ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2011, том 51, № 1, с. 51-67
УДК 523.62-726
ЗАВИСИМОСТЬ ГЕОМАГНИТНОЙ АКТИВНОСТИ ВО ВРЕМЯ МАГНИТНЫХ БУРЬ ОТ ПАРАМЕТРОВ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА ДЛЯ РАЗНЫХ ТИПОВ ТЕЧЕНИЙ © 2011 г. Н. С. Николаева, Ю. И. Ермолаев, И. Г. Лодкина
Учреждение РАН Институт космических исследований, Москва e-mail: nnikolae@iki.rssi.ru Поступила в редакцию 10.12.2009 г.
После доработки 10.08.2010 г.
На основе каталога крупномасштабных типов солнечного ветра, созданного с использованием базы OMNI за период 1976—2000 гг. [Ермолаев и др., 2009], проводится исследование зависимости максимальных значений геомагнитных индексов |Dst| и АЕ, наблюдаемых во время магнитных бурь, от величины межпланетного электрического поля Еу. Анализ выполнен для 8 категорий магнитных бурь, вызванных разными типами течений солнечного ветра: CIR — 86 бури, МС — 43 бури, ShMC — 8, Ejecta — 95, ShEjecta — 56, MC + Ejecta — 138, ShMC + ShEjecta — 64, и неопределенный тип — 75 бурь. Показано, что величина IDst | индекса увеличивается с ростом электрического поля Ey для всех 8-ми типов течений. При сильных электрических полях Еу >11 мВ/м внутри магнитных облаков МС и, возможно, внутри всех ICME (MC + Ejecta), величина |Dst | индекса выходит на насыщение. Величина АЕ индекса во время магнитных бурь не зависит от величины электрического поля Еу почти для всех течений, кроме магнитных облаков МС и, возможно, области сжатия перед ними ShMC. Наблюдается линейный рост АЕ индекса внутри МС при низких значениях поля Еу < 11 мВ/м, и спад при сильных полях Еу > 11 мВ/м. Так как во всех типах солнечного ветра динамическое давление Pd и флуктуации а В ММП коррелируют с величиной Еу, то оба геомагнитных индекса |Dst| и АЕ не показывают дополнительной зависимости от Pd и а В ММП. Нелинейная связь интенсивности |Dst| и АЕ индексов с Еу компонентой электрического поля, наблюдаемая при сильных электрических полях Еу внутри МС и, возможно, всех IMCE, согласуется с моделированием магнитосферно-ионо-сферной токовой системы зоны I в условиях насыщения потенциала полярной шапки.
1. ВВЕДЕНИЕ
Как показали многочисленные эксперименты, главной причиной магнитных бурь является южная ориентация межпланетного магнитного поля (ММП) (см. например, работы [Russell et al., 1974; Burton et al., 1975; Akasofu et al., 1985; Gonzalez et al., 1999; O'Brien and McPherron, 2000; Vennerstro-en, 2001; Ермолаев и Ермолаев, 2002; Lyatsky and Tan, 2003; Huttunen and Koskinen, 2004; Русанов и Петрукович, 2004; Maltsev, 2004; Веселовский и др., 2004; Gonzalez and Echer, 2005; Yermolaev et al., 2005а; Yermolaev et al., 2005б; Dmitriev et al., 2005; Ермолаев и др., 2007a] и ссылки в них). Эффективность Bz компоненты ММП в возбуждении магнитных бурь и суббурь определяется процессами взаимодействия индуцированного электрического поля Еу = VxBz (Vx — радиальная компонента скорости солнечного ветра при южной Bz < 0 компоненте ММП) с магнитосферно-ионосферной системой. В результате этих процессов происходят изменения в распределении токов внутри этой системы (например, [Gonzalez et al., 1994; O'Brien and McPherron, 2000; Siscoe et al., 2005; Zhu et al., 2006] и ссылки в них), что влияет на величину магнитного поля на поверхности
Земли, и приводит к изменениям величины геомагнитных индексов.
Интенсивность магнитосферного возмущения оценивается геомагнитными индексами Dst и АЕ. Высокоширотный индекс АЕ характеризует интенсивность аврорального тока и является индикатором суббуревой активности [Davis and Sugiu-ra, 1966]. Низкоширотный индекс Dst используется для оценки интенсивности кольцевого тока во время магнитных бурь, и является мерой геоэффективности межпланетных возмущений [Sugiu-ra, 1964; Burton et al., 1975]. Подчеркнем, что мы изучаем авроральную активность во время магнитных бурь. Возможно, что суббури без магнитных бурь развиваются по другим законам, например, альвеновские волны могут вызвать суббури, но не могут вызвать бури (см. статью [McPherron et al., 2009] и ссылки в ней). Кроме того, во время магнитных бурь авроральные электроджеты сдвигаются на более низкие широты по отношению к широте станций, используемых для определения AE индекса, что может приводить к искажению результатов [Feldstein, 1992].
Электрическое поле Еу является главным параметром солнечного ветра для возбуждения маг-
51
4*
нитных бурь и суббурь. В то же время на интенсивность магнитной бури также влияют вариации других параметров солнечного ветра — динамического давления и флуктуаций стВ ММП [Burton et al., 1975; Gonzalez et al., 2001; Gonzalez et al., 2002; Borovsky and Funstein, 2003; Seki et al., 2005; Yer-molaev et al., 2007a, б]. Относительный вклад динамического давления Pd в величину Лй-индекса не является постоянной величиной, как это следует из работы [Burton et al., 1975]. Влияние Pd на величину Лй-индекса зависит от величины Еу компоненты электрического поля, и при больших значениях поля Еу, наблюдаемых обычно на главных фазах бурь, вклад Pd оказывается незначительным [Siscoe et al., 2002; Siscoe et al., 2005].
Обычный квазистационарный солнечный ветер не содержит значительной и длительной Bz компоненты ММП, достаточной для возбуждения магнитной бури. В то время как некоторые возмущенные типы течений солнечного ветра могут содержать большую и длительную Bz компоненту ММП, в том числе и южной ориентации, которая приводит к магнитной буре [Tsurutani et al., 1988; Tsurutani et al., 1995; Ермолаев и Ермолаев, 2002; Huttunen and Koskinen, 2004; Huttunen et al., 2002; Richardson et al., 2002; Vieira et al., 2004; Echer and Gonzalez, 2004; Yermolaev et al., 2005a; Ермолаев и др., 2010а].
Можно выделить несколько геоэффективных течений солнечного ветра, при прохождении которых наблюдаются магнитные бури разной интенсивности. Главными из них являются межпланетные проявления корональных выбросов СМЕ (события ICME, включающие 2 подтипа — магнитные облака МС и поршни Ejecta) и области взаимодействия высокоскоростных течений солнечного ветра с медленными течениями CIR. Как показали исследования, перед передним фронтом ICME может наблюдаться область сжатия плазмы Sheath (перед магнитным облаком МС — ShMC или перед поршнем Ejecta — ShE). Природа образования области сжатия Sheath близка к CIR, но только вместо быстрого потока солнечного ветра роль поршня в этом случае играет само IC-ME. Каждый тип течений имеет свой определенный набор параметров солнечного ветра, отличающийся от других типов течения. Например, в области сжатия на фронте быстрого и медленного течений (события CIR) и перед передним фронтом поршня (события Sheath) плазма имеет повышенные значения плотности, температуры, а тепловое давление преобладает над магнитным давлением ß > 1. Магнитное облако MC является подклассом событий ICME и отличается от Ejecta более высоким (>10 нТл) и более регулярным магнитным полем. Оба подтипа событий ICME (MC + Ejecta — магнитные облака МС, и "поршни" Ejecta) имеют структуру магнитного поля в виде жгута, и внутри них магнитное давление
преобладает над тепловым давлением (ß ^ 1). Отметим, что мы не рассматриваем класс очень сильных магнитных бурь, которые генерируются несколькими ICME, взаимодействующими между собой [Yermolaev and Yermolaev, 2008]. Методика идентификации разных типов течений солнечного ветра на основе плазменных и магнитных данных базы OMNI за 1976—2000 гг. подробно описана в работе [Ермолаев и др., 2009]. Полная статистика событий солнечного ветра и оценка их геоэффективности, как вероятности появления магнитной бури (т.е. отношение числа событий, вызвавших магнитную бурю, к полному числу событий данного типа), приведена в работе [Ермолаев и др., 2010а]. Известно, что развитие геомагнитных бурь и суббурь существенно различается в зависимости от того, каким типом течения они вызваны [Borovsky and Denton, 2006; Despirak et al., 2009]. В частности эти различия проявляются в поведении кольцевого тока, авроры, плазменного слоя Земли, в магнитосферной конвекции и в насыщении потенциала полярной шапки [Borovsky and Denton, 2006].
Большинство работ, посвященных связи между минимумом Dst-индекса и Bz компонентой ММП, не учитывает, какими именно типами межпланетных возмущений были генерированы магнитные бури (например, [Akasofu et al., 1985; O'Brien and McPherron, 2000] и ссылки в них). Аналогичная ситуация с зависимостью АЕ индекса от Еу (например, [Weimer et al., 1990]). Лишь в некоторых работах связь между этими параметрами рассматривалась в конкретных типах течений солнечного ветра: в магнитных облаках МС [Wu and Lepping, 2002; Yurchyshyn et al., 2004; Ермолаев и др., 2007б]), в коротирующих областях взаимодействия CIR [Alves et al., 2006; Richardson et al., 2006; Ермолаев и др., 2007б] или в потоках за межпланетными ударными волнами [Oh and Yi, 2004].
Еще меньше работ, в которых проводится сопоставление этих зависимостей в разных типах течений с разной внутренней структурой. Характеристики вариаций электрического поля Еу во время прохождения 2-х основных типов солнечного ветра — МС и высокоскоростных течений сравнивались в работах [Кершенгольц и др., 2007; Plotnikov and Barkova, 2007]. Авторы показали, что для МС наблюдается нелинейная зависимость индексов АЕ и \Dst | от Еу. При низких значениях поля Еу < 12 мВ/м индексы \Dst \ и АЕ растут линейно с ростом электрического поля, а при высоких значениях поля Еу > 12 мВ/м, наблюдается эффект насыщения индекса \Dst \, и спад величины АЕ индекса [Кершенгольц и др., 2007; Plotnikov and Barkova, 2007]. В то время как для высокоскоростных течений CIR оба индекса меняются линейно во всем диапазоне Еу. Авторы также исследовали связь индексов с динамическим давлением и уровнем флуктуаций ММП, которые на-
блюдались в МС и CIR. При этом сопоставлялись максимальные часовые значения индексов \Dst | и АЕ внутри МС и CIR с величиной Pd и уровнем флуктуаций ММП. Авторы получили, что связи между индексами и параметрами переходных областей значимы для CIR (коэффициент корреляции r > 0.5) и не значимы для МС (r < 0.5). Фактически в этих работах [Кершенгольц и др., 2007
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.