Просторово-часова структура поля магнітних бур (за даними обсерваторій INTERMAGNET та модельних розрахунків)

Размещено на http://www.allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОФІЗИКИ ім. С. І. СУББОТІНА

МЕЛЬНИК ГАЛИНА ВОЛОДИМИРІВНА

УДК 550.380, 550.385

ПРОСТОРОВО-ЧАСОВА СТРУКТУРА ПОЛЯ МАГНІТНИХ БУР

(за даними обсерваторій INTERMAGNET та модельних розрахунків)

04.00.22 - геофізика

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України.

Науковий керівник: доктор геологічних наук

Бахмутов Володимир Георгійович,

Інститут геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України, головний науковий співробітник

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук

Шуман Володимир Миколайович,

Інститут геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України, завідувач відділу

доктор фізико-математичних наук

Личак Михайло Михайлович,

Інститут космічних досліджень НАНУ та НКА України, головний науковий співробітник, професор

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України за адресою: 03680, м. Київ-142, пр-т Палладіна, 32.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради,

доктор геологічних наук М. І. Орлюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дослідження. Магнітні бурі є найбільш відомим та інформативним проявом впливу сонячної активності на Землю. Актуальність їх дослідження визначається розвитком з 70-х рoків минулого сторіччя окремого наукового напрямку - дослідження «космічної погоди». Він має як фундаментальне значення, так і реальний практичний вихід, зокрема у зв'язку з упливом геліо-геофізичних факторів на зміни клімату і довкілля. Поле магнітної бурі створюється магнітосферними та іоносферними струмовими джерелами. Динаміка систем струмів у збуреній магнітосфері є одним з найбільш дискусійних питань сонячно-земної фізики. Вона обумовлює просторово-часову структуру поля магнітних бур. Остання вивчається уже протягом тривалого часу, однак окремі елементи вимагають додаткового вивчення, особливо на базі сучасних супутникових даних та даних наземних спостережень. Їх якість значно зросла у зв'язку з переоснащенням магнітних обсерваторій сучасними високоточними приладами, а доступ до даних став можливим після об'єднання більшості цифрових магнітних обсерваторій у світову мережу INTERMAGNET. Найбільш актуальними та дискусійними проблемами дослідження магнітних бур є: електричні струми, які створюють варіації магнітного поля під час бурі Dst; фізичний механізм, що призводить до зміщення авроральних електроструменів до нижчих широт під час бурі; проблема співвідношення буря-суббуря; визначення наземних особливостей розподілу поля магнітних бур щодо локалізації збурень, викликаних частковим кільцевим струмом - дослідження асиметрії поля кільцевого струму та особливостей варіацій у високих широтах, зокрема у зоні існування східного аврорального електроструменя, на який замикається частковий кільцевий струм; оцінка відносних вкладів магнітосферних та іоносферних систем струмів, а також визначення внеску внутрішніх джерел у варіації геомагнітного поля під час магнітної бурі. На сьогодні практично єдиним методом, що дозволяє виконати таку оцінку, є модельні розрахунки, яким в останнє десятиріччя приділяється все більша увага вченими з різних країн.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності з науковими темами:

1. Дослідження зв'язку геомагнітного поля з кліматом і довготривалими змінами навколишнього середовища (1998-2002). Р/н 0198U000211.

2. Динаміка геомагнітних варіацій, її відображення в процесах атмосферної циркуляції та зв'язок з еволюцією геосфер Землі (2003-2008). Р/н 0103U000389.

3. Динаміка і моделі геомагнітного поля за результатами інструментальних спостережень і палеомагнітних досліджень (2009-2014). Р/н 0109U000102. магнітний буря поле обсерваторія

4. Структура літосфери Західної Антарктики за комплексом геолого-геофізичних даних (Державна програма досліджень України в Антарктиці 2002 - 2010). Р/н 0107U003128.

5. Моніторинг геофізичних полів з метою зниження ризиків від небезпечних природних явищ на території України (2007-2011 рр). Р/н 0107U002195.

Мета та завдання дослідження. Метою роботи є визначення просторово-часових особливостей поля магнітних бур за даними обсерваторій світової мережі INTERMAGNET та модельних розрахунків.

Для досягнення мети вирішувались наступні задачі:

1) зіставлення супутникових даних про міжпланетне магнітне поле та параметри сонячного вітру з варіаціями магнітного поля під час бур;

2) визначення широтних і довготних особливостей поля окремих магнітних бур за аналізом магнітограм та карт-схем векторів еквівалентного струму;

3) розділення поля геомагнітних бур на частини, створювані зовнішніми та внутрішніми джерелами в окремих меридіональних секторах методом сферичного гармонічного аналізу;

4) визначення особливостей розподілу магнітного поля магнітосферних струмових джерел на відстані до ±15R_E (радіусів Землі) за даними модельних розрахунків;

5) аналіз широтних і довготних особливостей наземного розподілу модельних магнітних полів збурень (в тому числі окремих струмових джерел);

6) зіставлення даних модельних розрахунків поля магнітної бурі з експериментальними даними.

Об'єктом дослідження є змінне магнітне поле Землі, предметом - просторово-часова структура поля магнітних бур.

Методи дослідження. Для розв'язування поставлених задач виконувалась підготовка та обробка даних реєстрації компонент геомагнітного поля обсерваторій світової мережі INTERMAGNET, супутникових даних WIND про стан міжпланетного магнітного поля (ММП) та параметри сонячного вітру (СВ) бази даних NASA, методика зіставлення магнітограм, метод сферичного гармонічного аналізу, модельні розрахунки по емпіричній моделі магнітосферного магнітного поля збурень Циганенка Т01.

Наукова новизна одержаних результатів:

– деталізовано довготну асиметрію поля магнітних бур за даними середньохвилинних обсерваторських спостережень та модельних розрахунків;

– вперше виявлено локальні області тривалих додатних геомагнітних збурень у субавроральних широтах під час головної фази окремих магнітних бур;

– за новими експериментальними даними визначено різницю внесків зовнішньої та внутрішньої частин поля магнітних бур у американському, євро-африканському, австрало-азійському довготних секторах для окремих магнітних бур за період 1997-2001;

– за результатами модельних розрахунків визначені особливості просторово-часового розподілу полів окремих струмових джерел та визначено їх внесок у повне поле магнітних збурень.

Практичне значення одержаних результатів. Результати роботи можуть використовуватися для вирішення фундаментальних та прикладних задач, а саме: дослідження електричних струмів, які створюють варіації геомагнітного поля під час магнітних бур; оцінки внеску магнітосферних та іоносферних струмових систем у поле геомагнітних збурень; тестування та покращення моделей магнітосферного магнітного поля збурень; прогнозування «космічної погоди»; дослідження впливу магнітної активності на організм людини, зміни біосферних та кліматичних параметрів; розробки комплексних моделей сонячно-земних зв'язків.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно виконано підготовку та обробку даних спостережень ММП та параметрів СВ, а також даних наземних магнітних обсерваторій для всіх розглянутих у роботах [1-9, 13-19, 21, 22, 25] магнітних бур; проведено аналіз цих даних [1-9, 13-19, 21, 22, 25]; побудовано карти-схеми векторів еквівалентного струму, визначено широтні і довготні особливості геомагнітного поля під час магнітних бур [1-9, 13-18, 20, 21, 24]; методом сферичного гармонічного аналізу поле магнітних бур у різних меридіональних секторах розділено на частини, створювані зовнішніми та внутрішніми джерелами [2, 6, 17, 21]; визначено особливості глобального та наземного розподілу магнітного поля магнітосферних струмових джерел за даними модельних розрахунків [8, 10, 11, 22-24]; участь у розробці алгоритмів обробки даних українських магнітних обсерваторій та передачі кінцевих результатів у INTERMAGNET [12, 25].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи доповідались та пройшли апробацію на: III, IV, V, VI, VII Українських конференція по перспективних космічних дослідженнях Крим, Україна, 2003 - 2007 рр.; ІІ Українській та IV Міжнародній Антарктичних конференціях, Київ, Україна, 2004 та 2009; V Міжнародній науково-практичній конференції молодих учених та спеціалістів «Геофизика-2005», Санкт-Петербург, Росія, 2005; Науковій конференції «Енергетика Землі, її геоекологічні прояви», Київ, Україна, 2006; VIII Міжнародній науковій конференції «Моніторинг небезпечних процесів та екологічного стану середовища» Київ, Україна, 2007; VII Міжнародній конференції «Problems of Geocosmos» Санкт-Петербург, Росія, 2008; на міжнародному семінарі «Використання супутникових та наземних даних в інтересах сталого розвитку» Київ, Україна 2009; VIII Міжнародній кримській конференції «Космос и биосфера» Судак, Крим, Україна, 2009.

Публікації. Основні результати опубліковані у 12 статтях, у тому числі 10 у фахових виданнях, і 13 тезах.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, трьох розділів, висновків, 2 додатків і списку використаних джерел, що нараховує 181 найменування. Робота викладена на 143 сторінках машинописного тексту, містить 43 рисунки та 8 таблиць.

Дисертація виконана в Інституті геофізики ім. С.І. Субботіна НАНУ під керівництвом доктора геологічних наук В.Г. Бахмутова, якому здобувач щиро вдячний за надані консультації, постійну допомогу та поради під час виконання цієї роботи. Автор висловлює також щиру подяку кандидатам фіз.-мат. наук О.І. Максименко за постійну допомогу та підтримку, наукові дискусії при виконанні роботи, П.В. Сумаруку за цінні зауваження, пров. інженеру Шендеровській О.Я. та всім співробітникам лабораторії, де виконувалась дана робота, та присвячує її пам'яті Яременко Лариси Миколаївни, кандидата фіз. - мат. наук, за сприяння і підтримки якої було розпочато дослідження та отримані деякі основні результати.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі подано загальну характеристику роботи: розкрито суть наукової проблеми, обґрунтовано доцільність напрямку досліджень та актуальність теми дисертації, сформульовано її мету, задачі та методи досліджень, зв'язок роботи з науковими темами, наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, повноту їх висвітлення в публікаціях за темою дисертації.

Розділ 1. «Дослідження джерел, причин магнітних бур та особливостей їх протікання» присвячений огляду літератури за темою роботи.

Динаміка варіацій магнітного поля Землі визначається станом магнітосфери, складна форма якої з внутрішніми струмовими системами цілком залежить від характеристик сонячного вітру (СВ) і величини та напрямку міжпланетного магнітного поля (ММП). На сьогодні встановлено різноманіття джерел збурень магнітного поля і плазми в сонячному вітрі та продовжується дослідження їх впливу на швидкі процеси в магнітному полі Землі, такі як магнітні бурі, суббурі та ін. Магнітні збурення, викликані струмовими джерелами у внутрішній магнітосфері і в іоносфері, призводять до складної картини варіацій геомагнітного поля під час магнітних бур. Однак конфігурація струмів у магнітосфері сама є досить дискусійним питанням, яке сьогодні широко обговорюється різними групами дослідників (Мишин, Базарджапов, 2003; Feldstein et al., 2006; 2002; Le et al., 2004; Антоновa и др., 2008). Більшість представляють основне струмове джерело варіацій геомагнітного поля під час магнітних бур - кільцевий струм - у вигляді двох струмів: симетричного відносно центру Землі замкнутого кільцевого струму та часткового кільцевого струму, який замикається поздовжніми струмами на східний авроральний електрострумінь.

Геомагнітна буря - це збурення геомагнітного поля тривалістю від декількох годин до декількох діб, яке виникає внаслідок взаємодії струмових джерел у магнітосфері Землі зі збуреними потоками сонячного вітру. Мірою інтенсивності бурі є Dst-індекс (disturbance storm-time), який визначається за середньогодинними даними горизонтальної компоненти магнітного поля 4-х магнітних обсерваторій, розташованих у діапазоні широт від 12° до 36°. Необхідною умовою виникнення магнітних бур є існування інтенсивної південнонаправленої компоненти Bz ММП протягом тривалого часу. Причинами збільшення її інтенсивності є різні прояви сонячної активності: магнітні хмари (МХ) - крупномасштабні міжпланетні утворення, викликані викидами корональних мас на Сонці, область стиску в контакті швидкого і повільного потоків CIR (Corotating Interaction Region), область стиску між незбуреним сонячним вітром та тілом МХ (Sheath fields). Питання геоефективності цих явищ досліджуються (Tsurutani et al., 1999; Gonzales et al., 2005). Джерело магнітної бурі є визначальним фактором її інтенсивності та особливостей протікання.

Суббуря - глобальний процес, що ініціюється на нічній стороні Землі у високих широтах, коли значна кількість енергії, яка переноситься частками СВ в процесі його взаємодії з магнітним полем Землі, потрапляє в авроральну атмосферу й магнітосферу. Тривалість суббурі - від десятків хвилин до перших годин, а її характерним елементом є струмова система, що складається з авроральних електроструменів та їх струмів розтікання, які проникають в полярну шапку і в середні широти.

Крім зовнішніх джерел варіацій магнітного поля під час бур, свій внесок додають і внутрішні джерела - струми, індуковані у Землі. У загальному випадку внесок останніх у поле магнітної бурі прийнятий ~30 %. Вивчення електропровідності земних глибин за даними варіацій геомагнітного поля є окремим напрямом у геофізиці. Розділення варіацій геомагнітного поля на створювані зовнішніми і внутрішніми джерелами виконується математичними методами аналізу, зокрема сферичним гармонічним аналізом. Незважаючи на те, що велика увага цьому приділялась у минулому столітті, вивчення співвідношення полів зовнішніх та внутрішніх джерел за наземними даними Dst-варіації залишається актуальним і дотепер.

Складна картина розташування струмових систем у внутрішній магнітосфері, особливо під час магнітних збурень, робить неможливою ідентифікацію їх границь експериментальними методами. Це є причиною різних точок зору щодо відносної ролі магнітосферних струмових систем, зокрема кільцевого струму, у розвитку і протіканні магнітної бурі. Вирішити це питання певною мірою дозволяють модельні розрахунки. Залежно від способу задавання магнітних полів, розрізняють фізичні, математичні (теоретичні), емпіричні моделі. До останніх належать, зокрема, модель магнітосферного магнітного поля збурень Циганенка (Tsyganenko, 2002). Модель Т01 створена на великій базі супутникових спостережень магнітосферного магнітного поля в інтервалі 1984 - 2002 рр. і побудована на модульній основі, що дозволяє розраховувати поле кожного магнітосферного струмового джерела як у магнітосфері, так і на земній поверхні залежно від параметрів ММП і СВ та рівня геомагнітної збуреності, вираженої Dst-індексом. Вона є цілком достатньою для оцінки відносних вкладів полів різних струмових систем в повне поле магнітних збурень.

Розділ 2. Особливості змін магнітного поля під час магнітних бур за даними обсерваторій INTERMAGNET.

Розвиток супутникових спостережень магнітного поля Землі дозволив вивести дослідження процесів у магнітосфері Землі на якісно новий рівень. Однак можливості наземних спостережень далеко не вичерпані, оскільки вони надають одночасну та найбільш повну інформацію про стан геомагнітного поля. Найсучаснішою мережею, яка об'єднує більшість цифрових магнітних обсерваторій, є ІNTERMAGNET (Іnternatіonal Real-tіme Magnetіc Observatory Network). Вона активно розвивається з початку 1990-х: за 1991 рік на фінальному CD представлені дані 41 обсерваторії, за 2006 - 99, а у 2009 році в ІNTERMAGNET задіяно 106 геомагнітних обсерваторій у 43 країнах світу.

Зміни магнітного поля під час бур найкраще характеризує варіація горизонтальної H-компоненти магнітного поля відносно спокійного рівня. Останній розрахований за її середніми значеннями з двох міжнародних магнітоспокійних днів: останнього перед бурею Hq1 та першого після неї Hq2. Значення дH для кожної обсерваторії розраховувались за середньохвилинними значеннями за формулою:

дH=Hd-(Hq1+Hq2)/2,

де Hd - значення компоненти поля під час бурі.

По суті вони відображають варіацію Dst, однак у роботі використовуються середньохвилинні, а не середньогодинні значення компонент геомагнітного поля, що дозволяє виділяти та враховувати суббурі.

У підрозділі 2.1. Зміни міжпланетного магнітного поля, параметрів сонячного вітру та геомагнітного поля під час бур проаналізовано динаміку варіацій магнітного поля, зареєстрованих наземними обсерваторіями INTERMAGNET, у зв'язку зі змінами параметрів СВ та ММП за супутниковими даними WIND на прикладі трьох магнітних бур (15.05.1997, 15-16.07.2000, 6-7.04.2000), викликаних різними типами збурень у міжпланетному просторі.

Протікання магнітної бурі 15.05.1997 (Dst_min=-115 нТл), викликаної Sheath fields, контролювалося магнітною хмарою, яка спостерігалася у головну фазу та фазу відновлення бурі (рис. 1). Суббурі під час цієї бурі пов'язані зі змінами By та Bz компонент ММП і зміною Psw. Проаналізувавши зміни магнітного поля на Землі, компонент ММП та параметрів сонячного вітру під час окремих магнітних бур, можна бачити, що їх протікання суттєво відрізняється залежно від сонячної активності і змін у навколоземному просторі.

Розглянуті магнітні бурі різні за інтенсивністю та тривалістю окремих фаз, але всі мають раптовий початок (SC). Початкова фаза тривала ~4.5 - 5 год для магнітних бур викликаних sheath fields (15.05.1997) та магнітною хмарою (15-16.07.2000) і майже відсутня для магнітної бурі 06.04.2000, яка виникла внаслідок приходу до магнітосфери Землі фронту ударної хвилі МХ та обумовлена високим тиском сонячного вітру; тривалість головної фази майже однакова для магнітних бур 15.05.1997 та 06.04.2000, але суттєво коротша головна фаза у магнітної бурі 15-16.07.2000, яка викликана МХ і була найінтенсивнішою з розглянутих бур. Тривалість фази відновлення найбільша для магнітної бурі 06.04.2000. Суббурі під час розглянутих магнітних бур слідують за швидкими змінами компонент ММП та параметрів СВ. Інтенсивність суббур збільшується, коли пікові значення тиску сонячного вітру супроводжуються південним напрямком компоненти Bz ММП.

Широтні та довготні особливості поля магнітних бур розглянуто у підрозділі 2.2. Широтні залежності пікових значень Dst-варіації та суббур у класичному випадку наступні: максимум амплітуди Dst спостерігається на екваторі, до полюсів вона зменшується. Амплітуди суббур навпаки, характеризуються мінімумом біля екватора та максимумом в авроральних широтах. Під час магнітної бурі 15.05.97 у Європейсько-Африканському секторі із збільшенням широти обсерваторії амплітуда Dst-варіації зменшується, однак у приполярній зоні спостерігаються великі додатні збурення, тривалість яких співпадає з мінімумом головної фази бурі. Аналогічна картина і у південній півкулі - за записами середньоширотної обсерваторії PAF під час головної фази спостерігається додатне збурення з амплітудою близько 400нТл. Це прояв впливу струму східного напрямку. При розгляді аналогічних додатних збурень протягом 2001 року виявлено, що вони спостерігаються на широтах Ц?60° у головну фазу бурі в післяполудневому секторі місцевого часу.

Після виключення впливу суббур, для обсерваторій, розташованих у приекваторіальних широтах, визначені величини дH_min під час 6-ти магнітних бур.

В даному випадку варіація дH була виділена за середньохвилинними значеннями компонент геомагнітного поля, а не за середньогодинними, як це зазвичай робили раніше, що дало можливість врахувати і виключити ефекти суббур. Показано, що амплітуда дH максимальна у вечірній час (LT), а не у нічний, як вважалося раніше.

У підрозділі 2.3 для визначення особливостей просторового розподілу струмів початкової і головної фаз магнітних бур за даними наземних обсерваторій побудовані схеми векторів еквівалентних струмів. Вектори електричного поля отримані поворотом векторів магнітного поля на 90є. Схеми побудовані для початкової фази у час SC і для головної фази у її мінімумі. Їх аналіз для розглянутих магнітних бур показав, що у початкову фазу найінтенсивніший струм спостерігається в полярній шапці й авроральній зоні в ранкові і передполудневі години. До 09:00LT у полярних і до 11:00LT у середніх широтах струм направлений на захід і південний захід. У вечірній час у середніх широтах він повертається на північний схід. Під час головної фази найбільша інтенсивність струму у низьких широтах спостерігається у денний і вечірній місцевий час. Вона зменшується до півдня і півночі, однак у авроральних і субавроральних широтах спостерігаються сильні струми східного і західного напрямку. Їх інтенсивність перевищує інтенсивність струмів над екватором, оскільки в авроральних і субавроральних широтах вони течуть в іоносфері, а над екватором - у магнітосфері.

У підрозділі 2.4 методом сферичного гармонічного аналізу виконано розділення поля магнітних бур на частини, створювані зовнішніми і внутрішніми джерелами. Розрахунки проведено за даними магнітних обсерваторій, розташованих у трьох довготних секторах: американському, євро-африканському і австрало-азійському. З півночі та півдня профілі обсерваторій обмежувалися зонами протікання полярних електроструменів, відлік часу - від початку бурі. Основна увага приділялася головній фазі, коли спостерігається найбільш різке зменшення поля.

Для визначення коефіцієнтів при сферичному аналізі використовувалась його модифікація для поля варіацій (Ротанова, Пушков, 1982), коли одна з координат - довгота - замінюється місцевим часом. У результаті розраховано набір сферичних коефіцієнтів .

За формулами

, ,

,

знаходились коефіцієнти для обчислення зовнішньої (,,) та внутрішньої (,,) частин. За отриманими результатами знайдені співвідношення зовнішньої дX^e і внутрішньої дX^і частин поля під час головної фази 6 магнітних бур. В австрало-азійському секторі внесок зовнішніх джерел складає ~58 %, внутрішніх ~42 %, тоді як в американському й євро-африканському регіонах - 70 % і 30 % відповідно. Отже, внесок індукованих струмів у поле магнітної бурі відрізняється для окремих регіонів земної кулі, що може бути зумовлено відмінностями провідності глибинних структур Землі. Проведення кількісних оцінок провідності та визначення зв'язку отриманих результатів з глибинною будовою Землі виходить за межі даної роботи.

Розділ 3. Модельні розрахунки поля магнітосферних збурень за моделлю Циганенка Т01.

Моделі магнітосферного магнітного поля на сьогодні є основним інструментом для вивчення динаміки магнітосферно-іоносферних струмів. Як найбільш досконала і фізично обґрунтована для розрахунків поля магнітосферних збурень в роботі застосована емпірична модель Циганенка Т01. Вона дозволяє визначити зміни конфігурації магнітосфери для різних міжпланетних умов і рівнів збуреності. Зовнішнє магнітне поле Землі у моделі представлено як сума 7 полів: поля струмів Чепмена-Ферраро В_DCF, поля струмів хвоста магнітосфери В_TC, поля симетричного кільцевого струму В_src, поля асиметричного кільцевого струму В_prc, поля в іоносферних областях 1 і 2 системи струмів Біркеланда B_FAC1, B_FAC2 та проникаючої внаслідок внутрішнього переєднання компоненти ММП В_imf. У зв'язку з цим модель побудована на модульній основі, кожен з модулів має свій фізичний зміст, доступ до окремих модулів незалежний. Внесок індукованих струмів у моделі враховується рівним 30 %.

Для вивчення особливостей просторового розподілу магнітних полів основних магнітосферних струмових джерел під час магнітних бур проведено аналіз Bz компоненти магнітосферного магнітного поля в системі GSM (Geocentric Solar Magnetospheric System), яка на поверхні Землі співпадає з H-компонентою геомагнітного поля. Розраховані модельні поля наступні: BzG0 - повне поле магнітосферних збурень, BzG1 - поле струмів на магнітопаузі, BzG2 - поле струмів хвоста магнітосфери, BzG3 - поле струмів Біркеланда, BzG4 - поле кільцевого струму (BzSRC - поле симетричного кільцевого струму, BzPRC - поле часткового кільцевого струму).

У підрозділі 3.1 розглянуто особливості глобального розподілу BzG0 та BzG4 під час магнітних бур та у магнітоспокійний період. Визначено, що під час магнітних бур особливості розподілу BzG0 обумовлені в першому наближенні ранково-вечірньою асиметрією BzG4 (мінімум BzG4 у вечірньому секторі). Остання викликана частковим кільцевим струмом PRC: мінімум BzPRC знаходиться у вечірньому секторі на тій же відстані, що і мінімум BzG4, тоді як у розподілі BzSRC ранково-вечірня асиметрія не спостерігається.

Крупномасштабні структурні неоднорідності простежуються на картах ізоліній BzG0 і BzG4, розрахованих для області -10R_Е<L<10R_Е для екваторіальної і паралельних до неї площин магнітосфери. Це область від'ємного магнітного поля в магнітосфері, викликана кільцевим магнітосферним струмом на 3R_Е<L<8R_Е. Під час магнітних бур зовнішня границя цієї області у денному секторі знаходиться ближче до Землі, ніж у магнітоспокійний день. На паралельних до екваторіальної площинах простежується північно-південна асиметрія, обумовлена нахилом осі диполя: мінімум BzG4 знаходиться по різні сторони щодо напрямку ранок-вечір на площинах Z=2R_E і Z=-2R_E. У порівнянні з екваторіальною площиною він зміщується до Землі на 1.3ч1.6R_E. При цьому вклад BzG4 в BzG0 зменшується. Оцінка відносного внеску BzG4 в BzG0 (табл. 1) показала, що в магнітоспокійних умовах він складав ~70 % майже не змінюючись протягом доби, під час сильної магнітної бурі 06 - 07.04.2000 він становив ~60 %, перевищуючи вдвічі вклад BzG2 у вечірньому секторі та помітно ослаблюючись у нічному секторі у фазу відновлення. На початку головної фази цієї бурі вклад BzG4 досягав 100 % в денному секторі.

Таблиця 1

Відносні внески максимальних значень магнітного поля BzG4 та BzG2 у BzG0 уздовж осей X і Y системи координат GSM

ДАТА		ранок	вечір	ніч	день
6 квітня	BzG4/BzG0	0,76	0,9	0,6	1,00
(головна фаза)	BzG2/BzG0	0,64	0,41	0,49	0,8
7 квітня	BzG4/BzG0	0,47	0,6	0,4	0,61
(фаза відновлення)	BzG2/BzG0	0,29	0,19	0,7	-
11 квітня (магнітоспокійний день)	BzG4/BzG0	0,71	0,71	0,6	0,7

Ці результати відображають глобальні властивості розподілу магнітних полів струмових джерел бурі при врахуванні залежності параметрів джерел модельного поля від сонячного вітру (тиску, швидкості, щільності іонів), компонент ММП і рівня наземної збуреності (Dst, SYM) і не суперечать сучасним уявленням про процеси протікання магнітосферних збурень.

У підрозділі 3.2 розглянуто особливості наземного розподілу модельних магнітних полів під час магнітних бур та у магнітоспокійний день. Відзначено, що поле кільцевого струму визначає хід повного поля у діапазоні широт Ф=55ч-65°. З наближенням до полюсів в обох півкулях збільшується вплив BzG3 на BzG0 та PRC на хід BzG4. У географічних координатах виділяється північно-південна асиметрія у просторовому розподілі магнітних полів: величина BzG4 досягає екстремумів на різних широтах у двох півкулях: наприклад, -23нТл (-13нТл) на широтах -55° (-65)° у південній і, навпаки, -13нТл (-24нТл) на широтах 55° (65)° у північній півкулі. Широтні варіації амплітуди коливань BzG0 характеризуються збільшенням амплітуди в 2 рази у високих широтах у південній і в 1,67 разів у північній півкулі. Збільшення амплітуди BzG0 і поява різких сплесків його величини на високих широтах є результатом накладанням магнітних полів різних струмових джерел. Зокрема, магнітні поля струмів Біркеланда та часткового кільцевого струму різко збільшуються під час магнітосферних збурень і дуже відрізняються на незначних відстанях у високих широтах. Порівняння експериментальних даних дH окремих обсерваторій у діапазоні широт ±20° та модельних значень магнітного поля під час головної фази магнітних бур показало, що максимальні розходження між спостереженими та модельними кривими складають 8-10нТл. Положення мінімумів та максимумів довготного ходу співпадають.

Порівняння величин відносного внеску поля кільцевого струму BzG4 в Dst для різних моментів головної фази та фази відновлення досліджених магнітних бур показало очікуване його збільшення в головну фазу та зменшення у фазу відновлення. Причому, у фазу відновлення змінюються співвідношення між симетричним та частковим кільцевим струмом у бік збільшення відносного вкладу останнього. Це підтверджує дані розрахунків по параболоїдній моделі інших авторів (Калегаев и др., 2006). Схожа динаміка спостерігається і для вкладу BzG2. Під час сильної магнітної бурі 06.04.2000 відносний вклад BzG2 (58 %) переважає вклад BzG4 (25 %). Для слабкої бурі 21.03.1998 у мінімумі головної фази вони майже однакові (52 % та 47 % відповідно), а у фазу відновлення внесок струмів хвоста збільшується до 60 %. Під час цієї бурі основну частину кільцевого струму складає SRC, тоді як під час магнітної бурі 15.05.1997 значно зростає внесок PRC.

У наземному розподілі модельних магнітних полів, як і за експериментальними даними, виявляється довготна асиметрія поля кільцевого струму з мінімумом у вечірні години. Величина внесків окремих струмових джерел у поле магнітної бурі змінюється залежно від широти та фази бурі.

ВИСНОВКИ

На підставі аналізу даних наземних спостережень варіацій геомагнітного поля на обсерваторіях INTERMAGNET і даних про ММП та параметри СВ під час магнітних бур показано, що динаміка поля кожної бурі має свої характерні риси та далеко не завжди відповідає класичній схемі. Одержані у роботі основні результати доповнюють і уточнюють уявлення про просторово-часову структуру поля магнітних бур і полягають у наступному.

1. Особливості протікання магнітних бур визначаються, перш за все, змінами ММП та параметрів СВ. Всі швидкі зміни ММП та його компонент, а також інші зміни в сонячному вітрі, відображаються на Землі у вигляді суббур. Протягом взаємодії магнітних хмар з магнітосферою Землі «стримуються» різкі коливання магнітного поля на всіх широтах, в тому числі і в субполярній області.

2. Після виключення ефекту суббур за даними середньохвилинних обсерваторських записів уточнено довготну асиметрію поля кільцевого струму. Для деяких магнітних бур найбільша інтенсивність кільцевого струму, виражена у амплітуді Dst-варіації, може спостерігатися не тільки у нічний час, як вважалося раніше за середньогодинними даними, але й у вечірній.

3. Показано, що залежність варіації Dst від широти складніша, ніж косинусоїдальна. При інтенсивних магнітних бурях в середніх широтах на місці головної фази спостерігаються суббурі, які нівелюють варіацію, створювану кільцевим струмом. Під час окремих магнітних бур на фоні головної фази спостерігаються сильні додатні збурення тривалістю декілька годин. Вони спостерігаються на широтах Ц?60° або, при збільшенні інтенсивності бурі, на Ц?60°. У часі ці збурення співпадають з головною фазою магнітної бурі та спостерігаються у післяполудневому секторі, що відповідає часу існування східного аврорального електроструменя, на який замикається частковий кільцевий струм.

4. За результатами сферичного гармонічного аналізу виявлено відмінність у внесках індукованих струмів у поле магнітної бурі під час головної фази для окремих довготних секторів земної кулі. Максимальний внесок індукованих струмів спостерігається в австрало-азійському секторі 42 %, в американському та євро-африканському він ближчий до класичного випадку 30 %, що може бути зумовлено відмінностями у провідності глибинних структур Землі.

5. За результатами розрахунків по моделі Циганенка Т01 виділено наступні особливості глобального розподілу магнітних полів основних струмових джерел магнітної бурі:

а) область від'ємного магнітного поля в магнітосфері, обумовлена кільцевим струмом, що протікає на 3R_e<L<8R_e в екваторіальній площині. Зовнішня границя цієї області у денному секторі під час головної фази бурі знаходиться ближче до Землі (на ~0,8ч1,6R_e), ніж у магнітоспокійний день;

б) азимутальна асиметрія розподілу магнітного поля кільцевого струму в екваторіальній площині магнітосфери з мінімумом у вечірньому секторі на L ?3.5ч3.8R_e, обумовлена частковим кільцевим струмом під час головної фази магнітної бурі;

в) північно-південна асиметрія, яка пов'язана з нахилом осі диполя і проявляється у розташуванні мінімумів полів BzG0 та BzG4 по різні боки від напрямку ранок-вечір у площинах, паралельних екваторіальній, ZGSM=±2R_E;

г) зміна форми магнітосфери залежно від рівня магнітної збуреності: зміщення магнітопаузи до Землі у підсонячній точці від 11R_e в магнітоспокійних умовах до 8R_e під час головної фази магнітної бурі;

д) зміна відносних внесків магнітного поля кільцевого струму КС і поля поперечного струму в хвості магнітосфери в повне поле магнітної бурі в залежності від інтенсивності і фази розвитку магнітної бурі: визначено переважаючий внесок поля КС у порівнянні зі внеском поля хвоста у головну фазу і зменшення його внеску у фазі відновлення; встановлено порівняно постійний (~70 %) вклад поля КС незалежно від часового сектору в магнітоспокійних умовах.

6. У наземному розподілі модельних магнітних полів відзначено:

а) максимум амплітуди поля кільцевого струму у післяполудневі години, як і за експериментальними даними;

б) внесок поля кільцевого струму складає до 80 % у головну фазу магнітної бурі і є переважаючим до геомагнітних широт 55° у північній півкулі та -64° у південній, далі починає зростати роль струмів Біркеланда та часткового кільцевого струму;

в) у результаті порівняння характеристик просторового розподілу поля магнітної бурі одержано, що відповідність між даними спостережень та модельних розрахунків погіршується на широтах Ц>55ч60° внаслідок нечутливості моделі до швидких змін поля, які спостерігаються у високих широтах.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Статті в наукових виданнях.

1. Мельник Г. В. Особенности вариации Dst в американском меридиональном секторе / Г. В. Мельник, Л. Н. Яременко // Український Антарктичний Журнал. - 2004. - № 2. - С. 51-57.

2. Яременко Л. Н. Магнитные бури в экваториальном поясе и полярных областях / Л. Н. Яременко, Г. В. Мельник // Космічна наука і технологія. - 2004. - 10, № 5/6. - С. 106-110.

3. Яременко Л. Н. Магнитно-ионосферные эффекты, создаваемые приходом к Земле солнечного магнитного облака / Л. Н. Яременко, О. И. Максименко, Т. А. Мозговая, В. И. Москалюк, Г. В. Мельник // Геофизический журнал. - 2005. - 27, № 2. - С. 290-298.

4. Яременко Л. Н. Магнитные бури 15-16 июля 2000 г. и 15 мая 1997 г. / Л. Н. Яременко, Г. В. Мельник // Геофизический журнал. - 2005. - 27, № 5. - С. 874-882.

5. Максименко О. И. Геомагнитные возмущения на станции Академик Вернадский во время магнитных облаков в 1997 г. / О.И. Максименко, Г. В. Мельник, Л. Н. Яременко, Т. А. Мозговая // Український Антарктичний Журнал. - 2005. - № 3. - С. 19-26.

6. Мельник Г. В. О долготных изменениях проводимости средней мантии по наблюдениям магнитных бурь / Г. В. Мельник, Л. Н. Яременко, О. Я. Шендеровская // Енергетика Землі, її геолого-екологічні прояви, науково-практичне використання : зб. наук. праць КНУ. - К. : Видавничо-поліграфічний центр «Київський університет», 2006. - С. 183-187.

7. Максименко О. И. Энергетика магнитных бурь / О. И. Максименко, Г. В. Мельник, Л. Н. Яременко // Енергетика Землі, її геолого-екологічні прояви, науково-практичне використання : зб. наук. праць КНУ - К. : Видавничо-поліграфічний центр «Київський університет», 2006. - С. 69-74.

8. Максименко О. И. Модели геомагнитного поля и характеристики магнитных бурь / О. И. Максименко, Л. Н. Яременко, О. Я. Шендеровская, Г. В. Мельник, Т.А. Мозговая // Космічна наука і технологія. - 2006. - Т. 12, № 1. - С. 64-69.

9. Яременко Л. Н. О течении магнитосферных и индуцированных токов во время магнитных бурь / Л. Н. Яременко, Г. В. Мельник, О. Я. Шендеровская // Космічна наука і технологія. - 2006. - Т. 12, № 1. - С. 70-75.

10. Максименко О. И. О долготных вариациях геомагнитного поля магнитосферных возмущений (результаты расчетов по модели Цыганенко Т01) / О. И. Максименко, Л. Н. Яременко, Г. В. Мельник, О. Я. Шендеровская, В. Г. Бахмутов // Геофизический журнал. - 2007. - 29, № 5. - С. 101-111.

11. Максименко О. И. О внешних источниках изменений магнитного поля на ст. Академик Вернадский во время магнитной бури 6-7 апреля 2000 г. / О. И. Максименко, В. Г. Бахмутов, Г. В. Мельник, О. Я. Шендеровская // Український Антарктичний Журнал. - 2007/2008. - № 6-7. - С. 59-65.

12. Мельник Г. В. Станция Академик Вернадский в сети украинских магнитных обсерваторий INTERMAGNET / Г. В. Мельник, В. Г. Бахмутов // Український Антарктичний Журнал. - 2007/2008. - № 6-7. - С. 66-73.

Тези доповідей і матеріали конференцій.

13. Мельник Г. В. Геомагнитная вариация Dst в полярных широтах / Г. В. Мельник, Л. Н. Яременко // Сборник тезисов, Третья Укр. конф. по перспективным космическим исследованиям, Кацивелли, Крым, 2003. - С. 115.

14. Melnik G. V. Changes of geomagnetic variation Dst in space / G. V. Melnik, L. N. Yaremenko // Book of Abstracts, 5th International Conference «Problems of Geocosmos». - St. Petersburg, 2004. - P. 126-127.

15. Melnik G. V. Variations of Dst in the American meridional sector / G. V. Melnik, L. N. Yaremenko // Abstracts, Antarctic peninsula : key region for environment change study, Second Ukrainian Antarctic Meeting, Kyiv, Ukraine, June 22 - 24, 2004. Kyiv, 2004. - P. 94.

16. Maksimenko O. I. Magnetosphere - ionosphere relations as observed at station Akademik Vernadsky / O. I. Maksimenko, G. V. Melnik, T. A. Mozgovaya, L. N. Yaremenko // Abstracts, Antarctic peninsula: key region for environment change study, Second Ukrainian Antarctic Meeting, Kyiv, Ukraine, June 22 - 24, 2004. - Kyiv, 2004. - P. 68.

17. Яременко Л. Н. Магнитные бури в экваториальном поясе и полярных областях Европы / Л. Н. Яременко, Г. В. Мельник // Сб. тезисов IV Укр. конф. по космическим исследованиям, (Крым, Понизовка, 19-26 сентяб. 2004 г.). - С. 101.

18. Мельник Г. В. Вариации Dst и токи в полярных широтах / Г. В. Мельник, Л. Н. Яременко // Сб. тезисов V Укр. конф. по космическим исследованиям, (Крым, Евпатория, 04-10 сентяб. 2005 г.). - С. 76.

19. Максименко О. И. Модели геомагнитного поля и характеристики магнитных бурь / О. И. Максименко, Л. Н. Яременко, О. Я. Шендеровская, Г. В. Мельник, Т. А. Мозговая // Сб. тезисов V Укр. конф. по космическим исследованиям, (Крым, Евпатория, 04-10 сентяб. 2005 г.). - С. 77.

20. Яременко Л. Н. О течении магнитосферных и индуцированных токов во время магнитных бурь. / Л. Н. Яременко, Г. В. Мельник, О. Я. Шендеровская // Сб. тезисов V Укр. конф. по космическим исследованиям, (Крым, Евпатория, 04-10 сентяб. 2005 г.). - С. 81.

21. Мельник Г. В. О магнитных бурях и проводимости мантии Земли / Г. В. Мельник, Л. Н. Яременко // Тезисы докладов. V Междунар. науч.-практ. конф. молодых ученых и специалистов «Геофизика-2005», (Санкт-Петербург (Петергоф), 12-15 сентяб. 2005 г.). - СПб., 2005. - С. 189-191.

22. Максименко О. І. Вивчення магнітосферних флуктуацій геомагнітного поля за допомогою моделі Циганенка / О. І. Максименко, Г. В. Мельник, О. Я. Шендеровська, В.Г. Бахмутов // Матеріали VIII Міжнар. наук. конф. «Моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища» (Київ, 20-23 верес. 2007 р.). - К., 2007. - С. 62-63.

23. Максименко О. И. Глобальное распределение поля магнитосферных возмущений и магнитные бури / О. И. Максименко, Л. Н. Яременко, Г. В. Мельник, О. Я. Шендеровская, В. Г. Бахмутов // VIІ Укр. конф. з космічних досліджень, (Євпаторія, 3-8 верес. 2007 р.) : зб. тез. - С. 92-93.

24. Maksimenko O. I. Spatial distribution of magnetic storm fields / O. I. Maksimenko, G. V. Melnik, O. Ja. Shenderovska // Proc. of the 7th Intern. Conf. «Problems of Geocosmos» St. Petersburg, Russia, 26-30 May 2008. - P. 158-163.

25. Мельник Г. В. Северо-южная асимметрия распределения вариаций магнитного поля бури 06.04.2000 г. на меридиане AIA / Г. В. Мельник, О. И. Максименко, О. Я. Шендеровская // ІІІ Міжнародний полярний рік 2007/2008: результати та перспективи : IV Міжнар. Антарктична конф., (Київ, 12-14 трав. 2009 р.) : зб. тез. - К., 2009. - С. 258.

АНОТАЦІЇ

Мельник Г. В. Просторово-часова структура поля магнітних бур (за даними обсерваторій INTERMAGNET та модельних розрахунків). - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 04.00.22 - геофізика. - Інститут геофізики ім. С. І. Субботіна НАН України, Київ, 2010.

Дисертаційну роботу присвячено вивченню просторово-часової структури поля магнітних бур. Завдяки використанню нових сучасних даних обсерваторій INTERMAGNET про варіації магнітного поля та модельних розрахунків (модель Циганенка T01) отримано уточнення довготної асиметрії поля магнітних бур. Відзначено локальні області тривалих додатних збурень у субавроральних широтах під час головної фази окремих магнітних бур. З використанням методу сферичного гармонічного аналізу визначено різницю внесків зовнішньої та внутрішньої частин поля магнітних бур у американському, євро-африканському, австрало-азійському довготних секторах для окремих магнітних бур 1997-2001 рр. За результатами модельних розрахунків одержані просторово-часові особливості розподілу полів окремих струмових джерел у магнітосфері та визначено їх внесок у повне поле магнітних збурень.

Ключові слова: варіації магнітного поля, магнітна буря, струмові системи, модель магнітосферного магнітного поля Циганенка T01.

Мельник Г. В. Пространственно-временная структура поля магнитных бурь (по данным обсерваторий INTERMAGNET и модельных расчетов). - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 04.00.22 - геофизика. - Институт геофизики им. С. И. Субботина НАН Украины, Киев, 2010.

Диссертационная работа посвящена изучению пространственно-временной структуры поля магнитных бурь. На основании анализа данных наземных наблюдений вариаций геомагнитного поля на обсерваториях ІNTERMAGNET и данных WIND о межпланетном магнитном поле (ММП) и параметрах солнечного ветра (СВ) во время магнитных бурь показано, что динамика поля каждой бури имеет свои характерные особенности и далеко не всегда отвечает классической схеме. Полученные в работе результаты дополняют и уточняют представление о пространственно-временной структуре поля магнитных бурь. Особенности протекания магнитных бурь определяются, прежде всего, изменениями ММП и параметров СВ. В течение взаимодействия магнитных облаков с магнитосферой Земли «сдерживаются» резкие колебания магнитного поля на всех широтах. Исключение эффекта суббурь по данным среднеминутных обсерваторских записей позволило уточнить долготную асимметрию поля кольцевого тока. Для некоторых магнитных бурь наибольшая интенсивность кольцевого тока, выраженная в амплитуде Dst-вариации, может иметь минимум не только в ночное время, как считалось ранее по среднечасовым данным, но и в вечернее. При интенсивных магнитных бурях в средних широтах вместо главной фазы бури наблюдаются суббури, которые нивелируют вариацию, создаваемую кольцевым током. Во время отдельных магнитных бурь на широтах Ц?60° наблюдаются сильные положительные возмущения продолжительностью несколько часов. Во времени эти возмущения совпадают с главной фазой магнитной бури и наблюдаются в послеполуденном секторе, что отвечает времени существования восточной авроральной электроструи, на которую замыкается частичный кольцевой ток. По результатам сферического гармонического анализа выявлены различия во вкладах индуцированных токов в поле магнитной бури для отдельных долготных секторов земного шара: он максимальный в австрало-азиатском секторе (42 %), в американском и евро-африканском - ближе к классическому случаю (30 %). По результатам модельных расчетов (использовалась модель Цыганенко Т01) выделены следующие особенности распределения магнитных полей основных токовых источников магнитной бури в магнитосфере: область отрицательного магнитного поля, обусловленная кольцевым током, протекающим на 3R_E<L<8R_E в экваториальной плоскости; азимутальная асимметрия распределения магнитного поля кольцевого тока в экваториальной плоскости с минимумом в вечернем секторе на 3.5ч3.8R_E, обусловленная частичным кольцевым током во время главной фазы магнитной бури; северо-южная асимметрия, связанная с наклоном оси диполя; изменение формы магнитосферы в зависимости от уровня магнитной возмущенности; изменение относительных вкладов магнитного поля кольцевого тока КС и поля поперечного тока в хвосте магнитосферы в полное поле магнитной бури в зависимости от интенсивности и фазы развития магнитной бури: вклад поля КС преобладает по сравнению с вкладом поля хвоста в главную фазу и уменьшается в фазе восстановления; установлено сравнительно постоянный (~70 %) вклад поля КС независимо от временного сектора в магнитоспокойных условиях.

В наземном распределении модельных магнитных полей выделены: максимум амплитуды поля кольцевого тока в вечернее время, как и по экспериментальным данным; преобладание вклада поля кольцевого тока в главную фазу магнитной бури до геомагнитных широт 55° в северном полушарии и -64° в южном; ухудшение соответствия между данными наблюдений и модельных расчетов на широтах Ц>55ч60° вследствие нечувствительности модели к быстрым изменениям поля, наблюдающимся в высоких широтах. Полученные результаты могут использоваться для исследования электрических токов, создающих вариации геомагнитного поля во время магнитных бурь, соотношения буря-суббуря, оценки вклада магнитосферных и ионосферных токовых систем в поле геомагнитных возмущений; тестирования и улучшения моделей магнитосферного магнитного поля возмущений; прогнозирования «космической погоды»; разработки комплексных моделей солнечно-земных связей.

Ключевые слова: вариации магнитного поля, магнитная буря, токовые системы, модель магнитосферного магнитного поля Цыганенкo T01.

Melnyk G. V. The space-time structure of the magnetic storm fields (according to INTERMAGNET observatories data and model calculations). -Manuscript.

Thesis for the Candidate degree in physics-mathematics sciences in specialty 04.00.22 - Geophysics. - S. I. Subbotin Institute of Geophysics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2010.

The thesis is dedicated to studying the space-time structure of the magnetic storm fields. By means of new INTERMAGNET observatories data on magnetic field variations and model calculations (Tsyganenko's T01 model), more accurate values of magnetic storm field longitudinal asymmetry were received. Local zones of long-term positive geomagnetic disturbances in sub-auroral latitudes during the main phases of separate magnetic storms were determined. With the spherical harmonic analysis the differences of contributions of external and internal parts of the magnetic storm field in the American, Euro-African, Australian-Asian longitudinal sectors for separate magnetic storms 1997-2001 were obtained. The results of model calculations allowed us to determine the space-time features of distribution of individual current source fields and their contributions to the total field of magnetic disturbances.

...