Исследование электродинамических процессов в высокоширотных областях верхней атмосферы Земли

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 7
Глава 1. Роль электродинамических процессов в верхней атмосфере
1.1 Основные процессы, определяющие пространственную и временную эволюцию крупномасштабных электрических полей и токов........................................ 16
1.1.1 Высокоширотные области как место взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой и верхней атмосферой Земли............................................ 16
1.1.2 Источники данных о распределении продольных токов и электрических нолей в ионосфере .......................................................................... 18
1.1.2.1 Продольные токи ............................................................ 18
1.1.2.2 Конвекция плазмы ......................................................... 20
1.1.3 Эффекты асимметрии и сопряжения в распределении электродинамических
параметров противоположных полушарий ........................................ 22
1.2 Глобальный отклик ионосферно-магнитосферной системы при экстремальных событиях космической погоды ........................................................ 24
1.3 Концепция сопряженности полушарий и развитие биполярных исследований 26
1.4 Решение задач электродинамики с учетом сопряженности полушарий.................. 27
Глава 2. Моделирование крупномасштабного распределении электродинамических параметров в ионосфере Земли с учетом сопряженности полушарий
2.1 Введение ....................................................................... 30
2.2 Постановка задачи .............................................................. 32
2.3 Продольные токи ................................................................ 36
2.4 Проводимость ионосферы ......................................................... 41
2.5 Реализация модели в виде программного средства (ЬСОб)........................... 43
2.6 Проблема совместимости распределений ПТ и проводимости ......................... 45
2.7 Картины конвекции, развивающиеся одновременно в двух полушариях................. 47
2.7.1 Равноденствие ................................................................ 49
2.7.2 Солнцестояние ................................................................ 49
2.7.3 Разность потенциалов поперек полярной шапки в северном июжном полушариях при различной ориентации ММП и сезоне года ......................................... 52
2.8 Валидация модели Г С 06 и сравнение результатов с данными радарных измерений.. 54
2.8.1 Картины конвекции для отдельных промежутков времени но $ирег1)А11М и ЬСОб... 56
2.8.2 Сравнение картин конвекции, рассчитанных по 1,С06, со статистической моделью
2
8ирегОАШЧ .................................................................... 61
2.9 Количественные характеристики дрейфа ионосферной плазмы по данным радара Е18САТ и модели 1С06 ................................................................ 63
2.9.1 Измерения Е15СЛТ на широтах 78.5° и 75.3° СОМЬа!............................... 63
2.9.2 Сопоставление модельных расчетов и радарных измерений ......................... 64
2.9.3 Электрическое поле в различные часы местного времени .......................... 66
2.10 Основные результаты главы 2 .................................................... 72
Глава 3. Пространственные и временные вариации электрического поля
3.1 Введение ........................................................................ 75
3.2 Суточная (11Т) вариация в высоких широтах и ее проявление в распределении электродинамических параметров ...................................................... 77
3.2.1 иТ-эффект в распределении ионосферной проводимости и его влияние на структуру эквипотенциалей в полярных шапках ......................................... 78
3.2.2 Влияние иТ-вариации проводимости на величину разности потенциалов поперек полярной шапки ...................................................................... 78
3.2.3 Суточный ход ДФ при коррекции модели продольных токов по 1Л.................... 80
3.2.4 Обсуждение результатов ........................................................ 84
3.3 Проникновение электрического поля высокоширотного источника в средние
широты........................................................................ 85
3.3.1 Среднеширотные электрические поля в различные сезоны года ..................... 88
3.3.2 Особенности проникновение электрического поля на средние широты при ненулевом Ну ММГ1 в условиях солнцестояния .......................................... 90
3.3.3 Обсуждение результатов ........................................................ 94
3.4 Квази-динамическая версия модели конвекции ................................... 96
3.4.1 Модификация модели ЬСОб для расчета траекторий конвекции ...................... 96
3.4.2 Расчет траекторий конвекции под действием меняющегося во времени ММП 96
3.4.3 Трассирование траектории дрейфа полярного пэтча ............................... 99
3.4.4 Обсуждение результатов ....................................................... 103
3.4.5 Основные выводы главы 3 ...................................................... 104
Глава 4. Эффекты внутри- и межполушарной асимметрии, обусловленные параметрами ММП и солнечным зенитным углом
4.1 Введение ....................................................................... 106
4.2 Асимметричные структуры продольных токов и конвекции, контролируемые
3
О.»
азимутальной компонентой ММП и сезоном..................................... 107
4.2.1 Основные составляющие систем продольных токов и конвекции в
высокоширотной ионосфере................................................... 110
4.2.2 Мегодика выделения отдельных элементов систем ПТ и конвекции............... 110
4.2.2.1 Разностные диаграммы для продольных токов ................................... 111
4.2.2.2 Разностные диаграммы для потенциала ......................................... 113
4.2.2.3 Разностные диаграммы для потенциала по данным радаров ЗирегОАЯК.......... 115
4.2.3 Оценка величины продольных токов и электрического потенциала полярной
шапки, связанных с Ву ММП .................................................... 117
4.2.4 Обсуждение и интерпретация результатов ....................................... 119
4.3 Эффекты сопряженности зимнего и летнего полушарий в продольных токах и
ионосферных электрических полях .............................................. 123
4.3.1 Используемые данные, модели и методы ......................................... 124
4.3.2 Особенности распределения ПТ в сезоны лето/зима .............................. 125
.3 Элементы вихрей конвекции ..................................................... 127
4.3.4 Сезонный межполушарный продольный ток при ненулевом Ву ММП ................... 129
4.3.5 Межполушарный продольный ток в солнцестояние при Ву= 0 ....................... 129
4.3.6 Обсуждение и интерпретация результатов ....................................... 133
4.4 Характеристики течения плазмы вблизи границы полярной шапки но данным
радарных наблюдений .......................................................... 135
4.4.1 Описание эксперимента радара Е18САТ на Шпицбергене ........................... 136
4.4.2 Метод анализа ................................................................ 136
4.4.3 Статистическая зависимость меридиональной и зональной скоростей конвекции
от Яг и Ву компонент ММП .................................................... 139
4.4.4 Зависимость зональной скорости конвекции от Ву ММП и смещения границы
полярной шапки в различные часы местного времени ............................. 146
4.4.5 Обсуждение и интерпретация результатов ....................................... 148
4.5 Динамика границы полярной шапки (ГПШ) по данным изображений
аврорального овала со спутника 1МАСЕ ......................................... 150
4.5.1 Методы определения П1111 ..................................................... 151
4.5.2 Массив данных за 2000-2002 гг.............................................. 152
4.5.3 Оценка смещения ГПШ в зависимости от Ву и Яг ММП ............................. 154
4.5.4 Эволюция ГПШ в восстановительную фазу магнитной бури ......................... 156
4.5.5 Обсуждение результатов ....................................................... 160
4.6 Основные результаты главы 4................................................ 163
4
Глава 5. Глобальный отклик магнитосферно-ионосферной системы на резкие изменения динамического давления солнечною ветра
5.1 Введение ................................................................... 165
5.2 Влияние резких изменений динамического давления солнечного ветра (Pd) на
конвекцию в полярных шапках ................................................ 167
5.2.1 Использование высокоширотных геомагнитных индексов для оценки
интенсивности конвекции под действием импульсов повышенного Pd ............. 167
5.2.2 Высокоширотный геомагнитный эффект импульса Pd ............................. 168
5.2.3 Статистическая связь между PC индексом, параметрами СВ и ионосферным
электрическим полем при наличии импульсов Pd ............................... 172
5.2.4 Реконфигурация системы конвекции при резких изменениях Pd .................. 177
5.2.4.1 Двухфазная вариация геомагнитного поля в полярной шапке ................... 177
5.2.4.2 Предварительный импульс в полярной шапке: статистика ...................... 180
5.2.4.3 Оценка величины ПТ при предварительном импульсе ........................... 182
5.3 Наблюдения инжекции энергичных частиц на геосинхронной орбите при
прохождении фронта Pd ...................................................... 183
5.4 Эффект усиления ПТ обусловленный импульсом Pd .............................. 188
5.4.1 Вариация геомагнитной Х-компоненты на низких широтах: примеры событий 189
5.4.2 Отрицательные бухты в низкоширогной Х-компоненте во время магнитных бурь
солнечного никла 23 ........................................................ 194
5.4.3 Интерпретация низкоширотной геомагнитногой вариации при импульсе Pd 195
5.5 Основные результаты главы 5 ................................................ 196
Глава 6. Эффект высокоскоростных потоков солнечного ветра в электродинамике
полярных областей
6.1 Введение ................................................................... 198
6.2 Особенности солнечного цикла 23 и экстремальные высокоскоростные потоки
СВ на спаде цикла .......................................................... 199
6.3 Геомагнитный эффект экстремально интенсивных высокоскоростных потоков
солнечного ветра в 2003 г................................................... 202
6.3.1 Проблема разделения внутреннего и внешнего магнитного поля Земли ........... 202
6.3.2 Наблюдения на обсерваториях в северной и южной полярных шапках ............. 204
6.3.3 Наблюдения в авроральных широтах ........................................... 208
6.3.4 Соотношение между долгопериодными геомагнитными вариациями и
высокоскоростными потоками ................................................. 208
5
6.3.5 Обсуждение и интерпретация результатов ..................................... 210
6.4 Высокоскоростные потоки солнечного ветра в прошлом ......................... 213
6.4.1 Вековая вариация магнитного поля в полярной шапке ......................... 213
6.4.2 Вариации геомагнитного поля в авроральной зоне............................. 215
6.4.3 Соотношение между геомагнитными вариациями и солнечными циклами............ 217
6.4.4 Обсуждение и интерпретация результатов..................................... 223
6.5 Основные результаты главы 6 ................................................ 226
Глава 7. Роль крупномасштабных электрических полей магннтосферного
происхождения в глобальной электрической цепи
7.1 Концепция глобальной электрической цепи ................................... 229
7.2 Измерения приземного электрического поля в полярной области ............... 232
7.2.1 Оценка реальной величины атмосферного электрического поля, измеряемого на
ст. Восток в Антарктике ................................................... 232
7.3 Соотношение между потенциалом ионосферы (Цех/) и приземным
электрическим нолем (Ег) в высокоширотных областях ........................ 235
7.3.1 Данные измерений и модели ................................................. 238
7.3.1.1 Измерения приземного электрического поля в Антарктике...................... 238
7.3.1.2 Модели конвекции в высокоширотной ионосфере южного полушария............... 238
7.3.2 Соотношение между АЕг и 11ех( в для избранных дней ........................ 239
7.3.3 Статистические соотношения между А£г и Цех1 ............................... 244
7.3.4 Влияние ориентации ММГ1 на корреляцию АЕг и \Jext ......................... 249
7.3.5 Обсуждение результатов .................................................... 249
7.4 Выводы главы 7 ............................................................ 251
Заключение ........................................................................ 253
Благодарности ..................................................................... 256
Приложение I. Методика и алгоритмы решения задачи о растекании токов............... 257
Приложение 2. Основные публикации и доклады автора по теме диссертации........ 264
Список литературы ................................................................. 270
6
Введение
Актуальность проблемы исследования
В атмосфере по мере увеличения высоты и усиления ионизации под действием солнечного излучения все большую роль начинают играть электродинамические процессы, контролируемые исходящим от Солнца магнитным полем и потоками плазмы -солнечным ветром. Изучение электродинамики верхней атмосферы Земли - ионосферы и тесно связанной с ней магнитосферы - на протяжении многих лет является одной из основных проблем солнечно-земной физики. Многочисленные исследования показали, что нейтральная атмосфера - ионосфера - магнитосфера должны рассматриваться как единый комплекс, подвергающийся воздействию волнового и корпускулярного излучения Солнца. В этой системе особенно тесное взаимодействие процессов происходит в высоширотных областях, поскольку полярные шапки северного и южного полушарий находятся в области силовых линий геомагнитного поля, открытых в межпланетное пространство, а окружающий их авроральный овал связан с пограничными слоями магнитосферы. Электродинамические процессы, развивающиеся в верхней атмосфере полярных районов проявляются в средних и низких широтах, примером чего может служить проникновение в среднеширотную ионосферу электрического поля от высокоширотных источников во время геомагнитных бурь. Нейтральные ветры на ионосферных высотах, волновая активность в нижележащих слоях атмосферы также оказывают определенное влияние на распределения электродинамических параметров. Так, например, эффекты внезапных потеплений в полярной стратосфере обнаруживаются в движении плазмы в экваториальной ионосфере. Все больше появляется доказательств того, что электрические поля магнитосферного происхождения, наиболее интенсивные в высоких широтах, являются одним из звеньев глобальной электрической цепи и таким образом могут оказывать влияние на приземный климат.
Важно, что южное и северное полушария электродинамически связаны друг с другом на уровне ионосферы и через магнитосферу Земли. Наклон земной оси, несовпадиние географического и геомагнитного полюсов, различия в структуре внутреннею магнитного поля ведут к различиям в ионосферной проводимости полушарий. Топология и эффективность взаимодействия магнитосферы с солнечным ветром, которые определяются, в основном, ориентацией межпланетного магнитного поля (ММП), также могут несколько различаться в северном и южном полушариях. Геомагнитные возмущения, возникающие в процессе такого взаимодействия в высокоширотной ионосфере, распространяются по проводящей ионосферной оболочке в
7
более низкие широты, а по замкнутым силовым линиям земного диполя -ив противоположное полушарие. В этой ситуации часто применяемое зеркальное отображение распределения электрических полей и токов из одного полушария в другое является большим упрощением и вызвано, главным образом, отсутствием необходимых моделей и недостаточным количеством данных наблюдений. Развитие соответствующих моделей и их применение для решения ряда задач электродинамики верхней атмосферы является одной из целей данной работы.
Эффекты электромагнитной сопряженности противоположных полушарий входят в перечень основных проблем современных полярных исследований. Так, в связи с Международным Полярным Годом этому посвящена специальная программа «Эффекты межполушарной взаимосвязи в солнечно-земных и аэрономических исследованиях» (1СЕ8ТАЯ). Также интенсивно развиваются измерительные комплексы, оперирующие одновременно в Арктике и Антарктике. Все это подтверждает, что изучение вопросов межполутарного взаимодействия, а также взаимодействия атмосферных слоев между собой, является важной и актуальной проблемой, имеющей большое научное и практическое значение. Актуальность изучения электродинамических процессов обусловлена также тем, что пространственные и временные неоднородности электромагнитного поля в верхних слоях атмосферы Земли играют важную роль в функционировании современных технологических систем. Например, работоспособность апппаратуры, установленной на борту спутников, точность определения местоположения объектов с помощью спутниковых навигационных систем, характеристики распространения радиоволн зависят от знания состояния ионосферы, которое в значительной степени определяется элекгрическими полями. Возмущения геомагнитного поля, обусловленные магнитными бурями и суббурями оказывают существенное воздействие на работу наземных элекгрических и трубопроводных систем из-за наведенных токов. Получение количественных оценок электродинамических параметров особенно важно в свете расширения промышленной инфраструктуры в российской Арктике.
Последние десятилетия харакгеризуются интенсивным развитием космических и наземных систем наблюдения за состоянием и динамикой атмосферы, ионосферы и магнитосферы на различных высотах и в обоих полушариях. Идет накопление новых экспериментальных данных, требующих дальнейшего осмысления, обработки и интерпретации. При этом из-за труднодоступности полярных областей количество наблюдений там до сих пор достаточно ограничено, многие явления все еще изучены недостаточно, и важные вопросы остаются без однозначных ответов. В этой связи
8
развитие координированных арктических и антарктических исследований является актуальной проблемой физики солнечно-земных связей. Несмотря на достигнутый в последние годы значительный прогресс, связанный с совершенствованием техники экспериментов, требуется создание обобщающих концепций. Так, на основе имеющегося экспериментального материала разрабатываются новые модели, учитывающие временную и пространсгвенную изменчивость электродинамических параметров ионосферы. Однако исследования были посвящены, в основном, задачам в однополушарной постановке, т. е. рассматривалось северное полушарие, южное же считалось его подобием, и при этом взаимное влияние ионосфер противоположных полушарий не учитывалось. Остаются недостаточно изученными эффекты сопряженности полушарий и природа асимметрии полушарий, в частности, в распределении горизонтальных электрических полей и токов, текущих вдоль линий геомагнитного поля. Таким образом, особый интерес представляет развитие концепции электродинамически сопряженной двухполушарной системы и исследование особенностей электродинамики северной и южной полярных областей. Помимо научного интереса актуальность данной темы определяется необходимостью решать важные практические задачи, такие как оценка состояния космической погоды, условий распространения радиоволн в высоких широтах, предупреждение сбоев в системах электроснабжения и трубопроводных линиях вследствие индукционных токов и др.
Цель и задачи. Целью данной диссерационной работы является экспериментальное и теоретическое исследование крупномасштабных электродинамических процессов в верхней атмосфере Земли, разработка количественных подходов к описанию системы электрических полей в ионосфере с учетом электромагнитной сопряженности полушарий, а также токов магнитосферного происхождения, возбуждающих эти поля.
Для достижения этой цели были решены следующие задачи.
1) Развитие двухполушарной модели конвекции с учетом электродинамической сопряженности полушарий, входными параметрами которой являются распределения продольных токов (ПТ), полученные по большой базе данных измерений низкоорбитальных европейских спутников с полярной орбитой Orsted, CHAMP, Magsat.
2) Разработка алгоритмов и программ, адаптирующих современные эмпирические модели ПТ и проводимости для произвольного набора значений задаваемых параметров межпланетной среды, геомагнитной и солнечной активности и момента времени;
9
улучшение их согласованности с целью совместного использования в качестве блоков модели конвекции. Модель конвекции реализована в виде программного средства и пригодна как для проведения численных экспериментов, так и для построения реалистичных карт распределения ионосферного электрического потенциала.
3) Проведение расчетов картин конвекции, развивающихся одновременно в северном и южном полушариях, при различных сезонах и условиях ММП. Сопоставление результатов с экспериментальными данными спутниковых и радарных измерений. Валидация разработанной модели конвекции по схеме «модель-модель» и «модель-эксперимент».
4) Разработка квази-динамической модели конвекции. Проведение модельных расчетов временной эволюции траекторий конвекции под действием медленно меняющегося во времени ММП.
5) Количественный анализ особенностей структуры конвекции в северной и южной высокоширотных областях при различной ориентации ММП и сезоне года. Оценка изменения разности потенциалов поперек полярной шапки в обоих полушариях при различных комбинациях солнечного зенитного угла и ориентации ММП. Моделирование проникновения электрических полей от высокоширотного источника в область замкнутых силовых линий геомагнитного поля.
6) Исследование и количественный анализ эффектов внутри- и межполушарной асимметрии в картинах ПТ и конвекции, обусловленных такими факторами как азимутальная компонента ММП, солнечный зенитный угол и их комбинация, на основе соответствующих моделей, а также радарных и спутниковых измерений. Выделение элементов ПТ и конвекции, контролируемых определенным фактором. Оценка межполушарных ПТ.
7) Построение статистической модели смещения границы полярной шапки (ГПШ) под действием ММП по оптическим данным спутника IMAGE. Анализ динамики границы в различных секторах местного времени во время геомагнитных бурь.
8) Исследование отклика магнитосферно-ионосферной системы на резкие изменения динамического давления солнечного ветра (Pd). Выявление характерной двухфазной вариации трансполярного ионосферного тока и оценка степени усиления конвекции на базе использования высокоширотных гоомагнитных индексов. Выявление атипичного
10
низкоширотного геомагнитного эффекта при больших импульсах Р<1 во время сильных магнитных бурь, который обусловлен высокоширотными ПТ. Сопоставление геомагнитных вариаций и инжекций частиц в магнитосфере.
9) Исследование отклика магнитосферно-ионосферной системы на высокоскоростные потоки солнечного ветра (ВСП СВ) с помощью анализа рядов геомшнитных данных полярных обсерваторий северного и южного полушарий, включая вековые изменения и короткопериодпые вариации. Выделение токовой системы, определяющей отклик на ВСП. Выявление на этой основе событий экстремальных ВСП и их связи с солнечной активностью. Реконструкция значений скорости СВ в доспутниковую эпоху.
10) Исследование вклада электрического потенциала магнитосферного происхождения в изменение параметров глобальной электрической цепи с использованием измерений вертикального приземного электрического поля в полярной шапке и модельных и радарных данных о потенциале ионосферы на основе отдельных событий и статистики.
Методы исследования. Основными методами исследования, разработанными и примененными в данной диссертации, являются математическое моделирование, численные алгоритмы, реализованные в виде программных средств, анализ и интерпретация данных радарных, спутниковых и наземных геомагнитнх измерений.
Научная новизна работы состоит в разработке нового подхода к анализу крупномасштабных электродинамических процессов в верхней атмосфере Земли, при котором адекватно учитывается электрическая сопряженность полушарий, что позволяет рассматривать систему солнечный ветер-магнитосфера-ионосфера-атмосфера всего земного шара как единое целое. Такой подход особенно важен для изучения эффектов меж- и внутриполушарной асимметрии в распределении различных параметров и для оценки взаимного влияния северного и южного высокоширотных источников электрических полей и токов, проникновения электрического поля на более низкие широты.
В ходе выполнения работы был получен ряд новых результатов, из которых основными являются следующие:
• Впервые выполнено численное моделирование систем конвекции ионосферной плазмы, развивающихся одновременно в электродинамически сопряженных ионосферах
и
северного и южного полушарий, с возможностью учета проникновения электрического поля от высокоширотного источника в средние широты.
• Впервые для моделирования конвекции использованы карты ПТ, адаптированные из статистической модели ПТ, построенной по данным измерений магнитного поля низколетящими спутниками с полярной орбитой. Проведена полная параметризация модели по £ и У компонентам ММП, но уровню солнечной и геомагнитной активности и по величине солнечного зенитного уїла. Это позволяет использовать модель для расчета картин конвекции для произвольного набора входных параметров, а также в квази-динамической версии для расчета траекторий конвекции при изменяющемся ММП.
• На основе разработанных моделей с помощью метода декомпозиции впервые проведено детальное исследование эффектов межполушарной асимметрии в картинах ПТ и конвекции, обусловленных азимутальной компонентой ММП и величиной солнечного зенитного угла. Дано количественное описание элементарных структу р ПТ и конвекции, обусловленных определенными факторами. Построена статистическая модель смещения границы полярной шапки под влиянием компонент ММП.
• Впервые выявлены и детально исследованы характерные особенности
высокоширотного и аномального низкоширотного геомагнитного отклика на резкие изменения динамического давления солнечного ветра (/V/). Проанализировано влияние фронтов Р(1 на конвекцию в ионосфере и морфологию инжекций энергичных частиц в магнитосфере.
« Показано, что при экстремально высокоскоростных потоках СВ на спаде
солнечного цикла геомагнитно спокойные условия в высоких широтах фактически отсутствуют, что ведет к нарушению плавного векового хода среднегодовых значений, которые используются для характеристики главного поля Земли. Выявлена токовая система, ответственная за отклик на ВСП СВ. Предложен оригинальный метод реконструкции скорости СВ в прошлом поданным полярных геомагнитных обсерваторий.
• Разработанная модель конвекции впервые применена для определения
соотношения между ионосферным электрическим потенциалом и приземным вертикальным электрическим полем, измеренным на российской ст. Восток в Антарктике.
Достоверность научных положений и полученных результатов обусловлена большим объемом зксперимеїгтального материала и результатами математического моделирования, на основе которого сделаны основные выводы работы, подтверждением результатов с помощью различных методов анализа, использованием для интерпретации результатов наблюдения численных и аналитических моделей. Сделанные научные выводы
12
опубликованы и получили подтверждение в работах отечественных и зарубежных исследователей и международной признание.
Научная и практическая значимость полученных результатов
В работе предложен новый подход к проблеме исследования глобальных электродинамических процессов, происходящих в верхней атмосфере южного и северного полярных районов и прилегающих к ним низкоширотных областей. На основе разработанных методов и моделей в сочетании с использованием экспериментальных данных получены новые научные результаты, расширяющие базу знаний об электромагнитных характеристиках окружающей среды, факторах солнечной активности и космической погоды.
К практически важным результатам относятся реализация разработанной модели конвекции в виде программного средства и возможность ее использования для получения реалистичных карт распределения ионосферного электрического потенциала для произвольного набора входных данных. Одновременно можно получить соответствующие карты ПТ и ионосферной проводимости. Построена статистическая модель смещения границы полярной шапки под действием ММГ1. 11редложен новый метод реконстукции скорости СВ по полярным геомагнитным данным. Количсственнные оценки различных параметров, полученные в диссертации, могут быть использованы в получающей всё большее распространение в мире Службе космической погоды.
Научная и практическая значимость выполненных автором исследований подтверждается также тем, что часть работ проводилась при поддержке 1ЫТА8-СО РАН (грант 06-1000013-8823), РФФИ (гранты 06-05-64311, 09-05-00232-а), NATO (грант Р5Т.СЬС.978252), нескольких персональных фантов Академии Финляндии и Национального Центра научных исследований Франции.
Диссертация состоит из введения, семи глав и двух приложений, содержит 297 страниц, 85 рисунков, список использованной литературы содержит 400 наименований.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Развитие и реализация двухполушарной численной модели конвекции ионосферной плазмы с учетом элекфодинамичсской сопряженности полушарий, основанной на реалистичных статистических картах продольных токов, которые получены по магнитным измерениям над ионосферой с помощью современных европейских спутников с низкой полярной орбитой.
13
2. Результаты моделирования распределения ионосферного электрического потенциала (картин конвекции) в высокоширотных областях южного и северного полушарий для различных условий MMII/временных интервалов и их сопоставление с результатами радарных измерений. Результаты расчетов электрических полей от высокоширотных источников, проникающих в область средних широт. Оценка вклада электрических полей магнитосферного происхождения в высокоширотную ветвь глобальной электрической цепи на основе соотношений между приземным электрическим полем и ионосферным потенциалом.
3. Физически обоснованное выделение, количественные характеристики и свойства структур продольных гоков и конвекции при внутри- и межполушарной асимметрии, обусловленной азимутальной компонентой ММП и солнечным зенитным углом. Оценка межполушарных ПТ.
4. Статистическая модель смещения границы полярной шапки (ГП1П) при изменении ММП, основанная на оптических данных спутника IMAGE. Особенности динамики ГПШ во время магнитной бури. Количественные характеристики скорости течения ионосферной плазмы вблизи ГПШ по данным радара некогерентного рассеяния E1SCAT.
5. Результаты исследования отклика электрических полей и токов на приход фронтов высокого давления СВ: морфология высокоширотной геомагнитной вариации и ее связь с системой конвекции. Выявление и физическая интерпретация атипичного низкоширотного отклика на экстремальные события импульсов давления СВ во время магнитных бурь.
6. Способ обнаружения сигнала высокоскоростных потоков СВ в данных высокоширотных геомагнитных обсерваторий и его интерпретация как эффекта усиления западного электроджета. Результаты реконструкции скорости СВ в прошлом.
Личный вклад. Все результаты, представленные в диссертации, получены автором самостоятельно или при его непосредственном участии в коллективе соавторов. В большинстве публикаций, относящихся к теме диссертации, автор выступал в качестве первого, и ему принадлежала ведущая роль в постановке задачи, поиске путей решения, выполнении соответствующих расчетов и интерпретации результатов.
14
Апробация работы. Результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на научных семинарах СГ16ГУ, ИКИ РАН, ГЦ РАИ, ИСЗФ СО РАН, ИПГ, ААНИИ, Университета Оулу, Обсерватории Соданкюля (Финляндия), Университета Орлеана (Франция) и др. По теме диссертации были сделаны доклады на нескольких десятках отечественных и международных симпозиумах, конференциях и совещаниях. Автор являлся приглашенным докладчиком на международной конференции С05РА1<-2008, Монреаль, Канада; основным конвинером сессии «Эффекты межполушарной сопряженности и вертикальных связей» на Генеральной Асамблес Международного Союза Геодезии и Геофизики (ИЮС) 2011 г. в Мельбурне, Австралия.
В диссертации представлены результаты, опубликованные более чем- в 40 научных работах. В том числе 25 статей опубликованы в ведущих рецензируемых отечественных и иностранных журналах, входящих в список ВАК.
15
Глава 1. Роль электродинамических процессов в верхней атмосфере
Глобальной задачей комплекса наук о Земле является понимание коллективного поведения и взаимодействия составных частей гсосферной системы. Эта задача важна не только с точки зрения расширения спектра знаний о нашей планете, но и с практической точки зрения для интерпретации результатов мониторинга природных явлений, оперативного сопровождения производственных процессов и прогнозирования будущих изменений. Неотъемлемой частью геосистемы является околоземное космическое пространство, в котором осуществляются процессы, обусловливающие солнечно-земные связи. Общество становится все более зависимым от космических и от специальных наземных технологий, для развития и устойчивой работы которых необходимо знание условий космической погоды и соответствующих эффектов в магнитосфере, ионосфере, других слоях атмосферы и на земной поверхности. Проблемы изменения климата, являющиеся одним из главных вызовов последнего времени, также не могут рассматриваться в отрыве от проявлений солнечной активности и ее влияния на глобальные изменения.
1.1 Основные процессы, определяющие пространственную и временную эволюцию крупномасштабных электрических полей и токов
Наличие магнитных полей в проводящей среде движущейся плазмы обусловливает определяющую роль электродинамических процессов в системе солнечный ветер-магнитнитосфера- ионосфера/верхняя атмосфера. Наличие слабой электрической проводимости в атмосферном воздухе позволяет расширить границы области, в которой важную роль играют электромагнитные поля, вплоть до поверхности Земли. Характеристики плазмы солнечного ветра, магнитосферы и ионосферы, электрические свойства нижней атмосферы принципиально различаются. Каждой из этих сред присущи свои интенсивности электромагнитных полей, концентрация электронов, ионный состав, температура, скорость направленного движения заряженных частиц. Все эти проводящие сферы Земли находятся в тесной связи.
1.1.1 Высокоширотные области как место взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой и верхней атмосферой Земли
В настоящее время является общепризнанным, что такая система как нейтральная атмосфера - ионосфера - магнитосфера должны рассматриваться как единый комплекс, подверженный воздействию волнового и корпускулярного излучений Солнца. При
16
взаимодействии солнечного ветра (СВ), межпланетного магнитного поля (ММП) с
I 'У
магнитосферой Земли в околоземное пространство поступает около 10 Вт энергии, за счет которой возникают электрические поля и гоки, энергизуются частицы, возбуждаются волны и происходят многие сложные и изменчивые процессы в магнитосфсрной и ионосферной плазме. Особенно тесное взаимодействие процессов осуществляется в высоких широтах, и центральную роль в этом играют продольные токи и горизонтальный перенос ионосферной плазмы, определяемый распределением электрических полей магнитосферного происхождения. Электродинамическое взаимодействие между энергией СВ и магнитосферой происходит главным образом в пограничных слоях и хвосте магнитосферы, которые являются сопряженными по силовым линиям геомагнитного поля с высокоширотными областями - авроральным овалом, каспом и полярной шапкой (ГТШ). Силовые линии магнитного поля, выходящие из I НИ, вытянуты в хвост магнитосферы и открыты для проникновения плазмы СВ. Была установлена фундаментальная связь электромагнитных возмущений в высокоширотной ионосфере и геомагнитных вариаций с магнитосферной динамикой [Пудовкин и др., 1975; 1976].
Параметры СВ, а также коротковолновое излучение Солнца существенно изменяются в ходе 11-летнего цикла солнечной активности, и на меньших временных масштабах в зависимости от динамики магнитного поля Солнца. В периоды солнечного максимума, когда происходит много солнечных вспышек и выбросов коронарной плазмы, к Земле приходит большое количество мощных структур СВ, магнитных облаков с резкими границам повышенной плотности СВ и интенсивным магнитным полем. Наиболее значительные по энергетике события, такие как геомагнитные бури, связаны с воздействием на магнитосферу MMII южного направления [Акасофу и Чепмен, 1975]. Фронты высокого динамического давления СВ оказывают значительные воздействия на магнитосферу Земли даже в отсутствие каких-либо изменений направления и величины ММП [Нишида, 1980]. Для периодов спада солнечного цикла характерны высокоскоростные потоки СВ и быстрые флуктуации ММП, следствием которых являются продолжительные периоды повышенной геомагнитной активности [Tsurutani et al., 2006]. Во время взаимодействия магнитосферы с возмущенным солнечным ветром происходит усиление всей системы высокоширотных электрических токов, возбуждение частиц внутри магнитосферы, высыпания в ионосферу, разогрев термосферы и другие явления [Хайнес и др., 1971; Брюнелли и Намгаладзе, 1988; Rycroft, 2006].
Высокоширотные ионосферные электрические поля магнитосферного происхождения наряду с грозовыми облаками участвуют в формировании глобальной гсоэлектрической цепи [Hill 1975; Markson, R., 1986; Bering et al., 1998], являясь
17
дополнительным источником потенциала ионосферы и существенно модулируя тем самым разность потенциалов Земля-ионосфера. Приполюсные области Земли как максимально удаленные от зон грозовой активности являются местами локализации возвратного атмосферного тока. Изменение электрических характеристик атмосферы может оказывать влияние на вариации тропосферных параметров, погодные системы и климатическую изменчивость [Markson, 1978; Markson and Price, 1999; Harrison, 2005].
В отличие от средних и низких широт, где магнитное поле в значительной степени экранирует Землю от потока заряженных частиц, в полярных областях энергичные протоны и электроны как солнечного, так и галактического происхождения, вторгаются в атмосферу и производят здесь дополнительную ионизацию на высотах 30-100 км, увеличивая электрическую проводимость воздуха, а также концентрацию свободных радикалов, в реакциях с которыми происходят каталитические потери озона (Seppala et al., 2007; Lu et al., 2010; Saetre et al., 2007; Newnham et al., 2011|, что оказывает непосредственое влияние на стратосферно-тропосферный климат [Моханакумар, 2011 ].
1.1.2 Источники данных о распределении продольных токов и электрических полей в ионосфере
Под действием солнечного излучения в верхней атмосфере образуется большое количество ионизованных частиц, которые играют главную роль во всех процессах, развивающихся в этой области. На высотах <100 км поведение ионизованной компоненты во многом определяется свойствами нейтральной атмосферы. Выше -1000 км движение заряженных частиц контролируется только геомагнитным полем и быстро меняющимся магнитным полем солнечного ветра. В слое между этими высотами при наличии носителей заряда, электромагнитных полей и движений среды в системе развиваются электрические токи, которые даже во время умеренных возмущений достигают нескольких миллионов ампер.
1.1.2.1 Продольные токи
Токи, текущие вдоль силовых линий геомагнитного поля - продольные токи (ПТ) - связывают ионосферу с пограничными и внутренними слоями магнитосферы. Задача обнаружения и измерения ПТ решается путем измерения магнитного поля в пространстве над ионосферой. При интерпретации данных магнитомегров, установленных на борту низколетящих спутников, важной задачей является разделение главного поля Земли и поля внешних токов. Впервые эта технически сложная задача решена на спутнике «Triad» в 1972 г. В ходе этого эксперимента было подтверждено, что магнитные возмущения на фоне главного геомагнитного поля связаны с ПТ, а достаточно большое количество
18
пролетов позволило построить первую общую схему распределения крупномасштабных продольных токов над высокоширотной ионосферой [Ijima and Potcmra, 1976]. Впоследствии другие спутники (Ореол, Космос, Magsat, DMSP и др.) проводили измерения магнитного поля вдоль отдельных траекторий пролетов, однако эти измерения носили фраг ментарный характер и позволяли получит!» лишь одномерный профиль ПТ, из которого можно получить лишь приближенную квази-двумерную картину [Lukianova et al., 2001, 2005]. Ограниченное число пролетов спутников, имеющих подходящие орбиты, долгое время не позволяло создать достоверные количественные модели ПТ.
Болес детальные двумерные карты ПТ были рассчитаны по даным магнитных измерений спутника DE2 как функция параметров СВ и угла наклона земного диполя [Weimer 2001Ь}. При этом не проводилось разделения данных для северного и южного полушарий, и для учета межполушарной и внутриполушарной (относительно полуденнополуночного меридиана) применялось зеркальное отображение.
В 1999-2000 гг. был осуществлен запуск европейских спутников нового поколения Orsted [Neubert et al., 2001] и CHAMP [Reigber et al., 2001], которые предназначались для исследования как главного геомагнитного поля, так и магнитного поля ПТ. Спутник Orsted, оснащенный магнитометром с точностью измерений до 5 нТл, был запущен на полярную орбиту с перигеем 650 км и апогеем 860 км. В меридиональной плоскости орбита постепенно смещалась по местному времени со скоростью -0.9 минут в день. За несколько лет жизни спутника были получены магнитные данные многих тысяч пролетов над всеми долготными секторами высокоширотных областей обоих полушарий. Спутник CHAMP (высота орбиты около 140 км), проработавший более десяти лет, также внес большой вклад в изучение магнитного поля Земли. Спутники Orsted, CHAMP и, частично, более ранний проект Magsat обеспечили офомную базу данных изменений магнитного поля над ионосферой. Обработка этой базы сделала возможным построение реалистичных карт ПТ и последующую ор^низацию таких карт в качественно новые модели ПТ, параметризованные по полушарю, условиям ММП и сезону [Christiansen et al., 2002; Papitashvili et al., 2002]
Также с конца 1990-х систематические измерения магнитного поля над ионосферой проводятся аппаратами системы спутниковой связи Iridium, которая покрывает 100% поверхности Земли, включая полярные области. В настоящее время группировка Iridium насчитывает около 50 спутников, обращающихся вокруг Земли по 11 орбитам на высоте 700-800 км. Эти спутники оснащены низкочувствительными магнитометрами с разрешением 50-100 нТл, и соответствующая методика позволяет получать приблизительные «мозаичные» картины распределения ПТ с часовым
19
разрешением [Waters et al., 2001). На основе магнитных измерений Iridium были также созданы обобщенные карты ПТ в обоих полушариях, соотвествующие различным сезонам и репрезентативным значениям ММП [Green et al., 2009; Korth et al., 2010]. Карты, построенные по данным Iridium и по данным Orsted, в целом, согласуются друг с другом.
1.1.2.2 Конвекция плазмы
Магнитосферно-ионосферная конвекция плазмы является следствием перссоединения силовых линий ММП с геомагнитным полем на магнитопаузе, в хвосте магнитосферы, а также процессов вязкого трения на магнитопаузе. В бесстолкновительной плазме наличие электрического поля, поперечного магнитному полю, проявляется в конвективном движении плазмы со скоростью электрического дрейфа. Распределение электрических полей в ионосфере можно представить в виде системы, где линии конвекции тождественны изолиниям потенциала электрического поля. Структура конвекции во многом определяется величиной и ориентацией ММП [Нсррпег and Maynard 1987).
Определение структуры конвекции ионосферной плазмы является важной проблемой, поскольку конвекция и связанные с ней электрические поля оказывают определяющее влияние на распределение горизонтальных ионосферных гоков, на систему продольных токов, связывающих магнитосферу и ионосферу, на количество энергии, поступающей в верхнюю атмосферу из магнитосферы и солнечного ветра. Блоки, описывающие ионосферные электрические поля, являются составляющей частью моделей верхней атмосферы [Namgaladzc et al., 1988; 1998; Fuller-Rowell et al., 1996; Намгаладзс и др., 1998; Клименко и др. 2006; Ridley et al., 2006; Sojka et al., 2006; Schunk and Zhu 2008]. Ряд дополнительных факторов, таких как локальные изменения ионосферной проводимости [Мальцев 1974; Foster et al., 1986; de Boer 2010], параллельные потенциальные структуры (McFaddcn, 1999], нейтральные ветры (Wang et al., 2007; Tsuda et al., 2009], могут локально модифицировать общую картину распределения электрического потенциала на различных широтах. Ни один измерительный комплекс кроме системы радаров SupcrDARN пока не предоставляет возможности получить «мгновенный снимок» глобальной картины конвекции. При этом на практике даже с помощью этой системы можно получить измеренную картину только на ограниченной площади и в ограниченные отрезки времени, а для восполнения изолиний применяется специальная методика [Fiori et al., 2010].
Необходимость иметь информацию о циркуляции плазмы и крупномасштабных электрических полях обусловила развитие статистико-эмпирических моделей. Модели создавались на основе различных наборов данных и способов их обработки, включая
20
спутники с полярной орбитой, такие как OGO-6 [Неррпег, 1977; Heppner and Maynard, 19871, АЕ и DE-2 [Lu et al., 1989], DE-2 [Weimer, 1995, 2001, 2005], DMSP [Rieh and Hairston, 1994; Boyle et al., 1997], Cluster [Förster et al., 2009], линейно-регрессионный анализ связи показаний наземных магнетометров и параметров солнечного ветра (модель ИЗМИР АН) [Белов и др., 1978; Feldstein and Levitin, 1986; Feldstein et al., 2004; Dremukhina et al., 1998; Kustov et al., 1997; Papitashvili et al., 1994, 1999], модификация модели ИЗМИР АН, с привлечением данных спутников DMSP [Papitashvili and Rich, 2002]; измерения радаров некогерентного [Holt et al., 1987; Senior et al., 1990, Zhang et al., 2007] и когерентного рассеяния [Ruohonicmi and Greenwald, 1998, 2005; Pettigrew et al., 2010], процедуры ассимиляции наземных и спутниковых данных (AMIE) [Richmond and Kamidc, 1988] и техники инверсии магнито1рамм [Mishin et al., 1990, 1991]. Состав семейства моделей неоднороден. Среди них есть ориентированные на конкретные события [напр. Mishin et al., 1990, 1991; Richmond and Kamide, 1988] и статистические [Heppner and Maynard, 1987; Weimer, 1995, 2001, 2005; Papitashvili and Rich, 2002; Ruohoniemi and Greenwald, 1996, 2005; Pettigrew et al.,
2010] в той или иной степени параметризованные но ММП, СВ и геомагнитной активности. Большинство моделей дают картины конвекции для ограниченного числа фиксированных межпланетных и других параметров, в основном для Вт - ^By2 + Вz2, = 5 нТл, где By and Bz - компоненты ММП. Статистическая модель Веймера [Weimer 1995, 2001, 2005] имеет наиболее детальную параметризацию и может давать картины для широкого диапазона значений входных параметров. Было сделано обобщение модели ИЗМИРАН на два полушария Земли. При этом проводилось исследование структуры крупномасштабных геомагнитных вариаций в области высоких широт южного полушария в зависимости от условий в ММП, и эта структура была сопоставлена с подобной структурой в высоких широтах северного полушария [Papitashvili et al., 1994].
Тем не менее, при построении большинства моделей либо используются только измерениия в северном полушарии [Zhang et al., 2007; Ruohoniemi and Greenwald, 1996, 2005; Mishin et al., 1990] либо не делается различий между данными, полученными в северном и южном полушариях [Weimer, 2005; Boyle et al., 1997] - они используются вместе для увеличения статистики. При этом предполагается, что изменение формы вихрей конвекции под действием азимутальной компоненты ММП отображается между полушариями зеркально. В некоторых случаях такое приближение, по-видимому, вполне допустимо, но ряд наблюдений указывает на нашчие значительной межполушарной асимметрии в интенсивности и пространственной структуре конвекции [Knipp et al. 1993, 2000; Lu et al. 1994].
21
Параметры ММП контролируют распределение ПТ, связывающих магнитосферу и ионосферу. Эмпирические модели конвекции, упомянутые выше, основаны на сопоставлении значений электрического потенциала или наземных магнитных вариаций с соответствующими значениями ММП. При этом естестественным образом получается, что характеристики ПТ учитываются лишь косвенно. В отличие от предыдущих подходов в модели, предложенной в данной работе, в качестве входных данных и источника потенциала используется именно распределение ПТ, индивидуальное для каждого полушария. Оно детально параметризовано по ММП и солнечному зенитному углу, и в совокупности с соответствующим распределением проводимости дает глобальную картину крупномасштабных электродинамических характеристик ионосферы.
1.13 Эффекты асимметрии и сопряжения в распределении электродинамических параметров противоположных полушарий
Условия в ионосфере северного и южного полушарий, также как и условия в нижележащих атмосферных слоях, редко бывают одинаковыми. Как и в нижней/средней атмосфере, в верхних атмосферных слоях главным источником межполушарной асимметрии является сезонный цикл, обусловливающий динамическое взаимодействие полушарий, которые проходят этот цикл в противофазс. Сезонный цикл является определяющим и для ионосферы. Но при этом проводящие ионосферы северного и южного полушарий связаны между собой еще и электрически как непосредственно, так и через магнитосферу. Наклон земной оси, несовпадение географического и геомагнитного полюсов ведут к дополнительным различиям. Важную роль играют топология магнитных полей и эффективность взаимодействия магнитосферы с СВ и ММП. Электрические токи и геомагнитные возмущения, возникающие в процессе такого взаимодействия в высокоширотной ионосфере одного из полушарий с определенными параметрами, распространяются по проводящей ионосферной оболочке в более низкие широты, а по замкнутым силовым линиям земного диполя через магнитосферу - в противоположное полушарие, ионосфера которого обладает в общем случае другими свойствами. Внутри-магнитосферные процессы, например, возникновение аномального сопротивления [Kozlovsky et al., 2003] или динамика плазменного слоя [Petrukovich, 2009] также вносят свой вклад в специфику межполушарного взаимодействия. В этой ситуации часто применяемое зеркатьное отображение распределения электрических полей и токов из одного полушария в другое является большим упрощением, и было вызвано, главным образом, отсутствием необходимых моделей и недостаточным количеством данных наблюдений.
22
Во многих случаях можно одновременно наблюдать одни и те же явления в геомагнитно-сопряженных точках высокоширотных областей противоположных полушарий, особенно в период равноденствия. Много работ посвящено антисимметрии (в смысле зеркального отображения) распределения параметров относительно меридиана полдень-полночь и относительно полушария, вносимой ненулевой By компонентой ММП при смене ее знака [напр., Мансуров 1969; Неррпег 1973; Мишин и др., 1978; Уваров 1983; Burch et al., 1985; Papitashvili et al., 1995]. Однако, использовалось однополушарное приближение, что не позволяло учесть тонкие эффекты сопряженности. В то же время, есть много свидетельств отсутствия межполушарной сопряженности и как следствие появления не антисимметрии, а асимметрии (в смысле искажения или отсутствия зеркального отображения) в проявлении ряда эффектов в северной и южной высокоширотных ионосферах. Это особенно часто обусловлено различиям в топологии пересоединения силовых линий ММП и геомагнитного поля под действием By ММП, а также углом наклона земного диполя и солнечным зенитным углом. Наблюдения несопряжснности тста-авроры, других авроральных форм, суббурсвых интенсификации приведены в [Vorobjev et al., 2001; Бороев и Гельберг, 2001; Величко и др., 2002; Stubbs et al., 2005; Ostgaard et al., 2005a, 20056, 2007 2009; Laundal and Ostgaard, 2009]. Асимметричные течения ионосферной плазмы, не связанные с суббурями, рассматривались в таких работах как [Grocott et al., 2003, 2004, 2005; Kozlovsky et al., 2003; Vcnnerstrom et al., 2007], а особенности топологии и пересоединения магнитного поля - в [Watanabe et al., 2007, 2010] В работе [Mishin et al., 2012] предложена схема электрической цепи глобального магнитосфер но го динамо, которая описывает асимметрию утро-вечер и межполусфсрную асимметрию интенсивностей ПТ как два неразрывно связанные явления.
Распространение электромагнитных возмущений из высоких широт к экватору усиливается в периоды повышенной солнечной активности. Как отмечалось в [Weimer 2005], существующие модели конвекции не могут воспроизводить распределение потенциала в области ниже широтной границы с нулевым граничным условием, которая устанавливается приблизительно на 60° MLat. В среднеширотной области электрические поля сравнительно невелики, поскольку эта зона до некоторой степени экранируется от поля конвекции противоположным действием ноля поляризации на внутреннем краю плазменного слоя. Тем не менее, проникновение электрического поля от высокоширотных источников обоих полушарий в средние широты может оказывать влияние на горизонтальные и вертикальные движения плазмы [Huang et al., 2006; Baker et al., 2007;
23
f
Fejer, 2011], в том числе на субавроральные поляризационные джеты [Galperin el al., 1974; Foster and Vo, 2002] и др.
1.2 Глобальный отклик ионосферно-магпитосферной системы при экстремальных событиях космической погоды
Геомагнитные бури являются одним из важнейших элементов космической погоды. Частота появления умеренных и сильных бурь на Земле имеет четкую корреляцию с 11-летним циклом солнечной активности. Источниками геомагнитных бурь в период солнечного максимума являются солнечные вспышки, выбросы корональной массы (СМИ) и связанные с ними межпланетные облака и ударные волны. В периоды спада цикла солнечной активности магнитные бури часто повторяются с 27-дневным периодом вращения Солнца. Источником таких бурь является корональные дыры на Солнце, из которых исходит быстрый поток солнечного ветра. Взаимодействие быстрого потока с медленным потоком приводит к образованию области сжатия плазмы СВ и ММП (CIR). Магнитные бури, генерированные СМЕ и CIR, различаются характером развития и своими свойствами [Tsurutani and Gonzales 1997; Borovsky and Denton, 2006; Yermolaev et al., 2010], однако в магнитосфер но-ионосферной системе всегда возбуждаются интенсивные электрические поля и токи, эффект которых является глобальным, происходит одновременно в обоих полярных областях и может распростряняться оттуда далеко к экватору. Во многих случаях именно комплексный анализ арктических и антарктических данных способствует правильной интерпретации наблюдаемых явлений и выявлению соответствующих механизмов. Это относится как к мощным бурям, происходящим в период максимума солнечного цикла, так и менее интенсивным, но более продолжительным бурям, происходящим на спаде цикла.
Бури, инициированные СМЕ, имеют внезапное начало, для них характерно развитие мощного кольцевого тока и большие значения Dst. Межпланетные магнитные облака содержат длительные крупномасштабные структуры с южной компонентой ММП, которая является наиболее геоэффективным параметром. Воздействие существенно усиливается, если на фоне южного ММП происходит резкое повышение динамического давления солнечного ветра. При этом наблюдается усиление продольных токов и конвекции [Zesta et al., 2000; I.ukianova, 2003], кольцевого тока [Shi ct al., 2008], интенсивные инжекции частиц [Li et al., 2003; Lee et al., 2005], авроральные возмущения [Lyons et al., 2005; Boudouridis ct al., 2003], триггирование суббурь [Zhou and Tsurutani, 2001; Lee et al., 2007] и др. В работе [Lukianova, 2003] было показано, что эффект
24
прохождения импульса давления является глобальным и проявляется в специфическом отклике ионосферных и продольных токов, геомагнитный эффект которых наблюдается в обеих полярных шапках и при экстремальной интенсивности может распространяться от полюса до полюса, включая средние и низкие широты.
Для бурь, вызываемых CIR, когда Bz компонента ММП невелика, но испытывает быстрые флуктуации, характерны небольшие значения Dst, а также длительные периоды повышенной геомагнитной активности [Tsurutani and Gonzales, 1987]. Было показано, что в этом случае общее поступление энергии в магнитосферу может превышать то, которое поступает в процессе мощных, но спорадических бурь в годы максимума солнечного цикла [Tsurutani and Gonzales 1997]. В периоды CIR в магнитосфере усиливается волновая активность и резко увеличиваются потоки релятивистских электронов [Home and Thome, 1998], которые представляют реальную опасноегь для телекоммуникационных спутников.
Последний 23 солнечный цикл был во многом необычным. Начиная со второй половины цикла, в нем наблюдался ряд аномалий. Так, в начале 2002 г. произошел эпизод значительного повышения солнечного УФ [Floyd et ah, 2005; Lukianova and Mursula,
2011], а начиная с 2003 г., наблюдались самые мощные и длительные за весь период прямых измерений СВ высокоскоростные потоки. Последующий солнечный минимум был очень глубоким и продолжительным. Уровень магнитного поля Солнца, солнечной постоянной и других индикаторов солнечного излучения был ниже, чем в предыдущие минимумы [Balogh and Smith, 2008]. Тем не менее, высокоскоростные потоки СВ были достаточно интенсивны, что привело к энергизации электронов в радиационых поясах и осложнению радиационной обстановки [Gibson et ah, 2009], к дополнительному выделению мощности в авроральной зоне [Emery et ah, 2008], а также ряду эффектов в верхней атмосфере [Lei et ah, 2008; Deng et al, 2011; Pedatella et ah, 2011].
Используя координированные измерения геомагнитных параметров в Арктике и Антарктике, мы можем получить необходимую информацию об электродинамических процессах, развивающихся в системе солнечный ветер-магнитосфера-ионосфера-зсмная поверхность под действием высокоскоростных потоков СВ, и в частности, объяснить экстремальное поведение геомагнитного поля в 2003 г. На основании полученных результатов можно сделать заключение о том, насколько уникально было поведение Солнца на спаде цикла 23, восстановить некоторые параметры солнечной активности в прошлом, а также провести оценку степени влияния электрических токов. М-И происхождения на вековой ход магнитного поля Земли, что важно для практики разделения главного ноля Земли и поля внешних источников.
25
1.3 Концепция сопряженности полушарий и развитие биполярных исследований
Вес слои атмосферы, естественным образом разделенные на северное южное полушария, являют собой единое целое. Понимание этой парадигмы нашло отражение в тематике специальной профаммы «Эффекты межполушарной взаимосвязи в солнечно-земных и аэрономических исследованиях (ICESTAR)» (http://www.scar-icestar.org), проводимой под эгидой междисциплинарного научного комитета по изучению Антарктики (SCAR). Биполярные исследования по этой программе интенсивно развивались в период Международного Полярного Года (МПГ) 2007/08 (http://www.ipy.org). Результатам координированных исследований в северной и южной полярных областях, связанных с изучением эффектов сопряженности полушарий на различных высотах атмосферы, был посвящен ряд сессий на крупных международных
конференциях, таких как Научные Ассамблеи Международной Ассоциации
\
Геомагнетизма и Аэрономии, Европейского Геофизического Союза, Американского Геофизического Союза. Это свидетельствует о том, что на основе проведенных ранее работ и массива полученных результатов более четко оформляется специфическое направление исследований высокоширотных областей Земли, обозначаемого как «биполярные» и «сопряженные». Такой подход может быть особенно важным в контексте глобальных изменений и расширяющихся возможностей для проведения совместного анализа крупномасштабных процессов, происходящих в южной и северной полярных областях, которые во многих случаях взаимосвязаны. Это касается исследований, посвященных изменению климата, где рассмафиваются процессы переноса, происходящие в нижней/средней атмосфере и океане [Chylek et al., 2010; Overland et al., 2008; Rind et al., 2009; Xu et al., 2009]. В еще большей степени такой подход актуален для верхних слоев атмосферы/ионосферы - областей, где важную роль в горизонтальных (по широге) и вертикальных (по высоте) связях шрают электромагнитные процессы. В последнее время были получены новые интересные результаты, указывающие на сопряженность ионосферно-магнитосферных электромагнитных явлений в высоких широтах противоположных полушарий, а также их связь с низкими широтами. Это касается продольных токов, в том числе межполушарных [Laundal et al., 2010; Yamashita et al., 2002; Benkevich et al., 2000; Mishin et al., 2011; Green et al., 2009; Shi et al., 2010], геомагнитных возмущений [Lyatskaya et al., 2008; Lukianova et al., 2002; Wcygand and Zcsta, 2008; Sastri et al., 2008], авроральных форм [Fillingim et al., 2005; Stubbs et al., 2005; Sato et al.,1998; Luan et al., 2010; Motoba et al., 2010], развития суббурь [Ostgaard et al., 2004. 2005; Frank et al., 2003; Liou and Newell, 2010], течений ионосферной плазмы
26
f
[Lukianova et а)., 2008; Pettigrew et a)., 2010; Woodfield et al., 2002; Ambrosino et al., 2009], геомагнитных пульсаций [Watanabe et al.,2007|, ионосферной динамики [Le et al., 2009; Valladares et al., 2009; Younger et al., 2009; Knipp et al., 2000; l,aundal et al., 2010; McDonald et al., 2008; de Abreu et al., 2010], нейтральных ветров [Kosh et al., 2010; Drob et al., 2008], среднеширотного ионосферного электрического ноля во внебуревыс периоды и во время геомагнитных бурь [Parkinson et al., 2005; Baker et al., 2007; Huang et al., 2008; Kikuchi et al., 2010].
В результате исследований, которые можно отнести к междисциплинарным, поскольку они проводились на стыке физики ионосферы и физики атмосферы, было установлено, что через механизмы обмена энергией между нейтральным и слабо ионизованным газом ионосфера испытывает значительное влияние со стороны тропосферных погодных систем [Моханакумар 2011; Immel et al., 2006, 2009; Luhr et al., 2007; Forbes et al., 2008; Alken and Maus, 2010; Fullcr-Rowell et al., 2008, 2010]. Тропосферно-ионосферное взаимодействие связано с крупномасштабными волновыми процессами и атмосферными приливами. Выявлена связь полярных стратосферных явлений с электродинамическими процессами в экваториальной ионосфере [Goncharenko and Zhang, 2008]. Например, экваториальный электроджет - казалось бы, чисто ионосферное явление - но, как недавно показано, он модулируется также и внезапными стратосферными потеплениями, происходящими в высоких широтах [Chau et al., 2009; Vineeth et al., 2009; Kurihara et al., 2010; Pedatella et al., 2010; Chau et al., 2011; Goncharenko et al., 2008, 2010; Fejer et al., 2011 ]
Таким образом, для ионосферы как области верхней атмосферы, где полушария связаны между собой через электромагнитные поля и токи, развитие биполярных и сопряженных исследований, интерпретация данных спутниковых и наземных измерений, полученных с противоположных полюсов Земли, представляет особый интерес.
1.4 Решение задач электродинамики верхней атмосферы с учетом сопряженности полушарий
Важность постановки задач ионосферной электродинамики в двухполушарном приближении обусловлена следующими основными причинами: (а) Наклон земной оси и несовпадение географического и геомагнитного полюсов приводят к сезонной и суточной асимметрии между проводящими ионосферными оболочками северного и южного полушарий. В существующих моделях конвекции этот эффект учитывается недостаточно корректно; (б) Топология взаимодействия геомагнитного поля и ММП, особенно при усилении его азимутальной компоненты, порождает межполушарную асимметрию, что
27