Геомагнетизм и аэрономия. 1999. Т. 39. № 1. С. 35 - 41.

УДК 550.384

Методами адаптивной фильтрации и SOMPI исследованы частотные и спектрально-временные характеристики восточной и западной электроструй в период магнитной бури 24.03.91. Отмечено, что во время больших магнитных возмущений эквивалентная токовая система существенно изменяется - увеличивается долготная протяженность электроструй и наблюдается смещение к югу западной электроструи в утреннем секторе и восточной электроструи в послеполуночном секторе.  Подтверждена возможность существования в вечернем секторе восточной струи, сопровождающейся резкими иррегулярными колебаниями, характерными для суббуревых процессов в магнитосфере. Показано, что в период большой магнитной бури восточная и западная электроструи остаются независимыми элементами токовой системы, со своими характерными периодами колебаний в диапазонах 16 - 24 мин. для восточной струи и 27 - 40 мин. - для западной.

В работе [1] предложена схема эквивалентной токовой системы полярной суббури, отражающая наличие в полярной зоне струйных токов, характер которых определяется, в основном, двумя причинами: крупномасштабной конвекцией и взрывными процессами в хвосте магнитосферы. Одним из актуальных является вопрос о структуре и динамике ионосферных токов в вечернем секторе зоны полярных сияний.

В работе [2] показано, что временные вариации AU-индекса и, соответственно, интенсивности восточной электроструи могут иметь не только конвективный, но и суббуревой характер. В работе [3] выделено два типа восточной электроструи существенно отличающихся по морфологическим признакам. Тип I, характеризующийся плавными, широкими бухтами в H-компоненте, связан с системой магнитосферной конвекции, а тип II, характеризующийся резкими, иррегулярными импульсными возмущениями в H-компоненте, - с развитием взрывной фазы суббури.

В работе [4] показано, что струя конвективного характера (тип I по классификации [3]) наблюдается в отсутствие высыпаний электронов, а струя взрывного характера (тип II) сопровождается сильными высыпаниями электронов. В период больших магнитных бурь характер электроструй претерпевает существенные изменения. Струи расширяются и смещаются к экватору, распадаются на составные части, их интенсивность достигает экстремально больших значений. В работе [5] было показано, что при больших значениях Dst-вариации авроральные электроструи смещаются к экватору вплоть до широт обсерватории Москва и существуют длительное время, достигая амплитуд в тысячу и более нТл. В связи с этим временные и пространственные характеристики токовой системы, предложенной в работе [1], существенно изменяются.

Цель данной работы - исследование пространственного положения, динамики, частотно-временных и частотно-пространственных характеристик восточной и западной электроструй для периода экстремально большой магнитной бури 24 марта 1991 г.

Анализу магнитной бури 24.03.91 г. посвящен целый ряд работ, в том числе [6-7]. Отмечено, что буря началась с SC в 03.42 UT 24.03.91 [7]. Главная фаза бури протекала с 06 UT 24.03.91 по 01 UT 25.03.91, фаза восстановления - с 01 UT 25.03.91 и до 24 UT 29.03.91. Значение Dst вариации во время наибольшей депрессии поля в 01 UT 25.03.91 составило 298 нТл.

При анализе токовых систем за основу обычно берутся морфологические особенности вариации H-компоненты по магнитограммам тех наземных обсерваторий, где влияние электроструй можно выявить визуально. Для более детального анализа положения токовых систем относительно обсерваторий в разные моменты времени нами была построена диаграмма, на которой в координатах UT-MLT (местное магнитное время) были нанесены контуры равных значений амплитуды H-компоненты (LT-UT диаграмма) для тех обсерваторий, которые располагались в пределах круга широт 55 - 700N. Полученная LT-UT диаграмма показана на рис. 1.

Контуры равных амплитуд на диаграмме выделены соответствующими уровнями плотности серого цвета, шкала которых приведена в нижней части рисунка.

Исправленные геомагнитные координаты обсерваторий, данные которых были использованы в LT-UT диаграмме, приведены в таблице 1.

В дополнение к морфологическому анализу магнитной бури 24.03.91 г. был проведен спектральный анализ вариаций в H-компоненте методом SOMPI [8-11]. В отличие от традиционных методов спектрального анализа, предполагающих разложение временного ряда на гармоники с постоянной амплитудой, SOMPI позволяет представить ряд в виде линейной комбинации конечного числа гармонических составляющих, амплитуды которых убывают или возрастают по экспоненциальному закону[11]. В общем случае некоторые из составляющих могут описываться моделью чисто экспоненциально убывающих или возрастающих амплитуд.

Исследование динамических характеристик спектров колебаний было выполнено методом узкополосной фильтрации, основанном на выделении гармонических составляющих из исходного сигнала   с помощью “гребенки” режекторных адаптивных фильтров.

По сравнению с традиционным СВАН-ом простота перестройки частоты адаптивного фильтра позволяет задавать произвольно выбранные значения частот выделямых гармонических составляющих и тем самым повысить разрешающую способность спектрально-временного анализа по частотам (периодам). Фильтр обладает практически неограниченной добротностью, что дает возможность разделять близкие по частоте гармоники.

На рис. 2 приведены полученные наиболее характерные динамические спектры колебаний в H-компоненте для обсерваторий BRW, CMO, SOD и LER в диапазоне периодов 10 - 50 мин. за интервал времени 03 - 09 UT.

В нижней части рисунка дана шкала относительных амплитуд гармоник в процентах от их максимального значения, которое приведено на соответствующих графиках динамических спектров для каждой из обсерваторий.

Характер магнитограмм H-компоненты обсерваторий LRV, SOD, LER и NUR и ряда других обсерваторий показывает, что в период 02 - 08 UT в ночном секторе западная струя располагалась на геомагнитной широте ~650 - 670, а в утреннем секторе опускалась до широты ~560. В частности, возмущения связанные с западной струей наблюдались на обсерваториях LOV и STJ. В целом можно отметить, что западная электроструя регистрировалась в период ~02 - 07 UT и существовала в ночном и утреннем секторах (~02 - 08.30 MLT), занимая по широте диапазон 56 - 670N. Долготная протяженность западной струи, оцененная по записям H-компоненты и LT-UT диаграмме (Рис. 1) составляла около 1000.

Анализ восточной электроструи проводился по записям H-компоненты обсерваторий, расположенных на геомагнитных широтах ~600 - 700N. Было установлено, что морфологически подобные возмущения регистрировались на обсерваториях BRW, CMO, SIT, MEA и TIK, в диапазоне исправленных геомагнитных долгот ~1950 - 3050. Таким образом протяженность по долготе восточной струи составила не менее 1100. Анализ записей H-компоненты для обсерваторий BRW и CMO показывает, что в интервале времен ~03.40 - 06 UT здесь наблюдались резкие иррегулярные возмущения, которые морфологически могут быть отнесены к возмущениям типа II по классификации, предложенной в работе [3]. В целом можно отметить, что струя возникла около ~03.40 UT и развивалась в вечернем секторе (~14 - 21 MLT), в диапазоне широт ~60 - 700N. Восточная струя наблюдалась и далее в ночном секторе, опускаясь до широт ~570N, но здесь она уже не сопровождалась такими интенсивными колебаниями.

Характер пульсаций в H-компоненте для идентификации особенностей как восточной так и западной электроструй был исследован методом спектрально-временного анализа в диапазоне периодов Т=10 - 50 мин.

Из LT-UT диаграммы рис. 1 видно, что восточная струя регистрировалась в обсерваториях BRW в период ~03.40 - 05 UT и CMO - ~04 - 07.30 UT. Анализ динамических спектров в этих обсерваториях показывает (Рис. 2а), что для них в H-компоненте характерны колебания в диапазоне периодов Т=~12 - 24 мин. Интенсивность спектральных максимумов быстро нарастает с течением времени и столь же быстро спадает. Время нарастания и, соответственно, спада максимума не превышает 15 мин. Отмечается также смещение спектрального максимума в область частот от Т=36 до 44 мин, где он наблюдается в течение достаточно продолжительного времени (до 3 ч. и более).

Под влиянием интенсивной западной электроструи (Рис. 1) находились обсерватории SOD в период ~04 - 05 UT и LER - ~04.30 - 05.30 UT. В этих обсерваториях регистрируются колебания в более широком спектре периодов Т=16 - 40 мин, со спектральным максимумом в диапазоне ~20 - 30 мин (Рис. 2б). Как и в обсуждаемой выше восточной струе, эти колебания характеризуются быстрым нарастанием амплитуды (~10-15 мин), но значительно более медленным ее спадом (~30-60 мин), с одновременным смещением спектрального максимума в область периодов Т=~25 - 36 мин.

Наряду со спектрально-временными были исследованы также частотно-временные и амплитудные характеристики вариаций в диапазоне периодов 16 - 45 мин. для интервала времени 03.40 - 07 UT. Для взаимного сравнения частотных характеристик возмущений, связанных с восточной струей, для обсерваторий МEA, SIT, CMO и TIK методом SOMPI были посчитаны амплитуда, инкремент затухания, частота и фаза гармонических составляющих, удовлетворительно аппроксимирующих наблюдаемые временные ряды возмущений и выделены наиболее значимые составляющие. Полученные значения параметров значимых составляющих представлены в таблице 2.

Для обсерваторий, находящихся ближе к местной магнитной полуночи (МEA, SIT и CMO), устойчиво выделяются две гармоники, близкие по своим периодам. Первая - с периодом ~41 - 44 мин, вторая - ~20 - 23 мин. Для обсерватории TIK, находящейся ближе к местному вечеру, характерной является гармоника с периодом ~31 мин.

Кроме анализа частотных характеристик вариаций с помощью метода SOMPI было проведено сопоставление амплитудно-мощностных характеристик вариаций восточной и западной электроструй. Для  анализа были выбраны магнитограммы H-компоненты обсерваторий: CMO, находящейся под  восточной струей, и SOD - под западной струей.

Предварительно данные были обработаны нерекурсивным косинусным фильтром с полосой пропускания 8 - 75 мин. Далее методом SOMPI были рассчитаны параметры гармонических составляющих, наилучшим образом аппроксимирующих отфильтрованный временной ряд.

Затем были проанализированы мощностные характеристики значимых частотных составляющих в наблюдаемых вариациях для восточной и западной  электроструй. В качестве мощностных характеристик были приняты средняя плотность мощности (MPD) и квадрат начальной амплитуды соответствующей гармоники.

Следует отметить, что если квадрат начальной амплитуды гармоники характеризует ее вклад в начале возмущения, то средняя плотность мощности  дает интегрированную оценку за весь интервал анализа.

Полученные значения средней плотности мощности MPD и квадратов начальных амплитуд гармонических составляющих представлены в таблице 3.

Примечание: Знак (-) в таблице означает отсутствие гармоники соответствующего периода.

Анализ методом SOMPI показал, что в диапазоне периодов T ~16 - 40 мин. спектральные характеристики вариаций, связанных, как с западной, так и с восточной электроструями, достаточно близки. Однако, как следует из Табл. 3, соотношения MPD и квадратов начальных амплитуд гармоник заметно различны для обсерваторий, находящихся, соответственно, под восточной и западной струями. Так, в диапазоне периодов 16 - 40 мин. можно выделить два поддиапазона, граница между которыми находится в области ~24 мин.

В интервале времен ~04 - 06 UT в обсерватории CMO (~16 - 18 MLT) под восточной струей MPD и квадрат начальной амплитуды гармоники с периодом 34 мин. существенно меньше, чем у гармоник с периодами 23 и 19 мин., а в обсерватории SOD (~06 - 08 MLT) под западной струей MPD и квадрат начальной амплитуды гармоник с периодами 34 и 27 мин. заметно превышают соответствующие характеристики гармоник с периодами 19 и 16 мин.

Морфологический анализ магнитограмм H-компоненты по имеющейся базе данных показал, что во время магнитной бури 24.03.91 наблюдалась токовая система, соответствующая, в общих чертах, схеме [1]. Однако, в ней отмечены существенные искажения, которые, в первую очередь, коснулись долготной протяженности электроструй и их положения вдоль круга широты.

Установлено, что в рассматриваемом случае восточная струя представляла собой достаточно однородный по частотным характеристикам ионосферный ток значительной долготной протяженности, не менее 1100. В то же время, по магнитограммам H-компонент обсерваторий BRW и CMO (Рис. 2а) видно, что восточная электроструя характеризовалась резкими иррегулярными колебаниями, которые наблюдались в течение достаточно продолжительного времени ~2 час. Все это, вместе взятое, позволяет предположить, что иррегулярные колебания в H-компоненте под влиянием восточной электроструи не связаны с прохождением меридиана втекания продольного тока, а вызваны суббуревыми взрывными процессами в магнитосфере.

Проведенный методом SOMPI анализ вариаций на обсерваториях, где одновременно наблюдаются восточная и затекающая из утреннего сектора западная струи, показывает наличие значимых частотных составляющих с близкими периодами, без какого-либо существенного различия в спектральных характеристиках возмущений в восточной и западной электроструях. Более полную информацию дает анализ динамических спектров регистрируемых колебаний.

Например, можно предположить, что колебания с периодом ~41 мин., наблюдавшиеся в спектре H-компоненты обсерватории CMO (Табл. 2), были вызваны влиянием западной электроструи. Анализ динамического спектра CMO (Рис. 2а) подтверждает, что колебания в диапазоне периодов T ~36 - 42 мин. стали интенсивными не ранее 06 UT,  когда в соответствии с LT-UT диаграммой (Рис. 1) обсерватория могла войти в зону действия западной электроструи.

Проведенные исследования спектрально-временных характеристик системы эквивалентных токов в период большой магнитной бури позволяют утверждать, что несмотря на общее подобие спектров колебаний в восточной и западной электроструях, каждая из них является независимо существующим элементом токовой системы со своими характерными периодами колебаний.

Анализ спектров возмущений по данным обсерваторий, находящихся под воздействием восточной струи в интервале 04 - 06 UT (~16 - 18 MLT) показывает наличие более короткопериодных колебаний с периодами 16 - 24 мин., характерных для суббуревых взрывных процессов [14, 15]. Это дает основания полагать, что колебания в восточной струе вызваны взрывными процессами в магнитосфере, а не магнитосферной конвекцией.

Исходя из представлений о тесной взаимосвязи частотно-временных характеристик западной электроструи с динамикой суббури [16-18], можно предположить, что характеристики восточной струи во время магнитной бури 24.03.91 г. также определялись динамикой суббуревых возмущений. В пользу этого предположения свидетельствует наличие периодов T ~30 - 45 мин. как в западной, так и в восточной токовых струях.

Большой интерес представляют различия в соотношениях амплитудных (мощностных) характеристик отдельных частотных составляющих в диапазоне периодов 16 - 40 мин., наблюдаемые на обсерваториях, находящихся под воздействием различных электроструй. Тот факт, что для восточной струи преобладают значения MPD и квадратов начальных амплитуд частотных составляющих с периодами 16 - 23 мин.,  а для западной  струи  MPD  и квадраты  начальных  амплитуд  составляющих с периодами 27 - 40 мин. может быть положен в основу идентификации восточной и западной струй по их амплитудно-частотным характеристикам в периоды больших магнитных бурь.

1. На примере события 24.03.91 показано, что во время больших магнитных возмущений эквивалентная токовая система существенно изменяется - увеличивается долготная протяженность электроструй и наблюдается смещение к югу западной электроструи в утреннем секторе и восточной электроструи в послеполуночном секторе

2. Подтверждено, что в период большой магнитной бури возможно существование в вечернем секторе восточной электроструи, сопровождающейся интенсивными иррегулярными короткопериодными колебаниями, характерными для суббуревых взрывных процессов в магнитосфере.

3. Проведенные исследования спектрально-временных характеристик системы эквивалентных токов показали, что в период большой магнитной бури восточная и западная электроструи остаются независимыми элементами токовой системы со своими характерными периодами колебаний в диапазонах 16 - 24 мин. для восточной струи и 27 - 40 мин. - для западной.

1. Зайцев А. Н. Исследования в Арктике и Антарктике // Электромагнитные и плазменные процессы от Солнца до ядра Земли. М.: Наука, 1989. С.315-327.

2. Grafe A. The eastward electrojet and magnetospheric substorm // Структура и динамика полярных токовых систем. Апатиты, изд. Кольского филиала АН СССР, 1987. С.57-69.

3. Вещезеров В. В., Зайцев А. Н. Два типа восточной электроструи // Тез. докл. Международного Симпозиума "Полярные геомагнитные явления" (Суздаль, 25-31 мая 1986 г.). М.: Наука, 1986. С.124-125.

4. Grafe A. Eastward electrojet and electron precipitation // IMAGE Newsletter. 1995. No. 3. P. 2-4.

5. Тверская Л. В., Хорошева О. В. Об искажающем влиянии ионосферных полярных электроструй на Dst-вариацию // Геомагнетизм и аэрономия. 1983. Т. 23. N 4. С. 605-611.

6. Клейменова Н. Г., Козырева О. В., Зайцев А. Н., Одинцов В. И. Геомагнитные пульсации Pc5 на глобальной сети обсерваторий в магнитную бурю 24 марта 1991 г. // Геомагнетизм и аэрономия. 1996. Т. 36. N 1. С. 52-61.

7. Araki T., Fujitani S., Yumoto K., et al. Anomalous Sudden Commencement on March 24, 1991 // GBRSC News. 1994. V. 4. No. 1. P. 6-7.

8. Hori S., Fukao Y., Kumazawa M., et al. A new method of spectral analysis and its application to the Earth’s free oscillations: The "Sompi" method // J. Geophys. Res. 1989. V. 94. No. B6. P. 7535-7553.

9. Kumazawa M., Imanishi Y., Fukao Y., et al. A theory of spectral analysis on the characteristic property of a linear dynamic system // Geophys. J. Int. 1990. V. 101. P. 613-630.

10. Matsuura T., Imanishi Y., Imanari M., Kumazawa M. Application of a new method of high-resolution spectral analysis, "Sompi", for free induction decay of nuclear magnetic resonance // Applied Spectroscopy. 1990. V. 44. No. 4. P. 618-626.

11. Иванов В. В., Ротанова Н. М. Спектральный метод "Sompi" и его практическое использование в анализе модельных и измеренных временных рядов // Геомагнетизм и аэрономия. 1996. Т. 36, N 1. С. 127-135.

12. Уидроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов. М.: Радио и связь, 1989. 440 с.

13. Уидроу Б., Гловер Д., Маккул Д., и др. Адаптивные компенсаторы помех. Принципы построения и применения // ТИИЭР. 1975. Т. 63. N 12. С. 69-98.

14. Зайцев А. Н., Иванов В. В. Частотно-временные характеристики геомагнитных возмущений с периодами 1 - 30 мин. // Геомагнетизм и аэрономия. 1995. Т. 35, N 4. С. 165-169.

15. Иванов К. Г., Зайцев А. Н., Одинцов В. И. Структура и природа спектров геомагнитного поля очень больших магнитных бурь (13-14.03.89 г. и 08-09.11.91 г.) // Геомагнетизм и аэрономия. 1993. Т. 33, N 2. С. 145-150.

16. Акасофу С. И. Полярные и магнитосферные суббури. М.: Мир, 1971. 317 с.

17. Kamide Y. Recent progress in observational studies of electric fields and currents in the polar ionosphere: A review // Antarctic Records. 1979. No. 63. P. 61-231.

18. Kamide Y. Electrodynamic processes in the Earth's ionosphere and magnetosphere. Kyoto: Kyoto Sangyo University Press, 1988. 756 p.