Сезонные и долговременные характеристики солнечно-суточных геомагнитных SqY, SqZ вариаций над Антарктикой

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Солнечно-суточные геомагнитные вариации могут быть хорошим инструментом изучения токовых систем в магнитосфере-ионосфере [Takeda, 2002, 2013, Steninq et al., 2005, 2008, Tortra et al, 2010, Thu et al., 2011, Cnossen and Richmound, 2013], электродинамических параметров в верхней атмосфере (Lukyanova and Christiansen, 2006) и так же использоваться при анализе электромагнитных эффектов перед землетрясениями (Duma and Ruzin, 2003).

Эти направления исследований требуют всестороннего знания характеристик регулярных солнечно-суточных Sq вариаций в магнитно-спокойных условиях, особенностей их морфологических закономерностей и долговременных изменений в разных регионах земного шара. Исследователи применяют экспериментальные методы (сеть магнитометров [Steninq et al. 2005, 2008, Torta et al, 2010] на поверхности Земли и на борту спутника CHAMP [Pedatella, Forbes, and Richmond, 2011]) и теоретические расчеты для создания моделей эквивалентных токовых систем Sq. С помощью специальных методик сферического гармонического анализа [Takeda, 2002, Steninq, 2008, Yamazaki et al., 2011, Cnossen and Richmound, 2013] были изучены пространственные распределения характеристик Sq вариаций в разные фазы солнечного цикла, особенности морфологических закономерностей на отдельной обсерватории [Thu et al.,2011], а так же их долговременных изменений.

Эмпирическая модель спокойных солнечно-суточных геомагнитных вариаций, определяющая их величину в зависимости от солнечной активности СА, дня года DOY, местного времени LT, фазы луны была создана на основе данных измерений вдоль меридиана 2100Е c 1996 по 2007 гг [Yamazaki et al.,2011]. Описаны контроль солнечной активностью интенсивности глобальной токовой системы, но не положения фокуса эквивалентной токовой системы Sq вариаций. Показаны сезонные колебания и северо-южная асимметрия с дополнительными полугодовыми (кроме годовых) вариациями интенсивности токовой системы в южном полушарии. По данным наблюдений на сети из 54 магнитометров над материком Австралии были построены пространственные распределения векторов тока вариаций в южном полушарии для разных моментов UT. Выявлено наличие наклонов эквивалентной токовой системы Sq вблизи ее фокуса и появление дополнительного восточного токового вихря в утренние часы, который искажает стандартный суточный ход Sq поля на южных широтах от фокуса к полюсу в зимний сезон [Steninq et al., 2005]. В отдельных регионах северного полушария (низкоширотная обсерватория Phu Thuy) была обнаружена зимняя аномалия с исчезновением послеполуденного минимума в суточном ходе SqY [Thu et al.,2011]. В Антарктике наблюдаемое на обсерватории LIV околополуночное отрицательное возмущение связывают с высокоширотными источниками, продольными токами, а не со стандартной Sq динамо токовой системой [Torta et al., 2010]. Влияния на форму Sq вариаций вторичных токов от ближайших океанических течений и неоднородностей электрической проводимости, возникающих, в том числе, из-за граничных эффектов суши и океана, были обнаружены в расчетах [Kuvshinov, 2008, Yamazaki, et al., 2011, Steninq, 2008].

С помощью метода сферического гармонического анализа, модельных CMIT (Coupled Maqnetosphere-Ionosphere-Thermosphere) расчетов [Cnossen and Richmond, 2013] глобальных эквивалентных токовых систем Sq были выделены многие свойства Sq [Takeda, 2002, Kuvshinov, 2008]. Обнаруженный годовой вихрь с высокоширотным западным током в летнем полушарии и более слабым восточным током в зимнем южном полушарии объясняют сезонный эффект превалирования летних значений суточных амплитуд Sq вариаций над зимними в более, чем два раза [Yamazaki and Yumoto, 2012]. Смещение положения фокуса Sq токовой системы к утренним часам в летнем полушарии и к послеполуденным в зимнем [Takeda, 2002] наблюдается с фазовым сдвигом 1-2 месяца в результате наложения годовых и полугодовых вариаций Sq, атмосферных течений и влияния продольных токов [Yamazaki and Yumoto, 2012]. При расчетах глобальных эквивалентных токовых систем Sq [Takeda, 2002] для 02UT в течение одного солнечного цикла 1980-1990гг было выявлено только два северный летний тип Sq вариаций, наблюдаемый с апреля по сентябрь и зимний с октября по март. Подобная равноденственная асимметрия Sq так же проявлялась в форме суточных вариаций восточной компоненты магнитного поля в южной полусфере (обсерватория AIA) [Максименко, Шендеровская, 2015].

При изучении источников долговременных вариаций Sq, исследователи [Cnossen and Richmoun, 2013, Blas de Haro Barbas et al, 2013, Shinbori et al., 2014] пришли к выводам, что необходимо понимание физических механизмов трендов определяющих Sq параметров ионосферы, которые зависят от вековых вариаций главного магнитного поля, состава и концентрации парниковых газов, изменения электрической проводимости и ветров в зависимости от солнечной активности. В последние годы [Shinbori et al., 2014] были выделены слабая нелинейная связь Sq от солнечной активности в 53 % обсерваторий и появление небольшого отрицательного тренда на разных широтах. Интересны результаты за 100 лет [Takeda, 2013], где, используя сезонные различия UT - зависимости интенсивности двух SqY и SqZ компонент поля, был выявлен тренд Sq, сопровождаемый уменьшением скорости ветров с ростом солнечной активности, но который положительный не во всех регионах при сильном уменьшении главного магнитного поля.

С целью определения особенностей морфологических закономерностей солнечно-суточных геомагнитных Sq вариаций на береговой антарктической обсерватории AIA, расположенной в области отрицательного векового тренда главного магнитного поля Земли, был проведен анализ суточных, сезонных и долговременных изменений характеристик Sq вариаций вертикальной и восточной компонент магнитного поля. В работе приведены результаты изучения сезонных изменений величин долговременных трендов суточных амплитуд SqZ, SqY вариаций по данным измерений на AIA в период 1958-1991 гг.

В этом исследовании используются SqY и SqZ геомагнитные вариации на украинской антарктической обсерватории «Академик Вернадский» (65,25S, 64,75W; ~500 исправленной геомагнитной широты, CGL). Величины суточных амплитуд SqY вычисляются как разница интенсивностей восточной компоненты магнитного поля Y в экстремумах ее суточного хода, а SqZ - как отклонение суточного максимума Z от его минимума вблизи захода Солнца после предварительного вычитания средних полуночных (22-02LT) значений интенсивностей вертикальной компоненты магнитного поля. Суточные амплитуды SqY и SqZ вариаций пропорциональны току «дневного» суточного вихря. Для анализа были использованы данные пяти международных магнитно-спокойных дней в каждом месяце в период 1958-1991 гг.

Сезонные вариации и долговременные тренды были определены при использовании среднечасовых и среднемесячных значений суточных амплитуд SqY и SqZ. Вычисления величин трендов суточных амплитуд Sq были выполнены по методу остатков в линейной регрессионном анализе между Sq и индексом солнечной активности (SA) F10,7. Коэффициенты корреляции между Sq вариациями геомагнитного поля и индексами солнечной активности F10,7 были получены для двух элементов поля в течение трех солнечных циклов.

Особенности наблюдаемых солнечно-суточных геомагнитных Sq вариации обусловлены расположением точки наблюдений (AIA) полярнее фокуса южного вихря эквивалентной динамо-токовой системы Sq. На рис. 1а, б показаны кривые суточных изменения часовых значений отклонений вертикальной компоненты магнитного поля от ее полуночного уровня SqZ=Z-Z(0)LT для каждого месяца года за период 1958-1991 гг. Хорошо видны искажения классической формы суточного хода SqZ, характеризуемой главным дневным максимумом вблизи полудня. Обратим внимание на появления дополнительного утреннего максимума SqZ в (3ч4)LT, который имеет наибольшее значение в зимний сезон, и отрицательного возмущения SqZ около захода солнца (16ч17)LT с наибольшей интенсивностью в равноденствие. При постепенном удалении от зимы утренний максимум в SqZ вариациях тоже проявляется в отдельные (04) и (09) месяцы равноденствия, которые можно отнести к зимнему типу SqZ вариаций. Величина утреннего максимума относительно суточной амплитуды достигает 50% зимою при очень малых значениях SqZ , и меньше 23% осенью (04), 15% весною (09). По отношению к дневной амплитуде поля Sq динамо-системы, равной соответственно SqZ=9,1нТл в (04) и SqZ=14,4нТл в (09), процент утреннего максимума возмущения тоже увеличивается до 35% осенью (04) и 23% весною (09). Причем, осенью (04) суточный максимум и дневная амплитуда SqZ меньше по сравнению с весною (09), а утренний максимум более плоский и смещен к поздним часам. Утренний максимум так же ярко был выражен в SqY вариациях на AIA [Максименко, Шендеровская, 2015] и обусловлен усилением восточного тока вблизи 7-8LT, которое, следуя за терминатором, уменьшалось при удалении от июля в зимнем типе SqY вариаций, например, в (05) и отсутствовало в летнем типе (02) на рис. 1б.

В годовых вариациях суточной амплитуды SqZ различия лето-зима могут достигать 5-8 раз. Причем, дневной суточный максимум летом смещен к утру на 1-2 часа относительно его положения зимой. В то же время полугодовые вариации SqZ нельзя выделить четко из-за присутствия равноденственной асимметрии суточной амплитуды относительно (06) месяца. Асимметрия характеризуется усилением SqZ полей токовой системы Sq на 40% весною (09) т.е. 14,4нТл против 9,1нТл осенью (04), что вызвано сезонными изменениями интенсивности токовой системы SqZ при зимнем типе Sq вариаций вертикальной компоненты геомагнитного поля (в Таблице 1 значения со звездочкой). Однако, вклад сумеречных возмущений, обусловленных вероятно влияниями продольных токов, отличается в суточной амплитуде зимних и летних типов суточного хода Sq, что определяет осенне-весеннюю асимметрию в равноденствие (см. Таблицу 1). Равноденственная весенне-осенняя (В-О) асимметрия слабее выражена ДSqZ(В-О)\SqZ(В) = 0,16 в случае классической осени (месяцы 03-04) и весны (09-10), наибольшая асимметрия ДSqZ(04;09)\SqZ(09) = 0,32 отмечена для зимнего типа вариаций со средней суточной амплитудой SqZ =17,9нТл (09 и 04). Асимметрия почти отсутствует ДSqZ(03;10)\SqZ(10) = 0,04 для летнего типа (03 и 10) SqZ вариаций с суточной амплитудой SqZ =26,8нТл. Иными словами, в летнем (03 и 10) типе SqZ вариаций практически нет асимметрии (относительно 06 месяца), которая достигает 32% для зимнего (04 и 09) типа SqZ.

Рис. 1. Графики солнечно-суточных геомагнитных вариаций SqZ, отклонений от полуночных среднечасовых значений вертикальной компоненты магнитного поля для отдельных месяцев (цифры в скобках) четырех сезонов года на AIA за период 1958-1991гг. Сопоставление средних суточных ходов SqZ и SqY для мая и февраля представлено в нижнем ряду

Таблица 1. Равноденственная (осень-весна) асимметрия суточных амплитуд SqZ вариаций в течение 1958-1991 гг.

*- SqZ для эквивалентной токовой системы.

Кроме годовых, полугодовых изменений SqZ вариаций были вычислены долговременные изменения суточной амплитуды SqZ в течение трех солнечных циклов 1958-1991гг. При определении трендов SqZ применялся метод остатков регрессионного анализа, используемый в прежней работе [Максименко и др., 2013] для исключения влияния линейной зависимости суточной амплитуды SqZ вариации от индекса солнечной активности F10,7. Для примера на рис. 2 а, б приведены графики долговременных изменений усредненных для зимнего (07) и летнего (01) месяцев суточных амплитуд геомагнитных вариаций вертикальной SqZ (а) и восточной SqY (б) компонент поля. Там же показаны подобные кривые для остатков resSqZ, resSqY суточных амплитуд, полученных после вычитания их зависимости от индекса F10,7 в периоды солнцестояния в течение 33 лет в интервале 1958-1991 гг.

Рис. 2. Долговременные изменения суточной амплитуды SqZ (а), SqY (б) вариаций и остатков амплитуд resSqZ, resSqY после исключения линейной зависимости Sq от индекса SA в летнее (01) и зимнее (07) солнцестояние на AIA в течение трех солнечных циклов

На каждой кривой Sq указаны линии трендов на фоне квазициклических колебаний суточной амплитуды Sq в течение 1958-1991гг. Величины линейного тренда суточных амплитуд для каждого месяца будут использованы позже при анализе изменений величины тренда SqZ на протяжении года. Положительный тренд суточной амплитуды Sq был обнаружен в летнее солнцестояние с величиной тренда летом а(01) SqY =0,17нТл\год, большей в ~2 раза, чем зимой а(06) SqY = 0,09 нТл\год. После минимизации влияния солнечной активности на амплитуду Sq вариации (вычитания их линейной зависимости от индекса F10,7) величина тренда уменьшается, но знак тренда изменяется только в отдельные месяцы.

На рис. 3 представлены графические зависимости величины (a) долговременного тренда среднемесячных суточных амплитуд Sq вариаций от номера месяца: для вертикальной компоненты (слева) и для восточной компоненты (справа). Здесь показаны сезонные изменения величины тренда (a) суточных амплитуд SqZ и их остатков resSqZ в пределах 0,25 нТл\год на протяжении года. Минимальные величины тренда для обеих амплитуд SqY, SqZ отмечались зимой, а различия тренда амплитуд для зимнего и летнего типов Sq вариаций - в равноденственные месяцы. Величина тренда суточных амплитуд Sq меняет знак только в отдельные месяцы, например, для SqY в октябре (рис. 3). Средняя картина годовых изменений величины (в нТл\год) положительного тренда амплитуд Sq после минимизации влияния SA была получена с помощью полинома второй степени (монотонные кривые на графиках рис. 3). При этом значительное увеличение величины тренда (a) суточных амплитуд в первую половину года характеризует весенне-осеннюю асимметрию (a) относительно зимних (07;08) месяцев, который имеет большие значения для восточной компоненты поля (рис. 3, справа).

Рис. 3. Годовые изменения величины (а) линейного тренда среднемесячных суточных амплитуд SqZ (слева), SqY (справа) геомагнитных вариаций и величин трендов остатков суточных амплитуд resSqZ и resSqY после вычитания их линейной зависимости от F10,7 (индекса солнечного радиоизлучения на длине волны 10,7см) за период 1958-1991 гг. Монотонная линия на кривых - полиномиальный тренд второй степени

солнечный суточный геомагнитный ионосфера

Таким образом, средние изменения величины линейных трендов суточных амплитуд Sq в течение года (линия тренда величины (a), выраженная полиномом второй степени) характеризуются осенне-весенней асимметрией (a) с ее увеличением в первую половину года и от зимы к лету в ~ 2,3 раза. После минимизации влияния SA (в приближении линейной связи с F10,7) форма годовых изменений величин месячных трендов при больших величинах (a) для восточной компоненты SqY в принципе не изменилась при усилении асимметрии.

Ниже в Таблице 2 приведем результаты вычисления величин долговременных трендов суточных амплитуд Sqy и SqZ вариаций, усредненных за 12 месяцев, в интервале 1958-1991гг. Там же показаны величины трендов в нТл/год и %, полученные после минимизации влияния солнечной активности. Величины скорректированных трендов были получены для двух моделей зависимости суточных амплитуд Sq от индекса солнечной активности F10,7: линейной регрессионной модели связи Sq = a·(F10,7+b) и степенной модели Sq = a·(F10,7)n. После исключения влияния SA в приближении линейной модели определено уменьшение величины тренда в нТл\год суточных амплитуд SqY и SqZ соответственно в 2,2 и 1,7 раз. Величина тренда в % для амплитуд вертикальной SqZ вариации была больше в 1,модели. В итоге, положительный тренд среднегодовых суточных амплитуд Sq вариаций за 33 года составил 11% и 17-20%, больше для вертикальной компоненты Sq с разбросом (60-70)% на

Таблица 2 . Величины долговременного тренда (a) суточных амплитуд SqY, SqZ вариаций на AIA, усредненных за год в течение 1958-1991гг: для исходных данных и после минимизации влияния SA путем вычитания зависимости Sq (F10,7) в приближении двух регрессионных моделей связи (линейной Sq = a·(F10,7+b) и степенной Sq = a·(F10,7)n)

AIA. Выяснение причин значительного разброса годовых изменений наклона тренда (а) суточных амплитуд Sq представляет довольно сложную задачу.

Форма суточных вариаций Sq. Регулярные солнечно-суточные Sq вариации компонент геомагнитного поля можно представить суммой четырех синусоидальных гармоник с периодами 24ч, 12ч, 8ч и 6ч в соотношении 40%, 30%, 15% ,5% [Yamazaki et al, 2011]. Первые две суточная и полусуточная гармоники - это мигрирующие вариации, связанные с солнечными тепловыми приливами, генерирующими динамо - токовые вихри в ионосфере, а 8 час и 6 час гармоники относятся к немигрирующим, локальным возмущениям магнитного поля, имеющим внешние источники разной природы. Изменения в амплитуде и фазе Sq вариации зависят от сезона и солнечной активности и связаны с перемещением положення фокуса токовой системы Sq. Полусуточные приливы достигая 20% могут влиять на интенсивность и форму Sq токовой системы. Кроме этого отмечаются кратковременные возмущения (< 2час), которые вызваны атмосферными гравитационными волнами. Расчеты глобальной системы эквивалентных токов Sq вариаций требуют знания момента смены направления восточного тока на западный и, наоборот, в суточном токовом ионосферном вихре на высотах 110км. Трудности определения этого параметра по форме Sq вариаций на одной обсерватории приводят к использованию сведений о токах и смене направления ветров на этих высотах, полученных косвенными, радиофизическими методами. На средних широтах SqY вариации восточной компоненты поля менее чувствительны к пространственным изменениям положения фокуса эквивалентной системы Sq динамо-токов и к изменениям геомагнитной активности [см. Tortra et al, 2010]. Интенсивность SqY пропорциональна максимальной сумме токов северо-южного направления утром и противоположных токов после полудня [Yamazaki et al, 2011]. Вертикальная Z компонента контролируется силой тока Sq вихря над головой в месте наблюдений и является наиболее устойчивой среди трех компонент поля к геомагнитным возмущениям среды. В то же время Z сильно подвержена воздействию вторичных токов, наведенных в результате океанических приливов, берегового эффекта и, неоднородностей проводящей Земли, и зависит от местоположения обсерваторий, например, [Kuvshinov, 2008, Steninq et al., 2007, Torta et al, 2010, Takeda, 2013].

Мы рассмотрели сезонные особенности формы SqZ вариаций в спокойные дни, полученные для каждого месяца после усреднения за 33 года на AIA (рис. 1). Наблюдался дополнительный утренний максимум интенсивности SqZ в зимнем (04-09) типе суточных вариаций SqZ, достигающий до 50% от суточной амплитуды SqZ зимой в 3-4LT в июле, и показывающий сезонные уменьшения от (23%) в апреле до (15%) в сентябре, т.е. от осени до весны. Вместе с тем, напротив, суточный максимум и дневная амплитуда SqZ осенью (04) были меньше по сравнению с весною (09), а утренний максимум более плоский и смещен к поздним часам. Утренний максимум SqZ, как и отмечаемые отрицательные возмущения вблизи сумерек в 16-17LT, не были связаны с интенсивностью токовой системы Sq. При этом отметим неполное фазовое соответствие утренних особенностей в формах SqZ и SqY вариаций, к примеру, показанных для (05) месяца на рис. 1 и в [Максименко, Шендеровская, 2015], которое требует специального изучения в будущем. По аналогии с результатами [Steninq et al., 2005] дополнительный утренний максимум SqZ, вероятно, может быть вызван утренним восточным токовым вихрем, который впервые был обнаружен над южной Австралией на широтах полярнее фокуса токовой системы Sq. Это проявление так называемой «M» формы Sq вариаций горизонтальной компоненты магнитного поля, которая обусловлена утренним усилением восточного тока с ростом широты и не связана с токовой системой Sq [Steninq, 2008]. Другие искажающие суточный ход SqZ и SqY немигрирующие флуктуации, вызванные береговым эффектом, по-разному проявлялись на западном и восточном материковом контуре Австралии в широтном диапазоне ~(20-30)S, показаны в [Steninq, Reztsova, 2007]. Предварительный детальный анализ особенностей формы суточного хода Sq важен в процессе выбора количественных характеристик Sq, которые используются при изучении источников долговременных изменений SqY, SqZ и их сезонных различий [Steninq, 2008, Torta et al., 2010, Takeda, 2013].

Сезонные и годовые изменения характеристик Sq вариаций. Известно, что суточные солнечные тепловые течения генерируют в присутствии магнитного поля Земли два вихря токов противоположных направлений, против и по часовой стрелке соответственно в освещенной ионосфере северного и южного полушарий. Проведенный анализ годовых изменений среднемесячных суточных амплитуд SqZ < (0,3-0,5) SqY вариаций, вертикальной и горизонтальной компонент поля, усредненных за три солнечных цикла, выделил соответствующие минимумы (4нТл и 12нТл) зимой (06-07), летние (11-02) максимумы (31нТл и 60нТл) амплитуд и намечающееся плато амплитуд в октябре-ноябре для восточной компоненты. При этом годовые амплитуды Sq различались в 1,8 раза для вертикальной и восточной компонент поля, равняясь 27нТл и 48нТл на AIA в интервале 1958-1991гг. Согласно расчетам [Yamazaki, Yumoto, 2012] годовой одиночный вихрь в декабрьском солнцестоянии, с усиленным западным током в южном летнем полушарии, при слабом восточном токе в северном зимнем полушарии объясняют большую интенсивность Sq токов в летнем полушарии по сравнению с зимним.

Особенности годовых изменений суточных амплитуд SqZ вариаций можно рассмотреть на схеме распределения среднемесячных суточных амплитуд, представленных в изолиниях равных амплитуд в течение трех циклов солнечной активности 1958-1991гг на рис. 4. Обнаруженная равноденственная асимметрия (относительно июня) среднемесячных значений суточных амплитуд SqZ (Таблица 1 и рис. 4) вызвана существованием практически двух (летнего и зимного) типов Sq вариаций, наблюдаемых соответственно с 10 по 03 и с 04 по 09 месяцы года на AIA.

При этом весенне-осенняя разница амплитуд Sq полей системы динамо токов достигала максимум (32- 40)% только в зимнем (04 и 09) типе SqZ вариаций с превышением весенних (09) амплитуд Sq над их осенними значениями (04). Эта асимметрия не находит объяснения в рамках существующих механизмов формирования полугодовых максимумов геомагнитных возмущений [см. Yamazaki, Yumoto, 2012]. Так, полугодовые изменения южной компоненты магнитного поля солнечного ветра Bz IMF показывают максимумы вблизи 5 апреля, а геомагнитной активности, измеренной индексом аа, имеют максимумы от 21 марта до 5 апреля. С другой стороны, согласно расчетов [Yamazaki et al., 2011, Yamazaki, Yumoto, 2012] сезонные изменения глобальной эквивалентной токовой системы являются результатом наложения стационарной, полугодовой и годовой компонент Sq вариаций. Из них первые два компонента сопровождаются дневными вихрями тока в каждом полушарии, а годовые вариации имеют одиночный вихрь, центрированный в экваториальном районе в утреннее время. В результате получено, что полугодовая компонента достигает максимума на 10 дней раньше 21 марта, момента равноденствия, а годовая - через 7 дней от точки солнцестояния 21 июня. Авторы приходят к выводу, что вследствие таких временных смещений остаточные явления равноденственных максимумов геомагнитной активности весьма слабые и не могут проявиться в сезонных изменениях среднемесячных амплитуд Sq. В то же время асимметрия весна-осень для дневных Sq в северном полушарии часто связывалась с полугодовыми вариациями ветровых систем, смещенных на 1-2 месяца от точки равноденствия [Thu et al., 2011, Steninq, 2008, Takeda, 2002]. Система нейтральных ветров вместе с межполушарными продольными токами и вековыми вариациями магнитного поля определяют как северо-южную асимметрию, так и полугодовые вариации положення фокуса Sq систем [Takeda,2002, Thu et al., 2011]. Однако, в долговременных изменениях Sq кроме важной роли нейтральних ветров, большое значение имеет влияние ионосферной проводимости, контролируемой уровнем солнечной активности, и геомагнитного поля в зависимости от уровня магнитного момента Земли [Cnossen, Richmond, Wiltberqer, 2012].

Рис. 4. Схема межгодовых распределений сезонных изменений суточных амплитуд SqZ вариаций в изолиниях равных значений амплитуд (цифры в нТл) на AIA в течение 1958-1991 гг. Ось ординат - месяцы

Долговременные изменения Sq. Долговременные изменения суточных амплитуд Sq сохраняют квази-колебательный характер с периодом солнечного цикла во все месяцы года, следуя за изменениями индекса SA. Однако, сезонные колебания величин (а) линейных трендов среднемесячных суточных амплитуд вертикальной SqZ и восточной SqY вариаций, различающихся в 2-5 раза в течение 33 лет, не полностью совпадают (рис. 2, 3,4). При этом величина положительного тренда `а' суточных амплитуд Sq изменялась в пределах 0,25 нТл\год. Летом тренд сильнее, чем зимою. Кроме того наблюдались различия `a' для зимнего (04;09) и летнего (03;10) типов Sq вариаций в равноденственные периоды. Минимальные величины трендов отмечались зимой, а отрицательные тренды в октябре для SqY вариаций. В средней картине годовых изменений (a), полученной с помощью полинома второго порядка (монотонные линии на кривых Sq, рис.3), удалось выделить весенне-осеннюю асимметрию (а) с увеличением величины тренда в первую половину года, причем, значительно большей для восточной SqY компоненты после исключения влияния солнечной активности.

Сезонные колебания величин 33-х летнего тренда среднемесячных суточных амплитуд Sq вариаций, очевидно, привели к 60-70% разбросу значений величин тренда среднегодовых амплитуд. Полученные после минимизации влияния солнечной активности величины положительных трендов составляли 11% для восточной и больше, 17-20% для вертикальной компоненты поля, уменьшившись соответственно в 2,2 и 1,7 раз на AIA в интервале 1958-1991гг. Отмеченное различие величины трендов для восточной и вертикальной компонент магнитного поля сопровождалось более сильной корреляцией между изменениями амплитуд SqY и индексов F10.7 и сезонными колебаниями показателей связи Sq с SA для обеих компонент поля. Разный сезонный вклад долготных вариаций термосферных приливов на SqY и SqZ был получен из анализа данных наблюдений магнитного поля на спутнике CHAMP с учетом силы и ориентации магнитного поля Земли и немигрирующих приливов в нижней термосфере в условиях спрокойного Солнца [Pedatella, Forbes, Richmond (2011)]. При уменьшении интенсивности геомагнитного поля увеличивается электрическая проводимость в ионосфере, что естественно объясняет положительный тренд амплитуд Sq на AIA до конца прошлого столетии [Максименко и др., 2013]. С другой стороны ионосферная проводимость увеличивается с ростом SA, которая в 23 солнечном цикле снизилась на 20%, что и приводит (не показано) к появлению отрицательного тренда суточных амплитуд Sq за последние 54 года 1958-2013гг на AIA.

С другой стороны сравнения результатов экспериментальных и модельных исследований долговременных трендов с применением электродинамической модели общей циркуляции Thermosphere-Ionosphere- General Circulation Model (TIE-GCM) и Coupled Magnetosphere-Ionosphere-Thermosphere (CMIT) модели [Cnossen, Richmond, Wiltberqer, 2012, Cnossen and Richmond, 2013, Shinbori et al, 2014] в большинстве обсерваторий показали превышение наблюдаемых величин тренда Sq над расчетными. При этом доминирующая роль в увеличении величины тренда Sq вариаций была отведена изменениям интенсивности магнитного поля через ионосферную проводимость в зависимости от широты [Shinbori et al, 2014]. Теоретические исследования отклика системы взаимодействующих геосфер (магнитосфера--ионосфера - термосфера) на вековое уменьшение магнитного дипольного момента Земли (8-6) 1022Аm2 с использованием расчетов по модели (CMIT) [Cnossen, Richmond, Wiltberqer, 2012] выявили ступенчатость связи проводимости и суточных амплитуд Sq вариаций трех компонент поля с F10,7, определяемую уровнем магнитного момента Земли. Это объясняет разнообразие величин наблюдаемых долговременных трендов Sq в разных регионах, подтверждая сложность проблемы определения истинных долговременных трендов Sq.

В [Yamazaki and Kosch, 2014] нашли, что показатель связи Sq с F10.7 чуть больше, чем (F10,7)0,5 вдоль меридиана 210о, а в почти сопряженных точках Kakioka (36,2N) и Gnanqara (31,8S) для выбранных полугодовых и годовых гармоник Sq получена линейная связь с числом солнечных пятен [Yamazaki, Yumoto, 2012]. В то же время минимизация влияния SA путем вычитания зависимости второго порядка Sq от F10,7 привела к выявлению отрицательного тренда Sq в отдельных регионах для 53% обсерваторий, расположенных, к примеру, в восточной Канаде, Европе, Индии, где отмечались большие вековые вариации магнитного поля [Shinbori et al., 2014]. Разнообразие характера связи Sq с солнечной активностью, F10,7, в том числе, полученные в работе величины трендов амплитуд Sq для линейной и степенной регрессионных моделей связи Sq с F10,7 (Таблица 2), оставляет открытым вопрос оптимизации методов исключения влияния солнечной активности на Sq, которые используются при определении истинных трендов амплитуд Sq в разных временных интервалах и регионах мира.

Наряду с контролем солнечной активности необходимо исследовать вклад региональных источников в величину трендов Sq: вековых вариаций геомагнитного поля в первую очередь, затем неоднородностей ионосферной проводимости, электронной концентрации и внешних немигрирующих возмущений, связанных с динамикой в верхней стратосфере и нижней термосфере [Cnossen and Richmond, 2013, Takeda, 2013]. Последние легче проявляются в зимний сезон, когда в большинстве случаев [Torta et al., 2010, Thu et al., 2011, Steninq, 2008] регистрируются слабые и отрицательные сигналы Z амплитуд солнечно-суточных вариаций Sq, а возмущения приводят к сильным искажениям стандартного суточного хода SqZ.

В этой связи изучение источников региональных годовых, сезонных изменений величины трендов Sq представляет самостоятельную задачу и требует длительных рядов данных наблюдений с учетом параметров солнечного ветра и Ву компоненты ММП в разные фазы солнечной активности для ежедневных, а не только усредненных суточных Sq вариаций всех компонент магнитного поля, в том числе, на близлежащих AIA береговых обсерваториях.

По данным мониторинга вариаций геомагнитного поля за период 1958-1991 гг. выявлены некоторые закономерности солнечно-суточных Sq вариаций на антарктической обсерватории AIA, которые очевидно отражаются в изменениях параметров ионосферы.

Сезонные и долговременные особенности SqZ вариаций были получены из анализа формы суточного хода SqZ вертикальной компоненты поля. Дополнительный утренне-ночной максимум SqZ, обнаруженный в 3-4LT в зимнем (04-09) типе SqZ вариаций, составил ~ 50% от суточной амплитуды SqZ зимою в июне, 15% весною (09), что меньше, чем 23 % осенью (04). Этот максимум, вероятно, обусловлен утренним восточным вихрем тока, что впервые был зарегистрирован над южной Австралией. Вместе с отрицательным возмущением Sq в сумерки 16-17LT, наблюдаемым так же на близлежащей обсерватории LIV, утренний максимум SqZ не cвязаны ни с солнечной Sq, ни с полярной Sqp токовыми системами.

Выделенная осенне-весенняя асимметрия (относительно 06 месяца) суточных амплитуд Sq вариаций вертикальной компоненты поля отражает отсутствие равноденственного типа суточного хода SqZ и характеризуется весенним (32-40)% превышением амплитуд поля Sq системы токов, заметным только для зимнего (04; 09) типа SqZ вариаций на AIA.

Определены неодинаковые годовые изменения величин долговременных трендов среднемесячных суточных амплитуд SqZ и SqY вариаций менее 0,25 нТл\год. Отмечены весенне-осенняя асимметрия величины тренда при усилении тренда в первую половину года, летом и спад зимою, различие величины тренда в летнем (03;10) и зимнем (04;09) типах SqZ вариаций для равноденственных месяцев. Вычислены величины положительных долговременных трендов среднегодовых суточных амплитуд Sq вариаций, составляющие 11% для восточной SqY и больше, 17-20% для вертикальной SqZ компонент магнитного поля на AIA в интервале 1958-1991гг. Различные уменьшения величины тренда годовых значений амплитуд SqY вариаций в 2,2 раза и в 1,7 раз для SqZ были обнаружены после минимизации влияния солнечной активности (SA) в приближении линейной регрессионной зависимости Sq от индекса F10,7. Разброс величины тренда среднегодовых амплитуд Sq вариаций до 70% обусловлен, в основном, сезонными вариациями определяющих амплитуду Sq параметров (электрической проводимости, интенсивности магнитного поля, концентрации парниковых газов, термосферных ветров, температуры и т.д.) и методом вычисления тренда.

Литература

1. Максименко О.И., Бахмутов В.Г., Kilifarska N., Шендеровская О.Я. Трендовые изменения геомагнитного поля на обсерватории “Аргентинские острова“ - эффект в Sq-вариациях // Украинский Антарктический журнал. УАЖ, - 2013- № 12, 62-68

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

3. Максименко О.И., Шендеровская О.Я. Особенности формы солнечно-суточных геомагнитных SqY вариаций над Антарктикой // Междисциплинарные исследования в науке образовании.-2015.-№3H.

4. Blas de Haro Barbas B.F., A.Q. Elias, I. Cnossen, and M. Zossi de Artiqas (2013), Lonq-term chanqes in solar quiet (Sq) qeomaqnetic variations related to Earth's maqnetic field secular variation,//J. Geophys. Res. Space Physics ,118,3712-3718, doi:10.1002/jgra.50352

5. Cnossen I., A.D. Richmond, and M. Wiltberqer (2012), The dependence of the coupled magnetosphere-ionospherethermosphere system on the Earth's magnetic dipole moment,J. Geophys. Res., 117, A05302.

6. Cnossen I., and A. D. Richmond (2013), Chanqes in the Earth's magnetic field over the past century: Effects on the ionosphere-thermosphere system and solar quiet (Sq) magnetic variation, J. Geophys. Res. Space Physics, 118, 849-858.

7. Duma Q. и Y. Ruzhin Diurnal chanqes of earthquake activity and geomaqnetic Sq-variations //Natural Hazards and Earth System Sciences-2003. 3: 171-177c.

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

9. Lukianova R. and Christiansen F. Modelinq of the global distribution of ionospheric electric fields based on realistic maps of field-aligned currents.// J Geopys.Res. -2006. V.111, A3.

10. Pedatella N.M., J.M. Forbes, and A.D. Richmond (2011), Seasonal and longitudinal variations of the solar quiet (Sq)current system during solar minimum determined by CHAMP satellite magnetic field observations,J. Geophys. Res., 116, A04317.

11. Shinbori et al. Lonq-term variation in the upper atmosphere as seen in the qeomagnetic solar quiet daily variation.

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

13. Steninq R., T. Reztsova, D. Ivers, J. Turner, and D. Winch. Morninq quiet-time ionospheric current reverсаl at mid to hiqh latitudes.// Annales Geophysicae.-2005. 23: 385- 391

14. Steninq R. J. and T. Reztsova The daily variations of the vertical (Z) element of the Geomaqnetic field around the coast of mainland Australia //Earth Planets Space, 59, 579-584, 2007

15. Takeda M., Features of qlobal geomaqnetic Sq field from 1980 to 1990.

16. Takeda M., Difference in seasonal and lonq-term variations in geomaqnetic Sq ?elds between geomagnetic Y and Z components // J. Geophys. Res.: Space Physics. - 2013. - V. 118. - No 5. P. 522-2526,

17. Thu H. Pham Thi, C. Amory-Mazaudier , M. Le Huy.Sq field characteristics at Phu Thuy, Vietnam, durinq solar cycle 23:comparisons with Sq field in other lonqitude sectors.

18. Torta J., Саntiaqo Marсаl, Juan J. Curto, et al. Behaviour of the quiet-day geomaqnetic variation at Livinqston Island and variability of the Sq focus position in the South American-Antarctic Peninsula reqion // Earth Planets Space, - 2010, V. 62, - P. 297-307.

19. 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.

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

21. Yamazaki Y.,·M.J. Kosch .Geomagnetic lunar and solar daily variations durinq the last 100 years .//Journal of Geophysical Research: Space Physics 08/2014; 119(8).

Размещено на Allbest.ru