ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2004, том 44, № 6, с. 750-761
УДК 523.745:550.386
ВЛИЯНИЕ РЕЗКИХ ИЗМЕНЕНИЙ ДИНАМИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА НА КОНВЕКЦИЮ В ПОЛЯРНОЙ ШАПКЕ
© 2004 г. Р. Ю. Лукьянова
Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт, С.-Петербург
е-та11:тепа1а@аат1. nw.ru Поступила в редакцию 19.12.2003 г. После доработки 21.06.2004 г.
Внезапное изменение динамического давления солнечного ветра (Psw) вызывает существенное усиление конвекции. Этот процесс ясно виден в вариациях PC-индекса, который определяется трансполярным ионосферным током и часто используется для оценки межпланетного электрического поля (ЕМ), проникающего в магнитосферу из солнечного ветра. Вследствие влияния импульсов нарушается линейная зависимость между величиной ЕМ и РС-индексом во время магнитных бурь. Ионосферное электрическое поле достигает экстремально больших значений. Кроме того, внезапное изменение вызывает быструю перестройку системы конвекции. Приводятся результаты численного моделирования распределения электрического потенциала в ионосфере полярной шапки в моменты до, во время и после прохождения фронта высокого Р5К.
1. ВВЕДЕНИЕ
Хорошо известно, что вертикальная компонента межпланетного магнитного поля (ММП) является основным параметром, определяющим интенсивность магнитосферной конвекции. В значительно меньшей степени исследовано влияние динамического давления солнечного ветра (PSW) на конвекцию. Сжатие/растяжение магнитосферы под действием резкого изменения PSW является одним из глобальных процессов взаимодействия солнечного ветра (СВ) с магнитосферой Земли, источником возмущений как в магнитосфере, так и в ионосфере. Когда фронт повышенного давления достигает магнитопаузы, достаточно нескольких минут, чтобы усилились токи во всей магнитосферно-ионосферной системе, включая ток в хвосте, продольный ток и ионосферный ток. В работе [Zesta и др., 2000] показано, что во время прохождения импульса PSW в главную фазу магнитной бури 10 января 1997 г., наблюдалось расширение аврорального овала и усиление тока в авроральной зоне, связанное с усилением продольного тока зоны 1. При резком повышении PSW и южной ориентации ММП магнитный эффект продольного тока обнаруживается на дневной стороне в весьма низких широтах. В работе [Lyons и др., 2000], указывается на принципиальное отличие процессов, связанных с реакцией магнитосферы на импульс PSW и процессов развития суббури, в частности на то, что суббуревые возмущения локализованы, тогда как PSW вызывает возмущения во всех MLT-секторах.
Кратковременные импульсы PSW искажают форму магнитопаузы локально. В ионосфере этот
процесс отображается в виде серии вихрей эквивалентных ионосферных токов, перемещающихся от полуденного меридиана на утреннюю или вечернюю сторону [Friis-Christensen и др., 1988]. Большие импульсы (длительностью 0.5-1 ч) либо скачкообразные изменения PSW вызывают резкие изменения геомагнитного поля, регистрируемые по всему земному шару. Сжатие магнитосферы, сопровождающееся усилением DCF-тока на маг-нитопаузе, ведет к росту ^-компоненты, особенно заметному на низкоширотных магнитограммах. Анализ вариаций геомагнитного поля, связанных с внезапным импульсом (SI) или внезапным началом (SC), показал, что росту ^-компоненты часто предшествует краткий предварительный импульс (Pi), который вызывается продольным током, связанным с альвеновской волной. Последующий главный импульс есть проявление усиления электрического поля в сжатой магнитосфере [Araki, 1994]. В большинстве ранее опубликованных работ основное внимание уделялось эффектам SI/SC, наблюдаемым в низких и средних широтах. Реакция ионосферы полярной шапки рассматривалась в работе [Moretto и др., 2000]. С помощью AMIE процедуры, основанной на обработке большого массива наземных и спутниковых данных, были построены картины конвекции для SI события. Результаты продемонстрировали, что отклик системы конвекции на приход фронта высокого PSW на фоне северного ММП состоит из двух фаз. Сначала развивается двухвихревая система, противоположная по знаку DP2. Спустя несколько минут, электрическое поле меняет знак, и возникают две ячейки конвекции с течением плазмы вдоль полу-
денного меридиана в антисолнечном направлении, соответствующие DP2-cTOTeMe.
В данной работе исследуется реакция системы высокоширотной ионосферной конвекции на резкие изменения PSW. Представлены результаты анализа поведения PC-индекса, который определяется величиной трансполярного тока. Вариации индекса сопоставлены с измерениями и результатами численного моделирования электрического поля в полярной шапке.
2. ОПИСАНИЕ PC-ИНДЕКСА
Fairfield (1967) ввел определение индекса полярной шапки как максимума вариации горизонтальной компоненты магнитного поля на околополюсных станциях. [Troshichev and Andrezen, 1985] предложили PC-индекс магнитной активности, рассчитываемый регулярно по данным одной приполюсной станции: Восток (-83.4°) и Туле (86.5°). Вариация горизонтальной компоненты 5F пропорциональна интенсивности трансполярной части DP2-тока, связанного с двухвихревой системой конвекции в ионосфере. Таким образом, PC-индекс можно рассматривать как показатель величины электрического поля, генерируемого при взаимодействии солнечного ветра с магнитосферой. Было показано, что 5F хорошо коррелирует с межпланетным электрическим полем (EM), проникающим в магнитосферу при ее взаимодействии с солнечным ветром [Kan и Lee, 1979]:
n ^ 1/2 г\
EM = v(By + Bz ) sin(9/2),
где v - скорость солнечного ветра, Bz и By - вертикальная и азимутальная компоненты ММП, б -угол между направлением вектора магнитного поля Земли и полным вектором ММП. Учитывая линейную зависимость между 5F и EM, PC-индекс был определен как безразмерная величина, калиброванная по межпланетному электрическому полю. Вариации PC-индекса, в целом, следуют вариациям EM. Индекс часто используется для оценки энергии, поступающей в магнитосферу. Поскольку точка наблюдения всегда располагается под областью трансполярной части ионосферной системы DP2, индекс положителен при южной ориентации ММП, а также при Bz = 0, когда существует стабильная двухвихревая система DP2. Система конвекции, определяемая действием By-компоненты ММП, содержит один вихрь вокруг магнитного полюса, а трансполярный ток комбинированной (Bz и By) системы направлен к Солнцу; при этом индекс также положителен. В периоды северной ориентации ММП трансполярный ток направлен от Солнца, следовательно, PC < 0. Результаты статистического анализа показывают, что PC-индекс достаточно хорошо коррелирует с такими параметрами, как интенсивность
аврорального электроджета, разность потенциалов и диаметр полярной шапки, электрическое поле в приполюсной области [Troshichev е! а1., 2001]. РС-индекс размещается на сайтах Датского метеорологического института (северный РС-ин-декс, рассчитываемый по магнитным данным обс. Туле) и Арктического и Антарктического института (южный РС-индекс - по данным обс. Восток). В связи с некоторыми отличиями в способах вычисления, пиковые значения южного индекса могут превышать значения индекса, рассчитанного по данным обс. Туле [Lukianova е! а1., 2002]. Однако при отклике на скачки Рзк оба индекса изменяются согласовано.
3. ОТКЛИК РС-ИНДЕКСА НА ИМПУЛЬС PSW
Детальное сравнение изменений параметров ММП и СВ и вариаций РС-индекса показывают, что РС-индекс весьма чувствителен к внезапным изменениям в PSW. Так, в периоды стабильного ММП индекс следует за ростом и падением PSW. Отклик РС-индекса начинается одновременно с моментом контакта фронта давления с дневной магнитопаузой. Достаточно большая база данных по 1-мин значениям РС-индекса (с 1977 г. по обс. Туле и с 1996 г. по обс. Восток) позволяет найти ряд типичных примеров реакции индекса на импульс Рш. Ниже рассмотрено четыре показательных события, когда импульс Рш происходил при стабильном южном (магнитная буря 10 января 1997 г. и 14 октября 2000 г.) и северном ММП (события 6 сентября 2000 г. и 29 декабря 2001 г.).
Событие 10 января 1997 г. На рис. 1а представлено (сверху вниз): Bz и By компоненты ММП по данным спутника WIND; величины EM и Рш, РС-индекс поданным обс. Туле и Восток; AE-ин-декс. Около 5 UT Bz-компонента ММП поворачивает на юг и остается отрицательной (=-10 нТл) в течение 6 ч. Величина EM, составляющая ~5 мВ/м, также стабильна в течение этого времени. Во время главной фазы магнитной бури, характеризующейся общим падением Dst = -200 нТл, в период 10.50-11.20 UT наблюдается импульс Рт с повышением давления с 2 до 6 нПа. Соответствующая вариация РС-индекса, наблюдаемая в 11.0011.20 UT, в точности совпадает с формой импульса Рт. Под действием повышенного Рт РС-индекс увеличивается 2 до 13 (южный) и с 2 до 8 (северный). Одновременно наблюдается резкое увеличение AE-индекса с 200 до 2000 нТл, что свидетельствует о значительной интенсификации ав-роральной части системы высокоширотных ионосферных токов.
Событие 14 октября 2000 г. На рис. 16 представлено (сверху вниз): Bz и By компоненты ММП по измерениям спутника АСЕ в точке L1; величины EM и Рш; РС- и AE-индексы. Bz-компонента ММП отрицательна (-12 нТл), а By-компонента
10
10 января 1997 г. - ву ^ТМБ
06
09
ит, ч
12
,у
в
10 0
10
14 октября 2000 г.
и
0
1000
АСЕ
500
15
06 09
12 15 ит, ч
Рис. 1. (сверху вниз) Межпланетное магнитное поле, межпланетное электрическое поле, динамическое давление солнечного ветра, РС-индекс по данным осб. Туле и Восток, АЕ-индекс для 10 января 1997 г. (а) и 14 октября 2000 г. (•).
положительна в течение всего рассматриваемого периода с 6 до 15 UT. Величина EM равна ~5 мВ/м. Повышение Рш с 1 до 5 нПа, наблюдаемое в 9.059.45 UT, вызывает увеличение РС-индекса с 2 до 8 в 10.00-10.40 ОТ, форма вариации которого совпадает с формой импульса Р5Ц?. Подобной же формы вариация видна в АE-индексе. Время распространения структуры СВ от точки L1 до магнитопау-зы составляет 55 мин. Время начала роста РС- и АE-индексаx соответствует моменту достижения фронтом Рш подсолнечной точки дневной магни-топаузы.
Событие 6 сентября 2000 г. Это событие, классифи
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.