УДК 523.62.726
ЗАВИСИМОСТЬ ИНТЕНСИВНОСТИ ГЕОМАГНИТНЫХ ПУЛЬСАЦИЙ Рс5, НАБЛЮДАЕМЫХ НА ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ, ОТ МОДЫ СООТВЕТСТВУЮЩИХ КОЛЕБАНИЙ В МАГНИТОСФЕРЕ (ПОЛОИДАЛЬНОЙ ИЛИ ТОРОИДАЛЬНОЙ)
© 2013 г. В. К. Ролдугин
Полярный геофизический институт КНЦ.РАН, г. Апатиты (Мурманская обл.)
e-mail: rold val@pgia.ru Поступила в редакцию 30.05.2011 г. После доработки 08.10.2012 г.
Исследовано 36 случаев геомагнитных пульсаций Рс5 на геостационарном спутнике GOES-8 за 2001 г. с амплитудой в несколько нТл и длительностью около часа. Из них 22 случая были тороидальными, а 14 — полоидальными. Все эти пульсации были сопоставлены с геомагнитными наблюдениями в обс. Poste-de-la-Baleine (PBQ), расположенной вблизи проекции спутника. Было установлено, что частота пульсаций на Земле и в магнитосфере не всегда совпадает. Обнаружено, что у полоидальных колебаний наблюдается небольшая амплитуда на Земле и большая в магнитосфере, а у тороидальных — наоборот. Амплитуда наземных пульсаций больше зависит от величины азимутальной, чем радиальной компоненты поля в магнитосфере.
DOI: 10.7868/S0016794013020144
1. ВВЕДЕНИЕ
Уже на первых спутниковых измерениях в магнитосфере были обнаружены регулярные геомагнитные пульсации диапазона Рс5. Zhu and Kivel-son [1991] при исследовании длиннопериодных пульсаций на спутниках ISEE 1 и 2 разбили их на два класса по характеру поляризации — волны сжатия, когда силовые линии движутся в плоскости магнитного меридиана, и поперечные, когда колебания происходят в азимутальном направлении. Обнаружено различие в поведении этих мод: поперечные волны чаще наблюдаются в ночные часы, а волны сжатия — в вечерние и утренние, и в них плазменное и магнитное давление изменяются в противофазе.
Сопоставление пульсаций в магнитосфере с наземными вблизи силовой линии спутника проводилось неоднократно. Volwerk et al. [2005] наблюдали на двух спутниках пульсации во время диполизации магнитосферы и нашли, что периоды в хвосте магнитосферы и на наземной станции совпали. Стоячая альвеновская волна с периодом 15 минут, выявленная на спутниках Cluster авторами [Zheng et al., 2006], сопровождалась на соответствующих наземных станциях пульсациями с тем же периодом, а пульсации на других спутниках на меньших Z-оболочках и вблизи их проекций на землю в это же время имели более короткие периоды.
Теоретические исследования [Mann and Wright, 1995; Mann et al., 1997] показали, что в ази-
мутально неоднородной магнитосфере полои-дальная мода со временем трансформируется в тороидальную. Правда, при расчетах предполагались большие азимутальные числа пульсаций, что для Pc5 не является характерным. Sarris et al. [2009] представили один случай измерения Рс5 на GOES-8, вроде бы подтверждающий такую трансформацию.
Изучение закономерностей поведения Pc5 в зависимости от моды волны, полоидальной или тороидальной, было проведено в работах [Eriksson et al., 2005, 2006, 2008] по данным спутников Cluster; изучались азимутальные числа пульсаций, поляризация, направление распространения. Clausen and Yeoman [2009] из регистрируемых на тех же спутниках Cluster магнитных пульсаций Рс5 выделяли магнитозвуковую, полоидальную и тороидальную составляющие. Число появления полоидальных колебаний там оказалось выше, чем тороидальных, а частоты мод не всегда совпадали.
Целью данной работы является изучение зависимости интенсивности наблюдаемых на Земле пульсаций Рс5 от моды колебаний в магнитосфере на соответствующей силовой линии.
2. ДАННЫЕ
С этой целью мы сравнили одновременные записи пульсаций Рс5 на геостационарном спутнике GOES-8 и на канадской обс. Poste-de-la-Baleine, (PBQ), географические координаты которой ф =
Полоидальные
Тороидальные
20:50 21:00
10
20
30
21:40
18:50 19:00
10
20
30
40
19:50
ит ит
Рис. 1. Вверху: примеры полоидальных колебаний на ООЕ8-8 30 сентября 2001 г. (слева) и тороидальных 6 февраля 2001 (справа). Под ними показаны одновременные пульсации в обс. PBQ.
= 55.3°, X = 282.2°, а исправленные геомагнитные Ф = 65.6°, Л = 358.6°. Проекция силовой линии спутника на землю находится вблизи точки с координатами ф = 56.8°, X = 282° (см. рис. 4 в работе Kessel [2008]), что соответствует геомагнитным координатам Ф = 67°, Л = 358°. Одноминутные данные обоих магнитометров за весь 2001 г. были
пропущены через цифровой фильтр высоких частот с подавлением на уровне 0.7 колебаний с периодом более 13 мин, т.е. ниже диапазона Рс5. Было выбрано 36 интервалов с одной и той же длительностью 58 мин, когда на ООЕ8-8 наблюдались пульсации. Они были разделены на полоидальные и тороидальные. Разделение проведено
по величине амплитуд компонент: если максимальной была азимутальная компонента hn, то колебания считались тороидальными, а если максимальными были he или hp, направленные соответственно к Земле или параллельно оси вращения Земли, то колебания считались полоидаль-ными. Число тороидальных случаев оказалось 22, а полоидальных 14. Примеры двух мод показаны на верхних графиках рис. 1. Использованные в работе случаи представлены в таблице; день, месяц, начало и конец интервала даны в трех левых столбцах.
Для всех случаев на GOES-8 находилась частота колебаний каждой компоненты. Определение частоты из разложения Фурье для массива из 58 точек сопряжено с большими ошибками, поэтому использовалась аппроксимация пульсаций синусоидой посредством программы curvefit из программного обеспечения языка IDL. Она осуществляет нелинейную аппроксимацию массива данных задаваемой функцией с произвольным числом параметров; в качестве таковых брались частота, амплитуда, фаза и постоянная составляющая. Для каждого случая проводилось несколько аппроксимаций с разными начальными частотами: методом БПФ грубо определялась частота максимума спектра, а затем для аппроксимации брались найденная частота f и f ± f/2. Если аппроксимации различались, то бралась с минимальным среднеквадратичным отклонением от исходного сигнала.
Заметим, что для определения частоты Рс5 Taka-hashi et al. [2002] использовали метод максимальной энтропии, a Kessel [2008] при решении той же задачи перед нахождением спектральной мощности применял окно Парзена для исходных данных.
Частоты в разных компонентах расходились в пределах ошибки аппроксимации, около 10%. Периоды и амплитуды для компоненты с максимальной амплитудой представлены в четвертом и пятом столбцах таблицы. Средний период тороидальных колебаний оказался равным 5.7 ± 1.1 мин, а полоидальных — 5.4 ± 1.0 мин, расхождение лежит в пределах погрешности.
Суточный ход частоты появления обеих мод по местному магнитному времени MLT = UT-5 приведен на рис. 2, на котором видно, что тороидальные колебания появляются чаще до магнитного полудня, а полоидальные — вблизи полудня и вечером. Похожее суточное распределение мод по данным спутника CRRES было найдено в работе [Hudson et al., 2004]; согласно измерениям на спутнике THEMIS Liu et al. [2009], в полуденном секторе доминирует полоидальная мода Рс5. Как видно на рис. 2, суточный ход выражен не вполне четко, случается и обратное появление мод. Особенностью этих случаев является значительная амплитуда другой моды: чисто тороидальные или
П
Тороидальная мода
ППП Л
12
16
20
24
Полоидальная мода
Ш
j_I I_L
Д.
4 8 12 16 20 Магнитное местное время
24
Рис. 2. Суточный ход частоты появления тороидальной (наверху) и полоидальной (внизу) мод на спутнике ООЕ8-8 в 2001 г.
полоидальные колебания имеют место лишь в теории.
В работе [Baker et al., 2003] выполнен статистический анализ наземных геомагнитных пульсаций Рс5 за 10 лет непрерывного наблюдения на цепочке магнитометров CANOPUS, расположенной в авроральных широтах. Ближе всех к проекции силовой линии GOES-8 и обе. PBQ располагается обс. Gillam. На этой и других станциях в суточном ходе четко прослеживаются два максимума, утренний 05—08 MLT и послеполуденный 13—18 MLT. Как видно на рис. 2, первый совпадает с тороидальными колебаниями на GOES'e, а второй с полоидальными.
Все выбранные нами случаи Рс5 пульсаций в магнитосфере на спутнике GOES-8 сопровождались и Рс5 пульсациями на Земле, в обе. PBQ. В случаях, приведенных на рис. 1, периоды на спутнике (вверху) и на Земле (внизу) совпадают, однако это наблюдается не всегда. На рисунке 3 показан случай, когда на GOES наблюдались интенсивные тороидальные колебания с периодом 7 мин, а на Земле период был примерно в два раза больше.
Другой пример приведен на рис. 4: полоидаль-ные колебания с периодом 4 мин на спутнике сопровождались 10-мин колебаниями на Земле. На нижних панелях этих рисунков представлены спектры пульсаций для самой интенсивной компоненты на GOES и для Х-компоненты в PBQ. Если для тороидального колебания на рис. 3 видно наличие общего пика на 2.5 мГц (6.7 мин), то для полоидального (рис. 4) спектры совершенно
4
8
0
1:30 40 50 2:00 10 20 2:30
1:30 40 50 2:00 10 20 2:30
Частота, мГц
Рис. 3. Геомагнитные пульсации на ООБ8-8 (наверху), в обе. PBQ (посредине) и их спектры для случая 9 апреля 2001 г.
различны. Похожая закономерность имеет место и для других случаев: из 22 случаев тороидальной моды только в 6 случаях спектры различаются, а из 14 полоидальных спектры различны в 10 случа-
ях. Зависимости подобия спектров от местного времени не обнаружено.
Пульсации на Земле вызываются соответствующими процессами в магнитосфере, поэтому
0:40 50 1:00 10 20 30 1:40
0 1 2 3 4 5
Частота, мГц
Рис. 4. Геомагнитные пульсации на ООЕ8-8 (наверху), в обе. PBQ (посредине) и их спектры для случая 19 сентября 2001 г.
найденная на спутнике частота была выделена во всех магнитных компонентах в обе. PBQ посредством той же программы сытв/И; неопределенны-
ми параметрами задавались амплитуда, фаза и постоянная составляющая. Амплитуда этой частоты, наибольшая из горизонтальных компонент в
Параметры использованных случаев Pc5. (Пояснения в тексте.)
ДД ММ Начало Конец T мин A GOES A PBQ Comp Dst Ap
Полоидальные
23.01 22:48- 23:46 4.9 11.8 4.3 X -8 27
31.01 19:12- 20:10 6.6 2.5 1.6 X -33 27
18.02 19:12- 20:10 4.1 4.1 0.2 X -7 3
3.03 21:43- 22:41 4.0 1.2 0.7 X -9 12
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.