Геомагнетизм и аэрономия. 1998. Т. 38. № 2. С. 74 - 84.

Ю. П. Цветков, А. Н. Зайцев, В. И. Одинцов, Чыонг Куанг Хао

СОПОСТАВЛЕНИЕ МАГНИТНЫХ ВАРИАЦИЙ В ЭКВАТОРИАЛЬНОЙ ЗОНЕ И ПОЛЯРНОЙ ШАПКЕ ДЛЯ МАГНИТНОЙ БУРИ 13 МАРТА 1989Г.

Рассмотрены процессы развития магнитной бури 13.03.89 г. по данным наблюдений в полярной шапке и на экваторе. Анализ данных меридиональной цепочки пунктов наблюдений геомагнитного поля и попарных разностей поля сопредельных пунктов показал кардинальное различие в геомагнитных вариациях на дневной и ночной сторонах Земли. Для ночной стороны характерны вариации, имеющие незначительные пространственные градиенты на средних и низких широтах и не коррелирующие с вариациями в полярной шапке. Для дневной стороны существует связь вариаций от полярной шапки до экватора по контуру DP2-токов. В это же время в экваториальной ионосфере возникает ток западного направления, частично или полностью компенсирующий магнитное поле экваториальной электроструи.

Среди малоизученных причин изменчивоcти экваториальной солнечно-суточной вариации немаловажную роль играет планетарная геомагнитная возмущенность [1-3]. В возмущенных условиях экваториальная солнечно-суточная вариация имеет пониженную амплитуду по сравнению с характерной для магнитоспокойных дней [4]. На экваториальные солнечно-суточные вариации в эти периоды, как правило, бывают наложены возмущения типа бухтообразных, которые обычно связываются с полярными суббурями [5]. В качестве одного из вероятных источников бухтообразных возмущений в низких широтах является затекание полярных токов в экваториальную ионосферу [6].

В [7] показано, что по прямым радарным измерениям прослеживается наличие быстрой реакции экваториальной ионосферы на изменения характера возмущений в высоких широтах, контролируемых межпланетным магнитным полем (ММП). Однако, во время больших магнитных бурь этот контроль не всегда единственный. В магнитосфере под воздействием солнечного ветра и ММП начинают работать свои механизмы генерации токов и возмущений со своим временным ходом. Для них характерны появление и развитие токовых систем, не связанных напрямую с солнечным ветром, таких как DR-ток и полярные электроструи типа DP1 и DP2. В эти периоды связь экватор-полярная шапка по схеме DP1- и DP2-токов можно проследить на ночной и дневной сторонах Земли  в соответствии с пространственно-временным расположением контуров токов. Роль процессов, влияющих на изменчивость экваториальных солнечно-суточных вариаций, как на основном, так и на более коротких периодах, можно оценить в периоды больших магнитных бурь, когда эффекты магнитной активности проявляются наиболее ярко по сравнению с другими причинами этой изменчивости.

Эффект связи между возмущениями в полярной шапке и на экваторе был подробно исследован в работах А. Нишиды и его коллег [8], где было показано существование глобальных токовых систем DP2, охватывающих дневное полушарие. Возмущения DP2 были обнаружены и описаны для случаев низкой магнитной активности, но при южной компоненте межпланетного магнитного поля. Для случаев больших магнитных бурь проследить распространение возмущений DP2 до экватора не удавалось.

Экстремально большая магнитная буря 13 марта 1989 г. [9] оказалась удобной для исследования вариаций в экваториальной эоне на меридиане ~108 E, пересекающем территорию Вьетнама, т.к. ее внезапное начало и активная фаза Dst-вариации пришлись здесь на дневное время и совпали с существованием экваториальной электроструи. Имеющиеся экспериментальные данные дали возможность исследовать экваториальную электрострую в связи с процессами магнитной бури в экваториальной ионосфере для всех типов возмущений, т.е. при DCF-, DR- и DP-вариациях. Настоящая статья посвящена анализу вопросов взаимосвязи геомагнитных вариаций в полярной шапке и на экваториальных широтах.

За весь период магнитной бури, начавшейся 13.03.1989 г., на территории Вьетнама велись синхронные наблюдения с помощью двух протонных магнитометров. Один из магнитометров располагался в полевом пункте наблюдений Дананг, второй - в обсерватории Далат. Измерения велись с погрешностью порядка 1 нТл и периодичностью 2 мин. Вследствие малости геомагнитной широты пунктов наблюдений (~4 N), измеряемый модуль магнитной индукции и Н-компонента геомагнитного поля практически эквивалентны друг другу [10]. Из сравнения записей магнитометров с моделью экваториальной электроструи следует [11], что пункт Далат находился под северным ее краем, а пункт Дананг - вне зоны действия электроструи.

Для анализа геомагнитных вариаций были отобраны данные следующих обсерваторий и временных пунктов, исправленные геомагнитные координаты которых приведены в Таблице.

На рис. 1 приведены магнитограммы Н-компонент геомагнитного поля рассматриваемых обсерваторий, разности Н-компонент в пунктах Далат и Дананг (разностное поле) и Dst-вариация с 13 по 15 марта 1989 года.

Рис. 1. Магнитограммы Н-компоненты геомагнитного поля в полярной шапке (Туле и Алерт) - (а), в экваториальной зоне (Далат и Дананг), средних широтах (Каноя) и DST-вариация - (б) и разность Н-компонент Далат - Дананг (разностное поле) - (в) за 13 - 15 марта 1989 г.

Пунктиром на рис. 1в показан вид невозмущенной H, характерной для сезона равноденствия 1989 г. Магнитная буря началась с SC в 01.27 UT 13.03.89 г. Максимальное значение Dst-вариации превышало 550 нТл.

В работе [11] сделан вывод о том, что вид Н-вариаций магнитного поля в различных пунктах, расположенных под экваториальной струей, однотипен, а их амплитуда изменяется пропорционально удаленности местоположения пункта от проекции центральной линии струи на земную поверхность [11]:

Из выражения (1) следует, что пункт наблюдений может быть расположен в произвольном месте под экваториальной струей - от ее центра до края, и по вариациям в одном пункте можно ориентировочно судить о вариациях на профиле, секущем экваториальную струю. Пункт Далат удовлетворяет условиям, характеризующим его как экваториальный [11]. Анализ данных наблюдений показал, что амплитуды магнитных (солнечно-суточных и бухтообразных) вариаций в H-компоненте в дневное время в Далате и Дананге отличаются в ~ 1,5 раза.

Начальная фаза магнитной бури 13 марта полностью совпала по времени с существованием экваториальной струи над территорией Вьетнама. Анализ магнитограмм, приведенных на рис. 1б, позволяет сделать вывод о том, что вариация геомагнитного поля в экваториальных широтах на начальной фазе развития магнитной бури представлена суммой полей DCF- (токи на поверхности магнитосферы) и Sq-вариаций. Эффект ионосферных источников виден в разностном поле на рис. 1в, поскольку расстояние между пунктами наблюдений Далат и Дананг одного порядка с расстоянием до ионосферных источников поля. В то же время в H практически отсутствует информация об эффектах магнитосферного происхождения из-за удаленности магнитосферных источников от пунктов наблюдений.

Анализируя рис. 1 (а и б) видим, что отклик магнитной бури не сразу появился в экваториальной ионосфере. Первый всплеск DCF-вариации около 02.00 UT (09.00 LT) 13 марта на магнитограммах Н-компоненты и разностного поля имел общепланетарный характер и, видимо, был связан с удаленным от Земли источником, поскольку он слабо проявился в разностном поле. Спустя 1 - 1,5 часа после SSC в разностном поле на фоне DCF-вариации наблюдается отклик, который ассоциируется с источником, расположенным в экваториальной ионосфере. С этого момента и далее в дневное время (с ~10 и до 18 LT) наблюдается взаимное подобие вариаций полного и разностного низкоширотных магнитных полей, которое затем уменьшается и полностью исчезает около 21 UT (04 LT). Начиная с 21.30 и до 01 UT 14 марта на магнитограммах Н-компоненты низко- и среднеширотных обсерваторий (рис. 2б) отмечаются колебания с периодом ~1 час, довольно значительной амплитуды более 150 нТл, а в полярной шапке (рис. 2а) - с периодом ~2 часа, отсутствующие в разностном поле (рис. 2в).

С 01 UT (08 LT) 14 марта снова наблюдается взаимное подобие полного и разностного низкоширотных магнитных полей. Это подтверждает тот факт, что источник ночных геомагнитных вариаций имеет внеионосферное происхождение, в то время как источник большей части дневных вариаций находится в ионосфере.

13 марта процессы магнитной бури носили более короткопериодный и более интенсивный характер по сравнению с невозмущенной экваториальной солнечно-суточной вариацией. Это привело к эффекту маскирования самой вариации, а ее дополнительное уменьшение во второй половине дня совпало с развитием DR-токов.

На следующие сутки 14 марта в дневное для Вьетнама время (08 - 15 LT), когда Dst-вариация была близка к максимальной, на фоне пониженного значения поля DR-вариации на магнитограммах Далата, Дананга и Каноя можно выделить Sq-вариацию (рис. 1б). Однако в разностном поле (рис. 1в) солнечно-суточная вариация практически не заметна. Отметим, что в это время экваториальная ионосфера находилась в активном состоянии и зона высокой электропроводимости в ней существовала, на что указывает обычное для Далата усиление бухтообразных вариаций в 1,5 раза по сравнению с Данангом (рис. 1б). Отсутствие в разностном поле эффекта Sq-вариации можно объяснить затеканием в экваториальную ионосферу за счет магнитосферно-ионосферных связей [12] части DR-токов западного направления, компенсирующих поле тока экваториальной струи восточного направления. Это происходит, по-видимому, потому, что вдоль сечения экваториальной струи по меридиану наблюдений, как профиль ионосферного тока, создающего экваториальную солнечно-суточную вариацию, так и аналогичный профиль индуцированных в ионосферу DR-токов, обусловлены в пространстве и во времени одним и тем же профилем проводимости экваториальной ионосферы [13]:

(2)

Таким образом, токи в сечении экваториальной струи соответствуют распределению (2) проводимости по профилю и, следовательно, имеют одинаковую между собой форму разнонаправленных и, как предполагается для этой бури, близких по величине амплитуды профиля Sq-тока и проникшей в ионосферу части DR-токов.

На меридиане Вьетнама (~108 E) экваториальная солнечно-суточная Sq-вариация была скомпенсирована по всему профилю поперечного сечения экваториальной струи в течение дня 14 марта 1989 г. При этом величина тока DR-вариации, наведенного в экваториальной ионосфере, была примерно равна величине тока экваториальной струи для спокойной экваториальной магнитной вариации. Подтверждением сказанному служит постепенное увеличение солнечно-суточной вариации в последующие двое суток (15 - 16 марта 1989 г.), по мере распада DR-токов - самых долгоживущих последствий магнитной бури. Сама возможность проникновения кольцевого тока геомагнитных возмущений в экваториальную ионосферу была показана рядом исследователей [14-16].

Отметим различие геомагнитных вариаций, наблюдавшихся в утреннее и дневное время в интервале главной фазы бури с ~21 UT 13 марта до ~08 UT 14 марта, для высоких, средних и низких широт (рис. 2). По вариациям разности H в Далате и Дананге (рис. 2в) можно выделить два итервала, относящихся к утреннему и дневному времени. Первый - с 21 UT 13 марта до 00 UT 14 марта (04 - 07 LT), когда корреляция между геомагнитными вариациями в обс. Алерт и Далат и разностным полем отсутствует, и второй - с 00 UT до 08 UT 14 марта (07 - 15 LT), когда наблюдается достаточно четкая корреляция. В это время с ~00 UT (07 LT) обычно отмечается появление экваториальной струи над территорией Вьетнама.

Отфильтрованные в полосе периодов 4 - 60 минут вариации с ~21 UT 13 марта до ~08 UT 14 марта приведены на рис. 3.

Начиная с ~01 UT и до 07.30 UT 14 марта наблюдается хорошее сходство отфильтрованных колебаний в обс. Алерт и Туле и разностном поле, с точностью до фазы колебаний, но их амплитуда в Далате и Туле в ~4 раза меньше, чем в Алерте. Около 01.20 UT (07.20 LT) 14 марта в разностном поле (рис. 3в)  отмечается момент возникновения колебаний, который связан, видимо, с появлением экваториальной струи. По мере развития тока струи период колебаний увеличивается, что хорошо видно в Далате и Алерте. На рис. 3б для Далата можно выделить три интервала: в 00 - 01 UT - колебания с периодами 10 - 20 мин.; в 01 - 03.30 UT - 20 - 30 мин. и в 04 - 06 UT - 30 - 45 мин.

Результаты спектрально-временного анализа вариаций в Н-компонентах Алерта и Далата и разностном поле (динамические спектры)  показаны на рис. 4.

Можно выделить несколько моментов времени, когда сходные по спектральному составу колебания присутствуют одновременно в Алерте и Далате. В 01.30 - 02.10 UT наблюдаются очень интенсивные колебания в диапазоне T ~ 6-16 мин. с максимальными амплитудами 25-30 нТл в Далате, 100-120 нТл в Алерте и 13-15 нТл в ?H. Период колебаний к 02.40 UT постепенно увеличивается до ~37-42 мин. В 02.10 - 03.30 UT в Далате и Алерте отмечаются колебания с T ~ 20-45 мин., среди которых можно выделить две характерные полосы: 25-30 и 36-42 мин.

И, наконец, в 04.10 - 07.00 UT в Алерте, Далате и в разностном поле одновременно наблюдаются очень интенсивные колебания в диапазоне периодов T ~ 15-47 мин., среди которых можно выделить четыре полосы: 5-15 мин. в 04.00 - 05.10 UT, 18-28 мин. в 04.10 - 05.20 UT, 32-37 мин. в 04.20 - 06.00 UT и 40-46 мин. в 04.30 - 06.30 UT.

Наблюдаемые подобия спектрально-временных характеристик колебаний в Н-компоненте в Туле и Далате носят не такой регулярный характер, как в Алерте и Далате. На наш взгляд, такая особенность может быть связана с формой токовой системы DP2, которая охватывает часть полярной шапки и экваториальные широты и служит для передачи колебаний из околополюсных в экваториальные широты.

В условиях слабо возмущенной солнечно-суточной вариации 15 марта подобие колебаний в Алерте и Далате носит менее выраженный характер, чем в фазе восстановления. Можно отметить лишь наличие интенсивных колебаний с периодами 6-16, 30-35, 36-42 и 42-48 мин. в Далате (и, частично, в Алерте) с самого начала формирования экваториальной струи в течение примерно 3,5 час., которые затем плавно переходят в диапазон 54-60 мин. и наблюдаются в обоих обсерваториях все время, пока существует электроструя.

Из рассмотренных экспериментальных данных следует, что связь между возмущениями в полярной шапке и на экваторе прослеживается во все периоды магнитной бури, но наиболее четко во время существования экваториальной электроструи, т.е. в местное дневное время.

Попытки объяснить характер связи полярная шапка-экватор привели к двум схемам. С одной стороны, имеется тонкая проводящая оболочка - ионосфера, по которой текут токи растекания из полярных областей. Для изолированных суббурь, проявляющихся в виде хорошо очерченных бухтообразных возмущений вдоль выбранного меридиана, удается проследить их развитие на всех широтах от зоны полярных электроструй до экватора.

С другой стороны, в магнитосфере имеются продольные токи, которые замыкают электрическую цепь от внешних источников на те же полярные электроструи. При этом из-за топологии геомагнитного поля можно ожидать проявления этих токов на среднеширотных и экваториальных магнитограммах. Однако, убедительного экспериментального подтверждения пока не получено.

Вместе с тем, нужно отметить, что модели с включением токов вдоль силовых линий и частичного кольцевого тока, весьма популярны и являются почти общепризнанными. Построение моделей магнитосферной конвекции, включающих все ключевые области магнитосферы как внешние ее части, так и хвост с токами утро-вечер, перенос полей вдоль силовых линий на полярную шапку укладываются в простую схему, согласующуюся с наземными наблюдениями.

Это согласие, к сожалению, не учитывает нескольких моментов. Во-первых, кроме западной струи, формирующийся под действием полей в хвосте магнитосферы, имеется восточная струя, не включаемая в эту схему. Во-вторых, характер и морфологические признаки возмущений на экваторе показывают, что они контролируются проводимостью ионосферы, а их изменчивость также подтверждает, что они текут на небольшом удалении от Земли т.е. на высотах ионосферы (кривая H на рис. 3в).

Таким образом быстроменяющиеся, с большим пространственным градиентом возмущения не связаны с токами вдоль силовых линий, если такие имеются во время магнитной бури. Это же замечание относится и к попыткам найти влияние кольцевого тока. С учетом большого пространственного разноса DR-тока и его большого удаления от поверхности Земли, не менее 3-4 радиусов, трудно ожидать, что быстрые изменения в возмущениях на базе в несколько сот километров вызваны вариациями в интенсивности кольцевого тока, даже с учетом его свойства иметь частичный кольцевой ток. Представляется возможной реализация схемы, когда формируется интенсивный токовый слой в полярной шапке с токами растекания по всему освещенному полушарию, покрытому тонкой проводящей ионосферой.

Передача колебаний по схеме полярная шапка - экватор в дневное время существует за счет токов DP2. В [11] показано, что состояние экваториальной дневной ионосферы медленно релаксирует в вечерние и ночные часы, вплоть до предутренних, что способствует передаче колебаний из полярной шапки за счет затекания токов DP2 с дневной стороны на вечернюю. Этим можно объяснить корреляцию вариаций, наблюдавшуюся вплоть до 21 UT (04 LT) 13 марта.

1. Во время большой магнитной бури токи Sq-, DCF-, DR- и DP- вариаций проникают в экваториальную ионосферу и усиливаются в экваториальной зоне в фазе, аналогичной фазе внешней по отношению к этой зоне вариации. Это усиление происходит в соответствии с электрической проводимостью экваториальной ионосферы.

2. Токи, создающие экваториальную солнечно-суточную вариацию не нарушаются во время очень большой магнитной бури, а суперпозиция полей Sq, DCF-, DR- и DP-токов, проникающих в экваториальную ионосферу, создает эффект искажения и уменьшения этой вариации.

3. DR-токи магнитной бури 13.03.1989 г. в период с 00 до 08 UT 14 марта проникли в экваториальную ионосферу в такой мере, что полностью скомпенсировали поле экваториальной струи, создающее экваториальную солнечно-суточную вариацию.

4. Показано, что во время магнитной бури 13.03.1989 г. геомагнитные возмущения в полярной шапке наблюдались в дневные часы и на экваторе вероятно благодаря наличию ионосферных токов растекания.

Авторы выражают свою признательность и благодарят T. Iyemori, (Мировой центр данных по геомагнетизму С2, Киото, Япония) за предоставленную возможность доступа к цифровым 1-минутным геомагнитным данным по сети ИНТЕРНЕТ.

1. Batista Inez S., De Paula E. R., Abdu M. A., Trivedi N. B. Ionospheric effects of the march 13. 1989, magnetic storm at low and equatorial latitudes // J. Geophys. Res. A. 1991. V. 96. No. 8. P. 13943-13952.

2. Somayajilu V. V., Reddy C. A., Viswanthan K. S. Simultaneous electric field changes in the equatorial electrojet in phase with polar cusp latitude changes during a magnetic storm // Geophys. Res. Lett. 1985. V. 12. No. 7. P. 473-475.

3. Abdu M. A., Sobral J. H. A., De Paula E. R., Batista I. S. Magnetospheric disturbance effects on the Equatorial Ionization Anomaly (EIA): An overview // J. Atmos. and Terr. Phys. 1991. V. 53. No. 8. P. 757-771.

4. Mukunda Rao M., Sethuraman R., Alamelu V. Equatorial electrojet reversals during severe magnetic storms // Indian J. Radio Space Phys. 1985. V. 13. No. 2. P. 71-73.

5. Яременко Л. Н. Солнечные геомагнитные вариации. Киев: Наук. думка, 1992. 138 с.

6. Яременко Л. Н. Экваториальный струйный электроток. Киев: Наук. думка, 1970. 116 с.

7. Reddy C. A. The Equatorial Electrojet // Pure and Appl. Geophys. 1989. V. 131. No. 3. P. 485-508

8. Nishida A., Kokubun S. New Polar Magnetic Disturbances: Sqp, SP, DPC and DP 2 // Rev. Geophys. and Space Physics. 1971. V. 9. No. 2. P. 417-425.

9. Rich F. J., Dening W. F. The major magnetic storm of March 13-14, 1989 and associated ionosphere effects // Can.  J.  Phys. 1992. V. 70. No. 7. P. 510-525.

10. Ротанова Н. М., Цветков Ю. П., Нгуен Тхи Ким Тхоа, Хоанг Чонг Ли. Солнечно-суточные вариации, магнитный экватор и центральная линия электроструи по геомагнитным наблюдениям на территории Вьетнама // Геомагнетизм и аэрономия. 1992. Т. 32. N 2. С. 141-146.

11. Ротанова Н. М., Цветков Ю. П., Хоанг Чонг Ли, Чыонг Куанг Хао. Особенности магнитного поля экваториальной электроструи и системы Sq для региона Юго-Восточной Азии // Геомагнетизм и аэрономия. 1994. Т. 34. N 2. С. 137-142.

12. Zhang D. Y., Cole K. D. The distribution of electric field and current around a column of electric current from the magnetosphere // ANARE Res. Notes. 1987. No. 48. P. 170-175.

13. Onwumechili C. A., Ozoemena P. C., Agu C. E. Londmark values of equatorial electrojet current and magnetic field along a meridian near noon // J. Geomag. Geoelectr. 1989. V. 41. No. 5. P. 443-459.

14. Замай С. С. Проникновение авроральных электрических полей и токов в экваториальную ионосферу во время суббури // Геомагнетизм и аэрономия. 1989. Т. 29Б. N 1. С. 127-130.

15. Захаров В. Е., Никитин М. А., Смирнов О. А. Отклик электрических полей на низких широтах на действие магнитосферного источника // Геомагнетизм и аэрономия. 1989. Т. 29. N 3. С. 381-388.

16. Shen Chang-Shon, Zi Min-Yun. Kougjian kexue xuebao // Chin. J. Space Sci. 1995. V. 15. No. 3. P. 239-244.