УДК 550.385.4
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА И МЕЖПЛАНЕТНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ ВСПЛЕСКОВЫХ РЕЖИМОВ ДЛИННОПЕРИОДНЫХ ИРРЕГУЛЯРНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ
© 2012 г. Н. А. Куражковская, Б. И. Клайн
Геофизическая обсерватория "Борок" филиал ИФЗ им. О.Ю. Шмидта РАН, Борок (Ярославская обл.)
e-mail: knady@borok.yar.ru Поступила в редакцию 06.12.2010 г. После доработки 30.05.2011 г.
Экспериментально исследована зависимость возбуждения в магнитосфере Земли длиннопериод-ных иррегулярных пульсаций в диапазоне 2.0—6.0 мГц (серии всплесков пульсаций ipcl) от совокупности параметров плазмы солнечного ветра и межпланетного магнитного поля. Обнаружено, что всплесковые режимы наблюдаются при скорости и динамическом давлении солнечного ветра, превышающих V~ 320 км/c и P~ 1 нПа. Показано, что динамика интенсивности и фрактальной структуры всплесков пульсаций ipcl в значительной степени зависят от скорости и магнитного давления плазмы солнечного ветра, соответственно. Анализ связи появления серий всплесков пульсаций ipcl с крупномасштабными течениями солнечного ветра и полярными корональными дырами позволил отождествить геоэффективные области на Солнце, которые могут быть источником потоков солнечного ветра и альвеновских волн, способствующих генерации всплесковых режимов. На основе исследованных условий межпланетной среды, благоприятных для возбуждения серий всплесков пульсаций ipcl, и обобщения морфологических закономерностей рассмотрены возможные механизмы их генерации. Показано, что наиболее вероятным механизмом генерации всплесковых режимов ipcl является механизм, аналогичный ветровой неустойчивости в гидродинамике (механизм Майлса—Филлипса). Неустойчивость Майлса—Филлипса обусловлена различными факторами в потоке солнечного ветра, среди которых турбулентность, пороговое значение скорости и флуктуации давления играют определяющую роль. Именно эти закономерности и характерны для условий генерации всплесковых режимов ipcl.
1. ВВЕДЕНИЕ
Процессы взаимодействия межпланетного магнитного и геомагнитного поля приводят к переносу потока энергии солнечного ветра в магнитосферу Земли и возбуждению широкого спектра магнитогидродинамических волн (геомагнитных пульсаций), регистрируемых на земной поверхности [Гульельми и Троицкая, 1973]. В силу топологии геомагнитного поля МГД — волны, наблюдаемые в полярных широтах, являются отражением нестационарных волновых процессов не только на передней границе и во входных слоях магнитосферы, но и процессов, протекающих в удаленных частях (в хвосте) магнитосферы. В связи с этим для понимания физических механизмов действия солнечного ветра на магнитосферу Земли большое значение имеет исследование высокоширотных МГД-волн. Среди существующего разнообразия МГД-волн типичным колебательным процессом области дневного каспа и полярной шапки являются длиннопериодные иррегулярные геомагнитные пульсации ipcl (irregular pulsations continuous long period) с периодами от 3 до 15—25 мин [Troitskaya et al., 1973; Большакова и др., 1975; Friis-Christensen et al., 1988; Dunlop
etal., 1992]. Исследование морфологии геомагнитных пульсаций ipcl показало, что в этом классе пульсаций можно выделить отдельные виды со специфическими закономерностями и разными механизмами генерации. Так, по данным наблюдений гренландской цепочки обсерваторий пульсации ipcl по диапазону периодов и области возбуждения были условно разделены на два вида: np (noise pulsations) с периодами T ~ 3—8 мин и lp (long period) c квазипериодами T ~ 15—25 мин [Клейменова и др., 1985]. Пульсации np наблюдались на геомагнитных широтах 70—76° и их возбуждение могло быть связано с развитием не-устойчивостей в области входных слоев дневного сектора магнитосферы. Более длиннопериодные пульсации lp наблюдались в области дневного полярного каспа и полярной шапки (на Ф > 77—80°) и их генерация скорее обусловлена процессами в переходной области магнитосферы и токовыми системами, связанными с антисолнечной конвекцией плазмы [Клейменова и др., 1985].
Наряду с np- и lp-пульсациями в области дневного каспа и полярной шапки были обнаружены очень длиннопериодные иррегулярные пульсации — vlp (very long period) с характерным диапа-
зоном периодов Т ~ 20—40 мин и преимущественной поляризацией по Н- и ^-компонентам [Клейменова и др., 1986]. На основании совокупности морфологических особенностей пульсаций — у1р в работе [Куражковская, 1990] было показано, что наиболее вероятным механизмом их генерации являются процессы пересоединения на дневной магнитопаузе. Позднее в работе [РШрепко й а1., 2000] экспериментально обосновано, что у1р пульсации — результат модуляции высокоширотной системы продольных токов (возникающей при пересоединении) длиннопериодными альве-новскими волнами солнечного ветра при благоприятной конфигурации ММП.
В работе [Куражковская и Клайн, 1997] по данным регистрации магнитного поля на Антарктической обсерватории Мирный было обнаружено, что при умеренной геомагнитной активности (Кр ~ 2—3) пульсации ¡ре1 в диапазоне периодов 3—8 мин наблюдаются в виде последовательности отдельных волновых пакетов (всплесков). Такие всплесковые режимы получили название "серии всплесков пульсаций ¡реГ'. Как было показано в наших предыдущих исследованиях, например, [Куражковская и Клайн, 2003; 2009 и ссылки к ним], время наблюдения всплесковых режимов примерно с 08 до 16 МЕГ. Максимум частоты появления всплесков на широтах дневного полярного каспа приходится на предполуденные часы (10—12 МЕГ). Каждая отдельная серия содержит от 3 до 5—7 всплесков с типичной продолжительностью ~30—35 минут. Длительность интервалов между всплесками составляет ~20—80 мин. Амплитуда отдельных всплесков варьирует от 10 до 100 нТл и в некоторых случаях может достигать 200—250 нТл. Всплесковые режимы возникают синхронно в двух полушариях.
Начиная с первых работ по исследованию серий всплесков ¡ре1 [Куражковская и Клайн, 1997; Клайн и Куражковская, 1998], по настоящее время накоплен значительный объем информации об их морфологических закономерностях [Клайн и Куражковская, 2000; Куражковская и Клайн, 2003, 2009; Клайн и др., 2008]. В частности, исследованы спектральные и поляризационные характеристики, нелинейные свойства серий всплесков пульсаций ¡ре1, связь с процессами в ночной магнитосфере. Показано, что серии всплесков пульсаций ¡ре1 — фрактальные структуры, обладающие свойствами солитонов. Также установлено, что всплесковые режимы ¡ре1 — перемежающийся процесс, возникающий в турбулизованной среде. В большинстве случаев (более 80% случаев) серии всплесков пульсаций ¡ре1 в дневном каспе наблюдаются на фоне развития суббурь в ночном секторе аврорального овала [Куражковская и Клайн, 2009].
В литературе рассматривается огромное число сценариев появления геомагнитных пульсаций как в результате относительно простых механизмов генерации, так и более сложных. Согласно современным представлениям, к генерации геомагнитных пульсаций могут приводить прямое проникновение гидромагнитных волн из солнечного ветра, изменчивость параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля (ММП), нестабильные процессы на магнитопаузе, внезапные сжатия или расширения магнитосферы, возбуждение колебаний на ионосферных высотах в области проекции продольных электрических токов, турбулентность магнитосферной плазмы и другие.
В настоящей работе на основе исследования условий межпланетной среды во время наблюдения всплесковых режимов пульсаций ipcl и обобщения экспериментальных свойств проанализированы возможные механизмы их генерации. Будет показано, что наиболее вероятным механизмом генерации всплесковых режимов ipcl, является механизм, аналогичный ветровой неустойчивости в гидродинамике (механизм Майлса—Филлипса).
2. ДАННЫЕ
Исходными данными в работе являлись аналоговые записи магнитного поля с разверткой 90 мм/ч в антарктической обс. Мирный (Ф = 76.93°; Л = = 122.92°) за период 1981—1989 гг., в течение которого отобрано 170 серий всплесков пульсаций ipcl. Данные о параметрах солнечного ветра и ММП, а также значения Kp-, AE-, Dst — индексов за этот же период взяты из базы данных OMNI 2 (http: //nssdcftp.gsfc.nasa/gov/omniweb/ow.html). Кроме того, были использованы "Каталог крупномасштабных явлений солнечного ветра для периода 1976—2000 гг", (ftp://ftp.iki.rssi.ru/pub/omni/catalog/), и электронный каталог корональных дыр, (ftp:// ftp.ngdc.noaa.gov/stp/solar_data/solar_corona/holes/).
3. ГЕОМАГНИТНАЯ АКТИВНОСТЬ И МЕЖПЛАНЕТНЫЕ УСЛОВИЯ
Вопрос о том, обусловлено ли возбуждение перемежающихся всплесков ipcl внутренними свойствами магнитосферы или инициировано резкими изменениями каких-либо параметров солнечного ветра и ММП остается открытым. Поэтому прежде чем выяснять физическую природу серий всплесков пульсаций ipcl, необходимо знать геомагнитную и межпланетную обстановку, при которой они возникают. Ранее было показано, что фрактальная размерность d серий всплесков ipcl связана с модулем напряженности B ММП [Клайн и Куражковская, 1998]. В работе [Куражковская и Клайн, 2003] обнаружено, что тип по-
Таблица 1. Характеристики распределений индексов геомагнитной активности для случаев наблюдений серий всплесков ¡рс1 и фона
Геомагнитная Кр-индекс АЕ-индекс, нТл Д5?-индекс, нТл
активность Сред. зн. Мед. зн. Сред. зн. Мед. зн. Сред. зн. Мед. зн.
Во время 1рс1 25 23 185 138 -14 -11
Фон 1981-1989 гг. 25 23 235 159 -19 -14
Таблица 2. Характеристики распределений параметров солнечного ветра и ММП для случаев наблюдений серий всплесков Iрс1 и фона
V, км/с п, см 3 Р, нПа В, нТл Вх, нТл Ву, нТл Вг, нТл
Параметр сред. мед. сред. мед. сред. мед. сред. мед. сред. мед. сред. мед. сред. мед.
зн. зн. зн. зн. зн. зн. зн. зн. зн. зн. зн. зн. зн. зн.
Во время 1рс1 477 467 7.7 6 3.02 2.62 6.2 5.9 0.3 0.8 -0.4 -0.7 0.2 0
Фон 1981-1989 гг. 449 428 7.9 6.2 2.96 2.39 7.7 6.7 0.05 0.1 -0.1 -0.2 0.03 0
Таблица 3. Характеристики распределений параметров солнечного ветра и ММП для случаев наблюдений серий всплесков Iрс1 и фона
Параметр 9, град. Ф, град. Еу х 10- 3, мВ/м в М
Сред. зн. Мед. зн. Сред. зн.
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.