Тонкая структура спокойных солнечно-суточных геомагнитных вариаций и физические модели их источников

Разработана модель неизвестной ранее циркумполярной токовой системы, обусловливающей годовую вариацию уровня геомагнитного поля. Модель представляется в виде сферической токовой оболочки, расположенной на высоте 150 км от поверхности Земли. Токи текут по сфере толщиной 10 км с запада на восток, охватывая полюс. Распределение плотности тока зависит от широты: максимальная плотность имеет место в полярной области с постепенным уменьшением ее значений до нуля на экваторе. Для наглядности на рис. 7 показан один из вариантов модели. На данном рисунке приведено широтное распределение зональной плотности тока циркумполярной токовой системы для летнего солнцестояния Северного полушария за 1964 г. Из рис. 7. видно, что если плотность тока циркумполярной токовой системы в полярных областях составляет 18 Акм^-1, то на средних широтах плотность тока уменьшается до 8 Акм^-1 и стремится к нулевым значениям на экваторе.

Обоснование к выбору модели следующее. Ракетными исследованиями обнаружен токовый слой в полярной ионосфере на высотах 130-170 км (средняя высота - 150 км), протекание которого зависит от двух факторов: проводимости и электрического поля. В свою очередь, проводимость ионосферы в значительной степени определяется частотой соударений заряженных частиц электронов (v_e), ионов (v_i) с нейтральными частицами и соответствующими циклотронными частотами (_e - циклотронная частота электронов, _i - циклотронная частота ионов).

В зависимости от соотношения между частотой соударений заряженных частиц с нейтральными частицами и соответствующей циклотронной частотой ионосферу можно разделить на четыре области:

Рис. 7. Схема модели циркумполярной токовой системы с распределением зональной плотности тока для летнего солнцестояния Северного полушария за 1964 г.: r₁ и r₂ - радиус Земли и радиус токовой оболочки циркумполярной токовой системы соответственно (размеры не соблюдены), и - направление тока к читателю и от читателя соответственно.

1. В области ниже 80 км частоты соударений и очень велики, т.е. >> и >>. Нижняя ионосфера является областью коротких пробегов как для ионов, так и для электронов. В этом случае магнитное поле на характер проводимости не влияет. Ток Холла не формируется.

2. В диапазоне высот 80-120 км >>, но <<. Для ионов этот слой является областью коротких пробегов, а для электронов - областью длинных пробегов. Эту область называют динамо-слоем. Здесь возникают индуцированные токи при наличии ветра.

3. Выше 190 км частоты соударений малы << и <<. В этой области электроны и ионы дрейфуют в одном и том же направлении с одинаковой скоростью и тока не возникает.

4. На высотах 150-170 км выделяется особая промежуточная область, где <<, а ~. В этой области электроны полностью замагничены, а ионы нет, и при наличии ветра нейтральные частицы увлекают за собой ионы. Возбуждается электрическое поле поляризации. В скрещенных электрическом и магнитном полях электроны дрейфуют и возникает ток.

Наличие нейтрального ветра на высотах ионосферы подтверждено открытием сверхвращения верхней атмосферы, опережающее вращение Земли в среднем в 1.2-1.4 раза, то есть вдоль широт с запада на восток дует нейтральный ветер со скоростью ~100-200 м·с^-1. В этом случае, вследствие действия силы Кориолиса, должны возникнуть меридиональные ветры, направленные в Северном полушарии с севера на юг, а в Южном полушарии - с юга на север, дующие одинаково во все часы суток. Пусть - скорость меридионального ветра, - индукция магнитного поля. Поскольку на высотах ионосферы 150-160 км ~, то ионы будут увлекаться нейтральными частицами, тогда как электроны будут оставаться на месте (<<). В результате разделения зарядов образуется поляризационное поле , направленное на север в Северном полушарии и на юг в Южном полушарии, величина которого рассчитывается по формуле:

. (8)

Известно, что если электрическое поле приложено перпендикулярно к магнитному, то возникает дрейф заряженных частиц в направлении . В нашем случае дрейфовать будут только электроны в силу своей замагниченности. Скорость дрейфа определяется следующей формулой:

. (9)

В результате дрейфа возникает ток, направленный вдоль широт с запада на восток, плотность которого можно оценить по формуле:

, (10)

где - заряд электрона, - количество электронов в единице объема,

- скорость дрейфа.

Этот ток автор рассматривает как ток циркумполярной токовой системы. Оценим величину циркумполярного тока количественно. Пусть V, скорость меридионального ветра, достигает 55 м·с^-1, а , магнитная индукция, составляет 0,5 Э. Тогда поляризационное поле В. Расчет по формуле (10), если электрон·см^-3, а толщина токового слоя 10 км, дает величину плотности =17,6 А · км^-1.

Известно, что сила Кориолиса убывает от полюса к экватору, как синус широты (sinц, где ц - широта), то по этому же закону будет изменяться скорость меридионального ветра и зависящие от нее параметры: и . Так, если в приполюсной области =17.6 А · км^-1, то на средних широтах ( 40°) =11.3 А · км^-1, на низких широтах ( 10-20°) =3.05 А · км^-1, на экваторе =0, что практически совпадает с плотностью тока, вычисленного по экспериментальным данным.

Предложен возможный механизм образования циркумполярной токовой системы. На основании данных модели атмосферы (MSIS - 86), модели ионосферы (IRI -95), сведений о системах нейтральных ветров в верхней атмосфере произведены расчёты частот столкновений, проводимости, электрического поля. Показано, что ионосферные процессы, проявляющиеся в диапазоне высот 150160 км, аналогичны процессам, происходящим в опытных установках дискового магнитогидро-динамического генератора, что дает основание рассматривать циркумполярную токовую систему как ионосферный вариант дискового магнитогидродинамического генератора.

Таким образом, предложенная выше модель циркумполярной токовой системы полностью описывает особенности планетарного распределения годовой вариации уровня геомагнитного поля и рекомендуется к практическому использованию.

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что Sq-вариации геомагнитного поля слабо изменяются на средних широтах ото дня ко дню, но значительно (до 50 % величины) в экваториальной области даже в серии следующих один за другим спокойных дней. Сезонная изменчивость Sq-вариаций характеризуется монотонным уменьшением своей величины от максимальных значений летом до минимальных - зимой. Сезонная изменчивость экваториальных Sq-вариаций характеризуется четким проявлением полугодовой вариации (максимальные значения поля Sq приходятся на эпохи равноденствия, минимальные - на эпохи солнцестояний), причем величина полугодовой вариации в годы максимальной солнечной активности на 45% больше, чем в годы минимальной солнечной активности.

2. Разработаны новые способы выделения Sq-вариаций по данным двух обсерваторий, разделённых по времени на 1 час и 12 часов, а также модифицирована методика разделения вариаций на спокойную и возмущённую части с помощью фильтра скользящего среднего по 31 дню, использование которых показало, что Sq-вариация сохраняет свою структуру во время различного рода возмущений ото дня ко дню, в сезонах года, цикле солнечной активности. Разработан способ определения степени развития SD- вариаций в спокойные в магнитном отношении дни, который уточняет расчеты индексов геомагнитной активности. Данный способ признан изобретением (№1626909 от 08.10.1990).

3. Впервые в мировой практике изучено пространственно-временное распределение в планетарном масштабе годовой вариации уровня геомагнитного поля по данным 95 магнитных обсерваторий мировой сети, расположенных на различных долготах в диапазоне широт 82.5N 90S. Это позволило сделать вывод, что годовая вариация уровня геомагнитного поля сохраняет свою форму и интенсивность во все часы суток в одинаковой степени, плавно изменяясь в течение года приблизительно по параболической кривой от минимальных значений зимой до максимальных значений летом. Долготной зависимости не обнаружено. Особенности широтной зависимости следующие: в Северном полушарии амплитуды (разности лето-зима) годовой вариации для местного лета максимальны в высоких широтах, с плавным уменьшением до нулевых значений в направлении экватора. Для Южного полушария картина идентична с полугодовым запаздыванием. В периоды равноденствий распределение амплитуд (равноденствие - зима) симметрично относительно экватора, а именно: максимальные амплитуды годовой вариации отмечаются в полярных областях одновременно как в Южном, так и в Северном полушариях, с плавным уменьшением величин амплитуд до нулевых значений в направлении экватора.

4. Построена неизвестная ранее эквивалентная ионосферная циркумполярная токовая система по результатам сферического гармонического анализа данных о годовой вариации уровня геомагнитного поля за 1964 год (Международный год спокойного Солнца). Она носит глобальный характер, занимая все летнее полушарие в периоды летних солнцестояний и оба полушария одновременно в периоды равноденствий. Токовые линии этой системы направлены вдоль широт, с запада на восток, охватывая полюс. На этой основе разработана модель циркумполярной токовой системы, обусловливающей годовую вариацию уровня геомагнитного поля в виде сферической токовой оболочки, расположенной на высоте 150 км от земной поверхности, плотность тока которой изменяется от максимальных значений в полярной области до минимальных - в экваториальной области и зависит от сезона года. Параметры модели использованы при расчёте ожидаемого магнитного поля на поверхности Земли. Расчетные и экспериментальные величины ожидаемого магнитного поля совпадают удовлетворительно.

5. Предложен возможный механизм образования циркумполярной токовой системы. На основании данных модели атмосферы (MSIS - 86), модели ионосферы (IRI - 95), сведений о системах нейтральных ветров в верхней атмосфере произведены расчёты частот столкновений, проводимости, электрического поля, которые показали, что ионосферные процессы, проявляющиеся в диапазоне высот 150160 км, аналогичны процессам, происходящим в опытных установках дискового магнитогидродинамического генератора, что дает основание рассматривать циркумполярную токовую систему как ионосферный вариант дискового магнитогидродинамического генератора.

6. Определено (на основе ракетных данных), что ионосферные токи, протекающие в диапазоне высот 80-120 км, с максимальной плотностью токов на высоте 105 км, полностью аппроксимируют наблюдаемую на поверхности Земли вариацию Sq(H) (величины Sq(H) определялись как разность значений поля, наблюденных в момент запуска ракеты и в полночь). На высоких широтах, в диапазоне высот 130-190 км, обнаружен второй токовый слой, который мы ассоциируем с циркумполярной токовой системой. Ток второго слоя, в противоположность току первого слоя, направлен с запада на восток. С нашей точки зрения, это экспериментальное подтверждение существования предсказанной теоретически циркумполярной ионосферной токовой системы.

7. Модифицирована ранее предложенная автором модель экваториальной электроструи на основе математического и электрического моделирования, которая представлена в виде полосы тока с неравномерным распределением плотности тока от периода формирования (утренние часы) до полного распада (вечерние часы). С помощью модели удалось объяснить сложного вида экспериментальные кривые широтных профилей Sq-вариаций в области экваториальной электроструи в различные часы суток и показать, что среднеширотные Sq-токи образуют в экваториальной области струйный ток, если вдоль экватора протягивается полоса с более высокой, чем в окружающей области, проводимостью.

8. Дальнейшие исследования Sq-вариаций геомагнитного поля и их тонкой структуры возможны при постоянном накоплении экспериментального материала (наземные, ракетные и спутниковые наблюдения), совершенствовании вычислительной техники и развитии теории Sq-вариаций. Такой комплексный подход позволит углубить знания о Sq-вариациях как крупном разделе науки о переменном магнитном поле Земли.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Погребной, В.Н. Суточная амплитуда Sq-вариаций и её изменчивость ото дня ко дню и сезонах года Текст / В.Н. Погребной, Б.Т. Жумабаев // Физика ионосферы и распространение радиоволн: сб. науч. тр. - Алма-Ата: Наука, 1971. - С. 111-114.

2. Погребной, В.Н. Сезонный ход Sq(H)-вариаций на средних широтах в различные часы суток Текст / В.Н. Погребной // Геомагнетизм и аэрономия. - М.: Наука, 1972. -Т. 12, № 4. - С. 771-772.

3. Погребной, В.Н. Широтная зависимость сезонного хода Sq-вариаций по данным советских магнитных обсерваторий Текст / В.Н. Погребной // Ионосфера и солнечно-земные связи. Труды сектора ионосферы АН Каз. ССР: сб. науч. тр. - Алма-Ата: Наука, 1972. - Т. 3. - С. 107-110.

4. Погребной, В.Н. Альбом характерных геомагнитных бухт по данным обсерваторий Казахстана Текст / Б.Т. Жумабаев, В.Н. Погребной // Ионосфера и солнечно-земные связи. Труды сектора ионосферы АН Каз. ССР: сб. науч. тр. - Алма-Ата: Наука, 1972. - Т. 3. - С. 111-113.

5. Погребной, В.Н. Характерные особенности солнечно-суточной вариации по данным магнитных обсерваторий Казахстана Текст / М.П. Рудина, В.Н. Погребной, Б.Т. Жумабаев // Вестн. АН Каз. ССР. - 1973. - № 6. - С. 66-68.

6. Погребной, В.Н. Особенности сезонного хода Sq-вариаций в различные часы суток по данным магнитных обсерваторий Северного полушария Текст / В.Н.Погребной, Б.Т. Жумабаев, В.В. Казаков // Труды сектора ионосферы АН Каз. ССР. Т. 4. - М., 1973 - Деп. в ВИНИТИ 11.07.1973, № 6461-73.

7. Погребной, В.Н. Высотные профили электронной концентрации по ракетным данным и проводимость нижней ионосферы Текст / Г.И. Гордиенко, В.Н. Погребной // Труды сектора ионосферы АН Каз. ССР, Т. 4. М., 1973. С.119-128 - Деп. в ВИНИТИ 11.07.1973, № 6461-73.

8. Погребной, В.Н. Модель распределения электронной концентрации в ионосфере для высот 80 км Текст / Г.И. Гордиенко, В.Н. Погребной, М.П. Рудина. - М. 1974.- Деп. в ВИНИТИ, 29.01.1974. - № 176-74.

9. Погребной, В.Н. Разделение поля Sq(Н)-вариаций на LT и UT-компоненты Текст / В.Н. Погребной // Геомагнетизм и аэрономия. - М.: Наука, 1974. - Т. 14, № 2. - С. 377-378.

10. Погребной, В.Н. О возможности применения корреляционного анализа для решения проблемы происхождения экваториальной электроструи / В.Н. Погребной // Геомагнитные исследования: сб. науч. тр. - М.: Наука, 1975. - № 14. - С. 119-121.

11. Погребной, В.Н. Сезонный ход Sq-вариаций по данным мировой сети станций в год минимума солнечной активности Текст / В.Н.Погребной, В.В.Казаков, Т.В. Кузнецова // Геомагнетизм и аэрономия. - М.: Наука, 1976. - Т. 16, № 4. - С. 740-742.

12. Погребной, В.Н. О возможной причине резких смещений фокуса Sq-токовой системы Текст / В.Н. Погребной, В.В. Казаков // Геомагнетизм и аэрономия. - М.: Наука, 1976. - Т. 16, № 4. - С. 743-744.

13. Погребной, В.Н. Изменчивость Sq-вариаций и экваториальной электроструи Текст / В.Н. Погребной // Международный симпозиум по проекту геомагнитный меридиан 145⁰. - Ленинград, 1976. - С. 70.

14. Погребной, В.Н. Расчёт ожидаемого магнитного поля от полярной электроструи с учётом кривизны земной поверхности Текст / В.Н. Погребной, В.В. Казаков, Л.В. Помазная // Международный симпозиум по проекту геомагнитный меридиан 145⁰. - Ленинград, 1976. - С. 76.

15. Погребной, В.Н. Сезонный ход Sq-вариаций по данным мировой сети станций в год максимума солнечной активности Текст / В.Н. Погребной, В.В. Казаков, Б.Т. Жумабаев // Ионосфера и солнечно-земные связи: сб. науч. тр. - Алма-Ата: Наука, 1977. - С. 103 -108.

16. Погребной, В.Н. Сезонная модель суточной вариации геомагнитного поля Текст / В.В. Казаков, В.Н. Погребной, Л.В. Помазная // Геомагнетизм и аэрономия. - М.: Наука, 1979. Т.19. № 5. - С. 946-948.

17. Погребной, В.Н. Эффективная частота соударений электронов в среднеширотной ионосфере (сравнение расчётов с данными измерений) Текст / (Г.И. Гордиенко, В.Н. Погребной, М.П. Рудина и др.). - Москва, 1981. -19 с. (Препринт) ИЗМИРАН: № 44 (357).

18. Погребной, В.Н. Эффективный фильтр для разделения геомагнитных вариаций на спокойную и возмущенную части Текст / В.Н. Погребной // Известия АН Кирг. ССР. - Фрунзе: Илим, 1982. - № 4. - С. 36-38.

19. Погребной, В.Н. К вопросу зависимости спокойных солнечно-суточных вариаций геомагнитного поля от степени магнитной возмущенности Текст / В.Н. Погребной // Геофизическая характеристика и сейсмичность Киргизского Тянь-Шаня: сб. науч. тр. - Фрунзе: Илим, 1984. - С. 183-189.

20. Погребной, В.Н. Sq-вариации в международные спокойные дни Текст / Погребной В.Н. // Прогноз землетрясений: сб. науч. тр. - Душанбе: Дониш, 1986. - № 7. - С. 85-88.

21. Погребной, В.Н. Магнитосферная активность в международные спокойные в магнитном отношении дни Текст / В.Н. Погребной // Космос и мезосфера. Труды Всесоюзной конференции по взаимосвязи метеорологических явлений и процессов в околоземном и космическом пространстве. - М., 1987. - С. 135-136.

22. Погребной, В.Н. Тонкая структура регулярных геомагнитных вариаций на средних и низких широтах / В.Н. Погребной. - Фрунзе: Илим, 1988.- 150 с.

23. Погребной, В.Н. Алгоритм выделения квази- 27-дневных геомагнитных вариаций Текст / [В.Н.Погребной, К.М. Молдобеков, С.К. Молдобекова и др.] // Известия АН Кирг. ССР. - Фрунзе: Илим, 1989. - № 3. - С. 62-65.

24. Погребной, В.Н. Способ отбора спокойных в магнитном отношении дней Текст / В.Н. Погребной // Госкомизобретений СССР: Авторское свидетельство. № 1626909 от 08.10.1990 г.

25. Погребной, В.Н. Выделение Sq-вариаций во время геомагнитных возмущений суточного периода Текст / В.Н. Погребной, Е.П. Харин, Т.Н. Янкевич // Комплексные исследования по прогнозу землетрясений в Киргизии: сб. науч. тр. - Бишкек: Илим, 1991. - С. 119-122.

26. Погребной, В.Н. SD-вариации в международные спокойные дни Текст / В.Н.Погребной // Геомагнетизм и аэрономия. - М.: Наука, 1991. -Т. 31, № 4 - С. 729-731.

27. Погребной, В.Н. Выбор типа геомагнитных вариаций для корректного магнитовариационного зондирования в сейсмоопасных районах Текст / В.Н. Погребной // 1-й казахско-китайский симпозиум. - Алма-Ата, 1992. - С. 180.

28. Погребной, В.Н. Изучение параметров и механизма образования циркумполярной ионосферной токовой системы Текст / В.Н. Погребной // Конверсионный потенциал Киргизской республики и проекты МНТЦ: сб. науч. тр. - Бишкек, 1998.- Ч. 1. - С. 201-205.

29. Погребной, В.Н. Использование геомагнитных вариаций для оценки геодинамических процессов Северного Тянь-Шаня Текст / В.Н. Погребной // Второй Международный симпозиум геодинамика и геоэкологические проблемы высокогорных регионов. - Бишкек, 2002. - С. 202.

30. Погребной, В.Н. Пространственно-временные особенности годовой вариации уровня геомагнитного поля и его возможные источники Текст / В.Н. Погребной // Международная конференция 2-nd CHAMP Science Meeting.- Potsdam, 2003. - С. 11-12.

31. Погребной, В.Н. Электрическое поле в Е-слое над магнитным экватором Текст / В.Н. Погребной, Т.Р. Малосиев // Международная конференция 2-nd CHAMP Science Meeting. - Potsdam, 2003. - С. 23-24.

32. Погребной, В.Н. Широтные особенности годовой вариации по данным магнитных обсерваторий Северного полушария Текст / В.Н. Погребной, E.Л. Мозолева, С. Молдобекова // 5-я Международная конференция «Проблемы геокосмоса». - Санкт-Петербург, Россия, май 24-28, 2004. - С.139.

33. Погребной, В.Н. Особенности изменения Sq-вариаций в цикле солнечной активности Текст / В.Н. Погребной, Т.Р. Малосиев // Международная конференция 35-th COSPAR Scientific Assembly. - Париж, 18-25 июля, 2004. - С. 31-32.

34. Погребной, В.Н. Полугодовая Sq(Н) - вариация в цикле солнечной активности Текст / В.Н. Погребной, Т.Р. Малосиев // Международная конференция 35-th COSPAR Scientific Assembly. - Париж, 18-25 июля, 2004. - С.54-55.

35. Погребной, В.Н. Широтные особенности годовой вариации по данным магнитных обсерваторий Северного и Южного полушарий Текст / В.Н. Погребной, E.Л. Мозолева, С. Молдобекова // Труды 5-ой Международной конференции «Проблемы геокосмоса» - Санкт-Петербург, 2004. - С. 113-116.

36. Погребной, В.Н. Сезонная изменчивость годовой вариации уровня геомагнитного поля и циркумполярной токовой системы в период низкой солнечной активности Текст / В.Н. Погребной, В.П. Головков, Т.И. Зверева, С. Молдобекова // Геолого-геофизические исследования в Институте сейсмологии НАН КР: сб. тр. - Бишкек, 2006. - С. 106-116.

37. Погребной, В.Н. Особенности векового хода магнитных вариаций в среднеазиатском регионе и их возможные причины Текст / В.Н. Погребной, E.Л. Мозолева // Геодинамика внутриконтинентальных орогенов и геоэкологические проблемы. - Москва-Бишкек, 2009. - С. 133-136.

38. Погребной, В.Н. Особенности широтной зависимости годовой вариации уровня геомагнитного поля и циркумполярной токовой системы в сезонах 1964 г. Текст / В.Н. Погребной, В.П. Головков, Т.И. Зверева, Е.Л. Мозолева // Геомагнетизм и аэрономия.- М.: Наука, 2010. - Т. 50, № 4. - С. 561-566.

39. Погребной, В.Н. О выборе месторасположения магнитных обсерваторий для выделения SD-вариаций Текст / В.Н. Погребной // Наука и новые технологии. - Бишкек, 2011, № 4. - С. 7-10.

40. Погребной, В.Н. Модель циркумполярной токовой системы и возможный механизм её образования Текст / В.Н. Погребной // www.nakkr.kg Интернет-журнал ВАК КР, - Бишкек, 2011, № 2.

Размещено на Allbest.ru