Размещено на http://www.allbest.ru/

Институт геофизики им. С.И.Субботина, Национальная Академия наук Украины

УДК 550382:385

ОСОБЕННОСТИ ФОРМЫ СОЛНЕЧНО-СУТОЧНЫХ ГЕОМАГНИТНЫХ SqY ВАРИАЦИЙ НАД АНТАРКТИКОЙ

Максименко О.И.

Шендеровская О.Я.

Солнечно-суточные геомагнитные вариации используются при исследовании электродинамических процессов, токов в ионосфере-магнитосфере (Lukianova at al.,2006, Takeda, 2002, Steining at al,2005,), при изучении землетрясений (Duma and Ruzin, 2003) и т.п.

Создана эмпирическая модель спокойных вариаций Sq [Shimasaki at al.,2011], определяющая их величину в зависимости от дня года, СА, LT местного времени, фазы луны, широты в районе меридиана 210Е. На основе мировых данных Sq с помощью СГА была разработана математическая модель с вычислением внешней и внутренней части магнитных полей Sq в любой точке мира (Sabaka, 2004).

Построены глобальные модельные динамо-токовые системы Sq вариаций для обоих полушарий, разных UT и сезонов [Takeda, 2002], которые выявили северо-южную асимметрию токовых вихрей, долготное и широтное перемещение фокуса токовых систем в зависимости от сезона года и СА. Из пространственных распределений векторов тока Sq над материком Австралии, построенных по данным измерений сети наземных магнитометров [Steining at al,2005,2008], были обнаружены искажения стандартной формы динамо-токовых систем в зимний период. К примеру, появление дополнительных токовых вихрей в утренние часы на пути от низких к высоким широтам. В [Tortra, 2010, Kuvshinov at al.,2008,] были рассмотрены искажения формы Sq из-за немигрируюших возмущений, обусловленных действием вторичных токов от прибрежных океанических течений, неоднородностей ионосферной проводимости или иных региональных, высокоширотных источников.

В работе приведены результаты анализа сезонных изменений формы суточного хода часовых значений геомагнитных Sq вариаций на береговой украинской антарктической обсерватории (АИА) в течение солнечных циклов 1958-1991гг. Обсуждаются причины особенностей суточного хода SqY: утреннего максимума восточного тока в зимнем типе SqY вариациях, околополуночного минимума и весенне-осенней асимметрии формы SqY вариаций.

Исходные данные

Анализ построен на среднечасовых данных измеренных Y компонент геомагнитного поля на обсерватории AIA за период 1958-1991гг., и сформированных в массивы часовых значений солнечно-суточных Sq(UT) - вариаций для 5 международных магнитно-спокойных дней каждого месяца года в течение всего исследуемого диапазона. На основе среднечасовых значений Sq(UT) = (Sq)h-(Sq)cp.сут. был проведен морфологический анализ формы суточного хода Sq; вычислены амплитуды и фазы экстремумов в среднем суточном ходе Sq горизонтальной компоненты поля. Оценки проводились в течение каждого месяца, для четырех сезонов года (лето, зима, весна и осень) и отдельно для лет максимумов и минимумов солнечного цикла. Обнаружены особенности суточного хода SqY: характеристики зимней аномалии утренне-ночной максимум и осенне-весенней асимметрии Sq.

Для количественной характеристики солнечно-суточных Sq-вариаций Y компонент магнитного поля определялись их суточные амплитуды, как разница средних двух часовых значений Sq вблизи их суточных экстремумов. С целью наглядности сезонных вариаций были построены диаграммы распределения месячных значений суточных амплитуд SqY - вариаций в течение 1958-1991гг. Для определения интегральных проводимостей ионосферы были использованы специализированные модели, представленные на сайте.

Результаты изучения формы солнечно-суточных геомагнитных SqY вариаций на антарктической обсерватори АИА

Графики солнечно-суточных геомагнитных вариаций восточной составляющей магнитного поля SqY, усредненных для отдельных месяцев и сезонов в течение трех солнечных циклов, показаны на Рис. 1. При сравнении SqY вариаций были установлены особенности суточного хода и морфологических свойств SqY на обсерватории АИА в южном полушарии в период 1958-1991гг. Как видно на Рис. 1 во все сезоны на АИА суточный ход SqY характеризуется основными двумя (отрицательным в 09-10LT и положительным дневным устойчивым 13-14LT) максимумами значений SqY. Исключение составляет форма суточного хода SqY в летнее солнцестояние в 01 и 12 месяцы, когда отрицательный суточный максимум сформировался в наиболее ранние часы 6LT на протяжении года. При этом летом отрицательные значения SqY или западный ток занимает большую часть соответственно суточного хода или токовой системы SqY вариаций. Зимою, напротив, отмечается уменьшение значений основного отрицательного минимума в суточном ходе SqY с сокращением части западного тока в суточном SqY вихре при относительном постоянстве фазы (13-14LT) положительного дневного максимума SqY вариаций, вызванного текущими на восток токами в послеполуденное время в солнцестояние. Вместе с тем на Рис. 1 зимою отмечаются заметное увеличение интенсивности SqY в 6-7LT (вследствие появления восточного тока утром) и дополнительный зимний минимум в суточном ходе SqY вблизи местной полночи 00-01LT, которые определили волнообразные искажения утренне-ночной части стандартных SqY вариаций особенно четкие в годы минимальной солнечной активности.

На обсерватории АИА суточная амплитуда Sq, определенная как разница между максимальными и минимальными экстремальными значениями в суточной ходе SqY, показывает как сезонные колебания с максимумом летом, так и положительные вариации с СА в период 1958-1991гг [Максименко и др., 2014]. Вне зависимости от СА годовые изменения суточной амплитуды SqY вариаций представлены наибольшими (77нТл) значениями в летнее солнцестояние (подобно SqZ), превышающими в ~ 6 раз зимние значения. Однако полугодовые колебания суточных амплитуд SqY на АИА трудно выделить вследствие большого различия амплитуд SqY в двух последующих месяцах сезона равноденствий. Cуточные амплитуды SqУ вариаций в 03 SqY~75нТл и в 10 SqY~ 80нТл месяцах соответственно больше, чем в 04 SqY~60нТл и 09 SqY~50нТл месяцах, которые ближе к зимним условиям. Причем, слабая осеннее-весенняя асимметрия отмечается в виде превышение средних осенних (03-04) SqY= 68нТл над весенними (09-10) SqY= 59нТл суточными амплитудами и в отдельные месяцы.

Равноденственная асимметрия SqY отчасти объясняется различием в типах суточного хода. Согласно Рис. 1 месяц март близко соответствует летнему типу SqY вариаций, характеризуемому расширенной частью западного тока в суточном динамо-вихре, а сентябрь - зимнему типу суточного хода, с сокращенным и ослабленным западным током в суточном динамо - вихре SqY вследствие усиления интенсивности восточного тока утром. В равноденствие средние величины суточного минимума и дневного максимума SqY равны ~29нТл и отличаются в пределах 10% для отдельных месяцев в течение солнечного цикла. В годы спокойного Солнца отмечена тенденция превышения значений дневного максимума над утренним SqY , которая нарушается только в (03) осенью при активном Солнце и в (10) весною в годы минимума СА. Характерно, что в нестабильные периоды перехода к зимнему солнцестоянию, месяцы 05 и 08, амплитуда утреннего минимума значительно превышает амплитуду дневного суточного максимума SqY. При этом циклические изменения экстремума SqY весною утром составляют 13-14нТл, а в дневной части токового вихря (9-15нТл) весною в равноденствие.

Рассмотрим фазовые изменения экстремумов в суточном ходе SqY. Дневной максимум, по-видимому, регулируется максимальным нагревом атмосферы, который фиксируется позже полудня в 13-14LT в солнцестояние (раньше на 1час зимою) и 14-15LT в равноденствие: в 03 и 10 месяцы позже на 1час, чем в 04 и 09.

В то же время в летнее солнцестояние фаза утреннего минимума SqY, отмеченная в 6 LT, опережает на 3-4 часа его положение зимою (9-10LT) и в равноденствие (9 LT). Для близких к лету месяцев фаза суточных максимумов SqY сдвигается в пределах 1 часа к ранним часам 8LT для минимума и позже 14-15LT для (10), а в годы максимума СА до 14LT, например, против 9ч и 15ч (в 09).

Рис 1. Графики солнечно - суточных вариаций SqY - среднечасовых значений восточной компоненты магнитного поля для отдельных месяцев ( цифры в скобках) четырех сезонов года на АИА за период 1958-1991гг. (Горизонтальная ось - время, UT+1ч.)

В равноденствие в SqY вариациях момент перехода через уровень SqY=0nT наблюдается вблизи полудня (11,7LT), и чуть позже в летнем типе суточного хода (в 03 и 10) независимо от СА. Летом переход SqY=0nT отмечен в 10,4LT т.е. сдвигается от равноденствия на 1,3ч к утру, что позже на ~0,2-0,4ч относительно его положения зимой. Особо обратим внимание на появление дополнительного утреннего максимума интенсивности SqY в 6-7LT зимою, фаза которого смещается к утру (6-5LT) в нестабильные месяцы, близкие к зиме (05 и 08). Но при последующем удалении от зимних месяцев утреннее повышение восточного тока проявляется слабее, приводит только к заметному сокращению области западного тока (отрицательного экстремума) на суточных кривых SqY, что зафиксировано в 04 и 09 месяцах.

Циклические изменения суточной амплитуды SqY=SqYmax-SqYmin составили 77нТл:52нТл= 1,5 раза летом, что меньше, чем зимою (14,5нТл:6,6нТл=2,2) и в равноденствие, где несколько большее влияние СА были отмечены осенью 62нТл:36нТл=(1,8--2,1) против (1,7) весною. Но для амплитуд утреннего минимума SqY циклические изменения меньше (37:27=1,36), чем для дневного максимума (40:25=1,6) только летом. В остальные сезоны изменения утренней амплитуды с СА больше дневной: осенью 2,4 против 1,8 в 03 и 2 против 1,6 в 04, а весною 2 против 1,5( в 09) и 1,7(в 10) и особенно зимой 10 против 1,7 (что требует дальнейшей корректировки на большем материале). Итак, летом (01) влияние СА наибольшее на величину дневного максимума SqY (1,6 раз) при изменениях суточной амплитуды SqY в 1,5 раза и в 1.3раза для утреннего максимума SqY.

Обсуждения и выводы

В южном полушарии на АИА (65S, 64W) обнаружены искажения стандартного суточного хода Sq вариаций. Зимою - это дополнительный утренний максимум в суточном ходе интенсивности SqY, вызываемый усилением восточного тока в 6-7LT, которое наблюдается в более ранние на 1час часы до 5-6 LT при удалении от зимы в 05 и 08 месяцы. Дальше, в равноденствие в 04 и 09 усиление восточного тока проявилось в сокращении области западного тока в суточном токовом вихре Sq с меньшей амплитудой утреннего минимума осенью. Причины возникновения утреннего максимума Sq в так называемой «М» форме SqY вариаций [Steining at al., 2005], были выявлены при изучении пространственного распределения векторов тока Sq над Австралией [Steining 2005, 2008]. К ним относятся наклон токовой динамо системы Sq в отдельные часы вблизи фокуса системы и появление локальной утренней токовой системы на пути от фокуса к высоким широтам, что изменяет время смены восточного тока на западное направление в стандартной системе динамо-токов SqY. По нашим данным усиление восточного тока слегка проявляется и в другие месяцы, начиная с 02 по 10 и сопровождается сокращением доли западного тока утром в суточного хода SqY на АИА. солнечный магнитный антарктический обсерватория

Несмотря на малые значения SqY Кратковременный околополуночный 1-2 LT отрицательный минимум интенсивности SqY был отмечен в зимний сезон в южном полушарии, где наблюдался высокоширотный одиночный годовой вихрь с восточным током слабее, чем летний годовой вихрь с западным током [Yamazaki and Yumoto,2012] По проведенным модельным оценкам с использованием сайта проводимость Холла показывает ночной пик в 2LT кроме 8ч и 16ч (13\06\08) вблизи АИА. Причина ночного возмущения SqY вблизи АИА дискутируется до сих пор: продольный ток или действие полярной системы токов, свіязь с авроральными струями при увеличении ионосферной проводимости Холла, за счет высыпаний частиц или конвективных электрических полей [Guo at al, 2014, Lukianova,2006] и немигрирующие возмущения типа АГВ [Tortra,2010)] Не исключается также вклад остаточных явлений предыдущих дней, вызванных магнитосферными источниками [Tortra,2010]. Так, исследовано [Luo at al, 2013], что SqY вариации кроме MLT имеют зависимости от параметров солнечного ветра (скорости и плотности) и межпланетного магнитного поля (знаков вертикальной и азимутальной компонент).

Если анализ формы солнечно-суточных геомагнитных вариаций Y компонент поля показал годовые вариации с летним максимумом суточной амплитуды Sq на АИА, то полугодовые колебания месячной амплитуды SqY [Yamazaki and Yumoto, 2012] оказалось трудно четко выделить. На схеме годовых изменений среднемесячных значений суточных амплитуд SqY в течение 1958-1991гг, представленной на Рис.3, отмечается весенне-осенняя асимметрия амплитуд особенно вблизи минимума СА. На Рис. 3 можно увидеть превалирующие значения суточной амплитуды SqY ~40нТл в асимметричные месяцы равноденствий, которые ближе к лету: осенний (03) и весенний (10), особенно вблизи лет спокойного Солнца. Согласно тому, что годовые вариации SqY зависят от MLT [Guo at al.,2014] картина может измениться при использовании значений SqY отдельно для утреннего и дневного максимумов (не показано). Циклические изменения суточной амплитуды имеют небольшие сезонные особенности (1,5-1,7 раз), хотя соотношение амплитуд утреннего максимума между годами максимума и минимума СА осенью достигает 2,4 раз.

Следуя Рис 2, не подтверждается двухлетний положительный сдвиг между среднегодовыми максимумами индекса СА (F10,7) и суточной амплитуды SqY, который наблюдался в 23 цикле на близлежащей обсерватории LIV ((62.67?S, 60.39?W, 52.57?S) [Tortra,2010].

Рис. 2. Схема годовых изменений среднемесячных (ось ординат) значений суточных амплитуд Sqy (цифры на изолиниях графика, в нТл) на АИА в течение 1958-1991гг, трех солнечных циклов.

Равноденственная асимметрия на АИА вызвана существованием всего двух типов суточного хода Sq: летний тип, к которому так же относятся 03 и 10 месяцы и зимний тип вместе с 04 и 09 месяцами. Подобные свойства были обнаружены в северном полушарии [Takeda, 2002] при изучении глобальных эквивалентных токов Sq полей в 1980-1990гг. Автор [Takeda, 2002] отсутствие равноденственного типа связывает с аналогичными сезонными вариациями типов ветровых течений в верхней атмосфере. А, именно, с эффектами временного смещения на 1-2 месяца полугодовых максимумов солнечной инсоляции (теплового излучения Солнца), а так же полугодовых вариации атмосферных ветров.

При этом в обращается внимание на возможность сдвига на 1-2 месяца токовых вихрей Sq от точки солнцестояния вследствие магнитного эффекта продольных токов (ПТ), текущих утром из зимнего в летнее полушарие и, наоборот, после полудня.

Поскольку АИА находится на полуострове, вблизи границы суши с океаном, поэтому возможны искажения формы Sq вариаций, обусловленные региональными, немигрирующими возмущениями: неоднородностями электрической ионосферной проводимости из-за граничного эффекта материка в глубине океана, или создаваемыми, например, вторичными токами (из-за влияния ближайших океанических и тепловых течений) [Tortra ,2010, Steining at al., 2006],что требует детального изучения ежедневных не усредненных вариаций.

Выводы

По данным мониторинга вариаций геомагнитного поля за период 1958-1991г были изучены особенности солнечно-суточных SqY вариаций на обсерватории АИА.

Выделена осенне-весенняя асимметрия среднемесячных амплитуд SqY вариаций: амплитуды в апреле приравниваются к сентябрю, а в марте к октябрю, смещенному на месяц от точки равноденствия. Равноденственный тип суточного хода SqY вариаций не существует, что скорее всего обусловлено динамикой системы ветров как отмечалось в северном полушарии.

Установлено два типа стандартного суточного хода SqY: летний, центрированный на январь, в превалированием западного тока, имеющего ранний 6LT утренний максимум, который перемещается на 3 часа к утру в 03 и 10 месяцам равноденствия. Зимний тип, центрированный на июль, с уменьшением западного тока (по длительности и величине отрицательных значений SqY в июле). При этом зимний утренний отрицательный максимум шире (9-10)LT, но наблюдается в пределах 1 часа в то время, что в равноденствие. Дневной максимум SqY вариаций наиболее устойчив: шире 14-15LT в 03,04,09,10 месяцы и острее в 14LT летом и зимою. При этом роль сезонных, циклических и UT смещений фокуса токовой системы в форме Sq вариаций предстоит оценить.

На АИА обнаружены искажения стандартной формы суточного хода спокойных солнечно-суточных геомагнитных вариаций Sq. Появление зимою дополнительного максимума восточных токов утром в 6-7 часа, который смещается на 1 час (5-6ч) в 05 и 08 месяцы, по-видимому, связано с небольшим вихрем тока, что впервые наблюдали в Австралии с ростом широты от фокуса Sq системы[Steining at al., 2006]. Одновременно возникает отрицательное возмущение SqY в ночные часы 1-2 LT зимою, источником которого могут быть рост ионосферной проводимости Холла, высокоширотные электроструи, зависимые от MLT [Guo at al., 2014] и остаточные явления от прежних событий.

Авторы благодарны исследователям Национального антарктического научного центра Госинформнауки Украины и магнитной обсерватории “Аргентинские острова” за качественные данные геомагнитных вариаций, представляемые в систему INTERMAGNET, а также команде ученых международного за оперативную возможность определения интегральных электрических проводимостей в ионосфере.

Литература

1. Максименко О.И., Шендеровская О.Я. Геомагнитные солнечно-суточные вариации в Антарктике. Связь с солнечной активостью.\\УАЖ, -2014. No13,67-74.

2. Duma G. и Y. Ruzhin Diurnal changes of earthquake activity and geomagnetic Sq-variations //Natural Hazards and Earth System Sciences-2003. 3: 171-177c.

3. Guo, J., H. Liu, X. Feng, T. I. Pulkkinen, E. I. Tanskanen, C. Liu, D. Zhong, and Y. Wang MLT and seasonal dependence of auroral electrojets: IMAGE magnetometer network observations, // J. Geophys. Res. Space Physics, - 2014. 119,doi:10.1002/2014JA019843).

4. Kuvshinov, A. V., 3-D global induction in the oceans and solid Earth:Recent progress in modeling magnetic and electric fields from sources of magnetospheric, ionospheric and oceanic origin,//Surv. Geophys.,-2008-29, 139-186.

5. Lukianova R. and Christiansen F. Modeling of the global distribution of ionospheric electric fields based on realistic maps of field-aligned currents.// J Geopys.Res. -2006. V.111, A3. DOI: 10.1029/2005JA011465.

6. Luo, B., X. Li, M. Temerin, and S. Liu Prediction of the AU, AL and AE indices using solar wind parameters //J. Geophys. Res. Space Physics,-2013, 118, A12. P/7683-7694 DOI: 10.1002/2013JA019188.

7. Sabaka, T. J., N. Olsen, and M. E. Purucker, Extending comprehensive models of the Earth's magnetic field with Шrsted and CHAMP data, // Geophys. J. Int., -2004. 159(2), 521-547, DOI: 10.1111/j.1365-246X.2004.02421.

8. Saturnino Diana Filipa Lourenзo Identification of the magnetic external component in annual and monthly means of magnetic observatory data series Mestrado em Ciкncias Geofнsicas Especializaзгo em Geofнsica Interna// гulfc104125_tm. 2012.

9. Stening R. J. The shape of the Sq current system.// Ann. Geophys., -2008, V. 26, P. 1767-1775.

10. Stening R., T. Reztsova, D. Ivers, J. Turner, and D. Winch. Morning quiet-time ionospheric current reversal at mid to high latitudes.// Annales Geophysicae.-2005. 23: 385- 391.

11. Takeda M.,Features of global geomagnetic Sq field from 1980 to 1990 DOI: 10.1029/2001JA009210.

12. Torta J., Santiago Marsal, Juan J. Curto, et al. Behaviour of the quiet-day geomagnetic variation at Livingston Island and variability of the Sq focus position in the South American-Antarctic Peninsula region // Earth Planets Space, - 2010, V. 62, - P. 297-307.

13. Yamazaki Y., Yumoto K., Cardinal M. et al. An empirical model of the quiet daily geomagnetic field variation // J Geophys. Res.-2011, V.116, A10, doi: 10.1029/2011JA016487.

14. Yamazaki and Yumoto, Long-term behavior of annual and semi-annual Sq variations // Earth Planets Space, - 2012 64, 417-423.

Аннотация

Анализ формы среднемесячных спокойных солнечно-суточных Sq вариаций восточной компоненты магнитного поля, определенных на антарктической обсерватории «Академик Вернадский» АИА для трех циклов Солнца, выявил сезонные искажения стандартного суточного хода Sq. Существование всего двух типов суточного хода SqY: летнего с преимущественно западным током и зимнего с - восточным током. Появление зимою дополнительного утреннего (5-7LT) максимума восточного тока и полуночного отрицательного возмущения, источники которых не связаны с динамо системой Sq, а возможно, с ростом ионосферной проводимости Холла и остаточными конвективными полями, авроральными и продольными токами.

An analysis of the average monthly quiet solar-diurnal variations of Sq eastern magnetic field components defined in the Antarctic observatory "Akademik Vernadsky" AIA for the three cycles of the Sun, showed seasonal distortion of the standard daily variation Sq. The existence of only two types of daily variation SqY: the summer with a predominantly Western and winter with eastward current. The advent of winter, additional maximum of east current at morning (5-7LT) and a negative midnight disturbance which are not related to the dynamo system Sq, possibly, but with an increase of ionospheric conductivity and residual convective fields and aurora jets.

Keywords: SqY-variation, morning peak of the east current, summer, winter types of diurnal variation, equinoctial asymmetry

Размещено на Allbest.ru