Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Морфология устойчивых;, пульсаций Рс2 -4
1.1. Проблема классификации, пульсаций /?..
1.2. Основные.- характеристики и закономерности распределения средиеширотных устойчивых пульсации 7.
1.3. Зависимость параметров устойчивых: колебаний от магнитной активности
1.4. Период устойчивых, пульсаций и размеры: магнитосферы &
1.5*. Зависимость, периода и амплитуды устойчивых: пульсаций от скорости солнечного ветра
1.6. Зависимость периода и амплитуды Рс2-4 от плотности- солнечного ветра и динамического давленім ?7..
1.7. Связь периода пульсаций рс2-4 с напряженностью м.м.п А9.
1.8. Связь, направления межпланетного магнитного поля с режимом устойчивых колебаний, глобальная модуляция амплитуды, РсЗ Эффект "замирания" пульсаций ^9-.,
1.9. Циклические вариации периода и амплитуды разных типов устойчивых пульсаций
1.10. О соотношении в суточном ходе горизонтальных компонент геомагнитных пульсаций РсЗ-4
І.П.. Зависимость амплитуды и периода устойчивых колебании, от широты 6«...
I.12.Прогноз активности пульсаций в прикладных целях .Г& <
1.13.Обзор теоретических: представлений о механизмах генерации. РсЗ ж связь с экспериментальными данными
1.14.Наблюдение МГД-волн в солнечном ветре- перед фронтом магнитосферы.
Выводы к I главе
Глава II. Диагностика м.м.п.. и неоднородной структуры солнечного ветра
2.1. диагностика, модуля напряженности м.м.п.. по периоду пульсаций, В-индекс 98..
2.2. Вариабельность режима Рс2-4 как. отражение: изменения параметров м.м. п. Спектр, мелкомасштабных: неоднорой-ностей. м.м.п. V - индекс
2.3* Использование V" - индекса для характеристики предвспышечной ситуации на. Солнце, и в межпланетной среде
2.4. идентификация режимов устойчивых пульсаций с высокоскоростными потоками и сильными и слабыми коРональнымк дырами
2.5. Слабые, корональные дыры и солнечные волокна как источники высокоскоростных потоков, возбуждающих смешанные: режимы РсЗ-4 it/.,
2.6* Диагностические критерии оценки, степени стабильности различных, высокоскоростных потоков на основании эмпирических связей пульсаций РсЗ-4 с параметрами солнечного ветра
2.7 Идентификация крупномасштабных уплотнений в спокойном солнечном ветре; ж возможности их. диагностики
2.8. Вариация в цикле; солнечной активности числа экваториальных, корональных: дыр и крупномасштабных уплотнений .
2.9* Прогноз активности пульсаций по данным о пара метрах солнечного ветра полученных по
межпланетным мерцаниям
Выводы к П главе І/Я..
Глава: III... Морфология высокоширотных геомагнитных пульсаций
3.1. Введение У.6/...
3.2. Экспериментальные исследования пульсаций, на геомагнитных полюсах ,
3.3. Длинно пержодные жррегулярные пульсации LpcL в области каспа и их связь с параметрами солнечного ветра
3.4. Предвестники суббури в геомагнитных пульсациях в полярной шапке 'У...
3.5. Полярные возмущения,, связанные с сиянимия, их зональная природа л??.
3.6» Высокоширотные PcI-2 и их. основные морфологи ческие осо бенности .Р.
3.7» Длиннопериодные пульсации различных типов в высоких широтах г.
3.8.. Импульсное пересоединение как возможный источник пульсаций
3.9 Длинноперисдные геомагнитные пульсации и. полярные хоры на широтах дневного, каспа
3.10 Эффект секторной структуры мелшланетного магнит ного поля в активности ночных иррегулярных пуль саций Pi2 в северном и южном полушариях
Выводы к Ш главе ЯЧ5.
Глава ІV Диагностика параметров и положения дневного полярного каспа с помощью специфических высокоширотных пульсаций
4.1- Введение
4.2* Долготные и широтные размеры дневного каспа, определяемые по режиму Lpc L 230
4.3. Возможность диагностики положения дневного каспа по пульсациям
4.4. Сравнение результатов диагностики положения дневного каспа, проводимых различными методами .
4.5. Определение сезонных, и циклических: сдвигов дневного каспа двумя независимыми способами по наблюдениям геомагнитных пульсаций ..V...
4.6 Суточная вариация широты каспа, по мировому- времени, её сезонные, и циклические закономер ности. гЯ-?...
4.7. Связь положения приполюсной границы каспа с интенсивностью LpcL на геомагнитном полюсе А?..
4.8. Диагностика положения дневного каспа при северном направлении, м.м.п* по данным цепочки автономных станций- в Антарктике ..^7.
Выводы к ІУ главе ?Т(.,
Литература
- Зависимость параметров устойчивых: колебаний от магнитной активности
- Использование V" - индекса для характеристики предвспышечной ситуации на. Солнце, и в межпланетной среде
- Длинно пержодные жррегулярные пульсации LpcL в области каспа и их связь с параметрами солнечного ветра
- Сравнение результатов диагностики положения дневного каспа, проводимых различными методами
Зависимость параметров устойчивых: колебаний от магнитной активности
Практически,, ни один из режимов Рс не является монохроматическим,- т.к» энергия колебаний, всегда заключена в некотором интервале частот, пусть в некоторых случаях, и небольшом. Процентное- распределение, режимов показывает долю этих, квазимонохроматических, режимов от общего, числа режимов устойчивых колебаний (рис. S) . Под чистым режимом будем понимать такой режим, энергия которого сосредоточена в интервала частот, много меньшем средней частоты, т.е. л/// « і . Смешанный режим, как правило,, имеет несколько пиков в распределении спектральной плотности,.; большей частью эти пики равнозначны по величине.; (рис. 2). Динамический спектр смешанного режима на ст. Петропавловск-Камчатский, представленный на нижней панели рисунка, изображается широкой шумовой полосой, где A j/j-cf i . Амплитуда Рс2-5 меняется для средних широт в интервале от сотых долей , пТ до нескольких пТ , достигая в диапазоне Рс5 десята - пятнадцати пТ . Частота появления Рс2-4 достигает максимума в о ко дополуденные часы,: убывая в обе стороны от полудня (рис. 4). Для Рс5 характерно появление утреннего и вечернего максимума. Есть разница и в положении максимумов Рс2,3,4. А именно, РсЗ имеет широкий максимум,, смещенный на 1-2 часа ранее полудня. Пульсации Рс2 и Рс4 распределены более симметрично относительно полуденного меридиана. Часто наблюдаются режимы типа биений, причем, характерно что период биений ( г) изменяется в зависимости от. периода пульсаций (Т) по вполне-определенному закону: Т Q 10 «Т (сек) Одной из интереснейших и до сих пор не исследованных, закономерностей является распределение, устойчивых среднеширотных колебании по периодам» По сути дела,., такое распределение строил каждый исследователь, начинающий работать в этой области, и. т.о, есть возможность сравнить распределения,, которые получили HoLmberg [2], Kcvto г{ al [ З] Большакова и Зыбин [4], tills [5] Duncan [б] и. другие. На рис.5 приведено распределение:; периодов для ст. Бо рок: Ф = 53 . Характерным, во всех распределениях: являются не. только положение максимумов, в спектре; на (20-30) сек, (60-70) сек , но и явные провалы на 40-9} сек,- и спад к 100-150 сек.
Основными характеристиками пульсаций, используемые в анализе, являются величины:
А - двойная амплитуда в я Г Т - средний период в секундах. лі - продолжительность, пульсаций в часах (пульсации считаются устойчивыми, если они продолжаются не менее часа). л%- время "замирания" пульсаций в минутах ("замирание" пульсаций;, отмечается в том случае,, если амплитуда падает, примерно в " Є "раз). П- частота появления пульсаций того или иного типа нормированная на число дней наблюдения.
На основании зависимости периода устойчивых колебаний от уровня магнитной активности были сделаны в свое время, предположения о физической природа различных, типов устойчивых: пульсаций. Фундаментальным оказался тот факт,, что определенной зависимостью от активности обладает период лишь определенной, группы пульсаций, а именно - Рс2-4, объясняемый ранее, как зависимость периода устойчивых колебаний от размеров магнитосферы. В рамках внемагнитосферной. теории, эту зависимость можно объяснить, как изменение периода с изменением напряженности межпланетного магнитного поля, линейна связанной с уровнем магнитной активности.
Характерное отсутствие, зависимости периода от активности для пульсации Рс1-2 и Рс5, повидимому, указывает на иной механизм генерации этих пульсаций.
Сопоставляя период устойчивых, колебаний и величину соответствующего Кр-индекса в [?] было получено уравнение регрессии, связывающие? эти величины: сек)= S8 3 - 8 25 Ф В дальнейшем при рассмотрении этой зависимости Т рс от Кр мы будем иметь в виду диапазон,, устойчивых, среднеширотных пульсаций- Рс2-4.. По. сути дела эту зависимость можно трактовать как. тенденцию различных, типов Рс появляться при определенных уровнях, активности. Соотношение, между ТрС и lip заметно отличается от функциональной связи между переменными. Каждому значению Кр может соответствовать несколько значений TnC , причем, часто лежащих., в довольно, широких пределах. Тем не менее, средние, значения Т.пс обнаруживают вполне определенную зависимость от. Кр (рис.6) Очень ярко эта зависимость проявляется в ходе бури, особенно рекуррентной, где изменения происходят более медленно. В сильную геомагнитную бурю с длительной начальной фазой соответствующей, сильному сжатию магнитосферы, наблюдаются интенсивные Рс2 на всех широтах.
Использование V" - индекса для характеристики предвспышечной ситуации на. Солнце, и в межпланетной среде
В работе [ 24 ]исследовалась на большом статистическом материале влияние скорости солнечного ветра на режим РсЗ. Для этого более 2000 среднечасовых значений амплитуд РсЗ было сопоставлено с данными скорости, и линейная зависимость амплитуды РсЗ от скорости солнечного ветра была уверенно подтверждена. Высокая степень, связи между амплитудой. РсЗ и скоростью солнечного ветра позволила авторам [ 24 ] использовать её при построении-индекса солнечного ветра. Коэффициент корреляции между V р и. Кр (0.54) ниже коэффициента корреляции между Vc и Арсз (0.67). Поведение Vc - индекса хорошо отражает, динамику скорости солнечного ветра.
Оценка .коэффициента корреляции Afic3 и ]/с і в зависимости, от местного, времени была проведена в работе [25 ] . Оценивались, коэффициенты корреляции между часовыми, значениями амплитуд и величиной. Ус, Оценка коэффициента корреляции показала» что между этими величинами на всем анализируемом интервале времени существует, значимая корреляционная зависимость, т.е.- связь / рСз и Ус является стабильной. В [ 25 ] представлена зависимость Арсз ст Ч: і за ол-ш и тот же час (8-9 UT) -(геомагнитный, полдень в Бсрке). для разных диапазонов скоростей.солнечного ветра. Несмотря на значительный разброс точек,, возрастание, амплитуды с ростом скорости очевидно „ По этим данным было получено уравнение регрессии за этот час между А з Е VCJ. Чі.( ) =389 + 34.б/)рс3Ю - 37 Как-видно при АрсЗ значения V g определенные по независимым выборкам, оказываются близки ( « 383 км/с) и (%,S 380 км/с) .
Авторы [25 ] также исследовали влияние на величину коэффициента корреляции интервала осреднения и пришли к выводу, что усреднение за более длительный интервал дает повышение: коэффициента корреляции и, как следствие,, уменьшение стандартного отклонения 3D и сужение, доверительного интервала. Зависимость периода и амплитуды Рс2-4 от плотности, солнечного ветра и динамического давления
Впервые связь между плотностью солнечного ветра и периодом Рс была замечена в [ 2.6 ] и была признана неоднозначной. В [20 J связь амплитуды РсЗ-4 с плотностью также, признана неопределенной и. конкретные характеристики этой связи не приводятся. В работе; [ 4$ ] связь энергии пульсаций в диапазонах: РсЗ (30-60 сек) и Рс4 (60-120 сек) с плотностью солнечного ветра, при использований много факторно го линейного анализа получена, значимой только для интервала Рс4.
Результаты анализа зависимости амплитуды РсЗ и Рс4 от величины плотности:, проведенного нами в [19] привели к. заключению о существенном влиянии плотности на вероятность появления этих пульсаций.. Зависимость амплитуды от плотности, обнаружена также, лишь для Рс4: можно сказать, что большим амплитудам Рс4 соот-ветствуют низкие плотности. /1 5= 5 см , а высокие значения плотности наблюдаются преимущественно для малых: амплитуд (рис. 40 ).
Вероятность же появления чистых режимов РсЗ и Рс4, как видно из рис. {{ существенно различна в разных диапазонах плотностей; вероятность появления РсЗ наибольшая при малых плотностях, а Рс4 - при больших.
Зависимость амплитуд РсЗ-4 от динамического давления» по-видимому,, в силу сложной зависимости от плотности, неоднозначна. Но вероятность появления и здесь существенно различна для разных типов пульсаций (рис. 10. ). Чистые режимы РсЗ возбуж —Я даются преимущественно при динамическом давлении 1,5 10 ди/см , а чистые режимы Рс4 при jOV2 1.5 10 ди/см2.
Зависимость периода Рс2-4 от магнитной активности и обнаруженная зависимость величины В м.м.п., от уровня Кр [ {26 1 уже содержали в себе: эту связь периода с Ё) . Такая связь была обнаружена в [ 27 ], и имела решающее значение.: на. развитие дальнейших: представлений о генерации устойчивых пульсаций. Возникло предположение, что спектр колебаний, наблюдаемых на Земле формируется за пределами, магнитосферы, а именно, в межпланетном пространстве, перед фронтом ударной волны. В [27] была выведена формула из резонансного условия К /Vz с учетом эффекта дспплера Cx)sKV , явившаяся тестом для проверки гипотезы внемагнитссферного происхождения пульсаций: OJ-Q /(l+u/V) , где V - скорость солнечного ветра, и - скорость отраженного пучка протонов. Если частоту выражать в миллигерцах, а напряженность м.м.п. в пТ , то при типичном значении отношения U/V— 1.6 будем иметь: / 6 В . При средней напряженности м.м.п.. равной 5 пТ получаем , что соответствует среднему периоду РсЗ. На рис. ІЗ взятом из [04 ] представлена зависимость частоты от величины модуля напряженности м.м.п. По горизонтальной оси отложен модуль напряженности м.м.п. в ПТ , по вертикальной - несущая частота в тНг . Каждая точка представляет собой среднечасовые значения f и В . Экспериментальная зависимость f от В аппроксимируется формулой -f 5.7 В . Это близко совпадает с вышеприведенной теоретической, оценкой и служит основным аргументом в пользу предложенной модели РсЗ. ВЕЮследствие, эта зависимость частоты от напряженности м.м.п. была использована при разработке В-ин-декса, характеризующего напряженность м.м.п. Использование по пульсаций Рс2-4 по ряду станций, разнесенных по долготе. (Борок, Иркутск, Петропавловск/) , обеспечивает возможность построения непрерывного ряда индексов
Длинно пержодные жррегулярные пульсации LpcL в области каспа и их связь с параметрами солнечного ветра
Хотя многолетний опыт наблюдения свидетельствует, о том, что отношение амплитуд горизонтальных компонент, пульсаций РсЗ,4 заметно изменяется от случаю к случаю, этот факт детально до сих пор не исследовался. По видимому, одной из причин такой изменчивости служат, вариации параметров ионосферы. Дело в том, что при прохождении гидремагнитных волн через ионосферу к земной поверхности происходит, вообще говоря, изменение поляризации, связанное с гиротропией ионосферы» Гиротропия обусловлена эффектом Холла и сильнее всего проявляется в -- слое... ионосферы. Поэтому закономерности поведения, компонент РсЗ,4 естественно было исследовать в зависимости от ионизации слое Степень ионизации в Е слое контролируется зенитным углом Солнца. Исходя из этого, было исследовано различна в суточном ходе; амплитуды горизонтальных компонент дневных пульсаций РсЗ,4.
В качестве; исходного материала использованы записи геомагнитных пульсаций с разверткой 90 мм/час на обе.Борок. за 1973 г. По ним выделялись, непрерывные устойчивые пульсации РсЗ (Т =: 15-45 с) и Рс4 (Т = 45-150 с ) . Для удобства анализа и. с целью получения более четкой картины отбирались только "чистые" режимы колебании,, характеризующиеся постоянством периода и регулярностью огибающей, амплитуды на протяжении серии колебании. Выбор РсЗ,4 мотивирован тем, что эти колебания относятся к наиболее распространенным типам дневных пульсаций и обычно, продолжаются в течение, многих часов, позволяя проследить, изменение; поляризационных, характеристик, при изменении, зенитного угла Солнца в широких пределах.
Ео отобранным таким образом, записям измерялись, ореднег-чаоовыа значения амплитуд обеих горизонтальных компонент. Для отдельных дней строились годографы горизонтальной проекции вектора возмущения, геомагнитного поля, и. детально исследовалось изменение параметров эллипса, поляризации от ранних; утренних часов до послеполуденных [ {Si ] Регулярное изменение поляризации колебании, отчетливо прослеживается в индивидуальных; событиях. Однако эта закономерность носит все же, вероятностный характер,, так как существуют события с прямо противоположным ходом изменения параметров,, а также события, в которых параметры поляризации изменяются с течением времени хаотичным образом. статистической, обработки. Весь, материал (-950 часов записи) был разбит, на три. группы событий отдельно для РсЗ и Рс4. В первую группу вошли, события с Нх Ну г во вторую с Нх = Ну и в третью с Нх Ну . Затем для каждой группы и для каждого типа, пульсаций были построены графики,, дающие; зависимость вероятности появления от. местного времени. На рис. 25 показаны эти зависимости для РсЗ и Рс4. Вертикальная линия на. рисунке отмечает, местный, полдень.
Из рисунка видно,, что число событий первых: двуг групп (/7- // и /-/х=//у) уменьшается, а третьей группы (Их А/у ) увеличивается некоторым, регулярным, образом от ранних: утренних часов к послеполуденным. Это свидетельствует о том,, что главная ось эллипса поляризации поворачивается с течением времени от направления В-8 к направлению С-Ю Особенно заметен этот эффект- для Рс4: в интервале; 06 30w - 08 00w LT происходит резкое увеличение; отношения Нх/ Ну , что вероятно связано с ростом, ионизации, в - слое; в утренние часы» Не загромождая приведенные, графики дополнительными кривыми, заметим только р что наблюдается сезонный эффект в суточном распределении вероятности появления пульсаций с различными юляризациоиными характеристиками, особенно четкий для Рс4. Отмеченный выше момент, резкого увеличения величины отношения Нж/Ну от зимы к лету сдвигается на более ранние часы.. Следует отметить, что полученная закономерность обычно ярко прослеживается на средне-широ тных станциях.
Сравнение результатов диагностики положения дневного каспа, проводимых различными методами
В настоящее время двухпотоксвая неустойчивость, возникающая в системе плазма солнечного ветра - пучки отраженных: протонов, принимается в качестве механизма генерации РсЗ в межпланетном пространстве. Следует, однако, отметить, что возникающие в результате, действия этой неустойчивости волны следует назвать первичными пульсациями, иоо вопрос об их проникновении в магнитесшеру и на поверхность Земли остается открытым.
Рассмотрим экспериментальные, факты в связи с внемагнитосферной гипотезой генерации РсЗ.
Несомненно, что основным аргументом в пользу предложенной гипотезы, является факт обнаружения зависимости периода РсЗ от величины модуля напряженности м.м.п. [ Z7 J . Экспериментальная зависимость J- от В аппроксимируется формулой J- 5.7 В , что близко к теоретической зависимости между этими, величинами. С точки зрения внемагнитосферной теории можно легко объяснить перманентность РсЗ, предпелуденный максимум их амплитуды, замирание РсЗ при исчезновении радиальной составляющей м.м.п. и другие., их свойства. Замираниа РсЗ объясняется исчезновением, пучка, отраженных протонов при направлении поля перпендикулярно к линии Солнце-Земля, а предаюлуденныЁ максимум связывается со спиральной структурой м.м.п.
Но вот. такой факт, как усиление амплитуды РсЗ при повышении скорости, солнечного ветра,, не находит объяснения в рамках внемагнитосферной гипотезы. Согласно теории [ 74 ] инкремент неустойчивости возбуждаемых волн выражается формулой где Q. - гирсчастота протонов, А/ - концентрация частиц в солнечном ветре, N, \Mlt - концентрация и тепловой, разброс частиц в пучке, U - скорость пучка Т.к. скорость пучка пропорциональна скорости- солнечного ветра (u/V 1.64) , то можно предположить существование, зависимости, амплитуды возбуждаемых волн от величины скорости солнечного ветра. Но т.к. в инкремент входит величина W„ , которая также зависит от скорости солнечного ветра, то зависимость амплитуды РсЗ ст. скорости нивелируется. Т.е. зависимость амплитуды РсЗ от скорости солнечного ветра в рамках внемагнито-сферной теории объяснить трудно. Креме этого из выражения инкремента следует зависимость интенсивности РсЗ от величины модуля м.м.п. В , через величину ъ ТРгТс . Зта зависимость до сих пор, практически, никем не исследовалась, возможно,;, вследствие сложности этой связи из-за хорошо известной зависимости между Т ТА В . Мы исследовали зависимость амплитуды РсЗ от величины 8 м.м.п., задавая период пульсаций (Т) как параметр.. Оказалось, что А рсЗ от В зависит, для разных периодов различным образом, отражая, повидимому, сложную связь между В и V [1Z& .
Согласно внемагнитессрерной гипотезе можно объяснить исчезновение пульсаций РсЗ при уменьшении радиальной составляющей поля, вследствие: зависимости амплитуды волн от угла между В и V "рсЗ CQS V если 90, то А 5—0 . внемагнито-ейерная гипотеза была развита в последующих работах [ 7$, 76 ] , но как и другие теоретические, работы, эти работы находятся в отрыве от эксперимента. Полученные выводы в [ 7 5 ] невозмслшо проверить экспериментально, кроме, пожалуй,, вывода о зависимости амплитуды волн от угла 9 (угол между модулем м.м.п.
В и. поверхностью ударного фронта) . Следуя [ 75 ] , с уменьшением угла Q уменьшается концентрация отраженных протонов, что соответствует исчезновению пучка, и наблюдаемому экспериментально понижению интенсивности. РсЗ.
В работе. [ 77 ] оценивается роль пучка отраженных: протонов в развитии первичных пульсаций РсЗ, наблюдаемых, за ударным Фронтом,, для чего иодочитывается энергетический баланс между наблюдаемыми, гидромагнитными волнами и. пучком на ссоне изотропного солнечного ветра.
Полученные.: энергетические оценки дают основание автору [77 ] полагать,, что пучок протонов, отраженных от фронта ударной волны, не даёт определяющего вклада в энергетику рассматриваемого явления, полученное соотношение между плотностью потока той части, пучка, которая преобразуется в колебания (\J\ffj пт1± —)и плотностью штока наблюдаемых: волн (W V &r) дает величину "= - -- 0.04 і 0» необходимо предположить, что должен существовать„ по крайней мере,, еще один источник, энергии пульсаций РсЗ. Ш мнению автора» таким источником, может являться анизотропия солнечного ветра TJf /Т± — 2 -f 5 . В связи с этим,, интересно проследить влияние анизотропии, на амплитуду геомагнитных пульсаций.
Похожие диссертации на Гидромагнитная диагностика магнитосферы и неоднородной структуры солнечного ветра
