|
Региональные геомагнитные УНЧ индексы для сопряженных областей в
Антарктиде и Гренландии
Козырева О.В.1, Пилипенко В.А.2
1Институт физики Земли РАН, Москва 2 Геофизический Центр РАН, Москва
Взаимодействие между солнечным ветром с вмороженным межпланетным магнитным полем (ММП) и магнитосферой Земли
часто рассматривается с использованием неявного предположения о ламинарном течении плазмы.
Однако в динамике магнитосферной плазмы фундаментальную роль играет магнитогидродинамическая (МГД)
турбулентность. Турбулентный характер солнечного ветра и наличие магнитосферных МГД волноводов и резонаторов
в ультранизкочастотном (УНЧ) диапазоне (~2-10 мГц) обеспечивают квазипериодический отклик на внешнее воздействие.
Следовательно, большую часть турбулентного характера взаимодействия солнечного ветра, магнитосферы и ионосферы
можно отслеживать с помощью наблюдений в УНЧ диапазоне. Но прогресс в понимании роли турбулентных процессов
в космической физике сдерживался отсутствием удобных инструментов для их характеристики.
Козырева и др. [2007] предложили новый геомагнитный индекс, названный «УНЧ волновым индексом»,
характеризующий среднемасштабную изменчивость электромагнитных процессов в околоземном пространстве.
С помощью этого индекса выявлено много новых особенностей динамики магнитосферы [Pilipenko et al., 2017].
Однако существующий индекс был получен только по станциям в северном полушарии.
Если мощность УНЧ волн в сопряженных полушариях будет асимметрична, то индекс, полученный только по
данным одного полушария, может ввести в заблуждение. Поэтому важно исследовать, насколько велика
асимметрия мощности УНЧ волн между полушариями. Для исследования этой проблемы нами была составлена
база данных УНЧ индексов для Северного и Южного полушарий по сопряженным магнитным станциям в Гренландии и Антарктиде.
Построение регионального волнового УНЧ индекса
Отобраны сопряженные станции из сети магнитометров в Антарктиде и Гренландии. Автономные
много-инструментальные платформы развернуты Технологическим Университетом Вирджинии в Антарктиде
в точках, которые магнитно сопряжены с магнитометрами западного побережья Гренландии вдоль
магнитного меридиана 40° (LT=UT-2.3). Все платформы включают трех-компонентный феррозондовый
магнитометр с тактовой частотой 1 с. На карте на рис. 1 показано расположение антарктических
станций (красным цветом) и геомагнитно-сопряженных точек их аналогов в Гренландии (синим цветом).
Географические и геомагнитные координаты станций Антарктиды, а также координаты геомагнитной проекции
станций Гренландии (отмечены *) на южное полушарие приведены в табл. 1.
|
Рисунок 1. Карта магнитных станций использованных для расчета региональных УНЧ индексов для Гренландии (синие) и Антарктиде (красные)
|
| (S) |
CGM
Lat |
CGM
Lon |
Geo
Lat |
Geo
Lon |
(N*) |
| |
|
|
-84,01 |
86,36 |
UPN |
| PGO |
-78,7 |
38,2 |
-83,67 |
88,68 |
|
| |
|
|
-84,14 |
59,64 |
UMQ |
| PG2 |
-75,7 |
39,1 |
-84,42 |
57,95 |
|
| |
|
|
-84,69 |
30,89 |
ATU |
| PG3 |
-73,9 |
36,7 |
-84,81 |
37,63 |
|
| |
|
|
-83,05 |
08,31 |
SKT |
| PG4 |
-71,2 |
36,4 |
-83,34 |
12,25 |
|
| |
|
|
-81,60 |
02,07 |
GHB |
| PG5 |
-69,9 |
37,2 |
-81,96 |
05,71 |
|
Таблица 1. Пары сопряженных магнитных станций в Северном и Южном полушариях
|
Геомагнитные координаты сопряженных станций Гренландии и Антарктиды имеют расхождение между широтами |ΔΦ| = 0,5-1,2°.
Этот факт указывает на то, что только геомагнитные координаты не являются хорошей характеристикой сопряженности
точек в высоких широтах. Более надежным способом оценки сопряженности является моделирование силовых линий.
По проекции силовых линий северных станций на южное полушарие и были сформированы пары сопряженных станций:
PG0-UPN, PG2-UMQ, PG3-ATU, PG4-SKT и PG5-GHB (рис. 1).
Индекс рассчитывался следующим образом. Данные были предварительно отфильтрованы с частотой отсечки 0.5 мГц.
Для любого часа UT рассчитываются спектры двух горизонтальных компонент во временном 1-часовом окне.
Фоновый спектр FB(ƒ) аппроксимируется в логарифмическом масштабе линейной зависимостью
(что соответствует «цветному» шумовому спектру ∝ ƒ-α) в полосе частот
от ƒL = 1 мГц до ƒH = 8 мГц, которая используется
для разделения спектров фонового шума и сигнала. Интегральная спектральная мощность шума Nj
рассчитывается как площадь под спектром FB, а спектральная мощность сигнала
Sj - как площадь выступа над уровнем дискриминации, а именно
Региональный волновой УНЧ индекс рассчитывается по интегральной мощности Tj = Sj + Nj
на каждой станции широтного профиля путем выбора станции с максимальной амплитудой.
Индекс нормирован так, чтобы иметь размерность в нТл,
Пример использования УНЧ индексов
В качестве примера приведем наблюдения, сделанные в зимние месяцы, когда контраст между ионосферными
проводимостями в сопряженных полушариях должен быть очень высоким, около порядка величины.
Для визуального контроля свойств УНЧ вариаций строятся для дневных часов магнитограммы Х-компоненты (рис. 2).
На графике также показано значение регионального УНЧ индекса, т.е. максимальной мощности колебаний
диапазона Pi3/Рс5 в Антарктиде и Гренландии. Также на графике показана широта Φ,
где наблюдается максимум мощности УНЧ вариаций. Для характеристики суббуревой активности на нижней панели
показан индекс SML.
01.02.2018 несколько волновых пакетов Pc5 наблюдаются около полудня на спокойном геомагнитном фоне (рис. 2).
УНЧ индекс для северного полушария оказывается примерно таким же, как и для южного полушария,
~30 нТл, и они отличаются не более чем на ~10%. Таким образом, можно сделать вывод, что, несмотря на значительную
разницу в проводимостях освещенной и неосвещенной ионосфер, мощности УНЧ пульсаций в обоих полушариях примерно одинаковы.
Рисунок 2. Активность дневных УНЧ-волн 01.02.2018: верхняя панель – магнитограммы сопряженных пар станций
в Северном (синее) и Южном (красное) полушариях; 2-я панель – региональный УНЧ индекс для (N) и (S) полушарий;
3-я панель - широты максимума Рс5 в обоих полушариях; и 4-я панель – индекс SML.
Белые треугольники обозначают местный полдень, цифры возле кодов станций обозначают геомагнитные широты
Описание базы данных УНЧ индексов
База данных рассчитана за период 2002-2019 гг. и постоянно обновляется.
Данные за зимние месяцы в Антарктиде могут отсутствовать из-за «зависания» оборудования при отсутствии электроснабжения.
Сопряженные УНЧ индексы для северного и
южного полушарий и
магнитограммы
для быстрого просмотра находятся в открытом доступе
Суточный ASCII файл с индексами содержит 24 строки и 5 столбцов:
1 - станция, на которой максимум индекса, 2 – значение S, 3 – значение N, 4 – значение T (S+N),
5 – отношение (S/N).
База данных может быть использована как удобный параметр для статистического анализа для сектора
Антарктика - Гренландия. Отзывы пользователей облегчат наши усилия по улучшению этого индекса.
Исходные данные.
Данные антарктических магнитометров доступны на веб-странице проекта AAL-PIP http://mist.nianet.org.
Данные магнитометров из Гренландии можно получить в Геофизической обсерватории Тромсё http://flux.phys.uit.no/geomag.html.
Геомагнитные индексы предоставляются порталом SuperMAG https://supermag.jhuapl.edu/.
Литература
Kozyreva O., V. Pilipenko, M.J. Engebretson, K. Yumoto, J. Watermann, N. Romanova (2007).
In search of a new ULF wave index: Comparison of Pc5 power with dynamics of geostationary relativistic electrons.
Planetary Space Science, 55, 755–769.
Kozyreva O.V., V.A. Pilipenko, M.D. Hartinger, T.R. Edwards (2023).
Comparison of ULF wave indices from conjugate magnetometer arrays in Antarctica and Greenland, A. Kosterov et al. (eds.).
Problems of Geocosmos—2022, Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences (in press).
Pilipenko V.A., O.V. Kozyreva, M.J. Engebretson, A.A. Soloviev (2017).
ULF wave power index for the space weather and geophysical applications: A review.
Russ. J. Earth Science, 17, N2, ES1004, doi:10.2205/2017ES000597.
|
|
|
