ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2012, том 52, № 5, с. 666-675
УДК 550.387.4
ВАРИАЦИИ ПРИЗЕМНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ВЫСОКИХ ШИРОТАХ И ПОТЕНЦИАЛ ИОНОСФЕРЫ ВО ВРЕМЯ МАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ
© 2012 г. А. В. Франк-Каменецкий1, А. Л. Котиков2, А. А. Круглов1, Г. Барнс3, Н. Г. Клейменова4,
О. В. Козырева4, М. Кубицки5, А. Оджимек5
ФГБУ Научно-исследовательский институт Арктики и Антарктики, г. Санкт-Петербург 2Санкт-Петербургский филиал института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН, г. Санкт-Петербург 3Австралийский Антарктический Дивизион, г. Кингстон, Австралия 4Институт физики Земли РАН, г. Москва 5Институт геофизики Польской Академии Наук, г. Варшава e-mail: al_frank@aari.ru Поступила в редакцию 18.11.2011 г.
Выполнен анализ одновременных наблюдений вариаций приземного электрического поля (Ez), нормированного на среднесуточное значение, в различных областях высоких широт в условиях умеренной геомагнитной возмущенности (Кр ~ 3). Данные наблюдений Ezполучены при "хорошей погоде" в южной полярной шапке на антарктической ст. Восток (Ф'= —83.5°), и в северном полушарии на арктической обс. Хорзунд (Ф' = 74.0°) на архипелаге Шпицберген вблизи полярной границы ав-рорального овала. Установлено, что в полярной шапке (ст. Восток) вариации атмосферного электрического поля контролируются вариациями потенциала ионосферы над точкой наблюдения с высоким коэффициентом корреляции (R ~ 0.7—0.9). В обс. Хорзунд ситуация сложнее. В интервалы, когда Хорзунд находился в области западного электроджета эта корреляция обычно была положительной с R ~ 0.60—0.85, а когда Хорзунд оказывался в области восточного электроджета корреляция могла стать отрицательной с R ~ 0.7—0.8. Обычно в такие интервалы полярнее Хорзунда регистрировался западный электроджет, и по данным радаров SuperDARN Хорзунд располагался в области отрицательного вихря полярной ионосферной конвекции.
1. ВВЕДЕНИЕ
Согласно существующим моделям [Park, 1976;
Heys and Roble, 1979; Морозов и Трошичев, 2008], приземное электрическое поле пропорционально разности потенциалов между ионосферой и поверхностью Земли в точке наблюдения. Результаты многолетних прямых измерений дают среднюю величину разности потенциалов 254 кВ
[Markson, 2007]. Основной вклад в эту величину вносят грозы и сильно электризованные облака.
Эту величину (Uint) принято считать одинаковой в заданный момент времени независимо от широты точки наблюдения, за исключением высокоширотных областей. В высокоширотной ионосфере на Uint накладывается потенциал от магни-тосферного источника (Uext), контролируемого параметрами солнечного ветра и проводимостью ионосферы [Weimer, 1995]. Uext может быть рассчитано по модели Веймара [Weimar, 2005]. Поскольку потенциал на поверхности Земли принимается равным нулю, то суммарный потенциал ионосферы (Ui = Uext + Uint) можно называть просто потенциалом ионосферы.
В работе [Frank-Kamenetsky et al., 2001] показано, что вариации приземного электрического поля (Ez) в полярной шапке на ст. Восток в значительной степени контролируются межпланетным магнитным полем (ММП) и, соответственно, потенциалом ионосферы над точкой наблюдения [Tinsley et al., 1998; Corney et al., 2003; Burns et al., 2005; Kruglov et al., 2010; Odzimek et al., 2011]. Измерения атмосферного электрического поля в высоких широтах позволили установить связь вариаций Ez с магнитосферными суббурями [Бан-дилет и др., 1986; Michnowski et al., 1991; Belova et al., 2000; Никифорова и др., 2003; Клейменова и др., 2010]. В то же время, наблюдения вариаций Ez на границе полярной шапки в обс. Хорзунд (Шпицберген) показали отсутствие значимой связи между Ez и разностью потенциалов поперек полярной шапки [Клейменова и др., 2011].
Целью данной работы является исследование эффектов внешнего источника (Uext) в вариациях приземного электрического поля (Ez) в магни-товозмущенное время (Кр ~ 3) в различных областях высоких широт. Использовались данные наблюдений Ez в обс. Хорзунд (HOR, Ф' = 74.0°,
Л'= 110.5°) на архипелаге Шпицберген и на ст. Восток в Антарктиде (VOS, Ф' = -83.5°, Л' = 55°). Если ст. Восток всегда находится в центральной части южной полярной шапки, то обс. Хорзунд в условиях сильной магнитной возмущенности (Кр ~ 5) проецируется в приграничную область северной полярной шапки, а в остальное время -в область аврорального овала [Клейменова и др., 2010]. Разница в местном магнитном времени (MLT) в этих точках составляет 3.5 ч.
2. АНАЛИЗ ДАННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ
В работе использованы данные одновременных наблюдений вариаций вертикальной компоненты атмосферного электрического поля (Ez) в польской обс. Хорзунд на арх. Шпицберген и на ст. Восток в Антарктиде, полученные в условиях так называемой "хорошей погоды", т.е. в отсутствии сильного ветра, осадков и пр. На ст. Восток условия "хорошей погоды" выполняются более, чем в 30% времени [Frank-Kamenetsky et al., 2001], в то время как в обс. Хорзунд условия "хорошей погоды" наблюдаются значительно реже и составляют не более 15% непрерывных наблюдений [Клейменова и др., 2010].
Одной из проблем в исследовании вариаций атмосферного электрического поля является задача разделения источников этих вариации на внешние и внутренние. Все существующие модели генерации атмосферного электрического поля [Park, 1976; Heys and Roble, 1979; Морозов и Тро-шичев, 2008] показывают, что электрическое поле у поверхности Земли пропорционально потенциалу ионосферы над точкой наблюдения (потенциал поверхности Земли считается равным нулю). В работе [Kruglov et al., 2010] показано, что потенциал ионосферы (Ui) может быть представлен как Ui = Uext + Uint, где Uext - потенциал внешних источников, рассчитанный по модели Веймара [Weimar, 2005], а Uint — потенциал от внутренних (грозовых или метеорологических) источников. Полагая, Ez = Ez0 + а Uext , где Ez0 = = а Uint — электрическое поле, создаваемое грозовыми генераторами, а а Uext — поле, создаваемое внешними генераторами, простой линейно регрессионный анализ позволяет получить грозовую часть измеренного поля (Ez0) и коэффициент регрессии а — величину, пропорциональную проводимости столба атмосферы над точкой наблюдения. Этим методом для февраля и мая 2007 года были рассчитаны кривые суточного хода Ez0 для ст. Восток (недостаточное число дней с хорошей погодой не позволяет рассчитать аналогичные кривые для Хорзунда), которые в дальнейшем, после нормировки на среднесуточное значение (Ezint), были использованы как для ст. Восток, так и для обс. Хорзунд. Естественно, что грозовая составляющая для ст. Восток и для обс. Хорзунд
может существенно отличаться по величине, однако, единый грозовой генератор, определяющий Ezint, одинаково воздействует, как на ионосферу северного, так и южного полушарий. Поэтому нормированная кривая суточного хода (аналог кривой Карнеги) должна быть идентична для Востока и Хорзунда.
Для анализа были выбраны 3 умеренно магни-товозмущенных дня 2007 года: 12 февраля (EKp = = 14), 7 мая (XKp = 21+) и 25 мая (XKp = 22+) с "хорошей погодой" как в обс. Хорзунд, так и на ст. Восток. В эти дни обс. Хорзунд находилась либо в ав-роральном овале, либо на его полярной границе (в магнитовозмущенное время), что подтверждается данными OVATION, [http://sd-www.jhuapl.edu/ Aurora/ovation/ovation_display.html], а ст. Восток постоянно находилась в центре полярной шапки. Это хорошо видно на рис. 1, где приведено положение аврорального овала в северном и южном полушариях по данным модели OVATION, подтвержденное спутниковыми пролетами вблизи обс. Хорзунд и Восток для 12 февраля и 25 мая в 15-17 UT.
На рисунке 2 приведены осредненные 5-ти минутные данные наблюдений атмосферного электрического поля за выбранные дни, нормированные на среднесуточное значение (Ezn), и вариации магнитного поля на станции Восток (H составляющая) и в обс. Хорзунд (X составляющая). Нормированные кривые суточного хода Ezint (аналог кривой Карнеги) показаны на рис. 2 жирными линиями.
Из рисунка 2а следует, что 12 февраля 2007 г. геомагнитные возмущения как на ст. Восток (левые графики), так и в Хорзунде (правые графики) начались около 08 UT и продолжались до конца суток. В этот же период наблюдались интенсивные вариации приземного электрического поля. 7 мая 2007 г (рис. 2б) (EKp = 21+) как в Хорзунде, так и на Востоке геомагнитные возмущения начались также около 08 UT и продолжались до ~20 UT. В это же время можно видеть заметные вариации атмосферного электрического поля на ст. Восток. Возмущения приземного электрического поля в обс. Хорзунд начались раньше (около 04 UT). 25 мая 2007 г. (рис. 2в) (EKp = 22+) как вариации магнитного поля, так и электрического поля наблюдались в течение всего дня с наибольшей интенсивностью в интервале 07-20 UT. Именно в этот период времени в электрическом поле, как на Востоке, так и в Хорзунде можно видеть самые интенсивные вариации.
Для исключения влияния грозового генератора (Uint) были рассчитаны значения AEzn = Ezn — Ezint, которые затем были сопоставлены с величиной потенциала ионосферы, возникающего в результате взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли (Uext). Потенциал рассчитан с шагом 20 мин
12.02.2007 г.
Северная шапка Южная шапка
14-15 UT 15-16 UT
Рис. 1. Положение ст. Восток и обс. Хорзунд относительно овала сияний 12 февраля и 25 мая 2007 г.
как для северного, так и для южного полушария по модели Веймера [http://ccmc.gsfc.nasa.gov/cgi-bin/ run_weimer.cgi.] Параметры солнечного ветра, необходимые для расчета распределения электрического потенциала в ионосфере, получены из [http://omniweb.gsfc.nasa.gov/].
На рисунке 3 приведены результаты сравнения вариаций ЬЕ^п с величиной потенциала над точкой наблюдения. Хорошо видно, что в полярной шапке (ст. Восток) наблюдается хорошая корреляция вариаций электрического поля с вариациями ионосферного потенциала. Коэффициент корреляции для всего дня менялся от 0.47 (25.05.2007) до 0.70 (07.05.2007). В обс. Хорзунд однозначного соответствия ЬЕ%п и Uext не наблюдалось. Коэффициент корреляции за весь день не превышал 0.18 (25.05.2007).
В обс. Хорзунд значимая корр
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.