдает рядом недостатков.
1. При анализе временного хода параметров солнечного ветра во время магнитной бури не делается селекции интервалов солнечного ветра по
типам течений (см., например, одну из последних1 работ [8]). Любая другая селекция интервалов (например, по фазам цикла солнечной активности) приводит лишь к различному соотношению типов солнечного ветра в усредненном временном ходе параметров, и эти усредненные параметры могут не иметь ничего общего с реально наблюдаемыми параметрами солнечного ветра, так как, например, в CIR наблюдаются значения температуры, концентрации и ^-параметра выше средних значений, а в МС - ниже, и усредненные значения будут отличаться как от наблюдаемых в CIR, так и в МС.
2. Если селекция типов солнечного ветра производилась, то анализировался лишь сам факт наличия того или иного типа течения без статистической обработки временного хода параметров, или временной ход изучался для отдельных собы-
1 Когда статья уже была сдана в печать, была опубликована работа (Zhang J.-C., Liemohn M.W., Kozyra J.U. et al. A Statistical comparison of solar wind sources of moderate and intense geomagnetic storms at solar minimum and maximum // J. Geo-phys. Res. 2006. V. 111. doi: 10.1029/2005Ja011065.), в которой также не проводится селекция по типам течений солнечного ветра (http://arxiv.org/abs/physics/0603251).
тий без статистического выявления характерных черт для данного типа солнечного ветра (см. например, [6, 9, 17, 20]).
Необходимо отметить работу [22], в которой приводится временной ход основных параметров солнечного ветра и ММП для магнитных бурь во время CIR и MC. Дело в том, что длительности CIR и MC составляют в среднем около суток и, как правило, не превышают 2-х суток, а согласно приведенному в работе рисунку, параметры рассчитывались на интервале от -3 до +5 суток относительно минимума Д^-индекса, т.е. на интервале 8 суток. Сравнение длительности интервала обработки с длительностями CIR и MC вызывает вопрос о возможности такого расчета и естественные сомнения в правильности использованной методики обработки данных.
В настоящей работе мы продолжаем исследование условий в солнечном ветре, вызывающих магнитные бури [6, 23]. Для этой цели мы на основе базы данных OMNI анализируем методом наложения эпох межпланетные условия для 623 магнитных бурь с Dst < -60 нТ для периода 1976-2000 гг., при этом мы рассматриваем отдельно различные типы солнечного ветра. В отличие от нашей предыдущей работы [6], в которой мы исследовали CIR и MC, в этой работе мы рассматриваем раздельно область самого магнитного облака и область сжатия перед магнитным облаком (Sheath), природа образования которого близка к CIR, только вместо быстрого потока солнечного ветра роль поршня в этом случае играет МС.
2. ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ
Для анализа были выбраны 623 магнитные бури с Dst < -60 нТ для периода 1976-2000 гг., для которых в базе данных OMNI были измерения параметров солнечного ветра и/или ММП. Для интервалов, включающих период перед бурями и после ее
Число бурь 70
60 50 40 30 20 10
п.П.П.п.П
|„|п|П|п|П
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Длительность главной фазы бури, часы
Рис. 1. Гистограмма длительностей главной фазы магнитных бурь с < -60 нТ для периода 1976-2000 гг.
начала, были определены типы течений солнечного ветра, и моменты начала (онсеты) магнитных бурь распределились по типам солнечного ветра следующим образом: CIR - 121 буря, Sheath -22, МС - 113 и "неопределенный тип" - 367. К "неопределенному типу" были в основном отнесены либо интервалы, для которых отсутствие каких-либо параметров не позволяло провести надежную идентификацию типа течения, либо явление имело настолько сложный характер, что не позволило однозначно выделить продолжительные интервалы какого-нибудь одного из приведенных типов течений. Таким образом, межпланетные условия (типы течений) были определены для магнитных бурь, составляющих менее половины всех бурь, причем этот процент наиболее низок в начале 25-летнего интервала и возрастает к середине 90-х годов, когда началось практически непрерывное патрулирование солнечного ветра. Для сравнения с работами, не учитывающими существование различных типов солнечного ветра, были определены параметры и для всех бурь без селекции, и эти результаты приводятся с обозначением "все бури".
Что касается определения типов солнечного ветра, то необходимо отметить, что хотя качественно многие исследователи сходятся в определении этих типов течений, существуют количественные расхождения как по количеству используемых для идентификации параметров, так и по численным значениям параметров при использовании пороговых критериев. Это приводит к тому, что для отдельных событий идентификация может быть неоднозначной и зависеть от используемых критериев, поэтому такие случаи мы отнесли к "неопределенному типу". Более точно использованные нами критерии описаны в работе [6], при этом критерии определения Sheath использовались такие же, как и для CIR, но в отличие от CIR за Sheath наблюдатся MC, а не высокоскоростной поток солечного ветра.
Для исследования временного хода параметров межпланетной среды вблизи онсета магнитной бури использовался метод наложения эпох, аналогичный методу, описанному в работе [8], но отличающийся тем, что мы предварительно провели селекцию интервалов на 4 типа солнечного ветра. Необходимо сделать небольшой комментарий о том, что выбирать в качестве нулевой эпохи (время "ноль") при использовании данного метода. Дело в том, что в подавляющем большинстве работ, использующих этот метод, в качестве нулевого времени использовалось время минимума Д^-индекса. На наш взгляд, этот подход годится для исследования межпланетных причин окончания главной фазы бури, но не причины начала бури. Дело в том, что момент минимума Д^-ин-декса может отстоять от начала бури на разное время. Рис. 1 показывает гистограмму временной
длительности главной фазы для всех бурь из нашего набора данных. Нужно отметить, что визуальный анализ временного хода D^-индекса показал, что практически для всех бурь с длительностью главной фазы более 15 часов профиль D^-индекса нельзя назвать монотонным, а, следовательно, магнитную бурю нельзя считать изолированной. Таким образом, длительность главной фазы изолированной бури варьируется, по нашим данным, от 2 до 15 часов (среднее составляет 7 ± 4 часа). Это означает, что если за нулевое время взято время минимума D^-индекса, то в области времен, предшествующих на 2-15 часов минимуму D^-индекса, будут усредняться параметры как до, так и после онсета, и в этом случае по результатам анализа нельзя судить о том, какие вариации параметров непосредственно вызывали начало бури.
С учетом выше сказанного мы взяли за нулевой отсчет первую точку, соответствующую резкому уменьшению D^-индекса (см. рис. 2). Точки главной фазы бури аппроксимировались кубической функцией, что с одной стороны, позволило сгладить профиль в случае негладкого профиля D^-индекса, а с другой стороны, позволило более надежно выбрать нулевую точку, опираясь, прежде всего, на совокупность всех точек главной фазы, а не на отдельные точки вблизи SSC и онсета. Так как CIR, Sheath и МС имеют длительность меньше длительности
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.