КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2012, том 50, № 1, с. 35-41
УДК 550.385
СВЯЗЬ ИОНОСФЕРНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ С ИНДЕКСАМИ МАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ © 2012 г. Д. Ш. Ширапов
Отдел физических проблем при Президиуме Бурятского научного центра СО РАН г. Улан-Удэ
shir@esstu.ru Поступила в редакцию 25.01.2010 г.
Исследованы связи электрических полей в дневном и ночном секторах полярной ионосфере с индексами магнитной активности авроральной области ЛЬ и северной полярной шапки РС№ Установлены, что связи между ними существуют и описываются: а) уравнениями иР^ (кВ) = 27.62 + + 21.43РСК с коэффициентом корреляции Я = 0.87 и и® (кВ) = 4.06 + 49.21РСМ - 6.24РСМ2 между разностью электрических потенциалов через полярную шапку в дневном секторе Ц® и РСМ; б) уравнением регрессии и(кВ) = 23.33 + 0.08|ЛЬ| с Я = 0.86 между разностью электрических потенциалов через полярную шапку в ночном секторе и® и |ЛЬ|. Показаны: а) возможность использования индексов ЛЬ и РСМ для оперативной диагностики мгновенных значений электрических полей в дневном и ночном секторах полярной ионосферы в ходе развития суббури; б) на фазе расширения суббури, вследствие калибровки значений РСМ со значениями электрического поля солнечного ветра Esw, индекс РСМ не фиксирует вклад западной электроструи, соответственно, и вклад ночного
ионосферного электрического поля и®, контролируемого пересоединением в хвосте магнитосферы.
1. ВВЕДЕНИЕ
2. ДАННЫЕ
В работе [1] были исследованы закономерности изменения ионосферных электрических полей в дневном UPC (контролируемом электрическим полем солнечного ветра) и ночном U^ (контролируемом пересоединением в хвосте магнитосферы) секторах в ходе развития суббури, соответствующие модели конвекции ионосферной плазмы [2—4, ссылки см. там].
В настоящее время, пока не существуют способов определения мгновенных электрических полей по всей полярной ионосфере, кроме расчета на основе "техники инверсии магнито-грамм"(ТИМ) [5] и подобных им методов KRM [6], AMIE [7]. Поэтому представляет несомненный интерес простой способ оперативной диагностики вариации крупномасштабных электрических полей в дневном и ночном секторах полярной ионосферы, описывающий динамику изменений этих полей в ходе суббури [1].
В данной работе решается эта задача путем установления связи ионосферных электрических полей в двух вышеупомянутых секторах с индексами магнитной активности, которые контролируются ионосферными токами, зависящими, в основном, от электрических полей в высокоширотной ионосфере.
Исходными данными являются стандартные индексы магнитной активности в авроральной зоне Ли, ЛЬ (рис. 1, верхний) и индекс магнитной активности в северной полярной шапке (полярный индекс) РСМ [8, 9], интенсивность эквивалентного околополюсного тока /рс (для области с геомагнитной широтой Ф > 85°) и Н — компонента поля геомагнитных вариаций, измеренная на станции ТЬи1е (Ф = 88.8°) (рис. 1, нижний). Также максимальные разности электрических по-
7Т(1)
тенциалов через полярную шапку в дневном ирс и ночном иР2 секторах (рис. 2, полужирные кривые). Мгновенные значения иР^, иР2 и /рс, относящиеся к 4 последовательным суббурям CDЛW-9С 3.У.1986 г. [10—13], всего в количестве N = 137 для каждого параметра были рассчитаны на основе ТИМ через 6 минут в интервалах (00.00—01.30) и (02.18—12.00) ЦТ а в интервале (01.30—02.18)
через 2 минуты. Значения U¿С и Uбыли использованы и тестированы в [1, 14], поэтому подробности и способ их вычисления см. там.
На рис. 1 сплошными вертикальными линиями показаны фазы суббурь, определенные в [10— 13]. Римскими цифрами I, II, III и IV отмечены фазы суббури: роста, 1-я активная, 2-я активная — расширения и восстановления. Одна и две звез-
г(2)
35
3*
дочки соответствуют началам 1-й и 2-й активных фаз. Интервалы (00.00-00.15) и (00.15-00.50) ИТ относятся к фазам расширения и восстановления предшествующей суббури, а интервалы (00.5001.11), (01.11-01.30) и (01.30-01.55) ИТ - к фазам: роста, 1-й активной и расширения 1-й суббури, соответственно. Интервал (01.55-03.00) ИТ, где происходит наложение фазы восстановления
1-й суббури с фазой роста 2-й, назовем фазой наложения.
В таблице приведены коэффициенты корреляции Я (на пересечениях строк и столбцов) между исходными данными из рис. 1 и 2. Выше главной диагонали лежат значения Я для всего интервала (00.00-12.00) ИТ при N = 137, ниже - для интервала (01.30-02.18) ИТ при N = 25. Из таблицы
Таблица
Исходные данные АН АИ РСК н ^ре иа) ре и(2) ре
|АЬ| 0.789 0.827 0.930 0.909 0.741 0.857
АИ 0.753 0.724 0.822 0.793 0.710 0.727
РСМ 0.025 -0.004 0.917 0.922 0.869 0.718
н 0.780 0.725 0.228 0.969 0.774 0.863
^ре 0.610 0.529 0.588 0.798 0.761 0.837
и(1) и ре -0.255 -0.242 0.821 -0.159 0.309 0.614
и(2) и ре 0.674 0.745 -0.225 0.690 0.443 -0.443
Примечание. Значения коэффициента корреляции Я между исходными данными: выше главной диагонали для интервала (00.00-12.00) ИТ при N = 137, ниже - для интервала (01.30-02.18) ИТ при N = 25.
^pc-
150
100
50
Up2> кВ 150 г
100 :
50 -
PCN 4
3
2
1
0
|AL|, нТл 1200
900
600
H 300
0
12 UT
Рис. 2
видно, что значения R для интервала (00.00— 12.00) UT высокие и больше 0.61, что согласуется с общим назначением этих параметров — меры контроля магнитной активности в полярной ионосфере. В тоже время, между значениями R, относящимся к отдельным зонам магнитной активности (околополюсной — PCN, H, Jpc и авроральной — AL, AU), имеются существенные различия. Между параметрами околополюсной зоны значения R > 0.92 (полужирные цифры), а для авроральной R > 0.79 (волнистая цифра). Если близкие к функциональной связи между (PCN, H, Jpc) вызваны тем, что эти параметры рассчитываются (с различным вкладом) на основе магнитных измерений станций Thule, то относительно низкий R между AL и AU вызван различием источников (западная и восточная электроструи). Из анализа R между индексами авроральной активности (AL, AU) и всеми другими параметрами (PCN, H, Jpc,
UpC), Up2)) следует, что корреляционная связь с AL выше, чем с AU (таблица — строки 1 и 2). Это связано с тем, что индекс AL на активных фазах суббури служит, в основном, мерой активизации первичного источника, находящегося в ночном
хвосте магнитосферы, в то время как ЛЦ является мерой возмущенности источника, находящегося в ионосфере, т.е. связан со следствием. Отметим, что высокие корреляционные связи между (РСМ, |ЛЬ|) Я = 0.83 и (РСМ, ЛЦ) Я = 0.72 согласуется с выводами [15—17].
3. ОБСУЖДЕНИЕ И ЗАКЛЮЧЕНИЯ В работе [8] показано, что между электриче-
ским
полем
солнечного
ветра
Esw —
= VyJ B2y + B] sin2(9/2) (где V — скорость солнечного ветра, By и Bz — азимутальная и вертикальная компоненты межпланетного магнитного поля (ММП), 9 — угол между направлением вектора магнитного поля Земли и полным вектором ММП) и индексом PCN существует высокая корреляция. Далее в [18] была исследована связь среднего по околополюсной области (исправленная геомагнитная широта Ф' > 85°) ионосферного электрического поля Epc с индексами магнитной активности в полярных шапках PCN и PCS (южной). Значениями Epc служили их измерений на спутнике DMSP орбиты, которых проходили при-
ире, кВ
120 -
100 -
80 -
60 -
40 -
20
0
Црс, кВ
140
120 -
100 -
80 -
60 -
40 -
20 -
Я = 0.87
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5
РСМ
Я = 0.86
.,1 ••• _
• •• * * . . ^^т.•* * г **
150
300
450
600
750
900
1050 1200 |АЬ|, нТл
Рис. 3
близительно вдоль меридиана утро-вечер при Ф' > 85°. Было установлено, что связь между ними нелинейная из-за насыщения Ере при значениях РС > 6 (см. фиг. 1 из [18]). В работе [19] было продолжено исследование связи Ере с индексом РС с использованием данных относящихся к 12 сильнейшим бурям 2000 года. Было также обнаружено насыщение величины Ере при значениях РС > 18 (см. фиг. 6 из [19]), вызванное (по мнению авторов) повышенной проводимостью ионосферы полярной шапки, созданной бомбардировкой ускоренными солнечными протонами с энергиями (1-10) МэВ. Аналогичное исследование было проведено в работе [20] по данным 40 дней из интервала 1.111-10. IV. 1998 года. Были использованы: а) усредненные за 20 минут значения разности электрических потенциалов Фрс (приближенный аналог и), вычисленные по данным измерений на спутнике ВМЗР-В13, траектории, которой пролегали параллельно меридиану утро-
вечер при Ф' > 82°, б) соответствующие значения РСМ. Были установлены существования: 1) корреляционной связи с Я = 0.88 и уравнением регрессии Фрс(кВ) = 17.9 + 28.9РСМ (рис. 3, верхний -тонкая прямая), 2) насыщения Фрс при РСМ > >3.5 (см. фиг. 3 из [20]).
Из результатов вышеперечисленных работ следует, что должна существовать тесная связь
между и (С и РСМ. Проверка с использованием, в качестве критериев связи, коэффициента корреляции Я и среднеквадратичной погрешности ^ показала, что это действительно так. Из рис. 2 (верхний) видно, что в среднем кривые ии РСМ изменяются подобным образом. А распределение
значений и и РСМ (рис. 3, верхний) показывает, что связь между ними можно описать уравнениями двух видов. Уравнением регрессии
и (1) (кВ) = 27.62 + 21.43РСМ
^рс, к
150 г
100
50
50
Ц2)
рс
150
100
^рс, к
150 г
100
50 -
12 ЦТ
Рис. 4
(рис. 3, верхний — полужирная прямая) с коэффициентом корреляции Я = 0.87 и среднеквадратичной погрешностью s1 = 1.7%, которое хорошо согласуется с прямой регрессии Фрс [20] приближенного аналога ир^ (рис. 3, верхний — тонкая прямая). Также нелинейным уравнением, вычисленным методом наименьших квадратов
(рис. 3, верхний — кривая линия) со среднеквадратичной погрешностью s2 = 1.4%. Указанные выше среднеквадратичные погрешности рассчиты-
вались по формуле ^ =
1"7( и, - )2
I,: и
100%, где
ирс)(кВ) = 4.06 + 49.21РСМ — 6.24РСМ2 (2) Ц — значения и^, полученные на основе ТИМ,
(1)
Ui — значения UpC, восстановленные по (1) и (2), соответственно, при вычислениях s1 и s2.
Альтернативный способ аппроксимации (2)
стал возможным из-за "насыщения" UPC при PCN > 3.5 (рис. 3, верхний: треугольники и звездочки). Значения UPC, показанные треугольниками, относятся к интервалу (00.
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.