Исследование ионосферно-магнитосферных токовых систем и их воздействия на ионосферные процессы в периоды геомагнитных возмущений

Бархатова, Оксана Михайловна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Исследование ионосферно-магнитосферных токовых систем и их воздействия на ионосферные процессы в периоды геомагнитных возмущений
ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Исследование ионосферно-магнитосферных токовых систем и их воздействия на ионосферные процессы в периоды геомагнитных возмущений"

и«-»-'

На правах рукописи

БАРХАТОВА Оксана Михайловна

ИССЛЕДОВАНИЕ ИОНОСФЕРНО-МАГНИТОСФЕРНЫХ ТОКОВЫХ СИСТЕМ И ИХ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ИОНОСФЕРНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПЕРИОДЫ ГЕОМАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ

25.00.29 - Физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 От 2009

Нижний Новгород 2009

003487480

Работа выполнена в Федеральном государственном научном учреждении «Научно-исследовательский радиофизический институт» (ФГНУ НИРФИ) и Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Нижегородском государственном педагогическом университете (ГОУ ВПО НГПУ)

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук УРЯДОВ Валерий Павлович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук профессор

ГРАЧ Савелий Максимович

кандидат физико-математических наук ПЕТРОВ Валерий Григорьевич

Ведущая организация:

Научно-исследовательский институт физики при Южном федеральном университете

Защита диссертации состоится « 22 » декабря 2009 г. в 14-30 часов на заседании диссертационного совета Д 002.237.01 при Учреждении Российской академии наук Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова РАН по адресу: 142190, г. Троицк, Московской области, ИЗМИРАН

(проезд автобусом №398 от станции метро «Тёплый стан» до остановки «ИЗМИРАН»),

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЗМИРАН. Автореферат разослан « 20 » ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.237.01 доктор

физико-математических наук

Михайлов Ю.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации исследуется связь динамики магнитосферных 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 аврорапьными 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 плазмосфсры. 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.

2. 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.

3. Обнаружение магнитогравитационных волн в ионосфере, которые возникают вследствие активации авроральнь1х 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, бьша 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 авроральной 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 о 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 вакопа (нагревный стенд НААЯР) 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:

1. Параметры солнечного ветра и межпланетного магнитного поля, взятые из базы спутника АСЕ [http://cdaweb.gsfc.nasa.gov].

2. Индексы геомагнитной активности Dst, SYM, ASY [http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/].

3. Индексы интенсивности авроральных электроджетов АЕ, AU, AL [http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/].

4. Критическая частота ионосферного слоя F2 на станции Gakona [http://137.229.36.56/cgi-bin/Catalog.exe].

5. Интенсивность рентгеновского излучения [http://www.sel.noaa.gov/today.html].

6. Интенсивность ультрафиолетового излучения [http://www.timed.jhuapl.ed u/scripts/mdc_home.pl].

7. Планетарный индекс геомагнитной возмущенности (Кр* 10) [http://cdaweb.gsfc.nasa.gov/cgi-bin/eval2.cgi].

8. Индекс вытянутости геомагнитного хвоста bi [http://www.sel.noaa.gov/ftpmenu/lists/bi.html].

9. Интенсивность свечения ночного неба [http://sd-www.jhuapl.edu/Aurora/ovation/ovation_display.html].

10. Ионосферная модель IRI2001 [http://modeIweb.gsfc.nasa.gov/models/iri.html].

11. Данные наземных геомагнитных станций [http://www.wdc.bgs.ac.uk/catalog/master.html; The British Geological Survey; Geological Survey of Sweden].

12. 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.

2. 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

3. 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:

1. 29 Annual Seminar "Physics of auroral phenomena", Apatity, 27 February-3 March 2006.

2. 30 Annual Seminar "Physics of auroral phenomena", Apatity, 27 February-2 March 2007.

3. European Geosciences Union, General Assembly Vienna, Austria, 2007.

4. 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.

5. Нижегородская сессия молодых ученых (естественнонаучные дисциплины), Татинец, 20-25 апреля 2008.

6. Всероссийская научная конференция «Распространение радиоволн (РРВ-22)», Ростов-на-Дону - п. JIoo, 22-26 сентября 2008.

7. 31-й ежегодный Апатитский семинар «Физика авроральных явлений», 26-29 февраля 2008.

8. European Geosciences Union, General Assembly Vienna, Austria, 2008.

9. Научно-исследовательский институт «Крымская астрофизическая обсерватория», 8-14 июня 2008.

10. 32-й ежегодный Апатитский семинар «Физика авроральных явлений», 3-6 марта 2009.

И. Тринадцатая научная конференция по радиофизике, ГОУ ВПО "Нижегородский государственный университет им. Н.ИЛобачевского", 7 мая 2009.

12. 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.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 151 страницу, 82 рисунка и 9 таблиц. Библиография включает в себя 82 наименования.

Во введении изложены основные задачи, решаемые в диссертационном исследовании.

Первая глава диссертации посвящена обзору отдельных современных направлений в солнечно-земной физике. Рассматриваются магнитосфериые и ионосферные процессы в условиях повышенной геомагнитной возмущенности, а так же уделяется внимание волновым возмущениям в ионосфере. В первом разделе рассмотрено развитие симметричной и асимметричной частей кольцевого тока на разных фазах развития геомагнитной бури. Особое внимание уделено асимметричному кольцевому току и его пространственному положению [Liemohn, et al., 2001; Francia et al., 2004]. Приведены результаты моделирования кольцевого тока. Во втором разделе отмечается, что магнитная буря является интервалом времени, в течение которого активизируются токовые системы авроральных электроджетов. Здесь подробно изложены результаты исследований связи магнитосферных и ионосферных токовых систем в периоды магнитных бурь [Gräfe et. al., 1997; Gräfe and Feldstein, 2000]. Третий раздел посвящен плазмосфере и ее динамике в геомагнитно-возмущенные периоды. Рассмотрено образование дневного и вечернего выступов плазмосферы, а также формирование облаков плазмы, отделившейся от вечернего выступа плазмосферы (detached plasma). В четвертом разделе представлен механизм взаимодействия энергичных ионов кольцевого тока с вечерним выступом плазмосферы - развитие циклотронной неустойчивости в этой области и высыпание энергичных ионов кольцевого тока в конус потерь из-за взаимодействия с ионно-циклотронными волнами [Bespalov and Trakhtengerts, 1986; Trakhtengerts and Demekhov, 2005]. В пятом разделе изложены основные понятия об ионосфере и базовые уравнения для распространения акустико-гравитационных и магнитогравитационных волн [Hocke and Schlegel, 1996; Сорокин и Федорович, 1982; McLellan and Winterberg, 1968]. Введены понятия критических и максимальных наблюдаемых частот.

Вторая глава посвящена изучению вопросов развития и распада кольцевого тока в условиях магнитосферных бурь. В первом разделе сформулирована задача установления связи между токовыми системами симметричного и асимметричного кольцевого тока и авроральными электроджетами. На основе выполненного корреляционного исследования между индексами интенсивности кольцевого тока и индексами интенсивности авроральных электроджетов установлены характерные времена развития этих токов в период геомагнитного возмущения. Обнаружено, что на главной фазе геомагнитной бури асимметричная часть кольцевого тока имеет связь с обоими -восточным и западным электроджетами и развивается с ними синхронно. Временной сдвиг в развитии симметричного кольцевого тока относительно восточного электроджета составляет порядка получаса и относительно западного электроджета - порядка двух часов. По результатам анализа суммарного коэффициента корреляции для конкретных секторов местного времени построена

трехмерная эквивалентная ионоеферно-магнитосферная токовая система (см. рис.

Рис. 1. Эквивалентная ионосферно-магнитосферная токовая система связи кольцевого тока и авроральных токовых электроструй, которая включает в себя асимметричную часть кольцевого тока (АЗУ), замкнутую на оба электроджета - восточный (А1)) и западный (АЬ) продольными токами. Стрелкой показано направление солнечного ветра, взаимодействующего с магнитосферой

Во втором разделе произведен поиск параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля, оказывающих наибольшее влияние на токовые системы кольцевого тока и авроральных электроджетов. Также оценены средние времена реакции магнитосферы на подошедшее возмущение. Установлено, что на кольцевой ток наибольшее воздействие оказывают скорость солнечного ветра и его концентрация. Среднее время реакции магнитосферы на изменения ПСВ составляет около 30-40 минут для геомагнитных бурь высокой и средней интенсивностей (Бэ! < -100 пТ). На авроральные электроджеты наибольшее влияние оказывают компоненты вектора межпланетного магнитного поля (ММП) Ву и Вг для геомагнитных бурь любой интенсивности. Характерное время реакции магнитосферы для компоненты Ву составляет порядка 30 минут. В третьем разделе по результатам нейросетевых экспериментов обнаружена возможность удовлетворительного восстановления значений индексов интенсивности авроральных электроджетов по данным об индексах интенсивности симметричной и ассиметричной частей кольцевого тока. Это подтверждает наличие связи между авроральными электроджетами и кольцевым током на главной фазе геомагнитной бури, установленной в первом параграфе. Проанализировано «смещение» во времени развития авроральных электроджетов относительно друг друга. Результаты позволяют предположить, что токовые системы асимметричного кольцевого тока и восточного и западного электроджетов имеют общий энергетический бюджет, что подтверждает существование на главной фазе бури трехмерной ионосферно-магнитосферной токовой системы. В четвертом разделе проведена классификация всех исследуемых геомагнитных возмущений для установления характерных особенностей обнаруженной связи между токовыми системами (см. рис. 2). Результаты были получены для пар индексов БУМ и А и, 5УМ и АЬ, АЭУ и А11, АБУ и АЬ.

Разработанный классификационный подход позволяет установить общие закономерности протекания ионосферно-магнитосферных процессов на главной фазе геомагнитной бури с точки зрения их динамики и энергетической составляющей. Согласно полученным результатам, установлена корреляционная связь между симметричным кольцевым током и авроральными электроджетами на главной фазе геомагнитной бури. Связь между асимметричной частью

1).

кольцевого тока и электроджетами имеет более сложный характер благодаря наличию временного «смещения» в развитие электроджетов, однако указанные токи составляют единую токовую систему.

Класс 1 (главная фазе магн»ггноД бури)

Класс 2 (главная фаза магмитхоЛ бури)

Рис. 2. Пример классификации исследуемых геомагнитных бурь по индексам кольцевого тока БУМ и восточного электроджета АН Два левых столбца графиков относятся к первому классу, два правых - ко второму классу.

Третья глава содержит исследование влияния дневного и вечернего выступов плазмосферы на асимметрию возмущений магнитного поля Земли. В первом разделе рассматриваются спектральные особенности вариаций горизонтальной составляющей геомагнитного поля на двух меридиональных цепочках станций. Первая цепочка находится в области вечернего выступа плазмосферы, а вторая цепочка - в области дневного выступа. Результаты спектрального анализа магнитных записей на двух меридиональных цепочках станций свидетельствуют о повышении амплитуды частей спектров, соответствующих пульсациям в диапазоне Рс-4 (с частотами выше 6-Ю"3 с"'), при входе магнитных станций в области силовых линий геомагнитного поля, отвечающих плазмосферным выступам. Повышение амплитуд частей спектров, которые соответствуют колебаниям в диапазоне частот пульсаций Рс-4, отмечается на станциях с геомагнитной широтой ниже 45° для дневного выступа и на всех широтах для вечернего выступа. При учете возможности возникновения продольных токов вследствие развития циклотронной неустойчивости на восточных границах плазмосферных выступов, повышение амплитуд частей спектров в диапазоне пульсаций Рс-4 может свидетельствовать о нестабильности этих токов, отмечаемой в магнитных возмущениях у поверхности Земли. Во втором разделе проводится сопоставление временного хода горизонтальных компонент на станциях, принадлежащих и не принадлежащих дневному выступу плазмосферы. Геометрия расположения станций представлена на рис. 3.

Рис. 3. Расположение геомагнитных станций Abisko (68.36 N, 18.82 Е), Lerwick (60.13 N, 358.82 Е), Lovoe (59.34 N, 17.82 Е), Sodankyla (67.37 N, 26.63 Е) относительно дневного выступа плазмосферы 27 июня 2001

Сопоставление временного хода Н-компонент на станциях Lerwick (LER) (60.13 N, 358.82 Ё) и Lovoe (LOV) (59.34 N, 17.82 Е), находящихся под дневным выступом, и станциях вне выступа Abisko (АВК) (68.36 N, 18.82 Е) и Sodankyla (SOD) (67.37 N, 26.63 Е), показывает, что в момент прохождения станциями LER, LOV дневного выступа, наблюдается значительный провал в горизонтальной составляющей. На станциях АВК, SOD подобных изменений не наблюдается (см. рис. 4). Это означает, что над станциями LER, LOV протекает интенсивный ток, связанный с дневным выступом плазмосферы.

" **"* Л0СМ 30 »

I'll | 1 ________ ЕШБ

14 «--■"Г—" 1

•А со mmao окоп яшоо сяиссо no •о' оо чсооо чсооо «вгаоо ио

.........J—и:,гг4-.........!--------- ........:.................i f -«*)

■ Л4- .............. •• - ......

___

•¿Я, 1 . 1 ив ччок «ооос «соос »о

■ L-&J

V.....:.............................;......

Т1П ■At i 4 L si

Рис. 4. Магнитные записи на станциях Abisko (68.36 N, 18.82 Е), Lerwick (60.13 N, 358.82 Е), Lovoe (59.34 N, 17.82 Е), Sodankyla (67.37 N, 26.63 Е) 27 июня 2001. Станции АВК, SOD находятся вне дневного выступа плазмосферы, станции LER, LOV - внутри дневного выступа плазмосферы (вторая и третья панели)

В третьем разделе проводится анализ динамических спектров горизонтальных компонент векторов магнитного поля Земли на наземных геомагнитных станциях, находящихся внутри и за пределами дневного выступа плазмосферы. На рис. 5 представлены динамические амплитудно-частотные спектры горизонтальной составляющей геомагнитного поля для трех из рассматриваемых станций 10 и 27 июня 2001.

Рис. 5. Амплитудно-частотные динамические спектры Н-компоненты для станций Abisko (68.36 N, 18.82 Е), Lerwick (60.13 N, 358.82 Е), Lovoe (59.34 N, 17.82 Е) 10 и 27 июня 2001. При построении динамических спектров использованы данные с разрешением 10 сек

Основным результатом является обнаружение пульсаций диапазона Рс-4 в вариациях Н-компоненты на станциях, принадлежащих выступу. Это является косвенным подтверждением предположения о формировании интенсивных токов вдоль силовых линий, которые образовались в результате взаимодействия ионно-циклотронных волн с дневным выступом плазмосферы.

Четвертая глава посвящена изучению волновых процессов в ионосфере, а также рассмотрению критических и максимальных наблюдаемых частот ионосферного слоя Р2 в геомагнитно-возмущенные и невозмущенные периоды. В первом параграфе, в качестве прикладной задачи, разработан оригинальный метод прогнозирования критической частоты ионосферы на интервалы от получаса до двух часов с помощью искусственной нейронной сети типа Элмана. Оригинальность предлагаемой методики заключается в разработке метода «шлюзования» входного пакета данных. «Шлюз» в данном случае представляет собой своеобразный ключ, который позволяет осуществлять прогноз критической частоты на дневном интервале только по «дневным» параметрам, а на ночном интервале - по «ночным». Оригинальность предлагаемой методики заключается в разработке метода «шлюзования» входного пакета данных. «Шлюз» в данном случае представляет собой своеобразный ключ, который позволяет осуществлять прогноз критической частоты на дневном интервале только по «дневным» параметрам, а на ночном интервале - по «ночным».

Во втором разделе исследуется поведение критической частоты субавроральной ионосферы на станции Сакопа и ее зависимости от солнсчпо-магнитосферных параметров в ночное и дневное время. Анализ эффективностей прогнозирования и сопоставление солнечно-магнитосферных параметров для дневного и ночного интервалов позволяет заключить, что для эффективного прогноза значений критической частоты в качестве входных параметров в

дневное время необходимо использовать саму последовательность / и ее

первую производную (предыстория), а в качестве дополнительных входных параметров - солнечно-зенитный угол и интенсивность рентгеновского излучения. В ночное время предыстория должна быть дополнена отношением интенсивностей свечения ночного неба II и динамическим давлением солнечного ветра. В третьем разделе исследуется пространственно-временная корреляция максимальных наблюдаемых частот (МНЧ) на среднеширотных трассах наклонного зондирования ионосферы. Анализ вариаций коэффициентов корреляции позволил обнаружить на этих трассах перемещающиеся ионосферные возмущения и оценить их периоды и скорости. В качестве прикладной задачи проведено восстановление рядов данных МНЧ на одной из трасс по данным МНЧ на другой трассе. В четвертом разделе проводится исследование связи МНЧ на трассах наклонного зондирования ионосферы с авроральной активностью, характеризуемой индексом АЕ. Установлено, что возмущения авроральных электроджетов находят свое отражение в МНЧ на всех исследуемых трассах. Пятый раздел посвящен обнаружению магнитогравитационных (МГВ) волн по результатам спектрального анализа МНЧ на трассах наклонного зондирования. На рис. 6 приведены примеры сопоставления спектрограмм индекса АЕ с МНЧ на

каждой трассе наклонного зондирования при малых временных задержках МНЧ относительно АЕ.

Рис. б. Спектрограммы МНЧ с временной задержкой 5 минут относительно индекса АЕ на трассах: а) Инскил - Ростов-на-Дону; Ь) Кипр - Ростов-на-Дону; с) Норильск - Ростов-на-Дону; (1) Иркутск - Ростов-на-Дону

Для каждой из трасс наклонного зондирования в этих случаях наблюдается совпадение спектральных особенностей, что свидетельствует о высоких скоростях переноса авроральных возмущений до точек отражения. Такие случаи, скорее всего, связаны с переносом возмущений посредством МГВ. Проведена экспериментальная оценка скоростей распространяющихся МГВ - они составляют до 5000 м/с. В шестом разделе проведено магнитогидродинамическое (МГД) моделирование распространения возмущений в ионосферной плазме. Согласно модельным расчетам, возмущения всех параметров среды проявляются значительнее при задании начального магнитного возмущения вдоль силовой линии геомагнитного поля. Это может означать, что в среде, близкой к ионосфере, даже незначительные возмущения магнитного поля, вызванные, например нестабильностью авроральных электроджетов, могут успешно распространяться к средним широтам на расстояния до 2000-3000 км.

Исследование МГВ в ионосфере проведено в приближении идеальной магнитной гидродинамики в гравитационном поле:

Ж Ал ОТ д( 1 1

ж дя ^ л Л &

Здесь V - вектор скорости движения среды, связанной с распространением в ней волновых возмущений, р - давление, р - плотность плазмы, б — энтропия, g - вектор силы тяжести. Принимая распределение

давления и плотности экспоненциальным: р0 = рп е~'/Я и р0 = рп е~*/Я , где

рп и р„ - плотность и давление в среде при г = О (на земной поверхности) и

проводя линеаризацию приведенных выше уравнений, для плоской волны получаем выражение для скорости V:

согу-с1 (к-у)к + /(у-й)к+ /'(/-1)(к-у^+—-—Н0 х|кх[кх(ух Н0)]} = 0' из которого следует дисперсионное уравнение шестого порядка по частоте СО :

("«"Г

4яр0 4 кр0

со +<а

-с^-^ук,-

+т

(И^ + +

(4 щ) 4 лр„ ' 4 хра

Из полученного дисперсионного уравнения выделяются Альвеновская мода

^_(н0-к)2 4лр0

описывает распространение МГВ

и дисперсионное уравнение четвертого порядка, которое

а" + а2 ^ук,-с$к2

4яр„

4 ' 4я-д, 4 лр„

На основании этого уравнения построены дисперсионные кривые для МГВ. При распространении этих волн в ионосфере выделяются две моды - «+мода» и «мода». На рис. 7 представлены решения дисперсионного уравнения в безразмерных переменных для этих мод.

Рис. 7. Дисперсионные зависимости для «+ моды» (верхняя панель) и «- моды» (нижняя панель). Сплошная линия соответствует в = 0°, штрихпунктирная линия - в - 45°, пунктирная линия -(9 = 90°

Построенные дисперсионные зависимости позволяют провести оценку частот МГВ, отвечающих экспериментально оцененным скоростям распространения изучаемых волн. Полученные результаты показывают, что

возможен перенос возмущений на частоте о я (1-2)-КГ1 Гц» отвечающих «+

моде» и распространяющихся со скоростями 2000-5000 м-с"1.

В заключении представлены основные результаты и выводы проведенного исследования:

1. Установлено наличие корреляционной связи между интенсификацией авроральных и среднеширотных токовых систем. Обнаружено, что в период главной фазы геомагнитной бури асимметричная часть кольцевого тока имеет связь с обоими электроджетами и развивается с ними синхронно. Временной сдвиг в развитии симметричного кольцевого тока относительно восточного электроджета составляет порядка получаса и относительно западного электроджета - порядка одного часа. Результаты статистического анализа коэффициентов линейной корреляции между асимметричным кольцевым током и восточным и западным элеюроджетами на главной фазе геомагнитной бури демонстрируют связь асимметрии с обоими электроджетами. По результатам анализа этой связи построена трехмерная ионосферно-магнитосферная токовая система, которая включает в себя асимметричный кольцевой ток, восточный и западный электроджеты, и токи вдоль силовых линий. Разработан классификационный подход, который позволяет установить общие закономерности протекания ионосферно-магнитосферных процессов на главной фазе геомагнитной бури с точки зрения их динамики и энергетической составляющей.

2. Установлено, что развитие плазмосферных выступов в периоды повышенной магнитной возмущенности может быть замечено на поверхности Земли как увеличение интенсивности ряда спектральных составляющих в диапазоне геомагнитных пульсаций. Пространственная локализация дневного выступа плазмосферы позволила провести сопоставление временного хода горизонтальной составляющей на станциях, находящихся на магнитных силовых линиях, соответствующих этому выступу, и станциях, находящихся за его пределами. Согласно результатам проведенных исследований, при входе магнитных станций в область дневного выступа наблюдается провал в горизонтальной составляющей геомагнитного поля. Это может быть связано с формированием дополнительного тока вдоль силовых линий. Проведен сравнительный анализ динамических амплитудно-частотных спектров Н-компонент для станций, находящихся в области дневного выступа плазмосферы и станций, находящихся за его пределами. При входе магнитных станций в область дневного выступа плазмосферы обнаружены всплески интенсивности частот в диапазоне геомагнитных пульсаций. В том числе, обнаружено присутствие пульсаций диапазона Рс4, что является косвенным признаком интенсивного продольного тока в этой области.

3. В результате сравнительного, корреляционного и спектрального исследований динамики МНЧ и вариаций индекса авроральной активности АЕ обнаружены волновые возмущения со скоростями, превышающими скорости распространения АГВ в ионосфере. Такие случаи могут быть связаны с переносом авроральных возмущений до точек отражения трасс наклонного зондирования ионосферы посредством MTB. Сопоставление результатов численного МГД моделирования

показывает, что возмущения всех параметров среды проявляются значительнее именно при задании начального магнитного возмущения вдоль силовой линии геомагнитного поля. Это может означать, что в среде, близкой к ионосфере, даже незначительные возмущения магнитного поля, вызванные, например нестабильностью авроральных электроджетов, могут успешно распространяться к средним широтам на расстояния до 2000-3000 км. Кроме того, в такой среде перенос возмущений магнитного поля является более предпочтительным по сравнению с возмущением плотности. Следовательно, распространение МГВ от авроральных источников в сторону средних широт является возможным. Получены дисперсионные кривые МГВ, благодаря которым возможна оценка частот и скоростей их распространения, а так же сопоставление оцененных величин с экспериментально полученными значениями. Согласно рассчитанным дисперсионным кривым МГВ, возможен перенос возмущений на частоте i»«(l-2)-10~4 Гц, распространяющихся со скоростями 2000-5000 м-с'1.

Экспериментальная и теоретическая оценки скоростей переноса МГВ в ионосфере для случая горизонтального распространения дают значения одного порядка.

Список работ по теме диссертации

1. Barkhatov N.A., Levitin А.Е., Tserkovniuk (Бархатова) О.М. Analysis of conncction of indexes SYM, ASY of the ring current magnetic field with indexes AE (AU, AL). Abstracts of 29 Annual Seminar "Physics of auroral phenomena", Apatity, 27 February-3 March 2006, PGI KSC RAS, P.21.

2. Barkhatov N.A., Levitin A.E., Tserkovniuk (Бархатова) О.М. "Connection of geomagnetic indexes SYM, ASY with polar indexes AE (AU, AL) on different phases of a geomagnetic storm". Abstracts ofCOSPAR SCIENTIFIC ASSEMBLY, Beijing, China, 16-23 July 2006. Session D3.2, A-00875.

3. Barkhatov N.A., Levitin A.E., Tserkovnuk (Бархатова) О.М. The Analysis of relationship between Magnetic Field Global indices (SYM, ASY) and auroral elcctrojet Indices (AU, AL) at the account of Parameters of a Solar Wind and an Interplanetary Magnetic Field. Abstracts of 30 Annual Seminar "Physics of auroral phenomena", Apatity, 27 February-2 March 2007, PGI KSC RAS, P.15.

4. Barkhatov N.A., Levitin A.E., Tserkovniuk (Бархатова) О.М. Analysis of connection of indexes SYM, ASY of the ring current magnetic field with indexes AE (AU, AL). Proceedings of 29 Annual Seminar "Physics of auroral phenomena", Apatity, 2007, PGI KSC RAS, P. 17.

5. Barkhatov N.A., Levitin A.E., Tserkovnuk (Бархатова) О.М. Influence of Solar Wind Parameters and Interplanetary Magnetic Field on Global and Polar Indices of Geomagnetic Activity during Geomagnetic Storms. Geophysical Research Abstracts, Vol. 9, 05662, 2007, SRef-ID: 1607-7962/gra/EGU2007-A-05662, European Geosciences Union, General Assembly 2007, Vienna, Austria, 15-20 April 2007.

6. Бархатова O.M., Смирнова A.C., Улыбина Р.И., Бархатов Н.А., Урядов В.П. Учет солнечно-магнитосферных связей в задаче прогноза параметров субавроральной ионосферы. // Тез. докл. 11 Пулковской межд. конф. по физике Солнца: Физическая природа солнечной активности и прогнозирование ее геофизических проявлений. ГАО РАН, Пулково, Санкт-Петербург, 2-7 июля 2007, С. 20.

7. Barkhatov N.A., Levitin А.Е., Tserkovnuk (Бархатова) О.М. The analysis of the relationship between Magnetic Field Global Indices (SYM, ASY) and Auroral

Electrojet Indices (AU, AL) under the account of Parameters of a Solar Wind and an Interplanetary Magnetic Field. "Physics of Auroral Phenomena", Proc. XXX Annual Seminar, Apatity, Kola Science Centre, Russian Academy of Science, 2007, P. 13-16.

8. Бархатов H.A., Левитин A.E., Церковнюк (Бархатова) О.М, Анализ связи индексов, характеризующих симметричный SYM и асимметричный ASY кольцевой ток, с индексами активности авроральных электроструй АЕ (AU, AL). // Геомагнетизм и аэрономия, Т.48, №4, С. 520-525, 2008.

9. Barkhatova О.М., Levitin А.Е. Neural networks technique of layer F2 critical frequency forecasting above station Gakona (HAARP) at the account of near-Earth space parameters and geomagnetic disturbance. Abstracts of 31 Annual Seminar "Physics of auroral phenomena", Apatity, 26-29 February 2008, PGI KSC RAS, P.l 112.

10. Barkhatova O.M., Revunov S.E., Barkhatov N.A., Levitin A.E. Nonlinear connection of global and polar current systems on the main phase of a geomagnetic storm. Abstracts of 31 Annual Seminar "Physics of auroral phenomena", Apatity, 26-29 February 2008, PGI KSC RAS, P. 17-18.

11. Бархатова O.M., Урядов В.П., Вертоградов Г.Г., Вертоградов В.Г. О пространственно-временной корреляции максимальной наблюдаемой частоты на среднеширотных радиолиниях. // Тр. всерос. науч. конф. «Распространение радиоволн (РРВ-22), Ростов-на-Дону - п. JIoo, 22-26 сентября, Т.2, С. 163-166, 2008.

12. О. Barkhatova, V. Uryadov, G. Vertogradov, V. Vertogradov Short-term forecasting of the maximum observed frequency on middle-latitude paths of oblique ionospheric sounding, Geophysical Research Abstracts, Vol. 10, EGU2008-A-00000, 2008.

13. Barkhatova O.M., Revunov S.E., Barkhatov N.A., Levitin A.E. «Polar current systems at the main phase of a geomagnetic storm» «Physics of Auroral Phenomena», Proc. XXXI Annual Seminar, Apatity, Kola Science Centre, Russian Academy of Science, 2008, P. 13-16

14. Barkhatova O.M., Levitin A.E. «Neural networks technique of layer F2 critical frequency forecasting above station Gakona (HAARP) at the account of near-earth space parameters and geomagnetic disturbance», Proc. XXXI Annual Seminar, Apatity, Kola Science Centre, Russian Academy of Science, 2008, P. 137-140.

15. O.M. Barkhatova, N.A. Barkhatov, G.I. Grigor'ev «Display of magnetogravitation waves caused by polar instability, in traveling ionospheric disturbances», Abstracts of 32 Annual Seminar "Physics of auroral phenomena", Apatity, 3-6 March 2009, PGI KSC RAS, P.51-52.

16. O.M. Barkhatova, P.A. Bespalov, A.E. Levitin «Connection of time-spatial variations of a geomagnetic field horizontal components with the plasmapause form on a recovery phase», Abstracts of 32 Annual Seminar "Physics of auroral phenomena", Apatity, 3-6 March 2009, PGI KSC RAS, P.15.

17. Бархатова O.M., Смирнова A.C., Улыбина Р.И. Учет солнечно-магнитосферных связей в задаче прогноза критической частоты субавроральной ионосферы. // Известия ВУЗов Радиофизика, Т. 52, №2, С. 109-117, 2009.

18. Бархатова О.М., Урядов В.П., Вертоградов Г.Г., Вертоградов В.Г. О пространственно-временной корреляции максимальной наблюдаемой частоты на среднеширотных радиолиниях. // Известия ВУЗов Радиофизика, Т. 52, №1, С.28-36,2009.

Литература

1. Сорокин В.М., Федорович Г.В. Физика медленных МГД-волн в ионосферной плазме. Энергоиздат, М. 1982, с. 136.

2. Bespalov, P. A., and V. Y. Trakhtengerts. The cyclotron instability in the Earth radiation belts, in Reviews of Plasma Physics, 1986. V. 10, P. 155, Springer, New York.

3. Francia P., Villante U., Adorante N., Gonzalez W.D. The storm-time ring current: a statistical analysis at two widely separated low-latitude stations. Annales Geophysicae, 2004.22:3699-3705.

4. Grafe A., Bespalov P.A., Trakhtengerts V.Y., Demekhov A.G. Afternoon mid-latitude current system and low-latitude geomagnetic field asymmetry during geomagnetic storms// Annales Geophysicae, 1997. 15. 1537-1547.

5. Grafe A. and Feldstein Y.I. About the relationship between auroral electrojets and ring currents. Annales Geophysicae, 2000. 18. 874-886.

6. Носке K. and Schlegel K. A review of atmospheric gravity waves and travelling ionospheric disturbances: 1982-1995 // Annales Geophysicae, 1996. V. 14. P. 917-940.

7. Liemohn M.W., Kozyra J.U., Thomsen M.F., Roeder J.L., Lu G., Borovsky J.E., and Cayton Т.Е. Dominant role of the asymmetric ring current in producing the stormtime Dst* // J. Geophys. Res. 2001. V. 106. N. A6. P. 10883-10904.

8. McLellan A. and Winterberg F. Magneto-gravity waves and the heating of the solar corona // Solar Physics 1968. 4. P. 401-408.

9. Trakhtengerts V. Y., Demekhov A. G. Discussion paper: Partial ring current and polarization jet // International Journal of Geomagnetism and Aeronomy, 2005. V.5. GI3007. doi: 10.1029/2004GI000091.

Благодарности

Исследование современных научных проблем, получение и интерпретация результатов, представленных в настоящей диссертации, было выполнено под профессиональным и исчерпывающим руководством моего Учителя, доктора физико-математических наук, профессора Николая Александровича Бархатова. Несколько лет активной научной деятельности по изучению современных проблем солнечно-земной физики позволили автору перенять у профессора Н.А. Бархатова основные принципы научной работы, знания и опыт, за что выражаю ему глубокую благодарность.

За постоянную поддержку моей работы выражаю благодарность моему официальному научному руководителю, заведующему сектором НИРФИ доктору физико-математических наук Валерию Павловичу Урядову. Благодарю моих соавторов Левитина Анатолия Ефимовича, Беспалова Петра Алексеевича, Григорьева Геннадия Ивановича за интеллектуальное участие в моей работе, полезные дискуссии и советы. Благодарю Людмилу Ивановну Громову и коллектив лаборатории магнитосферных возмущений ИЗМИРАН за помощь в получении и обработке геофизических данных, а так же сотрудников Научно-исследовательской лаборатории Физики Солнечно-Земных связей Нижегородского Государственного Педагогического Университета за дружескую помощь и поддержку в решении ряда научных задач.

Признательна Вадиму Федоровичу и Валентине Кузьминичне Церковнюкам за участие в моей судьбе.

БАРХАТОВА Оксана Михайловна

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Подписало в печать 18.11.2009. Формат 60 X 90/16 Бумага писчая. Усл. п. л. 1. Тираж 100. Заказ 5592

Отпечатано в ФГНУ НИРФИ 603950 г. Нижний Новгород, ул. Б. Печерская, 25/12а

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Бархатова, Оксана Михайловна

Введение.

Глава 1.

Магнитосферно-ионосферные электромагнитные процессы в условиях развития и распада кольцевого тока (обзор).

1.1 Симметричная и асимметричная части кольцевого тока на главной фазе и фазе восстановления геомагнитной бури.

1.2 Интенсификация восточного и западного электроджетов в период геомагнитного возмущения.

1.3. Плазмосфера и ее динамика в геомагнитно-возмущенные периоды.

1.4. Взаимодействие ионно-циклотронных волн с холодной плазмой как причина магнитосферных токов обусловленных высыпанием частиц.

1.5. Ионосфера в периоды магнитосферных возмущений.

Глава 2.

Изучение вопросов развития и распада кольцевого тока в условиях магнитосферных бурь.

2.1. Линейная связь симметрии и асимметрии кольцевого тока с восточным и западным электроджетами на главной фазе и фазе восстановления бури.

2.2. Учет параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля при изучении связи кольцевого тока и авроральных электроджетов.

2.3. Исследование нелинейной связи симметрии и асимметрии кольцевого тока с восточным и западным электроджетами на главной фазе бури.

2.4. Классификационный подход к анализу связи активности авроральных электроджетов и магнитного возмущения на средних и низких широтах в период магнитной бури.

Глава 3.

Исследование влияния дневного и вечернего выступов плазмосферы на асимметрию возмущений магнитного поля Земли.

3.1. Спектральные особенности возмущений геомагнитного поля на меридиональных цепочках станций в периоды существования дневного и вечернего выступов плазмосферы

3.2. Изменения горизонтальной компоненты геомагнитного поля как следствие магнитосферных токов, обусловленных высыпанием частиц в области дневного выступа плазмосферы.

3.3. Пульсации диапазона Рс 4 как признак продольного тока в районе дневного выступа плазмосферы.

Глава 4.

Волновые явления в ионосфере в условиях геомагнитной возмущенности.

4.1. Разработка метода прогнозирования критической частоты ионосферного слоя F

4.2. Учет солнечно-магнитосферных связей в задаче прогноза критической частоты субавроральной ионосферы (HAARP).

4.3. Пространственно-временная корреляция максимальной наблюдаемой частоты (МНЧ) на среднеширотных радиолиниях.

4.4. Результаты сравнительного корреляционного и спектрального анализа динамики МНЧ и индекса АЕ.

4.5 Фазовые и групповые скорости МГВ и сопоставления с МГД моделированием.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Исследование ионосферно-магнитосферных токовых систем и их воздействия на ионосферные процессы в периоды геомагнитных возмущений"

Одной из современных проблем солнечно-земной физики является изучение магнитосферных токовых систем и их связи с ионосферными токами. До настоящего времени природа этой связи до конца не установлена, однако имеются общепринятые физические представления о ее характере. В первую очередь считается, что асимметричная часть кольцевого тока, которая наиболее развита па главной фазе геомагнитной бури, может частично замыкаться на ионосферные токи в авроральной области - восточный и западный электроджеты. Однако при попытке оценить связь асимметрии кольцевого тока с авроральными электроджетами у исследователей возникают неоднозначные результаты. Это означает, что изучение вопросов о такой связи остается актуальным.

Среди возможных механизмов замыкания асимметричного кольцевого тока часто рассматривают взаимодействие ионно-циклотронных волн с энергичными ионами кольцевого тока. Ионно-циклотронные волны могут возникать благодаря развитию циклотронной неустойчивости в присутствии резкого градиента холодной плазмы, например, на границах плазмосферных выступов. Это может привести к дополнительной изотропизации по питч-углам для ионов кольцевого тока, и их последующему высыпанию вдоль силовых линий в ионосферу. Таким образом может осуществляться связь асимметричного кольцевого тока с авроральными электроджетами. К настоящему времени установлено, что в присутствии резкого градиента холодной плазмы высыпания ионов имеют место, однако не выявлена связь этих высыпаний с асимметрией низкоширотного поля возмущения. Установление этой связи является важной задачей, позволяющей объяснить существование асимметричной части кольцевого тока.

Активация авроральных электроджетов в период развития геомагнитного возмущения приводит к возникновению волновых движений в ионосфере, и, следовательно, изменению ее концентрации. С прикладной точки зрения это означает изменение критической и максимальной наблюдаемой частот. Следовательно, рассмотрение волновых процессов и связанных с ними ионосферных возмущений в условиях повышенной геомагнитной активности имеет и научный, и практический интерес.

Диссертация посвящена анализу системы магнитосфера-ионосфера в периоды геомагнитных бурь. Рассмотрены вопросы замыкания асимметричного кольцевого тока, его связи с авроральными электроджетами, а так же вопросы, посвященные ионосферным последствиям авроральной активности - распространение акустико-гравитационных и магнитогравитационных волн в ионосфере, перемещающиеся ионосферные возмущения, изменение критической и максимальной наблюдаемой частот.

Методы, используемые в исследовании

В представленной диссертации использован набор методов корреляционного исследования — стандартная линейная корреляция исследуемых величин и нелинейная корреляция, вычисленная с помощью искусственных нейронных сетей (ИНС). ИНС являются многофункциональным инструментом, способным решать теоретические и прикладные задачи. В настоящем диссертационном исследовании они применялись для поиска связи между исследуемыми величинами, для осуществления оперативного прогнозирования ионосферных параметров, и для восстановления рядов данных. Использованы ИНС следующих типов: ИНС типа Элмана с алгоритмом обратной связи, ИНС прямой передачи (Feed Forward), ИНС с нечеткой логикой (Fuzzy Logik), классификационная ИНС типа слоя Кохонена. Необходимо отметить, что каждая из указанных сетей была создана для решения конкретной геофизической задачи.

При анализе вариаций геомагнитного поля и вариаций максимальных наблюдаемых частот были использованы методы спектрального анализа: амплитудно-частотный спектр на основе быстрого преобразования Фурье, и динамические спектры - спектрограммы.

Исследование возможности распространения магнитогравитационных волн в ионосфере было проведено с привлечением метода магнитогидродинамического (МГД) моделирования. Моделирование проводилось на основе обезразмеренных классических уравнений магнитной гидродинамики.

Цель работы

Целью представленного 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.

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 за несколько лет.

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 трехмерная токовая система, возникающая в результате развития циклотронной неустойчивости.

Проведено исследование воздействия на ионосферу параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля методом 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 авроральной области к средним широтам возможен не только посредством акустико-гравитационных волн (АГВ), но и с помощью магнитогравитационных возмущений (МГВ). Такой результат получен с помощью спектрального анализа максимальных наблюдаемых частот на трассах наклонного зондирования ионосферы. При этом определены характерные скорости МГВ 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 позволяет 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 о 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 максимальной наблюдаемой частоты (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 так же 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 вакопа (нагревный стенд НАДИР) 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.

Экспериментальные данные

В работе использовались следующие экспериментальные данные:

1. Параметры солнечного ветра и межпланетного магнитного поля, взятые из базы спутника АСЕ [http://cdaweb.gsfc.nasa.gov].

2. Индексы геомагнитной активности Dst, SYM, ASY [http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/]

3. Индексы интенсивности авроральных электроджетов АЕ, AU, AL [http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/].

4. Критическая частота ионосферного слоя F2 на станции Gakona [http://137.229.36.56/cgi-bin/Catalog.exe?].

5. Интенсивность рентгеновского излучения [http://www.sel.noaa.gov/today.html].

6. Интенсивность ультрафиолетового излучения [http ://www. timed.j huap 1. edu/ scrip ts/mdchome.p 1].

7. Планетарный индекс геомагнитной возмущенности (Кр*10) [http://cdaweb.gsfc.nasa.gov/cgi-bin/eval2.cgi].

8. Индекс вытянутости геомагнитного хвоста bi [http://www.sel.noaa.gov/ftpmenu/lists/bi.html].

9. Интенсивность свечения ночного неба [http://sd-www.jhuapl.edu/Aurora/ovation/ovationdisplay.html].

10. Ионосферная модель IRI2001 [http://modelweb.gsfc.nasa.gov/models/iri.html].

11. Данные с наземных геомагнитных станций [http://www.wdc.bgs.ac.uk/catalog/master.html; The British Geological Survey; Geological Survey of Sweden].

12. Данные о максимальных наблюдаемых частотах (предоставлены НИРФИ). Положения, выносимые на защиту

2. Обнаруженная дополнительная асимметрия низко широтного поля геомагнитного возмущения в области дневного и вечернего выступов плазмосферы является следствием замыкания асимметричного кольцевого тока на ионосферу, обусловленного высыпанием ионов кольцевого тока

Краткое содержание глав

Во введении изложены основные задачи, решаемые в диссертационном исследовании.

Первая глава диссертации посвящена обзору отдельных современных направлений солнечно-земной физики. Рассматриваются магнитосферные и ионосферные процессы в условиях повышенной геомагнитной возмущенности, а так же уделяется внимание волновым возмущениям в ионосфере. В первом разделе рассмотрено развитие симметричной и асимметричной частей кольцевого тока на разных фазах развития геомагнитной бури. Особое внимание уделено асимметричному кольцевому току и его пространственному положению. Приведены результаты моделирования кольцевого тока. Во втором разделе отмечается, что магнитная буря является интервалом времени, в течение которого активизируются токовые системы авроральных электроджетов. Здесь подробно изложены результаты исследований связи магнитосферных и ионосферных токовых систем в периоды магнитных бурь. Третий раздел посвящен плазмосфере и ее динамике в геомагнитно-возмущенные периоды. Рассмотрено образование дневного и вечернего выступов плазмосферы, а так же формирование облаков плазмы, отделившейся от вечернего выступа плазмосферы (detached plasma). В четвертом разделе представлен механизм взаимодействия энергичных ионов кольцевого тока с вечерним выступом плазмосферы - развитие циклотронной неустойчивости в этой области, и высыпание энергичных ионов кольцевого тока в конус потерь из-за взаимодействия с ионно-циклотронными волнами. В пятом разделе изложены основные понятия об ионосфере и базовые уравнения для распространения акустико-гравитационных и магнитогравитационных волн. Введены понятия критической и максимальной наблюдаемой частот.

Вторая глава посвящена изучению вопросов развития и распада кольцевого тока в условиях магнитосферных бурь. В первом разделе сформулирована задача установления связи между токовыми системами симметричного и асимметричного кольцевого тока и авроральными электроджетами. На основе выполненного корреляционного исследования между индексами интенсивности кольцевого тока и индексами интенсивности авроральных электроджетов построена трехмерная эквивалентная ионосферно-магнитосферная токовая система. Во втором разделе произведен поиск параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля, оказывающих наибольшее влияние на токовые системы кольцевого тока и авроральных электроджетов. В третьем разделе методом искусственных нейронных сетей проверены и расширены результаты, полученные в первом разделе. Установлены временные задержки в развитии магнитосферных и ионосферных возмущений. В четвертом разделе проведена классификация всех исследуемых геомагнитных возмущений для установления характерных особенностей обнаруженной связи между токовыми системами.

Четвертая глава посвящена изучению волновых процессов в ионосфере, а так же рассмотрению критических и максимальных наблюдаемых частот ионосферного слоя Р2 в возмущенные и невозмущенные периоды. В первом разделе, в качестве прикладной задачи, разработан оригинальный метод прогнозирования критической частоты на интервалы от получаса до двух часов с помощью искусственной нейронной сети типа Элмана. Во втором разделе исследуется поведение критической частоты субавроральной ионосферы на станции вакопа и ее зависимости от солнечно-магнитосферных параметров в ночное и дневное время. В третьем разделе исследуется пространственно-временная корреляция максимальных наблюдаемых частот (МНЧ) на среднеширотных трассах наклонного зондирования ионосферы. Анализ вариаций коэффициентов корреляции позволил обнаружить на этих трассах перемещающиеся ионосферные возмущения и оценить их периоды и скорости. В качестве прикладной задачи проведено восстановление рядов данных МНЧ на одной из трасс по данным об МНЧ на другой трассе. В четвертом разделе проводится исследование связи МНЧ на трассах наклонного зондирования ионосферы с авроральной активностью, характеризуемой индексом АЕ. Обнаружено, что возмущения авроральных электроджетов находят свое отражение в МНЧ на всех исследуемых трассах. Пятый раздел посвящен обнаружению магнитогравитационных (МГВ) волн по результатам спектрального анализа МНЧ на трассах наклонного зондирования. Проведена экспериментальная оценка скоростей распространяющихся МГВ. В шестом разделе проведено магнитогидродинамическое (МГД) моделирование распространения возмущений в ионосферной плазме. Согласно теоретическим расчетам, построены дисперсионные кривые для МГВ. Так же выполнено сопоставление полученных расчетами частот и скоростей МГВ с экспериментальными значениями, полученными в четвертом разделе, и результатами МГД моделирования.

В заключении представленного диссертационного исследования приведены основные результаты и выводы проведенной работы.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Бархатова, Оксана Михайловна

Выводы по главе 3:

В представленной главе рассмотрено влияние дневного и вечернего выступов плазмосферы на асимметрию и амплитудно-частотные характеристики возмущений наземного геомагнитного поля. В результате проведенного исследования установлено:

1. Развитие плазмосферных выступов в периоды повышенной магнитной возмущенности может быть замечено на поверхности Земли как увеличение интенсивности ряда спектральных составляющих в диапазоне геомагнитных пульсаций.

2. Пространственная локализация дневного выступа плазмосферы позволяет провести сопоставление временного хода горизонтальной составляющей на станциях, находящихся на магнитных линиях, соответствующих этому выступу и станциях, находящихся за его пределами. Установлено, что при входе магнитных станций в область дневного выступа, наблюдается провал в горизонтальной составляющей геомагнитного поля. Это может быть связано с формированием дополнительного тока вдоль силовых линий.

3. Проведен сравнительный анализ динамических амплитудно-частотных спектров Н-компонент для станций, находящихся в области дневного выступа плазмосферы и станций, находящихся за его пределами. При входе магнитных станций в область дневного выступа плазмосферы обнаружены всплески интенсивности частот в диапазоне геомагнитных пульсаций. В том числе, обнаружено присутствие пульсаций диапазона Рс4, что является косвенным признаком интенсивного продольного тока в этой области.

Глава 4

Волновые явления в ионосфере в условиях геомагнитной возмущенности

В данной главе изучается возможность прогнозирования критической частоты слоя F2 (fkp) субавроральной ионосферы с учетом сведений о ключевых солнечно-магнитосферных параметрах. Для этого применена нейросетевая методика и использованы оригинальные данные вертикального зондирования, полученные на высокоширотной (ВШ) станции Gakona (Аляска), расположенной рядом с нагревным стендом HAARP. Геомагнитные координаты субавроральной станции Gakona: 63.54° MLat, 265.69° MLong, географические - 62.39° NLat, 214.87° Elong (LT=UT-9h).

Особенность расположения станции Gakona в том, что она находится в окрестности плазменного кольца - области повышенной ионизации, которая образуется благодаря высыпанию низкоэнергичных электронов. На экваториальной границе кольца находится область пониженной ионизации, называемой главным ионосферным провалом (ГИП) [Колесник и др., 2001; Mikhailov et al., 1998; Yokoyama et al., 1998]. Следовательно, от расположения кольца и ГИП зависит характер распределения ионизации по широте. Согласно многочисленным наблюдениям, положение этих структур определяется параметрами солнечного ветра (ПСВ), параметрами межпланетного магнитного поля (ММП) и уровнем магнитосферной возмущенности, описываемым индексом планетарным магнитной активности Кр. Экваториальная граница кольца днем (10-12 LT) определяется скоростью солнечного ветра Ф = 85.9° -0.026- V(km/с) [Ahmed and Sagalin, 1973], а ночью (00 LT) - планетарным индексом Ф = 65.3° -2.3Кр [Andrews and Thomas, 1969]. Ориентация ММП также находит свое проявление в особенностях смещения областей повышенной ионизации в субавроральных районах. Появление в ММП наиболее геоэффективной компоненты Bz в периоды своих отрицательных значений ведет к увеличению максимальной электронной концентрации слоя F2 на широтах 65-67° , что обусловлено смещением дневного каспа на низкие широты вблизи полудня. Наличие компоненты By проявляется в эффекте смещения высыпаний ближе к северному полюсу вечером для By > 0 и к такому же смещению утром для By < 0. В южном полушарии соотношение обратное. Существование компоненты Вх во время своего направления от Солнца увеличивает поток частиц в северных полярных областях на два порядка по сравнению со случаями, когда Вх направлена к Солнцу [Саап, 1980]. Упомянутые выше ПСВ и ММП положены в основу выполняемого нейросетевого прогнозирования критической частоты ионосферного слоя F2.

В качестве дополнительных входных величин для нейросетевых экспериментов могут использоваться непрямые характеристики солнечно-магнитосферных связей. В работе [Newell et al., 2001] сообщается об обнаружении высокой корреляции (R=0.84) между данными по энергии высыпающихся частиц в полярной области, данными о размере полярной шапки и индексом вытянутости b2i геомагнитного хвоста Земли. Корреляция между яркостью авроральной зоны и индексом b2i достигает значений 0.72. Известно, что отношения интенсивностей свечения неба 1(6300) на длине волны 6300 и 1(4278) на длине волны 4278 : Il-I(6300)/I(4278), а также интенсивностей 1(5577) на длине волны 5577 и 1(6300): I2=I(5577)/I(6300) характеризуют энергию высыпающихся частиц, участвующих в ионизации [Judge, 1972]. В связи с этим, на основе анализа яркости ночного неба над станцией Gakona [http://www.gedds.alaska.edu/PKRMSP], были вычислены выше упомянутые отношения интенсивностей свечения.

Таким образом, отношения II и 12, данные об индексе b2i, а также другие солнечно-магнитосферные параметры выбирались исходя из общепринятых представлений об ионосферно-магнитосферных физических процессах в полярной ионосфере. Все они были использованы в качестве дополнительных параметров в экспериментах по прогнозированию критической частоты.

4.1. Разработка метода прогнозирования критической частоты ионосферного слоя F2

Характерной особенностью высокоширотной ионосферы является то, что, после прекращения действия остаточной ионизации, ионосферные слои существенно истощаются и в ночное время суток могут поддерживаться лишь за счет диффузии плазмы из внешней ионосферы и эпизодических высыпаний частиц. Именно резкое ослабление концентрации слоя с учетом технического ограничения по перестраиваемой частоте ведет к частичному отсутствию данных вертикального зондирования ионосферы в местную ночь. Ввиду того, что нелинейные (метод ИНС) корреляционные исследования возможны только при работе с непрерывным потоком данных, возникает необходимость заполнить пробелы в изучаемой последовательности. В настоящем исследовании устранение пробелов осуществлялось двумя методами: 1. методом интерполяции данных по критической частоте кубическим сплайном; 2. восполнением попущенных экспериментальных данных с помощью ионосферной модели IRI-2001 [http://modelweb.gsfc.nasa.gov/index.html] (рис. 4.1.1). fKp, МГц 20 -23 октября2005 оригинальные оригинальные оригинальные данныеданные + splineданные +Ш1

Рис. 4.1.1. Сравнение данных, интерполированных различными методами. Маркерами отмечены оригинальные значения критической частоты со станции Gakona, тонкая линия соответствует значениям, интерполированным методом кубического сплайна, жирная линия - значениям, интерполированным с помощью ионосферной модели IRI.

Анализ связи изменений критической частоты слоя F2 субавроральной ионосферы с ключевыми солнечно-магнитосферными параметрами и возможностей прогнозирования проводился на интервале с 20 октября по 5 ноября 2005 г. с отдельным рассмотрением дневных и ночных участков. Продолжительность такого интервала достаточна для обучения нейросети и дальнейшей проверки эффективности выполняемого ей прогноза. Для разделения суточного интервала на дневной и ночной участки была определена продолжительность ночи над станцией Gakona на высоте 250 км с момента захода по момент восхода по солнечному зенитному углу. Установлено, что с 20.10 по 05.11 на поверхности Земли (h = 0 км) на станции Gakona продолжительность ночи составляет в среднем 15,5 часов (01.45-17.15 UT), а на высоте 250 км - порядка 11 часов. Поскольку при подъеме на высоту 250 км продолжительность ночного интервала сокращается на 4 часа, то дневной участок принят в интервале 14.45-4.00 UT (05.45-19.00 MLT) и ночной участок - в интервале 04.15-14.30 UT (19.15-05.30 MLT).

Причинно-следственные связи, моделируемые нейросетью для высокоширотной ионосферы, существенно отличаются от аналогичных процессов в ионосфере средних широт. Это обусловлено структурными особенностями высокоширотной ионосферы и комплексом процессов обеспечивающих ее ионизацию, в котором следует различать

103 дневные и ночные особенности. Это потребовало существенного изменения архитектуры ИНС в части формирования вектора входных данных по сравнению с ИНС, прогнозирующей параметры среднеширотной ионосферы [ВагкЬа1.оу е! а1., 2004]. Кроме того, для численных экспериментов настоящей работы была создана двухслойная рекуррентная сеть Элмана [Круглов и Борисов, 2000] с увеличенным числом связей за счет подачи на второй скрытый слой входного массива данных (Рис. 2). Увеличение количества скрытых слоев позволило получить достаточную разветвленность сети и многоступенчатость внутренней нелинейной памяти.

Входной Блок Входной вектор "шлюзования" слой

Два скрытых слоя по 4 нейрона

Выходной нейрон О

Рис. 4.1.2. Архитектура сети Элмана, использованная в работе

Непосредственное прогнозирование критической частоты на дневных и ночных участках потребовало разработать оригинальный метод «шлюзования» входных данных, который заключается в создании единого входного пакета данных. «Шлюз» в этом случае представляет собой своеобразный ключ, который позволяет при прогнозировании дневных участков использовать из входного массива только «дневные» параметры, не привлекая «ночных». Аналогично при прогнозировании ночных участков, подключаются только «ночные» параметры. Солнечно-магнитосферные параметры были разделены на группы для дневных и ночных участков, исходя из физических представлений о процессах, проходящих в субавроральной ионосфере. Данные о ПСВ и ММП, компонентах геомагнитного поля и индексах БУМ и АБУ считались одинаково эффективными как для дневных, так и для ночных участков. Данные о рентгеновском и ультрафиолетовом излучении, а также солнечном зенитном угле были отнесены к дневным параметрам, а данные о высыпаниях низкоэнергичных частиц, величине индексов Кр и Ы - к ночным. Разработанный «шлюз» в дневные интервалы времени подключал дневные солнечно-магнитосферные параметры, не привлекая ночных, а в ночные интервалы времени - ночные параметры, а дневные при этом отключались. Такая конфигурация нейронной сети позволяла осуществлять прогнозирование всего суточного интервала с привлечением различных физических параметров отдельно для дневного и ночного прогноза.

Созданная таким образом нейронная сеть применялась для постановки экспериментов по прогнозированию критической частоты ионосферного слоя F2 на интервалы времени от 30 минут до 2 часов на полный суточный интервал. Для реализации метода ИНС использовался специализированный пакет Neural Network Toolbox, являющийся прикладным математическим расширением системы MATLAB 6 [Дьяконов и Круглов, 2001].

4.2. Учет солнечно-магнитосферных связей в задаче прогноза критической частоты субавроральной ионосферы (HAARP)

Эксперимент по прогнозированию последовательности критической частоты ионосферного слоя F2 интерполированной методом кубического сплайна для устранения пробелов в записях проводился в несколько этапов. Первый численный эксперимент был направлен на выполнение прогноза только по предыстории процесса. Обучающая последовательность содержала 2 параметра - последовательность fkp(t) и ее первую производную df (/) / dt. Привлечение первой производной от критической частоты позволяет учесть ее нерегулярные изменения и, следовательно, повысить качество прогноза. Результаты численных экспериментов демонстрируют эффективность прогноза РЕ (определение см. [Barkhatov et al., 2004]) до 92%. Это свидетельствует о приемлемом качестве прогноза, но его эффективность заметно снижается при увеличении времени прогнозирования. Для прогноза на 3 часа эффективность составляет всего 33,12%. Увеличение качества прогноза может быть достигнуто путем привлечения различных солнечно-магнитосферных параметров отдельно для дневных и ночных участков.

Второй эксперимент проводился с привлечением различных солнечно-магнитосферных параметров для дневного и ночного времени суток и с учетом установленного ранее (с помощью той же ИНС) времени опережения на развитие магнитосферно-ионосферного физического процесса для каждого из них. Перечень параметров и соответствующие времена опережения представлены в Таблице 1. Для остальных солнечно-магнитосферных параметров, используемых в нейросетевых экспериментах, время опережения считалось равным нулю.

Заключение

Настоящая диссертация посвящена исследованию связи магнитосферных и ионосферных токовых систем на разных фазах развития геомагнитной бури, выяснению вопросов замыкания асимметричной части кольцевого тока на ионосферу, а так же ионосферным последствиям активации авроральных токовых систем - волновым явлениям в ионосфере. В качестве прикладных результатов в диссертации представлены методы прогнозирования критической частоты ионосферного слоя Р2 в субавроральной зоне, и методика восстановления рядов данных по максимальной наблюдаемой частоте на среднеширотных трассах наклонного зондирования ионосферы. Основная цель работы заключается в установлении общей связи магнитосферных и ионосферных токовых систем в периоды повышенной геомагнитной возмущенности, при этом особое внимание уделяется вопросам генерации и переноса волновых возмущений в ионосфере.

Перечислим основные результаты предлагаемого диссертационного исследования, и положения, выносимые на защиту:

1. Установлено наличие корреляционной связи между интенсификацией авроральных и среднеширотных токовых систем. Обнаружено, что в период главной фазы геомагнитной бури асимметричная часть кольцевого тока имеет связь с обоими электроджетами и развивается с ними синхронно. Временной сдвиг в развитии симметричного кольцевого тока относительно восточного электроджета составляет порядка получаса, и относительно западного электроджета - порядка одного часа. Результаты статистического анализа коэффициентов линейной корреляции между асимметричным кольцевым током и восточным и западным электроджетами на главной фазе геомагнитной бури демонстрируют связь асимметрии с обоими электроджетами. По результатам анализа этой связи построена трехмерная ионосферно-магнитосферная токовая система, которая включает в себя асимметричный кольцевой ток, восточный и западный электроджеты, и токи вдоль силовых линий. Разработан классификационный подход, который позволяет установить общие закономерности протекания ионосферно-магнитосферных процессов на главной фазе геомагнитной бури с точки зрения их динамики и энергетической составляющей. На защиту выносится: 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.

2. Установлено, что развитие плазмосферных выступов в периоды повышенной магнитной возмугценности может быть замечено на поверхности Земли как увеличение интенсивности ряда спектральных составляющих в диапазоне геомагнитных пульсаций. Пространственная локализация дневного выступа плазмосферы позволила провести сопоставление временного хода горизонтальной составляющей на станциях, находящихся на магнитных линиях, соответствующих этому выступу и станциях, находящихся за его пределами. Согласно результатам проведенных исследований, при входе магнитных станций в область дневного выступа, наблюдается провал в горизонтальной составляющей геомагнитного поля. Это может быть связано с формированием дополнительного тока вдоль силовых линий. Проведен сравнительный анализ динамических амплитудно-частотных спектров Н-компонент для станций, находящихся в области дневного выступа плазмосферы и станций, находящихся за его пределами. При входе магнитных станций в область дневного выступа плазмосферы обнаружены всплески интенсивности частот в диапазоне геомагнитных пульсаций. В том числе, обнаружено присутствие пульсаций диапазона Рс4, что является косвенным признаком интенсивного продольного тока в этой области.

На защиту выносится: 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.

3. В результате сравнительного, корреляционного и спектрального исследований динамики МНЧ и вариаций индекса авроральной активности АЕ, обнаружены волновые возмущения со скоростями, превышающими скорости распространения АГВ в ионосфере. Такие случаи могут быть связаны с переносом авроральных возмущений до точек отражения трасс наклонного зондирования ионосферы посредством МГВ. Сопоставление результатов численного МГД моделирования показывает, что возмущения всех параметров среды проявляются значительнее именно при задании начального возмущения продольного магнитного поля. Это может означать, что в среде, близкой к ионосфере, даже незначительные возмущения магнитного поля, вызванные, например, нестабильностью авроральных электроджетов, могут успешно распространяться к средним широтам на расстояния до 2000-3000 км. Кроме того, в такой среде перенос возмущений магнитного поля является более предпочтительным по сравнению с возмущением плотности. Следовательно, распространение МГВ от авроральных источников в сторону средних широт является возможным. Получены дисперсионные кривые МГВ, благодаря которым возможна оценка частот и скоростей их распространения, а так же сопоставление оцененных величин с экспериментально полученными значениями. Согласно рассчитанным дисперсионным кривым МГВ возможен перенос возмущений на частоте со «(1-2)-Ю-4 Гц и распространяющихся со скоростями 2000-5000 м-с"1. Экспериментальная и теоретическая оценки скоростей переноса МГВ в ионосфере для случая горизонтального распространения дают значения одного порядка.

На защиту выносится: Обоснование существования магнитогравитационных волн в среднеширотной ионосфере вызываемых авроральной активностью с учетом дисперсионных зависимостей магнитогравитационных волн для реальной ионосферы.

Степень достоверности полученных результатов

Результаты, изложенные в предлагаемой 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, представленные в 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, ИЗМИР АН, ПГИ КНЦ РАН.

Личный вклад соискателя

Благодарности

Исследование современных научных проблем, получение и интерпретация результатов, представленных в настоящей диссертации, было выполнено под профессиональным и исчерпывающим руководством моего Учителя, доктора физико-математических наук, профессора Николая Александровича Бархатова. Несколько лет активной научной деятельности по изучению современных проблем солнечно-земной физики позволили автору перенять у профессора Бархатова основные принципы научной работы, знания и опыт, за что выражаю ему глубокую благодарность.

За постоянную поддержку моей работы выражаю благодарность моему официальному научному руководителю, заведующему сектором НИРФИ доктору физико-математических наук Валерию Павловичу Урядову. Благодарю моих соавторов Левитина Анатолия Ефимовича, Беспалова Петра Алексеевича, Григорьева Геннадия Ивановича за интеллектуальное участие в моей работе, полезные дискуссии и советы. Благодарю Людмилу Ивановну Громову и коллектив лаборатории магнитосферных возмущений ИЗМИР АН за помощь в получении и обработке геофизических данных, а так же сотрудников Научно-исследовательской лаборатории Физики Солнечно-Земных связей Нижегородского Государственного Педагогического Университета за дружескую помощь и поддержку в решении ряда научных задач.

Признательна Вадиму Федоровичу и Валентине Кузьминичне Церковнюкам за участие в моей судьбе.

Список работ по теме диссертации

1. Barkhatov N.A., Levitin А.Е., Tserkovniuk О.М. Analysis of connection of indexes SYM, ASY of the ring current magnetic field with indexes AE (AU, AL). Abstracts of 29 Annual Seminar "Physics of auroral phenomena", Apatity, 27 February-3 March 2006, PGIKSC RAS, P.21

2. Barkhatov N.A., Levitin A.E., Tserkovniuk O.M. "Connection of geomagnetic indexes SYM, ASY with polar indexes AE (AU, AL) on different phases of a geomagnetic storm". Abstracts of COSPAR SCIENTIFIC ASSEMBLY, Beijing, China, 16 - 23 July 2006. Session D3.2, A-00875

3. Barkhatov N.A., Levitin A.E., Tserkovnuk O.M. The Analysis of relationship between Magnetic Field Global indices (SYM, ASY) and auroral electrojet Indices (AU, AL) at the account of Parameters of a Solar Wind and an Interplanetary Magnetic Field. Abstracts of 30 Annual Seminar "Physics of auroral phenomena", Apatity, 27 February-2 March 2007, PGI KSC RAS, P. 15

4. Barkhatov N.A., Levitin A.E., Tserkovniuk O.M. Analysis of connection of indexes SYM, ASY of the ring current magnetic field with indexes AE (AU, AL). Proceedings of 29 Annual Seminar "Physics of auroral phenomena", Apatity, 2007, PGI KSC RAS, P. 17

5. Barkhatov N.A., Levitin A.E., Tserkovnuk O.M. Influence of Solar Wind Parameters and Interplanetary Magnetic Field on Global and Polar Indices of Geomagnetic Activity during Geomagnetic Storms. Geophysical Research Abstracts, Vol. 9, 05662, 2007, SRef-ED: 1607-7962/gra/EGU2007-A-05662, European Geosciences Union, General Assembly 2007, Vienna, Austria, 15-20 April 2007

6. Бархатова O.M., Смирнова A.C., Улыбина Р.И., Бархатов Н.А., Урядов В.П. Учет солнечно-магнитосферных связей в задаче прогноза параметров субавроральной ионосферы. Тезисы докладов 11 Пулковской международной конференции по физике Солнца: Физическая природа солнечной активности и прогнозирование ее геофизических проявлений. ГАО РАН, Пулково, Санкт-Петербург, 2-7 июля 2007, С. 20

7. Barkhatov N.A., Levitin A.E., Tserkovnuk O.M. The analysis of the relationship between Magnetic Field Global Indices (SYM, ASY) and Auroral Electrojet Indices (AU, AL) under the account of Parameters of a Solar Wind and an Interplanetary Magnetic Field. "Physics of Auroral Phenomena", Proc. XXX Annual Seminar, Apatity, Kola Science Centre, Russian Academy of Science, 2007, P. 13 - 16

8. Бархатов H.A., Левитин A.E., Церковнюк O.M. Анализ связи индексов, характеризующих симметричный SYM и асимметричный ASY кольцевой ток, с индексами активности авроральных электроструй АЕ (AU, AL). Геомагнетизм и аэрономия, Т.48, №4, с. 520-525, 2008

11. Бархатов H.A., Бархатова O.M., Ревунов C.E. 101 задача с подробными решениями для курса «Электродинамика с элементами релятивистских формулировок» Учебно-методическое пособие. Н.Новгород: НГПУ, 2007, 104 с.

12. Бархатова О.М., Урядов В.П., Вертоградов Г.Г., Вертоградов В.Г. О пространственно-временной корреляции максимальной наблюдаемой частоты на среднеширотных радиолиниях. Труды всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн (РРВ-22), Ростов-на-Дону - п. Лоо, 22-26 сентября 2008, Т.2, С. 163-166

13. О. Barkhatova, V. Uryadov, G. Vertogradov, V. Vertogradov Short-term forecasting of the maximum observed frequency on middle-latitude paths of oblique ionospheric sounding, Geophysical Research Abstracts, Vol. 10, EGU2008-A-00000, 2008

14. Barkhatova O.M., Revunov S.E., Barkhatov N.A., Levitin A.E. «Polar current systems at the main phase of a geomagnetic storm» «Physics of Auroral Phenomena», Proc. XXXI Annual Seminar, Apatity, Kola Science Centre, Russian Academy of Science, 2008, P. 13 - 16

15. Barkhatova O.M., Levitin A.E. «Neural networks technique of layer F2 critical frequency forecasting above station Gakona (HAARP) at the account of near-earth space parameters and geomagnetic disturbance», Proc. XXXI Annual Seminar, Apatity, Kola Science Centre, Russian Academy of Science, 2008, P. 137 - 140

16. O.M. Barkhatova, N.A. Barkhatov, G.I. Grigor'ev «Display of magnetogravitation waves caused by polar instability, in traveling ionospheric disturbances», Abstracts of 32 Annual Seminar "Physics of auroral phenomena", Apatity, 3 - 6 March 2009, PGIKSC RAS, P.51-52

17. O.M. Barkhatova, P.A. Bespalov, A.E. Levitin «Connection of time-spatial variations of a geomagnetic field horizontal components with the plasmapause form on a recovery phase», Abstracts of 32 Annual Seminar "Physics of auroral phenomena", Apatity, 3-6 March 2009, PGI KSC RAS, P. 15

18. Бархатова O.M., Смирнова А.С., Улыбина P.И. Учет солнечно-магнитосферных связей в задаче прогноза критической частоты субавроральной ионосферы. Изв. ВУЗов Радиофизика, Т. 52, №2, с.109-117, 2009

19. Бархатова О.М., Урядов В.П., Вертоградов Г.Г., Вертоградов В.Г. О пространственно-временной корреляции максимальной наблюдаемой частоты на среднеширотных радиолиниях. Изв. ВУЗов Радиофизика, Т. 52, №1, с.28-36, 2009

20. Бархатова О.М., Бархатов Н.А., Беспалов П.А. Выступы плазмосферы и вариации горизонтальной компоненты геомагнитного поля // Геомагнетизм и Аэрономия, 2009 (в печати)

21. Бархатова О.М., Бархатов Н.А., Григорьев Г.И. Обнаружение магнитогравитационных волн в ионосфере по анализу максимально наблюдаемых частот на трассах наклонного зондирования // Изв. ВУЗов Радиофизика, 2009 (в печати)

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Бархатова, Оксана Михайловна, Нижний Новгород

1. Акасофу С.И., Чепмен С. Солнечно - земная физика - М: Мир. 1974.

2. Альвен Г., Фельтхаммар К.-Г., Космическая электродинамика. М: Мир. 260 с. 1967.

3. Бархатов H.A., Левитин А.Е., Церковнюк О.М. Анализ связи индексов, характеризующих симметричный SYM и асимметричный ASY кольцевой ток, с индексами активности авроральных электроструй АЕ (AU, AL) // Геомагнетизм и аэрономия, 2008. Т.48. №4. С. 520-525.

4. Бархатова О.М., Смирнова A.C., Улыбина Р.И. Учет солнечно-магнитосферных связей в задаче прогноза критической частоты субавроральной ионосферы // Изв. ВУЗов Радиофизика, 2009. Т. 52. №2. С.109-117.

5. Беспалов П.А., Трахтенгерц В.Ю. Альфвеновские мазеры. Горький: Изд-во ИПФ АН СССР, 190 е., 1986.

6. Вертоградов Г.Г., Вертоградов В.Г., Урядов В.П. // Изв. Вузов. Радиофизика. 2006, Т. 49. №12. С.1015.

7. Госсард Э.Э., Хук У.Х. Волны в атмосфере. М: Мир, 1978

8. Григорьев Г.И. Акустико-гравитационные волны в атмосфере Земли (обзор) // Известия ВУЗов Радиофизика, 1999. Т. 42. №2. С. 3-25.

9. Григорьев Г.И., Докучаев В.П. О влиянии суточного хода электропроводности ионосферы на спектр геомагнитных Sq-вариаций // Геомагнетизм и аэрономия, 1963. Т.З. №2. С. 293296.

10. Григорьев Г.И., Трахтенгерц В.Ю. Излучение ВГВ при работе мощных нагревных стендов в режиме временной модуляции ионосферных токов // Геомагнетизм и аэрономия, 1999. Т. 39. № 6. С. 90-94.

11. Дира Ч., Холтета Я. Полярная верхняя атмосфера. М.: Мир. 453 с. 1983

12. Дьяконов В.П., Круглое В.В. Математические пакеты расширения MATLAB. Специальный справочник. СПб.: Питер. 480 с. 2001

13. Колесник А.Г., Чернышев В.И., Белов М.В. Некоторые особенности пространственно-временного поведения главного ионосферного провала // Геомагнетизм и аэрономия, 2001. Т. 41. N3. С. 342-346.

14. Кринберг И.А., Тащилин A.B. Ионосфера и плазмосфера М.: Наука, 189 с. 1984.

15. Круглов В.В., Борисов В.В. Искусственные нейронные сети. Теория и практика. М.: Горячая линия Телеком. 384 с. 2000.

16. Лукашкин В.М., Смирнов В.Б., Болотинская Б.Д., Руга Г.И. В сб. Практические аспекты изучения ионосферы и ионосферного распространения радиоволн. М.:ИЗМИРАН, с.36, 1982.

17. Лукашкин В.М., Егорова А.В. В сб. Прогнозирование ионосферы и условий распространения радиоволн. М.: Наука, с, 190. 1985.

18. Медведев B.C., Потёмкин В.Г. Нейронные сети. MATLAB 6. М.: Диалог-МИФИ. 496 с. 2002.

19. Мизун Ю.Г. «Полярная ионосфера». JL, с. 216. 1980.

20. Нишида «Геомагнитный диагноз магнитосферы». М: Мир, с. 299. 1983.

21. Паркинсон У. Введение в геомагнетизм. М: Мир, с. 527. 1986.

22. Перевалова Н.П., Афраймович Э.Л., Воейков С.В., Живетьев И.В. Влияние суточного вращения Земли на распространение крупномасштабных возмущений в верхней атмосфере // Оптика атмосферы и океана, 2007 Т. 20. № 12. С.1059-1063.

23. Сорокин В.М., Федорович Г.В. Физика медленных МГД-волн в ионосферной плазме. Энергоиздат, М. с. 136. 1982.

24. Трошичев О.А. Ионосферные магнитные возмущения в высоких широтах. Гидрометеоиздат, с. 256. 1986

25. Яновский «Земной магнетизм». Л: изд. ЛГУ, с. 590. 1978.

26. Яхнин А.Г., Яхнина Т.А., Демехов А.Г. Взаимосвязь локализованных высыпаний энергичных частиц и неоднородностей холодной плазмы в магнитосфере // Геомагнетизм и аэрономия, 2006. Т. 46. № 2. С. 1-8.

27. Яхнина Т.А., Яхнин А.Г., Кангас Й., Маннинен Ю. Локализованные увеличения потоков энергичных протонов нанизких высотах в субавроральной области и их связь с пульсациями Рс-1 // Космич. исслед. 2002. Т.40. №3. С. 203-241.

28. Afraimovich E.L., Kosogorov Е.А., Leonovich L.A. et al. Determining parameters of large-scale travelling ionospheric disturbances of auroral origin using GPS-arrays // J. Atm. Solar-Terr. Phys. 2000. V. 62. N 7. P. 553-565.

29. Afraimovich E.L., Kosogorov E.A., Leonovich L.A. et al. Observation of large-scale travelling ionospheric disturbances of auroral origin by global GPS networks // Earth, Planets, and Space. 2000. V. 52. N 10. P. 669-673.

30. Ahmed M, Sagalin R.C. Thermal positive ions in the dayside polar cusps, measured on the ISIS-satellite // Space Sci. Rev. 1973. V. 13. N3. P.541-547.

31. Andrews M.K., Thomas J.O. Electron density distribution above the winter pole // Nature. 1969. V. 221. N5577. P. 223-227.

32. Banks P.M., Evans J.V. An initial feasibility study to establish a very high latitude incoherent scatter radar// Utah State University, Logan, Utah, 1979

33. Barkhatov N.A., Revunov S.E., Uryadov V.P., Forecasting of the critical frequency of the ionosphere F2 layer by the method of artificial neural networks // Int. J. Geom. Aeron. 2004. 5. 12010. D01:10.1029/2004GI000065

34. Baumjohann W. Some resent progress in substorm studies // J. Geomagn. Geoelectr., 1986. 38. 633.

35. Bespalov, P. A., and V. Y. Trakhtengerts. The cyclotron instability in the Earth radiation belts // Reviews of Plasma Physics, Springer, New York, 1986. V. 10, P. 155,

36. Caan M.N. Interplanetary magnetic field changes and the magnetotail // Dynamic Magnetosphere. Dordrecht. 1980. P. 63-75.

37. Cahill L.J. Magnetosphere inflation during four magnetic storms in 1965 // J. Geophys. Res. 1970. 75. 3778.

38. Clauer C.R., McPherron R.L., Searls C., and Kivelson M.G. Solar wind control of auroral zone geomagnetic activity // Geophys. Res. Lett. 1981. 8. 915.

39. Cornwall, J.M., Turbuient ioss of ring current protons // J. Geophys. Res. 1970. V.75. 4699.

40. Cummings W.D. Asymmetric ring current and low-latitude disturbance daily variation // J. Geophys. Res. 1966. 71. 4495.

41. Fok, M.-C., J. U. Kozyra, A. F. Nagy, and T. E. Cravens, Lifetime of ring current particles due to coulomb collisions in the plasmasphere // J. Geophys. Res. 1991. 96(A5). 7861.

42. Francia P., Villante U., Adorante N., Gonzalez W.D. The storm-time ring current: a statistical analysis at two widely separated low-latitude stations // Annales Geophysicae. 2004. 22: 36993705.

43. Frank L.A. On the extraterrestrial ring current during geomagnetic storms // J. Geophys. Res. 72, 1967.3753.

44. Ganushkina N.Yu., Pulkkinen T.I., Kubyshkina M.V., Singer H.J., Russell C.T. Long-term evolution of magnetospheric current systems during storms // Annales Geophysicae. 2004. 22: 1317-1334.

45. Gonzalez W.D., Joselyn J.A., Kamide Y., Kroehl H.W., Rostoker G., Tsurutani B.T., and Vasyliunas V.M. What is a geomagnetic storm? // J. Geophys. Res. 1994. 99. 5771.

46. Goodman J. HF Communication, Sciences and Technology. New York, USA, 1992

47. Grafe A. On the coupling of the asymmetric ring current and the eastward electrojet // Gerl. Beitr. Geophys. 1977. 86. 265.

48. Grafe A. The explosive character of the eastward electrojet during the substorm event on April 1, 1986 // Gerl. Beitr. Geophys. 1990. 99. 539.

49. Grafe A. Freja electron precipitation as a hint for an explosive development of the eastward electrojet// InProc. Sec. Int. Conf. Substorms. Fairbanks. Alaska. Ed. 1994. P. 391.

50. Grafe A., Bespalov P.A., Trakhtengerts V.Y., Demekhov A.G. Afternoon mid-latitude current system and low-latitude geomagnetic field asymmetry during geomagnetic storms // Annales Geophysicae. 1997. 15. 1537-1547,

51. Grafe A. Are our ideas about Dst correct? // Annales Geophysicae. 1999. 17. 1-10.

52. Grafe A. and Feldstein Y.I. About the relationship between auroral electrojets and ring currents // Annales Geophysicae. 2000. 18. 874-886.

53. Hamilton D.C., Gloeckler G., Ipavich F.M., Studemann W., Wilkey B., and Kremser G. Ring current development during the great geomagnetic storm of February 1986 // J. Geophys. Res. 1988. 93. 14 343-14 355,

54. Hocke K. and Schlegel K. A review of atmospheric gravity waves and travelling ionospheric disturbances: 1982-1995 // Annales Geophysicae. 1996. V. 14. P. 917-940.

55. Ivanov V.A., Ryabova N.V., Shumaev V.V., Uryadov V.P. Radio Sci. 1997. V.32. N.3. P.983.

56. Jordanova, V. K., L. M. Kistler, J. U. Kozyra, G. V. Khazanov, and A. F. Nagy Collisional losses of ring current ions//J. Geophys. Res. 1996. 101(A1). 111.

57. Jordanova, V. K., J. U. Kozyra, A. F. Nagy, and G. V. Khazanov Kinetic model of the ring current atmosphere interactions // J. Geophys. Res. 1997. 102(A7). 14 279.

58. Judge R.J.R. Electron excitation and auroral emission parameters // Planet. Space Sci. 1972. V. 20. P. 2081-2092.

59. Kamide Y., and Vickrey J.E. Relative contribution of ionospheric conductivity and electric field to the auroral electrojets // J. Geophys. Res. 1983. 88. 7989.

60. Kennel, C. F., Consequences of a magneto spheric plasma // Rev. Geophys. 1969. 7. 339.

61. Kivelson M.G. Instability phenomena detached plasma regions // Los Angeles, California: Institute of Geophysics and Planetary Physics University of California. 1975

62. Kozlovsky A.E., Lyatsky W.B. Alfven wave generation by disturbance of ionospheric conductivity in the field-alignend current region // J. Geoph.Res. 1997. V.102. N A8. P. 1729717303.

63. McLellan A. and Winterberg F. Magneto-gravity waves and the heating of the solar corona // Solar Physics. 1968. 4. P.401-408.

64. Liemohn M.W., Kozyra J.U., Jordanova V.K., Khazanov G.V., Thomsen M.F., and Cayton T.E. Analysis of early phase ring current recovery mechanisms during geomagnetic storms // Geophys. Res. Lett. 1999. 26. 2845-2848.

65. Liemohn M.W., Kozyra J.U., Thomsen M.F., Roeder J.L., Lu G., Borovsky J.E., and Cayton T.E. Dominant role of the asymmetric ring current in producing the stormtime Dst* // J. Geophys. Res. 2001. V. 106. N. A6. P. 10 883-10 904.

66. Mikhailov A., Schlegel K. Physical mechanism of strong negative storm effects in the daytime ionospheric F2 region observed with EISCAT // Ann. Geoph. 1998. V. 16. P. 602-608.

67. Munsami V. Determination of the effects of substorms on the storm time ring current using neural networks // J. Geoph. Res. 2000. V. 105, N. A12. P. 27 833-27 840.

68. Newell P.T., Liou Kan, Sotirelis T., Meng Ching-I. Polar Ultraviolet Imager observations of global auroral power as a function of polar cap size and magnetotail stretching // J. Geoph. Res. 2001. V. 106. N. A4. P.5895.

69. Olson J. V. ULF signatures of the polar cusp // J. Geoph. Res. 1986. V. 95. N.A9. P.10055-10062.

70. Pytte T., McPherron R.L., Hones E.W., and West H.I. Multiple satellite studies of magnetic substorms. Distinction between polar magnetic substorms and convection-driven negative bays // J. Geophys. Res. 1978. 83. 663.

71. Roelof E.C. Energetic neutral atom image of storm-time ring current // Geophys. Res. Lett. 1987. 14. 652-655.

72. Sergeev V.A. On the classification of magneto spheric phenomena // Phys. Solaritter. 1977. 4.

73. Siscoe G.L. and Crooker N.U. On the partial ring current contribution to Dst // J. Geophys. Res. 1974. 79. 1110.

74. Spasojevic M., Goldstein J., Carpenter D.L., lnan U.S., Sandel B.R., Moldwin M.B., Reinisch B.W. Global response of the plasmasphere to a geomagnetic disturbance // J.Geoph. Res. 2003. V.108.N.A9. 1340. doi:10.1029/2003JA009987

75. Sugiura M., and Chapman S. The average morphology of geomagnetic storms with sudden commencement// Abhandl. Akad. Wiss. Goettingen Math. Physik. Kl. 1960. 4. 51-53.

76. Sun W., Akasofu S. I. On the formation of the storm - time ring current belt // J.Geoph. Res. 1999. V.105. N. A3, P. 5411-5418.

77. Takahashi S., Iyemori T., and Takeda M. A simulation of the storm-time ring current // Planet. Space Sci. 1990. 38. 1133-1141.

78. Trakhtengerts V. Y., Demekhov A. G. Discussion paper: Partial ring current and polarization jet // International Journal of Geomagnetism and Aeronomy, 2005. V.5. GI3007. doi: 10.1029/2004GI000091.

79. Weygand J.M. and McPherron R.L. Dependence of ring current asymmetry on storm phase // J. Geophys. Res. 2006. V. 111. A11221. doi:10.1029/2006JA011808.

80. Yokoyama N., Kamide Y., Miyaoka H. The size of the auroral belt during magnetic storms // Ann. Geoph. 1998. V. 16. P. 566-573.19.

Информация о работе

Бархатова, Оксана Михайловна
кандидата физико-математических наук
Нижний Новгород, 2009
ВАК 25.00.29

Диссертация

Исследование ионосферно-магнитосферных токовых систем и их воздействия на ионосферные процессы в периоды геомагнитных возмущений - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Исследование ионосферно-магнитосферных токовых систем и их воздействия на ионосферные процессы в периоды геомагнитных возмущений - тема автореферата по наукам о земле, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы