Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Влияние параметров околоземной среды на развитие магнитосферной суббури

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Влияние параметров околоземной среды на развитие магнитосферной суббури"

V V 1 I г' 9

•■'с'

Санкт-Петербургский государственный университет

На правах рукописи

ДМИТРИЕВА Натапия Петровна

УДК 550.385.36

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОКОЛОЗЕМНОЙ СРЕДЫ НА РАЗВИТИЕ МАГНИТОСФЕРНОЙ СУББУРИ

04.00.22 - геофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1992

Работа выполнена в Полярном геофизическом институте Кольского научного центра РАН.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук Сергеев В.А.

Официальные оппоненты! доктор физико-ыатеыатичесних наук

Семенов B.C. /Шт СПбГУ/, кандидат физнко-ыатеиатических наук Франк-Каиенецкий А.Д. /ААНИИ/. Ведущая организация» Институт космических исследований РАН

/Москва/, __ Защита диссертации состоится 1992 г. в Уь час.

_____ мин. в ауд. ' на заседании специализированного Совета Д.063,57.51 при Санкт-Петербургскоы государственной университете по адресу: г.Санкт-Петербург, Университетская набережная 7/9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке им. А.М.Горького СПбГУ. <-

Реферат разослан 1992 г.

Ученый секрктарь специализированного Совета

С.А.Зайцева.

ГОС.'Л

.V

8Р --' ■■>.•■'

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация содержит результаты исследования причин и условий начала взрывной фазы магнитосферной суббури и характеристик межпланетной среды, определяющих величину полярной экспансии западного электродаета во время взрывной фазы.

Актуальность проблемы. Взрывная фаза магнитосферной суббури является одним из наиболее часто наблюдаемых, ярких, динамических процессов, во время которого в магнитосфере происходят существенные структурные и энергетические изменения. Неослабевающий интерес я исследованию суббури объясняется с одной стороны практической потребностью про гнездования возмущений магнитного поля и ионосферы высоких широт, а с другой стороны - тесной связью суббури с фундаментальными проблемами магнитосферной физики, тагами как: преобразование энергии солнечного ветра во шутреннп» энергии 1гаг-нитосферы, генерирование крупномасштабного электрического поля, устойчивость хвоста магнитосферы. Несмотря на многолетние интенсивные исследования, до сих пор о старт ся. спорными некоторые моменты физической картины развития суббури. К таким спорным моментам относится и проблема причин и условий начала взрывной фазы.

Возможны два пути влияния характеристик межпланетной среды на развитие магнитосферной суббури. Во-первых, они, главным образом В^ММП и скорость солнечного ветра, играют ключевую роль в процессе преобразования анергии солнечного ветра во внутреанта энергии магнитосферы. Скорость поступления в магнитосферу добавочной энергии пропорциональна величинам В5 , £ и т.п. Превышение некоторого критического уровня накопленной в магнитосфере энергии может привести к развитии неустойчивости в ночной области магнитосферы и началу взрывного процесса. Существований такого механизма начала взрывной фазы, весьма вероятного с теоретической точки зрения, до схсс пор, однако, не подтверждено экспериментально. Зо-вторых, возыокно непосредственное триггирование взрывной фазы межпланетными неоднородаостями при их взаимодействии с магнитосферой. Результаты многочисленных исследований показывают, что существование такого процесса такге очень вероятно, но не доказывают причинно-следственнуп связь между воздействием меяпланетных разрывов и началом взрыва.

Двум списанном выше путям воздействия ыешаанетной среда на магнитосферу соответствует два принципиально различных подхода а

проблеме причин и условий начала взрывной фазы суббури. Один из них предполагает существование некоторого подготовительного периода в развития суббури, во время которого происходят процесса структурной перестройки геомагнитного поля и роста внутримагнито-сферной энергии, которые и создают условия, необходимые для начала взрыва. Согласно другому подходу, энергия солнечного ветра преобразуется в энергию суббури, минуя стадию накопления. Непосредственной причиной начала взрыва ори этом является взаимодействие магнитосферы с межпланетными неоднородностяш, на фронтах которых появляется направленная к юу Бг УШ, или вертикальная компонента, наоборот, переворачивается к северу, или имеет место скачок динамического давления солнечного ветра. В литературе имеются экспериментальные данные в поддеркку обеих конкурирующих точек зрения.

Разрешение указанных противоречий тайно как для практических целей прогнозирования, так и с точки зрения фундаментальных исследований магнитосферы для построения физической модели магнитосфер-ной суббури.

Одной из важных энергетических характеристик взрывной фазы суббури является плоцадь авроральной выпуклости и, в частности, величина полярной экспансии западного злевтродаета. В этой связи актуальной задачей является исследование зависимости величины полярной экспансии от условий в околоземной среде.

Целью диссертационной работы является исследование закономерностей перехода магнитосферы к взрывной фазе суббури в зависимости от условий в межпланетной среде. Исследуются временные характеристики переходного процесса: а/ запаздывание начала взрывной фазы после переворота В^ ШП к югу и его зависимость от величины параметров, определяющих скорость поступления энергии в магнитосферу - В3 , , £ ; б/ время формирования отклика магнитосферы на воздействие межпланетных разрывов и его зависимость от условий на фронте разрыва. В диссертации исследуется также влияние условий в межпланетной среде на величину полярной экспансии западного алектродаета во время взрывной фазы суббури.

На задиту выносятся: I. Положение о существовании двух типов суббурь, спонтанных и стимулированных, отличащихся по условиям и причинам начала взрывной фазы. 2. Положение о существовании обратной зависимости длительности предварительной фазы спонтанных суббурь от скорости поступления анергии из солнечного ветра в магнитосферу, подтверждающей реальность предварительной фазы для суббурь этого типа. 3. Положение о триггировашш взрывной фазы ыагнитосферкой суббури межпланетными разрывами, на фронте кото-

рых наблюдается положительные ступенчаты© вариации или юшуяьсы В^МШ.

Диссертация базируется на данных об ШП и параметрах межпланетной среда, полученная на спутниках 1МР-8, 15ЕЕ-1, а также данных мировой сети магното-вариационных станций за период 19751980 гт. Использовались_также данные среднечасовых величин МШ в параметров солнечного ветра за период 1963-1975 гт. и данные о вариациях геомагнитного поля на станциях северной и пкной полярных шапок. Для исследования отдельных событий привлекались данные о полярных сияниях.

Научная новизна. Впервые экспериментально доказано существование предварительной фазы для изолированных суббурь спонтанного типа; получено количественное соотношение между длительностью предварительной фазы и величиной параматров, определяющих скорость поступления энергии из солнечного ветра в магнитосферу.

¿Первые экспериментально доказано существование двух типов суббурь, спонтанных и триггарованных, различавшихся по условиям и причинам начала взрывной фазы.

Впервые экспериментально доказано существование причинно-следственной сеязи между воздействием на магнитосферу межпланетных разрывов и началом взрывной фазы суббури. Показано, что гео-эффективнш параметром, вызывающим начало взрыва, являются положительные ступенчатые вариации и импульсы 3£ аШ. Получена величина запаздывания начала взрывной фазы от оценочного времени первого контакта магнитосферы с фронтом межпланетной неоднородности.

Взервые экспериментально доказана связь между суббурями с аномально большой величиной полярной экспансии западного электро-дхета и высокоскоростными потоками солнечного ветра; предложен метод диагностики высокоскоростных потоков по наблюдениям геомагнитных вариаций в полярных шапках.

Научная и практическая значимость. Полученные в работе количественные результаты о длительности предварительной фазы спонтанных суббурь и овелкчине запаздывания начала взрывной фазы стимулированных суббурь могут быть кспо^эоэгшы при разработке физической модели магкитосферкой суббури, кменду частотой появления суббурь на широтах полярных.папок и количеством высокоскоростных потоков в солнечном ветре монет быть использована для диагностики и исследования последних, глазным образом их длюшопериодкых вариаций.

Реализация работы. Результаты исследования использовались при выполнении робот по темам НИР ПГИ и НИШ> ЛГУ.

Апробация. Результаты исследований доложены на меадународном симпозиуме КАПГ в г. Иркутске /1979/, международном симпозиуме "Подщжые геомагнитные явления" в г. Суздале /1986/, всесоюзном семинаре в г. Иркутске /1386/,'на семинарах и научных сессиях ПГИ и НЩ ЛГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано б работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 147 страниц машинописного теиста, 24 рисунка, 4 таблица, библиографию из 163 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель работы, приведены основные положения, вынесенные на защиту, кратко изло&ено содержание работы.

В первой глава представлен обзор, главным образом, экспериментальных данных о связи магнитосферной суббури с параметрами околоземной среда, излажены существующие представления о возможных причинах начала взрывной фазы суббури, сфорцулирована задача исследования и определены средства и метода ее решения. Из приведенных данных следует, что причины начала взрывной фазы могут быть равными при разных условиях в межпланетной среде. Ключевым параметром при исследовании причин начала взрыва может быть характерное время переходного процесса от стабильного состояния магнитосферы к взрывной фазе суббури.

Во второй главе исследуются среднестатистические условия начала взрывной фазы изолированных суббурь и длительность их предварительной фазы.

В первом разделе показано, что по условиям начала взрывной фазы изолированные суббури можно разделить на два типа - спонтанные и стимулированные. Геозффектившш параметром, триггирухзцим взрыв, является положительные ступенчатые вариации и положительные импульсы В2 МШ; среднее время запаздывания начала взрыва относительно триггирухщего воздействия составляет -15 шшут.

Исследование длительности предварительной фазы показало, что для спонтанных суббурь характерна отчетливая обратная зависимость ее величины, С , от параметров, контролирующих скорость поступления энергии из солнечного ветра в магнитосферу - В5 , УВз ,£, которая отсутствует в случае стимулированных суббурь. Величина Т

при одинаковых внешних условиях достигает максимальной величины з случае спонтанных суббурь.

Во втором разделе получены количественные соотношения ыегду величиной длительности предварительной фазы спонтанных суббурь и величинами параметров В5 , Вт в1л % , контролирует^« скорость поступления энергии из солнечного ветра в магнитосферу.

Третий раздет посвящен исследованию зависимости длительности предварительной фазы спонтанных суббурь от величины разности потенциалов крупномасштабного электрического поля. Результаты этого исследования показывают, что величина обратной длительности предварительной фазы, '/с , линейно связана евзаана с величиной дф во всем диапазоне изменения внешних параметров, если при расчете последней учитывается ее зависимость от величины динамического давления солнечного ветра. В особенности это касается ситуаций с больной величиной Ш1.

Роль межпланетных разрывов, как триггера взрывной фазы суббури исследована в третьей главе.

3 первом разделе на примере типичных событий демонстрируется методика определения запаздывания отклика магнитосферы на воздействие. межпланетных неоднородностей.

Во втором разделе приведены результаты исследования некоторых характеристик межпланетных разрывов, на фронтах которых наблюдаются резкие изменения направления КМП. Показано, что среди рассмотренных нами событий подавляющее большинство составляют разрывы с малой нормальной к Фронту компонентой магнитного поля, близкие по характеристикам к тангенциальным. Процент вращательных разрывов невелик, случаи взаимодействия с межпланетными ударными волнами не рассматривались. Показано также, что фронты межпланетных разрывов могут быть ориентированы в пространстве произвольным образом, что необходимо учитывать при сопоставлении вариаций в солнечном ветре и на Земле.

В третьем разделе исследуется запаздывание отклика магнитосферы на резкие скачки ГШ. Из приведенных данных следует, что изменение уровня магнитосферной конвекции следует в среднем через 10 минут после прохождения фронта разрыва через лобовув точку головной ударной волны. Величина запаздывания не зависит от ориентации фронта неоднородности, что указывает на локализации взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой, ответственного за конвекцию, в лобовой области.

Запаздывание начала взрывной фазы при средней величине порядка 8-10 минут меняется в дирохих пределах. Получена явная

зависимость его величины от угла наклона фронта разрыва к линии Солнце-Земля. Наличие такой зависимости и величина запаздывания показывает, что импульс, непосредственно вызывающий начало взрыва, распространяется из района первого контакта магнитосферы с фронтом неоднородности со сксростьв, порядка скорости быстрой магнитозву-коаой волны к месту развития неустойчивости в плазменном слое.

В четвертом разделе полученные результаты сопоставляются с данными других подобных исследований и оцениваются с точки зрения теоретических представлений.

Содержание четвертой главы составляет изучение^ зависимости от Енешних условий величины полярной экспансии западного электро- ' даета во время взрывной фазы суббури. Объектом исследования являются суббури с- аномально большой величиной полярной экспансии: при средней широте, достигаемой кромкой авроральной выпуклости во время брейкала 70°-74°', в исследуемых событиях она продвигается до лшрот более 75°-80° и вплоть до геомагнитного полюса. Такие суббури в работе для краткости названы высокоширотными. Максимальная величина, достигаемая во время взрыва кромкой авроральной выпуклости,.определяет занимаемую ею площадь, которая пропорциональна величине пересоединенного во время взрывной фазы магнитного потока и является, таким образом, важной энергетической характеристикой суббури.

В-первом разделе исследуются характерные особенности высокоширотных суббурь. Показано, что большая часть морфологических черт высокоширотных суббурь совпадает с характеристиками обычных суббурь. Отличительные особенности, кроме аномально большой величины полярной экспансии, состоят э наличии ярко выраженной сезонной зависимости частоты их появления на фиксированной широте и быстрый спад частоты появления высокоширотных суббурь с ростом геомагнитной широты.

Второй раздел посвящен изучению условий в межпланетной среде, характерных для появления высокоширотных суббурь. Изучение распределений по параметрам околоземной среды суббурь, наблюдаемых на какой-либо фиксированной широте, показало, что все они, кроме распределения по величине скорости солнечного ветра, подобны распределениям, характерным для обычных суббурь. Медиана распределения по скоростям оказалась сильно сдвинутой в область больших величин. Ери сопоставлении распределений по скоростям высокоширотных суббурь, наблюдаемых на разных широтах, оказалось, что сдвиг в область больших величин тем больше, чем вше широта точки наблюдения. При

этом имеет место пороговый эффект: 805^-90* суббурь на ягздой данной широте наблюдается при превышении некоторой критической величины скорости, которая тем больше, чем гшз широта.

Сравнительный анализ влияния на величину полярной экспансии скорости солнечного ветра и южной компоненты !,Ш показал, что обе эти Ееличкны оказывают подобное воздействие. Однако, влияние В^ сказывается лишь при малых и средних величинах скорости, и для достижения заладкгл* элентродаетом ойроты порядка 77°-в0° требуется узе очень большие величины езной составлявшей МШ, которые наблюдаются редко. В то же время, привысоних скоростях солнечного ветра высокоширотные суббури наблюдаются при любых, в том числе и положительных величинах ЫМП.

Таким образом, главное условие, необходимое для появления высокоширотных суббурь - это высокая скорость солнечного ветра.

Результаты исследования влияния на величину полярной экспансии характера вариаций В2 ЬШ показывает, что для появления высокоширотных суббурь безразлично поведение В2 ¡ИМ в окрестности момента начала взрывной фазы, а значит не существенен я тип суббури - спонтанный или стимулированный. Этот вывод следует из анализа данных, приведенных в третьей разделе.

В четвертом разделе изложены оснош методики диагностики высокоскоростных потоков солнечного ветра на основании данных наб-лвдения шсоколирогных суббурь.-Возможность такой диагностики определяется тесной связью ыеаду появлением высокоширотных суббурь и появлением высокоскоростных потоков в солнечном ветре. Описывается пределы применимости метода и приводятся примеры его использования для диагностики и исследования высокоскоростных потоков за пршедаий цикл солнечной активности, для которого имеются данные измерения скорости.

В заключении диссертации дается краткий итог проведенных исследований п формулируются выводы диссертации, которые состоят в следующем:

1.По условиям начала взрывной фазы изолированные суббури делятся на два типа - спонтанные и триггировадные.

2. При спонтанном переходе к взрывной фазе длительность предварительной фазы изолированных суббурь обнаруживает отчетливую обратную зависимость от скорости поступления энергии из солнечного ветра в магнитосферу, что доказывает реальность существования предварительной фазы для этого типа суббурь.

3. Гесзффективньм параметром, стимулирущяы вынужденное начало взрывной фазн, являются положительные ступенчатые вариации и импульсы Вг МШ. Начало взрывной фазы тржтированных суббурь

следует в среднем через 8-10 минут после оценочного времени первого контакта фронта межпланетного разрыва с головной ударной волной. Такая величина запаздывания согласуется с оценками, если в качестве непосредственной причины начала взрыва рассматривать взаимодействие головной ударной волны и/или магнитопаузк с фронтом межпланетного разрыва; при атом скорость распространения в магнитосфере триггируюцего возмущения додана быть порядка скорости быстрой магнитозвуковой волны. Величина запаздывания начала взрывной фазы относительно ступенчатых вариаций Ш1 не зависит от типа межпланетного разрыва, но обнаруживает отчетливую зависимость от ориентации его фронта.

4. Появление признаков взрывной фазы • суббури на широтах полярных шапок тесно связано с появлением высокоскоростных потоков в солнечном ветре, что позволяет использовать высокоширотные суббури для диагностики и исследовании высокоскоростных потоков, в первую очередь их циклических вариаций.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Дмитриева Н.П., Сергеев Б.А. Спонтанное и вынужденное начало взрывной фазы суббури и длительность ее .предварительной фазы. - Геоыагнитизм и аэрономия, IS83, т. 23, Р 3, с. 470-474.

2. Дмитриева Н.П., Сергеев В.А. Длительность предварительной фазы суббурь со спонтанным началом взрыва. - Геомагнетизм и а&рономия, т. 25, № 3, с. 425-427, ±985

3. Ser^otsv V.A.., Dnitriova il.У., Bariteva E.S. Triggering of subetora expansion by- IMF directional discontinuities : tira« delay analysis. - Planet. Space Science, 1986, 11, p. 1109-1118.

4. Дмитриева Н.П., Сергеев В.А., Яхнин А.Г. Зависимость величины полярной экспансии западного злектродаета во время суббури от скорости солнечного ветра. - В сб.: "Высокоширотные геофизические исследования во время эксперимента "Г20С" /результаты МИМ/",

• IG?y, изд. ШШ, Апатиты, с. 68-72.

5. Дмитриева Н.П., Сергеев В.А. Появление авроральной злект-роструи на аиротах полярной шапки: характеристики явления и вог-uoiiKocTb его использования для диагностики крупномасштабных высокоскоростных потоков солнечного ветра. - В сб.; "Магкитосферные исследования", IS84, Л., Р 3, изд. "Радио и связь", с. 58-67.

6. Дмитриева Н.П., Сергеев В.А. Связь полярной экспансии западного злектродаета с поведением В «Ш.. - Тезисы всесоюзного симпозиума по солнечно-земной физике, Иркутск, 1986, с. 68.