УДК 550.385.37;550.385.1;551.590.21
СВЯЗЬ ПОТОКОВ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОНОВ НА ГЕОСТАЦИОНАРНОЙ ОРБИТЕ С УРОВНЕМ УНЧ АКТИВНОСТИ НА ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ И В СОЛНЕЧНОМ ВЕТРЕ В 23-М ЦИКЛЕ
СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ
© 2012 г. А. С. Потапов1, Б. Цэгмэд12, Л. В. Рыжакова3
Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск potapov@iszf.irk.ru
2Исследовательский центр астрономии и геофизики МАН, Улан-Батор, Монголия
tseg@iszf.irk.ru
3Иркутский государственный технический университет ryzhakvalarisa@rambler.ru Поступила в редакцию 28.09.2010 г.
Представлены результаты кросскорреляционного анализа, выполненного на основе метода ранговой корреляции по Спирмену, между суточными значениями флюенса энергичных электронов на геосинхронной орбите, интенсивностью наземных и межпланетных ультранизкочастотных (УНЧ) колебаний в диапазоне Рс5 и параметрами солнечного ветра за период 23-го цикла солнечной активности 1996—2006 годов. В качестве наземных данных взяты дневные (с 6 до 18 часов LT) магнитные измерения на двух диаметрально расположенных обсерваториях сети Интермагнет. Потоки электронов с энергией более 2 МэВ измерялись на геосинхронных спутниках GOES. Данные магнитометров и плазменных датчиков, установленных на космических аппаратах ACE и WIND, использовались для анализа параметров солнечного ветра и осцилляций межпланетного магнитного поля (ММП). Получен ряд результатов, высвечивающих роль межпланетных УНЧ волн в процессах генерации магнитосферных колебаний и ускорении энергичных электронов. Среди них высокая и устойчивая корреляция наземных УНЧ колебаний с волнами в солнечном ветре; более тесная связь среднесуточных амплитуд и межпланетных, и наземных колебаний с "завтрашними" значениями скорости солнечного ветра, чем с текущими; корреляция нормированной на напряженность ММП интенсивности УНЧ волн в солнечном ветре с потоками релятивистских электронов в магнитосфере.
1. ВВЕДЕНИЕ
Среди множества работ, посвященных длин-нопериодным устойчивым колебаниям геомагнитного поля (их альтернативные названия: геомагнитные пульсации типа Рс5, ультранизкочастотные (УНЧ) осцилляции, магнитосферные колебания и т.д.), целый класс статей касается тесной связи УНЧ колебаний со скоростью солнечного ветра (СВ) [1—7]. В последнее время интерес к самим пульсациям и к их связи с высокоскоростными потоками солнечного ветра был подогрет тем обстоятельством, что появились теоретические разработки [8—10], приписывающие этим магнитосферным колебаниям с частотой от долей до нескольких миллигерц заметную, если не основную роль в ускорении электронов радиационных поясов до релятивистских энергий (более 1—2 МэВ). Эти электроны представляют серьезную угрозу для работоспособности аппаратуры высокоорбитальных космических аппаратов, в частности, находящихся на геосинхронной орбите [11—12]. Популяция энергичных электронов усиливается после погружения земной маг-
нитосферы в высокоскоростной поток солнечного ветра. Таким образом, и УНЧ колебания, и потоки релятивистских электронов оказываются связанными со скоростью солнечного ветра, что подтверждается статистическими исследованиями [13—14, 7], в том числе и по данным измерений за цикл солнечной активности [15]. Однако во всех перечисленных работах использовались внутримагнитосферные наблюдения УНЧ активности. В то же время известно, что волны милли-герцового диапазона имеются и в солнечном ветре, более того, ряд авторов считает, что они могут быть прямым образом связаны с наземными УНЧ колебаниями [16—17]. С целью проследить взаимосвязи межпланетных и внутримагнитосфер-ных УНЧ осцилляций со скоростью солнечного ветра и с потоками релятивистских электронов на большом статистическом материале мы выполнили анализ одновременных наблюдений потоков энергичных электронов, наземных пульсаций типа Рс5, УНЧ волн в межпланетной среде и основных параметров солнечного ветра за период 23-го цикла солнечной активности 1996—2006 гг.
2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И ПРОЦЕДУРА ИХ ОБРАБОТКИ
Данные по релятивистским электронам за период 1996—2006 гг. были взяты с сайта http://www. swpc.noaa.gov/ftpmenu/warehouse.html, где имеются суточные значения флюенса (интегрального за сутки потока) электронов с энергией более 2 МэВ, начиная с 1996 г. Измерения частиц велись на борту геостационарных спутников GOES-7 (1996 г.), GOES-8 (1999-2002 гг.), GOES-9 (1997— 1998 гг.) и GOES-12 (2003—2006 гг.).
Для отслеживания активности УНЧ колебаний на поверхности земли в качестве исходного материала были взяты минутные данные двух почти диаметрально расположенных магнитных обсерваторий: Нурмиярви (NUR) с исправленными геомагнитными координатами Ф = 56.9°, Л = = 102.3°, и Ситка (SIT) Ф = 59.8°, Л = 280.3°. Обе станции входят в мировую сеть магнитных обсерваторий INTERMAGNET. В случае отсутствия данных за какие-то сутки на одной из этих станций использовались данные близлежащих обсерваторий сети INTERMAGNET. Для каждой из станций формировались годовые массивы минутных данных по трем компонентам. Эти массивы пропускались затем через полосовой фильтр Мармё [18] с частотами обрезания, равными 1 мГц и 5 мГц, чтобы получить годовые трехком-понентные ряды минутных значений УНЧ колебаний в диапазоне Рс5. Далее, поскольку различие в геомагнитной широте станций даже на три градуса дает ощутимую разницу в интенсивности регистрируемых колебаний, амплитуды осцилля-ций одной станции были приведены к амплитудам другой путем нормировки. Затем из полученных отфильтрованных и нормированных минутных значений трех компонент УНЧ, измеренных на двух диаметральных станциях, формировались суточные массивы, содержащие минутные значения только дневных часов, то есть использовались измерения, выполненные на каждой из станций с 6 до 18 часов местного времени. Для обсерватории NUR дневные часы соответствовали интервалу 04—16 UT а для обсерватории SIT — интервалу 16—04 UT Сделано это было для того, чтобы по возможности очистить данные от резких выбросов и иррегулярных вариаций, характерных в большей степени для ночных часов. (По этой же причине для анализа были выбраны станции, достаточно далекие от авроральных электроджетов, генерирующих сильные иррегулярные магнитные вариации, не имеющие отношения к пульсациям Рс5.) Затем по каждой из компонент вычислялись суточные значения среднеквадратичного отклонения и подсчитывались их усредненные по трем компонентам значения, которые в дальнейшем использовались в качестве суточных оценок интенсивности (амплитуды) А наземных УНЧ ко-
лебаний. Кроме того, c использованием полученных после фильтрации и нормировки массивов дневных значений, вычислялись суточные оценки спектральной плотности колебаний каждой из компонент, как функций частоты в диапазоне 1— 5 мГц на основе быстрого Фурье-преобразования и подсчитывалась суммарная по трем компонентам суточная спектральная плотность. Далее, в каждой из частотных полос 1—2, 2—3, 3—4 и 4—5 мГц находились суточные максимальные значения суммарной спектральной плотности Fgri (i = 1, 2, 3, 4) и соответствующих частот.
Аналогичные манипуляции производились с данными наблюдений УНЧ волн в солнечном ветре, кроме, естественно, объединения в один ряд дневных значений двух станций. В качестве исходных использовались данные с высоким временным разрешением, измеренные трехкомпо-нентными магнитометрами космических аппаратов ACE и WIND. Отбирались лишь измерения, выполненные вблизи точки либрации L1 на расстоянии около 1.5 млн. км от Земли вверх по потоку солнечного ветра (СВ). Наиболее однородным является ряд данных с 1999 по 2006 гг., когда использовались только 16-секундные измерения КААСЕ, непрерывно находившегося весь этот период в окрестности L1. Данные за время с 1996 по 1998 гг. пришлось комплектовать из измерений двух КА—АСЕ и WIND, причем в качестве данных КА WIND были взяты минутные значения, приведенные к головной ударной волне (то есть, с 45-минутным запаздыванием [19]) и выставленные на сайте GSFC/SPDF OMNIWeb (http://om-niweb.gsfc.nasa.gov). Поскольку мы в дальнейшем работали со среднесуточными величинами, то не принимали в расчет сдвиг, связанный с распространением солнечного ветра от точки либрации до головной ударной волны, составляющий обычно от 0.5 до 1.4 часа. Но нам было важно использовать измерения, не искаженные процессами, происходящими в так называемой предударной (preshock) области перед околоземным ударным фронтом. Измерения КА WIND, даже приведенные к положению головной ударной волны, этому условию удовлетворяли. Тем не менее, характеристики магнитометров и временное разрешение данных на КА ACE и WIND были разными. Поэтому полученный после описанной выше процедуры ряд суточных значений амплитуды межпланетных УНЧ волн S и суточных оценок спектральной плотности этих волн Fsi для периода 1996—1998 гг. оказался не совсем однородным, и в дальнейшем мы используем его ограниченно. Отметим, что помимо оценки амплитуды УНЧ волн по среднеквадратичному отклонению S магнитных измерений за сутки, отфильтрованных в диапазоне 1—5 мГц, мы использовали также суточные значения S/B —
км/с
400
Щ, 8
—3
см 3
6
В, нТ
Р 3
± dyn>
нПа
•'еЬ
Е > 2 МэВ
10
2 -
108 Г
120 Ж
80
- 40
1996
1998
2000 2002 Годы
2004
2006
Рис. 1. Вариации параметров солнечного ветра и флюенса релятивистских электронов в 23-м цикле солнечной активности.
амплитуды, нормированной на напряженность межпланетного магнитного поля (ММП).
Суточные значения напряженности ММП В, а также других параметров солнечного ветра: скорости потока У^, плотности плазмы N и динамического давления Р^,п, а также их среднеквадратичных отклонений были заимствованы нами на сайте http://omniweb.gsfc.nasa.gov.
Чтобы охарактеризовать тесноту связи между различными параметрами, мы, как и авторы работы [15], применяли метод ранговой корреляции по Спирмену. Дело в том, что, как было показано ранее в ряде работ [см. напр., 6, 15], соотношение между амплитудой и спектральной плотностью УНЧ колебаний, скоростью солнечного ветра и потоками электронов не является линейным, ни одна из этих случайных величин не подчиняется нормальному распределению. Коэф
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.