ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2010, том 50, № 1, с. 51-60
УДК 550.386
УТРЕННИЕ ПОЛЯРНЫЕ СУББУРИ И ВАРИАЦИИ АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
© 2010 г. Н. Г. Клейменова1, О. В. Козырева1, М. Кубицки2, С. Михновски2
Институт физики Земли РАН, Москва 2Институт геофизики Польской Академии Наук, Варшава e-mail: kleimen@ifz.ru Поступила в редакцию 20.07.2009 г.
Исследуются эффекты утренних магнитосферных суббурь в вариациях приземного атмосферного электричества по данным наблюдений вертикальной компоненты электрического поля (Ez) в полярной обс. Хорзунд (арх. Шпицберген). Анализируются данные Ez, полученные в условиях "хорошей погоды", т.е. в отсутствие сильного ветра, осадков, тумана. Анализ данных наблюдений показал, что, как правило, развитие магнитосферной суббури в утреннем секторе Земли сопровождается положительными отклонениями в Ez, не зависимо от нахождения обс. Хорзунд — в полярной шапке или на ее границе. Во всех рассмотренных событиях обс. Хорзунд находилась вблизи центра утреннего вихря конвекции. В вечернем секторе, когда обс. Хорзунд попадала в область вечернего конвективного вихря, развитие геомагнитной суббури сопровождалось отрицательными отклонениями в Ez. Сделан вывод, что вариации атмосферного электрического поля (Ez) в полярных широтах, наблюдаемые во время развития магнитосферных суббурь, являются результатом проникновения к земной поверхности электрических полей полярной ионосферной конвекции, усиливающихся во время суббури.
PACS: 94.30.Lz, 94.30.Ms
1. ВВЕДЕНИЕ
Эффекты магнитосферных возмущений в вариациях градиента потенциала атмосферного электрического поля (Ez) в высоких широтах наблюдались неоднократно [Sao, 1967: Olson, 1971; Жданов и др., 1984; Бандилет и др., 1986; Пумпян и др., 1987; Апсен и др., 1988; Michnowski et al., 1991; Клейменова и др., 1995, 1998; Michnowski, 1998; Tinsley et al., 1998; Recroft et al., 2000; Belova et al., 2001; Frank-Kamenetsky et al., 2001; Nikiforo-va et al., 2002, Никифорова и др., 2003; Kozyreva et al., 2007; и ряд других работ]. В этих работах было показано, что развитие ночных магнитосферных суббурь проявляется в вариациях приземного атмосферного электрического поля (Ez), регистрируемых в авроральных широтах, как резкое кратковременное уменьшение Ez. При этом в подготовительную фазу суббури в более высоких широтах наблюдались положительные отклонения в Ez, которые с началом фазы развития суббури переходили в отрицательные. Известно, что при значительной геомагнитной активности (Kp > 3) магнитосферные суббури возбуждаются преимущественно в послеполуночном секторе.
Исходя из этого, целью данной работы является исследование возможного влияния геомагнитных суббурь, развивающихся в утреннем секторе магнитосферы, на вариации Ez по данным на-
блюдений в полярной обс. Хорзунд (арх. Шпицберген).
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ БАЗА ДАННЫХ
Наши исследования основывались на анализе наземных наблюдений вариаций Е1 на архипелаге Шпицберген в обс. Хорзунд (НОЯ, Ф' = 74.0°, Л'= 110.5°). В ночные часы местного геомагнитного времени в магнитоспокойных условиях эта обсерватория обычно проектируется в область полярной шапки, а в дневные — вблизи полярного каспа. В утренние и вечерние часы в зависимости от уровня геомагнитной активности проекция этой обсерватории может находиться как внутри аврорального овала, так и в области его полярной границы. В магнитовозмущенных условиях авро-ральный овал смещается в сторону более низких широт, и обс. Хорзунд оказывается в области полярной шапки, не зависимо от местного времени. На рис. 1 приведено несколько примеров различного положения проекции этой обсерватории относительно аврорального овала, определенного по модельным расчетам для конкретного интервала времени, основанным на наблюдениях отдельных пролетов спутников через полярную шапку (модель ОУАЮМ [http://sd-www.jhuapl.edu/Au-гога/]). Из приведенных примеров видно, что в магнитоспокойных условиях при Кр < 2 обс. Хо-зунд проецируется в полярную шапку в ночное
51
4*
День Kp < 2 Ночь
18.12.2003 г. 12 UT 18.12.2003 г. 22 UT
а
60 .
¿ft
0 40
26.02.2004 г. 12 UT
26.02.2004 г. 22 UT
День KP > 4
25.07.2004 г. 08 UT
День 10.11.2004 г. 12 UT
Рис. 1. Положение обс. Хорзунд относительно проекции аврорального овала в различное время суток при разном уровне магнитной активности: а — в магнитоспокойное время (Кр < 2); б — в магнитовозмущенное время (Кр > 4). Кружком показано положение обс. Хорзун.
время и в область аврорального овала в дневное время. В магнитовозмущенное время с Кр > 4, когда область полярной шапки значительно расширяется, то не только в ночное, но и в дневное время обс. Хорзунд (рис. 1б) может оказаться в полярной шапке или на ее экваториальной границе.
Регистрация Ez в обс. Хорзунд проводится с помощью электростатического флюксметра, т.е. вращающегося диполя (field mill), и радиоактивного коллектора. Детальное описание аппаратуры приведено в работе [Kibicki, 2001]. Сопоставление одновременной регистрации Ez на разных
приборах обеспечивает надежность результатов наблюдений. Для анализа использовались только данные, полученные в условиях "хорошей погоды". Это означает отсутствие локальных возмущений приземного электрического поля, вызванных наличием сильного ветра (скорость больше 6 м/с), низкой облачности, осадков в виде снега или дождя, поземки, тумана и т.д. Эти ограничения особенно важны в полярных широтах, где движение частичек снега и льда, взвешенных в воздушном потоке, приводит к возбуждению сильных электрических флуктуаций, значительно превышающих эффекты магнитосферного и ионосферного источников [Гульельми и др., 1994; Burns et al., 1995; Frank-Kamenetsky et al., 2001]. В полярных широтах условия "хорошей погоды" выполняются далеко не всегда. Так, в обс. Хор-зунд этим условиям удовлетворяет не больше 10— 15% непрерывной регистрации, что затрудняет проведение статистического анализа данных. К подобному выводу пришли и авторы работы [Burns et al., 1995] при анализе данных наблюдений Ez в обс. Девис в Антарктике. Интервалы "хорошей погоды" длительностью более 2-х часов составляли всего около 14% наблюдений.
В настоящей работе использовались данные наблюдений Ez в обс. Хорзунд в 2004—2006 гг. Для исключения сезонных эффектов исследовались в основном периоды равноденствия (март, октябрь, ноябрь). В эти месяцы в полярных широтах в приземной атмосфере отсутствует обменный слой и турбулентные конвекционные токи малы [Park, 1976; Имянитов и др., 1980], вследствие чего суточные вариации величин Ez оказываются значительно меньшими, чем в средних широтах.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ
В исследуемые интервалы времени "хорошей погоды" в обс. Хорзунд для дальнейшего анализа было выбрано 12 суббурь, наблюдаемых в Хор-зунде в утренние часы местного геомагнитного времени в 2004—2006 гг. Анализ данных показал, что, в отличие от авроральных широт, все случаи рассмотренных утренних магнитных суббурь в полярной обс. Хорзунд сопровождались кратковременными (несколько часов) положительными отклонениями от среднесуточных значений Ez.
Рассмотрим несколько случаев более подробно.
Случай 3—4 ноября 2004 г. На рис. 2 показаны вариации Ez (в относительных единицах), магнитограммы полярных обс. NAL (Ф = 76°) и HOR (Ф = 74°) и двух авроральных обс. SOR (Ф = 67°) и SOD (Ф = 64°), а также вариации скорости (V) и плотности (Np) солнечного ветра и By и Bz компонент межпланетного магнитного поля (ММП) по данным 1-мин базы OMNI (ftp://nssdcftp/gs-fc.nasa/gov/spacecraft_data/omni/high_res_omni/mo
nthly_1min/) за 3—4 ноября 2004 г. Видно, что в 2022 UT 3 ноября (Кр = 4) после поворота Bz ММП к югу, авроральной зоне (обс. SOD, SOR, геомагнитная полночь ~21 UT) наблюдались интенсивные магнитные суббури с амплитудой порядка 500 нТл, сопровождаемые значительными отрицательными аномалиями (уменьшением) Ez в обс. Хорзунд. До 18 UT в этот день значительных вариаций в Ez практически не отмечалось. На другой день, 4 ноября 2004 г., в ~04—08 UT, после всплеска плотности солнечного ветра (т.е. резкого возрастания динамического давления) и поворота Bz ММП к югу, в обс. Хорзунд отмечалась полярная суббуря, подготовительная фаза и начало фазы развития которой сопровождалось значительными положительными отклонениями в Ez. В авроральной зоне суббурь в это время не было, поэтому суббурю в обс. Хорзунд можно отнести к так называемой "суббуре полярной шапки".
На рис. 3 показано положение проекции обс. Хорзунд относительно аврорального овала по модельным данным OVATION и вихрей полярной ионосферной конвекции по данным наблюдений на радарах SuperDARN [http://superdarn.jhua-pl.edu]. Видно, что в момент развития суббури полярной шапки (04—05 UT) и положительных отклонений в Ez обс. Хорзунд (HOR) находилась вблизи полярной границы аврорального овала и положительного центра утреннего конвекционного вихря.
Случай 3—4 сентября 2006г. На рис. 4, как и на рис. 2, показаны вариации Ez в обс. Хорзунд, магнитограммы нескольких обсерваторий скандинавского профиля IMAGE и условия в межпланетном пространстве за обсуждаемый интервал времени.
Слабая магнитная буря с Dstmin--40 нТл в ~06 UT
началась около 00.30 UT 4 сентября после резкого большого возрастания плотности давления солнечного ветра (с 6 до 23 см-3), на фоне которого наблюдались отдельные всплески отрицательных значений Bz ММП (до 8 нТл) при относительно большой положительной величине By ММП (+12-15 нТл). Развитие магнитной бури сопровождалось двумя суббурями в утреннем секторе авроральных широт (SOD-SOR): в ~00.30-01.30 UT (сразу по 03-06 UT). Наиболее интенсивной была вторая суббуря, максимум ее амплитуды наблюдался вблизи обс. SOR (Ф = 67.2°). На рис. 4 четко видна полярная экспансия этой магнитной суббури, в результате чего в обс. HOR (Ф = 74°) суббуря появилась почти на час позднее. Ее амплитуда была в несколько раз меньше, чем в аврораль-ных широтах.
В вариациях Ez также отмечалось два положительных отклонения. Возрастание значений Ez в обс. Хорзунд началось почти одновременно с развитием суббури в авроральных широтах, особенно четко это видно во втором
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.