Реакція магнітосфери Землі на перебудову геліосферного магнітного поля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова

УДК 523.62

Реакція магнітосфери Землі на перебудову геліосферного магнітного поля

04.00.22 - геофізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Решетник Володимир Миколайович

Харків 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Київському національному університеті імені Тараса Шевченка, м. Київ

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Дзюбенко Микола Іванович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професор кафедри астрономії та фізики космосу

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Ямпольський Юрій Моїсійович, Радіоастрономічний інститут НАН України (м. Харків), завідувач відділу радіофізики геокосмосу

кандидат фізико-математичних наук, вченого звання не має, Захаров Іван Григорович, старший науковий співробітник кафедри космічної радіофізики Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна

Провідна установа: Головна астрономічна обсерваторія НАН України, м. Київ, відділ “Фізика тіл Сонячної системи”

Захист відбудеться “ 9 ” лютого 2006 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.157.01 Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України (61085, м. Харків, вул. Академіка Проскури, 12, у залі засідань).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України (61085, м. Харків, вул. Академіка Проскури, 12).

Автореферат розісланий " 30 " грудня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради О.Я. Кириченко

авроральний магнітосфера асиметрія

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Дисертація присвячена дослідженню впливу міжпланетного середовища на стан авроральної зони іоносфери за даними супутникових та наземних вимірювань.

Актуальність теми. Сонячний вітер (СВ) з вмороженим сонячним магнітним полем, взаємодіючи з магнітосферою Землі, формує в навколоземному космосі складну сукупність фізичних процесів. Вони зумовлюють передачу частини сонячної енергії у внутрішні ділянки магнітосфери завдяки дисипації струмів, частинок та хвиль. Взаємодія між СВ, магнітосферою, іоносферою викликає варіації магнітосферних та іоносферних параметрів.

Сонячний вітер на орбіті Землі має надзвукову швидкість і є головним чинником у формуванні магнітосфери. Просторові та часові зміни в навколоземному середовищі істотним чином модифікують магнітосферну конфігурацію.

Як відомо, магнітне поле сонячної атмосфери переноситься СВ в міжпланетний простір, де має, в середньому, спіральну структуру. Крупномасштабні області, де магнітне поле переважно має орієнтацію до Сонця, стикуються з областями, де поле має протилежну орієнтацію. В площині екліптики реєструється секторна структура міжпланетного магнітного поля (ММП). Але така картина справедлива лише в середньому. Реальний напрямок та величина вектора індукції ММП мають велику хаотичну складову. Геліосфера, як область, контрольована СВ, рухається відносно міжзоряного середовища, подібно до того, як магнітосфера рухається відносно СВ [20]. Внаслідок взаємодії „міжзоряного вітру” з геліосферою утворюється ударна хвиля гальмування та геліопауза. Міжзоряне середовище безумовно впливає на характеристики СВ всередині геліосфери.

Вже перші дослідження показали, що при проходженні Землею секторної границі спостерігається зростання рівня геомагнітної активності. Подальші спостереження показали залежність магнітосферної конвекції, струмових систем, висипань частинок від параметрів міжпланетного магнітного поля. Складова ММП Bz відіграє значний вплив на інтенсивність протікання геофізичних збурень. При південних орієнтаціях Bz складової напрямок геліосферного магнітного поля в лобовій точці магнітосфери протилежний земному. В результаті відбувається перез'єднання магнітних полів, денна магнітосфера стискається і реконструюється хвіст магнітосфери [22].

Полярні сяйва, як характерне явище магнітосфер, дуже чутливі до напрямку та величини ММП. Південне спрямування складової Bz значно підсилює авроральні висипання [21]. Вплив інших компонент ММП на стан аврорального овалу інтенсивно обговорюється в останні роки і залишається актуальною проблемою.

Проходження Землею секторної границі ММП збільшує імовірність появи авроральних явищ [22]. Особливості відгуку авроральної зони на проходження секторної границі потребують детальнішого вивчення. Ряд попередніх досліджень показали вплив компонент ММП на активність полярних сяйв, положення та рух аврорального овалу [22, 23]. Також вказується на сезонний характер отриманих залежностей. Різні частини аврорального овалу „відчувають” вплив напрямку міжпланетного поля по різному [24].

Полярні сяйва чутливі також до азимутальної By компоненти ММП [24, 25]. Більшість дослідників інтерпретують вказані залежності частковим проникненням ММП з СВ в магнітосферу [26], що призводить до реконструкції магнітосферних струмових систем. Ряд дослідників знайшли вплив радіальної Вх компоненти ММП на авроральні арки [27] та на авроральний овал в цілому [28, 29].

Останнім часом постійний моніторинг стану міжпланетного середовища та процесів в магнітосфері надає унікальну можливість опрацювання та аналізу великої кількості даних спостережень. Актуальність роботи зумовлюється необхідністю дослідження поведінки аврорального овалу в залежності від орієнтації та величини ММП на великому спостережному матеріалі з врахуванням сезонних ефектів, що має допомогти в побудові цілісної картини взаємодії сонячного вітру з магнітосферою Землі. Врахування процесів в авроральній області є важливим при прогнозуванні космічної погоди - стану навколоземного середовища, зміни якого істотно впливають на людську діяльність.

Зв`язок з науковими програмами, планами, темами. Дана робота виконувалася під час навчання в аспірантурі на кафедрі астрономії та фізики космосу Київського національного університету імені Тараса Шевченка в рамках науково-дослідних тем науково-дослідної лабораторії “Фізика космосу”: “Дослідження взаємозв`язків у плазмових оболонках системи Сонце-магнітосфера-іоносфера-Земля” (№97007), “Дослідження динамічних процесів у геліосфері, магнітосфері та атмосфері Землі за результатами наземних та супутникових вимірювань” (№01БФ051-14), в рамках гранту INTAS №99-0078 та гранту INTAS-CNES №97-1769.

Мета і задачі дослідження.

Метою роботи є визначення поведінки авроральних явищ при різних умовах в сонячному вітрі поблизу Землі за одночасними супутниковими та наземними вимірами.

Задачі дослідження:

1. Опрацювання даних магнітометричних та плазмових вимірювань в СВ поблизу земної орбіти та розробка методики і програмного забезпечення для автоматичного опрацювання паралельних рядів спостережень: стану сонячного вітру та геофізичних проявів.

2. Виявлення особливостей розвитку авроральних явищ за умов проходження Землею секторної границі міжпланетного магнітного поля при різних знаках переходу.

3. Вивчення статистичних залежностей параметрів СВ поблизу Землі як функції напрямку векторів індукції ММП і швидкості СВ. Побудова просторового розподілу вектору ММП поблизу орбіти Землі в різних системах координат.

4. Статистичне дослідження поведінки полярних сяйв при різних напрямках вектора індукції ММП для різних сезонів та умов у СВ.

5. Оцінка можливого рівня асиметрії усереднених значень ММП.

Об`єкт дослідження - навколоземний космічний простір, зокрема, сонячний вітер поблизу Землі та магнітосфера Землі.

Предмет дослідження - взаємодія сонячного вітру з магнітосферою, ММП поблизу Землі, потужність висипання частинок в авроральні овали, активність полярних сяйв.

Методи дослідження. Для обробки спостережних даних, отриманих з космічних апаратів та наземних станцій, і дослідження особливостей навколоземного простору використовувався статистичний метод накладання епох. Розроблено метод сепарації характеристик активності авроральних явищ за різних умов в сонячному вітрі.

Наукова новизна одержаних результатів. В роботі вперше проаналізовано поведінку міжпланетного магнітного поля за період близько 40 останніх років за супутниковими даними. Отримано просторовий розподіл параметрів СВ поблизу орбіти Землі. Показано, що середня індукція ММП більша, коли вектор міжпланетного поля спрямований в північну півсферу відносно сонячного екватору. Встановлена асиметрія в геліосферному розподілі характеристик СВ.

На основі статистичного аналізу активності авроральних явищ при перетині геліосферної секторної границі, вперше виявлено, що при проходженні геліосферного струмового шару в секторах з міжпланетним магнітним полем спрямованим до Сонця активність полярних сяйв в середньому вища, ніж в секторах з протилежним напрямком ММП.

Вперше отримано середній розподіл авроральної активності в залежності від азимутального кута ММП для різних сезонів, умов сонячної активності та діапазонів величини ММП. Підтверджено значне зростання авроральної активності при південному спрямуванні вектора ММП. В північній та південній півкулях відносне збільшення активності полярних сяйв відбувається при протилежних знаках Ву компоненти ММП.

З аналізу поведінки самого вектора ММП всередині геліосфери показано існування виділеного напрямку. Виявлено, що середнє значення вектора ММП за 20 років не дорівнює нулю, вдалось виділити переважний напрямок, вздовж якого поле ММП підсилюється, в протилежному - послаблюється. Це вказує на наявність геліосферної асиметрії. Вектори ММП мають тенденцію групуватись до деякого виділеного напрямку у геліоцентричній системі відліку. На основі виявленої глобальної асиметрії ММП зроблені оцінки параметрів (величина та напрямок) глобального магнітного поля за межами геліосфери.

Практичне значення одержаних результатів. Результати цієї роботи можуть бути використані для розробки адекватної моделі геліосфери та механізмів взаємодії СВ з магнітосферою Землі, при підготовці нових супутникових та наземних експериментів з вивчення поведінки СВ та авроральної активності. Результати сприяють глибшому розумінню процесів в системі геліосфера, магнітосфера та іоносфера. Розроблене програмне забезпечення може бути використане для аналізу рядів даних іншого походження. Області використання - фізика геліосфери, фізика навколоземного середовища, фізика авроральних явищ.

Особистий внесок здобувача. Всі результати, викладені в дисертації, одержані автором самостійно, або при його безпосередній участі.

В роботах [1, 8] автор брав участь у відборі матеріалів спостережень, розробці методики аналізу та підготовці публікацій.

В роботах [3, 13, 15, 17, 19] автор брав участь в постановці задачі, самостійно провів статистичний аналіз поведінки індексів авроральної та геомагнітної активності в залежності від горизонтальної компоненти міжпланетного магнітного поля, інтерпретував одержані результати та готував публікації до друку. В роботах разом зі співавторами виявлене існування глобальної асиметрії геліосфери.

В роботі [5, 11] проведено статистичне дослідження поведінки параметрів сонячного вітру протягом чотирьох циклів активності Сонця, самостійно поставлена проблематика, проведено аналіз результатів.

В роботах [2, 4, 6, 7, 9, 10, 12, 13, 14, 16, 18] автором самостійно поставлено задачу, вдосконалено методи аналізу поведінки авроральної активності при різних умовах в міжпланетному середовищі, розроблено методику виключення впливу деяких характеристик сонячного вітру для виділення варіацій пов'язаних з геліосферним магнітним полем. Автором проведено інтерпретацію одержаних результатів та підготовка публікацій для друку.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідались на конференціях та наукових семінарах:

– 8, 10, 11 Open Young Scientists' Conference on Astronomy and Space Physics, Kyiv, Ukraine, 2001, 2003, 2004;

– The Second Odessa Astronomical Summer School for Young Scientists, August, 12-17, 2001, Odessa, Ukraine;

– Міжнародна наукова конференція „Астрономічна школа молодих вчених”, Травень 20 _ 23, 2003, Біла Церква, Україна;

– 12^th annual conference of doctoral students “Week of doctoral students 2003”, June, 10 - 13, 2003, Prague, Czech republic;

– Школа _ семінар для молодих науковців „Наукові космічні дослідження”, Липень 1_ 6, 2003, с. Жукін, Київська область, Україна;

– The Forth Odessa Astronomical Summer School for Young Scientists, August, 2003, Odessa, Ukraine;

– The Magnetospheric Response to the Solar Activity Conference, September, 9-12, 2003, Prague, Czech republic;

– Третья Украинская конференция по перспективным космическим исследованиям, Сентябрь, 2003, Кацивели, Крым;

– 27^th annual seminar “Physics of auroral phenomena”, March, 2 - 5, 2004, Apatity, Russia;

– Міжнародна наукова конференція „Астрономічна школа молодих вчених”, Травень, 2004, Біла Церква, Україна;

– 13^th annual conference of doctoral students “Week of doctoral students 2004”, June, 15 - 18, 2004, Prague, Czech republic;

– Четвертая Украинская конференция по перспективным космическим исследованиям, Сентябрь, 19 _26, 2004, Кацивели, Крым;

– 28^th annual seminar “Physics of auroral phenomena”, March, 1 - 4, 2005, Apatity, Russia.

Публікації. Результати дисертації, опубліковані впродовж 2001 _ 2005 років: статті в наукових реферованих журналах - 4, матеріали конференцій - 4, тези конференцій - 11.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, трьох розділів, висновків та списку використаних джерел із 125 найменувань на 13 сторінках. Рисунків - 49, таблиць - 4. Повний обсяг дисертації складає 132 сторінки.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми досліджень, сформульовано мету дисертаційної роботи та засоби її досягнення, показано наукову новизну отриманих результатів, коротко описано зміст кожного з розділів дисертації.

Перший розділ має оглядовий характер. В ньому розглянуто основні характеристики міжпланетного середовища, магнітосфери Землі та полярних сяйв. Наведені приклади геліосферних варіацій та їх вплив на геофізичні процеси.

Міжпланетний простір заповнений сонячною плазмою, що розширюється від Сонця. Сонячний вітер є одним з головних чинників, які формують характерні риси Сонячної системи. Постійний потік високошвидкісних частинок формує в навколосонячному просторі названу геліосферою область, контрольовану головним чином процесами на Сонці. Розміри геліосфери досягають 100 астрономічних одиниць. Таким чином планети знаходяться в середині цієї сонячної каверни і постійно відчувають вплив Сонця не лише через електромагнітне випромінювання, але й опосередковано через корпускулярний потік з вмороженим ММП.

Перші моделі сонячного вітру були побудовані ще в п'ятидесятих роках минулого століття [30, 31]. Ці моделі, незважаючи на їх простоту, досить добре описували фізичні процеси в міжпланетному середовищі. Так, за паркерівською моделлю, силові лінії ММП мають форму спіралі, закрученої проти напрямку обертання Сонця. На орбіті Землі кут між витком такої спіралі і радіус-вектором Сонця досягає приблизно 45.

Трансформацію глобального магнітного поля Сонця в процесі розширення сонячного вітру (за умови вмороженості магнітного поля в плазму СВ) до його спостережуваної конфігурації можна інтерпретувати як результат існування в області нейтрального шару струмів відповідного напрямку. Магнітне поле струмів нейтрального шару, накладаючись на глобальне поле Сонця, створює спостережувану магнітну структуру в геліосфері. Перехід через міжпланетний струмовий шар супроводжується зміною напрямку вектора магнітної індукції на протилежний. Така зміна напрямку ММП на протилежний називається секторною границею. Таким чином, можна стверджувати, що нейтральний шар значною мірою створює характерні особливості геліосферної магнітної структури.

Магнітосфера Землі дуже чутлива до змін в міжпланетному полі. Велика кількість процесів в магнітосфері обумовлена саме взаємодією СВ та земного магнітного поля. ММП, яке вморожене в плазму СВ, відіграє значну роль в формуванні та протіканні багатьох магнітосферних явищ. Так, поворот вектора ММП на південь (Bz < 0) призводить до різкого зростання геомагнітних збурень, а досить часто до розвитку суббурь.

Полярні зони планети найбільш чутливі до подібних змін. На полярні сяйва, без сумніву, впливають зміни ММП. При Bz > 0 інтенсивність авроральних явищ в кілька разів менша, спостерігаються переважно малорухомі короткоживучі форми сяйв. При Bz < 0 активність явищ інтенсифікується, та й загалом авроральний овал розширюється і опускається на більш низькі широти [21].

Проходження Землею секторної границі підсилює геомагнітну активність. Встановлено, що при проходженні нейтрального геліосферного шару спостерігається зростання авроральної активності [25].

Однак, аналіз наукової літератури свідчить, що сучасні уявлення про зв'язки ММП та аврорального овалу мають в багатьох випадках гіпотетичний, дискусійний характер. Не зовсім зрозуміла роль різних компонент ММП. Це й обумовило, зокрема, напрямок проведених досліджень.

В другому розділі викладено характеристики спостережних матеріалів, оригінальні методи обробки та описані основні системи координат, використані в роботі. Наведені виявлені залежності основних характеристик сонячного вітру від напрямку вектора індукції ММП.

У роботі використана інформація про стан міжпланетного середовища поблизу Землі, наведена в американській національній базі даних космічних наук (NSSDC OMNI) з 1965 по 2001 роки. В основному використовувались дані спостережень IMP8. Супутник IMP8 має орбіту на геоцентричних відстанях, що лежать в межах від 25 до 45 R тобто він проводить виміри стану сонячного вітру поблизу орбіти Землі. Були використані годинні усереднені дані. Це надало можливість проводити дослідження великомасштабних структур в авроральній зоні та не враховувати місця розташування супутника. Час реакції аврорального овалу на зміни ММП складає до 15 хвилин [29], що значно менше часу усереднення.

Для проведення аналізу впливу секторної структури на авроральну область використані каталоги Свальгарда [32], побудовані на основі наземних та космічних вимірювань міжпланетного магнітного поля.

Як характеристики полярних сяйв використано:

1) РА індекс активності полярних сяйв, побудований на базі аскаплотів радянських полярних станцій в обох півкулях за період з 1972 по 1984 рр. Значення РА _ індексу приведено на кожен день.

2) енергопотік (PF-індекс) в межах північного та південного овалів. Цей потік визначається на основі спостережень полярних супутників NOAA POES і приведений в гігаватах. Використовувались дані за період з 1978 по 2001 рік, випали з цього ряду лише 1989 та 1990 роки за відсутністю спостережень.

3) інтегральні інтенсивності аврорального овалу (АІ), одержані з використанням бази даних OVATION за період з 1983 по 1999 рік [33]. Овали будувались за допомогою вимірів полярних супутників серії DMSP. Загалом було опрацьовано більше 20000 зображень овалу, забезпечених вимірами ММП. Зображення овалу також розбивалося на чотири сектори: вечірній, вранішній, нічний та денний. Авроральний овал інтегрувався в межах певного сектору згідно зі шкалою інтенсивностей, вказаною для зображень. Фактично ми отримали індекс інтенсивності висипань для різних секторів овалу та овалу в цілому. АІ - індекс вимірювався в умовних одиницях, пропорційний оптичній яскравості овалу [34]. Просторова роздільна здатність апаратури супутників DMSP є досить високою, тоді як часова роздільна здатність _ низька. Тому в подальшому аналізі нами було використано годинні усереднення значень АІ _ індексу.

За характеристику геомагнітної активності обрані Кр та Dst індекси за період з 1965 по 1999 роки.

Автором самостійно розроблено програмне забезпечення для обробки даних.

Методика обробки. Основною системою координат, яка використана в роботі, є геоцентрична сонячна магнітосферна (GSM) система координат. Компоненти ММП представлені в системі GSM. Вісь Х спрямована вздовж лінії Земля_Сонце. Вісь Z лежить в площині осі Х та осі магнітного диполя Землі М, вісь Y утворює праву трійку координатних векторів і лежить в площині, близькій до площини екліптики.

Для деяких параметрів інформація про стан ММП представлена в інерційній системі координат (HGI): вісь Х спрямована паралельно лінії перетину площин екліптики та сонячного екватора; її напрямок має екліптичну довготу 74.367 (на 1 січня 1900 року, 12:00 UT). Вісь Z спрямована перпендикулярно площині сонячного екватора в північну півкулю. Вісь Y утворює праву трійку векторів з X та Z. Таким чином, система HGI є інерційною в межах Сонячної системи і не залежить від руху Землі чи обертання Сонця. При цьому площина XY системи координат паралельна площині сонячного екватора.

В роботі вивчалася значна кількість параметрів, наприклад швидкість СВ, величина індукції ММП, індекс активності полярних сяйв та інше. Один з перерахованих параметрів, позначений p, поведінка якого в залежності від напрямку ММП нас цікавить, ставився у відповідність азимутальному куту вектора ММП . Для узгодження двох рядів спостережень, а саме p та , використовувалась інтерполяція найближчих вимірів параметрів p, за умови, що вони відстоять в часі від моменту початку UT години не більше ніж на півгодини. Далі ми усереднювали наявні значення p для кожного сектора, на які розбивався повний набір напрямів . Результат представлявся на полярній діаграмі <p>(). Азимутальний кут відраховується від напрямку осі Х проти годинникової стрілки в площині XY (вид з півночі). Шкала величин вказана біля кожного графіка зліва. Нуль пункт параметра p на діаграмах зміщений, для більш рельєфного виділення варіацій. Довірчий інтервал, вказаний на графіках, складає .

На рис. 2 наведено, як приклад, поведінку середнього модуля індукції ММП від азимутального кута (система GSM) за період з 1963 по 2001 рр. Тут добре помітна асиметрія: коли вектор магнітного поля лежить близько до напряму лінії Земля - Сонце ( = 0, 180), його напруженість мінімальна, а максимальних значень вона досягає, коли вектор ММП перпендикулярний напряму Сонце - Земля ( = 90, 270). Ці дані підтверджують більш ранні дослідження [35], де була також отримана асиметрія в значенні напруженості ММП для чотирьох напрямків: Сонце, анти-Сонце і перпендикулярно напрямку Сонце_Земля. Такий ефект, ймовірно, викликаний стисненнями СВ, пов'язаними з високошвидкісними потоками, в яких магнітне поле частіше має напрямок, нормальний до сонячного радіусу [36].

Залежність середньої індукції ММП від азимутального кута для високої та низької сонячної активності за проаналізований період має подібну рис. 2 форму. За характеристику сонячної активності було обрано числа Вольфа. Під час високої активності Сонця середня індукція ММП зростає більше ніж на 1 нТл у порівнянні з аналогічною в періоди низької активності, незалежно від напрямку міжпланетного поля. Подібний розподіл ММП було отримано також для різних швидкостей СВ: повільного та швидкого. Показано, що більш високошвидкісні потоки мають більші значення індукції вморожених магнітних полів.

Нами побудовано розподіл СВ за швидкостями за період з 1978 по 2001 р.р [5]. Найбільш ймовірне значення швидкості близько 370 км/с. Загалом середня арифметична швидкість СВ складала приблизно 440 км/с. Отримано також просторовий розподіл вектора швидкості СВ. Виявлено, що сонячний вітер в площині екліптики рухається не зовсім радіально від Сонця, а в середньому ніби з деякої точки на відстані біля 1 на захід від центра сонячного диска. Цей ефект можна пояснити наявністю нерадіальної складової швидкості сонячного вітру [37], яка в свою чергу викликана магнітними силами зі сторони вмороженого магнітного поля та силами в'язкості самої речовини СВ.

Розподіл середньої швидкості сонячної плазми, в залежності від напрямку вектора СВ, показує, що швидкість є вищою, коли вітер поширюється в північну півсферу геліосфери. Ще більш виразна асиметрія отримана для азимутального розподілу швидкості СВ. Коли вектор швидкості СВ має тангенціальну складову, спрямовану проти орбітального руху Землі, то його модуль досягає середніх значень біля 500 км/с, тоді як при тангенціальній складовій за рухом Землі середня швидкість є близькою до 400 км/с. Слід зауважити, що вказані результати отримані на базі даних спостережень біля орбіти Землі за період з 1963 по 2001 роки, який складає трохи більше трьох циклів сонячної активності.

Таким чином можна підсумувати, що сонячний вітер поширюється нерадіально від Сонця та його середня швидкість змінюється в залежності від напрямку руху. Величина магнітного поля, вмороженого в плазму сонячного вітру, змінюється в залежності від напрямку вектора ММП.

В третьому розділі розглянута поведінка авроральних та інших геофізичних індексів в залежності від стану ММП.

Досліджено поведінку РА-індексу під час проходження Землею секторної границі. РА-індекс отримувався на базі спостережень сяйв на радянських станціях, розташованих в обох півкулях планети. Значення РА-індекса зі спостережень на різних станціях осереднювались для кожного дня, а кількість станцій, на яких проводились успішні спостереження, бралась за ваговий множник в обробці. Середня помилка середнього зваженого РА-індексу розраховувалась за стандартними формулами [38].

Оброблялись РА-індекси протягом чотирьох днів до та чотирьох днів після проходження секторної границі [9]. Надалі проводились осереднення РА-індексів для різних секторних границь з 1972 року по 1984 рік для кожного дня окремо. Розділялись секторні переходи з “+” (міжпланетне поле спрямоване від Сонця) на “_” (міжпланетне поле спрямоване до Сонця) та з “_” на “+” і для кожного з переходів отримували середні зважені РА-індекси для восьми днів, тобто до і після секторної границі. Загалом впродовж проаналізованого періоду зафіксовано більше 260 секторних границь (приблизно рівна кількість переходів “+/_“ та “_/+”). Забезпеченими спостереженнями полярних сяйв виявилось біля сотні переходів для кожного напрямку.

На рис. 3 наведена зміна авроральної активності при проходженні Землею нейтрального шару. Видно, що при проходженні секторної границі авроральна активність значно зростає, причому більш ефективно при переході +/. Загалом РА-індекс систематично вищий при напрямку поля до Сонця. Це свідчить про те, що сектор „_” є більш сприятливий для розвитку авроральних висипань. Тенденція до превалювання зростання РА-індексу для переходу +/ над _/+ спостерігається в умовах різної сонячної активності.

Відомо, що секторна структура ММП є глобальною усередненою рисою геліосфери. Реально міжпланетне середовище постійно змінюється, воно заповнене утвореннями, які за своїми характеристиками значно відрізняються від середніх значень. Напрямок та величина вектора ММП змінюється досить хаотично. В роботі [1] досліджена поведінка авроральної активності в залежності від напряму азимутальної та радіальної компонент ММП за спостережуваними даними. За характеристику полярних сяйв була обрана потужність потоку авроральних частинок в овали (PF-індекс). Показано, що при різних напрямках вектора міжпланетного поля полярні сяйва мають в середньому різну інтенсивність. Але поведінка модуля вектора ММП (рис.2) та Bz компоненти в залежності від азимутальної кута не є симетричною. Тому в подальшому розгляді ми проводили сепарацію вхідних даних за значеннями Bz та величиною індукції міжпланетного поля.

В роботі [1] нами підтверджено значне зростання авроральної активності при південних значеннях Bz < 0 (рис. 4). Загалом спостерігається зростання авроральної активності при збільшенні величини ММП.

Активність авроральних явищ залежить від пори року: в роботі [39] автори показали, що нічні дискретні полярні сяйва частіше з'являються весною, ніж восени, а яскравість сяйв на денній стороні овалу вища влітку ніж навесні. Можна запропонувати два механізми впливу сезону на авроральну зону: зміни параметрів іоносфери, пов'язані з сезонними варіаціями інсоляції, та зміна напрямку орієнтації земного магнітного диполя по відношенню до лінії Земля-Сонце. Для подальшого аналізу ми розбили весь масив спостережних даних на чотири підмасиви (за сезонами), по три місяці кожний, середні епохи яких припадають на дні рівнодень та сонцестоянь.

Для літнього сонцестояння при слабких північних полях (1нТл < Bz < 4 нТл) спостерігається явна асиметрія PF() (рис. 5а). Коли вектор ММП лежить в четвертому квадранті, PF-індекс зростає на 50%. Подібна, але не настільки велика асиметрія має місце для південних полів (_4нТл < Bz < _1 нТл) (рис. 5б), що може вказувати на вплив азимутальної компоненти ММП навіть при невеликих південних Bz для літнього періоду [3]. Як приклад, наведена таблиця середніх значень авроральної активності при різних знаках складових вектора ММП для літнього періоду (див. табл. 1). Для зимового сонцестояння авроральна активність зростає, коли вектор ММП спрямований в перший квадрант, особливо для слабких південних полів. Помітна сезонна зміна асиметрії залежності PF(), яка змінюється симетрично до осі Х ( = 0). Протягом зими PF-індекс зростає при By>0, для літа маємо збільшення при By<0. Ступінь асиметрії в зимовий період менша.

Таблиця 1

Середні значення авроральної активності при різних умовах ММП

Знак складових ММП	Bx>0 By>0 Bz>0	Bx>0 By>0 Bz<0	Bx>0 By<0 Bz>0	Bx>0 By<0 Bz<0	Bx<0 By>0 Bz>0	Bx<0 By>0 Bz<0	Bx<0 By<0 Bz>0	Bx<0 By<0 Bz<0
PF_індекс	20±0.8	23.6±0.9	22.6±0.6	27.7±0.5	16.6±0.5	23.6±0.7	17.7±0.8	25.3±0.9
Кількість вимірів	614	491	1313	1723	1979	1300	434	581

Вектор дипольного моменту Землі влітку спрямований від Сонця, і тому перез'єднання антипаралельних магнітних ліній більш інтенсивне в високих широтах північною півкулі. Тобто, влітку північна магнітосфера більш чутливо реагує на стан ММП, ступінь асиметрії вища ніж взимку. Зимою інтенсивне перез'єднання відбувається в південній півкулі, оскільки вектор магнітного моменту Землі спрямований до Сонця. Ці результати узгоджуються з теоретичними роботами [40]. Оскільки деформація полярного каспа при фіксованому значенні поля Ву максимальна в літні місяці і мінімальна в зимові, це може бути пов'язане з сезонним ходом провідності іоносфери, оскільки інтенсивність струмових систем в кожній півкулі пропорційна добутку електричного поля, пов'язаного з Ву компонентою, та провідності іоносфери.

Поведінка АІ - індекса в залежності від напрямку ММП подібна до PF(). Але оскільки АІ _ індекс будується на основі зображень авроральних висипань, то можна дослідити поведінку різних частин овалу при різних умовах в міжпланетному просторі. Усереднений овал сяйв має два максимуми: головний близько 23 години та додатковий близько 4 годин за місцевим часом. Нічний сектор є найбільш активний, а денний проявляє найменшу активність висипань. Найбільш чутливим до азимутального кута виявився полуденний сектор овалу. Це підтверджує деякі більш ранні дослідження поведінки границь овалу в залежності від знаку секторної структури ММП [22, 41].

Залежності Кр та Dst індексів від азимутального кута мають також асиметрію, яка загалом відповідає асиметрії PF(). Це свідчить про планетарний вплив ММП на геомагнітну ситуацію, яка відчувається на всіх рівнях магнітосфери.

Загальний характер поведінки залежностей PF() для різних сезонів вказує на те, що відбувається зниження авроральної активності при певному напрямку ММП в геліоінерційній системі координат. Тому нами був вивчений розподіл PF-індексу для обох півкуль, як функції азимутального кута вектора ММП в системі HGI [2, 4]. На рис. 6 наведена залежність PF() для північного аврорального овалу. Добре помітна азимутальна асиметрія для обох півкуль, яка складає майже 50% від величини самого енергопотоку. Отже, можна стверджувати існування певного виділеного напрямку (сектора) в системі геліосфера-магнітосфера, такого, що коли азимутальна компонента вектора ММП лежить поблизу цього напрямку, то активність полярних сяйв зростає.

Південне спрямування вектора ММП значно підсилює авроральний енергопотік, незалежно від азимутального кута вектора геліосферного поля. Але, незважаючи на напрямок Bz складової, ми спостерігаємо загальну значну азимутальну асиметрію.

Дослідження поведінки PF-індекса як функції азимутального кута ММП для різних сезонів (по три місяці в околицях рівнодень та сонцестоянь) показали, що для періодів весняного та осіннього рівнодень загальна асиметрія збільшується, але дещо зміщується в геліосферних координатах відносно середньорічної картини. Для періодів літнього та зимового сонцестоянь асиметрія подібна до середньорічної, але також дещо більша за величиною. Слід вказати на дуже подібний характер розподілу авроральної активності в періоди літо-зима та весна-осінь. З цього можна зробити висновок, що прояв загальної асиметрії має піврічний цикл. Очевидно це пов'язано зі зміною геометричного розташування осі обертання Землі, і, відповідно, земного диполя відносно Сонця.

Аналогічний аналіз було проведено для зображень північного аврорального овалу з бази даних OVATION. Усі сектори показали загальну асиметрію, подібну до асиметрії PF-індекса. Внаслідок меншої кількості даних, точність цих результатів дещо нижча, ніж для відповідних залежностей енергопотоку. Кр та Dst індекси проявляють також подібну залежність від азимутального кута ММП в геліоцентричній системі координат.

Залежність Bz компоненти ММП системи GSM від азимутального кута геліоцентричної системи має чітку асиметрію, яка протилежна наведеній на рис. 6. Величина та напрямок ММП в геліосфері за вимірами в площині, близькій до екліптики, мають асиметрію. В геліографічній інерційній системі є певний виділений напрямок (сектор з = 210_350, 0), при спрямуванні вектора ММП в який сама величина міжпланетного поля в середньому вища. Загалом вектор ММП уникає цього напрямку, і кількість спостережень майже на 50% менша, ніж в інших секторах. Це вказує на наявність деякої геліосферної асиметрії, вектор ММП має тенденцію групуватись до деякого виділеного напрямку в геліоцентричній системі. Окрім того, величина напруженості міжпланетного поля систематично вища при спрямуванні вектора ММП в північну півсферу. Якщо припустити, що вищевказана асиметрія пов'язана з деяким регулярним магнітним полем за межами геліопаузи, то можна оцінити напрямок та величину напруженості міжзоряного магнітного поля, яка складає 0.1 нТл [19]. Ця величина міжзоряного поля добре узгоджується з результатами визначеними іншими непрямими методами.

Таким чином, вплив глобальної магнітної асиметрії геліосфери накладається на сезонний тренд в залежностях авроральної активності від стану параметрів сонячного вітру.

ВИСНОВКИ

В даній дисертаційній роботі було вивчено поведінку середніх значень величини вектора ММП поблизу земної орбіти та на різних геліоцентричних відстанях. Вперше на великому статистичному матеріалі проведено аналіз змін авроральної та геомагнітної активності в залежності від напрямку ММП.

В результаті виконання роботи:

1. Встановлено, що відповідно до отриманого просторового розподілу вектора ММП за даними бази OMNI середня величина ММП мінімальна, коли вектор його індукції лежить в площині екліптики та вздовж напрямку Сонце - Земля. Розподіл величини ММП не є ізотропним, індукція північних полів в середньому є вищою, ніж південних, і асиметрія в розподілі Bz компоненти проявляє сезонні зміни. Вперше виявлена великомасштабна асиметрія індукції геліосферного магнітного поля, яка досягає значень, близьких до 0.1 нТл, що пояснюється існуванням регулярного міжзоряного магнітного поля поблизу геліосфери, обтіканням її потоком міжзоряного середовища. Протягом фази максимуму активності Сонця, за осередненням трьох циклів активності Сонця, спостерігається максимальна величина середнього геліосферного магнітного поля поблизу орбіти Землі, динамічний тиск сонячного вітру, навпаки, знижується в цей період. Середня концентрація плазми сонячного вітру змінюється з циклом, в два рази коротшим, ніж числа Вольфа, і досягає мінімальних значень протягом фаз максимуму та мінімуму активності Сонця.

2. Встановлено, що при русі Землі в геліосферних секторах міжпланетного магнітного поля, спрямованого до Сонця, активність полярних сяйв в середньому вища на 20%, ніж в секторах з протилежним напрямком міжпланетного магнітного поля. Аналогічна реакція виявлена для геомагнітної активності магнітосфери в цілому. При проходженні Землею секторної границі спостерігається значне зростання рівня геомагнітної та авроральної активності - до 100% від значення всередині сектора ММП. Показано, що переходи, при яких середній напрямок вектора ММП змінювався з антисонячного на напрямок до Сонця, є більш геоефективними, ніж з протилежними значеннями геліосферного магнітного поля.

3. На основі статистичного дослідження варіацій аврорального енергопотоку в залежності від напрямку азимутальної складової кута вектора ММП () в обмежених інтервалах Bz_індукції (GSM) вперше встановлено, що при невеликих північних полях (1нТл < Bz < 4нТл) середня авроральна активність для обох півкуль Землі є вищою на 15%, коли Вх > 0. На основі експериментальних вимірів показано, що в північній та південній земних півкулях відносне збільшення аврорального енергопотоку відповідає протилежним знакам Ву компоненти.

4. Вперше, на основі обробки супутникових спостережень показано, що в період літнього сонцестояння середня активність полярних сяйв зростає на при Вх > 0 та By < 0, тоді як під час зимового сонцестояння збільшення активності спостерігається при Вх > 0 та By > 0. При цьому зростання авроральної активності при зміні азимутального кута взимку є меншим, ніж влітку. Асиметрія сезонних проявів, пов'язана з Ву складовою, пояснюється реконструкцією систем струмів в магнітосфері, причому в різних півкулях Землі прояви носять протилежний характер. Вплив тангенціальної By складової ММП на геофізичні процеси змінюється протягом року і має сезонну моду.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Решетник В.М., Дзюбенко М.І., Івченко В.М. Морфологія геліосферного магнітного поля і авроральний енергопотік // Кінематика і фізика небесних тіл. - 2003. -19, №6. - С. 560_568.

2. Решетник В.М., Дзюбенко М.І., Івченко В.М. Варіації геомагнітної та авроральної активності в залежності від орієнтації геліосферного магнітного поля // Кінематика і фізика небесних тіл. - 2004. - 20, №2. - С. 226_233.

3. Решетник В.М. Про роль GSM _ компонент геліосферного магнітного поля в формуванні аврорального потоку // Космічна наука і технологія. - 2004. - 10, №4. - С. 66-73.

4. Reshetnyk V.M. Behaviour of auroral activity as a function of the interplanetary magnetic field // Planetary and Space Science. - 2005. _ 53, N1. _ P.181_187.

5. Решетник В.М. Кутовий розподіл параметрів сонячного вітру // Вісник астрономічної школи. - 2003. - 4, №2. - С. 72_76.

6. Reshetnyk V.M., Dzubenko M.I., Ivchenko V.M. Response of the auroral activity to the interplanetary magnetic field // Proceedings of 12^th annual conference of doctoral students “Week of doctoral students 2003” _ Prague _ June 10-13, 2003 - P.392_397.

7. Reshetnyk V.M., Dzubenko M.I. Influence of interplanetary magnetic field on auroral activity // Proceedings of the 27^th annual seminar - Apatity - March 2-5, 2004 - P.43_46.

8. Reshetnyk V.M. About role interplanetary magnetic field in formation auroral power flux // Proceedings of 13^th annual conference of doctoral students “Week of doctoral students 2004” _ Prague - June 6-9, 2004.

9. Reshetnyk V., Dzubenko M. The aurora phenomenon asymmetry near the sector boundary // Abstracts of 8th Open Young Scientists' Conference on Astronomy and Space Physics _ Kyiv _ April 24-28, 2001 _ P. 18.

10. Reshetnyk V. Influence of interplanetary magnetic field on auroral activity // Abstracts of 10th Open Young Scientists' Conference on Astronomy and Space Physics _ Kyiv _ April 22-26, 2003 _ P. 70.

11. Решетник В.М. Кутовий розподіл параметрів сонячного вітру // Тези доповідей міжнародної наукової конференції „Астрономічна школа молодих вчених” _ Біла Церква - Травень 20-23, 2003 _ С. 28.

12. Решетник В.М. Вплив міжпланетних магнітних полів на полярні сяйва // Матеріали виступів школи _ семінару для молодих науковців „Наукові космічні дослідження” _ Жукін _ Липень 1-6, 2003 - С. 42.

13. Reshetnyk V.M. Behaviour of the auroral activity as function of the interplanetary magnetic field orientation // Abstracts of the Magnetospheric Response to the Solar Activity Conference - Prague _ September 9-12, 2003 - P. 37.

14. Решетник В.М., Дзюбенко М.І., Івченко В.М. Вплив міжпланетного магнітного поля на поведінку аврорального овалу // Тезисы третьей украинской конференции по перспективным космическим исследованиям - Кацивели - Сентябрь 17-24, 2003.

15. Dzubenko M., Reshetnyk V. Influence of interplanetary magnetic field on auroral activity // Abstracts of 27^th annual seminar “Physics of auroral phenomena” _ Apatity _ March 2-5, 2004 - P.26.

16. Reshetnyk V. Influence azimuthal interplanetary magnetic field on auroral activity for different Bz ranges // Abstracts of 11th Open Young Scientists' Conference on Astronomy and Space Physics _ Kyiv _ April 20-24, 2004 _ P. 48.

17. Решетник В.М. Авроральна активність в зв`язку з структурою геліосферного магнітного поля // Тези доповідей міжнародної наукової конференції „Астрономічна школа молодих вчених” _ Біла Церква _ Травень, 2004 - С. 33.

18. Решетник В.М., Дзюбенко М.І. Про роль GSM _ компонент геліосферного магнітного поля в формуванні аврорального потоку // Сборник тезисов четвертой украинской конференции по перспективным космическим исследованиям - Кацивели - Сентябрь 19-26, 2004.

19. Reshetnyk V, Dzubenko M. Auroral activity and global interplanetary magnetic field asymmetry // Abstracts of 28^th annual seminar “Physics of auroral phenomena” _ Apatity _ March 1-4, 2005 - P.37.

АНОТАЦІЇ

Решетник В.М. Реакція магнітосфери Землі на перебудову геліосферного магнітного поля. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 04.00.22 - геофізика. - Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я.Усикова НАН України, Харків, 2005.

На основі супутникових та наземних вимірювань параметрів сонячного вітру та аврорального овалу проведено дослідження поведінки характеристик полярних сяйв при різних умовах в міжпланетному середовищі поблизу Землі. Виявлена асиметрія в розподілі величини міжпланетного магнітного поля поблизу орбіти Землі. Також була досліджена асиметрія авроральних висипань при проходженні Землею секторної границі міжпланетного магнітного поля (ММП). Аналіз проводився на базі аскаплотів радянських станцій за 1972-1984 роки. Отримані результати свідчать про зростання в середньому авроральної активності при зміні знаку міжпланетного поля. Виявлено, що в секторах, де вектор міжпланетного магнітного поля спрямований до Сонця активність полярних сяйв вища, ніж в секторах з протилежним напрямком поля. Проведено аналіз варіацій потоку енергії у північний та південний авроральні овали у зв'язку зі змінами напрямку геліосферного магнітного поля в околицях Землі. Підтверджено зростання авроральної активності при південному спрямуванні вектора індукції Bz<0. Встановлено, що середня активність полярних сяйв для обох півкуль вища, коли Bx>0 при північному спрямуванні ММП. В різних півкулях зростання авроральної активності спостерігається при різних знаках By - компоненти ММП. Активність авроральних явищ залежить від сезону і досягає максимуму в періоди рівнодень.

Отримані результати сприяють кращому розумінню взаємозв'язку процесів в магнітосфері і сонячному вітрі та при підготовці нових супутникових проектів для дослідження стану навколоземного простору.

Ключові слова: магнітосфера, полярні сяйва, авроральний овал, сонячний вітер, міжпланетне магнітне поле, секторна структура ММП.

Решетник В.Н. Реакция магнитосферы Земли на реконструкцию гелиосферного магнитного поля. - Рукопись. Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук, по специальности 04.00.22 - геофизика - Институт радиофизики и электроники им. А.Я.Усикова НАН Украины, Харьков, 2005.

На основе спутниковых и наземных измерений параметров солнечного ветра и аврорального овала проведено исследование поведения характеристик полярных сияний при разных условиях в межпланетной среде вблизи Земли. Были обработаны данные спутников серий IMP, NOAA POES, DMSP за период с 1978 по 2001 гг. Выявлена асимметрия в распределении величины межпланетного магнитного поля вблизи орбиты Земли. Также была исследована асимметрия авроральных высыпаний при прохождении Землей секторной границы межпланетного магнитного поля (ММП). Анализ проводился на базе аскаплотов советских станций за 1972-1984 года. Полученные результаты свидетельствуют о возрастании средней авроральной активности при смене знака межпланетного поля. Выявлено, что в секторах, где вектор межпланетного магнитного поля направлен к Солнцу, активность полярных сияний выше, чем в секторах с противоположным направлением поля.

На основании спутниковых измерений получено распределение величины ММП в зависимости от его направления. Выявлено асимметрическое распределение средних значений Bz компоненты в плоскости XY GSM и HGI систем. Величина ММП при северном направлении оказывается в среднем выше, чем при южном. Это может свидетельствовать о наличии глобальной асимметрии магнитного поля в гелиосфере.

Проведен анализ вариаций потока энергии, привносимой авроральными частичками в северный и южный овалы, в связи с измененими направления гелиосферного магнитного поля вблизи Земли. Подтверждено возрастание авроральной активности при южном направлении вектора индукции Bz<0. Установлено, что средняя активность полярных сияний для обоих полушарий выше, когда Bx>0 при северном направлении ММП. В северном и южном полушариях возрастание авроральной активности наблюдается при разных знаках By - компоненты ММП. Активность авроральных явлений зависит от сезона и достигает максимума в периоды равноденствий. В зимний период зависимость полярных сияний от азимутальной компоненты меньше, чем в летний. Асимметрию сезонных проявлений, связанную с Ву компонентой, можно объяснить соответствующей реконструкцией систем токов в магнитосфере.

Установлено существование крупномасштабной асимметрии в распределении гелиосферного магнитного поля. Можно объяснить наличие такой асимметрии существованием некоторого регулярного межзвездного магнитного поля вблизи гелиосферы. Величина индукции этого глобального поля достигают значений 0.1 нТл. Результаты диссертации будут полезны для понимания взаимосвязи процессов в магнитосфере и солнечном ветре, а также при подготовке новых спутниковых проектов посвященных исследованию состояния околоземного пространства.

Ключевые слова: магнитосфера, полярные сияния, авроральный овал, солнечный ветер, межпланетное магнитное поле, секторная структура ММП.

Reshetnyk V.M. Reaction Earth's magnetoshpere on reconstruction of heliospheric magnetic field. - Manuscript. Candidate degree thesis. Speciality 04.00.22 - geophysics - Usikov's Institute for Radiophysics and Electronics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkiv, 2005.

The researches of auroral characteristics behaviour by different conditions in the interplanetary space near the Earth were carried out on the basis of satellite and ground measurements of solar wind and an auroral oval parameters. Asymmetry in distribution of an interplanetary magnetic field (IMF) magnitude near the Earth was found. Asymmetry of auroral precipitation at crossing of interplanetary magnetic sector boundaries has also been investigated. The analysis was carried out on the basis of ascaplots of the Soviet stations during 1972-1984. The average auroral activity increases when the sign of IMF changes. The auroral activity is higher when IMF is directed to the Sun then in the case of IMF lieing in opposite direction.

The analyse of power flux variations in northern and southern hemispheres by different IMF directions was carried out. It was confirmed the auroral activity increasing when interplanetary magnetic field vector directs to the south (Bz < 0). Auroral activity is higher when Bx > 0 by northern IMF direction. Auroral activity increasing in southern and northern ovals is observed by different IMF By signs. Power flux changes during the year and reaches maximum equinox.

The obtained results will be useful to understanding of connection of processes in magnetosphere and solar wind and to preparation of new satellite projects devoted to space research.

Key words: magnetosphere, aurora, auroral oval, solar wind, interplanetary magnetic field, sector structure of IMF.

Размещено на Allbest.ru

...