Введение к работе
I. Актуальность диссертационного исследования
В диссертации исследуются геомагнитные пульсации частотного диапазона РсЗ-4 (периоды от 10 до 150 с) в полярной шапке Антарктики. Общенаучное значение изучения геомагнитных пульсаций определяется тем фактом, что эти волны возбуждаются в результате неустойчивостей плазмы' в околоземном пространстве. Исследуя пульсации, которые несут информацию о процессах в магнитосфере, ионосфере и солнечном ветре, можно изучать свойства плазмы в условиях, недостижимых на Земле, но характерных для ближнего космоса. Так, измерения параметров пульсаций диапазона РсЗ-4 на средних широтах оказались надежным средством для диагностики плотности магнитосферной плазмы.
В работе изучаются пульсации на высоких широтах - от
авроральных до близких к геомагнитному полюсу. Высокие широты
очень важны для солнечно-земной физики, так как в силу
особенностей топологии околоземного магнитного поля эти широты
геомагнитно сопряжены с пограничными областями и хвостом
магнитосферы, где происходят основные процессы взаимодействия
солнечного ветра (СВ) и межпланетного магнитного поля (ММП) с
магнитным полем Земли. Эти процессы носят нестационарный и
турбулентный характер, а существование естественных
магнитогидродинамических резонаторов и волноводов в
околоземной плазме приводит к квазипериодическому отклику на такое воздействие. Этот отклик формируется в диапазоне ультра-
низкочастотных (УНЧ) волн (периоды от 0.2 до 600 с), в который входят и РсЗ-4 пульсации. Поэтому на высоких широтах УНЧ волны в целом, и РсЗ-4 пульсации в частности, оказываются индикаторами влияния ММП и СВ на магнитосферу Земли.
До недавнего времени из-за тяжелых климатических условий в полярных шапках не проводилось регулярных геофизических измерений. Только в последнее десятилетие, благодаря созданию систем сбора информации, способных работать в автономном режиме цифровой регистрации в условиях Арктики и Антарктики, стали доступны данные длительных геомагнитных наблюдений в этих районах. Из-за преобладавшего мнения, что область полярной шапки является, по сравнению с авроральной областью или областью каспа, в геофизическом смысле «тихим» местом, морфологические свойства УНЧ волн на очень высоких широтах оставались весьма слабо изученными. Поэтому представляется важным исследовать характеристики РсЗ-4 пульсаций в области высоких широт Антарктики.
Целью исследования является установление морфологических свойств РсЗ-4 пульсаций в полярной шапке Антарктики и определение возможных физических механизмов их генерации;
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие основные задачи:
1. Изучить на отдельных примерах пространственные, частотные и поляризационные свойства пульсаций диапазона РсЗ-4 в полярной шапке Антарктики;
2. Основываясь на исследовании отдельных случаев, разработать
методику, позволяющую автоматически отделять пульсации от
геомагнитного шума, определять параметры пульсаций и создавать
базы данных пульсаций и шума;
-
С использованием полученных баз данных на статистическом уровне изучить на широтах от авроральных до приполюсных морфологические свойства РсЗ и Рс4 пульсаций, их взаимосвязи с параметрами ММП и СВ и с развитием суббури;
-
Исследовать данные синхронной регистрации РсЗ-4 пульсаций на антарктических станциях и в магнитосфере на спутниках CLUSTER;
Информационная база исследования включает многолетние данные геомагнитных вариаций, зарегистрированных цифровыми индукционными магнитометрами на сети антарктических станций. Карта с указанием станций приведена на рис. 1, координаты станций даны в таблице ниже. Были привлечены данные магнитометров и плазменных детекторов на спутниках CLUSTER, WIND и АСЕ. При анализе данных применялись расчетные модели магнитного поля магнитосферы Цыганенко-96 (Т-96) и ионосферы Земли IRI-90.
Рис. 1. Карта с указанием станций, данные которых были привлечены в диссертации. Сплошные линии относятся к геомагнитной системе координат, штриховые — к географической
Таблица исправленных геомагнитных координат станций. Первая строка - название станций, вторая — широта, третья — долгота
Научная новизна работы состоит в том, что:
- впервые экспериментально доказано существование квазимоно
хроматических пульсаций диапазона РсЗ-4 в полярной шапке, в
области проекций открытых силовых линий;
предложена новая методика, автоматически осуществляющая: (а) разделение волновых пакетов (пульсаций) и шумов; (б) параметризацию пульсаций как характеристиками самого волнового пакета, так и параметрами СВ и ММП, сопровождающих волновой пакет; (в) создание баз данных пульсаций и шума;
выявлены основные морфологические свойства РсЗ (периоды 10— 45 с) и Рс4 (периоды 45—150 с) пульсаций на широтах от аврора-льных до приполюсных и установлено, что по ряду морфологических признаков РсЗ и Рс4 вблизи полюса отличаются от пульсаций этих же диапазонов на более низких широтах; анализ морфологических свойств РсЗ-4 пульсаций выявил дополнительный канал распространения волновой энергии в высокие широты — проникновение через доли хвоста и мантию магнитосферы;
- впервые на статистически значимом уровне установлена
зависимость вероятности возбуждения высокоширотных РсЗ и Рс4
пульсаций от параметров СВ и ММП. Сделан вывод, что первичные
источники пульсаций диапазонов РсЗ и Рс4 разные, но для каждого
диапазона этот источник один на всех исследуемых широтах:
приведены доказательства в пользу гипотезы о том, что источник РсЗ
пульсаций — турбулентная область перед квазипараллельной
магнитосферной отошедшей ударной волной, в то время как Рс4 пульсации генерируются внутримагнитосферными процессами и развитием неустойчивости Кельвина-Гемгольтца.
— сопоставление спутниковых и наземных РсЗ-4 пульсаций
позволило впервые указать на возможность трансформации
магнитозвуковых колебаний в альвеновские волны в области
незамкнутых силовых линий.
Теоретическая значимость исследования состоит в том, что оно доказало существование квазимонохроматических пульсаций диапазона РсЗ-4 в области открытых силовых линий геомагнитного поля, где классическая теория возбуждения геомагнитных пульсаций -резонанс альвеновских колебаний на замкнутых силовых линиях - не применима. Таким образом, обнаружено физическое явление, не укладывающееся в рамки современных научных представлений.
Практическая значимость работы состоит в том, что:
— разработан пакет программ в среде MATLAB для
автоматического разделения во временных рядах шумов и сигналов,
определения параметров сигналов и их статистического анализа;
данный пакет может быть использован в других областях геофизики;
— созданные базы данных РсЗ и Рс4 пульсаций и шумов за
1996-2000 гг. в Антарктике могут применяться в исследованиях
геомагнитной активности в высоких широтах;
Достоверность результатов подтверждается тем, что они получены на очень большом статистическом материале с размером выборок от 103 до 10s событий при обработке значительного объема
\
данных — 10 станций за 1996-2001 гг. Надежное определение
закономерностей обусловлено также использованием современных
методов исследования: вейвлет-анализ, спектральный,
поляризационный и регрессионный анализы; оценкой достоверности закономерностей с помощью статистических тестов, а также применением современных численных моделей.
Личный вклад автора. Автору принадлежат: обработка первичных данных, заключающаяся в приведении к одному формату данных разных станций и разных лет; разработка методики автоматического разделения геомагнитных пульсаций и шумов; разработка программного обеспечения; адаптация для геомагнитных данных статистических тестов и методов; анализ и интерпретация результатов.
Основные результаты работы были представлены:
на 4-й (2002 г) и 6-й (2006 г) международных конференциях «Проблемы Геокосмоса» (Санкт-Петербург);
на 26-ом (2003 г) и 29-ом (2006 г) ежегодных семинарах «Физика авроральных явлений» (Апатиты);
на конференции «Авроральные явления и солнечно-земные связи» (Москва, 2003 г);
на 24-й конференции Международного Союза Геодезии и Геофизики (IUGG) (Япония, 2003 г);
на совместной конференции Европейского Геофизического Общества (EGS) и Американского Геофизического Союза (AGU) (Франция, 2003 г);
на 7-й международной конференции по суббурям (Финляндия, 2004 г);
на международной конференции по физике солнечно-земных связей (Иркутск, 2004 г).
По теме диссертации опубликовано 8 работ и 4 приняты к печати.
Структура и объем диссертационной работы.