Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Проявление солнечно-земных связей в ультранизкочастотных колебаниях магнитного поля

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Проявление солнечно-земных связей в ультранизкочастотных колебаниях магнитного поля"

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет

0.389.3

005013450

Рыжакова Лариса Владимировна

ПРОЯВЛЕНИЕ СОЛНЕЧНО-ЗЕМНЫХ СВЯЗЕЙ В УЛЬТРАНИЗКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЯХ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 5 МД? 20 ¡2

Иркутск-2012

005013450

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор Власов Валерий Георгиевич

доктор физико-математических наук Потапов Александр Сергеевич

Официальные оппоненты:

Леонович Анатолий Сергеевич доктор физико-математических наук, ИСЗФ СО РАН, заведующий лабораторией

Моисеев Алексей Владимирович кандидат физико-математических наук, ИКФИА СО РАН, старший научный сотрудник

Ведущая организация:

Геофизическая обе. Борок

Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

Защита состоится « 3 » апреля 2012 г. в часов на заседании диссертационного совета Д.003.034.01. при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте солнечно-земной физики Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 126а, а/я 291, ИСЗФ СО РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИСЗФ СО РАН.

Автореферат разослан «_»_2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук

В.И. Поляков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Работа посвящена отдельным деталям солнечно-земного взаимодействия, главным образом, его волновому аспекту. Волны, генерируемые на Солнце, играют большую роль в динамике внешних областей солнечной атмосферы и являются одним из основных механизмов разогрева короны. Имеются многочисленные наблюдения колебаний в диапазоне периодов 3-5 мин в активных областях Солнца и в ко-рональных дырах. В дальнейшем часть энергии этих волн выносится солнечным ветром (СВ) и, по-видимому, транспортируется вместе с потоком солнечной плазмы в межпланетное пространство. Достигая орбиты Земли, волны частично проникают внутрь магнитосферы, инициируя раскачку мощных магнитосферных колебаний того же ультранизкочастотного (УНЧ) диапазона. На поверхности Земли эти колебания наблюдаются в виде геомагнитных пульсаций, в частности пульсаций Рс5, имеющих периоды от 150 до 600 с. Процесс генерации осцилляции в магнитосфере особенно усиливается, когда земную орбиту пересекают высокоскоростные потоки СВ с повышенным уровнем волновой энергии. Внутри магнитосферы колебания участвуют во взаимодействии волна-частица с заряженными частицами, захваченными в геомагнитном поле. Одним из механизмов такого взаимодействия является дрейфово-резонансный механизм, заключающийся в передаче энергии волн захваченным во внешнем радиационном поясе электронам. Условием резонанса является совпадение времени дрейфа электронов вокруг Земли с периодом УНЧ-колебаний. При этом электроны ускоряются до релятивистских энергий в несколько МэВ. Потоки таких электронов представляют серьезную угрозу для работы бортовых систем космических аппаратов, находящихся на геостационарной орбите.

Несмотря на большое число работ, посвященных генерации УНЧ-волн на Солнце, в солнечном ветре и магнитосфере и их роли в ускорении захваченных в геомагнитном поле частиц, многие аспекты этих проблем остаются неясными. Среди них -отсутствие надежных данных, полученных на большом статистическом материале, о вариациях взаимосвязей волн и частиц в цикле солнечной активности, о связи волновой активности в СВ и на Земле, о временных задержках между отдельными фа-

зами процесса передачи волновой энергии магнитосферным частицам. В данной работе на материале магнитных наблюдений и измерений потоков энергичных электронов, собранном за 23-й цикл солнечной активности, проводится детальный анализ перечисленных аспектов.

Целью работы является анализ некоторых геоэффективных явлений на Солнце и изучение связей УНЧ-колебаний геомагнитного поля с волновыми процессами в солнечном ветре, а также выявление роли этих колебаний в ускорении электронов внешнего радиационного пояса Земли.

Решались следующие задачи:

. Исследование распределения солнечных вспышек относительно линии проекции гелиосферного токового слоя на солнечную сферу.

• Поиск прямых свидетельств существования УНЧ-волн диапазона периодов от 10 до 150 с в плазме солнечного ветра.

• Анализ отклика на изменения параметров солнечного ветра внутримагнито-сферных УНЧ-волн, наблюдавшихся на меридиональной цепочке станций вслед за резким падением динамического давления солнечного ветра.

• Анализ одновременных наблюдений наземных пульсаций типа Рс5, УНЧ-волн в межпланетной среде и основных параметров солнечного ветра за период 23-го цикла солнечной активности 1996-2006 гг.

• Исследование связи уровня УНЧ волновой активности в солнечном ветре и на Земле с потоками релятивистских электронов на геосинхронной орбите в 23-м цикле солнечной активности.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые на большом статистическом материале получены свидетельства тесной связи между вариациями амплитуды УНЧ-колебаний в солнечном ветре и на земной поверхности. Показано, что эти вариации происходят одновременно (в пределах суток). Впервые получены и статистически обоснованы экспериментальные доказательства суточного опережения вариаций амплитуды УНЧ-колебаний в СВ и на Земле по отношению к вариациям скорости СВ. Впервые исследованы циклические изменения корреляцион-

4

ных связей УНЧ-волн в СВ и колебаний Рс5 на земной поверхности с потоками релятивистских электронов на геостационарной орбите.

Практическая значимость диссертации и использование полученных результатов

Радиационные условия на геостационарной орбите являются одним из важнейших показателей космической погоды, поскольку в этой области пространства находится много космических средств - навигационных, коммуникационных, разведывательных. Результаты работы дают материал для разработки методов диагностики и прогноза потоков высокоэнергичных электронов во внешнем радиационном поясе -основного источника радиационного фона на геостационарной орбите. Кроме этого, полученные в работе выводы могут быть использованы для разработки теоретических моделей волнового взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли и, в частности, для построения теории генерации УНЧ-колебаний магнитосферы.

Достоверность результатов, представленных в диссертации, подтверждается тем, что они получены на большом статистическом материале, с использованием физически и математически обоснованных методов. Полученные в работе закономерности находятся в качественном согласии с результатами мировых геофизических исследований.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Эффект концентрации солнечных вспышек вблизи гелиосферного токового слоя, особенно отчетливо заметный на фазе спада солнечной активности.

2. Суточное запаздывание вариаций скорости солнечного ветра по отношению к вариациям активности УНЧ-колебаний как на земной поверхности, так и в плазме солнечного ветра.

3. Высокая корреляция между наземными и межпланетными УНЧ-колебаниями при нулевом запаздывании между ними, что может свидетельствовать о прямом проникновении УНЧ-волн из солнечного ветра в магнитосферу.

4. Вариации амплитуды УНЧ-волн в солнечном ветре и УНЧ-колебаний (Рс5) на земной поверхности имеют почти равные коэффициенты корреляции с запаздываю-

щим на трое суток потоком релятивистских электронов на геосинхронной орбите.

Личный вклад автора

Результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно. Автором был поставлен ряд задач по анализу процессов в активных областях Солнца, взаимосвязей между УНЧ-волнами в солнечном Beipe и на Земле, параметрами солнечного ветра и потоками энергичных электронов в магнитосфере. Автором разработаны алгоритмы обработки наблюдательных данных, выбраны методы статистического анализа, наиболее адекватные используемым данным и решаемым задачам.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на следующих международных и отечественных научных конференциях: Всесоюзная конференция по физике Солнца, Алма-Ата, 22-26 июня 1987 г.; Всесоюзная конференция по космическим лучам, Алма-Ата, 13-15 сентября 1988 г.; Международные конференции «Problems of Geocosmos», Санкт-Петербург, 17-23 июня 1996 г. и 29 июня - 3 июля 1998 г.; Международная конференция «Super DARN as a powerful instrument for space science research: Principles, technique, results», Иркутск, 26-29 августа 2008 г.; Рабочее совещание COST Action ES0803 «Developing Space Weather Products and Services in Europe», Frascati, Italy, 1-3 April 2009; Международная конференция «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра -2010», Москва, ИКИ РАН, 21-24 декабря 2010 г.; 9-я Российско-монгольская конференция по астрономии и геофизике, Иркутск, ИСЗФ СО РАН, 10-13 октября 2011 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 5 - в журналах, рекомендуемых ВАК для публикации результатов диссертаций.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы из 117 наименований. Общий объем диссертации составляет 116 страниц, включая 51 рисунок и 4 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1 диссертации имеет обзорный характер. В ней изложены общие сведения об УНЧ-колебаниях геомагнитного поля - геомагнитных пульсациях - и дано краткое описание методов анализа, использованных при выполнении работы. В разделе 1.1 «Геомагнитные пульсации как объект исследования» приведен обзор современных знаний о морфологических свойствах геомагнитных пульсаций, процессах их генерации и распространения в магнитосфере. Здесь же рассмотрены работы, посвященные наиболее мощному типу геомагнитных пульсаций - глобальным колебаниям Рс5, и сформулированы отличительные свойства этого класса колебаний. В разделе 1.2 «Краткое описание методов анализа» описаны различные методы анализа данных, основанные на статистической обработке рядов наблюдений.

В главе 2 «Физические явления на Солнце, приводящие к возмущениям в солнечном ветре и в земной магнитосфере» рассмотрены некоторые явления на Солнце, оказывающие влияние на земные процессы.

Раздел 2-1 «Общий обзор геоэффективных явлений на Солнце» дает краткую характеристику физических явлений на Солнце, приводящих к возмущениям в солнечном ветре и в земной магнитосфере.

В разделе 22 «Эффект концентрации солнечных вспышек вблизи гелиосфер-ного токового слоя» исследованы закономерности распределения солнечных вспышек, связанных с крупномасштабной организацией магнитных полей на Солнце. Крупномасштабное магнитное поле Солнца имеет сложную структуру и складывается из меняющихся во времени дипольной и квадрупольной составляющих. С использованием карты полярностей крупномасштабного магнитного поля Солнца [Коржов, 1984] построено распределение солнечных вспышек по гелиомагнитным широтам. За нулевую гелиомагнитную широту принята проекция гелиосферного токового слоя на Солнце. Каждой вспышке приписывается определенная магнитная широта, определяемая как кратчайшее угловое расстояние от местоположения вспышки до линии проекции, гелиосферного токового слоя на солнечную сферу. Найдено, что в области нулевой гелиомагнитной широты имеется локальный максимум числа субвспышек, а также вспышек балла 1 и 2, т. е. вспышки более вероятны вблизи гелио-

сферного токового слоя. Эффект проявился очень отчетливо на фазе спада солнечной активности в 1971-1975 гг. Обнаружено, что вспышки распределены неоднородно и по магнитной долготе, большая часть солнечных вспышек, давших вклад в гистограммы, располагается в области перехода линии проекции гелиосферного токового слоя через гелиографический экватор. В этой области гелиосферный токовый слой пересекает зоны гелиографических широт, наиболее богатых солнечными пятнами и вспышками. В то же время области перехода гелиосферного токового слоя через гелиографический экватор близки к секторным границам ММП, экстраполированным от орбиты Земли обратно к Солнцу.

Глава 3 «Отклик магнитосферы на неоднородности и волны в солнечном ветре» посвящена исследованию отклика УНЧ-колебаний геомагнитного поля на неоднородности и волны в солнечном ветре как на примере единичных событий, так и на большом объеме наблюдательных данных.

В разделе 3.1 «Анализ спектров длиннопериодных геомагнитных пульсаций, наблюдавшихся на меридиональной цепочке станций» рассмотрены закономерности колебаний на цепочке станций, расположенных вдоль магнитного меридиана 160° (исправленная геомагнитная долгота). Колебания регистрировались вслед за резким падением давления солнечного ветра. Вызванное им смещение магнитопаузы послужило причиной генерации колебаний, наблюдавшихся на всей цепочке станций. Их спектры содержат несколько полос. В спектрах Д-компоненты всех станций выделяется спектральная полоса с максимумом спектральной плотности на частоте /=2.3 мГц (период Г=430 с). Эта частота с небольшими вариациями фиксируется на всей цепочке. Вдоль меридиана максимум спектральной плотности на этой частоте приходится на высокоширотные станции. Колебания в более высокочастотной области (от 4 до 6 мГц) обладают характерной зависимостью частоты от широты. Максимум спектральной плотности на ст. Кресты (Ь=5.9) соответствует частоте 3.8 мГц (7=265 с), а на ст. Туруханск (Ь=4.3) -4.3 мГц (Г=230 с). В спектрах Я-компоненты прослеживаются более сложные закономерности. Таким образом, спектры можно разделить на две группы. Частота главного спектрального пика/=2.2 мГц (450 с) на самой северной станции незначительно отличается от частоты/=2.5 мГц (400 с), ко-

торая прослеживается на остальных станциях цепочки. Энергия колебаний в этой частотной полосе максимальна на L=9.8. Второй спектральный максимум соответствует частоте 3.8 мГц (260 с). Частота следующего спектрального пика имеет широтный тренд от 4.5 мГц (230 с) на ст. Стерлегова (L=8.1) до 5.45 мГц (180 с) на ст. Туру-ханск (L=4.3). В рассматриваемом событии резкого падения плотности, а следовательно и давления солнечного ветра, происходит возбуждение двух типов колебаний, различающихся по морфологическим признакам. Первый тип колебаний регистрируется на всех станциях, его частота/=2.3 мГц (Г-430 с) связана с проникновением УНЧ-волн из солнечного ветра в магнитосферу. Второй тип колебаний наиболее отчетливо регистрируется на станциях L=6.9 и южнее. Преимущественная частота колебаний на станции с максимальной амплитудой (Л=80 нТл) составляет 3 мГц (Г=230 с). Для этих колебаний присуща широтная зависимость частоты; они, по-видимому, связаны с внутримагнитосферными резонансами. О резонансной природе этого дополнительного максимума говорит и смена направления поляризации колебаний второго типа.

В разделе 32 «УНЧ-колебания в солнечном ветре» методом спектрального анализа выделены колебания класса РсЗ (22-100 мГц) межпланетного магнитного поля в солнечном ветре вблизи орбиты Земли. Еще в начале 70-х гг. прошлого столетия Виноградовым и Пархомовым было высказано предположение о внемагнитосфер-ном происхождении некоторых типов геомагнитных пульсаций. Основанием гипотезы послужила обнаруженная этими авторами тесная корреляция между амплитудой колебаний типа РсЗ^ и скоростью солнечного ветра. Мы попытались найти прямые свидетельства существования волн этого диапазона периодов (от 10 до 150 с) в плазме солнечного ветра. В качестве исходных были взяты данные магнитометра, установленного на космическом аппарате WIND. Он находился в межпланетном пространстве на расстоянии около 100 земных радиусов от Земли вверх по потоку солнечного ветра. Измерения ММП с трехсекундным разрешением фильтровались для удаления вариаций с периодом более 300 с, затем вычислялась спектральная плотность отфильтрованных осцилляции. Расчеты показали, что максимум спектра падает на частоту около 0.08 Гц (период 12 с), что лежит в диапазоне геомагнитных

пульсаций РсЗ. Можно предположить, что волны подобного вида сносятся солнечным ветром в область перед околоземным ударным фронтом, где они усиливаются за счет взаимодействия с отраженными от фронта протонами и проникают внутрь магнитосферы, внося свой вклад в спектр геомагнитных пульсаций, как это предполагалось в работах Гульельми и Потапова.

В разделе 3.3 «Вариации спектральных характеристик УНЧ-колебаний диапазона Рс5 в 23-м цикле солнечной активности» исследуется взаимосвязь межпланетных и внутримагнитосферных УНЧ-осцилпяций со скоростью солнечного ветра на большом статистическом материале. Мы выполнили анализ одновременных наблюдений наземных пульсаций типа Рс5, УНЧ-волн в межпланетной среде и основных параметров солнечного ветра за период 23-го цикла солнечной активности 1996-2006 гг. Для отслеживания активности УНЧ-колебаний на поверхности Земли в качестве исходного материала были взяты минутные данные двух почти диаметрально расположенных магнитных обсерваторий: Нурмиярви (NUR) с исправленными геомагнитными координатами Ф=56.9°, Л=102.3° и Ситка (SIT) Ф=59.8°, А=280.3°. Доя каждой из станций формировались годовые массивы минутных данных по трем компонентам. Эти массивы пропускались затем через полосовой фильтр Марме с частотами обрезания, равными 1 мГц и 5 мГц, чтобы получить годовые трехкомпонентные ряды минутных значений УНЧ-колебаний в диапазоне Рс5.

Чтобы очистить данные от резких выбросов и иррегулярных вариаций, характерных в большей степени для ночных часов, из полученных отфильтрованных и нормированных минутных значений трех компонент УНЧ, измеренных на двух диаметральных станциях, формировались суточные массивы дневных значений путем сшивки дневных часов местного времени одной обсерватории с дневными часами другой обсерватории. Затем по каждой из компонент вычислялись суточные значения среднеквадратичного отклонения и подсчитывались их усредненные по трем компонентам значения, которые в дальнейшем использовались в качестве суточных оценок интенсивности (амплитуды) А наземных УНЧ-колебаний, а также вычислялись суточные оценки спектральной плотности колебаний каждой из компонент как функций частоты в диапазоне 1-5 мГц на основе быстрого фурье-преобразования и

подсчитывалась суммарная по трем компонентам суточная спектральная плотность. Далее в каждой из частотных полос 1-2,2-3, 3-4 и 4-5 мГц находились суточные максимальные значения суммарной спектральной плотности FlT\ (j= 1, 2, 3,4) в соответствующих частотных полосах. Аналогичные манипуляции производились с данными наблюдений УНЧ-волн в солнечном ветре (за исключением формирования суточных массивов из данных двух станций). Использовались данные измерений межпланетного магнитного поля на космических аппаратах (КА) АСЕ и WIND, когда они находились в точке либрации L1 на расстоянии 1.5 млн км от Земли вверх по потоку солнечного ветра. В период 1999-2006 гг. КА АСЕ непрерывно находился в точке L1, и использовались только его измерения, поэтому за этот период данные оказались наиболее однородными и некоторые виды анализа выполнялись только для этого интервала. Для анализа полученных данных использовался метод ранговой корреляции по Спирмену. Были вычислены кросскорреляционные функции между вариациями скорости Vsw и других параметров солнечного ветра, с одной стороны, и амплитудой наземных и межпланетных УНЧ-колебаний - с другой. Кросскорреляционные функции УНЧ-активности на Земле и в межпланетной среде со скоростью СВ показаны на рис. 1.

дни

Рис. 1. Функции ранговой кросскоррсляиии между скоростью солнечного ветра и амплитудой УНЧ-колебаний на Земле (А) и в межпланетной среде (5 - амплитуда колебаний ММП в диапазоне 1-5 мГц и 5/В - та же амплитуда, нормированная на модуль ММП В). Положительные значения сдвига соответствуют запаздыванию вариаций скорости СВ относительно вариаций УНЧ-колебаний.

Результаты показали, что амплитуда наземных колебаний А и ненормированная амплитуда межпланетных УНЧ-волн 5 имеют наибольший коэффишент корреляции с при отставании вариаций скорости СВ на одни сутки. Это говорит о том, что резкие усиления амплитуды УНЧ-волн не привязаны к пику скорости потока, а переносятся его передним фронтом. Усиление амплитуды колебаний на Земле, одновременное с всплеском волновой активности в СВ и опережающее на сутки максимум скорости потока, можно объяснить тем, что основным источником магнито-сферных колебаний являются проникающие из солнечного ветра УНЧ-волны. Анализ связи межпланетных и наземных колебаний между собой показал (рис. 2) высокий коэффициент корреляции и острый пик кросскорреляционной функции при нулевом запаздывании между амплитудами осцилляций. Это свидетельствует о том, что колебания в двух средах развиваются одновременно.

Общие выводы, вытекающие из рассмотрения рис. 1 и 2, следующие:

1) скорость СВ тесно связана с УНЧ-активностью как в солнечном ветре, так и в магнитосфере, при этом вариации интенсивности колебаний опережают на сутки вариации скорости СВ;

2) амплитуда наземных и межпланетных УНЧ-колебаний меняется синхронно, без временного сдвига между ними, по крайней мере, для среднесуточных значений;

■л-1-1-1-1-1-г

-3-2-10 1 2 3 дни

Рис. 2. Функции ранговой кросскорредяшш между амплитудой А наземных УНЧ-пулъсаций и нормированной S/B и ненормированной S амплитудой УНЧ-волн в солнечном ветре. Положительные значения сдвига соответствуют запаздыванию вариаций амплитуды наземных колебаний относительно межпланетных.

3) нормированная на напряженность ММП амплитуда УНЧ-волн в СВ слабее, чем ненормированная амплитуда, коррелирует и со скоростью СВ, и с амплитудой наземных Рс5.

Связь интенсивности А наземных колебаний с интенсивностью 5 колебаний в солнечном ветре оказывается несколько менее тесной, чем со скоростью СВ (0.72 и 0.74 соответственно). И наоборот, интенсивность Б межпланетных осцилляций лучше коррелирует с наземной амплитудой А, чем со скоростью СВ (0.72 и 0.70 соответственно). Связь наземных и межпланетных колебаний со скоростью СВ в цикле солнечной активности менялась в целом синфазно.

В разделе 3.4 «Связь улыранизкочастотной волновой активности в солнечном ветре и в магнитосфере Земли с вариациями потоков релятивистских электронов во внешнем радиационном поясе» исследовался отклик потоков релятивистских электронов на геосинхронной орбите в 23-м цикле солнечной активности на вариации параметров солнечного ветра и УНЧ-активности на Земле и в межпланетной среде.

Исследования выявили, что из всех параметров поток электронов существенно коррелирует лишь со скоростью солнечного ветра. Этот качественный вывод подтвердился и вычисленными коэффициентами корреляции. На рис. 3 приведены кросскорреляционные функции ранговой корреляции по Спирмену между временным рядом суточных значений потока релятивистских электронов и соответствующими рядами основных параметров солнечного ветра.

Сзмг.дш

Рис. 3. Функции ранговой кросскорреляшш между основными параметрами солнечного ветра и потоком релятивистских электронов (£>2 МэВ) на геосинхронной орбите.

Приведенные кривые показывают, что коэффициент ранговой корреляции между скоростью солнечного ветра и потоком электронов имеет максимум (г-0.6) при сдвиге между этими параметрами, равном двум суткам. Двухдневное запаздывание усиления потоков электронов после повышения скорости СВ отмечалось ранее и другими авторами. Суточный сдвиг реакции электронов на понижение плотности межпланетной плазмы (при коэффициенте корреляции -0.52) является новым фактом, соответствующим опережению вариаций плотности на одни сутки по отношению к вариациям потока частиц на геосинхронной орбите.

Максимальные значения коэффициентов ранговой корреляции электронов с интенсивностью УНЧ-волн в солнечном ветре меньше, чем со скоростью солнечного ветра, и нормированная интенсивность УНЧ-волн лучше ненормированной коррелирует с потоками электронов. Максимум корреляции наблюдается при запаздывании вариаций электронов относительно УНЧ-волн на 2-3 сут (рис. 4).

Расчет функции ранговой кросскорреляции суточного потока релятивистских (Е>2 МэВ) электронов с интенсивностью А и спектральными плотностями наземных пульсаций за весь период 1996-2006 гг. показал, что наивысшая корреляция как амплитуды во всем диапазоне 1-5 мГц, так и спектральной плотности в отдельных поддиапазонах достигается при опережении временного ряда УНЧ-колебаний по отношению к ряду потока электронов на трое суток (рис. 5).

Рис. 4. Функции ранговой кросскорреляции между суточными значениями потока релятивистских электронов на геосинхронной орбите ]е\ и интенсивностью УНЧ-колебаний в диапазоне Рс5 5/В и 5 за период 1999-2006 гг. Приведена также кросскорреляционная функция для скорости солнечного ветра К».

Рис. 5. Функции ранговой кросскорреляции между суточными значениями флюенса потока релятивистских электронов на геосинхронной орбите Л1 и интенсивностью А и оценками спектральной плотности Fgn наземных УНЧ-колебаний в диапазоне Рс5 за период 1996-2006 гг.

Глава 4 «Структура УНЧ-колебаний в магнитосфере во время умеренной магнитной бури» содержит результаты изучения волнового поля внутри магнитосферы на примере осцилляций, наблюдавшихся в период геомагнитного возмущения, обусловленного приходом к Земле высокоскоростного потока солнечного ветра.

В разделе 4.1 описаны условия, сложившиеся в межпланетной плазме на момент начала геомагнитного возмущения 21-22 января 2005 г. и во время его. Использованы измерения, выполненные на КА АСЕ и WIND. Они зафиксировали набегание на магнитосферу межпланетной ударной волны (МУВ), вызвавшей на земной поверхности внезапное начало магнитной бури (SSC). Магнитные и плазменные измерения, выполненные на спутниках, показали наличие повышенного фона УНЧ-колебаний в диапазоне Рс5 позади фронта МУВ.

Раздел 4.2 содержит анализ пространственного распределения амплитуды Рс5 внутри магнитосферы. Использовались данные наземных и спутниковых магнитных измерений и радиолокационные наблюдения одного из радаров системы SuperDARN. И на Земле, и в магнитосфере, и по доплеровским измерениям на уровне ионосферы очевидны острые спектральные пики, являющиеся результатом резонансных свойств магнитосферы.

В разделе 4.3 вычислены кросс-спектральные характеристики и выполнен анализ когерентности между спектрами колебаний на различных станциях и в различных областях магнитосферы. Обнаружена более тесная связь между актив-

ностью УНЧ-колебаний, наблюдаемых на Земле на одном меридиане на различных широтах, чем между УНЧ-волнами, наблюдавшимися вдоль одной параллели на разных меридианах. То же относится к колебаниям в космосе: когерентность между пульсациями Рс5, наблюдаемыми около вершины силовой линии и в ее основании, намного выше, чем между двумя геостационарными спутниками, находящимися в двух разных меридиональных плоскостях. Соответствие между вариациями скорости конвекции в ионосфере и магнитными колебаниями на Земле оказывается высоким, по крайней мере оно не ниже, чем между магнитными пульсациями на соседних меридианах.

В заключении приводятся основные результаты работы и подводятся итоги проведенных исследований.

Корреляция электронов со скоростью СВ неизменно оказывалась более высокой, нежели с амплитудой (или спектральной мощностью) магнитосферных УНЧ-волн. Непосредственным источником осцилляции в магнитосфере являются УНЧ-волны в солнечном ветре, самой важной причиной, по которой коэффициент корреляции между и Уе1 превышает коэффициент корреляции между амплитудой УНЧ А и потоком электронов 7еЬ является различие в механизмах проявления данной зависимости. Вариация скорости СВ определяется солнечным источником потока и его эволюцией во время распространения до орбиты Земли, в то время как поток релятивистских электронов определяется временной зависимостью баланса источников и стоков (потерь) популяции энергичных электронов во внешнем радиационном поясе. Взаимодействие УНЧ-волн с частицами обеспечивает источник, но сток определяют другие механизмы, в частности ОНЧ-эмиссии, что ограничивает уровень корреляции между Л и 1С\. В то же время в типичном высокоскоростном потоке СВ скорость нарастает обычно в течение двух-трех суток (причем в первые сутки наблюдается максимально высокая активность УНЧ-колебаний, но в целом УНЧ-волны активны не более двух суток) и постепенно спадает в последующие пять-шесть суток, что примерно совпадает с типичным временем релаксации потоков релятивистских электронов в магнитосфере Земли. Поскольку основной вклад во взаимную корреляцию трех этих параметров А и ^ вносят высокоскоростные потоки СВ, на-

блюдается высокая корреляция электронов с Vsw и существенно более низкая с А. Подтверждена тесная связь скорости солнечного ветра с интенсивностью наземных УНЧ-колебаний (КРК за 1996-2006 гг. равен 0.73), и выявлена почти такая же тесная связь скорости СВ с межпланетными УНЧ-волнами в солнечном ветре (КРК за 1999-2006 гг. равен 0.70). В отличие от результатов работ других авторов, максимум кросскорреляционной функции достигается при запаздывании на сутки вариаций скорости солнечного ветра относительно вариаций амплитуды как наземных, так и межпланетных колебаний. Высокая корреляция наблюдается и между интенсивностью наземных и межпланетных УНЧ-колебаний, КРК меняется от -0.6 в максимуме цикла до 0.78 в конце фазы спада.

Итак, проведенные нами исследования позволяют предложить следующую картину волнового аспекта солнечно-магнитосферного взаимодействия. Основным агентом, переносящим волны от поверхности Солнца, являются рекуррентные и спорадические высокоскоростные потоки солнечного ветра. Наиболее интенсивными являются спорадические потоки, образующиеся в результате корональных выбросов массы, большинство из которых считается связанными с солнечными вспышками. Вспышки привязаны к гелиосферному токовому слою и наиболее вероятны, когда этот слой пересекает гелиографический экватор. Вынесенные с поверхности Солнца высокоскоростными потоками волны достигают магнитосферы Земли. Их интенсивность, так же как и интенсивность внутримагнитосферных колебаний в том же частотном диапазоне, максимальна на переднем фронте потока за сутки до пика скорости потока. В среднем через трое суток после усиления волновой активности и через двое суток после прихода к Земле максимума высокоскоростного потока наблюдается усиление на геостационарной орбите потоков релятивистских электронов, ускоренных за счет резонансного дрейфового взаимодействия частиц с проникшими в магнитосферу УНЧ-волнами.

Основные результаты и выводы работы:

1. Обнаружен эффект концентрации солнечных вспышек вблизи гелиосферного токового слоя. На фазе спада солнечной активности в 1971-1975 гг. этот эффект проявился особенно отчетливо.

2. Выявлен четкий максимум кросскорреляционной функции между скоростью солнечного ветра и активностью как наземных, так и межпланетных УНЧ-колебаний при суточном запаздывании значений скорости солнечного ветра.

3. Обнаружен высокий коэффициент корреляции (0.72) между одновременными рядами амплитуды наземных и межпланетных УНЧ-колебаний при нулевом запаздывании между ними, что может свидетельствовать о прямом проникновении УНЧ-волн из солнечного ветра в магнитосферу.

4. Показано, что вариации амплитуды УНЧ-волн в солнечном ветре и УНЧ-колебаний (Рс5) на земной поверхности имеют примерно одинаковый коэффициент корреляции с запаздывающим на трое суток потоком релятивистских электронов на геосинхронной орбите.

Публикации по теме диссертации

1. Коржов Н.П., Боровик Л.В. Эффект концентрации солнечных вспышек вблизи гелиосферного токового слоя // Известия Академии наук СССР. 1988. Т. 52, № 12. С. 2407-2410.

2. Пархомов В.А., Мишин В.В., Боровик Л.В. Отклик магнитосферы на отрицательный импульс давления солнечного ветра 22 марта 1979 г. // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1997. Вып. 106. С. 101-110.

3. Parkhomov V.A., Mishin V.V., Borovik L.V. Long-period geomagnetic pulsations caused by the solar wind negative pressure impulse on March 22,1979 (CDAW-6) // Ann. Geophys. 1998. V. 16. P. 134-139.

4. Рыжакова Л.В. Обнаружение колебаний типа Рс2-РсЗ в вариациях межпланетного магнитного поля // Вестник ИрГТУ. 2008. № 3. С. 202-205.

5. Потапов А.С., Цэгмэд Б., Рыжакова Л.В. Релятивистские элеюроны на геостационарной орбите и УНЧ-акгивность в магнитосфере и солнечном ветре в 23-м цикле солнечной активности // Всероссийская конференция «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра - 2010». Москва, ИКИ РАН, 2010. С. 41.

6. Потапов А.С., Амата Э., Полюшкина Т.Н., Рыжакова JI.B. Анализ глобаль-ых УНЧ-колебаннй по спутниковым, наземным и радиолокационным данным // Іестник ИрГТУ. 2011. Т. 49, № 2. С. 174-179.

7. Потапов А.С., Цэгмэд Б., Рыжакова JI.B., Полюшкина Т.Н. УНЧ-колебания в ;ежлланетном и геомагнитном поле и релятивистские электроны в магнитосфере: ариации взаимосвязей в 23-м цикле // 9-я Российско-Монгольская конференция по строномии и геофизике. Иркутск, 10-13 октября 2011 г.: Программа и тезисы док-адов /ИСЗФ СО РАН. 2011. С. 13.

8. Potapov A.S., Amata Е., Polyushkina T.N., Coco I., Ryzhakova L.V. A case study f global ULF pulsations using data from space borne and ground-based magnetometers id a SuperDARN radar// Космична наука і технологія. 2011. T. 17, № 6. С. 54-67.

9. Потапов А.С., Цэгмэд Б., Рыжакова JI.B. Связь потоков релятивистских элек-эонов на геостационарной орбите с уровнем УНЧ-активности на поверхности Зем-и и в солнечном ветре в 23-м цикле солнечной активности // Космические исследо-ания. 2012. Т. 50, № 2. С. 130-146.

Цитируемая литература

1. Коржов Н.П. Карты полярностей глобального магнитного поля Солнца и онфигурации межпланетного токового слоя в 1971-1978 гг.: Препринт СибИЗМИР :0 АН СССР № 2-82. Иркутск, 1982.36 с.

Отпечатано в издательском отделе

ИСЗФ СО РАН Заказ № 122 от 27 февраля 2012 г. Объем 20 с. Тираж 150 экз.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Рыжакова, Лариса Владимировна, Иркутск

61 12-1/665

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 550.38+550.385.37+550.389.3

Рыжакова Лариса Владимировна

ПРОЯВЛЕНИЕ СОЛНЕЧНО-ЗЕМНЫХ СВЯЗЕЙ В УЛЬТРАНИЗКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЯХ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Специальность 25.00.29 физика атмосферы и гидросферы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители Доктор физ.-мат. наук В.Г. Власов Доктор физ.-мат. наук A.C. Потапов

Иркутск-2012

Содержание

Введение.....................................................................................4

Глава 1. Геомагнитные пульсации и методы их анализа...........................9

1.1. Геомагнитные пульсации, как объект исследования............................9

1.2. Краткое описание методов анализа...............................................14

Глава 2. Физические явления на Солнце, приводящие к возмущениям

в солнечном ветре и в земной магнитосфере.........................................21

2.1. Общий обзор геоэффективных явлений на Солнце............................21

2.2. Эффект концентрации солнечных вспышек вблизи гелиосферного

токового слоя...............................................................................26

Глава 3. Отклик магнитосферы на неоднородности солнечного ветра.......33

3.1. Анализ спектров длиннопериодных геомагнитных пульсаций, наблюдавшихся на меридиональной цепочке станций...........................33

3.2. Отклик УНЧ колебаний геомагнитного поля на неоднородности

и волны в солнечном ветре..............................................................41

3.3. УНЧ колебания в солнечном ветре ..............................................52

3.3.1. Исходные данные и процедура их обработки................................53

3.3.2. Взаимная корреляция активности УНЧ волн в солнечном ветре, колебаний Рс5 на Земле и скорости солнечного ветра...................................58

3.3.3. Связь ультранизкочастотной волновой активности в солнечном ветре и в магнитосфере Земли с вариациями потоков релятивистских электронов во внешнем радиационном поясе .........................................................66

Глава 4. Структура УНЧ колебаний в магнитосфере во время умеренной

магнитной бури ............................................................................91

4.1. Введение. Анализ внешних условий, приведших к началу магнитной бури............................................................................................92

4.2. Пространственное распределение амплитуды Рс5 по наземным, спутни-

ковым и радиолокационным данным...................................................94

4.3. Кросс-спектральные характеристики и когерентность колебаний

в разных областях магнитосферы.....................................................100

4.4. Обсуждение и выводы..............................................................103

Заключение................................................................................105

Литература...............................................................................107

ВВЕДЕНИЕ

Работа посвящена отдельным деталям солнечно-земного взаимодействия, главным образом, его волновому аспекту.

Актуальность работы

Волны, генерируемые на Солнце, играют большую роль в динамике внешних областей солнечной атмосферы и являются одним из основных механизмов разогрева короны. Имеются многочисленные наблюдения колебаний в диапазоне периодов 3-5 минут в активных областях Солнца и в коро-нальных дырах. В дальнейшем часть энергии этих волн выносится солнечным ветром и, можно предположить, транспортируется вместе с потоком солнечной плазмы в межпланетное пространство. Достигая орбиты Земли, волны частично проникают внутрь магнитосферы, инициируя раскачку мощных магнитосферных колебаний того же УНЧ диапазона. На поверхности Земли эти колебания наблюдаются в виде геомагнитных пульсаций, в частности, пульсаций Рс5, имеющих периоды от 150 до 600 секунд. Процесс генерации осцилляций в магнитосфере особенно усиливается, когда земную орбиту пересекают высокоскоростные потоки солнечного ветра с повышенным уровнем волновой энергии. Внутри магнитосферы колебания участвуют во взаимодействии волна-частица с заряженными частицами, захваченными в геомагнитном поле. Одним из механизмов такого взаимодействия является дрейфово-резонасный механизм, заключающийся в передаче энергии волн захваченным во внешнем радиационном поясе электронами. Условием резонанса является совпадение времени дрейфа электронов вокруг Земли с периодом УНЧ колебаний. При этом электроны ускоряются до релятивистских энергий в несколько МэВ. Потоки таких электронов представляют серьезную угрозу для работы бортовых систем космических аппаратов, находящихся на геостационарной орбите. С этим связано практическое значение работы, по-

скольку ее результаты вносят вклад в выяснение процессов формирования космической погоды и дают материал для разработки методов ее прогноза. Целью работы является анализ некоторых геоэффективных явлений на Солнце и изучение связей УНЧ колебаний геомагнитного поля с процессами в солнечном ветре, а также выявление роли этих колебаний в ускорении электронов внешнего радиационного пояса Земли.

Научная новизна

В работе впервые были получены новые результаты:

1. На фазе спада солнечной активности обнаружен эффект концентрации солнечных вспышек вблизи гелиосферного токового слоя, этот эффект зависит от долготы и он максимален тогда, когда гелиосферный токовый слой пересекает гелиографический экватор.

2. Выявлен четкий максимум кросскорреляционной функции между скоростью солнечного ветра (СВ) и активностью УНЧ колебаний, как наземных, так и межпланетных, при суточном запаздывании значений скорости СВ относительно амплитуды УНЧ.

3. Обнаружен высокий коэффициент корреляции (0.72) между одновременными рядами амплитуды наземных и межпланетных УНЧ колебаний при нулевом запаздывании между ними.

4. Обнаружен суточный сдвиг реакции электронов на изменение плотности межпланетной плазмы (при коэффициенте корреляции -0.52), соответствующий опережению вариаций плотности в одни сутки по отношению к вариациям потока частиц на геосинхронной орбите.

Научная и практическая ценность работы

Научная ценность работы заключается в выяснении процессов формирования космической погоды, которые дают материал для разработки методов ее прогноза.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов определяется сопоставлением теоретических выводов с наблюдательными дан-

5

ными, использованием больших массивов данных при статистической обработке материала, сравнением с выводами других авторов.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Эффект концентрации солнечных вспышек вблизи гелиосферного токового слоя, особенно отчетливо заметный на фазе спада солнечной активности.

2. Суточное запаздывание вариаций скорости солнечного ветра по отношению к вариациям активности УНЧ колебаний как на земной поверхности, так и в плазме солнечного ветра.

3. Высокая корреляция между наземными и межпланетными УНЧ колебаниями при нулевом запаздывании между ними, что может свидетельствовать о прямом проникновении УНЧ волн из солнечного ветра в магнитосферу.

4. Вариации амплитуды УНЧ волн в солнечном ветре и УНЧ колебаний (Рс5) на земной поверхности имеют почти равные коэффициенты корреляции с запаздывающим на трое суток потоком релятивистских электронов на геосинхронной орбите.

Апробация работы и публикации

Основные результаты диссертации докладывались на следующих международных и отечественных научных конференциях: Всесоюзная конференция по физике Солнца. Алма-Ата, 22-26 июня 1987г; Всесоюзная конференция по космическим лучам. Алма-Ата, 13-15 сентября 1988г; Международная конференция «Problems of Geospace 2», St. Peterburg, Russia, June 17-23, 1996; Международная конференция «Problems of Geocosmos », St. Peterburg, Russia, June 29-July 3, 1998; Международная конференция «Super DARN as a powerful instrument for space science research: Principles, technique, results», Irkutsk, Russia, 26-29 August, 2008; COST Action ES0803 «Developing Space Weather Products and Services in Europe», Frascati, Italy, 1-3 April 2009, Международная конференция «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра -

6

2010», Москва, ИКИ РАН, 21-24 декабря 2010 г.; 9-я Российско-монгольская конференция по астрономии и геофизике, Иркутск, ИСЗФ СО РАН, 10-13 октября 2011 г.

По теме диссертации опубликовано 9 научных работ.

Личный вклад

Результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно. Автором был поставлен ряд задач по анализу процессов в активных областях Солнца, взаимосвязей между УНЧ волнами в солнечном ветре и на Земле, параметрами солнечного ветра и потоками энергичных электронов в магнитосфере. Автором разработаны алгоритмы обработки наблюдательных данных, выбраны методы статистического анализа, наиболее адекватные используемым данным и решаемым задачам.

Общая структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Объем основного текста составляет 116 страниц, 51 рисунок, 4 таблицы, библиография — 117 названий.

В Главе 1 приведен обзор литературы, посвященной исследованию УНЧ колебаний в солнечном ветре и в магнитосфере Земли, а также даны математические методы анализа колебаний, используемые в диссертации.

В Главе 2 приводятся результаты исследований закономерности распределения солнечных вспышек, связанных с крупномасштабной организацией магнитных полей на Солнце.

В Главе 3 рассматривается отклик УНЧ колебаний геомагнитного поля на неоднородности и волны в солнечном ветре, а также выполнен анализ одновременных наблюдений наземных пульсаций типа Рс5, УНЧ волн в межпланетной среде и основных параметров солнечного ветра за период 23-го цикла солнечной активности 1996-2006 гг. Здесь же исследована связь между основными параметрами солнечного ветра и потоками релятивистских электронов на геосинхронной орбите в 23-м цикле солнечной активности.

Глава 4 содержит картину волнового поля УНЧ колебаний в магнитосфере Земли во время геомагнитной бури по данным наземных, спутниковых и радиолокационных измерений.

В Заключении перечислены основные результаты проведенных исследований.

Глава 1. Геомагнитные пульсации и методы их анализа

1.1. Геомагнитные пульсации, как объект исследования

Наблюдаемые на поверхности Земли и в магнитосфере быстрые колебания геомагнитного поля называют геомагнитными пульсациями. Используются и другие названия - микропульсации, ультранизкочастотные осцилляции, короткопериодные колебания. По своей природе геомагнитные пульсации - это гидромагнитные волны, распространяющиеся в магнитосфере Земли [1]. Спектр их частот заключен в интервале от единиц миллигерц до нескольких герц. Имеется большое разнообразие видов геомагнитных пульсаций, отличающихся друг от друга своими свойствами и морфологическими характеристиками. Для удобства и единообразия описания пульсаций была принята их международная классификация, за основу которой был взят морфологический признак, впервые четко сформулированный в работах [2,3]. Многообразие видов пульсаций было разделено на два больших класса - иррегулярные (импульсные) пульсации Pi (pulsations irregular) и непрерывные Рс (pulsations continuous). Импульсные пульсации Pi, имеющие вид отдельных всплесков с нестационарным спектром длительностью в несколько минут, характерны для ночного времени, а непрерывные (Рс), продолжающиеся несколько часов с квазисинусоидальной формой и устойчивым режимом -для дневного. По частотному диапазону (периоду колебаний) геомагнитные пульсации условно разделяются на следующие типы [4]: Pel (Т=0.2-5.0 с), Pil(T=l-40 с), Рс2 (Т=5-10 с), Pi2 (Т=40- 150 с) РсЗ (Т= 10-45 с), Pi3 (Т>150 с) Рс4 (Т= 45-150 с), Рс5 (Т=150-600 с), Рсб (Т>600 с)

Деление на классы и типы проведено на основании физических и морфологических свойств пульсаций. Амплитуда короткопериодных геомагнитных пульсаций (Pcl-2, Pil) составляет сотые и десятые доли нТл, а длинно-периодных пульсаций может достигать нескольких сотен нТл. Уже в ранних работах [1,3] была показана возможность использования пульсаций на земной поверхности для диагностики магнитосферы.

Рассмотрим более подробно некоторые типы пульсаций. Геомагнитные пульсации Pel представляют собой квазисинусоидальные колебания с частотой от 0.2 до 5 Гц, имеющие характерную модуляцию амплитуды в виде отдельных волновых пакетов, создающих сложную картину биений. Длительность серий Pel составляет от получаса до нескольких часов, максимум их появления отмечается в ранние утренние часы местного времени. В средних широтах амплитуды Pel пульсаций составляют 0.01-0.1 нТл. Колебания могут одновременно регистрироваться в большом диапазоне долгот (до 120°) и нескольких сотен километров по широте.

Пульсации типа Рс2 (5-10 с), по всей видимости, не относятся к самостоятельному виду колебаний. Как показано в работе [5], часть наблюдаемых в этом диапазоне колебаний имеют ту же природу, что и "жемчужины", но их несущая частота ниже благодаря повышенной плотности фоновой плазмы или существенной доле тяжелых ионов в области генерации. Другая часть Рс2 служит продолжением в область высоких частот пульсаций РсЗ, номинальный диапазон которых лежит в пределах от 10 до 45 секунд. Несущий период этих генерируемых перед ударным фронтом колебаний смещается в диапазон Рс2 тогда, когда Земля погружается в так называемую магнитную область плазменного потока, следующего за межпланетной ударной волной, где значение модуля межпланетного магнитного поля (ММП) превышает 1520 нТл. В этом случае частота возбуждаемых волн попадает в область Рс2.

Длиннопериодные пульсации РсЗ-Рс4 наблюдаются почти непрерывно на обращенной к Солнцу стороне Земного шара. Амплитуда самых распространенных РсЗ колебаний с периодом порядка 20-30 секунд в средних ши-

10

ротах составляет десятые доли нТл, а в высоких - единицы и первые десятки нТл [6]. Среднеширотные Рс4 имеют обычно амплитуду в единицы, а высокоширотные — десятки нТл, колебания волн могут продолжаться часами. Первичным источником волн диапазона Рс3^4 является турбулентная область перед фронтом ударной волны, где происходит возбуждение волн пучками отраженных протонов на фронте ударной волны [7].

Пульсации Рс5 от других типов устойчивых пульсаций отличаются не только большими периодами (150-600 с, f ~ 1.5-6.0 мГц) и огромными амплитудами, но и четкой связью с магнитной возмущенностью. В высоких широтах амплитуды Рс5 обычно составляют порядка 40-200 нТл и в условиях сильной возмущенности могут достигать 300-400 нТл и более. В спектре пульсаций обычно наблюдается несколько максимумов [6].

Пульсации Рс5 являются, в основном, высокоширотным явлением и типичны для восстановительной фазы суббури. Возбуждение этих волн в утреннем секторе сопровождается одновременным развитием магнитосферной суббури в ночном секторе. При этом амплитуда утренних Рс5 пульсаций возрастает с ростом интенсивности ночной суббури. Максимум амплитуды Рс5 наблюдается в авроральной зоне и смещается к более низким широтам при увеличении магнитной активности. Типичная амплитуда Рс5 не превышает 30 нТл в максимуме амплитудного профиля. Обычно их длительность составляет от 0.5 до 1.5 часов. Период пульсаций увеличивается с увеличением широты, что свидетельствует о резонансной природе волн. Так, в условиях умеренной геомагнитной возмущенности на широтах -70 градусов преобладающий период Рс5 составляет ~ 2 мГц, а на широтах ~60 градусов — около 3 мГц. В сопряженных точках Рс5 пульсации наблюдаются одновременно, направление вращения горизонтального вектора волн в обоих полушариях совпадает, если смотреть в направлении геомагнитного поля.

Многочисленные наблюдения на спутниках в магнитосфере Земли показали, что на больших расстояниях (Ь > 7-8) геомагнитные пульсации диапазона Рс5 являются типичным явлением. При этом в утренние часы на гео-

11

синхронной орбите преимущественно наблюдались тороидальные колебания с четко выраженной поперечной (азимутальной) компонентой, а в послеполуденные — более узкополосные полоидальные колебания с наибольшими амплитудами в радиальной и продольной компонентах поля [8]. Основным источником энергии резонансных Рс5 колебаний считают неустойчивость Кельвина-Гельмгольца на магнитопаузе, а также импульсы динамического давления солнечного ветра.

Высокоширотные Рс5 - не единственный тип колебаний в диапазоне единиц миллигерц (0.0017-0.0067 Гц). Те же частоты имеет подкласс глобальных геомагнитных пульсаций Рс5, который был выделен в работах [9,10]. Там же сформулированы отличительные свойства этого подкласса колебаний:

- типичная амплитуда высокоширотных Рс5 не превышает 30 нТл в максимуме амплитудного профиля. В случае глобальных Рс5 амплитуда на авроральных станциях достигает нескольких сотен нанотесел. Это на порядок выше амплитуды высокоширотных Рс5;

- высокоширотные пульсации Рс5 обычно длятся 0.5-1.5 ч. Длительность глобальных Рс5 обычно превышает нескольких часов;

- спад амплитуды от авроральных к средним широтам в случае глобальных Рс5 происходит намного более плавно, чем для высокоширотных Рс5. Более того, для глобальных Рс5 характерно приэкваториальное усиление амплитуды. Высокоширотные же Рс5 типичны для авроральных и субавро-ральных областей. Г