Корректировка шкал локальных k-индексов для высокоширотных магнитных станций

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

ГНЦ РФ Арктический и антарктический научно-исследовательский институт

Корректировка шкал локальных k-индексов для высокоширотных магнитных станций

А.В. Франк-Каменецкий

В.Д. Николаева

Н.А. Степанов, А.С. Калишин

Санкт-Петербург, Россия

Резюме

Для оценки уровня геомагнитной возмущенности в каждом пункте магнитных наблюдений рассчитывается собственный K-индекс. Нижняя граница балла K = 9 - это значение амплитуды вариации горизонтальной компоненты магнитного поля, при превышении которой К-индексу присваивается максимальное значение, равное 9. Эта граница подбирается индивидуально для каждой станции в зависимости от ее геомагнитной широты. Последний раз шкалы К-индексов для российских станций были установлены в середине прошлого века и с тех пор не корректировались. Существенное расхождение K-индексов, вычисленных по этим шкалам, с планетарным Kp-индексом показывает, что они нуждаются в уточнении, а в некоторых случаях их необходимо определять заново. Составлена таблица шкал локальных K-индексов для пунктов магнитных наблюдений в Российской Арктике, и получена зависимость нижнего значения балла K = 9 от геомагнитной широты пункта наблюдений. Новые шкалы К-индексов могут быть использованы при оперативной работе на сети высокоширотных станций магнитных наблюдений Росгидромета.

Ключевые слова: авроральная зона, геомагнитные возмущения, геофизические наблюдения, K-индекс, магнитное поле.

Summary

A.V. Frank-Kamenetsky, V.D. Nikolaeva, N.A. Stepanov, A.S. Kalishin

State scientific center of the Russian Federation arctic and antarctic research institute, St. Petersburg, Russia

To assess the magnetic activity, various indices (numerical characteristics of the planetary and local disturbance of the Earth's magnetic field) are used. Most widely used for various purposes are the planetary Kp-index and the local K-index, proposed by Bartels. The K-index characterizes the Earth's magnetic field disturbance in a 3-hour interval (0-3, 3-6, etc. UTC) and is defined in a range from 0 to 9 by the amplitude of the horizontal component deviation from the quiet level. K = 0 indicates the absence of geomagnetic activity, and K = 9 corresponds to a strong geomagnetic storm. The lower limit of K = 9 is the amplitude of magnetic field horizontal component variation above which the K-index is assigned the maximum value of 9. This limit is selected individually for each station, depending on its geomagnetic latitude. The latest scales of the K-indices boundaries for the Russian Arctic stations were determined in the middle of the last century and have not been corrected since then. The significant discrepancy between the K-indices calculated using these scales and the planetary Kp-index shows that they had to be refined, and in some cases, they must be re-selected. The local indices lower boundaries (K = 9) for stations in the Arctic Russian sector were determined. K-indices lower boundaries were received for the strong magnetic storm according to the IAGA procedure. It is shown that for different magnetic field horizontal component variation values K-indices for different observation points practically coincide with the Kp-index. The lower value K = 9 dependence on the observation point geomagnetic latitude is presented. This relation can be used to obtain the lower boundary of K = 9 for any magnetic station. A table with local K-index scales for Russian Arctic magnetic stations has been compiled.

Keywords: auroral zone, geomagnetic disturbances, geophysical observations, K-index, magnetic field.

Введение

Влияние магнитных возмущений на погоду и климат, биологические объекты, электронику и многое другое в настоящее время не вызывает сомнений. Для оценки магнитной активности используются различные индексы, представляющие собой численную характеристику как планетарной, так и локальной степени возмущенности магнитного поля Земли. Согласно требованиям Международной ассоциации геомагнетизма и аэрономии (МАГА) [1], каждый из международных индексов должен быть наглядным и простым в применении, а также получаться в оперативном режиме. Наиболее распространенными и часто используемыми в различных целях являются планетарный Kp-индекс и локальный К-индекс, предложенные Бартельсом [2, 3]. К-индекс характеризует возмущенность магнитного поля Земли в 3-часовом интервале мирового времени (0-3, 3-6, и т. д. UTC, в дальнейшем 3-часовая амплитуда), определяется в баллах от 0 до 9 по величине амплитуды вариации с учетом спокойного уровня одной из двух горизонтальных компонент магнитного поля (H или D) в течение трех часов и рассчитывается во всех пунктах наблюдений. Значение индекса K = 0 говорит об отсутствии геомагнитной активности, а K = 9 означает сильную геомагнитную бурю. Нижняя граница K = 9 - это значение амплитуды вариации горизонтальной компоненты магнитного поля, при превышении которой К-индексу присваивается максимальное значение, равное 9. Нижняя граница для K = 9 подбирается индивидуально для каждой станции в зависимости от ее геомагнитной широты, а верхний предел амплитуды для балла K = 0 получается путем умножения нижней границы на коэффициент 0,01. Верхние пределы для амплитуд от 1 до 7 баллов получаются путем умножения верхнего предела амплитуды балла K = 0 на множители: 2, 4, 8, 16, 24, 40, 64 соответственно [4].

Планетарный Kp-индекс, характеризующий глобальную возмущенность магнитного поля Земли, определяется как среднее значение уровней возмущения горизонтальных составляющих геомагнитного поля на 13 магнитных обсерваториях, расположенных между 44 и 60 градусами северной и южной геомагнитных широт. Для определения Kp-индекса используются стандартизованные значения локальных K-индексов (Ks) этих обсерваторий [2, 3].

K и Kp-индексы используются для описания текущей геомагнитной обстановки, прогноза космической погоды и как входной параметр для различных моделей [5, 6, 7, 8].

Геомагнитные бури регистрируются, как правило, на всей поверхности Земли и могут продолжаться до нескольких суток. Это обуславливает появление сильных геомагнитных возмущений и, соответственно, высоких значений K-индекса по всему земному шару. Ввиду того, что амплитуда вариаций зависит от геомагнитной широты точки наблюдения, для получения единообразной оценки магнитной активности для каждого пункта наблюдений, вне зависимости от расположения станции, вводится своя шкала границ K-индекса. Последние данные о границах К-индексов для российских станций приведены в [9], для высокоширотных станций в [10] и использовались до последнего времени. Существенное расхождение K-индексов, вычисленных по этим шкалам, с планетарным Kp-индексом показывает, что они нуждаются в уточнении, а в некоторых случаях их необходимо подбирать заново. Аналогичные результаты приведены в [11].

Согласно [4], значению K = 9 соответствует возмущение, большее 2500 нТл в зоне полярных сияний и большее 300 нТл в низких широтах (исключая экватор). Нижние пределы для K = 9 были введены без учета особенностей развития магнитных возмущений в высоких широтах. В связи с этим значения K-индексов для высокоширотных станций в ряде случаев значительно отличаются от значений индексов средне- и низкоширотных станций для одних и тех же периодов времени. Таким образом, современное состояние исследований с использованием индексов геомагнитной активности указывает на необходимость уточнения, а в некоторых случаях нового подбора шкал для локальных К-индексов.

Целью работы является определение нижней границы K = 9 локальных K-индексов для высокоширотных пунктов наблюдений на основе данных станций российского сектора Арктики и станций, входящих в расчет планетарного Kp-индекса.

Используемые данные

В работе использованы данные магнитных наблюдений, полученные на высокоширотных станциях Росгидромета. Все использованные данные хранятся в базе данных Полярного геофизического центра отдела геофизики ААНИИ. На рис. 1 показано расположение пунктов магнитных наблюдений. Их географические и исправленные геомагнитные координаты, рассчитанные на 1 января 2020 г. [12], приведены в табл. 1.

Для вычисления K-индексов использовалась горизонтальная составляющая магнитного поля (временное разрешение 1 минута) с учетом спокойного уровня - долговременных трендов, не связанных с солнечной активностью. Методика определения спокойного уровня взята из [13], где кривая суточного хода магнитного поля, не связанная с магнитосферными возмущениями, определяется в виде среднего значения магнитного поля в спокойные периоды за предыдущие 30 дней. Магнитоспокойный период определяется двумя условиями:

- максимальное изменение геомагнитного поля мало на 20-минутном отрезке max(dB/dt[t, t + 20]) < у;

- вариация геомагнитного поля на 20-минутном интервале B[t, t + 20] слабо отличается от линии тренда B_T, полученной при помощи локально-взвешенной регрессии [14] с 3-часовым окном max(B[t, t + 20]) - (B_T, [t, t +20])| < p.

Рис. 1. Расположение российских арктических пунктов магнитных наблюдений. Fig. 1. Location of Russian Arctic magnetic observation stations

Таблица 1 / Table 1

Географические и исправленные геомагнитные координаты российских высокоширотных станций / Geographic and corrected geomagnetic coordinates of Russian high-latitude stations

Подбор у и в индивидуален для каждого дня. Начальные значения (у = 2, в = 2) последовательно увеличиваются, пока каждый час суточного интервала не будет содержать минимум 120 значений для вычисления спокойного уровня. Эта методика [13] позволяет рассчитывать кривую спокойного уровня в режиме реального времени для каждой станции.

Методика исследований

Особенностью российских высокоширотных магнитных станций является то, что они расположены в зонах, существенно различающихся по физике происходящих там явлений. Российские высокоширотные станции можно условно разделить на три группы. К первой группе относятся субавроральные станции, к группе 2 - станции, расположенные в авроральной зоне, и к группе 3 - станции, находящиеся в области полярной шапки. Во время магнитных возмущений все, как высокоширотные, так и средне- и низкоширотные, станции должны давать примерно одинаковую величину К-индекса.

Для определения границ K-индексов по методике, утвержденной МАГА, был проведен анализ геомагнитных возмущений во время нескольких мировых магнитных бурь.

На рис. 2 представлены вариации Dst и Kp-индексов во время одной из рассматриваемых мировых бурь 16-18 марта 2015 г. 15-16 марта наблюдались незначительные магнитные вариации, преимущественно в авроральной зоне. 17 марта началась магнитная буря (максимум индекса Dst - 220 нТл) с фазой восстановления 18-19 марта (рис. 2, верхняя панель).

Рис. 2. Сопоставление локальных K-индексов с планетарным индексом Kp в период с 15 по 20 марта 2015 г. / Fig. 2. Comparison of local K-indices with the planetary Kp-index in the period 15-20 March 2015

Были рассмотрены данные восьми станций: Горьковская (GRK), Амдерма (AMD), Баренцбург (BBG), Диксон (DIK), Ловозеро (LOZ), Тикси (TIK), о. Визе (VIZ) и Певек (PBK). Для этих станций были подобраны такие нижние пределы балла K = 9, чтобы локальные K-индексы были максимально приближены к Kp.

Наибольшая амплитуда возмущения (АН = 2526 нТл) наблюдалась в центре авроральной зоны, где расположена станция Диксон. Для этой станции нами был принят нижний предел балла K = 9, равный 2500 нТл, который ранее применялся для большинства высокоширотных станций, вне зависимости от их положения. Для остальных станций нижний предел балла K = 9 был пересмотрен таким образом, чтобы рассчитанные локальные индексы находились в наилучшем согласии с планетарным индексом Kp (рис. 2, нижняя панель). Данные пределы балла K = 9 позволяют получать адекватное распределение величин локальных K-индексов для высокоширотных станций.

На рис. 3 приведена зависимость нижнего значения балла K = 9 от исправленной геомагнитной широты пункта наблюдений для станций Российской Арктики и для станций Северного полушария, используемых при расчете Kp-индекса. Эта зависимость в приведенном широтном диапазоне аппроксимирована полиномом 6-й степени. Достоверность аппроксимации R² = 0,9898. На этом же рисунке показаны значения K = 9 из [15]. Значения нижних пределов балла K = 9, географические и исправленные геомагнитные координаты станций Kp-индекса, расположенных выше 50° исправленной геомагнитной широты, приведены в табл. 2.

На рис. 4 и 5 представлены результаты рассчитанных, с учетом новых границ, значений K-индексов во время магнитных бурь 27 мая - 1 июня 2017 г. и 24 августа - 3 сентября 2018 г. Видно, что во время фазы роста и на главной фазе наблюдается хорошее соответствие K и Kp-индексов. Однако на фазе восстановления локальные K-индексы, как правило, превышают Kp, что обусловлено развитием в это время авроральных возмущений, что является нормальным широтным распределением геомагнитной активности [16].

геомагнитный индекс возмущенность росгидромет арктика

Таблица 2 / Table 2

Географические и исправленные геомагнитные координаты обсерваторий Kp-индекса Северного полушария и их нижние пределы для балла K = 9 / Geographic and corrected geomagnetic coordinates of observatories Kp-index of the Northern hemisphere and their lower limits for K = 9

Выводы

Проведена корректировка нижней границы балла K = 9 локальных K-индексов для высокоширотных пунктов наблюдений на основе данных станций российского сектора Арктики. Значения границ K-индексов были получены при анализе большой магнитной бури 16-18 марта 2015 г. согласно методике МАГА. Показано, что при существенно различной амплитуде вариаций горизонтальной составляющей магнитного поля величины К-индексов для различных пунктов наблюдений практически совпадают и соответствуют временному ходу Kp-индекса. Построена зависимость нижнего значения балла K = 9 от геомагнитной широты пункта наблюдений. Данная зависимость может быть использована для получения нижней границы K = 9 для любых пунктов магнитных наблюдений. Составлена таблица нижних границ балла K = 9 для пунктов магнитных наблюдений в Российской Арктике.

Полученные шкалы локальных K-индексов используются при оперативной работе на сети высокоширотных пунктов магнитных наблюдений Росгидромета.

Список литературы

1. International Association of Geomagnetism and Aeronomy.

2. Bartels J., HeckN.H., Johnston H.F The three-hour-range index measuring geomagnetic activity // J. Geophys. Res. 1939. V 44. Iss. 4. P 411-454.

3. Bartels J. The standardized index Ks, and the planetary index Kp // IATME Bull. 1949. №12b. P 97-120.

4. Заболотная Н.А. Индексы геомагнитной активности. М.: Гидрометеоиздат, 1977. 59 с.

5. Rourke G.F. K Index of magnetic activity in the Antarctic // Geomagnetism and Aeronomy: Studies in the Ionosphere, Geomagnetism and Atmospheric Radio Noise, A.H. Waynick (Ed.). 1965. V. 4. P 123-157.

6. Hardy D.A., Gussenhoven M.S., Holeman E.A statistical model of auroral electron precipitation // J. Geophys. Res. 1985. V 90. A5. P 4229-4248.

7. Picone J.M., Hedin A.E., Drob D.P., Aikin A.C. NRLMSISE-00 empirical model of the atmosphere: Statistical comparisons and scientific issues // J. Geophys. Res. 2002. V 107. A12. P 1468.

8. Bilitza D., Altadill D., Truhlik V., Shubin V., Galkin I., Reinisch B., Huang X. International Reference Ionosphere 2016: From ionospheric climate to real-time weather predictions // Space Weather. 2017. V 15. P 418-429.

9. Справочник по переменному магнитному полю СССР / Под ред. В.И. Афанасьевой. Л.: Гидрометеоиздат, 1954. 258 с.

10. Яновский Б.М. Земной магнетизм. Л.: Изд-во ЛГУ, 1978. 592 с.

11. Петров В.Г. Индексы геомагнитной активности и их роль в исследовании солнечно-земных связей. Астрономия-2018. Т 2: Солнечно-земная физика - современное состояние и перспективы / Под ред. В.Н. Обридко. М., 2018. С. 186-189.

12. Пересчет координат AAGGM-v2.

13. Janzhura A.S., Troshichev O.A. Determination of the running quite daily geomagnetic variation // J. Atmos. Sol-Terr. Phys. 2008. V 70. P 962-972.

14. Cleveland W. S. Robust locally weighted regression and smoothing scatterplots // J. Amer. Statist. Assoc. 1979. V. 74. Iss. 368. P 829-836.

15. Список обсерваторий геомагнитного индекса Kp.

16. Kotikov A.L., Bolotynskaya B.D., Gizler. V.A., Troshichev O.A., Pashin A.B., Tagirov VR. Structure of auroral zone phenomena from the data of meridional chains of stations: magnetic disturbances in the nighttime auroral zone and auroras // J. of Atm. and Terr. Phys. 1991. V 53. Iss. 3-4. P 265-274.

References

1. International Association of Geomagnetism and Aeronomy.

2. Bartels J., Heck N.H., Johnston H.F. The three-hour-range index measuring geomagnetic activity. J. Geophys. Res. 1939, 44 (4): 411-454.

3. Bartels J. The standardized index Ks, and the planetary index Kp. IATME Bull. 1949, 12b: 97-120.

4. Zabolotnaia N.A. Indeksy geomagnitnoi aktivnosti. Geomagnetic activity indices. Moscow: Gidrometeoizdat, 1977: 59 p. [In Russian].

5. Rourke G.F. K Index of magnetic activity in the Antarctic. Geomagnetism and Aeronomy: Studies in the Ionosphere, Geomagnetism and Atmospheric Radio Noise, A.H. Waynick (Ed.). 1965, 4: 123-157.

6. Hardy D.A., Gussenhoven M.S., Holeman E. A statistical model of auroral electron precipitation. J. Geophys. Res. 1985, 90, A5: 4229-4248.

7. Picone J.M., Hedin A.E., Drob D.P., Aikin A.C. NRLMSISE-00 empirical model of the atmosphere: Statistical comparisons and scientific issues. J. Geophys. Res. 2002, 107, A12: 1468.

8. Bilitza D., Altadill D., Truhlik V., Shubin V., Galkin I., Reinisch B., Huang X. International Reference Ionosphere 2016: From ionospheric climate to real-time weather predictions. Space Weather. 2017, 15: 418-429.

9. Spravochnik po peremennomu magnitnomu polju SSSR. Pod red. VI. Afanas'evoj. Reference book on the alternating magnetic field of the USSR. Edited by VI. Afanas'evа. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1954: 258 p. [In Russian].

10. Janovskij B.M. Zemnoj magnetizm. Terrestrial magnetism. Leningrad: Leningrad State University, 1978: 592 p. [In Russian].

11. Petrov V.G. Indeksy geomagnitnoj aktivnosti i ih rol v issledovanii solnechno-zemnyh svjazej. Astronomy-2018. T. 2: Solar-Terrestrial Physics - Current State and Prospects / Ed. V.N. Obridko. M., 2018: 186-189.

12. AACGM-v2 Coordinate Transformations.

13. Janzhura A.S., Troshichev O.A. Determination of the running quite daily geomagnetic variation. J. Atmos. Soil-Terr. Phys. 2008, 70: 962-972.

14. Cleveland W.S. Robust locally weighted regression and smoothing scatterplots. J. Amer. Statist. Assoc., 1979, 74 (368): 829-836.

15. List of geomagnetic Kp Index observatories.

16. Kotikov A.L., Bolotynskaya B.D., Gizler V.A., Troshichev O.A., Pashin A.B., Tagirov VR. Structure of auroral zone phenomena from the data of meridional chains of stations: magnetic disturbances in the nighttime auroral zone and auroras. J. of Atm. and Terr. Phys. 1991, 53, 3-4: 265-274.

Размещено на allbest.ru