ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2009, том 49, № 4, с. 446-459
УДК 550.385.37
ВАРИАЦИИ ULF-ИНДЕКСА ГЕОМАГНИТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ ВО ВРЕМЯ СИЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ БУРЬ
© 2009 г. О. В. Козырева, Н. Г. Клейменова
Институт физики Земли РАН, Москва e-mail: kozyreva@ifz.ru Поступила в редакцию 16.01.2009 г.
На базе нового волнового KLF-индекса проведены статистические исследования уровня волновой геомагнитной активности в утреннем, послеполуденном и ночном секторах во время сильных магнитных бурь с Dstmin от —100 до —150 нТл. Обнаружено, что наибольшая интенсивность геомагнитных пульсаций в диапазоне частот 2—7 мГц в начальную фазу магнитной бури отмечается в полярных широтах в утреннем секторе, а в авроральных широтах — в ночном. В главную фазу магнитной бури наибольшая волновая активность наблюдается в утреннем секторе авроральной зоны, и интенсивность пульсаций в ночном секторе в два раза ниже, чем в утреннем. Показано, что во время главной фазы магнитной бури основной вклад в утреннюю волновую возмущенность вносят геомагнитные пульсации, возбуждающиеся после суббурь. В восстановительную фазу бури наибольшая волновая активность развивается в авроральной зоне в утреннем и ночном секторах, при этом ночная активность проявляется и в субавроральной зоне.
PACS: 94.30.Lz, 94.30.Ms
1. ВВЕДЕНИЕ
Известно, что возбуждение волн в магнитосфере играет большую роль в передаче энергии в околоземной плазме во время магнитных бурь. Одним из наиболее типичных колебаний в магнитном поле Земли являются геомагнитные пульсации в диапазоне частот ~2—7 мГц. В утренне-дневном секторе магнитосферы — это квазисинусоидальные Pc5 пульсации, а вечернем и ночном — импульсные всплески Pi3 пульсаций [Saito, 1969]. Исследованию морфологических характеристик этих колебаний посвящена обширная литература. Максимум амплитуды Рс5 наблюдается в авроральной зоне и смещается к более низким широтам при увеличении магнитной активности.
Подавляющее большинство исследований геомагнитных пульсаций было основано на анализе индивидуальных событий. Для изучения статистических закономерностей необходимо было разработать количественный индекс интенсивности этих колебаний. В работе [Posch et al., 2003] в качестве меры активности ULF-пульсаций было предложено использовать отношение энергии колебаний в относительно узкой полосе частот (4—10 мГц) к энергии в широкой полосе (1—10 мГц). Однако такое разделение по частотам во многих случаях оказывалось слишком грубым, кроме того, предложенный в работе [Posch et al., 2003] индекс был применен для изучения пульсаций только в относительно узком долготном секторе. Поэтому для оценки планетарной волновой активности в диапазоне Рс5 пульсаций (f = 2—7 мГц) в дневном
(03—18 МЕГ) секторе магнитосферы в работе [Ко2угеуа й а1., 2007] был разработан новый иЬЕ-индекс.
В работе [Козырева и Клейменова, 2008] этот иЬЕ-индекс был использован для исследования вариаций уровня дневной волновой геомагнитной активности Рс5 пульсаций в авроральных широтах во время 19 сильных магнитных бурь. Было обнаружено, что наибольшая интенсивность дневных геомагнитных пульсаций в авроральных широтах отмечается в главную фазу магнитной бури, а не в восстановительную, как это считалось ранее. Однако для анализа волновой активности в других секторах местного времени иЬЕ-индекс еще не применялся.
Целью данной работы является продолжение анализа вариаций амплитуд наземных геомагнитных пульсаций в диапазоне 2—7 мГц во время сильных магнитных бурь от —100 до —150 нТл) в зависимости от местного геомагнитного времени. Ранее иЬЕ-индекс использовался для исследований волновой активности лишь в области авро-ральных широт. В то же время было установлено, например [Козырева и др., 2004; Козырева и Клейменова, 2007], что в начальную фазу магнитной бури основная иЬЕ-активность отмечается в дневном секторе полярной шапки, поэтому было целесообразно провести вычисления иЬЕ-индек-са во время магнитных бурь и для полярных широт. Поскольку с увеличением магнитной активности максимум появления пульсаций на земной поверхности перемещается к более низким широ-
там, в данной работе наземный ULF-индекс вычислялся не только для авроральных, но и для субавроральных широт.
2. МЕТОДИКА ВЫЧИСЛЕНИЯ ULF-ИНДЕКСА
Для вычисления ULF-индекса создана база данных и разработан пакет программ на IDL, в качестве входных параметров задается частотный диапазон, долготный сектор и диапазон широт. Это позволяет исследовать волновую активность в различных областях магнитосферы.
База данных 1-часовых значений ULF-индекса (базовый вариант — геомагнитные широты 60—70 утренне-дневного сектора 03-18 MLT) размещена в Интернете в свободном доступе по адресу ftp://spac e. augsburg. edu/MACCS/ULF_index, где данные для каждого месяца года представлены в виде таблиц и рисунков. Для каждого дня в специальной директории приводятся исходные магнитограммы (Х-компонента) наземных высокоширотных станций, расположенных в разных долготных секторах, что позволяет оценить общую геомагнитную возмущенность на аврораль-ных широтах. К настоящему времени ULF-индекс рассчитан за период 1991—2005 гг.
Ранее в работе [Козырева, 2008] ULF-индекс применялся для анализа волновой активности в авроральных широтах (Ф' = 60—70°) утренне-дневного сектора (03-18 MLT) магнитосферы. Однако ULF-индекс можно использовать для исследования волновой активности и в других секторах магнитосферы. Известно, что геомагнитные пульсации Рс5 имеют максимум появления на земной поверхности в утренние и послеполуденные часы, например [Оберц и Распопов, 1968; Saito, 1969; Baker et al., 2003]. Поэтому утренне-дневной сектор (03-018 MLT) был разделен на утренний (03—12 MLT) и послеполуденный (12— 18 MLT) сектора, и отдельно был выделен ночной сектор 21-03 MLT.
ULF-индекс наземной волновой активности вычисляется по 1-мин данным наблюдений на глобальной сети магнитометров северного полушария (INTERMAGNET, MACCS, 210 MM, GIMA, CARISMA, IMAGE, Гренландия и арктическое побережье России), включающей более 50 станций. На рис. 1 приведена географическая карта расположения станций, используемых при расчете ULF-индекса, станции полярной области (70—90°) отмечены черными ромбиками, авро-ральной (60—70°) — треугольниками, субавро-ральной (50—60°) — квадратиками. К сожалению, данные наблюдений на различных станциях имеют разный шаг дискретизации (от 1 с до 1 мин), измеряются разные компоненты (в одних случаях — это Hи D, в других — Хи Y). Поэтому необходимо
привести все данные к общему шагу дискретизации — 1 мин и преобразовать их в единую систему координат (X, Y). Для удаления низкочастотного тренда проводится низкочастотная фильтрация с частотой обрезания 0.5 мГц.
Для расчета ULF-индекса программа автоматически производится выбор станций в зависимости от заданного диапазона геомагнитных широт. Для этих станций вычисляются спектры Фурье для двух горизонтальных компонент геомагнитного поля (X, Y) в одночасовом окне по методу Филона. Общая спектральная мощность горизонтальной компоненты определяется как сумма спектральных мощностей двух компонент X и Y. Полученные часовые значения общей мощности для каждой станции нормируются на частотную полосу и число компонент, извлекается корень квадратный. Таким образом, полученные значения по своей сути являются амплитудой колебаний и имеют размерность нТл. Из набора станций выбираются те станции, которые в данный час UT попадают в заданный временной сектор MLT. Далее определяются станции, имеющие в выбранный час наибольший уровень сигнала, и вычисляется его среднее значение. Подробно методика вычисления ULF-индекса изложена в работе [Kozyreva et al., 2007].
В данной работе наземный ULF-индекс рассчитывался для трех диапазонов геомагнитных широт. Будем считать полярными широтами область исправленных геомагнитных широт Ф' = = 70—90°, авроральными — Ф' = 60—70° и субав-роральными — Ф' = 50—60°. Такое разделение является достаточно условным, поскольку с ростом магнитной активности авроральный овал смещается к более низким широтам как в ночном, так и в дневном секторах. В этом случае обсерватории, формально отнесенные к авроральной зоне, могут оказаться в полярной зоне, а субавроральные обсерватории — в авроральных широтах. В частности, это касается 5-ти обсерваторий, расположенных вблизи границ выделенных зон (рис. 1). Так, обс. YKC, BRW и FCC, отнесенные к авро-ральной зоне, при большой геомагнитной активности могут оказаться в полярной шапке, а обс. ZYK и SIT, отнесенные к субавроральной зоне, — в авроральных широтах. Если на этих обсерваториях в выбранный интервал времени будут регистрироваться максимальные значения амплитуд ULF-пульсаций, то значения ULF-индекса, вычисленного для субавроральной зоны, будут завышенными, в полярной шапке заниженными. Однако, поскольку в данных исследованиях анализируются лишь магнитные бури с Dstmin от —100 до —150 нТл, этот эффект будет не столь значителен, как в случае более сильных магнитных бурь с Dstmin < -200 нТл.
Рис. 1. Географическая карта расположения наземных станций, используемых при вычислении КХР-индекса. Станции полярной области (70—90°) отмечены черными ромбиками, станции авроральной (60—70°) зоны — треугольниками, станции субавроральной (50—60°) зоны — квадратиками; штриховые линии — географические координаты, сплошные — геомагнитные.
Вычисленные часовые значения КХ/-индекса характеризуют максимальную амплитуду геомагнитных пульсаций в заданных долготных секторах: утреннем (03—12 МЬТ), послеполуденном (12-18 МЕТ) и ночном (21-03 МЕТ) для трех выбранных широтных зон.
3. ВАРИАЦИИ КХ^-АКТИВНОСТИ В РАЗНЫХ ДОЛГОТНЫХ СЕКТОРАХ
Для оценки волновой КХ^-активности в разные фазы магнитной бури исследовались сильные и умеренные магнитные бури 1995-2002 гг. Для анализа было выбрано 19 сильных (с Лй-индексом в максимуме главной фазы от -100 до -150 нТл) изолированных бурь продолжительностью не более двух суток. Для сравнения были использованы также вариации КХ^-индекса во время 37 умеренных бурь (Ду?т1п от -50 до -100 нТл). Список анализируемых магнитных бурь приведен в таблицах 1 и 2. Мы иск
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.