Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Пространственно-временные характеристики полярных геомагнитных возмущений

ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы

Содержание диссертации, доктора физико-математических наук, Зайцев, Александр Николаевич

ВВЕДЕНИЕ. 1-

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРНЫХ ГЕОМАГНИТНЫХ

ВОЗМУЩЕНИЙ ПО НАЗЕМНЫМ ДАННЫМ.

1.1. Специальные сети наблюдений для исследований геомагнитных возмущений.

1.2. Морфологический анализ как основа исследований геомагнитных возмущений по наземным данным.

1.3. Основные элементы эквивалентных токовых систем геомагнитных возмущений в высоких широтах.

1.3.1. Возмущенная солнечно-суточная Бё-вариация в высоких широтах в период МГГ(1957-58 гг).

1.3.2. Токовые системы 8с1-вариации.

1.4. Определение параметров авроральных электроструй по наземным геомагнитным данным.

1.4.1. Влияние индукционных эффектов на определение положения авроральной электроструи по наземным данным.

1.4.2. Аналитическое описание распределения эквивалентных токов в электроструях по наземным данным.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ, СБОРА, ОБРАБОТКИ И СОЗДАНИЯ БАЗ ГЕОМАГНИТНЫХ ДАННЫХ.

2.1. Создание и развитие цифровых магнитометров как основы формирования баз геофизических данных.

2.2. Система обработки наземных геомагнитных данных и создание базы данных.

2.3. Форматы геомагнитных данных и база цифровых геомагнитных данных по сети ЦМВС.

2.4. Методы анализа геомагнитных данных с применением

ЭВМ и расширенной базы геофизических данных.

2.5. Новые информационные технологии как средство исследований полярных геомагнитных возмущений.

ГЛАВА 3. ПРОСТАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЬШ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ПОЛЯРНЫХ ГЕОМАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ.

3.1. Типизация электроструй по экспериментальным данным.

3.2. Структура эквивалентных токовых систем полярных геомагнитных возмущений по данным СИДАУ.

3.3. Типизация восточной струи.

3.4. Динамика западной электроструи на примере отдельных суббурь по данным ГМ-145.

3.5. Характерные особенности геомагнитных возмущений в полярной шапке.

3.6. Характеристики полярных геомагнитных возмущений по данным станции Южный полюс.

3.7. Частотные характеристики полярных геомагнитных возмущений.

3.8. Определение характеристик авроральных электроструй по LT-UT диаграммам АЕ-индекса.

3.9. Достоверность определения АЕ-индекса.

- 1У

ГЛАВА 4. ГЕОМАГНИТНЫЕ ВОЗМУЩЕНИЯ КАК ОТРАЖЕНИЕ ПРОЦЕССОВ В МАГНИТОСФЕРЕ ЗЕМЛИ.

4.1. Модель магнитосферной суббури в сопоставлении с наземными геомагнитными данными.

4.1.1. Схема распределения полей и плазмы в магнитосфере Земли.

4.1.2. Условия в солнечном ветре, приводящие к усилению геомагнитной активности.

4.1.3. Крупномасштабный отклик магнитосферы на поворот ММП к югу: случай 4 марта 1979 г.

4.1.4. Сравнение структуры токов вдоль силовых линий и эквивалентных токов по наземным данным.

4.2. Глобальные характеристики связи полярных геомагнитных возмущений с процессом взаимодействия "солнечный ветер -магнитосфера Земли".

4.3. Магнитопауза как источник полярных геомагнитных возмущений.

4.4. Новые идеи и понятия в общих представлениях о моделях магнитосферных суббурь.

Введение Диссертация по геологии, на тему "Пространственно-временные характеристики полярных геомагнитных возмущений"

В современной физике магнитосферы можно выделить ряд важных областей исследований, для которых регистрация возмущений магнитного поля наземными средствами имеет первостепенное значение. Это - исследование физических условий в процессе взаимодействия солнечного ветра и магнитосферы Земли, структуры и динамики токовых систем в магнитосфере Земли, а также энергетики солнечно-земных связей. Взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой Земли определяет состояние всей области околоземного космического пространства на расстояниях от поверхности Земли до подсолнечной точки, где существует баланс давления солнечный ветер - магнитное поле Земли. Возмущения, развивающиеся в магнитосфере, наиболее ярко проявляются в высоких широтах и воздействуют буквально на все слои околоземного пространства и даже на биосферу. Поэтому знание физических условий развития геомагнитных возмущений помимо самостоятельного интереса, существенно для понимания механизма солнечно-земных связей и для прогнозирования состояния электромагнитного поля Земли.

Изучение характеристик геомагнитных возмущений представляет особый интерес в связи с активным освоением космического пространства которое требует детальной информации о состоянии среды в терминах "космической" погоды. Возникла реальная потребность в прогнозировании состояния ближнего космоса. Измерения на спутниках и ракетах значительно расширили наши представления о магнитосфере Земли, но они до сих пор не дают для практики исчерпывающего ответа на вопрос о характере и динамике возмущений. Одно из основных ограничений спутниковых наблюдений состоит в том, что они не позволяют разделить пространственные и временные вариации, достоверно определить трехмерную конфигурацию и изменчивость областей, в которых развиваются процессы, приводящие к возникновению магнитосферных суббурь. Только привлекая широкую сеть наземных пунктов наблюдений, можно осуществить непротиворечивую интерпретацию наблюдаемых явлений в магнитосфере Земли,

Этому способствует структура магнитного поля Земли, в которой практически любая область магнитосферы связана силовыми линиями магнитного поля с поверхностью Земли, Особый интерес представляют высокие широты, т.е. области, из которых силовые линии уходят во внешние части магнитосферы, наиболее сильно под вергаю-щиеся воздействию солнечного ветра. При этом ионосфера высоких широт играет роль своеобразного экрана., на котором с земной поверхности можно наблюдать отображение магнитосферных процессов. Поэтому детальное изучение структуры и динамики магнитосферных суббурь по наземным данным в высоких широтах остается по-прежнему одной из самых актуальны:-: задач физики магнитосферы.

Основная цель данной работы - изучение пространственно-временных характеристик полярных геомагнитных возмущений в высоких широтах наземными средствами, в частности, по методу меридиональных цепочек станций. На основе анализа больших объемов данных было необходимо выявить основные элементарные процессы в развитии магнитосферных суббурь, изучить структуру и динамику полярных электроструй и предложить адекватное описание поля возмущений в терминах эквивалентной токовой системы.

Для достижения поставленной цели оказалось необходимым решение отдельных задач, среди которых можно выделить наиболее важные: ции, обработки и анализа геомагнитных возмущений,

- разработка новых подходов и методик наземных геомагнитных исследований в высоких широтах,

- решение задачи о восстановлении распределения эквивалентных токов по наземным геомагнитным данным,

- выявление пространственно-временных характеристик поля геомагнитных возмущений:

- выяснение связи геомагнитных возмущений с процессами в магнитосфере Земли и в солнечном ветре.

Перейдем к краткому изложению содержания диссертации.

В первой главе диссертации рассмотрены вопросы исследования полярных геомагнитных возмущений по наземным данным, которые были начаты еще в прошлом веке и до сих это направление исследований активно развивается. Поэтому в первую очередь нами рассмотрены методические вопросы организации специальных сетей наблюдений в высоких широта:-:. На примере развития сети наблюдений по проекту "Геомагнитный меридиан" показаны принципы их организации и сформулированы задачи, которые можно решать методом геомагнитных меридианов: 1) изучение локальных свойств эквивалентных токовых систем, 2) изучение глобальных свойств процессов магнитосферной суббури на основе рассмотрения структуры и динамики геомагнитных возмущений и их эквивалентных токовых систем, и наконец, 3) изучение особенностей геомагнитных возмущений, определяемых строением земной коры, что дает возможность развития методов электромагнитного зондирования.

Решение этих задач базируется не только на развитии экспериментальных средств наблюдений, но и на создании и развитии систем сбора и обработки данных, включая автоматизированные банки дан

- 4 ных. Оставляя вопросы формирования базы данных на вторую главу, в первой главе приводится краткая историческая справка о развитии метода геомагнитных меридианов, одним из создателей современного варианта которого является автор диссертации. Продуктивность идеи постановки специальных наблюдений именно вдоль геомагнитного меридиана была впервые показана в работе Л.Харанга, 1946 г. Позднее, в конце шестидесятых годов, были сделаны многочисленные попытки ее реализации в рамках специальных экспедиционных работ. В рамках международного проекта "Геомагнитный меридиан" этот метод окончательно оформился и впредь стал широко использоваться, обеспечивая поступление экспериментальных данных под задачи планетарных исследований.

Следует отметить, что характер возмущений магнитного поля определяется многими источниками, и их частотный спектр отличается широкой полосой. В настоящей работе объектом исследований был

3 5 выбран диапазон периодов от 10 до 10 ^ сек, что определяется доступностью информации, получаемой с обычных магнитограмм 20 мм/час или 1-мин. цифровых данных.

Далее в первой главе рассмотрены основные элементы эквивалентных токовых систем геомагнитных возмущений в высоких широтах. В этом направлении основные результаты были получены на основе анализа данных за период МГГ 1957-58гг. Анализ пространственно- временного распределения поля возмущений, определяемого как возмущенная солнечно-суточная вариация , показал, что распределе-ниедТгор. идг в зимний сезон МГГ объясняется эквивалентной токовой системой, характерной чертой которой является западная электроструя ^ текущая вдоль овааа полярных сияний^и восточная электроструя в вечерние часы на широтах 65 град. Такая токовая система объединяет основные результаты статистического анализа Бс1 вариации и отражает главное свойство эквивалентных токовых систем -наличие двух электроструй в зоне полярных сияний. Исследования структуры эквивалентных токовых систем Бс1 вариации показало, что 1) токовая система в летний сезон отличается от зимней за счет появления источника возмущений на дневной стороне в околополюсной области, 2) характер токовых систем при росте Кр от 0 до 5 остается стабильным, за счет чего из токовых систем можно выделить составные части: западную электрострую вдоль овала полярных сияний, восточную электрострую в вечерние часы и токовый вихрь на дневной стороне в полярной шапке. Интенсивность и вид западной электроструи меняются с сезоном незначительно, тогда как токовый вихрь в полярной шапке практически исчезает в зимний сезон. Эти результаты в настоящее время являются общепринятыми.

Кроме изучения особенностей общей структуры эквивалентных токовых систем, представляет большой интерес изучение конкретных случаев и детальной картины элементов токовых систем по реальным наземным данным. Для этого разработано несколько методов обработки и анализа наземных данных. В частности известен способ определения структуры токов по меридиональным профилям станций. Для перехода от измеренных значений магнитного поля к величинам токов необходимо ввести поправки за счет индукции в проводящей земле и выбрать аппроксимирующую модель для вида тока. Эти процедуры выполняются на основе дополнительных оценок параметров электроструй в зависимости от параметров среды.

В работе показано, что на меридиональных цепочках станций, расположенных непосредственно в зоне электроструй, наличие проводящей земли вносит амплитудные и фазовые искажения, зависящие от

- 6 частоты. Эти искажения приводят к изменению вида регистрируемого возмущения., в частности, приводят к тому, что момент максимума вариации поля не совпадает с максимумом тока. Поэтому при определении поля внешнего источника нужно учитывать не только зависимость коэффициента индукции от расстояния до источника., но и от фазы развития бухты. Пренебрежение этой зависимостью может привести к ошибочной интерпретации результатов наблюдений. Зависимость от времени можно учесть моделью идеального проводника, глубина до которого увеличивается со временем. Такая модель позволяет приближенно учесть индукцию в реальной земле, но при этом необходимо учитывать увеличение "эффективной" толщины изолятора со временем. Б этом случае одновременное использование профилей Н и 1 компонент позволяет определить параметры даже электроструи, находящейся на заметном удалении от фиксирующей станции.

Выбор вида аппроксимации распределения токов влияет на такие характеристики как наличие неоднородностей, многоструйность, величина дивергентных членов и т.д. Поэтому этот вопрос является важным, так как от его решения зависит точность построения эквивалентных токовых систем. Как правило, для таких задач применяют метод графической интеграции или расчет по аппроксимирующим функциям. В данной работе опробован и применен метод построения распределения плотностей тока вдоль меридианного профиля при условии фиксированного значения высоты токового слоя над Землей. Сравнение метода графической интеграции с методом расчета по аппроксимирующим функциям показывает, что первый метод следует использовать для расчетов токов растекания, второй метод для расчетов токов электроструй. Разумеется точность аналитических методов определяется точностью наземных данных.

Во второй главе диссертации рассмотрены вопросы развития экспериментальных методов и техники регистрации вариаций магнитного поля с помощью цифровых магнитовариационных станций, обработки исходных данных и создания баз данных для анализа геомагнитных возмущений. Вначале главы приводятся сведения по разработке цифровых станций. Первые серийные ЦМВС были созданы для советско-американского эксперимента по передаче геомагнитных .данных с помощью геостационарного спутника связи АТС-6. Во время этого эксперимента в 1975-76 г.г. ЦМВС были установлены в обсерваториях Одесса, Минск, Архангельск. Далее была проведена работа по созданию ЦМВС-2, которая в период 1985-1990 стала основной цифровой станцией на сети магнитных обсерваторий СССР. Станция ЦМВС-2 обеспечивает непрерывную регистрацию вариаций магнитного поля в одноминутном формате и имеет дополнительный выход 1-сек. данных. После обработки на ЭВМ данные ЦМВС-2 формируются в виде базы данных, которая обеспечивает использование данных для научных работ и в прикладных целях. В первую очередь эта база данных используется для вычисления геомагнитных индексов, в частности, для вычисления АЕ-индекса. Технические возможности ЦМВС-2 позволяют проводить на ней эксперименты по регистрации сигналов от искусственных и естественных источников на уровне 0.1 нТ.

Для целей успешной эксплуатации ЦМВС-2 на сети магнитных обсерваторий в лаборатории полярных геомагнитных исследований НЗМИ-РАН были проведены специальные научно-методические работы: составлены рекомендации и инструкция по эксплуатации, разработан пакет программ обработки исходных данных до уровня МАГА-файлов, исследованы метрологические характеристики реальных образцов ЦМВС-2. Широкое внедрение ЦМВС-2 (всего изготовлено 53 экз.) отк

- 8 рыло новые возможности постановки экспериментов- На основе ЦМВС -2 и риометров в 1980-1985 гг. был разработан диагностический комплекс, внедренный в НПО "Вектор". ЦМВО-2 также применялись для регистрации сигналов мощных МГД-генераторов при магнитовариацион-ном зондировании. Продолжением работ по цифровым магнитовариаци-онным станциям является разработка станции ЦМВС-6, пригодной для работы е Арктике и Антарктиде. Электронная часть ЦМВС-6 позволяет на ее основе создать полную автономную геофизическую платформу сбора данных с широким набором датчиков: риометр, фотометр, измеритель электрического поля, КНЧ-приемник и т.д. Примером успешной работы ЦМВС стала непрерывная работа приборов в обсерваториях Мирный 1987-1990 гг., -Мыс Каменный 1988-1998 гг., и в обсерватории Москва с 1990 г. по настоящее время.

С появлением ЦМВС-2 возникла возможность автоматизации процесса первичной обработки и анализа данных, а также проведения исследований, до того невыполнимых из-за их трудоемкости. Очевидно, что на современном этапе дальнейший прогресс в научных исследованиях зависит от того, как идет формирование баз научных данных и как идет внедрение методов их анализа. При решении этой задачи в 1981-1391 гг. было разработано и внедрено несколько пакетов программ и создан технический комплекс на базе ЭВМ СМ-4, на котором впервые были реализованы эти пакеты. В период 1991-1996 гг. был осуществлен переход на современные вычислительные средства типа ИЕМ-РС.

В первую очередь был отработан пакет программ первичной обработки данных ЦМВС. Затем разработан пакет формирования базы данных и обращения к ней. Далее в базу данных были включены ка талоги геомагнитных индексов и параметров солнечного ветра (ката

- 9 лог Кинга). Для целей научного анализа был разработан пакет прикладных программ в соответствии с известными библиотеками программ или некоторыми заимствованиями из пакетов специализированных программ для геофизических расчетов. Таким образом удалось полностью решить задачу автоматизации научного эксперимента под задачи исследования полярных геомагнитных возмущений по наземным данным.

Из пакета прикладных программ следует выделить программы построения векторов эквивалентных токов, меридиональных профилей и контурных диаграмм, программы по вычислению параметров электроструи и т.д. Очевидно, что появление новых технических средств в виде цмвс-2,машиночитаемой базы геомагнитных данных, а также разработка программных средств к ним,неизбежно ведут к быстрому развитию новых методов исследований и, как следствие, к новым научным результатам. Создание экспериментальных методов регистрации, обработки и анализа геомагнитных возмущений, а также результаты, изложенные во второй главе, подтверждают важность работы по разработке и внедрению цифровых магнитовариационных станций.

Данная работа является в своей основе одним из первых шагов в практическом становлении современной геофизической (магнитной) информатики в ее коренном звене - автоматизации методов получения и первичной обработки экспериментальных данных по наблюдениям на полигонах глобального характера, в частности, меридиональных цепочках станций - "геомагнитных меридианах". Это позволило, в свою очередь, организовать банки алгоритмов и банки данных, коренным образом преобразуя возможности научного анализа экспериментальных данных и выводя исследования переменного магнитного поля Земли, как общего, так и прикладного характера, на современный научный

- 10 уровень со сквозным использованием на всех стадиях работ современных ЭВМ. Соответственно, работа открывает и обеспечивает развитие нового направления исследований - точного количественного •анализа данных регистрации компонент переменного магнитного поля Земли. Очевидно, что экспериментальные и системотехнические основы данной работы могут с успехом использоваться в других разделах планетарной геофизики, где имеется необходимость накопления, обработки и использования в научных исследованиях больших цифровых массивов экспериментальных данных.

Современным развитием этих работ является создание электронных библиотек по солнечно-земной физике. Электронные библиотеки -область исследований и разработок, направленных на развитие теории и практики сбора данных, их моделирования, управления данными и их распространения по сетям передачи данных. Взрывное развитие Интернета и мультимедийных технологий привели к возникновению методик создания электронных информационных коллекций и стали технической основой библиотек будущего. В то же время электронные библиотеки - современные сложные информационные системы - рассматриваются как распределенные хранилища знаний. Учитывая планетарный характер исследований геомагнитных возмущений и огромные базы данных, очевидно, что электронные библиотеки являются естественным путем развития исследований в ближайшем будущем.

В настоящее время в области полярных геомагнитных исследований эти работы ведутся по следующим направлениям:

- сбор данных регулярных наблюдений магнитно-ионосферных обсерваторий,

- создание баз данных по международным проектам в области СЗФ, включая комплексные спутниковые эксперименты

- 11 типа Интербол,

- создание справочно-информационных системы, включая модели окружающей среды и оперативные данные в реальном времени, доступ к которым организован по сети Интернет,

- каталоги и библиотеки компьютерных программ, включая стандартные модели среды, способы вычисления основных параметров космической среды, средства обработки и представления данных.

Непосредственно в ИЗМИРАН развиваются все эти направления, в частности нами была подготовлена база данных на CD-ROM еще в 1994 году и сейчас эти работы продолжаются. Следует отметить, что создание и быстрое накопление контента на русском языке в Интернет по вопросам исследований геомагнитных возмущений, базируется на организации электронных библиотек и развитию их инфраструктуры: каталогов, поисковых систем, справочников и знциклопедий, процедур доступа к информационным системам и базам данных on-line. Вместе с тем Российский Интернет является частью общемировой сети, поэтому создание электронных библиотек находится в общем русле развития информационных систем. В качестве перспективной работы нами начато создание БД российских магнитных обсерваторий, интегрированной с БД и ИС мирового уровня. Очевидночто такая БД должна быть сопряжена с системой Интермагнет, один их центров доступа к которой находится в Эдинбурге, Англия. Кроме того, разработана концепция создания веб-портала по направлению "Магнитные бури и их эффекты в окружающей среде".

Третья глава диссертации посвящена исследованиям структуры и динамики авроральных электроструй. Авроральные электроструи являются главными элементами магнитосферной суббури, и их пространс

- 12 твенно-временные характеристики представляют основу всех известных физических моделей суббури. Тем не менее, по структуре и динамике .электроструй остается много дискуссионных вопросов. В начале 3 главы дается краткая историческая справка по исследованиям авроральных электроструй и основные схемы развития авроральных электроструй. Оказывается, электроструи на статистически достоверном уровне всегда присутствуют в суббуре, и их развитие определяет все их разнообразие. Большой прогресс в изучении электроструй был достигнут на основе данных, собранных в период МИМ, 1986-1991 гг.

Считается общепринятым сегодня разделять магнитосферные суббури на два класса: конвективные и взрывные. Соответственно, характер эквивалентных токовых систем отражает это деление. Наименее изученной является восточная электроструя, которой в 3 главе уделено большое внимание. На примере суббурь за интервал СИДАУ-1, 17-18-19 марта 1978 г. показано, что любые типы суббури формируются западной и восточной электроструями. Кроме струйных токов в зоне полярных сияний, для эквивалентных токовых систем характерно наличие возмущений в полярной шапке. Величина и интенсивность токов в полярной шапке находятся под контролем развития авроральных электроструй в периоды ярко выраженных суббурь. В интервалах между суббурями, когда поле возмущения в зоне полярных сияний на ночной стороне незначительно, в полярной шалите формируются свои токи, также имеющие характер электроструй и токовых слоев, но заметно меньшей интенсивности, чем в зоне полярных сияний. Характер этих токов контролируется непосредственно солнечным ветром. Очевидно, что исследование структуры этих токов требует привлечение данных с более высоким временным разрешением, чем это было приня

- -13 то при анализе данных по аналоговой регистрации.

Такой шаг был сделан при анализе суббурь за интервал СИДАУ6, 22 и 31 марта 1979 г., когда использовались цифровые данные с 5-минутным разрешением. Из анализа данных СйДАУ-6 выявилось, что западная электроструя имеет сложную структуру, и на разных фазах развития суббури в ней могут преобладать разные составляющие. Вместе с тем изменения западной струи явно сопровождаются изменениями в восточной. Это наблюдение заставило обратиться к детальным данным по восточной струе, и оказалось, что в ней также выделяются конвективные и взрывные элементы, дающие свой вклад в развитие восточной струи. Удалось провести типизацию восточной электроструи. В первую очередь было отмечено наличие двух типов положительных бухт, эквивалентные токи которых существенно различны по своим пространственно-временным характеристикам. Кроме того, токи в полярной шапке также дают вклад в восточную струю в определенные моменты, особенно в летний сезон.

На основе морфологического анализа структуры электроструй и токов в полярной шапке, нами предложена схема эквивалентной токовой системы полярной суббури, учитывающая выявленные типы и их особенности. Эта схема описывает развитие электроструй для а) конвективной, б) изолированной, взрывной ив) многофакторной суббури. Для конвективной суббури характерно наличие широких плавных восточной и западной электроструй, расположенных симметрично относительно полуночного меридиана. Для взрывной суббури характерно наличие узких интенсивных токов в виде мощных электороструй - западной вблизи полуночного меридиана на широтах 65-67 градусов и восточной струи в предполуночные часы на широтах 63-65 градусов. Токи в полярной шапке в период суббурь описываются одним токовым

- 14 вихрем с направлением тока против часовой стрелки и фокусом на широте 80° на 15-часовом меридиане. Этот вихрь накладывается на поле электроструй., усиливая восточную струю в зоне полярных сияний и формируя струйный ток в полярной шапке в овале полярных сияний, Вклад этих токов наиболее заметен в летний сезон, В общем случае эквивалентная токовая система может представлять всю сумму названных структур в виде многофакторной токовой системы. Такие случаи характерны для периодов высокой магнитной активности.

Выявленная структура эквивалентных токовых систем в планетарном масштабе безусловно должна иметь отражение в динамике то-коеых систем, которую наиболее просто исследовать по локальным данным. Из 6 меридианов, работавших в период МИМ, один приходился на Советский сектор Арктики - это геомагнитный меридиан 145 град. По данным этого меридиана нами была изучена динамика западной электроструи. Оказалось, что электроструя легко разделяется на два типа - конвективный и Езрывной. Оба типа показывают стабильное положение в пространстве в период своих интенсификаций. Наблюдение движения эквивалентных токов связаны с расширением или сужением границ токов, а центр электроструи остается достаточно стабильным в пространстве в период единичной интенсификации (суббури) .

Дополнительные пространственно-временные характеристики маг-нитосферной суббури можно выявить, привлекая данные по другим наземным приборам, таким как риометр и фотометр. В нашем распоряжении тлелись данные станции Южный полюс за 1877 г. по магнитометру, риометру и фотометру, полученные непосредственно автором диссертации. Учитывая уникальность географического положения станции Южный полюс (Ю.Щ, представляет интерес оценить характер связи

- 15 между различными параметрами магнитосферных возмущений по данным этой станции. Оказалось, что по данным магнитометра станции Ю.П. обнаруживаются как ночные возмущения, характерные для зоны полярных сияний, так и дневные возмущения, типичные для области каспа магнитосферы. Эти возмущения по разному проявляются на записях магнитометра, фотометра и риометра. Визуальная корреляция в записях на этих трех приборах, по-видимому, определяется свойствами спектров высылающихся частиц. Характерной чертой возмущений во Есе часы является присутствие пульсаций с большими амплитудами и периодами в несколько минут. По данным фотометра при регистрации в эмиссиях удается выявить признаки, соответствующие появлению каспа над станцией Ю.П. Из других геофизических явлений на станции Ю.П. следует отметить случаи одновременной регистрации восточной и западной электроструй. Этот результат можно интерпретировать как появление разрыва Харанга на экстремально высоких широтах .

Дальнейшее исследование динамики электроструй нами было проведено на основе анализа Ы-ит диаграмм АЕ-индекса.Этот метод был предложен автором диссертации в 1968 году и с тех пор вошел в мировую практику исследований. Методом Ы-1Л диаграмм АЕ-индекса удается выявить практически все характерные свойства авроральных электроструй. Оказалось, что наиболее простым обобщающим признаком развития суббури является контроль ее развития местным или мировым временем. Конвективные суббури контролируются местным временем, взрывные суббури контролируются мировым временем. На основе Ы-ит диаграмм удается любой период геомагнитной активности разбить на отдельные суббури и установить положения максимумов электроструй. Выявлен новый эффект модуляции геомагнитной актив

- -16 ности по мировому времени: разрыв Харанга действительно имеет место только в 12-24 ИТ, когда западная и восточная электроструи сходятся наиболее близко в пространстве. При этом на Ы-ит диаграммах АЕ-индекса наблюдается "наллывание" области западной электроструи на область восточной злектроструи.

Метод ьт-ит диаграмм можно применить для описания динамики геомагнитной возмущенности в любом поясе широт. На примере большой магнитной бури 7-8 марта 1970 г. показана применимость этого метода для описания динамики кольцевого тока в магнитосфере. Метод Ы-ит диаграмм нашел применение при анализе динамики геомагнитных возмущений в средних широтах и для анализа структуры локальных элементов геомагнитных возмущений в высоких широтах. Следует также отметить, что предложенный метод морфологического анализа по Ы-ит диаграммам АЕ-индекса имеет смысл и значение для оценки и выбора физических моделей магнитосферной суббури. В частности, зная положение центра западной электроструи можно оценить характер конвекции в магнитосфере Земли, что и было сделано для нескольких десятков магнитосферных суббурь. Оказалось, что положение центра западной электроструи контролируется скоростью магнитосферной конвекции, которая, в свою очередь, определяется не только ММП, но и плотностью солнечного ветра. Таким образом прослеживается реальная физическая связь от солнечного ветра до авроральных электроструй.

Важным вкладом исследований морфологии геомагнитных возмущений в высоких широтах в практику является определение и регулярное вычисление АЕ-индекса. Широкое использование АЕ-индекса в поисковых и прикладных исследованиях, привело к повышению требований его точности и достоверности. Точность АЕ-индекса связана с

- 17 провалами в пространственном распределении станций в зоне полярных сияний, а достоверность АЕ-индекса связана с некоторой нечеткостью формулировки его физического содержания. Оба эти аспекта рассмотрены в последнем разделе третьей главы, где предложены способы решения указанных вопросов. В первом случае нам кажется полезным идти по двум путям: улучшать сеть станций в зоне полярных сияний и учитывать при оценке интенсивности электроструй все три компоненты регистрируемого возмущения. Проработка методики таких вычислений показывает их выполнимость в случае применения цифровых магнитометров и ЭВМ на этапе обработки данных (см. 2 главу). При существующей плотности станций в зоне полярных сияний среднечасовые значения АЕ-индекса вполне достоверны для всех периодов, когда вариация не превышает 100 нТ. В случаях, когда вариация значительна, авроральные электроструи смещаются и сеть станций АЕ-индекса теряет контроль над развитием электроструй. С повышением временного разрешения АЕ-индекса до одной минуты, требование к плотности сети станций возрастают настолько, что при существующем распределении океанов и суши их выполнение становится невозможным. Поэтому АЕ-индекс с 1-минутным разрешением имеет по точности принципиальное ограничение.

Достоверность АЕ-индекса может быть улучшена при его более ясной физической интерпретации. В самом деле, с появлением баз данных типа СИДАУ-1 и СИДАУ-6 в научной литературе появился АЕ(57), АЕ(70) и им подобные. Увеличение числа станций за счет точек внутри зоны полярных сияний привело к размыванию физического содержания АЕ и увеличению "шума" при вычислении огибающей по данным нескольких десятков станций. На наш взгляд АЕ-индекс является мерой максимальных значений эквивалентных токов электроструй

- 18 в зоне полярных сияний, и только такое содержание АЕ может обеспечить его четк/ю физическую интерпретацию. Добавление станций из полярной шапки или из средних широт вносит информацию об источниках вне зоны и вне электороструй. Именно поэтому по индексу АЕ(57) или АЕГ70) нельзя априори определять структуру токовых систем, вызываемых авроральными электроструями, особенно, если его величина не превышает 250 нТ, т.е. находится на уровне возмущений по своей амплитуде близкими к тем, которые вызываются непосредственным воздействием солнечного ветра на полярную шапку.

Характерной деталью практически всех электроструй является наличие пульсаций типа Ps5 в утренние часы, обусловленных изгиб-ными движениями электроструи в пределах нескольких градусов. Фазовая скорость волны пульсаций Рзб имеет восточное направление порядка 1,5 км/сек. На примере суббури за 22 марта и 28 мая 1979 г. исследованы детальные свойства пульсаций Ps6. Обнаружено неизвестное ранее свойство пульсаций Psö - четко выраженные экстремумы в их спектре. Для суббури 22 марта 1979 г. экстремумы в спектре Рзб составили (9+3) мин., (14+2) мин., (25+3) мин. Этот факт нуждается в дальнейшем физическом осмыслении и может служить основой разработки новой теории генерации пульсаций типа Psd.

Работа с большими базами цифровых данных позволила провести анализ характерных особенностей полярных геомагнитных возмущений в периоды магнитных бурь. Оказалось, что Psd присутствуют весь период сильной активности во время главной фазы магнитной бури, который может длится до 35-48 часов. Фактически пульсации Ps6 существуют перманентно и представляют собой существенный элемент в общей картине активности магнитосферы. Кроме того, было выявлено наличие последовательности суббурь, также занимающих временной

- 19 интервал не менее 12-18 часов даже по регистрации на отдельных обсерваториях в высоки:-: широтах, При этом в глобальном масштабе суббури имеют характерную повторяемость с периодами 48- 58 минут, что также наводит на мысль о существовании механизма генерации таких поеледователь ностей.

В целом, полученные нами результаты экспериментальных исследований полярных геомагнитных возмущений позволяют сделать вывод, что данные о структуре и динамике эквивалентных токовых систем являются достаточно твердо установленными и могут служить основой построения физических моделей магнитосферных суббурь.

В четвертой главе диссертации сделана попытка увязать в единой схеме глобальные характеристики полярных геомагнитных возмущений с процессом взаимодействия между солнечным ветром и магнитосферой Земли. Для этого нами рассмотрен случай типичной магни-тосферной суббури 4 марта 1979 г., для которого имелись детальные наземные данные, измерения на аэростатах, на спутниках в магнитосфере и в солнечном ветре. Анализ данных показал, что имеется тесная взаимосвязь между изменениями параметров солнечного ветра и структурными образованиями магнитосферы, в первую очередь с изменениями в положении и интенсивности электроструй. Изменения в направлении ШП приводят к усилению восточной и западной электроструй с задержкой менее 5 минут и перестройке магнитного поля к дипольному виду в хвосте магнитосферы на геостационарной орбите вблизи полуночи с задержкой около 10 минут. Очевидно, что такая быстрая реакция магнитосферы на воздействие солнечного ветра не может быть подтверждена статистикой на основе среднечасовых данных и наоборот, времена задержки в реакции магнитосферы в 4 и 12 часов не могут быть выявлены по данным одного или нескольких

- 20 конкретней: случаев. Основным элементом связи эквивалентных ионосферных токов с активными областями магнитосферы служат токи вдоль силовых линий.

По данным спутника "Интеркосмос-Еолгария-'ХЗОО" проведено сравнение пространственного положения токов вдоль силовых линий и электроструй и показана их тесная взаимосвязь (£4). Все детали такой связи не удается выявить в полной мере, но важная функциональная роль токов вдоль силовых линий в формировании магнитос-ферной суббури не вызывает сомнений.

Принимая во внимание , что токи вдоль силовых линий представляют собой одно из главных звеньев во всех моделях магнитос-ферных суббурь, следует остановиться на их роли как связующего звена между внешними частями магнитосферы и полярной ионосферой. Для случая комплексной суббури эквивалентные токи на высотах ионосферы оказываются завязаны на многие структуры в магнитосфере., такие как боковые стороны и нейтральный слой в хвосте магнитосферы. считывая наличие широкого диапазона флуктуациит. е. развитой турбулентности вдоль всей длины силовых ли кий, напрашивается вывод о наличие вдоль них переменных токов. Если это так, можно допустить, что структурные элементы аЕроральных электроструй представляют собой интегрирование или просто сглаживание переменных токов разных периодов, которые проявляются в ионосфере.

Анализ комплексных измерений в магнитосфере приводит нас к представлениям о крупномасштабных процессах в магнитосфере во Еремя суббури. В первую очередь необходимо отметить быстрые перемещения границ магнитосферы, в частности магнитопаузы. Большие искажения формы магнитосферы наблюдаются при сильном солнечном ветре и больших значениях компонент ММП. Синфазно с развитием

- 21 магнитосферных суббурь наблюдаются крупномасштабные движения маг-нитопаузы и хвоста магнитосферы. Еще по первым измерениям на спутниках "Прогноз" наблюдались случаи многократных пересечений магнитопаузы, которые подтверждают образование на магнитопаузе крупномасштабных складок и волн. Б настоящее время мы использовали данные по спутникам Интербол, которые имеют более высокое разрешение. Оказалось, что движения магнитопаузы являются довольно типичным явлением и довольно легко прослеживается связь между характером движений и уровнем магнитной активности.

Если принять во внимание теоретические оценки условий сверхзвукового гидродинамического обтекания магнитосферы солнечным ветром, можно с необходимостью допустить образование возвратного течения и вихрей на поверхности магнитосферы. Такой процесс будет приводить к заметным изменениям топологии магнитосферы, крупномасштабным маховым колебаниям хвоста магнитосферы, что безусловно будет проявляться в геомагнитных возмущениях.

В последнее время сложилось мнение, что в магнитосфере в период суббурь работают два механизма: прямого привода, обеспечивающего конвекцию в магнитосфере и ее перестройку, и механизм разгрузки, т.е. накопления плазмы в хвосте как в резервуаре, а затем, через ускорение, реализуемой в виде потоков высыпающихся частиц на ночной стороне зоны полярных сияний. Существование этих механизмов подтверждено данными многих экспериментов, в том числе и по наземным данным. Исходя из этих представлений, можно допустить, что суббури, контролируемые местным временем, это результат действия механизма прямого привода, суббури, контролиру емые мировым временем, результат работы механизмов взрывного типа в хвосте магнитосферы.

Заканчивая обсуждение возможных элементов моделей магнитосферных суббурь нужно констатировать, что создание одной, единой, законченной модели, по-видимому, недостижимо, а разнообразие суббурь описывается набором моделей, при этом определяющим критерием при выборе конкретных моделей являются результаты анализа структуры и динамики геомагнитных возмущений в высоких широтах. При создании моделей магнитосферной суббури также необходимо учитывать апериодический, иррегулярный характер процесса взаимодействия в системе солнечный ветер - магнитосфера Земли. Непосредственно в магнитосфере входное воздействие солнечного ветра перерабатывается в развитие целой цепи внутренних процессов, структура и временная динамика которых существенно зависят от параметров самой магнитосферы.

В диссертации представлены результаты многолетнего цикла работ автора по нескольким направлениям: экспериментальные наблюдения е высоких широтах, обработка данных и научный анализ, обьединенные одной задачей - получить новые факты о пространственно- временных характеристиках полярных геомагнитных возмущений и расширить наши представления о магнитосферных суббурях.

Основная часть исследований выполнена непосредственно автором в период с "1953 по 1999 гг. в ИЗМИРАН в соответствии с плановой тематикой. Автор осуществлял выбор тематики, руководство сотрудниками и личное участие на всех этапах исследований, начиная от организации и проведения экспедиций на полуострове Ямал в 1971-1991 гг. и зимовке на американской станции Южный Полюс в 1977 г., до подготовки публикаций и представления докладов на российских и международны:-: конференциях.

Результаты, изложенные в диссертации, докладывались на ряде

- S3 совещаний и конференций: на Ассамблеях Международной ассоциации геомагнетизма и аэрономии, МАГА в 1971- 1999 гг., на научных сессиях Международного комитета по Антарктическим исследованиям (СКАР), на сессиях КОСПАР, на всесоюзны;-: конференциях по итогам МИМ в 1979 и 1981 гг. , на научных семинарах в ИЗМИРАН, ДАНИИ, ЛГИ, ОибйЗМИРАН. Следует особо отметить проведение международных симпозиумов "Проект геомагнитный меридиан" в 1975 г, в Санкт-Петербурге и "Полярные геомагнитные явления" в 1986 г. в Суздале, которые целиком были посвящены проблематике полярных геомагнитных исследований, В последние годы результаты работ представлялись на международных конференциях по суббурям (ICS) в 1995-1998 гг.

Из 45 публикаций, использованных в диссертации, 10 написано автором лично, остальные в соавторстве. Общин список публикаций превышает 125 названий. В большинстве совместных работ автору диссертации принадлежала основная идея, ее непосредственная реализация и изложение полученных результатов. В случае работ с аспирантами автору принадлежит научное руководство, а также во всех случаях автор принимал самое активное участие в непосредственном выполнении работы. Цифровая магнитовариационная станция ЦМВС-2 защищена авторским свидетельством. Работа содержит 3 23 страницы. У из которых &0 страниц с рисунками. Библиография насчитывает 384 названии.

Основные положения, Еыносимые на защиту:

1. Метод исследований пространственно-временных характеристик полярных геомагнитны:-: возмущений меридиональными цепочками магнитометров (метод геомагнитных меридианов). Создание и развитие технические средства измерений (цифровые станции), обработки данных (вычислительные комплексы), хранения данных (запись на CD

- 24

-КОМ), и работы с данными (алгоритмы и программные средства).

2. Структура эквивалентных токовых систем полярных геомаг нитных возмущений (элементарной полярной суббури) состоит из трех частей: западной и восточной электроструй и возмущений в полярных шапках. По методу геомагнитных меридианов выполнен анализ характеристик полярных суббурь и обнаружено, что суббури разделяются на два типа: конвективные и взрывные. Пространственное положение и характер электроструй существенно различны для двух типов суббурь, но всегда присутствуют обе электроструй. Восточная электроструя и возмущения в полярной шапке постоянно имеют сильную сезонную зависимость. В термина:": эквивалентных токовых систем разработана классификация полярных геомагнитных возмущений, в которой учтены их основные пространственно-временные характеристики.

3. Частотный диапазон полярных геомагнитных возмущении с периодами от 5 до 60 минут разделяется на три основные полосы: Р13 с периодами от 5 до 15 минут, Рзб с периодами от 10 до 30 минут и последовательности суббурь с характерными периодами 40-60 минут. Р13 проявляются ео Есе периоды активности, Рзб .наблюдаются как элемент развития западной электроструй, а характерные последовательности суббурь обнаружены во время больших магнитных бурь.

4. Способ анализа динамики авроральных электроструй методом ЛТ-УТ диаграмм АЕ-индекса, позволивший выяеить суббури, развитие которых контролируется или мировым или местным временем, обнаружить особенности в области взаимодействия западной и восточной электроструй, и установить положение их максимумов по долготе.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Зайцев, Александр Николаевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ,

В диссертации представлены результаты многолетнего цикла работ автора по нескольким направлениям: экспериментальные наблюдения в высоких широтах, обработка данных и научный анализ, обьединенные одной задачей - получить новые факты о пространственно-временных характеристиках полярных геомагнитных возмущениях и расширить наши представления о магнитосферных суббурях.

Ключевым элементом работы является универсальная схема эквивалентной токовой системы полярной суббури, В схеме сведено воедино большое количестве экспериментальных данных, на основании которых можно оценить достоверность тех или иных моделей полярных суббурь , обьясняющих широкий круг явлений, сопровождающих развитие магнитосферных возмущений.

Перечислим основные результаты и выводы:

1, Показано, что одним из наиболее перспективных методов исследований пространственно-временной структуры магнитных возмущени: является метод меридиональных цепочек. На основе этого метода могут быть развиты новые подходы при изучении магнитосферных суббур: и сопровождающих их явлений, а также развито перспективное направ ление исследований геомагнитных возмущений в высоких широтах на земными средствами.

2. Статистическое исследование структуры геомагнитных возму щений в высоких широтах методом эквивалентных токовых систем пр различных Кр показало, что поле возмущений можно полагать состоя щим из трех частей: западной и восточной электроструй и возмущени в полярных шапках. Выявлены осооеннооти структуры эквивалентных токовых систем, а также их сезонная зависимость. о. Разработаны методики определения параметров авроральных злектроструй по наземным данным на геомагнитных меридианах с помощью ЭВМ, Основные параметры злектроструй, включая интенсивность, ширину и положение в пространстве рассмотрены для моделей с учетом влияния индукционных эффектов. Точность расчетов составляет 30 км по ширине и 10.000 А по интенсивности. Выделено искажающее влияние индукции на фазу и амплитуду вариаций в зависимости от расстояния до центра злектроструй.

4, Впервые в ССОР разработана и внедрена серийная цифровая магнитовариационная станция ЦМВС-2, удовлетворяющая требованиям непрерывной эксплуатации на высокоширотных магнитных обсерваториях, Разработана методика и пакет прикладных программ обработки одноминутных цифровых геомагнитных данных, создания баз цифровых геомагнитных данных и их тиражирование на ио-киМ,

5. При исследовании тонкой структуры и динамики полярных злектроструй по методу геомагнитны;4! меридианов показано, что в це^ лом в структуре электроструй четко выделяются два тута: конвективные и взрывные. Пространственное положение и характер злектроструй существенно различны для этих двух типов, остановлено, что в восточной электроструе выделяются взрывной и конвективный типы, дл^ всех типов суббурь всегда присутствуют обе электроструи. В полярной шапке имеется дополнительный к электроструям источник геомагнитных возмущений. Этот источник имеет сильную сезонную зависимость, В общем случае геомагнитное возмущение представляет собо! суперпозицию электроструи и источника в полярной шапке, ¿з термина-эквивалентных токовых систем предложена схема классификации, учитывающая новые признаки в структуре геомагнитных возмущений.

- £90

5. На примере отдельных случаев полярных суббурь проанализирована динамика западной злектроструи. Установлено, что западная электроструя взрывного типа в период своего развития остается стабильной в пространстве, хотя и имеет сдвиги в меридиональном направлении в моменты зарождения и распада. Флуктуации интенсивности злектроструи в ее центральной части быстро спадают к экваториальной стороне и нарастают к приполюсной стороне. Характерным свойством западной электроструи является наличие в ней пульсаций Рбо с периодами 10-20 минут.

7. По цифровым 1-мин. данным исследованы частотные характеристики полярных геомагнитных возмущении и впервые найдено, что диапазон периодов от 5 до 60 минут разделяется на три основные полосы ; пульсации типа Р13 с периодами от 5 до 15 минут, колебания типа Рзб с периодами от 10 до 30 минут и последовательноо^ги суббурь с характерными периодами от 40 до 60 минут. Р13 проявляются во все периоды активности, Раб всегда сопровождают развитие взрывной западной злектроструи, а характерные последовательности полярных суббурь е виде четких бухтообразных возмущений обнаруживаются во время сильных магнитных бурь.

3. Разработан и реализован способ исследовании динамики авро-ральных электроструй методом ЛТ-УТ диаграмм АЕ-индекса, по которым удается любой период геомагнитной активности разбить на отдельные суббури и установить положение максимумов злектроструи. Выделены суббури, развитие которых контролируется мировым и местным временем, обнаружены особенности в области взаимодействия западной и восточной электроструи. Исследована достоверность Аг,-индекса, предложены улучшения методики вычисления АЕ-индекса с учетом возможностей меридиональных цепочек станций.

- 291 ~

9. Исследован характер геомагнитных возмущений в полярной шапке при импульсном изменении уровня возмущенноети. Показано, что при Кр = О эквивалентная токовая система в околополюсной области представляет собой вихрь тока с направлением тока против часовой стрелки.

10. Проанализированы данные станций Южный полюс за 1977' год для установления связи между измерениями на магнитометре, риометре и фотометре. Показана возможность индентификации разных типов возмущений по данным одной станции, обнаружено, что наложение электроструй (разрыв Харанга) может наблюдаться на широтах до 74 градусов.