Введение к работе
Актуальность. Магнитосферные буря и суббуря являются наиболее существенными элементами в большом многообразии проявлений солнечно-земных связей. Они отражают одну из главных сторон последних – наступление глобальных геофизических возмущений, наблюдаемых на поверхности земли от экватора до полярных областей [1-3].
Элементами таких возмущений являются полярные сияния, активизация различного рода токовых систем, вызванные высыпанием из магнитосферы в ионосферу потоков высокоэнергичных заряженных частиц [1].
Другими типичными проявлениями этих возмущений на поверхности Земли являются геомагнитные пульсации – квазипериодические колебания геомагнитного поля в диапазоне частот от тысячных долей до десятка герц.
Геомагнитные пульсации – это гидромагнитные (МГД) волны в магнитосфере Земли; возбуждаясь на больших высотах в периоды магнитосферных возмущений и трансформируясь на уровне ионосферы в электромагнитные колебания, они становятся доступными для регистрации наземными средствами [4–14]. В настоящее время известно более 50 видов геомагнитных пульсаций, или короткопериодических колебаний электромагнитного поля Земли, различающихся спектральным составом, поляризацией, интенсивностью, и другими морфологическими характеристиками.
МГД-волны, играют большую роль в физике магнитосферных процессов. Они участвуют в диссипации частиц средних энергий, накапливающихся в области кольцевого тока после геомагнитных бурь, служат важным элементом квазивязкого взаимодействия солнечного ветра с геомагнитным полем на магнитопаузе, ускоряют электроны радиационных поясов до релятивистских энергий, заметно влияют на процессы высыпания авроральных частиц во время суббурь. Кроме того, геомагнитные пульсации обладают диагностическим потенциалом. Они несут информацию о плазменных процессах в различных областях магнитосферы и околоземного космического пространства [6].
Наблюдения короткопериодных колебаний магнитного поля в сочетании с измерениями земных (теллурических) электрических полей широко применяются в разведочной геофизике для изучения строения земной коры и поисков полезных ископаемых [15].
Следует упомянуть еще один важный аспект, связанный с использованием геомагнитных пульсаций – исследование влияний сверхнизкочастотных колебаний магнитного поля на биосферу Земли. Как показали исследования последних лет, влияние таких излучений на живые организмы может быть весьма значительным [16].
В настоящее время широко обсуждается проблема прогноза космической погоды [17], для которой важное значение имеют наблюдения геомагнитных пульсаций.
Предметом исследования настоящей диссертационной работы являются закономерности развития геомагнитных пульсаций в периоды магнитосферных суббурь.
Для изучения пространственно-временных особенностей суббури и геомагнитных пульсаций наиболее полезны исследования на специально организованных меридиональных цепочках станций, расположенных на разных широтах: от авроральных до средних. До 1973 г. было организовано несколько таких меридианов (Якутия [18], Канада [19], Россия [8, 20]). Необходимо отметить, что в этих первых экспериментах очень часто станции располагались с большим разбросом по долготе и неравномерно по меридиану. Но даже в процессе проведения таких исследований были получены новые сведения о развитии геофизических явлений во время магнитных суббурь.
Эти эксперименты показали, что среди широкого спектра геофизических явлений, сопровождающих развитие магнитных возмущений, особое место занимают пульсации Pi2, которые, по мнению многих авторов ([4-14]), являются наиболее точным индикатором начала взрывной фазы магнитосферной суббури.
Периоды колебаний находятся в диапазоне 45–150 с, максимальная амплитуда наблюдается в авроральной зоне (до десятков нТл), их динамические спектры в высоких широтах имеют несколько пиков, и они сопровождаются высокочастотными всплесками Pi1B. На широтах проекции плазмопаузы на поверхность Земли наблюдается вторичный максимум амплитуды Pi2. В средних широтах в полуночном секторе эти колебания имеют специфический вид затухающего цуга с амплитудами до единиц нТл с преобладающим периодом 45–100 с.
Наблюдение Pi2 в предварительную фазу ставилось под сомнение и считалось, что это эффект распространения колебаний от суббурь, развивающихся восточнее меридиана наблюдения.
Кроме того, полагалось маловероятным наблюдение пульсаций (Pi2) в полуденное время. Лишь в некоторых публикациях имелись указания на незначительное усиление этих колебаний в низких широтах в районе полудня.
Морфология пульсаций Pi2, хорошо выделяемых на аналоговых записях в средних широтах, была изучена достаточно полно многими исследователями. Однако редко рассматривалась их непосредственная связь с развитием конкретных суббурь. Существовало твердое убеждение, что Pi2 – ночные колебания, наблюдаемые в средних широтах – есть результат распространения последних из авроральной зоны, и их параметры не зависят от параметров авроральных суббурь.
До недавнего времени Pi2 рассматривались как пассивные сигналы, которые генерируются во время суббури. Однако последние модели, предложенные в [21], позволяют считать, что Pi2-пульсациям принадлежит большая, чем предполагалась ранее, роль в формировании суббуревых электроджетов. Согласно некоторым моделям, обсуждаемым в [11], эти пульсации могут обеспечивать обратную связь между ионосферными и магнитосферными токовыми системами. В определенных условиях такая обратная связь способна приводить к усилению продольных токов. Все вышесказанное свидетельствует о важной роли иррегулярных геомагнитных пульсаций Pi2 в цепочке причинно-следственных связей явлений, составляющих суббурю [22,23].
Тема настоящей диссертационной работы актуальна, соответствует тематике исследований ИСЗФ СО РАН и перечню приоритетных направлений фундаментальных исследований РАН. С учетом этого сформулированы цели и задачи настоящей работы.
Цель диссертационной работы – последовательно и на одной методологической и экспериментальной основе исследовать закономерности возбуждения и распространения геомагнитных пульсаций различного типа в процессе развития магнитосферных суббурь на норильском меридиане, с привлечением данных меридиональных цепочек евразийского континента и глобальной сети действующих обсерваторий. Изучить пространственно-временное распределение и особенности генерации и распространения суббуревых пульсаций Pi2 от авроральных широт до экватора.
Разработать сценарий развития геомагнитных пульсаций, как в течение суток при различной магнитной активности, так и в процессе развития индивидуальных суббурь.
При такой общей цели диссертации ее реализация сводилась к решению следующих конкретных задач:
1. создать сеть станций на Норильском меридиане, оснащенную комплексом геофизических инструментов. Разработать методику проведения наблюдений, методику обработки данных экспериментов. Организовать синхронные эксперименты с другими существующими цепочками станций и сетью постоянно функционирующих обсерваторий.
2. исследовать закономерности возбуждения иррегулярных пульсаций в магнитоспокойные периоды;
3. исследовать локализацию и динамику источников иррегулярных пульсаций в процессе развития суббури;
4. исследовать влияние ионосферы на режим возбуждения геомагнитных пульсаций;
5. определить закономерности развития иррегулярных пульсаций Pi2 в вечерне-полуночном секторе магнитосферы в авроральной зоне, в средних и приэкваториальных широтах;
6. исследовать режим возбуждения Pi2-пульсаций в дневном секторе магнитосферы и глобальность появления их в средних широтах;
7. по результатам исследований предложить сценарий и построить обобщенные схемы развития геомагнитных пульсаций в течение суббури и суток.
В работе приводятся результаты исследований, полученные на протяжении более чем 30-лет, многие из которых в свое время были пионерскими.
Отметим, что многие результаты получили подтверждение в более поздних исследованиях.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:
– исследования геофизических явлений в период развития магнитосферной суббури проведены на уникальном инструменте – сети меридиональных цепочек станций евразийского континента, пункты наблюдения вдоль которых располагались равномерно от полярной шапки до средних широт.
– исследована локализация источников иррегулярных пульсаций относительно дуг полярных сияний и электроджета, а также определены их долготные размеры;
– исследована динамика источников иррегулярных пульсаций в долготно-широтных направлениях в процессе развития магнитосферной суббури;
– исследованы проявления предварительной фазы суббури в геомагнитных пульсациях и сопровождающих их геофизических явлениях на фиксированном меридиане;
– исследованы закономерности возбуждения иррегулярных геомагнитных пульсаций в магнитоспокойные периоды;
– определена схема развития и смены режимов возбуждения пульсаций в частотном диапазоне Рс и Pi колебаний на стациях меридионального профиля при различных уровнях магнитной активности;
– предложен сценарий развития иррегулярныъх пульсаций Pi2 в средних широтах во время развития суббурь в авроральной зоне, учитывающий динамику активных областей в западном направлении.
Практическая значимость диссертации и использование полученных результатов. Полученные результаты могут быть использованы для разработки экспериментальных методов гидромагнитной диагностики магнитосферы.
Предложенная пространственно-временная диагностическая диаграмма появляемости геомагнитных пульсаций ВЧ-диапазона на фиксированном меридиане в зависимости от широты пункта наблюдения и уровня магнитной возмущенности активно использовалась при исследовании электризации космических аппаратов на геосинхронной орбите. По данным таких диаграмм определялись оценка сорта заряженных частиц, а также проводилась оценка возможных диапазонов энергии последних. Эти данные позволяют проводить электромагнитную диагностику околоземного космического пространства, что актуально при решении задач, связанных с программой космической погоды.
Полученные зависимости параметров среднеширотных Pi2-пульсаций от долготы развития суббури в авроральной зоне могут использоваться при решении задач по диагностике местоположения центра суббуревой активности в высоких широтах.
По амплитудно-спектрально-поляризационным характеристикам среднеширотных Pi2-пульсаций можно определять долготы зарождения центра суббуревого взрыва в авроральной зоне и получать оценку скорости перемещения возмущений в западном направлении.
Полученные в работе закономерности развития геомагнитных пульсаций в течение суток и при различной уровнях магнитной активности использовались при исследовании техногенного электромагнитного излучения в Иркутске.
Также они были использованы при изучении откликов ионосферы Земли в диапазоне геомагнитных пульсаций на искусственные и естественные воздействия (промышленные взрывы, землетрясения).
Многие результаты работы вошли в отчеты по госбюджетным и хоздоговорным работам, выполненным в отделе исследования магнитосферы и межпланетной среды ИСЗФ СО РАН.
В настоящее время результаты работы используются для решении ряда задач при выполнении Федеральной целевой программы «Создание и развитие системы мониторинга геофизической обстановки над территорией Российской Федерации на 2008–2015 гг.».
Апробация работы. Результаты, полученные в диссертации, обсуждались на семинарах ИСЗФ СО РАН, ИКФИА ЯФ СО РАН, ИКИР ДВНЦ СО РАН, ПГИ КФ РАН, ИФЗ РАН, ААНИИ, ЛО ИЗМИРАН, Института астрономии и геофизики АН Кубы, отдела геофизики Университета г. Оулу и обсерватории «Соданкюля» (Финляндия), Института геофизики Чехословацкой АН, Института геофизики АН Венгрии, и докладывались на симпозиумах КАПГ по солнечно-земной физике (Москва, 1976; Ашхабад, 1979; Сочи, 1984; Самарканд, 1989), Всесоюзной конференции по плазменной астрофизике, (Иркутск, 1976), международном симпозиуме «Геомагнитный меридиан» (Ленинград, 1976), Симпозиуме по физике геомагнитосферы (Иркутск, 1977), на генеральных ассамблеях IUGG (Canberra, 1979; Boulder, 1995), симпозиуме EGS (Uppsala, 1981), Всесоюзном совещании по итогам выполнения программы МИМ (Ашхабад, 1981), международном симпозиуме AGU (Boulder, 1976), генеральных ассамблеях IAGA (Hamburg, 1983; Vienna, 1991; Toulouse, 2005), Всесоюзном семинаре «Перспективы исследования геомагнитных пульсаций» (Иркутск, 1984), Симпозиуме по астрономии и геофизике (Habana, Cuba, 1984), Всесоюзных совещаниях по полярной ионосфере и магнитосферно-ионосферным связям (Апатиты, 1984; 1995; 1996), Международном симпозиуме по полярным геомагнитным явлениям (Суздаль, 1986), Всесоюзном симпозиуме по солнечно-земной физике (Иркутск, 1986; 2001, 2004, 2008), всесоюзном совещании «Геофизические явления в авроральной зоне» (Норильск, 1973; 1988), 30 научной ассамблее COSPAR (Hamburg, 1994), генеральных ассамблеях Европейского геофизического союза (Grenoble, 1994; Hague, 1996), международных конференциях по проблеме геокосмоса (St.-Petersburg, 1996; 1998), 18 Всероссйской конференции по распространению радиоволн (С.-Петер-бург, 1996); Симпозиуме по солнечным и межпланетным явлениям (Beijing, 1996); международных конференциях по суббурям (Lake Hamana, 1998; St.-Petersburg, 2000); I S-RAMP-конференции (Sapporo, 2000); российско-китайских конференциях по космической погоде (Иркутск, 2000; Beijing, 2001; Иркутск, 2002; Beijing, 2005; Beijing, 2008; Иркутск, 2009; Beijing, 2010), международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана» (Иркутск, 2001); COSPAR COLLQUIM по солнечно-земной и магнитной активности (Beijing, 2001); Международной конференции по солнечно-земным связям и электромагнитным предвестникам землетрясений (Паратунка, 2001; 2010).
Исследовании, выполненные в ходе работы по теме диссертации, были поддержаны, а их результаты одобрены отечественными и международными грантами: РФФИ (№ 97-05-65404-а; 01-05-64203-а; 04-05-64265-а; 06-05-03018-б; 07-05-00696-а; 08-05-98073-р_а; 09-05-00048-а; 10-05-00066-а), ИНТАС № IA-01-01. Часть исследований была выполнена в рамках программы Президиума РАН № 16 часть 3: «Проект «Электродинамические процессы в магнитосфере Земли в магнитно-спокойных и возмущенных условиях», а также по междисциплинарному интеграционному проекту фундаментальных исследований Президиума СО РАН № 69 «Солнечно-земные связи в условиях минимума и роста солнечной активности в 24-м цикле по данным совместной российско-китайско-монгольской сети станций».
Ряд результатов, представленных в диссертации, выдвигались в качестве важных научных достижений от ИСЗФ СО РАН по основным темам научных исследований, а также по интеграционным проектам и программе фундаментальных исследований Президиума РАН №16. Эти результаты отражены в положениях, выносимых на защиту, в пунктах 1-4.
Основные положения, выносимые на на защиту
По данным экспериментов, организованных и проведенных на базе меридиональных цепочек, выяснена картина географического распределения суббуревых геомагнитных пульсаций, размеры и локализация их источников относительно полярных сияний, аврорального электроджета, закономерности генерации, дрейфов их источников в различных фазах суббури.
1. Обнаружено, что положения проекций источников пульсаций Pi2 и Рi1B вдоль меридиана на уровне ионосферы совпадают в пространстве, и они расположены вблизи южной границы дуги полярных сияний.
2. Обнаружены и изучены широтные дрейфы и азимутальные движения ионосферной проекции источников этих иррегулярных пульсаций в ходе развития суббури, отражающие динамику структурных образований в плазменном слое хвоста магнитосферы.
3. Построена пространственно-временная диагностическая диаграмма появляемости иррегулярных пульсаций ВЧ-диапазона в течение суток в зависимости от уровня геомагнитной активности для периодов минимума (1976 г.) и максимума (1979 г.) солнечной активности. Построена уточненная обобщенная схема развития геомагнитных пульсациях во время суббури.
4. Получены результаты исследования влияния различных слоев ионосферы на режим возбуждения пульсаций в высоких и средних широтах. Показано, что амплитуда и спектральный состав среднеширотных Pi2 контролируется физическим состоянием слоя F2 ионосферы
5. Разработана методика определения долготы развития суббури в авроральной зоне по параметрам среднеширотных Pi2 пульсаций. На ее основе предложен сценарий развития иррегулярных пульсаций в средних широтах при развитии ряда последовательных суббурь в высоких широтах.
6. Обнаружены принципиальные различия в возбуждении пульсации Pi2 в авроральной зоне, средних и приэкваториальных широтах. Детальные исследования этих пульсаций на станциях меридионального профиля свидетельствуют о формировании нескольких источников этого класса колебаний вдоль земной поверхности.
Личный вклад автора. Автор принимал активное участие в разработке программ комплексных экспериментов на норильском и якутском меридианах в рамках международных проектов по программам «МИМ» в 1973, 1976, 1979, 1982, 1983 гг; в организации всех экспедиций института на этих меридианах, подготовке аппаратуры, обучении технического персонала и проведении наблюдений, осуществляя научное и методическое руководство. В последнее время (1990-2010гг.) много внимания автор уделял организации современной цифровой регистрации вариаций геомагнитного поля в различных диапазонах частот на обсерваториях Норильск, Патроны, Узур, Монды, Улан.Батор.
Значительная часть работы, связанная с получением и выбором экспериментального материала, методиками обработки, анализом результатов эксперимента, выполнялась автором самостоятельно. Он является равноправным соавтором всех основных выводов и положений, сформулированных в совместных научных публикациях. В цикле работ второй части диссертации, посвященных исследованию Pi2-пульсаций, автору принадлежит первостепенная роль, от постановки задачи, реализации идей до физической интерпретации полученных результатов.
Степень обоснованности научных положений, рекомендаций и выводов, полученных в работе, определяется использованием стандартизированной аппаратуры, больших массивов наземных и спутниковых наблюдений при статистической обработке экспериментального материала, повторяемостью результатов по данным разных станций и подтверждается в исследованиях других авторов.
Структура и объем работы
