1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Геомагнетизм и аэрономия
  4. T. 61, № 2, 2021

Геомагнетизм и аэрономия, 2021, T. 61, № 2, стр. 172-183

Отклик магнитосферной бури в атмосферном электрическом поле средних широт

С. В. Анисимов 1, *, Н. М. Шихова 1, Н. Г. Клейменова 2

1 Геофизическая обсерватория Борок ИФЗ РАН
пос. Борок, Ярославская обл., Россия

2 Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН
г. Москва, Россия

* E-mail: anisimov@borok.yar.ru

Поступила в редакцию 10.07.2020
После доработки 28.07.2020
Принята к публикации 24.09.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Выполнены исследования отклика сильных магнитных бурь в вариациях электрического поля приземной атмосферы средних широт по данным многолетних наблюдений аэроэлектрического (Ez) и геомагнитного полей на среднеширотной геофизической обс. Борок. За период 1998–2015 гг. выделено 19 сильных и очень сильных магнитных бурь с минимумом Dst-индекса < –100 нТл и максимальным значением индекса Kp > 7, соответствующих невозмущенным метеоусловиям нижней атмосферы (т.е. условиям “хорошей погоды”) в обс. Борок. Показано, что влияние магнитной бури на изменения электрического поля приземной атмосферы эффективнее проявляется в дневное околополуденное время. Обнаружена статистически значимая вариация напряженности аэроэлектрического поля, характеризующаяся возрастанием величины Ez на временнóм интервале ±4 ч относительно времени минимума Dst-вариации магнитной бури.

1. ВВЕДЕНИЕ

Электрическое поле атмосферы обусловлено совокупностью физических процессов разделения, формирования и переноса объемных электрических зарядов, происходящих в широком диапазоне пространственно-временны́х масштабов [Чалмерс, 1974]. Принято считать что, квазистационарное состояние глобальной электрической цепи устанавливается в результате действия атмосферных грозовых генераторов, поддерживающих разность потенциалов между нижней ионосферой и поверхностью океана и земной коры [Анисимов и Мареев, 2008; Williams and Mareev, 2014].

В рамках модели глобальной электрической цепи основными параметрами, определяющими электрическое состояние атмосферы, служат потенциал ионосферы, сопротивление столба атмосферы, плотность вертикального электрического тока, напряженность электрического поля, значение полярных проводимостей, а также высотные профили указанных атмосферных параметров. Согласно моделям глобальной электрической цепи вертикальный электрический ток свободной невозмущенной атмосферы связывает ионосферу с приземной атмосферой и обуславливает электродинамический механизм воздействия электрических полей магнитосферно-ионосферных источников на электрические процессы нижней атмосферы. В глобальной электрической цепи базовым параметром, определяющим электрическое состояние невозмущенной атмосферы, служит потенциал ионосферы [Mühleisen, 1977; Slyunyaev et al., 2015]. В свою очередь, одним из планетарных источников изменений ионосферного потенциала в глобальной электрической цепи является геомагнитная буря, обусловленная взаимодействием возмущенного солнечного ветра с магнитосферой Земли.

Наибольшее воздействие геомагнитные возмущения и сопутствующие изменения электрических полей и токов ионосферы могут оказывать на атмосферное электрическое поле в авроральных и полярных широтах, что доказано результатами натурных высокоширотных наблюдений вариаций напряженности электрического поля приземной атмосферы Ez [Olson, 1971; Shaw and Hunsucker, 1977; Апсен и др., 1988; Anisimov et al., 1991; Burns et al., 1995; Michnowski, 1998; Belova et al., 2001; Frank-Kamenetsky et al., 2001; Никифорова и др., 2003, Kruglov et al., 2010; Kleimenova et al., 2018]. В качестве убедительного примера такого воздействия следует упомянуть результаты наземных аэроэлектрических (Ez) наблюдений на полярной обс. Хорзунд (HOR, 74° CGLAT), расположенной на архипелаге Шпицберген. Показано, что, как правило, развитие магнитосферной суббури в утреннем секторе магнитосферы сопровождается положительными отклонениями напряженности приземного электрического поля независимо от нахождения точки наблюдения в зоне полярной шапки или на ее границе, что позволяет сделать вывод о проникновении к земной поверхности электрических полей полярной магнитосферной конвекции [Клейменова и др., 2010].

Результаты анализа среднесуточных вариаций атмосферного электрического поля Ez, наблюдаемых на обс. Хорзунд, расположенной вблизи границы полярной шапки, и на обс. Какиока (КАК, 28.8° CGLAT), расположенной в приэкваториальных широтах, показали, что в магнитоспокойных и слабо возмущенных условиях среднесуточные вариации Ez в основном определяются пространственным расположением точки наблюдения относительно фокусов конвективных вихрей эквивалентной токовой системы DP0. При этом, вариации Ez на обс. Какиока в значительной мере контролируются экваториальным электроджетом, максимальным в дневные часы, а на обс. Хорзунд – авроральным электроджетом, максимальным в ночные и ранние утренние часы местного времени [Клейменова и др., 2012].

Особый интерес представляет исследование влияния геомагнитных возмущений на вариации электрического поля приземной атмосферы в средних широтах. Эффект сильных магнитных бурь наблюдался в вариациях напряженности и динамике спектров мощности вариаций электрического поля приземной атмосферы в обс. Паратунка на Камчатке (52° CGLAT) с одновременной регистрацией метеорологических и геофизических данных [Смирнов и др., 2013; Смирнов, 2014; Михайлова и др., 2014]. По результатам анализа данных наземных наблюдений атмосферного электрического поля (Ez) на среднеширотной обс. Свидер вблизи Варшавы (52° CGLAT) во время трех магнитных бурь впервые обнаружен эффект главной фазы магнитной бури в дневных среднеширотных вариациях Ez [Клейменова и др., 2008]. Значительные (с амплитудой ~100–300 В/м) вариации напряженности электрического поля наблюдались на обс. Свидер днем одновременно с началом развития суббури в ночном секторе авроральных широт (обс. Колледж). Обнаруженные эффекты сопровождались усилением межпланетного электрического поля во время главной фазы магнитной бури, развитием магнитосферных суббурь и вторжением энергичных электронов в ночную авроральную ионосферу. Подробный анализ вариаций атмосферного электрического поля был проведен для 14 магнитных бурь. Были обнаружены вариации электрического поля приземной атмосферы связанные с главной фазой развития геомагнитного возмущения на дневной стороне магнитосферы, а также повышение интенсивности короткопериодных пульсаций аэроэлектрического поля одновременно с повышением суббуревой активности в ночном секторе [Kleimenova et al., 2009]. По результатам аэроэлектрических наблюдений, проведенных в Израиле на широте около 35° CGLAT [Elhalel et al., 2014] в периоды магнитных бурь, показано, что амплитуда вариаций тока возрастала в периоды геомагнитных возмущений на порядок по сравнению с изменениями в спокойной геомагнитной обстановке.

Следует особо подчеркнуть, что наземные аэроэлектрические наблюдения выполняются в электрически активной среде: приземном атмосферном слое и пограничном атмосферном слое. Отметим, например, что положительный тренд напряженности аэроэлектрического поля может быть результатом формирования слоя приподнятой температурной инверсии [Анисимов и др., 2012], и обусловлен аккумуляцией объемного заряда в подинверсном слое верхней границы атмосферного пограничного слоя. Скорость увеличения напряженности поля при этом составила в среднем 100 В/(м ч). Электрическое состояние приземной атмосферы, невозмущенной грозами, осадками и электрически активной облаками, формируется совокупностью генераторов, действующих в турбулентной среде с неоднородной и нестационарной электрической проводимостью [Анисимов и Шихова, 2008; Анисимов и др., 2014, 2018]. В свою очередь электрическая проводимость атмосферы определяется ионизацией молекул космическими лучами и продуктами распада радона и торона, размерами и концентрацией аэрозольных частиц и их взаимодействием с атмосферными ионами [Анисимов и др., 2017]. Результаты модельных расчетов электрического состояния атмосферного пограничного слоя и данные натурных наземных аэроэлектрических наблюдений [Anisimov et al., 2014, 2017, 2018] показали, что электродинамика нижней атмосферы, стационарная величина плотности вертикального электрического тока, которой определяется действием глобальной электрической цепи, связана, прежде всего, с формированием и транспортом объемных электрических зарядов, а также изменениями электрической проводимости среды.

Цель данной работы – исследование влияния сильных, очень сильных и гигантских магнитных бурь на вариации атмосферного электрического поля в средних широтах по данным многолетних натурных наблюдений аэроэлектрического и геомагнитного полей на геофизической обс. Борок и проведение статистически значимой оценки проявления глобальных геомагнитных возмущений в атмосферном электрическом поле свободной, невозмущенной метеорологическими воздействиями, приземной атмосферы средних широт.

2. ГЕОМАГНИТНЫЕ И АЭРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СРЕДНЕШИРОТНЫЕ ОБСЕРВАТОРСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ. АЛГОРИТМ ОТБОРА И АНАЛИЗА ДАННЫХ

Основой решения поставленной задачи послужила база данных (http://geodata.borok.ru), сформированная по результатам непрерывных натурных наблюдений геомагнитного и атмосферного электрического (аэроэлектрического) полей, выполненных в 1999–2015 гг., на среднеширотной геофизической обс. ГО Борок ИФЗ РАН (географические координаты: 58°04′ N; 38°14′ E; CGLAT = 54°) в условиях отсутствия промышленных аэрозольных загрязнений и электромагнитных помех.

Информационно-измерительный комплекс ГО Борок ИФЗ РАН оборудован современными цифровыми магнитометрами для проведения наблюдений главного магнитного поля Земли (включая абсолютные измерения), геомагнитных вариаций и короткопериодных геомагнитных пульсаций [Анисимов и Дмитриев, 2003]. Наблюдения главного магнитного поля выполняются с использованием протокола и оборудования международной сети магнитных станций INTERMAGNET. Для решения задачи поиска отклика геомагнитных возмущения в электрическом поле приземной атмосферы использовались данные трехкомпонентного fluxgate-магнитометра LEMI-018, включенного в локальную наблюдательную сеть Обсерватории с GPS-привязкой данных к абсолютному времени и системой сбора данных обсерваторских наблюдений [Anisimov et al., 2008]. Fluxgate‒магнитометр позволяет регистрировать вариации магнитного поля с разрешением 0.1 нТл. Частота сбора данных составляет 1 Гц. Для привязки данных к мировому времени используется GPS-приемник, подключенный непосредственно к системе сбора данных. Оперативные результаты наблюдений вариаций магнитного поля накапливаются на сервере базы данных. Каждый час программное обеспечение системы сбора данных архивирует и копирует данные на сервере базы данных. С целью обнаружения отклика геомагнитных бурь в атмосферном электрическом поле средних широт был сформирован 17-летний амплитудно-временнóй ряд часовых средних величин напряженности вариаций геомагнитного поля, зарегистрированных на среднеширотной геофизической обс. Борок.

Регулярные обсерваторские натурные наблюдения атмосферного электрического поля выполняются на геофизической обс. Борок с 1987 года. В качестве базового датчика напряженности вертикальной компоненты атмосферного электрического поля используется электростатический флюксметр, специально разработанный и изготовленный для проведения долгосрочных непрерывных обсерваторских наблюдений. Пороговая чувствительность прибора в полосе частот (0‒10) Гц составляет около 1 В/м. Тактовая частота системы сбора – 10 Гц. Электростатический флюксметр, наряду с возможностью измерений пульсаций поля в широкой полосе частот с высокой чувствительностью, позволяет регистрировать главную составляющую аэроэлектрического поля и ее медленные вариации, что необходимо для понимания природы атмосферного электричества, обнаружения унитарной вариации, исследования длиннопериодных годовых и сезонных вариаций, а также изучения процессов формирования и эволюции глобальной электрической цепи. В исследовании для дальнейшего анализа использовались амплитудно-временны́е ряды величины напряженности аэроэлектрического поля с минутным разрешением.

Атмосферная электродинамика, наряду с действием глобальных генераторов электрического поля и тока, определяется действием совокупности факторов, формируемых метеорологическими условиями нижней атмосферы, такими как облачность, осадки, туман, величина и направление скорости ветра. Информационно-измерительный обсерваторский комплекс оснащен современным метеорологическим оборудованием (пиранометр СМР-3; температурный профилемер МТП-5; доплеровский радар Волна-3; метеостанции М 49 и WS-2500; метеокомплексы Метео-2 и АМК-03), позволяющим разработать физически обоснованный алгоритм отбора данных наблюдений электрического поля приземной атмосферы в невозмущенных условиях “хорошей погоды”. Цифровые ряды данных температуры, скорости и направления ветра, влажности, атмосферного давления, освещенности, полученные по стандартным методикам метеорологических наблюдений в приземном слое, а также соответствующие высотные профили метеорологических величин с тактовой частотой 10 Гц, использовались для предварительного отбора и обработки результатов наблюдений атмосферного электрического поля.

Для обнаружения возможного влияния магнитных бурь на среднеширотные вариации атмосферного электрического поля использовались также геомагнитные данные Потсдамского центра наук о Земле (http://www.gfz-potsdam.de) за 1999‒2015 гг. Были выбраны 90 сильных, очень сильных и гигантских магнитных бурь с минимумом Dst-индекса < –100 нТл и индексом Kp > 7. Заметим, что величина магнитной бури определяется значением Dst-индекса (Disturbance storm-time), которое характеризует интенсивность кольцевого тока, усиливающегося во время магнитной бури и вызывающего понижение геомагнитного поля на земной поверхности (отрицательные значения Dst-индекса), например, [Gonzalez et al., 1994]. Следовательно, максимум интенсивности магнитной бури соответствует времени минимального значения Dst-индекса.

Далее, для выбранных бурь был проведен отбор данных аэроэлектрических непрерывных наблюдений обс. Борок, соответствующих условиям “хорошей погоды” (отсутствие осадков, облачность менее 5 баллов, ветер – менее 5 м/с, электрическое поле приземной атмосферы неотрицательно) на интервале ±10 ч относительно времени минимума Dst-вариации (т.е. ±10 ч от максимума магнитной бури). В результате такого отбора для дальнейшего анализа осталось всего 19 магнитных бурь, список и данные которых приведены в таблице 1.

Таблица 1.  

Геомагнитные бури при условиях невозмущенной атмосферы (“хорошей погоды”) в точке аэроэлектрических наблюдений: Dst-вариации и коэффициенты корреляции

№ п/п День Месяц Год Час (Dstmin UT) Dstmin (нТл) Коэффициент корреляции R, Ez‒Dst  Коэффициент корреляцииR, Ez‒Dst (фаза 1) Коэффициент корреляцииR, Ez‒Dst (фаза 2) 
1 22 09 1999 23:00 –173 –0.21 –0.11 0.59
2 22 10 1999 06:00 –237 –0.23 –0.36 –0.49
3 24 05 2000 08:00 –147 0.35 0.53 0.69
4 12 08 2000 09:00 –234 –0.58 –0.7 –0.88
5 05 10 2000 00:00 –181 0.43 0.58 0.26
6 31 03 2001 08:00 –387 –0.56 –0.5 –0.15
7 21 10 2001 21:00 –187 –0.37 0.61 0.29
8 30 10 2003 00:00 –383 –0.13 –0.86 0.95
9 27 07 2004 14:00 –170 0.49 0.79 0.42
10 07 11 2004 06:00 –368 –0.37 –0.29 –0.75
11 18 01 2005 08:00 –103 –0.5 –0.61 0.15
12 08 05 2005 18:00 –110 0.02 0.19 –0.01
13 15 05 2005 08:00 –247 –0.71 –0.77 0.58
14 30 05 2005 13:00 –113 0.24 –0.23 –0.01
15 24 08 2005 11:00 –184 0.01 0.11 0.18
16 11 09 2005 10:00 –139 0.31 –0.04 0.63
17 09 03 2012 07:00 –145 –0.04 –0.57 –0.28
18 17 03 2015 22:00 –223 0.57 0.52 0.73
19 23 06 2015 04:00 –204 0.55 0.36 0.38

Результаты исследования динамики электрического поля приземной атмосферы [Анисимов и др., 2013] показали, что суточная вариация Ez в средних широтах во многом определяется действием локальных и региональных генераторов, связанных, например, с конвективным переносом объемных зарядов в локальный полдень. Задача обнаружения отклика магнитных бурь в электрическом поле приземной атмосферы предполагает исключение локальных и региональных эффектов. С этой целью для каждого из 19 отобранных временны́х интервалов магнитных бурь рассчитывалась среднемесячная вариация напряженности атмосферного электрического поля (EzMean), которая при дальнейшем анализе вычиталась из наблюдаемой вариации Ez. Таким образом, дальнейший анализ выполнен для амплитудно-временны́х рядов разности (∆Ez) наблюдаемой (Ez) и среднемесячной (EzMean) вариаций на интервале ±10 ч относительно времени минимума Dst вариации для каждой из 19 рассматриваемых магнитных бурь.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ, СТАТИСТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рисунке 1а, 1б приведены примеры регистрограмм одновременных аэроэлектрических и геомагнитных наблюдений на среднеширотной геофизической обс. Борок во время двух очень сильных магнитных бурь: 31.03.2001 г. (а) и 15.05.2005 г. (б), а также соответствующие Dst-вариации геомагнитного поля (http://www.gfz-potsdam.de). В обоих событиях минимум Dst (т.е. максимум интенсивности магнитной бури) наблюдался в 09 UT, т.е. в локальный геомагнитный полдень (MLT = UT + 3). На рисунке 1а, 1б представлены также среднемесячные суточные вариации атмосферного электрического поля (EzMean), рассчитанные по результатам обсерваторских наблюдений в условиях “хорошей погоды” за март 2001 г. и май 2005 г.

Рис. 1.

Вариации атмосферного электрического поля (Ez), возмущения геомагнитного поля (Hx, Hy, Hz) по результатам наблюдений геофизической обс. Борок 31 марта 2001 г. (а) и 15 мая 2005 г. (б), суточные вариации Ez по данным “хорошей погоды” (EzMean) по результатам наблюдений геофизической обс. Борок в марте 2001 г. (а) и мае 2005 г. (б), соответствующие Dst-вариации геомагнитного поля (www.gfz-potsdam.de).

Из рисунков следует, что значимые медленные вариации атмосферного электрического поля возрастают во время магнитной бури, т.е. находятся в противофазе с Dst. В магнитную бурю 31 марта 2001 г. (рис. 1а) значительные возмущения в геомагнитном и атмосферном электрическом поле наблюдались днем (04‒09 UT, 07‒12 MLT) в главную фазу бури, когда абсолютные значения |Dst| возрастали. Этот результат подтверждает полученные ранее данные в среднеширотной обс. Свидер [Клейменова и др., 2008].

В ночное время (~18‒22 UT, 21‒01 MLT) в восстановительную фазу магнитной бури, когда значения |Dst| оставались большими (~250 нТл), но стабильными, значительных вариаций в Ez не наблюдалось, несмотря на наличие в это время геомагнитных возмущений. В главную фазу магнитной бури 15 мая 2005 г. (рис. 1б), которая развивалась также в местное дневное время (05‒09 UT, 08‒12 MLT), как и в предыдущем случае отмечалось усиление возмущений в геомагнитном и атмосферном электрическом поле, которые продолжались и в раннюю восстановительную фазу бури (09‒12 UT). В ночное время (18‒24 UT) в восстановительную фазу этой бури при относительно стабильных значениях Dst (~100 нТл) геомагнитные возмущения были слабыми, значимых вариаций в Ez не регистрировалось, наблюдался медленный тренд уменьшения абсолютной величины напряженности атмосферного электрического поля. В каждом из рассматриваемых примеров регистрируемое атмосферное электрическое поле положительно. Проведенный расчет величин коэффициента корреляции R вариаций среднечасовых значений напряженности атмосферного электрического поля и Dst-вариаций дает оценку R1 = 0.84 для события 31 марта 2001 г. и R2 = 0.78 для события 15 мая 2005 г. за приведенный на рис. 1 суточный интервал регистрации.

Для детального спектрально-временнóго анализа суточных распределений интенсивности вариаций аэроэлектрического (Ez) и геомагнитного (компонента Hx) полей по спектральным масштабам в диапазоне (1–119) мин использовалось непрерывное вейвлет-преобразование с базисным вейвлетом Морле и построением двумерных вейвлет-диаграмм [Астафьева, 1996; Дремин и др., 2001]. На рисунке 2а, 2б представлены результаты вейвлет-анализа для 31.03.2001 г. (а) и 15.05.2005 г. (б). Видно, что в районе локального геомагнитного полдня отмечаются усиление вариаций аэроэлектрического поля, которые, предположительно, могут быть обусловлены, прежде всего, конвективным режимом атмосферного пограничного слоя в околополуденное время и соответствующим переносом объемных электрических зарядов в окрестности точки наблюдения [Анисимов и др., 2014, Anisimov et al., 2017]. Спектр характеризуется наличием нескольких частотных мод вследствие интенсивного перемешивания объемных зарядов, вмороженных в турбулентные вихри пограничного слоя атмосферы [Анисимов и др., 2014]. Вариации в аэроэлектрическом и геомагнитном поле не показывают видимой когерентности.

Рис. 2.

(а) ‒ Суточные диаграммы непрерывного вейвлет-разложения напряженности атмосферного электрического Ez (вверху) и геомагнитного Hx (внизу) полей по результатам наблюдений ГО Борок 31 марта 2001 года. (б) ‒ Суточные диаграммы непрерывного вейвлет-разложения напряженности атмосферного электрического (вверху) и геомагнитного (внизу) полей по результатам наблюдений ГО Борок 15 мая 2005 года.

Рис. 2.

Окончание.

На рисунке 3 приведен один из примеров среднеширотной вариации разности (∆Ez) наблюдаемой (Ez) и среднемесячной (EzMean) величин напряженности аэроэлектрического поля на интервале ±10 ч относительно времени минимума Dst-вариации во время гигантской (|Dst| ≥ 350 нТл) геомагнитной бури 31 марта 2001 г. Возрастание величины напряженности аэроэлектрического поля Ez при уменьшении Dst-вариации характерно для большинства проанализированных событий. Для приведенного на рис. 3 события уменьшение величины Ez за 2 ч до минимума Dst, вероятно, может быть связано с характерными особенностями развития геомагнитной бури 31 марта 2001 г. и взаимодействия Bz-компонеты Межпланетного Магнитного Поля (ММП) с магнитосферой.

Рис. 3.

Вариация атмосферного электрического поля (Ez) по результатам наблюдений геофизической обс. Борок 31 марта 2001 г. и соответствующая геомагнитная Dst-вариация. Нулевая отметка на оси времени соответствует времени максимума модуля ∣Dst∣ – вариации для каждого из событий.

На рисунке 4 показаны Dst-вариации геомагнитного поля и соответствующие вариации ∆Ez атмосферного электрического поля для сильных и очень сильных магнитных бурь с минимумом Dst-вариации в околополуденное (в табл. 1 это события № 2, 4, 11, 16 и 17) и ночное время (события № 1, 7, 12, 18 и 19). Вариации ∆Ez получены как разность наблюдаемых вариаций Ez и соответствующих среднемесячных кривых EzMean напряженности аэроэлектрического поля, регистрируемых в условиях “хорошей погоды”, предполагающих положительную величину напряженности поля. Заметим, что отрицательные значения разности ∆Ez, присутствующие на рис. 4, обусловлены соотношением наблюдаемой напряженности поля и соответствующей среднемесячной величины в условиях невозмущенной атмосферы для каждого из используемых среднечасовых значений. Сравнение приведенных наблюдаемых кривых показывает, что влияние магнитной бури на изменения электрического поля приземной атмосферы эффективнее проявляется в дневное околополуденное время.

Рис. 4.

Вариации атмосферного электрического поля (∆Ez – штриховая линия) по результатам наблюдений геофизической обс. Борок в условиях “хорошей погоды” и соответствующие сильным и очень сильным геомагнитным бурям Dst-вариации (сплошная линия) во временнóм интервале +/–10 ч относительно минимума Dst-вариации. Номера кривых на рис. соответствуют табл. 1. Нулевая отметка на оси времени соответствует времени максимума модуля ∣Dst∣-вариации для каждого из событий.

Для получения количественной оценки возможной связи крупномасштабных длиннопериодных возмущений в геомагнитном и аэроэлектрическом полях были рассмотрены корреляционные функции амплитудно-временны́х рядов анализируемых ∆Ez и Dst – вариаций длиной 21 ч (±10 ч относительно времени минимума Dst) для 19 указанных в табл. 1 магнитных бурь. Рассчитанные коэффициенты корреляции среднечасовых значений ∆Ez и Dst на временнóм интервале ±10 ч относительно времени минимума Dst-вариации приведены в последних колонках табл. 1. Для получения количественных оценок отклика магнитной бури в атмосферном электрическом поле приземной атмосферы во время главной и восстановительной фаз каждой анализируемой магнитной бури выполнены расчеты коэффициентов взаимной корреляции среднечасовых значений ∆Ez и Dst на временнóм интервале +10 ч (фаза 1) и –10 ч (фаза 2) относительно времени минимума Dst. Полученные значения приведены в таблице 1 (столбцы “Коэффициент корреляции R Ez-Dst фаза 1 и фаза 2” соответственно). Фаза 1 соответствует главной фазе магнитной бури, а фаза 2 – восстановительной фазе бури.

Следует заметить, что, если для восстановительной фазы 10 ч интервал вполне приемлем, поскольку эта фаза бури может быть достаточно продолжительной, то длительность главной фазы в разных бурях может колебаться от 2-х до 15-ти и более часов. Следовательно, 10-ти часовой интервал (фаза 1) может включать не только главную фазу, но и начальную фазу бури и даже е внезапное начало. Этим можно объяснить большой интервал значений коэффициента корреляции в фазе 1. Несмотря на это, из табл. 1 видно, что фазу 1, если она наблюдалась в дневное время (события № 2, 4, 6, 10, 11, 13, 14, 16, 17), то коэффициенты корреляции были отрицательными. Исключение составляют 4 случая: событие № 3, когда главная фаза бури началась всего за 2 ч до ее максимума (минимума Dst-вариации), событие № 9, когда наблюдалась 2-х ступенчатая магнитная буря с двумя суперсуббурями (интенсивностью более 3 тыс. нТл), и событие № 15, когда, как и в событии № 3, главная фаза бури началась всего за 2 ч до ее максимума.

В событиях, когда развитие главной фазы происходило в вечернее и ночное время (т.е. максимум бури отмечался ночью), коэффициент корреляции был положительным (события № 5, 7, 12, 18, 19). Исключением была широко известная гигантская магнитная буря 30.10.2003 (события № 8), когда главная фаза бури развивалась при огромной скорости солнечного ветра (до 2 тыс. км/с), значении Bz-компоненты ММП до –30 нТл и сопровождалось огромной планетарной суперсубурей интенсивностью около 4 тыс. нТл. В эту бурю все геомагнитные события развивались аномально.

В фазу восстановления магнитной бури (фаза 2) в 12 событиях знак корреляции был положительным и в 7 – отрицательным, т.е. в большинстве анализируемых случаях знак корреляции был положительным. В качестве примера можно рассмотреть событие № 13 (15.05.2005 г.), представленное на рис. 3б.

Поскольку в восстановительную фазу магнитных бурь возможно появление различных неоднородностей в солнечном ветре и ММП, то для выявление конкретной причины знака корреляции необходимо проведение детального анализа условий в околоземном пространстве и геомагнитных возмущений в каждом из рассматриваемых событий.

Обращает внимание наличие высоких значений коэффициентов корреляции R во временнóм интервале 09‒15 UT, что может быть связано с высокими значениями ионосферных электрических полей и их эффективным проникновением в приземную атмосферу. При этом разный знак коэффициента корреляции в дневное и ночное время в главную фазу магнитной бури может свидетельствовать о различных направлениях ионосферных электрических полей, проникающих в нижнюю атмосферу.

Для оценки значимости обнаруженного отклика геомагнитных бурь в атмосферном электрическом поле средних широт использовался метод наложенных эпох. Рассматривались 19 амплитудно-временны́х рядов среднечасовых значений Ez длиной 21 ч, выделенных согласно условиям “хорошей погоды”. За нулевую точку анализа принималось время UT минимума Dst-вариации (Tdstmin), относительно которого рассчитывалась вариация среднечасовых значений напряженности атмосферного электрического поля во временнóй окрестности ±10 ч от нулевой точки для каждой магнитной бури.

Вариация среднечасовых значений напряженности атмосферного электрического поля ∆Ez, полученная как средняя величина разностей наблюдаемых среднечасовых значений Ez и соответствующих среднемесячных вариаций EzMean, рассчитанная методом наложенных эпох по 19 событиям (табл. 1), приведена на рис. 5. На временнóм интервале ±10 ч от нулевой точки наблюдаются изменения аэроэлектрического поля с минимумом предшествующим нулевой точке в интервале –10…–4 ч, возрастанием на интервале ±4 ч и последующим максимумом (“выполаживанием”) на интервале +4…+10 ч. Вертикальными линиями указана стандартная ошибка среднего значения ∆Ez. Достоверность различий средних значений до и после характерного времени анализируемого события Tdstmin определялась согласно критерию Стьюдента, применение которого позволило выявить различие на уровне значимости p = 0.1. Согласно критерию Стьюдента, средние значения напряженности аэроэлектрического поля для 19 анализируемых событий, соответствующие времени до и после временнóго интервала ±4 ч относительно времени Tdstmin, различаются на уровне значимости p = 0.1. Следовательно, средние значения напряженности аэроэлектрического поля в соответствующих временны́х интервалах до и после выбранной нулевой точки различается с вероятностью 90%.

Рис. 5.

Вариация приращений среднечасовых значений напряженности электрического поля (∆Ez) приземной невозмущенной атмосферы, полученная методом “наложенных эпох”, для 19 геомагнитных бурь (∣Dst∣ ≥ 100 нТл) по результатам наблюдений геофизической обс. Борок 1999‒2015 гг. (табл. 1). Нулевая отметка на оси времени соответствует времени максимума модуля ∣Dst∣-вариации для каждого из событий. Вертикальными линиями обозначена стандартная ошибка среднего значения ∆Ez.

Таким образом, Dst-вариация физически определяет статистически значимый отклик сильных, очень сильных и гигантских магнитных возмущений в атмосферном электрическом поле средних широт. Результаты анализа позволяют утверждать, что обнаружена статистически значимая вариация напряженности аэроэлектрического поля, характеризующаяся возрастанием величины Ez на временнóм интервале ±4 ч относительно времени минимума Dst-вариации геомагнитной бури. Обнаруженная вариация напряженности атмосферного электрического поля Ez свидетельствует о наличии статистически значимого отклика электрического поля приземной атмосферы средних широт на магнитные бури.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполнены исследования отклика сильных магнитных бурь в вариациях электрического поля приземной атмосферы средних широт по данным многолетних натурных наблюдений аэроэлектрического и геомагнитного полей на среднеширотной геофизической обс. Борок. За период 1998–2015 гг. выделено 19 сильных магнитных бурь с Kp = 7+–9о, соответствующих невозмущенным метеоусловиям нижней атмосферы (условиям “хорошей погоды”).

Обнаружен статистически достоверный отклик атмосферного электрического поля на сильные, очень сильные и гигантские магнитные бури с Dst < –100 нТл. Показано, что Dst-вариация геомагнитного поля может служить характерным геофизическим параметром, определяющим значимый отклик геомагнитных возмущений в атмосферном электрическом поле средних широт.

Установлено, что для большинства проанализированных амплитудно-временны́х рядов Ez характерно возрастание величины напряженности атмосферного электрического поля, которое соответствует положительному тренду Dst-вариации с последующим увеличением Ez до максимальных величин при отрицательном тренде Dst-вариации. Показано согласно критерию Стьюдента, что с вероятностью 90% можно утверждать различие средних значений напряженности аэроэлектрического поля в соответствующих временны́х интервалах до и после выбранной нулевой точки минимума Dst-вариации, т.е. в главную и восстановительную фазу магнитной бури.

Проведенные исследования позволяют заключить, что интенсивные магнитные бури сопровождаются статистически достоверным откликом вариаций приземного аэроэлектрического поля в средних широтах.

Список литературы

  1. ‒ Анисимов С.В., Дмитриев Э.М. Информационно-измерительный комплекс и база данных Геофизической обсерватории “Борок” ИФЗ РАН. М.: ОИФЗ РАН. 44 с. 2003.

  2. ‒ Анисимов С.В., Мареев Е.А. Геофизические исследования глобальной электрической цепи // Физика Земли. № 10. С. 8‒18. 2008.

  3. ‒ Анисимов С.В., Шихова Н.М. Вариабельность электрического поля невозмущенной атмосферы средних широт // Геофиз. исслед. № 3. С. 25–38. 2008.

  4. ‒ Анисимов С.В., Галиченко С.В., Шихова Н.М. Формирование электрически активных слоев атмосферы с температурной инверсией // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. Т. 48. № 4. С. 442–452. 2012.

  5. ‒ Анисимов С.В., Шихова Н.М., Афиногенов К.В. Динамика электричества невозмущенной атмосферы средних широт: от наблюдений к скейлингу // Изв. вузов. Радиофизика. 2013 Т. 56 № 11‒12. С.787‒802.

  6. ‒ Анисимов С.В., Галиченко С.В., Шихова Н.М., Афиногенов К.В. Электричество конвективного атмосферного пограничного слоя: натурные наблюдения и численное моделирование // Физика атмосферы и океана. Т. 50. № 4. С. 445–454. 2014.

  7. ‒ Анисимов С.В., Галиченко С.В., Афиногенов К.В., Макрушин А.П. Шихова Н.М. Объемная активность радона и ионообразование в невозмущенной нижней атмосфере: наземные наблюдения и численное моделирование // Физика Земли. № 1. С. 155–170. 2017.

  8. ‒ Анисимов С.В., Галиченко С.В., Афиногенов К.В., Прохорчук А.А. Глобальные и региональные составляющие электричества невозмущенной нижней атмосферы средних широт // Физика Земли. № 5. С. 104–114. 2018.https://doi.org/10.1134/S0002333718050034

  9. ‒ Апсен А.Г., Канониди Х.Д., Чернышева С.П., Четаев Д.Н., Шефтелъ В.М. Магнитосферные эффекты в атмосферном электричестве. М.: Наука, 150 с. 1988.

  10. ‒ Астафьева Н.М. Вейвлет-анализ: Основы теории и примеры применения // Успехи физ. Наук. Т. 166. № 11. С. 1145‒1170. 1996.

  11. ‒ Дремин И.М., Иванов О.В., Нечитайло В.А. Вейвлеты и их использование // Успехи физ. наук. Т. 171. № 3. С. 465‒501. 2001.

  12. ‒ Клейменова Н.Г., Козырева О.В., Михновски С., Кубицки М. Эффект магнитных бурь в вариациях атмосферного электрического поля в средних широтах// Геомагнетизм и аэрономия. Т. 48. № 5. С. 650–659. 2008.

  13. ‒ Клейменова Н.Г., Козырева О.В., Кубицки М., Михновски С. Утренние полярные суббури и вариации атмосферного электрического поля// Геомагнетизм и аэрономия. Т. 50. № 1. С. 51–60. 2010.

  14. ‒ Клейменова Н.Г., Козырева О.В., Кубицки М., Оджимек А., Малышева Л. М. Влияние суббурь в ночном секторе Земли на вариации приземного атмосферного электрического поля в полярных и экваториальных широтах // Геомагнетизм и Аэрономия. Т. 52. № 4. С. 494–500. 2012.

  15. ‒ Михайлова Г.А., Капустина О.В., Смирнов С.Э. Эффекты солнечной и геомагнитной активностей в вариациях спектров мощности электрических и метеорологических величин в приземной атмосфере на Камчатке во время солнечных событий в октябре 2003 г. // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 54. № 5. С. 691–700. 2014.

  16. ‒ Никифорова Н.Н., Клейменова Н.Г., Козырева О.В., Кубицки М., Михновски С. Влияние авроральных высыпаний энергичных электронов на вариации атмосферного электрического поля в полярных широтах // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 42. № 1. С. 32–39. 2003.

  17. ‒ Смирнов С.Э. Реакция электрического состояния приземной атмосферы на геомагнитную бурю 5 апреля 2010 г. // ДАН. Т. 456. № 3. С. 342–346. 2014.

  18. ‒ Смирнов С.Э., Михайлова Г.А., Капустина О.В. Вариации квазистатического электрического поля в приземной атмосфере на Камчатке во время геомагнитных бурь в ноябре 2004 г. // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 53. № 4. С. 532–545. 2013.

  19. ‒ Чалмерс Дж. Атмосферное электричество. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 420 с.

  20. ‒ Anisimov S.V., Morgunov V.A., Troitskaya V.A. Substorms potential gradient of the atmospheric electric field // Publ. Inst. Geophys. Pol. Acad. Sci. D-35 (238). P. 77‒81. 1991.

  21. ‒ Anisimov S.V., Chulliat A., Dmitriev E.M. Information-measuring complex and database of mid-latitude Borok Geophysical Observatory // Russ. J. Earth. Sci. V. 10. ES3007. 2008.https://doi.org/10.2205/2007ES000227

  22. ‒ Anisimov S.V. Galichenko S.V., Shikhova N.M. Space charge and aeroelectric flows in the exchange layer: An experimental and numerical study // Atmos. Res. V 135–136. P. 244–254. 2014.

  23. ‒ Anisimov S.V., Galichenko S.V., Mareev E.A. Electrodynamic properties and height of atmospheric convective boundary layer // Atmos. Res. V. 194. P. 119–129. 2017.

  24. ‒ Anisimov S.V., Galichenko S.V., Aphinogenov K.V., Prokhorchuk A.A. Evaluation of the atmospheric boundary-layer electrical variability // Boundary-Layer Meteorology. V. 167. № 2. P. 327–348. doi:. 2018.https://doi.org/10.1007/s10546-017-0328-0

  25. ‒ Belova E., Kirkwood S., Tammet H. The effect of magnetic substorms on near-ground atmospheric currents // Ann. Geophys. V. 18. № 12. P. 1623–1629. 2000.

  26. ‒ Burns G.B., Hesse M.H., Parcell S.K., Makachowski S., Cole K.D. The geoelectric field at Davis stations, Antarctica // J. Atmos. Terr. Phys. V. 57. P. 1783‒1789. 1995.

  27. ‒ Elhalel G., Yair Y., Nicoll K., Price C., Reuveni Y., Harrison R.G. Influence of short-term solar disturbances on the fair weather conduction current // J. Space Weather Space Clim. V. 4. A26. 2014.https://doi.org/10.1051/swsc/2014022

  28. ‒ Frank-Kamenetsky A.V., Troshichev O.A., Burns G.B., Papitashvili V.O. Variations of the atmospheric electric field in the near-pole region related to the interplanetary magnetic field // J. Geophys. Res. V. 106. P. 179‒190. 2001.

  29. ‒ Gonzalez W.D., Joselyn J.A., Kamide Y., Kroehl H.W., Rostoker G., Tsurutani B.T., Vasyliunas V.M. What is a geomagnetic storm? // J. Geophys. Res. V. 99(A4). P. 5771–5792. 1994.https://doi.org/10.1029/93JA02867

  30. ‒ Kleimenova N., Kozyreva O., Kubicki M., Michnowski S. Variations of the mid-latitude atmospheric electric field (Ez) associated with geomagnetic disturbances and Forbush decreases of cosmic rays // Publ. Inst. Geophys. Pol. Acad. Sci. D-73 P. 1–10. 2009.

  31. ‒ Kleimenova N.G., Odzimek A., Michnowski S., Kubicki M. Geomagnetic storms and substorms as space weather influence on atmospheric electric field variations // Sun and Geosphere. V. 13. № 1. P. 101–107. 2018.https://doi.org/10.31401/SunGeo2018.01.07

  32. ‒ Kruglov A.A., Frank-Kamenetsky A.V., Burns G., French J., Morozov V.N. On the connection between variations of atmospheric electric field as measured at ground surface in the Central Antarctica and ionospheric potential // Proc. 33-th Ann. Seminar ‘Physics of Auroral Phenomena”. Apatity, P. 171–173. ISBN 978-5-91137-136-4. 2010.

  33. ‒ Michnowski S. Solar wind influences on atmospheric electricity variables in polar regions // J. Geophys. Res. V. 103. D12. P. 13939–13948.1998.

  34. ‒ Mühleisen R. The global circuit and its parameters // Electrical processes in atmospheres, ed. by H. Dolezalek and R. Reiter, – Darmstadt, Germany. P. 467–476. 1977.

  35. ‒ Olson D.E. The evidence for auroral effects on atmospheric electricity // Pure Appl. Geophys. V. 84. P. 118‒ 138. 1971.

  36. ‒ Rycroft M.J., Harrison R.G., Nicoll K.A., Mareev E.A. An overview of Earth’s global electric circuit and atmospheric conductivity // Space Science Rev. V. 137. P. 83–105. 2008.

  37. ‒ Shaw G.E., Hunsucker R.D. A study of possible correlation between fire-weather electric field and auroral activity // Electrical process in atmospheres, ed. by H. Dolezalek and R. Reiter, – Darmstadt. Germany. P. 576–581. 1977.

  38. ‒ Slyunyaev N.N., Mareev E.A., Zhidkov A.A. On the variation of the ionospheric potential due to large-scale radioactivity enhancement and solar activity // J. Geophys. Res. Space. Phys. V. 120. P. 7060–7082. 2015.

  39. ‒ Williams E., Mareev E.A. Recent progress on the global electrical circuit // Atmos. Res. V. 135–136. P. 208–227. 2014.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Геомагнетизм и аэрономия

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал