Содержание к диссертации
Введение
1. PC индекс как индикатор магнитной активности в полярной шапке . 14
1.1 Общие сведения. 14
1.2 Физическое обоснование PC индекса . 16
1.3 Методика расчета PC индекса. 21
1.4 PCN и PCS индексы. 23
2. Унифицированная методика для расчета PCN и PCS индексов . 25
2.1 Обзор спутниковой информации о межпланетном электрическом поле, необходимой для расчета PC индекса. 25
2.2 Методика расчета кривой спокойного дня (КСД). 29
2.3 Методика определения параметров ф, ос и р\ 46
2.4 Тестирование унифицированной методики . 51
2.5 Летний и зимний PC индекс: причины возможных различий. 56
3. Реакция унифицированного PC индекса на изменения параметров солнечного ветра 60
3.1 Соотношение между PC и геоэффективным межпланетным электрическим полем Em 61
3.2 Реакция PC индекса на резкие изменения параметров солнечного ветра при прохождении фронтов межпланетных ударных волн 64
3.3 Реакция PC индекса на отрицательный скачок динамического давления солнечного ветра на фоне южной компоненты ММП 72
3.4 Реакция PC индекса на скачок динамического давления солнечного ветра на фоне северной компоненты ММП 73
3.5 Оценка эффекта влияния импульсов динамического давления в конкретных событиях 75
3.6 Основные результаты проведенного анализа
4 PC индекс и развитие изолированных суббурь 79
4.1 Методика анализа 79
4.2 Статистические оценки связи PC индекса с развитием изолированных суббурь 82
4.3 Статистические соотношения между PC и AE/AL/AU индексами в летней и зимней полярных шапках 87
4.4 Скорости нарастания PC и AE/AL/AU индексов на разных фазах суббури 91
4.5 Обсуждение результатов и выводы 93
5 PC индекс и развитие периодически повторяющихся бухтообразных возмущений 96
5.1 Данные и метод анализа 98
5.2 Статистические соотношения между величинами Em, PC, и AL 103
5.3 Соотношение между PC индексами в летней и зимней полярных шапках в ходе периодически повторяющихся бухтообразных возмущений 105
5.4 Соотношения между параметрами, характеризующими развитие возмущений в течение фазы роста и фазы экспансии. 106
5.5 Соотношения между PC и AL в случае периодически повторяющихся возмущений в авроральной зоне: сводка результатов 112
5.6 Общие закономерности развития изолированных суббурь и периодически повторяющихся бухтообразных возмущений в авроральной зоне 113
5.7 Обсуждение результатов и выводы 116
Основные результаты диссертации 122
Литература 124
- Физическое обоснование PC индекса
- Тестирование унифицированной методики
- Реакция PC индекса на отрицательный скачок динамического давления солнечного ветра на фоне южной компоненты ММП
- Статистические соотношения между PC и AE/AL/AU индексами в летней и зимней полярных шапках
Введение к работе
Работа посвящена разработке индекса, характеризующего магнитную активность в северной и южной полярных шапках, обусловленную воздействием геоэффективного солнечного ветра на магнитосферу Земли. Описывается методика расчёта и результаты верификации унифицированного PC индекса, адекватно отвечающего на геоэффективные изменения солнечного ветра независимо от местоположения точки наблюдения, сезона года (зима или лето) и местного времени. Оценивается эффективность воздействия "на величину PC индекса вариаций межпланетного электрического поля и импульсов динамического давления солнечного ветра. Анализируется взаимосвязь между ростом PC индекса и развитием магнитных возмущений в авроральной зоне в случае изолированных магнитосферных суббурь, и для длительных периодов высокой магнитной активности, характеризующихся мощными повторяющимися бухтообразными возмущениями.
Актуальность проблемы. Солнечный ветер, взаимодействующий с магнитосферой Земли, является причиной существенных изменений параметров регулярного геомагнитного поля и ионосферы, которые, при достижении определённой интенсивности, называют магнито-ионосферными возмущениями. Магнито-ионосферные возмущения вызывают сбои или даже нарушения в работе различных спутниковых и наземных технологических систем (коммуникационные, навигационные, радиолокационные, линии электропередач, газопроводы и т.д.), т.е. критическим образом влияют на среду обитания человека. Магнито-ионосферные возмущения определяются изменениями параметров солнечного ветра, наиболее геоэффективным из которых является: межпланетное электрическое поле (МЭП), определяемое, главным образом, южной компонентой межпланетного магнитного поля (Bz ММП) и скоростью солнечного ветра Vsw- При геоэффективном МЭП происходит интенсивная накачка энергии солнечного ветра в магнитосферу, её накопление, и последующее высвобождение в виде суббурь — магнито-ионосферных возмущений, достигающих максимальной интенсивности в авроральной зоне, при этом первым сигналом о воздействии
геоэффективного солнечного ветра является как раз повышение магнитной активности в полярных шапках.
Динамика развития и интенсивность магнитных возмущений обычно описывается индексами Dst, AE(AL/AU), и PC. Первые два из них, Dst и АЕ (AL/AU), характеризуют, интенсивность мировых магнитных бурь и интенсивность магнитных возмущений в авроральной зоне, т.е. описывают процесс реализации энергии солнечного ветра, накопленной в магнитосфере. Третий индекс PC описывает магнитную активность в полярной шапке, и поскольку эта активность контролируется параметрами солнечного ветра (прежде всего межпланетным электрическим полем), то можно полагать, что PC индекс характеризует поступление энергии солнечного ветра в магнитосферу.
PC индекс был предложен более 20 лет назад (Troshichev and Andrezen, 1985). Первоначально рассчитывались, по данным двух околополюсных станций, северной станции Туле в Гренландии и южной станции Восток в Антарктике, 15-минутные величины PC индексов. Результаты целого ряда статистических анализов, проведённые на основе опубликованных рядов 15-минутных PC индексов, показали, что индекс может рассматриваться, как показатель текущего состояния магнитосферы.
Однако после перехода к расчёту 1-минутных PC индексов в 1999-2000гг выявились существенные расхождения между величинами PCN индексов, рассчитываемых в Датском метеорологическом институте (ДМИ), и PCS индексов, рассчитываемых в Арктическом и Антарктическом научно-исследовательском институте (ААНИИ). Эти расхождения привели к несоответствию результатов схожих анализов и, соответственно, к различным физическим выводам. Расхождения касались следующих параметров, характеризующих состояние магнитосферы: частота появления отрицательных значений PC индекса в южном и северном полушарии; соотношение между предельно большими величинами PC и межпланетного электрического поля {Troshichev et al, 2000; Nagatsuma, 2002); реакция PC индекса на изменения динамического давления солнечного ветра (Lukianova, 2003; Huang, 2005); зависимость между PC и АЕ индексами (Troshichev and Lukianova, 2002; Huang, 2005).
Причиной расхождений между PCN и PCS индексами оказались определённые различия в техниках расчёта PC индекса, принятых в ААНИИ и ДМИ, прежде всего при определении уровня отсчёта величины магнитных возмущения в полярных шапках. Стало очевидным, что PCN и PCS индексы необходимо вычислять по единой методике, чтобы устранить любое влияние техники расчёта на результаты анализа и их физическую
интерпретацию. Результатом этой работы явилась унифицированная процедура расчёта
PC индекса. На основании этой процедуры были рассчитаны новые ряды PCN и PCS
—индексовгадекватно-реагирующих-на-изменения-геоэффективных параметров солнечного^ і ветра. Как показал анализ связи между вариациями параметров солнечного ветра и
величиной PC индекса, с одной стороны, и PC индексом и развитием магнитных
возмущений в авроральнои зоне, с другой стороны, имеются все основания для
использования PC индекса в целях диагностики и текущего прогноза состояния
магнитосферы («космической погоды»).
Цель диссертационной работы. Разработка унифицированной методики расчёта PC индекса, характеризующего, по данным о магнитной активности в полярной шапке, геоэффективность солнечного ветра, независимо от точки наблюдения, местного времени и сезона года. Количественная оценка связи PC индекса с изменениями геоэффективного межпланетного электрического поля и импульсами динамического давления солнечного ветра. Анализ соотношений между поведением PC индекса и развитием магнитных возмущений в авроральнои зоне и, на этой основе, определение возможностей мониторинга магнитных возмущений (суббурь) по данным о PC индексе.
На защиту выносятся:
Автоматизированный метод расчёта суточной вариации спокойного магнитного поля.
Унифицированная методика расчёта PC индекса обеспечивающая согласованные оценки геоэффективности солнечного ветра по данным о магнитной активности в северной и южной полярных шапках.
Оценка влияния геоэффективного межпланетного электрического поля и импульсов динамического давления солнечного ветра на величину PC индекса при различных геофизических условиях.
Закономерности поведения PC индекса и развития магнитных возмущений в авроральнои зоне в суббурях разного типа и интенсивности.
Научная новизна.
Предложена унифицированная методика расчёта индекса магнитной активности PC, обеспечивающая согласованность величин PC в северной и южной полярных шапках при взаимодействии магнитосферы с геоэффективным солнечным ветром.
Разработан метод автоматического, в режиме реального времени, определения суточной вариации спокойного геомагнитного поля. Метод, являющийся основой унифицированной методики расчёта PC индекса, может быть использован для выявления спокойной суточной вариации в любых геофизических процессах.
Даны количественные оценки реакции PC индекса на изменение геоэффективных параметров солнечного ветра, таких как вариация межпланетного электрического поля и импульс динамического давления солнечного ветра.
Показано, что увеличение магнитной активности в полярных шапках является предвестником магнитных возмущений в авроральной зоне независимо от характера и интенсивности этих возмущений (слабые магнитные бухты, изолированные магнитосферных суббури, повторяющиеся пилообразные возмущения в периоды
* длительной и высокой магнитной активности). Показана зависимость временного интервала между началом увеличения PC и внезапным началом магнитного возмущения в авроральной зоне (длительность фазы роста) от скорости роста PC индекса.
5. Для суббурь разного типа и интенсивности выявлена связь между скоростью
роста PC индекса и интенсивностью магнитных возмущений в авроральной зоне.
Практическая ценность работы состоит в разработке унифицированного метода расчёта индекса PC, характеризующего величину магнитной активности, генерируемой в полярных шапках под воздействием геоэффективного солнечного ветра. Увеличение PC индекса, предваряющее развитие магнитных возмущений в авроральной зоне, и связь интенсивности этих возмущений от скорости роста PC индекса служат основой для диагностики и текущего прогноза состояния магнитосферы («космической погоды»). Эта задача реализуется в рамках Федеральной целевой программы «Мониторинг геофизической обстановки» (2008-2015гг).
Апробация работы. Результаты исследований, представленных в работе, докладывались на следующих международных научных конференциях: IAGA & ЮМА Joint-Symposiar-Perugia,_Italy,-2005;-ll— Quadrennial-Solar—Terrestrial-Physics-Symposium "Sun, Space Physics and Climate", Rio de Janeiro, Brazil, 6-10 March, 2006; 31-й ежегодный семинар «Физика авроральных явлений», Апатиты, Россия, 2008; 7-я Международная конференция «Проблемы Геокосмоса», Санкт-Петербург, Россия 2008.
Унифицированный PC индекс публикуется на сайтах Арктического и Антарктического Научно Исследовательского Института (PCS) и' Датского Метеорологического Института (PCN). Электронные адреса этих сайтов:
// ttp://www. aari. nw. ru/clgmi/geophys/pc_main. htm
Публикации. По теме диссертации опубликовано восемь статей: две статьи в рецензируемых научных журналах (в качестве первого автора), а также шесть статей с участием в качестве соавтора.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, и списка литературы из 90 наименований, содержит 130 страниц машинописного текста, включая 47 рисунков и 3 таблицы.
Содержание работы.
Во введении аргументирована актуальность темы исследований, сформулированы цели работы, описана научная новизна полученных результатов, кратко изложено содержание работы и определена ее практическая ценность.
В первой главе в п. 1.1 кратко описаны основные планетарные индексы, применяемые для описания ионосферно-магнитосферных возмущений, прослежены' этапы создания и развития PC индекса.
В п. 1.2 дано физическое обоснование PC индекса. Описываются токовые системы, ответственные за формирование электрического потенциала и магнитных возмущений в полярной шапке, обусловленных воздействием геоэфективного солнечного ветра на
магнитосферу. Анализируется роль проводимости ионосферы в изменчивости магнитной активности в полярной шапке.
В параграфе 1.3 описаны основные принципы вычисления PC индекса: определение уровня отсчета для оценки магнитного возмущения, расчет оптимального направления горизонтального вектора магнитного возмущения, вычисление регрессивных коэффициентов, характеризующих линейную зависимость между магнитным возмущением в полярной шапке и геоэффективной составляющей межпланетного электрического поля.
В параграфе 1.4 рассмотрены индексы PCN и PCS, вычислявшиеся, соответственно, в Датском Метеорологическом Институте (ДМИ) и Арктическом и Антарктическом научно-исследовательском институте (ААНИИ) по магнитным данным северной и южной полярных шапок. Показано, что различия в методиках расчета, применявшихся в ДМИ и ААНИИ, привели к значительным расхождениям одноминутных значений PCN и PCS индексов, и, как следствие, к различиям в физической интерпретации полученных результатов. Стала очевидной срочная необходимость разработки унифицированной методики расчёта PC индекса, исключающей влияние различий в процедуре вычислений на получаемые результаты.
Вторая глава целиком посвящена методике расчета унифицированного PC индекса. Основной базой для разработки унифицированной методики послужили данные регулярных наблюдений вариаций магнитного поля на околополюсных станций Восток (Антарктида) и Туле (Гренландия) и непрерывные измерения параметров солнечного ветра на спутнике АСЕ.
В параграфе 2.1 дан обзор информации, поступающей со спутника АСЕ, проведено сопоставление этих данных с данными, полученными ранее с помощью спутников IMP8 и WIND. Использование спутника АСЕ имеет значительные преимущества, так как орбита данного спутника фиксирована в точке либрации L2 между Землей и Солнцем, поэтому ряды данных о солнечном ветре, поступающем к земной магнитосфере, непрерывны, хорошо детализированы, и не содержат лакун.
Параграф 2.2 посвящен методике расчета кривой спокойного дня (КСД) для выделения регулярной составляющей вариаций магнитного поля. Показана значимость разделения регулярного хода и возмущенной составляющей магнитного поля для расчета PC индекса. Предложен автоматизированный метод расчета КСД способом
параметризации магнитных вариаций. Особенностью данной методики является возможность восстановления КСД для каждого отдельного дня, даже если этот день попадает„в_магнитно-возмущённый- период.—Для—оперативного—анализа—магнитных возмущений предложен способ экстраполяции КСД к текущему дню. Данный метод может быть использован для автоматического расчета КСД в режиме реального времени в различных научно-прикладных задачах, требующих точной оценки регулярной и возмущенной составляющих поля.
В п. 2.3 описана процедура расчета унифицированного PC индекса. Обоснована техника расчета коэффициентов а, Р, и ф, определяющих количественные соотношения между величиной магнитной активности в северной и южной полярных шапках и интенсивностью геоэффективного межпланетного электрического поля.
Параграф 2.4 посвящен верификации унифицированной методики расчёта PC индекса. Анализируется согласованность северного PCN и южного PCS индексов и их соответствие величине и характеру изменений межпланетного электрического поля. Показано, что PC индексы меняются в цикле солнечной активности соответственно вариациям межпланетного электрического поля. Обсуждаются механизмы рассогласования зимнего и летнего PC индексов. Дана оценка сезонных различий в значениях PC индекса.
Учитывая сезонные особенности проводимости полярной ионосферы во многих исследованиях актуально разделять зимний и летний PC индексы. В п. 2.5 обсуждаются причины расхождений зимнего и летнего PC индекса. Рассматриваются причины возникновения специфических токовых систем, генерируемых северной и азимутальной компонентами ММП.
В. Третьей главе рассматриваются соотношения между унифицированными PCN и PCS индексами и изменением геоэффективных параметров солнечного ветра (межпланетного электрического поля Em и динамического давления солнечного ветра Psw), для конкретных геофизических событий, таких как межпланетные ударные волны, отрицательные импульсы Psw, положительные импульсы Psw при северной компоненте ММП.
В параграфе 3.1 анализируется реакция унифицированных северного PCN и южного PCS индексов (временная задержка, величина изменений) на вариации
геоэффективной составляющей межпланетного электрического поля при различных уровнях Em.
В параграфе 3.2 изучена реакция магнитной активности в полярных шапках на изменения динамического давления солнечного ветра. Показано, что магнитная активность реагирует на резкие импульсы (положительные или отрицательные) динамического давления, а не на абсолютную величину Psw.
В четвертой главе рассматривается статистические соотношения между ходом магнитной активности в полярной шапке и развитием изолированных магнитных возмущений (суббурь) в авроральной зоне.
В параграфе 4.1 объясняется методика анализа изолированных магнитных возмущений по данным аврорального АЕ индекса. Для более детального анализа магнитные возмущения в авроральной зоне были разделены на четыре класса: слабые изолированные магнитные бухты (АЕ < 500 нТ), короткие суббури с продолжительностью до 3 часов и АЕ > 500 нТ, длительные суббури с продолжительностью более 3-х часов и АЕ > 500 нТ, и замедленные суббури с продолжительностью более 3-х часов и АЕ > 500 нТ.
В параграфе 4.2 даны статистические оценки связи PC индекса с развитием изолированных суббурь. Наглядно показано, что во всех случаях уверенный рост PC индекса начинается задолго до внезапного начала возмущения. Этот интервал постепенного роста магнитной активности в полярной шапке, предшествующий внезапному началу возмущения в авроральной зоне, был назван, в соответствии с общепринятой терминологией, «фазой роста». Исследована длительность фазы роста для каждого отдельного класса авроральных магнитных возмущений.
В п. 4.3 проведен дополнительный анализ, который показал, что различия в поведении PCN и PCS индексов связаны не с особенностями поведения магнитной активности в северной или южной полярных шапках, а обусловлены сезонным ходом магнитной активности. Показаны различия поведения летнего и зимнего PC индексов на фазе роста. Летний PC индекс начинает расти раньше, тогда, как зимний во многом повторяет ход аврорального АЕ индекса. Здесь же рассмотрены особенности поведения летнего и зимнего PC индексов для каждого класса изолированных магнитных возмущений в авроральной зоне.
В п. 4.4 анализируется скорость нарастания PC и AE/AL/AU индексов на
различных фазах изолированных суббурь. Отдельно рассматривались фаза роста, фаза
экспансии-и период максимума-для всех-исследуемых-классов суббурь^
В п. 4.5 представлены выводы, полученные на основании исследований, представленных в данной главе.
Физическое обоснование PC индекса
Физическое обоснование PC индекса было дано в работах (Troshichev et al, 1979; Troshichev and Andrezen, 1985; Troshichev et al, 1988), обзор которых представлен ниже. Хорошо известно, что наличие электрического потенциала утро-вечер (dawn-dusk) в полярной шапке определяется продольными токами, втекающими в ионосферу в утреннем секторе аврорального овала и вытекающими в вечернем секторе (Iijima and Potemra 1976, Gizler et al, 1976). Эти токи, обозначаемые как зона 1 продольных токов ("FAC Region 1"), постоянно генерируются в экваториальной магнитосфере, при взаимодействии магнитосферы с солнечным ветром (рис. 1.1). Механизм генерации продольных токов в области раздела между низкоширотным пограничным слоем (LLBL) и плазменным слоем был предложен в работе (Troshichev, 1982). Генерация продольных токов в зоне 1, как результат существующих в магнитосфере градиентов давления плазмы, рассматривалась в работах (Yang et al, 1994; Wing and Newell, 2000). Интенсивность токов в "FAC Region 1" системе контролируется ориентацией межпланетного магнитного поля (ММП) (Iijima and Potemra, 1982) и линейно связана с величиной межпланетного электрического поля Em (Bythrow and Potemra, 1983): продольные токи возрастают при усилении и убывают при уменьшении межпланетного электрического поля Em.
Таким образом, разность потенциала утро-вечер в полярной шапке, и соответствующее электрическое поле, поддерживаются постоянной генерацией продольных-токов-в-магнитосфере— при—взаимодействии—магнитосферы-с-солнечным ветром. Продольные токи, втекающие в полярную область в утреннем секторе аврорального овала и вытекающие в вечернем секторе овала, замыкаются в ионосфере токами Педерсена, интенсивность которых определяется проводимостью полярной ионосферы. Этот факт объясняет сезонную зависимость интенсивности продольных токов области: они максимальны в летней полярной шапке и минимальны - в зимней (Fujii et al, 1981). Магнитное поле, создаваемое на Земле ионосферными педерсеновскими токами равно по величине и противоположно по знаку магнитному полю, генерируемому продольными токами (Fukushima, 1969). Поэтому магнитная активность в летней полярной шапке является магнитным эффектом токов Холла, текущих в ионосфере перпендикулярно электрическому полю (Кузнецов и- др., 1976). В низкопроводящей ионосфере зимней полярной шапки интенсивность ионосферных педерсеновских и холловских токов очень низка, продольные токи замыкаются благодаря маргинальной проводимости авроральнои зоны, и магнитная активность в полярных шапках является магнитным_эффектом_саыих продолъяь1К-токоъ (Пудовкин и-др.,—1977у-Трошичев-11-др., 1979; Ионосферно-магнишные возмущения в высоких широтах, 1986; Kamide, 1988). Распределение магнитных возмущений в летней и зимней полярных шапках описывается одинаковой системой эквивалентных токов DP2, несмотря на различную природу этих возмущений (магнитный эффект токов Холла летом и дистанционный эффект продольных токов — зимой). Система DP2 состоит из двух токовых вихрей, фокусы которых примерно соответствуют положению максимальных втекающих и вытекающих продольных токов (Troshichev and Tsyganenko, 1979; Troshichev, 1982). В летней DP2 системе вектора магнитных возмущений, обусловленных холловскими токами, ориентированы также как и электрическое поле — с утренней стороны на вечернюю.
В зимней DP2 системе вектора магнитных возмущений отклоняются, благодаря магнитному эффекту продольных токов, на 20-60 к западу относительно летней системы (Maezawa, 1976; Пудовкин и др., 1977). Интенсивность токов DP2 контролируется проводимостью ионосферы и величиной электрического поля, приложенного к ионосфере (т.е. интенсивностью продольных токов). Как уже отмечалось выше, в обычных условиях проводимость ионосферы определяется интенсивностью ультрафиолетового излучения Солнца, регулярные вариации которого легко учитываются. Таким образом, при адекватном учёте сезонных и суточных вариаций проводимости ионосферы, изменения интенсивности DP2 токов (и соответствующая магнитная активность в полярных шапках) могут рассматриваться как результат вариаций продольных токов зоны 1 (Рис. 1.1). В условиях хорошо проводящей летней ионосферы в полярной шапке возникают и другие токовые системы, генерируемые азимутальной или северной компонентами ММП. Система BY FAC состоит из двух зон (слоев) продольных токов, расположенных в области дневного каспа. Полярность этих токов, направленных противоположно друг другу, зависит от знака By. Продольные токи NBZ, генерируемые северной компонентой ММП, втекают в ионосферу дневной полярной шапки в послеполуденные часы и вытекают из ионосферы в предполуденные часы. Таким образом, полярность токов в NBZ FAC системе, противоположна полярности токов в системе продольных токов первой области, и эквивалентные токи в NBZ системе, соответственно, направлены противоположно токам в системе DP2. При одновременном воздействии By и Bzs компонент ММП происходит определённое искажение DP2 токовой системы (усиление треннего или восточного вихря), но обычно это искажение незначительно, поскольку эффективность воздействия By и Bzs компонент ММП соответствует соотношению: ЗнТ By =4нТBzs (Troshichevand Tsyganenkor-1979 Troshichev, 1982). Низкая-эффективность азимутальной компоненты ММП при воздействии южной компоненты ММП иллюстрируется на рис. 1.2 (Ridley et al, 2004), на котором показано распределение электрического потенциала для различных ориентации межпланетного магнитного поля (соотношений Bz и By компонент ММП). Поскольку эквивалентные токовые системы соответствуют распределению электрического потенциала (Пудовкин и др., 1977; Gizler et al, 1979; Kamide, 1988). системы эквипотенциалей, представленные на рис. 1.2, можно рассматривать как эквивалентные токовые системы, имеющие место быть при определённых соотношениях Bz и By компонент ММП. При этом разности потенциала утро-вечер соответствуют токи в околополюсной области, направленные на Солнце, а обратной разности потенциала - токи антисолнечного направления. Как можно видеть из рис. 1.2, обратные (антисолнечные) токи возникают внутри полярной шапки только под действием сильного северного ММП (Bzn). Этот эффект интерпретировался в {Troshichev and Tsyganenko, 1979), как результат суперпозиции крупномасштабной всегда существующей токовой системы DP0, обусловленной квазивязким взаимодействием солнечного ветра с магнитосферой, и локальной токовой системы NBZ, генерируемой северным ММП в околополюсной области. В итоге, двух-вихревая система токов типа DP2 наблюдается в полярной шапке практически постоянно, за исключением редких случаев, когда Ву » Bzs или же когда северная компонента ММП Bzn»0.
Тестирование унифицированной методики
Для проверки унифицированной методики расчета PC индекса было проведено сравнение PCN и PCS индексов с фактическими измерениями межпланетного электрического поля Em. Результаты данного сравнения показаны на рис. 2.13 как ход разностей между Em и PCN (сплошная линия) или PCS (штриховая линия) для суточных осреднений данных параметров за 2000 год. Статистическая связь между значениями (Ет-PCN) и (Em-PCS) за 2000 год показана на рис. 2.14. Графики демонстрируют практически идеальную статистическую связь между рассчитанными по наземным данным PC индексами и полем Em, которое спутнике АСЕ. Плотная статистическая связь между величинами (Em-PCS) и (Em-PCN) также указывает вычисляется по измерениям параметров солнечного ветра на их адекватную реакцию на воздействие МЭП вне зависимости от освещенности (и, следовательно, проводимости) ионосферы в разные сезоны. Рис. 2.15 показывает ход PCN и PCS индексов на протяжении 1998-2001 годов. Наблюдается хорошее соответствие в ходе положительных значений PCS (верхний график) и PCN (нижний график) индексов, соответственно, в южном и северном полушариях. Индексы одновременно достигают экстремально больших значений (до 20), при отсутствии сезонной зависимости, как на станции Туле, так и на станции Восток. Наоборот, в поведении отрицательных PC индексов наблюдается явная сезонная изменчивость - отрицательные значения PC индекса и в северной, и в южной шапке фиксируются местным летом.
Данная закономерность определяется тем фактом, что токовая система NBZ (и, соответственно, отрицательный PC индекс), формируется только при условии высокой проводимости ионосферы в летней полярной шапке. Если PC индекс характеризует эффекты воздействия межпланетного Em поля, то наличие суточных вариаций в его ходе неприемлемо. В противном случае мы должны были бы допустить, что параметры солнечного ветра подвержены вариациям с периодом земных суток, что является объективно неверным. В то же время, суточные вариации допустимы для негативных значений PC индекса, так как основой методики расчёта PC индекса является нормировка по величине геоэффективного электрического поля Em, которое стремится к нулю при северной ориентации ММП. На рис. 2.16 дан пример наложения суточного хода PCS индекса за все дни в апреле 1997 года (левая панель) и 1998 года (правая панель). Очевидно, что в положительных значениях PC индекса суточный ход не проявляется, тогда как в отрицательных значениях имеет место явный максимум величины в районе локального полудня (03-06 UT для станции Восток), когда проводимость ионосферы достигает максимума. Адекватность изменений PC индекса в многолетнем цикле солнечной активности иллюстрируется рис. 2.17, где представлены годовые средние значения PCN индекса (пунктирная линия) и Em (сплошная линия) в мВ/м за период с 1975 по 2003 года. Данные о напряженности межпланетного электрического поля были скомпонованы из рядов наблюдений по спутникам IMP8 (1997-1998 года) и АСЕ (1998-2003). Для PCS индекса (маркированная линия) показан достаточно короткий ряд непрерывных данных с 1997 по 2002 года. PC индексы рассчитывались на протяжении всех 30 лет с использованием одних и так же параметров (угла ф и регрессивных коэффициентов a and Р), а КСД определялась указанным выше методом. Можно видеть, что PC индекс и Em одинаково хорошо согласуется __на_протяжении трех солнечных—циклов,—которые—хорошо прослеживаются и в поведении Em, и в поведении PC. Необходимо также отметить, что связь между значениями Em и PC не нарушается, несмотря на использование в разные эпохи данных разных спутников (IMP-8 и АСЕ).
Преимущество унифицированной методики можно продемонстрировать также при сопоставлении унифицированного PCS индекса за 1998-2001гг. с PCS индексом, рассчитанным в работе (Lukianova, 2003) за тот же период времени: На рис. 2.18 показана регрессивная взаимосвязь между этими индексами. Очевидно, что прежний PCS индекс значительно переоценен по сравнению с унифицированным. Это несоответствие вызвано неправильным определением в (Lukianova, 2003) шкальных параметров, которые характеризуются необъяснимыми случайными осцилляциями, особенно выраженными в равноденственные сезоны. В конечном итоге это приводит к появлению соответствующих выбросов в значениях PC, имеющих явную регулярность. Как пример, рис. 2.19 показывает суперпозицию суточных ходов PCS индекса, рассчитанного в (Lukianova, 2003), для апреля 1997г. (левая панель) и 1998. (правая панель). Графики демонстрируют регулярные суточные биения PCS индекса со значительным увеличением амплитуды в 03, 05, 10, 14 часов UT для каждого из рассматриваемых годов. Сравнение этих результатов с аналогичными результатами для унифицированного PCS индекса (рис. 2.16), показывает искусственный характер регулярных увеличений PCS индекса, рассчитанного у ранее (Lukianova, 2003). Следует отметить, что проблема биений PCS индекса намного серьезнее проблемы его переоценки, поскольку она ставит под сомнение результаты, представленные в (Lukianova, 2003) и их физическую интерпретацию.
Реакция PC индекса на отрицательный скачок динамического давления солнечного ветра на фоне южной компоненты ММП
Решающие аргументы в пользу полученного соотношения (ІнПа 0.33 мВ/м) могли бы быть получены при рассмотрении таких событий, при которых скачок давления солнечного ветра не сопровождается изменением межпланетного электрического поля. К сожалению, на фронтах межпланетных ударных волн, характеризующихся резким повышением давления солнечного ветра, такие события практически не наблюдаются. Однако, было обнаружено, что резкие понижения давления солнечного ветра зачастую не сопровождаются существенными изменениями электрического поля. За период 1998-2002гг. было найдено 94 таких события с негативным скачком давления (-0.1 dPsw/dt нПа/мин). На рис. 3.9(a) показаны результаты анализа этих событий, полученные с использованием метода наложенных эпох, где момент Т=0 соответствует времени внезапного понижения давления солнечного ветра. Можно видеть, что уменьшение динамического давления не сопровождается какими-либо заметными изменениями в усредненном электрическом поле, но оба, летний и зимний, PC индексы начинают уменьшаться после момента Т=0. Изменение среднего уровня магнитной активности в полярной шапке продолжалось, как и в ранее исследованных событий, около 1.5 часа. Рассматривая уменьшение PC индекса только как результат скачкообразного понижения динамического давления, из соотношения между средними значениями -APsw и летнего PC индекса получаем ІнПа 0.25 мВ/м. Зависимость PC индекса от скачка динамического давления солнечного ветра может быть прослежена также в условиях воздействии ММП северной ориентации.
Очевидно, что в случае Bz 0 геоэффективное электрическое поле Em оказывается минимальным или равным нулю. Поэтому на рис. 3.9(6) вместо кривой Em показан ход Bz компоненты ММП. Как и в рассмотренных ранее случаях, в условиях воздействия северной компоненты ММП PC индекса начинает расти примерно через 20 - 30 минут после прохождения скачка давления и этот рост продолжается в течение примерно 1.5 часа. Соотношение между APsw и PC индексом для условий воздействия северной компоненты имеет вид ІнПа 0.4 мВ/м. В летнем индексе PCSUMM повышение более заметно, чем в зимнем PCWINT Рис. 3.9 наглядно иллюстрирует эффект воздействия импульсов динамического давления солнечного ветра на магнитную активность в полярных шапках: PC индекс увеличивается при положительном импульсе давления и уменьшается при отрицательном импульсе. Эффект изменения регулярного хода PC индекса длится в течение 1-1.5 часа и не связан с воздействием электрического поля Em. Действительно, при отрицательном скачок давления (рис. 3.9(a)) среднее электрическое поле оставалось практически неизменным на уровне 2.5 мВ/м до и после момента прохождения скачка давления, при воздействии ММП северной ориентации (рис. 3.9(6), электрическое поле Em было близким к нулю, однако изменения в PC имели чётко выраженный и закономерный характер. Рассматривая совокупность всех трех оценок, сделанных выше на независимых выборках, можно заключить, что резкий скачек динамического давления солнечного ветра со скачком dPsw = 1 нПа эквивалентен по своему эффекту в PC индексе воздействию геоэффективного межпланетного электрического поля Em = 0.33 мВ/м. Используя соотношение ІнПа 0.33 мВ/м можно произвести оценку эффект влияния импульсов динамического давления dPsw на величину PC в конкретных событиях и сравнить эти оценки с соответствующими экспериментальными результатами. Для примера, на рис. 3.10 показано поведение параметров солнечного ветра Em и Psw и индексов PCN и PCS для трех событий, исследованных в работе (Lukianova, 2003): 25 сентября 1998 года, 6 сентября 2000 года и 22 июня 2000 года. Величины Em и Psw, рассчитанные по данным спутника АСЕ были приведены к магнитопаузе.
Рассматривались 1-мин значения унифицированных PCN и PCS индексов. Момент скачка динамического давления Psw выбирался в качестве нулевого момента. В каждом из выбранных случаев поведение геоэффективного электрического поля и динамического давления солнечного ветра характеризуется своими особенностями: 25 сентября 1998 года необычно большой импульс давления dPsw —12 нПа развивался на фоне выраженного устойчивого уровня Em 8-10 мВ/м; 6 сентября 2000 года значительный выброс давления dPsw 9 нПа происходил при незначительном повышении Em с 0.5 до 2 мВ/м; 22 июня 2000 года отрицательный скачек давления dPsw -5 нПа был зарегистрирован_при нулевом_уровне_Ет Согласно_выведенному-нами-соотношению между величинами dPsw и PC, эффект динамического давления для выбранных событий должен давать следующие значения PC индекса: 25 сентября 4 мВ/м, б сентября 3 мВ/м, 22 июня -1.7 мВ/м. Прибавляя эффект поля Em мы получаем величину соответствующего PC индекса: 25 сентября PC 12 мВ/м, 6 сентября PC 4 мВ/м, 22 июня PC -2 мВ/м.
Данные расчётные значения хорошо согласуются с величинами унифицированных PC индексов наблюдаемыми в данных событий: 25 сентября PC = 12-18 мВ/м, 6 сентября PC = 1.5-3 мВ/м, 22 июня PC = -2 мВ/м. Для сентябрьского события учитывалась как PCN, так и PCS индексов, так как их величины существенно расходились по причине заметного воздействия влияния BY компоненты ММП, в событии 22 июня только летний PCN индекс отреагировал на изменение давления. 1. Геоэффективная составляющая межпланетного электрического поля определяет поведение PC индекса, величина которого достигает максимума с временной задержкой -15-30 минутам относительно максимума Em. 2. Скачок динамического давления солнечного ветра (т.е. скорость нарастания давления dPsw/dt) является вторым фактором изменения PC индекса: эффект воздействия dPsw =1 нПа за 10 минут приблизительно эквивалентен эффекту воздействия Em = 0.33 мВ/м, при этом возрастание PC начинается всего лишь через несколько минут после скачка давления. 3. В условиях воздействия северного ММП увеличение PC индекса связано со скачком давления Psw 4. При отрицательных импульсах динамического давления солнечного ветра имеет место уменьшение PC индекса на протяжении 1-1,5 часа. 5. Летный PC индекс реагирует на скачок давления быстрее (на 5-15 минут) и достигает больших (на 20-50%) абсолютных значений, чем зимний PC. Из полученных нами результатов можно сделать следующие выводы. Во-первых, усиление магнитной активности в полярной шапке под влиянием динамического давления
Статистические соотношения между PC и AE/AL/AU индексами в летней и зимней полярных шапках
PCN и PCS индексы на фазе могут нарастать достаточно синхронно или один может значительно опережать другой. Как показал дополнительный анализ, различия в поведении PCN и PCS индексов связаны не с особенностями поведения магнитной активности в северной или южной полярных шапках, а обусловлены сезонным ходом магнитной активности: PC индекс в летней полярной шапке растает быстрее, чем в зимней. Для демонстрации сезонной зависимости все магнитные возмущения были разделены на две части по времени их появления в течение года: в период с мая по август, либо в период с ноября по февраль. Летний PC индекс определялся как усреднённая величина PCN индекса в период с мая по август и PCS индекса в период с ноября по февраль; зимний PC индекс определялся соответствующим образом. Затем рассматривалось соотношение летнего и зимнего PC индекса к авроральным индексам. Результаты анализа для АЕ индекса представлены на рис. 4.6 и для AL/AU индексов на рис. 4.7, где за ключевую дату Т=0 взято время внезапного начала возмущения в авроральной зоне. Как можно видеть, поведение летнего и зимнего PC индексов на фазе роста заметно различается. Усреднённый летний PC индекс начинает увеличиваться раньше, чем усреднённый зимний индекс, а скорость его нарастания оказывается почти в два раза выше, чем у зимнего. Зимний PC индекс повторяет скорее ход аврорального индекса АЕ (AL). На фазе экспансии (в течение 15 минут после внезапного начала) скорость роста летнего PC становится меньше, тогда как скорости роста зимнего PC (и АЕ (AL) индексов). После достижения максимума суббури вариации магнитной активности в полярной шапке и в авроральной зоне снова становятся согласованными. Для всех классов магнитных возмущений выполняется среднее шкальное соотношение PC АЕ/100. Сопоставление рис. 4.6 и 4.7 не выявляет сколько-нибудь заметных различий в ходе АЕ и AL индексов, если не принимать во внимание разницу их уровней. Между ходом AU и АЕ тесной связи нет, и, в целом, поведение AU не несёт какой-либо значимой информации. Имеется, правда, определенная особенность, которая, возможно, заслуживает внимания: вклад AU в АЕ индекс, в случае замедленных магнитных суббурь, оказывается существенно больше ( 1/3), чем в случае коротких магнитных суббурь ( 1/4-1/6). a
Принимая во внимание различную связь летнего и зимнего PC индекса с AE(AL) можно ожидать, что корреляция между PCN и PCS индексами и АЕ должна зависеть от сезона. На Рис. 4.8 показано как меняется корреляция между АЕ и PCN индексами и между АЕ и PCS индексами в период с 1998 по 2001 год. Можно видеть, что коэффициент корреляции максимален в течение местной зимы, и минимален в течение местного лета. В результате вариации величин PCN/AE и PCS/AE оказываются противоположными по фазе. Очевидны изменения коэффициента корреляции с циклом солнечной активности: максимальная корреляция (0.85 — летом и 0.75 — зимой) наблюдалась в 1999 году, а минимальная (0.80 - летом и 0. 65 — зимой) в 2000-2001 годах, во время максимума солнечной активности. После прохождения максимума, со второй половины 2001 года, корреляция снова начинает повышаться. Весьма показательной характеристикой развития разных классов возмущений является скорость роста магнитной активности в полярных шапках и в авроральнои зоне в ходе суббури. Скорость роста определялась как величина увеличения индекса отнесённая к временному интервалу этого увеличения. По данным рис. 4.6 и 4.7 мы, для каждого из 4 классов возмущений, оценили скорость увеличения индексов PCWIN, PCSUM и AE/AL/AU, на фазе роста (перед внезапным началом суббури), на фазе экспансии (15 минут следующих за внезапным началом) и в период максимума (от 15 до 40 минут после внезапного начала). Рис 4.9 показывает, что на фазе роста скорость увеличения усредненного летнего РС индекс оказывается равной 0.011 мВ/м/мин для в случае слабых бухт и 0.038 мВ/м/мин в случае длительных суббурь. Скорость роста зимнего PC индекса примерно в два раза ниже: 0.005 мВ/м/мин для слабых бухт и 0.02 мВ/м/мин для длительных суббурь. АЕ индекс увеличивается со скоростью 0.5 нТ/мин в случае слабых бухт и 2.0 нТ/мин для продолжительных суббурь, т.е. в такой же пропорции, как и зимний PC (если учесть, что 1 РС 1АЕ/100). Это увеличение обеспечивается, в основном, за счёт роста AL индекса: соответствующие величины для AL 0.25-1.5 нТ/мин и для AU 0.07 - 0.5 нТ/мин. На фазе экспансии скорость роста АЕ и AL индексов увеличивается примерно в 30 раз для слабых бухт, 10-17 раз для коротких суббурь, и около 7 раз для длительных суббурь. Скорость нарастания AU индекса увеличивается в 7-10 раз.
Соответствующий характер нарастания типичен для зимнего PC индекса: от 6 раз для слабых бухт до 3 раз для суббурь. Однако летнему PC индексу свойственны совсем другие особенности: он повышается только после внезапного начала слабых бухт и коротких суббурь, а в случаях длительных суббурь даже понижается. Выявленные особенности согласуются с заключениями Iayachandran et al. (2003) о внезапном понижении конвекции в полярной шапке после начала суббури. В последующие 25 минут после фазы экспансии АЕ, AL и зимний PC индексы продолжат медленно увеличиваться; тогда как рост летнего PC индекса прекращается (в случае длительных и замедленных возмущений). Интенсивность возмущения в авроральнои зоне увеличивается пропорционально скорости увеличения PC индекса на фазе роста. Действительно, для слабых бухт, коротких
