Investigation of Geomagnitic Pulsations Рс5 on Two-Dimensional Network of Stations

Толық мәтін

1. ВВЕДЕНИЕ

Длиннопериодные геомагнитные пульсации Рс5 являются квазисинусоидальными колебаниями геомагнитного поля и занимают диапазон периодов от 150 до 600 с. Изучение этих пульсаций проводится давно [Троицкая, 1956], но и в последние годы исследованиям Рс5 посвящено много работ, например, [Большакова и др., 1994; Trivedi et al., 1997; Клейменова и Козырева, 2005a; Kleimenova et al., 2005b; Lee et al., 2007]. Интерес к этим пульсациям обусловлен также тем, что Рс5 могут иметь глобальный характер [Потапов и др., 2008].

В качестве основного механизма генерации Рс5 обычно рассматривается основная резонансная мода МГД волн на геомагнитных силовых линиях [Southwood, 1974; Пудовкин и др., 1976]. В работе [Chen and Hasegawa, 1974; Yumoto and Saito, 1980] рассматривается возбуждение поверхностных волн, возникающих на магнитопаузе, вследствие развития неустойчивости Кельвина–Гельмгольца при обтекании флангов магнитосферы плазмой солнечного ветра. Энергия этих волн передается во внутреннюю магнитосферу и возбуждает резонансные МГД колебания. Возможные механизмы генерации глобальных пульсаций Рс5 подробно обсуждались в ряде работ [Trivedi et al., 1997; Клейменова и Козырева, 2005а; Клейменова и Козырева, 2005б; Lee et al., 2007]. В авроральной зоне пульсации Рс5 могут достигать амплитуд в десятки и сотни нТл. В работе [Kleimenova et al., 2005a] в послеполуденном секторе предположительно обнаружены две разнесенные по широте зоны, в которых одновременно наблюдались пульсации Рс5.

Модель для описания поля геомагнитных пульсаций Рс5 на земной поверхности в виде токовых колец, перемещающихся в ионосфере в долготном направлении, впервые представлена в статье [Оберц, Распопов, 1968]. Модель с продольными токами для альфвеновской волны предложена в [Ляцкий, Мальцев, 1983]. В работе [Tagirov, Ismagilov, 1989] для объяснения особенностей геомагнитных возмущений Ps6 представлена модель в виде пары продольных токов (втекающий и вытекающий), создающих в ионосфере два ионосферных вихря, образованных холловскими токами.

В работах [Pilipenko et al., 2001; Pilipenko et al., 2002] крупномасштабное поведение квазистационарной магнитной активности, высыпаний энергичных частиц и их вариации в диапазоне Pc5 во время основной фазы интенсивной магнитной бури изучается с использованием данных сети магнитных и риометрических станций в Северном полушарии.

В данной работе детально исследуются мгновенные двумерные пространственные распределения амплитуд пульсаций Рс5 на земной поверхности, построенные по данным большого количества магнитных станций. Эти распределения используется для оценки размеров, местоположения проекции источника Рс5 на земную поверхность и фазовой скорости его перемещения. Оценка местоположения и размеров источников Рс5 в экваториальной плоскости магнитосферы определяется в рамках моделей [Оберц, Распопов, 1968], [Ляцкий, Мальцев, 1983], [Tagirov, Ismagilov, 1989].

2. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДИКА АНАЛИЗА

Для исследования событий Рс5 использованы данные 36 трехкомпонентных магнитных станций двумерной сети IMAGE и станций, расположенных на территории России (Лехта − LEH, Карпогоры − KAP, Ловозеро− LOV, Лопарская – LOP). Расположение магнитных станций показано на рис. 1 в исправленных геомагнитных координатах (Норильск – φ_m = 64.1°, λ_m = 161.6° находится за пределами рисунка). Ст. Лехта (Карелия, φ_m = 60.2°, λ_m = 112.1°) работала временно в период экспериментальных работ СПбФ ИЗМИРАН. Магнитные станции на рис. 1 расположены в интервале исправленных геомагнитных широт φ = 54°–78° и долгот λ = 85° – 121°. Временное разрешение данных на пяти самых высокоширотных станций (рис. 1) составляло 10 с, на остальных станциях – 1 с.

 

Рис. 1. Расположение трехкомпонентных магнитных станций двумерной сети IMAGE и 4 станции, расположенные на территории России: LEH−Лехта, KAP−Карпогоры, LOV−Ловозеро, LOP−Лопарская.

 

На рис. 2 слева представлены магнитограммы X-компоненты исходного магнитного поля, зарегистрированного на 5 магнитных станциях, расположенных вдоль геомагнитной широты ~ 64°. Мы наблюдаем начало умеренной магнитной бури около локального полудня (отмеченного вертикальными стрелками) на всех 5 станциях и через ~ 5 часов достигается максимальная величина поля. Справа на рис. 2 представлена Y-компонента магнитного поля для 5 магнитных станций, расположенных вдоль геомагнитной широты, близкой, как будет показано далее, к широте расположения центров ионосферных источников Рс5. На этой широте Y-компонента магнитного поля превосходит X-компоненту.

 

Рис. 2. Вариации Н-компоненты на 5 магнитных станциях, расположенных вдоль геомагнитной широты 64° (слева) и вариации D-компоненты Pc5 в диапазоне периодов Т =320−400 с (справа), 27.08.2014 г.

Штрихованные полоски – интервалы для построения двумерных распределений амплитуд компонент магнитного поля на земной поверхности. Вертикальные стрелки отмечают локальный полдень.

 

Предварительная обработка данных заключалась в фильтрации данных полосовым КИХ фильтром (фильтр c конечной импульсной характеристикой) в диапазоне периодов Т = 320−400 с. Затем определялись мгновенные значения трех компонент магнитного поля для каждой станции в координатах φ_m, λ_m и с шагом 2 минуты строились двумерные распределения амплитуд.

Для определения проекции на земную поверхность положения ионосферного источника Рс5 использовалась модель в виде двух токовых колец, расположенных рядом. В двух кольцах, составляющих ионосферный источник, текут переменные холловские токи (с частотой Рс5) противоположного направления. В этой модели максимальная или минимальная величина (в зависимости от направления тока в кольце) вертикальной Z-компоненты магнитного поля кольцевого тока располагается на земной поверхности на пересечении осей кольца. В центральной части источника, где токовые кольца соприкасаются, а также на западной и восточной частях кольца, ток течет в одном направлении и на земной поверхности будут наблюдаться три экстремума Y-компоненты, причем центральный экстремум будет противоположного знака с западным и восточным экстремумами, а в X-компоненте – 4 экстремума, по паре над северной и под южной частью колец.

Фазовую скорость движения источника (его проекции на земную поверхность) можно оценить, используя рис. 3. Для этого необходимо определить смещение изображения экстремумов амплитуды двухмерного распределения в вертикальной последовательности кадров. На рис. 3 в распределениях Y- и Z-компонент поведены линии белого цвета, соединяющие экстремумы распределений, последовательно смещающихся по долготе в западном направлении. Переводя смещение в км и зная время, за которое это смещение произошло можно оценить фазовую скорость движения источника

$V=111.1\times \Delta \lambda /\Delta t$. (1)

 

Рис. 3. Изменения Dst-индекса за период 22.08–28.08.2014 г.

 

Здесь V (км/с) – фазовая скорость движения ионосферных токовых вихрей в западном направлении,

Δλ (градусы геомагнитной долготы) – смещение экстремумов Z-компоненты (центры токовых вихрей в западном направлении),

Δt (с) – время, за которое ионосферные токовые вихри сместились на Δλ. Временной интервал между последовательными кадрами на рис. 3 составляет 120 с.

Постоянный коэффициент 111.1 равен длине экваториальной дуги окружности в 1 градус при радиусе земли R_E = 6371 км.

Оценить размер источников на земной поверхности в западно–восточном направлении (Х) можно по расстоянию между экстремумами Z-компоненты (центры токовых вихрей) на кадрах рис. 3. Оценка размера источников на земной поверхности в южно–северном направлении (Y) определяется по расстоянию между экстремумами Н-компоненты:

$Х=111.1\times \Delta {\lambda }_m\cos \left({\phi }_{ms}\right), Y = 111.1\times \Delta {\phi }_m$, (2)

где Х (км) – размер источника в направлении запад–восток,

Y(км) – размер источника в направлении юг–север,

Δλ_m – размер источника в градусах геомагнитной долготы,

φ_ms – геомагнитная широта центра источника,

Δφ_m – размер источника в градусах геомагнитной широты.

111.1 – постоянный коэффициент равный длине экваториальной дуги окружности в 1 градус при радиусе земли R_E = 6371 км.

Для пересчета оценок размеров источников и их местоположения в экваториальной плоскости магнитосферы используется формула для магнитного поля земного диполя – параметр Мак-Илвейна

$L=R_E/{\cos }^2\left({\phi }_m\right)$, (3)

где φ_m – геомагнитная широта.

Предполагается также, что размеры источника и величина фазовой скорости его движения в экваториальной плоскости магнитосферы пропорциональны L.

Для определения положения плазмопаузы в околополуденное локальное время используется формула

$L_{ppi}=A+B\times Kp\left(max\right)$, (4)

где L_ppi – положение плазмопаузы в R_E, Kp(max) – максимальное значение 3-часового Кр-индекса магнитной возмущенности в предыдущие 12 часов. Параметры А и В для соответствующего временного интервала определяются из таблицы в [Moldwin et al, 2002].

 

Таблица 1. Оценки параметров источников Рс5

Параметр	11:12 – 11:16 UT	14:16 – 14:30 UT
φlpp, град	63	57
Llpp, RE	4.7	3.6
φms, град	67.5	63.5
Lc, RE	6.8	5
Δλm, град	3	6
X, км	150	250
LX, Re	0.16	0.2
Δφm, град	3	6
Y, км	330	670
LY, RE	1.6	2.1
Δt, сек	360	360
Δλ, град	6	12
V, км/с	0.7	1.7
Vm, км/с	4.8	8.5

Примечание.

φ_lpp – геомагнитная широта проекции плазмопаузы;

L_lpp – L оболочка плазмопаузы;

Lc – L оболочка центра источника Рс5;

Δλ_m – размер источника Рс5 в градусах геомагнитной долготы;

X – размер источников в направлении запад–восток;

Lх – размер источников в направлении запад–восток в пересчете на экваториальную плоскость магнитосферы;

Δφ_m – размер источника Рс5 в градусах геомагнитной широты;

Y – размер источника Рс5 в направлении юг–север;

L_Y – размер источника Рс5 в направлении юг–север в пересчете на экваториальную плоскость магнитосферы;

Δt – время, за которое ионосферные токовые вихри сместились на Δλ;

Δλ – смещение экстремумов Z-компоненты (центры токовых вихрей в западном направлении;

V – фазовая скорость движения источника Рс5 в западном направлении;

V_m – фазовая скорость движения источника Рс5 в западном направлении в пересчете на экваториальную плоскость магнитосферы.

 

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

В послеполуденном секторе на европейской территории на фоне магнитной бури 27.08.2014 г. наблюдались всплески геомагнитных пульсаций Рс5 с амплитудами до 100 нТл. Исследуемые события Рс5 с периодом Т ~ 360 с (~ 2.8 мГц) возникли после 5-суточного периода спокойной магнитной обстановки и, вероятно, имеют глобальный характер, т.к. наблюдались также и на более восточной станции Норильск (λ_m = 161.6°).

В течение периода 22−27.08.2014 г. индекс D_ST изменялся от небольших отрицательных значений 22.08 до небольших положительных 23–26.08.2014 г., а 27.08 с момента времени 03 UT уменьшился до –79 нТл в 19:00 UT (рис. 3). Трехчасовой индекс Кр имел 22−26.08.2014 г. значения не выше 1+, 27.08.2014 г. начал возрастать и достиг значения 4– в период 15−18 UT.

Значения часовых АЕ-индексов начали расти со скачка АЕ с 70 до 201 в период 02 – 03 UT 27.08.2014. Максимального значения (1075) АЕ-индекс достиг в период 14−16 UT 27.08.2014, что совпадает с временем возникновения всплесков Рс5 с максимальной амплитудой (рис. 2, правая часть). На станциях, отмеченных на рис. 1, величина магнитного поля начала возрастать после 12 LT.

На рис. 4 представлены мгновенные двумерные распределения на земной поверхности мгновенных значений амплитуд H-, D- и Z-компонент Рс5 вариаций магнитного поля. Использованы данные 36 магнитных станций, показанных на рис.1. Область, в которой построены двумерные распределения занимает интервал геомагнитных широт 54°−78° и долгот 86°−121°. Мгновенные значения амплитуд Pc5 нормированы на максимальную амплитуду, определенную по всей двумерной сети в моменты времени указанные на рисунке. Нормировка удобна тем, что позволяет сравнивать цветовую палитру на рисунке в различных кадрах.

 

Рис. 4. Мгновенные двумерные распределения амплитуд H-, D- и Z-компонент пульсаций Рс5 в интервалы времени 11:12−11:26 UT (слева) и 14:16−14:30 UT (справа) 27.08.2014 г.

Белые пунктирные линии – проекция плазмопаузы (нижняя на верхних кадрах) и геомагнитная широта центров источников Рс5. Наклонные белые линии соединяют экстремумы распределений.

 

Для построения распределений с шагом 2 минуты выбраны интервалы времени 11:12−11:26 UT (левая панельрис. 4, интервал 1) и 14:16−14:30 UT (правая панель рис. 4, интервал 2) 27.08.2014 г. Заштрихованные полоски на рис. 2 отмечают эти интервалы времени. Первый временной интервал соответствует началу магнитной бури, второй – попадает на время близкое к максимальному значению магнитного поля. Изолинии черного цвета на рис. 4 отмечают нулевые значения амплитуды вариаций Рс5. Поскольку Рс5 имеют период ~ 6 мин, то на рис. 4 в каждой из компонент можно видеть близкое совпадение двумерных распределений с шагом 6 мин (3 кадра). Отметим, что вследствие неполного заполнения магнитными станциями северо-западной и юго-восточной области исследования мы не видим на некоторых кадрах рис. 4 симметричных картинок. На вид построенных пространственных распределений амплитуд Рс5 влияет не только магнитное поле ионосферных источников, а также геоэлектрические особенности земной коры, неоднородности ионосферы и неполная компенсация магнитного поля биркеландовских токов из-за наклона магнитных силовых линий.

На рис. 5 сравнивается более ранний всплеск Рс5 (возникший в период роста магнитной возмущенности) со всплеском в исследуемом 14-мин. интервале 14:16−14:30 UT (заштрихованная область на рисунке).

 

Рис. 5. Магнитограммы трех компонент вариаций магнитного поля 15:30−18:30 LT 27.08.2014 г. п. Лехта фильтрованные в диапазоне периодов Т = 320–400 с. Затененной полосой отмечен интервал 14:16−14:30 UT 27.08.2014 г.

 

4. ОБСУЖДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Двумерные распределения компонент магнитного поля на земной поверхности (рис. 4), по-видимому, созданы вихревыми холловскими токами, которые перемещаются в ионосфере в западном направлении. Такая модель для описания поля геомагнитных пульсаций Рс5 впервые представлена в статьях [Оберц, Распопов, 1968], [Tagirov, Ismagilov, 1989]. Пара вихревых ионосферных холловских токов создается парой продольных токов (втекающий и вытекающий) [Ляцкий, Мальцев, 1983] связанных ионосферными педерсеновскими токами, величина которых меняется с частотой Рс5. Магнитное поле педерсеновских токов компенсируется магнитным полем продольных токов, (предполагаем, что Z-компонента ортогональна земной поверхности), ионосферу считаем однородной. Эта упрощенная модель объясняет пространственное распределение магнитного поля Рс5 и фазовые сдвиги между магнитными компонентами на земной поверхности.

Нижняя пунктирная линия на верхних кадрах 11:12 UT и 14:16 UT отмечает расположение плазмопаузы. В географических координатах используемая двумерная сеть магнитных станций расположена на широтах φ = 58°−78° N и в диапазоне долгот λ = 5°− 45° E. Центр ионосферных источников Рс5 расположен на ~ 30° Е (рис. 4). Локальное время центра источников, следовательно, составляет LT = UT + 2. Для момента 11:12 UT локальное время соответствует LT = 01 и попадает в интервал 09–15 LT в табл. 1 из работы [Moldwin et al, 2002], а для момента 14:16 UT–16 LT − в интервал 15−21 LT. Индекс Kp (max) = 4− в обоих случаях. Используя выражение (4), определяем положение плазмопаузы в экваториальной плоскости магнитосферы Lppi = 4.5 R_E для момента 11:12 UT, что соответствует φ_m ~ 63° на левой части рис. 4 и Lppi = 3.7 R_E для момента 14:16 UT что соответствует φ_m ~ 57° на правой части рис. 4.

На всех кадрах рис. 4 проведена пунктирная линия (положение центра ионосферного источника), прошедшая через экстремумы D- и Z-компонент и между экстремумами Н-компоненты по геомагнитным широтам φ_m ~ 67.5° слева и φ_m ~ 63.5° справа на рис. 4.

Для определения параметров Δφ_m, Δλ_m, X, Y, Δλ и V в табл. 1 на рис. 4 через экстремумы в амплитудных распределениях Z- и D-компонентах проведены наклонные линии белого цвета (через 4 кадра, Δt = 360 с) для интервала времени 11:20–11:26 UT на левой части рис. 4 и интервала времени 14:18–14:26 UT на правой части рисунка (Δt = 480 с). Методика получения оценок параметров изложена в разделе 2, формулы (1) – (4).

На рис. 4 (левая панель) отчетливо видно смещение двумерных распределений одного ионосферного источника в западном направлении. Средняя оценка скорости движения источников дает ~ 0.7 км/с. На правой панели рис. 4 во 2 интервале времени 14:16–14:30 UT (максимум магнитной бури) мы наблюдаем двумерные распределения магнитного поля, созданные двумя ионосферными источниками. Оба ионосферных источника имеют близкие параметры, но их центры, определенные по экстремумам Z-компоненты сдвинуты по долготе на ~ 12° (~ 0.2 R_E в пересчете на экваториальную плоскость магнитосферы). Средняя оценка скорости движения источников дает ~ 1.7 км/с.

В табл. 1 приведены оценки параметры источников Рс5 для двух интервалов времени 11:12 – 11:16 UT 27.08.2014 (начало магнитной бури) и 14:16 – 14:30 UT 27.08.2014 (максимум магнитной бури).

Как видно из табл. 1, холловские токовые вихри имеют эллиптическую форму, сильно вытянутую с юга на север. В ходе усиления магнитной бури в экваториальной плоскости магнитосферы произошло смещение на ~ 1.8 R_E к Земле магнитосферных источников Рс5 (силовая магнитная трубка с резонансными МГД волнами) и увеличение размеров источника в направлении юг – север. Необходимо отметить, что взаимное наложение магнитных полей двух следующих друг за другом источников Рс5 (интервал 14:16−14:30 UT) ухудшает точность оценок.

На рис. 5 представлены магнитограммы трех компонент вариаций магнитного поля зарегистрированные в п. Лехта (станция 33 на рис. 1) в интервале времени 15:30−18:30 LT 27.06.2014 г. (14:16−14:30 UT). Данные отфильтрованы в том же диапазоне периодов Т = 320 – 400 с. Отмечен интервал 14:16−14:30 UT исследуемый на рис. 4. На рисунке видно, что всплеск Рс5 возникший около 13:05 UT на фазе роста магнитной бури, имеет колоколообразную форму присущую резонансным колебаниям, созданным одним источником. А в интервале 14:16−14:30 UT мы видим наложение магнитного поля двух источников, что подтверждает вывод о двух источниках, следующих друг за другом, сделанный по двумерным распределениям. Магнитные поля двух близких ионосферных источников на земной поверхности складываются, что приводит к сбою фазы и изменению видимого периода Рс5 (например, момент 14:20 UT на рис. 5). На рис. 5 (первый всплеск Рс5) проведена вертикальная линия, которая позволяет увидеть фазовый сдвиг на четверть фазы между компонентами поля. Это означает, что ионосферный источник не является точечным, для которого компоненты поля на земной поверхности должны находиться в фазе или в противофазе. Для объяснения наблюдаемых фазовых сдвигов хорошо подходит модель в виде токовых ионосферных вихрей.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе проведено детальное исследование геомагнитных пульсаций Рс5, возникших в послеполуденном секторе на фоне умеренной магнитной бури 27.08.2014 г., которой предшествовал 5-ти суточный период с низкой магнитной активностью. Для исследования магнитного поля Рс5 на земной поверхности использованы данные двумерной сети IMAGE и магнитных станций, расположенных на территории России (всего− 36 станций). В двух временных интервалах – в начале бури и в период максимальной величины магнитного поля бури построены мгновенные двумерные распределений компонент магнитного поля Рс5 на земной поверхности использованы.

В первом временном интервале (начало бури) по двумерным распределениям магнитного поля на земной поверхности выявлен один всплеск пульсаций Рс5. Определено, что центр источника расположен на геомагнитной широте 67.5° (L_c ~ 6.8 R_E) и смещается в западном направлении со скоростью ~ 0.7 км/с, а в магнитосфере на L ~ 6.8 R_E скорость перемещения источника Рс5 составляет ~ 4.8 км/с. Определено, что ионосферный источник (пара холловских токовых вихрей) имеет эллиптический вид с размерами осей ~ 150 км в направлении юг–север и ~ 330 км в направлении запад–восток (~ 0.16 R_E и ~ 1.6 R_E в экваториальной плоскости магнитосферы).

Во втором временном интервале (максимум бури) по двумерным распределениям магнитного поля на земной поверхности выявлено, что всплеск пульсаций Рс5 создан двумя ионосферными источниками, следующими друг за другом. На рис. 4 видно, что наличие двух близких ионосферных источников приводит к наложению магнитных полей источников, наблюдается к сбой фазы Рс5 и изменение видимой частоты. Определено, что эти ионосферные источники имеют более вытянутый эллиптический вид с осями запад–восток ~ 250 км и юг – север ~ 670 км (~ 0.2 R_E и ~ 2.1 R_E в экваториальной плоскости магнитосферы). Центры источников расположены на геомагнитной широте 63.5° (L ~ 5 R_E) и смещаются в западном направлении со скоростью ~ 1.7 км/с, а в магнитосфере на L ~ 5 R_E скорость перемещения источника составляет ~ 8.5 км/с.

В ходе усиления магнитной бури в экваториальной плоскости магнитосферы произошло смещение магнитосферных источников Рс5 на ~ 1.8 R_E к Земле (силовая магнитная трубка с резонансными МГД волнами) и увеличение размеров источника. Область генерации Рс5 находится севернее плазмопаузы, вероятно, в районе южной кромки авроральной зоны.

БЛАГОДАРНОСТИ

Мы благодарим институты, которые обслуживают массив магнитометров IMAGE: Геофизическую обсерваторию Тромсе UiT Арктического университета Норвегии (Норвегия), Финский метеорологический институт (Финляндия), Институт геофизики Польской академии наук (Польша), Немецкий исследовательский центр Геонаук GFZ (Германия), Геологическую службу Швеции (Швеция), Шведский институт космической физики (Швеция), Геофизическую обсерваторию Соданкюля Университета Оулу (Финляндия), Полярный геофизический институт (Россия), Датский технический университет DTU (Дания) и Научный институт Датского университета геологии. Исландия (Iceland).

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Данная работа финансируется в рамках госбюджетной темы, госрегистрация № 01.20.0803691.

Авторлар туралы

Yu. Kopytenko

Saint Petersburg Branch of the Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation of the Russian Academy of Sciences

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: office@izmiran.spb.ru
Ресей, Saint Petersburg

V. Ismagilov

Saint Petersburg Branch of the Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radio Wave Propagation of the Russian Academy of Sciences

Email: office@izmiran.spb.ru
Ресей, Saint Petersburg

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар