СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА I. Вариации геомагнитного поля в средних
широтах (обзор литературы)....... 9
§1.1. Физическая классификация вариаций
геомагнитного поля ................... 9
§ 1.2 J)st - индекс и его природа ........ 24
§ 1.3 DCF - вариация и её связь с параметрами магнитосферы и межпланетной среды 31
§1.4 Кольцевой ток в магнитосфере
( J)R - вариация)............................. 36
ГЛАВА II. J)CF -вариация и поле спокойного кольцевого тока PRCk, на поверхности земли ______55
§ 2.1 Определение полей J)CF и dRcrv ПРИ Различных уровнях возыущенности (по экспериментальным данным о геоцентрическом расстоянии до подсолнечной точки) ....................55
§ 2.2 Определение полей I)CF и J)Ron, по данным о параметрах плазмы солнечного ветра _______©
§ 2.3 Об уровне отсчета dst - вариации 2Д
ГЛАВА III. Моделирование и некоторые геофизические эффекты развития кольцевых токов .. _______83
§3.1 dst~ вариация на геомагнитных полюсах ................................................. S3
§ 3.2 Моделирование кольцевого тока при различных временных изменениях функции иннекции ............................................. 96
§ 3.3 Генерация КУП на разных фазах геомагнитных бурь........................................................................................ 108
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................ 120
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ..................................... 123
- 8 -
ВВЕДЕНИЕ
Настоящая диссертация посвящена анализу некоторых закономерностей магнитного поля кольцевого тока, существующего в магнитосфере Земли в спокойные периоды и значительно усиливающегося во время геомагнитных бурь.
Актуальность проблемы. Вариации магнитного поля, обусловленные кольцевым током, относятся к классической проблеме геомагнетизма, обсуждаемой практически целое столетие. Наиболее ярко они проявляются в низких и средних широтах на фоне вариаций других типов. В последние годы заметно повысился интерес к изучению различных закономерностей кольцевого тока. Это связано с тем, что интенсивность наземных вариаций простым образом связана с общим энергосодержанием энергичных частиц в магнитосфере земли на расстояниях в несколько земных радиусов. Таким образом, регистрация наземных вариаций магнитного поля на геомагнитных широтах Ф ~30-40° может использоваться для определения энергосодержания ионов с энергиями от нескольких кэВ до I МэВ в магнитосфере и служить целям диагностики радиационной безопасности.
Во время геомагнитных бурь в кольцевой ток инжектируется наибольшее количество энергии, поступающей в магнитосферу из межпланетной среды. Он становится основным носителем энергии, накопившейся в магнитосфере и постепенно диссипирующей как на меньшие высоты, так и из магнитосферы. Оценка этой энергии необходима для рассмотрения общего энергетического баланса магнитосферы в возмущенные периоды.
В связи с прямыми измерениями магнитных полей и плазмы в космическом пространстве появилась возможность связать их с опре-
деленными типами вариаций магнитного поля на поверхности земли. Проведение калибровочных сопоставлений и определение количественных коэффициентов связи между параметрами межпланетной среды, геометрическими характеристиками магнитосферы и наземными вариациями геомагнитного поля стало актуальной проблемой геомагнетизма и всей физики магнитосферы.
Для этого было:
1. Проведено разделение наблюдаемых на Ф — 30-40° вариаций геомагнитного поля по их источникам, расположенным на поверхности магнитосферы (J)CF ) и внутри неё (£)/?). Исходными данными явились Xst~ вариация геомагнитного поля и результаты прямых спутниковых наблюдений за положением как границы магнитосферы, так и параметров плазмы солнечного ветра.
2. Исследованы циклические закономерности выделенных вариаций.
3. Проанализировано распределение поля кольцевого тока на поверхности земли, в частности, выявлено существование такой вариации в приполюсной области.
Научная новизна работы определяется тем, что:
- показано, что разделение вариаций магнитного поля на части DCF и DR дает одинаковые результаты при использовании как данных о геоцентрическом расстоянии магнитопаузы в подсолнечной точке, так и прямых измерений плотности и скорости плазмы в межпланетной среде;
- исследованы циклические изменения:
а) коэффициентов связи между давлением солнечного ветра и наземными вариациями поля;
б) интенсивности кольцевого тока в спокойные периоды;
- 5 -
- на основе сопоставления вычисленных по данным наземных наблюдений значений р/? в спокойные интервалы с общим энергосодержанием в кольцевом токе заключено, что реперный уровень отсчета -вариации ДСР°) составляет от О до -6нТ;
- впервые выделена в чистой виде Дя-вариация геомагнитного поля одновременно на экваторе и в районах обоих геомагнитных полюсов;
- проведено моделирование развития I)/? во время магнитных бурь при различных предположениях о временных изменениях интенсивности инжекции плазмы в кольцевой ток в зависимости от параметров межпланетной среды;
- на основе анализа данных о поведении колебаний убывающего периода (КУП) вдоль геомагнитного меридиана за 1971-1975г.г. показано преимущественное появление КУП в период главной фазы магнитной бури. Статистическая оценка степени достоверности связи КУП с главной фазой магнитных бурь показала, что эта связь с вероятностью ^ 0,99 является неслучайным событием. Частота появления КУП во время магнитных бурь максимальна при -40нТ. В от-
сутствии магнитных бурь частота появлений КУП не связана определенным образом с уровнем .
Практическое значение. Практическая ценность результатов, полученных в работе, связана с их приложением к разделению наблюдаемых на поверхности земли вариаций на магнитные поля разных источников. Полученные в работе значения коэффициентов связи между характеристиками межпланетной среды и ДСР - вариацией от максимума до минимума солнечной активности, циклические вариации поля спокойного кольцевого тока используются при моделировании в период магнитных бурь.
- в -
Работа, выполнявшаяся в рамках плана научно-исследовательских работ, состоит из введения, трех глав, заключения. Библиография насчитывает 148 публикаций.
Первая глава содержит обзор классификации вариаций геомагнитного поля в средних широтах. Подробно рассмотрена существующая в настоящее время физическая классификация магнитных вариаций, связывающая определенный тип вариаций с характерным источником в магнитосфере или ионосфере. Рассмотрена структура поля Т)Л-вариации и приведены основные расчетные соотношения,связывающие входящие в DJt поля токов на магнитопаузе ( J)CF -вариация) и в замкнутой магнитосфере ( -вариация) с параметрами магнитосферы и
межпланетной среды.
Вторая глава посвящена изучению J)0F -вариации и поля спокойного кольцевого тока J)Rcn на поверхности земли. Экспериментальными данными служили регулярно публикуемые на международной основе сводки дц-индексов и измерения положения магнитопаузы или параметров солнечного ветра перед фронтом ударной волны.
В разделе 2.1 проведено определение полей 5CF и DRctt, при различных уровнях магнитной возмущенности по экспериментальным данным о геоцентрических расстояниях подсолнечной точки магнитосферы ('Т.^).Для каждого из 5 интервалов индекса Кр магнитной активности методом наименьших квадратов получены значения коэффициентов К и Ш в соотношении „
Dst = + DR ■ CD
Значение И постоянно для разных уровней возмущенности в пределах ошибок и его среднее значение КСр^= 3,95 * 0,4 нТ. Значение DR в ( I ), определяющее значение поля кольцевого тока в отклонении от принятого для T)5t уровня отсчета (реперного уровня), в маг-
- 7 -
нито-спокойные интервалы составляет -26,2 i 2 нТ.
В разделе 2.2 вклад полей DDF и DRcb в Dsi— вариацию определялся по непосредственным данным о плотности и скорости плазмы солнечного ветра. Получены > методом наименьших квадратов значения коэффициента связи между T)Si и т/Р » где Р - давление солнечного ветра для различных интервалов цикла солнечной активности. Для исключительно спокойных периодов определялось значение dRcn • Среднее значение DRov составляло в 1971г. -27 - 5нТ, в 1972г. -28 ± 6нТ, в 1974г. -18 + 4нТ, в 1975г. -22 ± 6нТ, в197бг. -21 - 2нТ и -37 + 4 нТ в 1967г. Таким образом, существуют циклические изменения DRсп, на поверхности земли.
В разделе 2.3 обсуждена проблема уровня отсчета Д«-вариации.
В третьей главе - в разделе 3.1 приводится доказательство существования Dw- вариации в 2 компоненте в полярных шапках. Выделение такой вариации проведено для магнитных бурь с J)^ z. -170нТ за интервал 19бб-1973г.г. Показано, что в главную фазу магнитных бурь на обсерваториях Туле и Восток в Z составляющей, после исключения вариаций, контролируемых В^ и By компонентами ММП (ДZ^cnp), появляется вариация, протекающая практически синхронно на противоположных полярных шапках, подобная D^-вариации на экваторе.
В разделе 3.2 проведено моделирование кольцевого тока на основе уравнения для баланса энергии
dpR _ ql,, _ DR ( 2 )
Ж oit) х у
где S(b) - функция инжекции в область кольцевого тока, Т -
постоянная распада. Моделирование проводилось при различных последовательностях значений S(t) , зависящих от электрического поля в межпланетной среде Е и интенсивности постоянно существующей фо-
- 8 -
новой инжекции в кольцевой ток.
Раздел 3.3 посвящен статистическому анализу частоты появления колебаний убывающего периода (КУП), связанных с инжекцией протонов в кольцевой ток, на разных фазах бури. С учетом длительности фаз бурь частота появления КУП составляет 2,7% для начальной фазы, 5,2% для главной фазы и 1,4% для фазы восстановления. Статистическая оценка степени достоверности связи КУП с главной фазой магнитных бурь методом Хансена-Стьюдента показала, что с вероятностью 0,99 эффект увеличения числа КУП во время главной фазы магнитной бури следует считать событием неслучайным.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Результаты определений по большому статистическому материалу коэффициентов связи между вариациями магнитного поля типа
DOF и параметрами плазмы солнечного ветра от максимума до минимума солнечной активности, коэффициентов связи между интенсивностью J)CF и расстоянием до подсолнечной точки магнитопаузы при различном уровне магнитной активности. Результаты вычислений на их основе магнитного поля спокойного кольцевого тока и циклических вариаций его интенсивности.
2. Доказательство существования в районе геомагнитных полюсов во время главной фазы магнитной бури в 2 компоненте геомагнитного поля вариаций, протекающих синхронно в обоих полушариях и подобных J)Si-вариации на экваторе.
3. Заключение на основе статистических оценок по данным о частоте появления КУП вдоль геомагнитного меридиана, о связи КУП с главной фазой магнитной бури. Увеличение числа КУП в главную фазу бури является явлением неслучайным с очень высокой вероятностью.
ГЛАВА I. Вариации геомагнитного поля в средних широтах, (обзор литературы).
Солнечный ветер и межпланетное магнитное поле определяют многие физические процессы в межпланетном пространстве, в окрестности Земли и в её атмосфере. Взаимодействие солнечной плазмы с геомагнитным полем приводит к ряду явлений, таких как образование головной ударной волны и магнитосферы, магнитные бури, ионосферные возмущения, полярные сияния и др.
Одной из главных задач физики межпланетной среды и солнечно-земной физики является исследование физических условий и процессов в солнечной атмосфере и межпланетном пространстве, которые определяют свойства солнечного ветра и МШ1, причины их изменений, а также взаимодействие солнечного ветра с геомагнитным полем. Именно изменения параметров солнечного ветра ответственны за многие геофизические явления, в том числе и за некоторые типы вариаций геомагнитного поля.
§1.1 Физическая классификация вариаций геомагнитного поля.
Более двух столетий тому назад было замечено, что магнитное поле меняется во времени, и уже более столетия ведутся регулярные наблюдения за этими изменениями. Установлено, что геомагнитное поле меняется всегда, но характер этих изменений бывает различным. В некоторые дни магнитное поле меняется плавно и с не очень большой амплитудой, в другие дли амплитуда вариаций возрастает и регулярность их нарушается. Первые были названы спокойными, вторые-возмущенными, а вариации магнитного поля
10
были подразделены на регулярные изменения в течении суток и возмущения [Э]. Солнечно-суточная вариация 5 характеризует изменения элементов земного магнетизма с периодом, равным продолжительности солнечных суток, ё -вариация зависит от местного времени, широты, интенсивности магнитной возыущенности. В связи с этим различают 5 - вариации в спокойные дни-5^, определяемые только по спокойным дням, и Бы ~ в возмущенные дни, определяемые по бурным дням. -5^ - вариации представляют основной тип длиннопериодных геомагнитных колебаний, генерируемых на высотах ионосферы. Из-за своей регулярности они легко выделяются в средних и низких широтах ( 3). В высоких широтах
и в полярной шапке даже в международные магнитно-спокойные дни определение спокойной суточной вариации представляет большие трудности из-за изменчивости магнитного поля от часа к часу. Сферический анализ суточных -вариаций по данным V? обсерваторий /57, включая и обсерватории за полярным кругом, показал, что -вариация зависите только от широты, но и от долготы пункта наблюдений, влияние которой сказывается вплоть до низких широт. Введение долготных членов в полярных шапках не улучшает сходимости вычисленных и наблюдаемых величин, так как на этих широтах преобладающими становятся геомагнитные вариации другой природы. Рассмотрение глобальных систем электрических токов ^-вариаций [32] и их регулярных изменений, создаваемых суточным и годовым движением Земли, показали, что "мгновенные системы" отличаются от системы "статической" -вариации и испытывают периодические изменения с мировым време-
-ІТ-
нем. Анализ природы 5«^-вариаций свидетельствует, что механизм атмосферного динамо является основным источником -полей [Ь] . Магнитные вариации есть следствие существования крупномасштабных систем ионосферных ветров. На рис.1 показаны суточные вариации X, У, 2 составляющих геомагнитного поля на различных широтах в периоды летнего, зимнего солнцестояний и в равноденствие.
Другие источники вариаций поля в средних и низких широтах расположены вне ионосферы. К ним относятся: токи на магнитопаузе [вб, 106, 107, 1177, высокоширотные продольные токи [82, 23, 31], кольцевой ток и токи в хвосте магнитосферы [20, 43\ . Вклад ионосферных токов затекания из высоких широт 0:04] в спокойное время не превышает 20$ от полного ^-поля. Основными характерными особенностями токовой системы являются вихри в дневном полушарии с центрами (фокусами) вблизи полуденного меридиана на магнитных широтах около ±30°. Ток течет к западу на полярной стороне от этих фокусов и к востоку на экваториальной. Что касается дополнительного вихря на ночной стороне, то его размеры и интенсивность в значительной степени зависят от выбора реперного уровня (отсчет от среднесуточных или ночных значений).
Суточная вариация по возмущенным дням 5<і по своей форме отличается от -вариации. 5с(. -представляет собой формальный результат осреднения большого числа магнитных возмущений разной природы и может описываться токовой системой на высотах ионосферы. Система ориентирована относительно направления на Солнце и при вращении Земли вокруг своей оси каждая точка земной поверхности попадает под разные участки этой токовой системы, что приводит к интенсивным периодическим изменениям магнитного ПОЛЯ,
- Київ+380960830922