Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Магнитосферно-ионосферные электромагнитные процессы в условиях развития и распада кольцевого тока (обзор) 11
1.1 Симметричная и асимметричная части кольцевого тока на главной фазе и фазе восстановления геомагнитной бури 11
1.2 Интенсификация восточного и западного электроджетов в период геомагнитного возмущения
1.3. Плазмосфера и ее динамика в геомагнитно-возмущенные периоды 39
1.4. Взаимодействие ионно-циклотронных волн с холодной плазмой как причина магнитосферных токов обусловленных высыпанием частиц 45
1.5. Ионосфера в периоды магнитосферных возмущений 50
Глава 2 Изучение вопросов развития и распада кольцевого тока в условиях магнитосферных бурь 62
2.1. Линейная связь симметрии и асимметрии кольцевого тока с восточным и западным электроджетами на главной фазе и фазе восстановления бури... 62
2.2. Учет параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля при изучении связи кольцевого тока и авроральных электроджетов 69
2.3. Исследование нелинейной связи симметрии и асимметрии кольцевого тока с восточным и западным электроджетами на главной фазе бури 77
2.4. Классификационный подход к анализу связи активности авроральных электроджетов и магнитного возмущения на средних и низких широтах в период магнитной бури 86
Глава 3 91
Исследование влияния дневного и вечернего выступов плазмосферы на асимметрию возмущений магнитного поля Земли 91
3.1. Спектральные особенности возмущений геомагнитного поля на меридиональных цепочках станций в периоды существования дневного и вечернего выступов плазмосферы 91
3.2. Изменения горизонтальной компоненты геомагнитного поля как следствие магнитосферных токов, обусловленных высыпанием частиц в области дневного выступа плазмосферы 96
3.3. Пульсации диапазона Рс 4 как признак продольного тока в районе дневного выступа плазмосферы 98
Глава 4 Волновые явления в ионосфере в условиях геомагнитной возмущенности 101
4.1. Разработка метода прогнозирования критической частоты ионосферного слоя F2 .102
4.2. Учет солнечно-магнитосферных связей в задаче прогноза критической частоты субавроральной ионосферы (HAARP) 105
4.3. Пространственно-временная корреляция максимальной наблюдаемой частоты (МНЧ) на среднеширотных радиолиниях 110
4.4. Результаты сравнительного корреляционного и спектрального анализа динамики МНЧ
и индекса АЕ 119
4.5 Фазовые и групповые скорости МГВ и сопоставления с МГД моделированием 134
Заключение 141
Литература
- Интенсификация восточного и западного электроджетов в период геомагнитного возмущения
- Исследование нелинейной связи симметрии и асимметрии кольцевого тока с восточным и западным электроджетами на главной фазе бури
- Изменения горизонтальной компоненты геомагнитного поля как следствие магнитосферных токов, обусловленных высыпанием частиц в области дневного выступа плазмосферы
- Пространственно-временная корреляция максимальной наблюдаемой частоты (МНЧ) на среднеширотных радиолиниях
Введение к работе
В диссертации исследуется связь динамики магннтосферных токовых систем с процессами в ионосфере во время значительных геомагнитных возмущений. В первую очередь, это исследование связи симметричной и асимметричной частей кольцевого тока с восточной и западной авроральными электроджетами в периоды магнитосферных бурь различной интенсивности. Проведена классификация конкретных бурь для определения степени влияния их интенсивности и продолжительности на уровень связи магнитосферных и ионосферных токовых систем. Рассмотрены вопросы замыкания асимметричного кольцевого тока на ионосферу вследствие развития циклотронной неустойчивости в области дневного и вечернего выступов плазмосферы. Найдено экспериментальное подтверждение образования асимметрии низкоширотного поля магнитного возмущения, обусловленного контуром тока, продольные составляющие которого обеспечиваются высыпанием энергичных частиц кольцевого тока при их взаимодействии с ионно-циклотронными волнами на границах плазмосферных выступов. Проанализированы ионосферные последствия активации авроральных токовых систем, в частности, проблема распространения магнитогравитационных волн в ионосфере и их проявления в перемещающихся ионосферных возмущениях на конкретных трассах наклонного зондирования.
Прикладные задачи диссертационного исследования посвящены разработке методики прогнозирования критической частоты субавроральной ионосферы, разработке методики восстановления рядов данных по максимальной наблюдаемой частоте на трассах наклонного зондирования ионосферы. Для их создания был использован метод искусственных нейронных сетей.
Актуальность проблемы
Изучение магнитосферных и ионосферных токовых систем в геомагнитно-возмущенные периоды позволяет получать представление об общих электродинамических процессах в системе «магнитосфера-ионосфера». Регистрируемые вариации наземного геомагнитного поля в возмущенные периоды свидетельствуют о том, что в магнитосфере текут интенсивные токи -токи на магнитопаузе, кольцевой ток, продольные токи в высоких широтах, ток в хвостовой части магнитосферы. Кроме того, указанные вариации дополняются интенсивными ионосферными токами в полярной шапке и в области овала полярных сияний, где присутствуют восточный и западный электроджеты. Изучение динамики, пространственно-временного распределения и взаимосвязи этих токовых систем представляет большой интерес. К настоящему моменту определены основные механизмы и разработаны модели, описывающие процессы активации, распада и объединения этих токов, что позволяет осуществлять оперативную диагностику и прогнозирование степени развития магнитосферно-ионосферных процессов и их возможных последствий, влияющих на работу наземных и космических технических систем. С этой точки токовые системы магнитосферы и ионосферы играют определяющую роль, поскольку именно они являются ответственными за изменения геомагнитного поля. Поэтому
установление причинно-следственных связей в системе «магнитосфера-ионосфера» является на данный момент актуальной задачей научного направления, изучающего электродинамику околоземного космического пространства.
Отдельное направление радиофизических исследований посвящено изучению ионосферных последствий глобальной геомагнитной активности. Ионосфера является ионизованной средой, сильно подверженной внешнему воздействию со стороны физических процессов, происходящих в магнитосфере. Одним из направлений ионосферных исследований является изучение распространения волновых возмущений в этой среде. Основная проблема данного направления - отсутствие возможности прямых измерений, в то время как распространение волн различного типа в ионосфере отражается в динамике ее параметров. К настоящему времени разработана теория распространения волн, которая является физически обоснованной и находит косвенное экспериментальное подтверждение. Однако вследствие сложности ионосферных процессов, любая теория является конкретным приближением, которое учитывает одни факторы, и пренебрегает другими. В этой связи дополнение и уточнение существующей модели и ее отдельных частей важно как с теоретической, так и с прикладной точки зрения. Несмотря на развитие альтернативных видов связи (спутниковая, радиорелейная), коротковолновая радиосвязь остается одним из базовых методов передачи сигнала. Для обеспечения эффективной работы радиоэлектронных систем различного назначения (коротковолновая радиосвязь, загоризонтная радиолокация, радионавигация и радиопеленгация) в условиях динамично изменяющейся ионосферной обстановки необходимо осуществлять их адаптацию к текущему состоянию ионосферы, используя результаты оперативной диагностики ионосферного канала. Использование современных средств мониторинга ионосферного канала позволяет повысить надежность связных систем до 97-99%, т.е. до уровня надежности спутниковой связи. Однако отсутствие разветвленной сети ионозондов приводит к необходимости решения задачи пространственно-временного прогнозирования ключевых параметров ионосферного канала - критических и максимальных наблюдаемых частот.
Цели и задачи работы
Целью диссертационного исследования является установление связи между
магнитосферными и ионосферными физическими процессами в периоды
геомагнитных возмущений. При этом исследуются ионосферные последствия
активации системы «магнитосфера-ионосфера» в условиях повышенной
геомагнитной активности. В связи с этим решаются следующие задачи:
1. Исследование связи симметричной и асимметричной частей кольцевого
тока с восточным и западным электроджетами в периоды геомагнитных
возмущений для установления причинно-следственных связей в системе
«магнитосфера-ионосфера». Классификация геомагнитных бурь, которая
позволит оценить степень влияния интенсивности и продолжительности
магнитной бури на уровень связи между среднеширотными
магнитосферными и авроральными ионосферными токовыми системами.
Поиск асимметрии низкоширотного поля магнитных возмущений в конкретных секторах местного времени для проверки возможной генерации асимметричного кольцевого тока вследствие взаимодействия энергичных ионов кольцевого тока с дневным и вечерним выступами плазмосферы.
Обнаружение магнитогравитационных волн в ионосфере, которые возникают вследствие активации авроральных электроджетов и проявляются на трассах наклонного зондирования ионосферы в форме перемещающихся ионосферных возмущений.
Научная новизна
Методами линейного и нелинейного корреляционного анализа установлена связь симметричной и асимметричной частей кольцевого тока с авроральными электроджетами на разных фазах геомагнитной бури. Определены характерные временные задержки в развитии частей кольцевого тока относительно этих электроджетов. На основе проведенного анализа построена эквивалентная трехмерная ионосферно-магнитосферная токовая система, включающая в себя асимметричный кольцевой ток, восточный и западный электроджеты и токи вдоль силовых линий. Для выявления характерных особенностей в развитии геомагнитного возмущения и их влияния на связь между токовыми системами, была выполнена нейросетевая классификация главных фаз магнитных бурь.
Обнаружена связь вариаций низкоширотного геомагнитного возмущения, определяемого по данным магнитных обсерваторий, с формой плазмопаузы на раннем этапе фазы восстановления бури. Обнаружены отклонения в поведении Н-компонент на магнитных станциях, находящихся под дневным выступом плазмосферы. Результаты спектрального анализа показали, что такое отклонение вызвано высыпанием частиц кольцевого тока вследствие развития циклотронной неустойчивости на границе выступа. Таким образом, проверен и уточнен механизм замыкания асимметричного кольцевого тока на ионосферу. Согласно полученным результатам построена токовая система, возникающая в результате развития циклотронной неустойчивости.
Проведено исследование воздействия на ионосферу параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля методом искусственных нейронных сетей (ИНС), а так же разработана методика прогнозирования критической частоты субавроральной ионосферы на интервалы от 0,5 часа до 2 часов. Определены основные солнечно-магнитосферные параметры, оказывающие наибольшее влияние на изменение критической частоты для дневного и ночного времени суток. Оригинальность предлагаемой методики прогноза заключается в создании ИНС с автоматическим блоком «шлюзования» дополнительных параметров, который позволяет улучшить эффективность прогнозирования критической частоты.
Рассмотрены волновые явления в ионосфере в периоды повышенной геомагнитной активности. Установлено, что перенос ионосферных возмущений из аврорапьной области к средним широтам возможен не только посредством акустико-гравитационных волн, но и с помощью магнитогравитационных возмущений. Такой результат получен с помощью корреляционного и спектрального анализа максимальных наблюдаемых частот на трассах наклонного
зондирования ионосферы. При этом определены характерные скорости магнитогравитационных волн, согласующиеся с соответствующими дисперсионными зависимостями.
Научная и практическая ценность
На основе анализа связи асимметричной части кольцевого тока с авроральными электроджетами построена трехмерная эквивалентная токовая система. Она включает в себя асимметричный кольцевой ток и восточный и западный электроджеты, которые связаны между собой токами вдоль силовых линий. Построение такой токовой системы позволило объяснить особенности связи между указанными магнитосферными и ионосферными токовыми системами. Эти системы имеют общий энергетический бюджет, поэтому существует баланс связи асимметричного кольцевого тока с авроральными электроджетами. Таким образом, предложен новый способ объединения указанных токовых систем, который не противоречит общим физическим представлениям 6 развитии магнитосферно-ионосферных процессов и результатам, полученным другими исследователями.
Экспериментально подтвержден механизм замыкания асимметричного кольцевого тока, предложенный группой В.Ю. Трахтенгерца. Для этого методами спектрального анализа исследовались вариации на геомагнитных станциях, расположенных в области дневного выступа плазмосферы. Обнаруженное изменение временного хода горизонтальных компонент на этих станциях в присутствии дневного выступа, а так же присутствие в спектрограммах пульсаций диапазона Рс-4 является признаками существования интенсивного продольного тока. Следовательно, в этой области возможно высыпание частиц кольцевого тока в ионосферу и образование его асимметричной части. Полученные результаты подтверждают гипотезу о существовании трехмерной ионосферно-магнитосферной токовой системы, которая включает в себя асимметричный кольцевой ток и оба авроральных электроджета.
По вариациям максимальных наблюдаемых частот (МНЧ) на трассах наклонного зондирования ионосферы и сопоставления этих вариаций с авроральной возмущенностью обнаружены магнитогравитационные волны (МГВ), скорость которых выше скорости акустико-гравитационных, но ниже скорости магнитогидродинамических волн. Существование такого типа волн в ионосфере позволяет объяснить высокие скорости переноса возмущений из авроральной области к средним широтам. Получены дисперсионные кривые для МГВ, а также проведена оценка скоростей их распространения на основе экспериментальных и теоретических результатов.
В качестве прикладной задачи рассмотрено влияние на критическую частоту субавроральной ионосферы основных солнечно-магнитосферных параметров. Учет этих параметров и предложенный метод «шлюзования» входного пакета данных позволяет с помощью ИНС получить эффективный прогноз критической частоты на субавроральной станции Gakona (нагревный стенд HAARP) на интервалы от получаса до двух часов. Другим прикладным результатом является разработанная нейросетевая методика восстановления рядов данных по максимальной наблюдаемой частоте на среднеширотных трассах
наклонного зондирования ионосферы. Предложенный метод позволяет с высокой точностью восстанавливать значения максимальных наблюдаемых частот с привлечением минимального набора дополнительных параметров.
Степень достоверности полученных результатов
Результаты, изложенные в диссертационной работе, согласуются с данными существующих экспериментальных наблюдений. Их сопоставление с аналитическими и численными исследованиями других авторов показали, что выводы настоящей работы дополняют и уточняют эти исследования. Основные результаты диссертации опубликованы в рецензируемых научных журналах «Геомагнетизм и аэрономия» и «Известия ВУЗов - Радиофизика», а также были представлены на Российских и Международных конференциях и Научных семинарах НИРФИ, ИЗМИРАН, ПГИ КНЦ РАН.
Экспериментальные данные
В работе использовались следующие экспериментальные данные:
Параметры солнечного ветра и межпланетного магнитного поля, взятые из базы спутника АСЕ [].
Индексы геомагнитной активности Dst, SYM, ASY [].
Индексы интенсивности авроральных электроджетов АЕ, AU, AL [].
Критическая частота ионосферного слоя F2 на станции Gakona [].
Интенсивность рентгеновского излучения [].
Интенсивность ультрафиолетового излучения [].
Планетарный индекс геомагнитной возмущенности (Кр* 10) [].
Индекс вытянутости геомагнитного хвоста Ы [].
Интенсивность свечения ночного неба [].
Ионосферная модель IRI2001 [].
Данные наземных геомагнитных станций [; The British Geological Survey; Geological Survey of Sweden].
Данные о максимальных наблюдаемых частотах (предоставлены ЮФУ и НИРФИ).
На защиту выносятся следующие положения:
1. Построенная трехмерная токовая система «магнитосфера-ионосфера» отражает наблюдаемую связь асимметричной части магнитного поля, которое создается магнитосферным кольцевым током, с магнитным полем, которое генерируется авроральными электроджетами.
Обнаруженная дополнительная асимметрия низкоширотного поля геомагнитного возмущения в области дневного и вечернего выступов плазмосферы является следствием замыкания асимметричного кольцевого тока на ионосферу, обусловленного высыпанием ионов кольцевого тока
Обоснование существования магнитогравитационных волн в среднеширотной ионосфере вызываемых авроральной активностью с учетом дисперсионных зависимостей магнитогравитационных волн для реальной ионосферы.
Представление результатов
Результаты диссертационной работы докладывались на следующих семинарах и конференциях:
29 Annual Seminar "Physics of auroral phenomena", Apatity, 27 February-3 March 2006.
30 Annual Seminar "Physics of auroral phenomena", Apatity, 27 February-2 March 2007.
European Geosciences Union, General Assembly Vienna, Austria, 2007.
11 Пулковская международная конференция по физике Солнца: Физическая природа солнечной активности и прогнозирование ее геофизических проявлений. ГАО РАН, Пулково, Санкт-Петербург, 2-7 июля 2007.
Нижегородская сессия молодых ученых (естественнонаучные дисциплины), Татинец, 20-25 апреля 2008.
Всероссийская научная конференция «Распространение радиоволн (РРВ-22)», Ростов-на-Дону - п. Лоо, 22-26 сентября 2008.
31-й ежегодный Апатитский семинар «Физика авроральных явлений», 26-29 февраля 2008.
European Geosciences Union, General Assembly Vienna, Austria, 2008.
Научно-исследовательский институт «Крымская астрофизическая обсерватория», 8-14 июня 2008.
32-й ежегодный Апатитский семинар «Физика авроральных явлений», 3-6 марта 2009.
Тринадцатая научная конференция по радиофизике, ГОУ ВПО "Нижегородский государственный университет им. Н.ИЛобачевского", 7 мая 2009.
Семинары НИРФИ, ИЗМИР АН и НГПУ.
Публикации
По теме диссертации автором опубликовано 3 статьи в рецензируемых журналах и 15 работ в сборниках и трудах конференций.
Личный вклад соискателя
Автор принимала непосредственное участие в постановке задач и выборе методов их решения, в получении и анализе результатов, а также в их интерпретации. Автором проведены все численные эксперименты, представленные в диссертации, выполненные с использованием самостоятельно разработанных компьютерных программ.
Интенсификация восточного и западного электроджетов в период геомагнитного возмущения
Современные индексы интенсивности кольцевого тока. До настоящего времени общепринятым является определение интенсивности магнитной бури по минимуму значений индекса Dst [Gonzalez et al., 1994]. Индекс Dst был разработан Sugiura (1960) для определения уровня возмущенности геомагнитного поля, которое имеет аксиальную симметрию, связанную с осью Земного диполя. Поскольку индекс Dst вычисляется по вариациям горизонтальной компоненты, и является функцией всемирного времени UT, изменение его значений достаточно точно отражает уровень глобальной геомагнитной возмущенности. Кроме того, даже в отсутствие магнитных возмущений типа магнитных бурь, изменения индекса Dst позволяют незначительные магнитные возмущения без четко выделенного внезапного начала. Таким образом, вариации индекса Dst могут обеспечить количественную характеристику уровня геомагнитной возмущенности, коррелированную с другими магнитосферными и солнечными параметрами. В связи с этим, значения индекса Dst публикуются IAGA на постоянной основе.
Значения индекса Dst вычисляются по данным магнитных записей четырех обсерваторий: Hermanus, Kakioka, Honolulu, и San Juan. Географические и геомагнитные координаты этих станций представлены в таблице 1.1.1. Таблица 1.1.1. Геомагнитные обсерватории индекса Dst. TABLE Observatory Geo_gra Longitude (E) phi с Latitude Geomagnetic Dip ole latitude Hermanns 19.22 -34 40 -33.3 Kakioka 140.18 36.23 26.0 Honolulu to April I960 201.90 21.30 21.0 after A prill 9 60 201.98 21.32 21.1 San Juan to January 1965 293.88 18.38 29.9 Станции для вычисления индекса Dst выбирались исходя из соображений географической удаленности этих станций от авроральных электроджетов, а так же значительной долготной разнесенности. Процедура вычисления индекса Dst состоит из нескольких этапов: (1) Начальный этап. Для каждой обсерватории формируется база годовых значений Н-компоненты, вычисленных для каждого месяца в пять геомагнино спокойных дней. Необходимо отметить, что окончательные значения индекса Dst могут быть вычислены только за прошедшие календарные годы. (2) Устранение солнечно-суточной (Sq) вариации. Усредненная солнечно-суточная вариация определяется на каждой станции для Н-компоненты в международные геомагнитно спокойные дни. (3) Вычисление часовых значений индекса Dst. Для каждой обсерватории возмущенная вариация D(Т) определяется как: D(T) = AH(T)-Sq(T). Затем эта вариация усредняется по четырем станциям и нормируется на величину косинуса широты ср в системе координат, связанной с геомагнитным диполем: COS ф
Нормировка вводится для минимизации нежелательных эффектов, связанных с пропущенными часовыми значениями.
Таким образом, индекс Dst представляет возмущения аксиально-симметричного геомагнитного поля вблизи магнитного экватора на поверхности Земли. Индекс имеет в основном отрицательные значения, которые соответствуют уменьшению геомагнитного поля. Спад значений магнитного поля в основном связан с развитием экваториальной токовой системы - кольцевого тока. Токи нейтрального слоя, которые текут поперек хвоста магнитосферы, дают некоторый вклад в спад магнитного поля у поверхности Земли. Положительные значения индекса Dst в основном обусловлены сжатием магнитосферы под воздействием давления солнечного ветра.
Однако известно, что возмущенное геомагнитное поле не является аксиально-симметричным. Для описания уровня возмущенности геомагнитного поля средних широт с высоким временным разрешением используются геомагнитные индексы долготной асимметрии (ASY) и симметрии (SYM). Эти индексы вычисляются для Н- и D-компонент геомагнитного поля, а именно, для компонент горизонтального (поле диполя) направления Н (SYM-H, ASY-H), и для ортогонального (восток-запад) направления D (SYM-D, ASY-D). Симметричное поле возмущения в Н (SYM-H) по существу является аналогом часового индекса Dst. Асимметрия возмущений Н-компоненты (ASY-H) также является аналогом индексов, разработанных Kawasaki and Akasofu (1971), Crooker and Siscoe (1971), или Clauer etal.(1983).
Геомагнитные обсерватории, по записям которых производится вычисление указанных индексов, представлены в таблице 1.1.2. Таблица 1.1.2. Геомагнитные обсерватории индексов SYM, ASY. TABLE STATION NAME ABB G.G. G.G. G.M. G.M. INVARIANT ROTATION CODE LAT. LONG. LAT. LONG. LAT. ANGLE San Juan SJG 18.1 293.9 29.1 5.2 32.5 -8.9 Fredericksburg FRD 38.2 282.6 !9.1 352.2 50.4 0.1 Boulder HOI- 40.1 25-1.8 18.7 319.0 49.1 2.5 Tucson TUG 32.3 2-19.2 10.1 31-1.6 39.7 2.7 Honolulu I10X 21.3 202.0 21.5 268.6 20.2 0.5 Memambetsu MM в 43.9 I-M.2 31.6 210.2 31.9 -lb.l Alibag ABG 18.6 72.9 9.9 1-15.8 — 6.8 Martin de Vivies AMS -37.8 77.6 -16.9 142.8 -18.6 -32.1 Herman us HER -31.4 19.2 -33.7 82.7 43.6 -10.1 Chanibon-la-Foret CLE 48.0 2.3 50.! «5.7 15.7 13.6 Необходимо отметить, что некоторые из указанных в таблице 1 станций (Fredericksburg, Boulder, Tucson, Memambetsu, Martin de Vivies и Chambon- la-Foret) находятся на более высоких широтах, чем станции, использованные Sugira для вычисления индекса Dst. Каждый месяц для вычисления вариаций Н- и D-компонент используется только шесть из указанных станций. Процедура вычисления содержит четыре шага: (1) Устранение главного геомагнитного поля и Sq-вариации; (2) Пересчет координат в координатную систему диполя; (3) Вычисление симметричных компонент по долготе (т.е. усреднение магнитных записей по шести станциям), вычисление асимметричных компонент (возмущенное поле минус симметричная компонента); (4) Вычисление индексов асимметрии как разницы между максимальным и минимальным отклонением возмущенного поля.
Развитие асимметричного кольцевого тока в период магнитной бури. Одними из первых исследователей, интенсивно изучающих асимметрию кольцевого тока, были Sugiura and Chapman [I960]. Ими был разработан индекс интенсивности асимметричной части кольцевого тока DSi, который представлял собой разницу минимумов первых гармоник долготных профилей АН. В своих работах методом наложения эпох они сопоставили 74 геомагнитные бури. На рис. 1.1.3 представлена статистическая обработка полученных результатов - произведено сравнение индекса Dst и индекса DSi для всех рассматриваемых событий. За внезапным началом магнитной бури (SSC), которое сопровождается увеличением значений индекса Dst, следует главная фаза продолжительностью 20 часов. В начале главной фазы бури, значения статистически вычисленной асимметрии уменьшаются быстрее, чем значения индекса Dst в течение двух часов после SSC. Спустя 7 часов после начала возмущения, значения индекса асимметрии DSi и индекса Dst становятся равными, и далее значения индекса DSi с течением бури приближаются к нулю.
Анализ полученных результатов показывает, что на раннем этапе главной фазы магнитной бури кольцевой ток является сильно асимметричным, однако к концу главной фазы симметричный кольцевой ток становится преобладающим, и на фазе восстановления кольцевой ток становится все более симметричным.
В настоящее время предложенная концепция развития симметричного и асимметричного кольцевого тока является общепринятой. Однако многие работы посвящены проверке и уточнению этой концепции. Рассмотрим более подробно современные результаты исследования кольцевого тока и его симметричной и асимметричной составляющих.
Развитие геомагнитной бури определяется токовыми системами симметричного и асимметричного кольцевого тока. Однако эти токовые системы дают разный вклад в поле кольцевого тока на главной фазе и фазе восстановления геомагнитной бури. Согласно теоретическим и модельным расчетам [Liemohn, et al., 2001], на главной фазе геомагнитной бури большинство ионов кольцевого тока находятся на открытых силовых линиях в вечернем секторе магнитосферы, т.е. принадлежат асимметричной части кольцевого тока. Однако в областях околоземного пространства в утреннем секторе магнитосферы внутри оболочки L=4, энергичные ионы кольцевого тока находятся на закрытых силовых линиях. Эти ионы составляют симметричную часть кольцевого тока. Плотность энергии в этой области существенно ниже по сравнению с вечерним сектором магнитосферы, вблизи которого силовые линии являются открытыми. Открытыми силовыми линиями магнитосферы управляет сильное электрическое поле конвекции, обусловленное разностью потенциалов полярной шапки. На заключительном этапе фазы восстановления поле конвекции ослабляется, что приводит к закрытию магнитных силовых линий, и энергичные ионы, захваченные электрическим полем, распределяются по азимуту вокруг Земли. Поскольку ионы находятся на закрытых силовых линиях, в этот период симметричный кольцевой ток является преобладающим. На рис. 1.1.4 представлено изменение плотности энергии в экваториальной плоскости для начальной фазы (а), главной фазы (Ь), ранней фазы восстановления (с), и поздней фазы восстановления (d) геомагнитной бури. Верхняя панель соответствует магнитной буре 25-26 сентября 1998 (Dst—190 пТ), средняя панель
Исследование нелинейной связи симметрии и асимметрии кольцевого тока с восточным и западным электроджетами на главной фазе бури
Другая трехмерная токовая система, изображенная на рис. 1.2.6 (а) в виде а ,б ,в ,г , рассматривается как следствие инжекции плазмы хвоста во внутреннюю магнитосферу. Асимметричный кольцевой ток течет в инжектируемой внутрь магнитосферы плазме. Токовая система замыкается через ионосферу токами поляризационных зарядов, образующихся на боковых (восточной и западной) границах области инжекции плазмы вследствие различия в движении электронов и протонов. Предполагается, что асимметричный кольцевой ток начинает развиваться в период начальной фазы по мере постепенного движения внутренней границы плазменного слоя к Земле, что приводит к уменьшению //-компоненты геомагнитного поля, наблюдаемой на наземных низкоширотных обсерваториях в эту фазу суббури. На главной фазе развития бури уменьшение Н-компоненты усиливается на вечерней стороне, а именно усиливается низкоширотная отрицательная бухта, так как плазма быстро инжектируется из хвоста вглубь магнитосферы.
Соответствующее распределение ионосферного тока приведено на рис. 1.2.6 (б). Западный электроджет образуется замыканием по долготе продольных токов, втекающих и вытекающих вдоль высокоширотного контура тока, а восточный электроджет -меридиональным замыканием токов, текущих по искривленному пути в предполуночном секторе. Были проведены модельные расчеты поля кольцевого тока (DR) при разной долготной протяженности асимметричного кольцевого тока и при замыкании тока через ионосферу. Согласно полученным результатам, наблюдаемое на земле асимметричное поле DR связано в основном с продольными токами. Поле возмущения на поверхности земли, связанное с асимметричным кольцевым током в магнитосфере, не изменяется существенно с местным временем, поскольку этот ток располагается на геоцентрических расстояниях более чем в несколько земных радиусов.
Однако имеется некоторая неопределенность относительно расположения токового контура по местному времени. Поскольку асимметричное поле DR, наблюдаемое на земной поверхности, наиболее интенсивно вблизи меридиана 18 ч местного времени, вначале было выдвинуто предположение, что местом расположения токового контура является вечерний сектор. Согласно такой точке зрения, вблизи вечернего меридиана должно происходить обращение полярности продольного тока: ток должен втекать в ионосферу до и вытекать после 18 ч. Однако, когда крупномасштабное распределение продольного тока было наконец выявлено, результаты наблюдений не подтвердили такого предположения.
Как следует из данных, приведенных на рис. 1.2.7, обращение полярности продольного тока происходит вблизи полуночи, а не 18 ч. (Система асимметричного кольцевого тока изображена на рис. 1.2.6 (а) с центром вблизи полуночи, что фактически не согласуется с наземными наблюдениями асимметричного тока DR.) Таким образом, хотя наблюдения инжектированных в магнитосферу протонов и соответствующего уменьшения локального магнитного поля поддерживают ту точку зрения, что магнитосфера больше вздута в вечернем секторе, до сих пор не выяснено, как связано это явление с наблюдающейся на земле асимметрией поля DR по местному времени.
(а) распределение продольных токов в спокойные периоды: 1 -токи, втекающие в ионосферу; 2 - токи, вытекающие из ионосферы; (б) направления электрического поля (стрелки) в интервалы от умеренно-возмущенных до возмущенных. Координатная сетка -инвариантная широта и местное магнитное время
Асимметрия поля DR уменьшается и кольцевой ток стремиться к более симметричной конфигурации с началом фазы восстановления бури после достижения максимума \Dst\. Это следует из данных, приведенных на рис. 1.2.5, где DST = Д, сопоставляется с асимметрией кольцевого тока (АКТ), которая определяется как интервал между нижней и верхней огибающими магнитограмм //-компоненты (после исключения -вариаций) ряда низкоширотных обсерваторий. На рис. 1.2.5 видно, что поле DR было сильно асимметричным (DST«АКТ) в период его усиления в связи с высокой активностью авроралыюго электроджета после 20 ч UT 13 января 1967 г, но стало симметричным после прекращения активности электроджета в зоне полярных сияний. Исходя из динамики инжектированных протонов, симметризация кольцевого тока происходит после окончания инжекции частиц и перераспределения вокруг Земли протонов, захваченных после ослабления напряженности электрического поля [Нишида, 1983].
Результаты, изложенные выше, свидетельствуют об образовании трехмерной токовой системы, содержащей асимметричную часть кольцевого тока и восточный электроджет, которая располагается предположительно в вечернем секторе магнитосферы. Однако такая концепция может быть не вполне корректной [Grafe et al., 1997]. Grafe (1977) и Clauer (1981) показали, что интенсивность асимметричной части низкоширотного поля возмущения скорее связана с западным электроджетом, чем с восточным. Таким образом, связь аврорального и низкоширотного поля возмущения до настоящего времени остается не полностью ясной, возможно вследствие не полностью установленной природы восточного электроджета. Известно, что с развитие западного электроджета обусловлено двумя разными явлениями: конвекцией и явлениями на взрывной фазе суббури, вызванными крупномасштабными процессами переноса и процессами «разгрузки» [Sergeev, 1977; Pytte et al., 1978; Kamide and Vickrey, 1983]. Относительно восточного электроджета общепринятым является мнение, что его развитие обусловлено лишь процессами переноса, т.е. конвекцией [Baumjohann, 1986]. Однако в работах [Grafe, 1990; Grafe, 1994] было показано, что восточный электроджет так же имеет двойную природу. При проникновении энергичных ионов, в вечернем секторе магнитосферы для восточного электроджета были отмечены характерные особенности взрывной фазы суббури. В начальной фазе развития подобных событий наблюдалось возникновение пульсаций pi2. Двойная природа восточного электроджета может объяснять недостаточно высокие корреляции между индексами ASY и AU. В работе [Grafe et al., 1997] рассматривается взаимосвязь между асимметрией кольцевого тока, характеризуемой индексом ASY, и эквивалентными токовыми системами суббури. Исследование проводилось для четырех магнитных бурь, соответствующих максимальному количеству солнечных пятен. Для каждого из выбранных событий было получено: 1. Буря 10 апреля 1990 г. Максимум интенсивности восточного электроджета наблюдается около 10.00 UT. В этот период развивается характерная токовая система, эквивалентная схема которой восстановлена по векторам возмущенной Н-компоненты геомагнитного поля (рис. 1.2.8). Но асимметрия поля в это время составляет всего 60 пТ (в другие моменты времени она превышает 100 пТ). В 13.00 UT восточный электроджет исчезает, и асимметрия также слабо развита, как и в 10.00 UT. Однако всего час спустя, в 14.00 UT, когда токовая система восточного электроджета все еще отсутствует, асимметрия поля достигает 140 пТ. В 15.00 UT возникает кратковременная задержка развития вновь возникшего интенсивного восточного электроджета, вызванная появлением западного электроджета. Одновременно наблюдается значительная асимметрия и развивается токовая система согласно общепринятым представлениям. Для времен 0900 UT и 1100 UT также наблюдается ослабление интенсивности восточного электроджета и развитие интенсивного западного электроджета. Для указанных периодов наблюдается высокая корреляция между индексами ASY и AL. Из анализа этого события нельзя сделать вывод о существовании взаимосвязи между интенсивностью асимметрии магнитного поля низких широт и авроральными электроджетами в области вечернего сектора магнитосферы.
Рис. 1.2.8. Векторы горизонтальной составляющей магнитного возмущения и эквивалентные ионосферные токовые системы, соответственно, для случая 10 апреля 1990. 2. Буря 10 октября 1990 г. Эта буря является наименее интенсивной из всех рассматриваемых событий — значения индекса Dst достигают -100 пТ. В пределах всего рассматриваемого события интенсивость восточного электроджета также не высока. В течение интервала с 1000 до 1600 UT не наблюдалось вариаций эквивалентной авроральной токовой системы (рис. 1.2.9), однако асимметрия низкоширотного поля возмущения в этот период меняется на величину —100 пТ. Следовательно, можно заключить, что для этого случая нет очевидной взаимосвязи между асимметрией низкоширотного поля возмущения и развитием токовой системы восточного электроджета.
Изменения горизонтальной компоненты геомагнитного поля как следствие магнитосферных токов, обусловленных высыпанием частиц в области дневного выступа плазмосферы
Существование слоя D нельзя выявить обычным импульсным зондированием вследствие того, что этот слой не может отражать средние и короткие волны, распространяющиеся вертикально. На существование этого поглощающего слоя указывают различные явления, связанные с изменением мощности сигналов, отраженных от слоев Е и Г (обусловленные их проникновением через область D), а так же изменения интенсивности атмосферных помех при смене дня и ночи. Слой D находится приблизительно между 75 и 95 км над поверхностью Земли, в этой области ионизация относительно слабая, в основном ответственна за поглощение тех высокочастотных волн, которые отражаются более высокими слоями. Максимальная электронная концентрация в слое D оценивается в несколько тысяч электронов на 1 см .
Наблюдения показывают, что состояние ионосферы вблизи аврорального овала заметно отличается от ее состояния в низких и умеренных широтах. Во-первых, это может объясняться суточными и сезонными изменениями условий освещения верхней атмосферы солнечными лучами в полярных областях, которые заметно отличаются от изменений, происходящих на более низких широтах. В полярных областях верхняя атмосфера может не ионизоваться за счет солнечного излучения на протяжении нескольких месяцев (полярная ночь), или освещаться только косыми лучами из-за горизонта. Во-вторых, заряженные частицы солнечного происхождения, вызывающие полярные сияния и магнитные бури, так же дают вклад в ионизацию полярных областей ионосферы особенно в слое Гг. Этот слой поднимается на большие высоты и его структура становится довольно сложной. Электронная плотность, вследствие поднятия и расширения слоя понижается. Благодаря движению слоев, ионосфера из слоистой структуры превращается в неправильно расчлененную и перемешанную. Все пространство между слоями Е и Г заполняется быстро меняющимися ионизированными образованиями. Дополнительные слои могут возникать и выше слоя Г, что особенно характерно для ионосферы высоких широт в ночные часы зимних месяцев. Возмущения в области F представляют собой обычно длительный процесс, продолжающийся иногда несколько дней.
Слой Е во время сильных возмущений в полярной области не испытывает резких изменений, но внедряющиеся корпускулярные потоки вызывают на уровне слоя Е, или ниже его, дополнительную ионизацию, связанных с образованием спорадических (нерегулярных) слоев. Образование спорадического слоя ионосферы в высоких широтах совпадает обычно со слабыми или средними по интенсивности магнитными бурями. Спорадические слои могут быть «прозрачными», когда сквозь них можно наблюдать более высокие слои, или «экранирующими», когда через них верхние слои не видны. Спорадические ионизированные облака могут перемещаться. Установлено, что скорости их колеблются от 20 до 500 м/сек. К настоящему времени установлено, что изменения концентрации слоев ионосферы оказывают существенное влияние на радиосвязь. Рассмотрим, например, что происходит по мере того, как частота электромагнитной волны, распространяющейся вертикально к ионосфере, будет медленно увеличиваться. В этом случае волна будет проникать глубже в слой, и запаздывание ее при отражении от ионосферного слоя будет расти. В конце концов, частота окажется настолько большой, что волна не отразиться, а проникнет в слой. Самая высокая частота волны, отраженной от слоя ионосферы, или самая низкая частота волны, которая проникает в слой, называется частотой проникновения, или критической частотой f . Она является непосредственной мерой электронной концентрации N слоя. Связь между / и Nmx для тонкого ионосферного слоя имеет вид: N =1 24-Ю10 Г2 где ./V измеряется в единицах электрон/м3, а / - в МГц. Рассмотрим случай наклонного распространения, когда направление распространения волны не совпадает с направлением нормали к плоскостям постоянной электронной концентрации. Наклонное распространение имеет важнейшее значение с точки зрения радиосвязи. В частности, при выборе частотного диапазона, используемого на каждой конкретной трассе, важно определить пригодный для использования спектр частот. Верхний предел частотного диапазона обычно определяется максимальным значением электронной концентрации в ионосфере, а нижний предел определяется совокупностью таких факторов, как поглощение в слое D, уровень шумов, а также помехи от широковещательных станций. Например, на средних частотах (от 500 до 1500 кГц) в дневное время из-за усиленного поглощения в слое D ионосферная волна практически полностью отсутствует. Верхний предел по частоте для радиосигналов, распространяющихся через ионосферу, часто называют максимальной применимой частотой (МПЧ).
Существует несколько теорем, которые связывают характеристики распространяющейся наклонно волны, со свойствами другой волны, которая, распространяясь вертикально, отражается на той же высоте, что и первая волна. Это так называемая эквивалентная вертикальная волна. Приведем одну из таких теорем [Дэвис, 1969] - закон секанса: соотношение между частотой /тк1 волны, падающей наклонно на плоский слой, и частотой эквивалентной вертикальной волны f записывается в виде fllilpm=f,lavCOS(Po ИЛИ flla,T=feePn,SeC Po (1-5.1) где pQ - угол между вертикалью и направлением луча у основания слоя. Формула (1.5.1) показывает, что частота волны, которую еще способен отражать заданный ионосферный слой, тем выше, чем более наклонно волна падает на слой.
Таким образом, концентрация ионосферы играет определяющую роль в распространении электромагнитных волн в этой среде.
Известно, что наиболее существенные затруднения в работе коротковолновых систем радиосвязи возникают в полярных областях, где проявления природных геофизических явлений особенно заметны. В основном это обусловлено особенной структурой ионосферы в полярной области. По данным зондирования ионосферы сверху, были определены следующие ее крупномасштабные особенности: 1. Главный ионосферный провал (ГИП) - область с уменьшенной электронной концентрацией, которая располагается преимущественно на ночной и утренней сторонах в интервале широт 50-60. 2. Полярный пик - область увеличенной электронной концентрации на дневной стороне, который располагается в интервале широт 70-80. 3. Авроральный пик - область увеличенной электронной концентрации на ночной стороне, который формирует высокоширотную стенку ионосферного провала. 4. Полярная полость - область уменьшенной электронной концентрации, которая располагается к полюсу от зоны увеличенной электронной концентрации (аврорального и полярного пиков).
Полярная ионосфера имеет крупномасштабную структуру, которая самым тесным образом связана со структурой магнитосферы. В верхней ионосфере по данным измерений с поверхности Земли и с ИСЗ установлено наличие области, где электронная концентрация больше, чем на широтах полярнее и экваториальнее этой области. Ночная часть этой области (названная авроральным пиком) и дневная ее часть (полярный пик) вместе представляют собой замкнутое «плазменное кольцо», расположенное на тех же широтах, что и авроральный овал. Дневная сторона этой области повышенной электронной концентрации связана через вторжение электронов через полярный касп. На ночной стороне этой области повышенная электронная концентрация создается так же низкоэнергичными электронами, которые высыпаются на ночной части магнитосферы на границе замкнутых и разомкнутых силовых линий магнитного поля Земли. Положение и конфигурация «плазменного кольца» меняется в зависимости от возмущения геомагнитного поля: дневная его часть с ростом геомагнитной активности смещается к более низким широтам, следуя за изменением положения дневного полярного каспа, а ночная его часть смещается к более низким широтам, расширяясь при этом, что обусловлено динамикой плазмы и изменением
Пространственно-временная корреляция максимальной наблюдаемой частоты (МНЧ) на среднеширотных радиолиниях
Изучение связи асимметричного кольцевого тока с авроральными электроджетами в течение геомагнитных бурь разной интенсивности является сложной комплексной задачей, поскольку на развитие ионосферно-магнитосферных процессов влияет множество параметров, и их механизм является не до конца выясненным. Выше был рассмотрен линейный подход к изучению такой связи, однако необходимо отметить, что реально рассматриваемые процессы имеют явный нелинейный характер. Одним из распространенных инструментов для изучения нелинейных процессов являются искусственные нейронные сети (ИЫС), которые сочетают корреляционную обработку с нелинейным преобразованием изучаемой многофакторной последовательности. Достоинство метода ИНС заключается в возможности получения неявной модели системы без построения ее конкретной физической модели, используя только достаточно большие массивы экспериментальных данных [Круглов и Борисов, 2000].
В настоящем параграфе изучаются общие тенденции нелинейной связи элементов кольцевого тока с авроральными электроджетами для бурь различной интенсивности, а так же проводится поиск характерных времен развития авроральных электроджетов.на главной фазе геомагнитной бури. Для этих целей применяется нейросетевой подход, в котором используются искусственные нейронные сети (ИНС) Элмана с алгоритмом обратной связи и сеть с алгоритмом нечеткой логики Fuzzy. Отметим, что искусственные нейронные сети успешно применялись в качестве инструмента для обнаружения взаимосвязей между физическими величинами, характеризующими авроральную и среднеширотную геомагнитную активность [Munsami, 2000]. Представленный в данном параграфе метод позволит ответить на вопрос о существовании общих закономерностей в развитии геомагнитных бурь и, как следствие, о возможности восстановления индексов интенсивности авроральных электроджетов по данным индексов кольцевого тока на главной фазе геомагнитной бури.
Необходимые нейросетевые эксперименты были выполнены с помощью созданного нами в среде MATLAB программно-вычислительного комплекса для поиска причинно-следственных связей в задачах солнечно-земной физики. Комплекс позволяет обеспечить поиск нелинейной связи геомагнитных индексов между собой и с параметрами околоземного космического пространства. Он включает в себя 30 геомагнитных бурь различной интенсивности (-300 Dst -50 пТ) за период с 2000 по 2003 г. Для каждого из данных событий в нейросетевой комплекс включены индексы AU, AL, SYM, ASY, Dst, параметры солнечного ветра и межпланетного магнитного поля с возможностью установления временных задержек любых параметров относительно друг друга. В качестве нейросетевых инструментов использованы ИНС прямой передачи, сеть Элмана, Fuzzy-сеть и сеть типа слоя Кохонена (см. приложение 1). Разработанный комплекс является многофункциональным инструментом, с помощью которого возможно решение большого круга геофизических задач теоретического и прикладного характера.
Нашей целью являлось установление нелинейной связи между индексами интенсивности симметричного и асимметричного кольцевого тока (SYM, ASY) и индексами интенсивности авроральных электроджетов (AU, AL) на главной фазе геомагнитной бури. Поиск такой связи между указанными парами индексов проводился согласно следующей последовательности:
1. Устранение имеющих место резких скачков амплитуды в минутных значениях индексов AU и AL выполняется пятиминутным усреднением входных данных. Соответственно, такое предварительное действие устраняет «дрожание» на выходе нейронной сети и позволяет более надежно выявить общую тенденцию в развитии авроральных токовых систем.
2. Поскольку нелинейные связи между среднеширотными и полярными индексами геомагнитной активности имеют неоднозначный характер, их обнаружение производилось с помощью нейросетей двух типов - ИНС Элмана с алгоритмом обратной связи и сеть с алгоритмом нечеткой логики Fuzzy. Обучение ИНС в каждом из проведенных экспериментов выполнялось всегда заново по одному из событий, а остальные 29 событий последовательно предлагались ей в качестве тестовых событий. В процессе обучения происходила подстройка весов, т.е. ИНС устанавливала связь между индексами SYM, ASY с индексами AU, AL в пределах главной фазы конкретной геомагнитной бури. После того, как сеть проходила 29 тестов, для ее обучения предлагалось следующее событие, и так далее. Согласно данной методике были рассмотрены все 30 событий. Эффективное восстановление тестовой последовательности на выходе ИНС свидетельствовало о наличии нелинейной связи между рассматриваемыми парами индексов. Сеть Элмана является более динамичной по сравнению с сетью нечеткой логики Fuzzy, поэтому она при обучении и последующем тестировании может давать разные результаты. В связи с этим каждый эксперимент с ИНС типа Элмана был проведен по 5 раз. Массив полученных при работе сети результатов включал с себя только лучшие варианты.
3. Оценка качества восстановления индексов интенсивности авроральных электроджетов по индексам интенсивности кольцевого тока выполнялась на основе вычисления линейной корреляции между реальной и восстановленной последовательностью. Восстановление принималось удовлетворительным, если коэффициент корреляции превышал значение 0.4. Наличие линейной корреляции в этом случае показывало, что связь между среднеширотными и полярными токовыми системами имеет тот же характер, что и в событии, по которому происходило обучение. Отсутствие линейной корреляции говорит о том, что в новом событии характер связи принципиально иной. Таким образом, можно определить различие в развитии единой ионосферно-магнитосферной токовой системы для разных геомагнитных бурь.
4. Результаты, полученные с помощью нечеткой сети Fuzzy, добавлялись в общую статистику сформированную на основе результатов полученных при работе сети Элмана. Таким, образом, только для одной пары индексов с каждым из выбранных интервалов временного сдвига было проведено 5400 экспериментов.
Необходимо отметить, что в полученных результатах встречались случаи с низким коэффициентом линейной корреляции, при которых форма кривой, восстановленной нейросетью, тем не менее, повторяла форму исходной кривой. В данном случае такое малое значение коэффициента линейной корреляции между реальной и восстановленной последовательностями может объясняться небольшим сдвигом кривых относительно друг друга. При совпадении форм кривых и при наличии повторяемости удовлетворительного восстановления, подобные случаи включались в общую статистику. Такой подход позволяет расширить поиск нелинейных связей, опирающийся лишь на формальное значение коэффициента линейной корреляции между реальной и восстановленной последовательностями.
Рассмотрим результаты нейросетевых экспериментов по обнаружению нелинейной связи между индексами интенсивности симметричной части кольцевого тока и авроральных электроджетов. Как отмечалось выше, в работе [Francia et. al., 2004] был обнаружен временной сдвиг в один час между значениями возмущенного геомагнитного поля и индексом АЕ. Согласно представленным выводам, это свидетельствует о развитии полярной активности раньше среднеширотной. В работе [Бархатов и др., 2008] также было установлено, что для пар SYM-AU и SYM-AL существует временной сдвиг в развитии среднеширотных и авроральных токовых систем. Для пары SYM-AU он составлял 30 минут, а для пары SYM-AL - 120 минут. Однако асимметричный кольцевой ток (ASY) развивается синхронно с обоими электроджетами. Таким образом, введение временного сдвига между полярными и среднеширотными индексами может значительно повысить качество
