НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОФІЗИКИ ІМ. С.І. СУББОТІНА

СУМАРУК ЮРІЙ ПЕТРОВИЧ

УДК 550.385.4.36:550.383:523.62.72

ДИНАМІКА ДЖЕРЕЛ

ГЕОМАГНІТНИХ ВАРІАЦІЙ

Спеціальність: 04.00.22 — геофізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ — 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України

Науковий керівник: доктор геол.-мінералогічних наук, професор,

Третяк Олександр Никифорович

Інститут геофізики НАН України,

головний науковий співробітник

Офіційні опоненти:

Доктор фізико-математичних наук, професор,

Юхимук Адам Корнілович,

Головна астрономічна обсерваторія НАН України,

зав. відділу

Доктор фізико-математичних наук, ст.н.співр., Максимчук Валентин Юхимович,

Карпатське відділення Інституту геофізики НАН України, зав. відділу

Провідна установа: Київський національний університет ім.Тараса Шевченка, фізичний факультет, Міносвіти і науки України, м. Київ

Захист відбудеться “ 22 ” __лютого 2001 р. о 14 годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.200.01 в Інституті геофізики ім.С.І.Субботіна НАН України: 03680, м. Київ-142, пр. Паладіна, 32.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту геофізики ім.С.І.Субботіна НАН України.

Автореферат розіслано “ 22 ” січня 2001 р.

Відгуки на автореферат просимо надсилати вченому секретарю спеціалізованої вченої ради Д 26.200.01 за адресою: 03680, м. Київ-142, пр. Паладіна, 32,

тел.: (044) 444-22-65, факс: (044) 450-25-20

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор фізико-математичних наук Мостовий С.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дослідження. Варіації магнітного поля Землі широко використовуються для практичних потреб людини в таких галузях як: космонавтика, геологія, біологія, медицина, радіозв'язок, навігація, сейсмологія. Вони утворюються системою магнітосферно-іоносферних струмів. До складу цієї системи входять: кільцевий магнітосферний струм, авроральні іоносферні електрострумені, струми вздовж силових ліній магнітного поля Землі, струми полярної шапки та екваторіальний електрострумінь і інші. Джерелом всіх вище перелічених струмів є сонячний вітер. В залежності від параметрів плазми сонячного вітру та “вмороженого” в нього міжпланетного магнітного поля, сила струму в магнітосфері та іоносфері змінюється. Змінюється також конфігурація струмів, їх положення.

Складна система магнітосферно-іоносферних струмів та добове обертання Землі всередині цих струмів створює надзвичайно складну картину змін магнітного поля, які записуються наземними магнітними обсерваторіями.

Дана робота присвячена вивченню динаміки кільцевого магнітосферного струму та авроральних іоносферних електроструменів і використанню одержаних результатів для покращення методик обчислення індексів магнітної активності та виділення вікових варіацій магнітного поля Землі, які створені зовнішніми струмами.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності з науковою темою “Дослідження динаміки і структури геомагнітного поля за останні десять тисяч років” Інституту геофізики НАНУ. Регістраційний номер 0194U006720.

Мета роботи: дослідити широтну та довготну динаміку авроральних іоносферних електроструменів та магнітосферного кільцевого струму під час магнітних бур, їх взаємозалежності, і на цій основі уточнити методику вирахування геомагнітних індексів; виділити зовнішню частину вікових варіацій горизонтальної складової магнітного поля Землі

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Отримано лінійне рівняння залежності широти центру західного аврорального електроструменя від інтенсивності кільцевого магнітосферного струму (DR) під час магнітної бурі. Показано, що при DR<-100 нТл електрострумінь зміщується південніше ланцюжка авроральних обсерваторій. Подібна залежність спостерігається і для східного аврорального електроструменя.

2. Знайдено, що під час магнітних бур західний авроральний іоносферний електрострумінь може розгалужуватися на два електрострумені.

3. Показано, що асиметрія кільцевого магнітосферного струму збільшується із ростом сили струму і інтенсивністю авроральних електроструменів.

4. Розроблена і реалізована методика більш точного обрахування АЕ індексів магнітної активності.

5. Отримані рівняння лінійної регресії між змінами вікового ходу горизонтальної складової магнітного поля та змінами індексу SКр для окремих регіонів Землі.

Основні положення,що захищаються.

1. Авроральні електрострумені зміщуються на південь з ростом інтенсивності кільцевого магнітосферного струму під час магнітних бур.

2. Західний авроральний електрострумінь збільшується по ширині і може розщеплюватися на два просторово-рознесені струми.

3. Асиметрія кільцевого магнітосферного струму зростає із збільшенням сили струму та величини АЕ індексів.

4. Стандартні індекси АЕ під час магнітних бур є заниженими по відношенню до індексів обрахованих автором.

5. Залежність вікових варіацій горизонтальної складової магнітного поля Землі від Кр індексу магнітної активності змінюється від регіону до регіону та сонячної активності.

Практичне значення отриманих результатів. На основі одержаних автором співвідношень між інтенсивністю магнітосферного кільцевого струму та положенням центра електроструменя розроблена і реалізована покращена методика обрахування індексів магнітної активності. Отримані рівняння лінійної регресії між змінами вікового ходу горизонтальної складової магнітного поля Землі та індексами геомагнітної активності дозволяють обрахувати величину вікового ходу створеного всередині Землі.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно проведено:

1) дослідження залежності широти авроральних електроструменів від інтенсивності кільцевого струму за даними широтних ланцюжків магнітних обсерваторій

[5, 7, 8];

2) зроблено висновок про роздвоєння західного аврорального електроструменя на два електрострумені під час магнітної бурі [5];

3) досліджено зв'язок асиметрії кільцевого струму з авроральними електроструменями [1, 9];

4) розроблені рекомендації для покращення методик обчислення індексів магнітної активності, а також їх використання на практиці (дослідження впливу магнітної активності на зміну клімату, зв'язку магнітної активності з аварійністю на дорогах, вплив магнітної активності на здоров'я людини і ін.) [2] ;

5) отримані рівняння зв'язку вікового ходу із змінами геомагнітної активності для окремих регіонів Землі [3, 4, 6].

Автор приймав активну участь в проведенні спостережень варіацій магнітного поля Землі на магнітній обсерваторії “Львів”.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень були представлені на конференції фізичного факультету ЛДУ (Львів, 1993); Міжнародній конференції “Space radiation environment modeling: New Phenomena and Approaches“. (Москва, 1997); на ІХ IAGA Workshop “On Geomagnetic observatory Instrument, Data Acquisition and Processing”. (Slovakia, 2000); на Міжнародному симпозіумі “From solar corona through interplanetary space, into Earth's magnetosphere and ionosphere: Interball, ISTP satellites and ground based observations”. (Київ, 2000).

Публікації. Основні результати опубліковані в 6 статтях і 3 тезах

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 3 розділів, висновків і списку використаної літератури що нараховує 192 найменування. Робота викладена на 120 сторінках машинописного тексту, містить 43 малюнки та 5 таблиць.

Автор висловлює особливо глибоку подяку своєму науковому керівнику професору О.Н.Третяку за надання допомоги, всебічну підтримку і постійну увагу на всіх етапах роботи. Автор щиро вдячний кандидату фіз.-мат. наук Л.Н.Яременко за обговорення і допомогу під час написання цієї роботи. Автор висловлює глибоку подяку доктору фіз.-мат. наук Я.І.Фельдштейну (ІЗМІРАН) за спільні роботи та постійні поради при виконанні роботи. Для автора було корисним співробітництво з докторами А.Рrigantsova (Інститут геофізики, Словаччина), V.Papitashvili (Мічіганський університет, США). Автор щиро вдячний зав.відділом СКР Інституту геофізики НАНУ кандидату фіз.-мат. наук С.Т.Вербицькому за технічну допомогу при оформленні дисертації. Автор щиро вдячний співробітникам магнітної обсерваторії “Львів” Інституту геофізики НАНУ за допомогу в обробці матеріалів та постійну підтримку.

СТИСЛИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито актуальність, мета, задачі, наукову новизну дисертаційного дослідження.

Розділ І. Стан проблеми. Вміщує огляд основних літературних джерел по темі дисертації. Висвітлює сучасний стан досліджуваної проблеми. Із широкого кола питань в огляді висвітлені тільки ті, які безпосередньо відносяться до теми дисертації а саме:

1. Сонячний вітер, міжпланетне магнітне поле (ММП) та їх зв'язок з геомагнітною активністю.

2. Кільцевий струм в магнітосфері.

3. Іоносферні авроральні електрострумені.

4. Енергетика магнітосфери.

5. Індекси магнітної активності.

1.1. Сонячний вітер, міжпланетне магнітне поле та їх зв'язок з геомагнітною активністю. Подано основні параметри сонячного вітру (СВ) та “вмороженого ” в нього міжпланетного магнітного поля. Вказано на основні енергетичні характеристики СВ. Ефективність передачі енергії від сонячного вітру в магнітосферу контролюється величиною і напрямом вектора ММП. В площині екліптики ММП має переважно напрям 135° і 315° відносно лінії Сонце-Земля. Напрям 135° від Сонця або 315° зберігається на протязі декількох діб, створюючи секторну структуру ММП. В площині перпендикулярній до екліптики немає переважаючого напряму ММП. На границях секторів ММП різко міняються параметри плазми СВ та збільшуються флюктуації вертикальної компоненти ММП (Bz).

Сотні робіт присвячено кореляції індексів магнітної активності з компонентами ММП та параметрами плазми СВ. В більшості з них показано, що найвищий коефіцієнт кореляції між величиною геомагнітної ативності, вираженої різними індексами та ММП, одержуємо при наявності південної компоненти ММП. Висока кореляція геомагнітної активності із швидкістю сонячного вітру існує для усереднених за довгі проміжки часу їх величини.

1.2. Кільцевий струм в магнітосфері. Параграф присвячений огляду літературних даних про кільцевий магнітосферний струм. Цей струм обумовлений складними коливальними та обертовими рухами іонів в неоднорідному магнітному полі Землі. Кільцевий струм підсилюється під час головної фази магнітної бурі. Сформульована теорема Паркера-Деслера-Скопке, яка стверджує, що магнітне поле кільцевого струму є пропорційним загальній енергії іонів інжектованих в кільцевий струм. Інжектована в кільцевий струм енергія іонів дисипує напротязі певного часу. Швидкість розпаду кільцевого струму характеризується параметром t, який рівний часу, протягом якого DR зменшується в 2,7 рази. Величина t міняється від бурі до бурі. Інжекція частинок в кільцевий струм описується різного виду функціями.

Магнітне поле кільцевого струму можна представити сумою двох компонент - симетричної і асиметричної.

1.3. Іоносферні авроральні електрострумені під час магнітних суббур. Описано джерела магнітних суббур - іоносферні електрострумені, які течуть на широтах зони полярних сяйв. Струми виникають після появи Bz<0 компоненти ММП. Охарактеризовані два механізми виникнення суббур - конвекційний та механізм пов'язаний з нагромадженням енергії в хвості магнітосфери і її вивільненням в вигляді вибуху, який полягає в виникненні трьохвимірної системи струмів, яка включає струми впоперек хвоста магнітосфери, струми вздовж силових ліній та західний авроральний електрострумінь. Механізм генерації конвекційних суббур також зв'язаний із струмами вздовж силових ліній, але іншої конфігурації ніж при вибухових суббурях.

1.4. Енергетика магнітосфери. Магнітосфера Землі - це гігантська електрична машина, в якій відбувається перетворення кінетичної енергії сонячного вітру в енергію електромагнітного поля (системи струмів) та в енергію заряджених частинок, які збираються в хвості магнітосфери, плазмовому шарі, радіаційних поясах.

Виділено три механізми затрат енергії сонячного вітру в магнітосфері та дано формули для обрахування величини цих затрат по відомих індексах геомагнітної активності і ін.

1.5. Індекси магнітної активності. Описані найбільш широко вживані індекси геомагнітної активності (Kp, Dst, AE) та методики їх обчислення.

Розділ ІІ. Магнітні бурі та суббурі і їх джерела. Викладено одержані автором результати дослідження динаміки авроральних іоносферних електроструменів під час магнітних бур в залежності від сили кільцевого магнітосферного струму. Вивчено закономірності появи кільцевого струму в залежності від параметрів сонячного вітру та його асиметрію на різних фазах бурі і від інтенсивності авроральних електроструменів. На основі одержаних автором співвідношень між широтами центрів авроральних електроструменів та DR, запропонована нова методика обрахування індексів AE під час магнітних бур.

2.1. Просторово-часові зміни авроральних іоносферних електроструменів під час магнітних бур. Відомо, що авроральні іоносферні електрострумені неперервно змінюють своє положення під час магнітних бур. Так як мережа магнітних обсерваторій в авроральній зоні рідка, не завжди вдається точно визначити зміну положення електроструменів.

Автору вдалось визначити зміну положення західного аврорального електроструменя під час великої бурі 23-24 березня 1969 р. За рівень відліку варіацій був вибраний дуже спокійний інтервал часу з 12 годин 22 березня до 12 годин світового часу 23 березня. Так як деякі магнітні обсерваторії ведуть запис варіацій магнітного поля в магнітній системі координат, інші в географічній, всі варіації переведені в геомагнітну систему координат. Для дослідження положення електроструменів були побудовані широтні перетини горизонтальної і вертикальної складових варіацій, виправлених за поле струмів на поверхні магнітосфери, на чотирьох меридіональних ланцюжках обсерваторій, коли ці ланцюжки знаходились в опівнічно-ранковім секторі місцевого часу, тобто там, де знаходиться західний авроральний електрострумінь. Меридіональні ланцюжки обсерваторій такі:

1. На Алясці (Барров, Коледж, Сітка)

2. В Скандинавії і Архангельській області (Тромсе, Кіруна, Соданкюля, Мезень, Архангельск, Нурміярві)

3. В Західній Європі (Рейк'явік, Лервік, Ескдалемюір, Віттевін)

4. В Північній Америці (Бейкер Лейк, Форт Черчілл, Грейт Уайл Рівер, Оттава, Аджінкорт, Фредеріксберг)

Центр електроструменя знаходився над тією обсерваторією де величина збурення в горизонтальній складовій (DХ) максимальна, а в вертикальній складовій (DZ) рівна нулю.

23 березня о 18 годині СЧ (світовий час) під західним електроструменем знаходився аляскінський ланцюжок обсерваторій. Центр електроструменя був на Ф=65°, величина DR”-10 нТл. О 23 годині СЧ при DR=-108 нТл Ф=61° знаходимо по скандинавському ланцюжку обсерваторій. Таким же способом знаходиться локалізація центру західного електроструменя по західно-європейському та американському ланцюжках обсерваторій.

З підсиленням кільцевого магнітосферного струму західний авроральний електрострумінь зміщується в низькі широти, та виходить за межі широтного поясу в якому розміщуються авроральні обсерваторії, даними яких користуються для обчислення індексу АЕ. Для даної бурі західний авроральний електрострумінь зайняв найбільш низькоширотне положення Ф=55,5° о 02 годині СЧ 24 березня при DR=-250 нТл.

Електрострумінь зміщується в більш низькі широти із збільшенням DR по співвідношенню:

Ф=65,5°+0,035DR,

де Ф - в градусах, DR - в нТл. Рівняння одержано методом найменших квадратів для 0>DR>-250нТл.

Для бурі 23-24 березня 1969 року дослідити динаміку розвитку східного аврорального електроструменя не вдалось. Це вдалось зробити для бурі 5-7 лютого 1994 року за допомогою густого ланцюжка обсерваторій IMAGE, який розміщений на геомагнітному меридіані L~ 110°. Методика досліджень була такою ж як і для бурі 23-24 березня 1969 року. Широтні перетини DX i DZ, побудовані о 17-18 годині місцевого часу, коли ланцюжок обсерваторій знаходився під східним електроструменем, також показують зміщення електроструменя із збільшенням інтенсивності кільцевого струму.

Так, коли Dst набирало значень: -14 нТл, -42 нТл, -68 нТл, -114 нТл, -63 нТл, східний електрострумінь знаходився на широтах: 66°, 64°, 61°, 58,5°, 60° відповідно. Для бурі 10 травня 1992 року в 15 год. 14 хв. СЧ при Dst=-282 нТл центр східного електроструменя опустився на Ф =55,0°. Широтні перетини DX i DZ для даної бурі показують, що крім східного електроструменя в вечірні години місцевого часу, в більш високих широтах є також західний електрострумінь. Спрямований на захід струм тече вздовж аврорального овалу, а широта границі між східним і західним струмами в вечірньому секторі, яка називається розривом Харанга, як показано на побудованих перетинах, змінюється в залежності від величини Dst. При зростанні Dst широта розриву Харанга зменшується.

Побудовані широтні перетини DX i DZ складових магнітного збурення під час бурі 5-7 лютого 1994 року в опівнічному секторі місцевого часу, коли ланцюжок обсерваторій знаходився під західним електроструменем. Ці перетини суттєво відрізняються від перетинів для східного електроструменя. В них спрямований на захід іоносферний струм в близькоопівнічні та ранкові години місцевого часу практично займає всю авроральну зону на широтах 60°<Ф<75°. А в 19 год. 14 хв. 6 лютого бачимо розщеплення західного електроструменя на два. Центр одного більш сильного струменя знаходився на Ф=71° і другого, слабшого - на Ф ~ 61°. З ростом Dst центр західного електроструменя, для даної бурі, теж зміщується в більш низькі широти, але крім такого зміщення спостерігається значне збільшення його ширини.

2.2. Кільцевий струм в магнітосфері та його асиметрія. Кільцевий струм в магнітосфері Землі існує і в спокійних умовах. Він може створювати на поверхні Землі магнітне поле 10-20 нТл, але струми на поверхні магнітосфери компенсують цей ефект.

З приходом до магнітосфери потужних корпускулярних потоків із “вмороженим” в них ММП, посилюється інжекція плазми всередину магнітосфери інтенсивність якої залежить від напряму вертикальної компоненти ММП та потокової швидкості плазми сонячного вітру.

Автор дослідив динаміку розвитку магнітосферного кільцевого струму під час декількох магнітних бур. Під час бурі 23-24 березня 1969 р. по магнітограмах 11 низькоширотних обсерваторій (Таманрассет, Тбілісі, Ташкент, Алібаг, Улан-Батор, Гуам, Какіока, Гонолулу, Туксон, СанХуан, М'Бур), які достатньо рівномірно розміщені по довготі на широтах 04°<Ф<40°, вимірювались відхилення DH, DD, DZ від спокійного рівня, за який взято попередній дуже спокійний інтервал часу з 12 год. СЧ 22 березня до 12 год. СЧ 23 березня. Величини DH, DD, DZ переводились в геомагнітну систему координат DX, DY, DZ.Значення DX приводились до екватору діленням на сosФ. Осереднивши величини DX по всьому довготному ланцюжку обсерваторій для кожної години СЧ, були визначені варіації Dst.

Порівняння обчисленого нами Dst та порахованого по даним чотирьох низькоширотних обсерваторій стандартного індексу Dst показало, що різниця між ними досягає 30-40 нТл в окремі години, що, на думку автора, зв'язано з більш точним виключенням довготної асиметрії при використанні даних більшої кількості обсерваторій.

Магнітне поле від кільцевого струму (DR) одержимо віднявши від Dst поле від струмів на магнітопаузі (DCF).

Для досліджуваної бурі, були обчислені по методиці Міда симетрична та асиметрична частини DCF варіацій для кожної обсерваторії вибраного довготнього ланцюжка. Обчислені таким способом варіації DR на кожній обсерваторії були усереднені по всьому ланцюжку і таким чином отримана симетрична частина поля кільцевого струму. Варіації симетричної частини поля DR подібні Dst .

Магнітна буря 23-24 березня 1969 р. почалась одночасно на всіх довготах, але розвиток кільцевого струму, відбувався асиметрично по довготі.

Величину асиметрії (ASY) для кожної години світового часу автор визначав як різницю між максимальним і мінімальним значенням DR по всьому довготному ланцюжку обсерваторій. Знайдено, що асимметрія зростає (спадає) з ростом (спадом) величини DR. Асиметрія більша на головній фазі бурі ніж на фазі спаду.

Вивчення закономірностей появи та розвитку кільцевого струму і його динаміки в залежності від параметрів міжпланетного середовища було продовжено нами для бурі 27-29 серпня 1978 року. Для аналізу використано магнітограми семи низькоширотних обсерваторій (Тбілісі, Ташкент, Алма-Ата, Какіока, Гуам, Сан Хуан, Фредеріксбург). Застосовувалась та ж методика обчислення величин Dst i DR , як і для бурі 23-24 березня 1969 р. Для бурі 27-29 серпня ми одержали такі ж результати як і для бурі 23-24 березня 1969р. Асиметрія кільцевого струму зростає з ростом інтенсивності струму і стає найбільшою в максимумі головної фази. На фазі спаду асиметрія зменшується. Вона для даної бурі незначно більша на головній фазі ніж на фазі спаду.

Динаміка розвитку кільцевого струму під час бурі 27-29 серпня досліджувалась в залежності від параметрів міжпланетного середовища. Значний зріст швидкості та густини іонів сонячного вітру та поява знакозмінної Bz компоненти ММП не призвели до значного посилення кільцевого струму в магнітосфері, а тільки до збільшення інтенсивності авроральних електроструменів. Поява Bz<0 компоненти ММП через 20 годин після початку бурі (Bz<0 існувала 9 годин) веде до раптового посилення кільцевого струму. Слід зазначити, що тривале існування Bz<0 компоненти ММП спостерігається або на границях зміни знаку секторної структури ММП, або в інтервали часу, коли маємо відхилення ММП від спіралі Архімеда в площині екліптики. В дисертації наведені статистичні дані про магнітні бурі за 1968 і 1969 роки. Всі великі і дуже великі магнітні бурі в ці роки спостерігалися на границях секторів ММП. Малі або помірні бурі спостерігалися або на границях секторів, або ж в інтервали часу, коли порушувалась секторна структура ММП.

Розпад кільцевого струму відбувається внаслідок дисипації його енергії. Швидкість дисипації енергії з кільцевого струму характеризується параметром t. Автор дослідив зміну парметру t на фазі спаду бурі 23-24 березня 1969 року. Значення параметру розпаду кільцевого струму для цієї бурі змінюються від 4,6 до 20 годин. Тобто величина t на фазі спаду бурі змінюється з часом і не може приймати єдиного значення навіть для однієї бурі.

2.3. Асиметрія кільцевого струму і авроральні електрострумені. На величину асиметрії кільцевого магнітосферного струму, яка обчислюється по наземних даних, можуть впливати авроральні іоносферні електрострумені, інтенсивність яких характеризується індексом АЕ. Автором досліджувався вплив авроральних іоносферних електроструменів на величину асиметрії кільцевого магнітосферного струму під час бурі 23-24 березня 1969 року.

Ще до початку розвитку кільцевого магнітосферного струму низькоширотні обсерваторії показують асиметрію варіацій по довготі. Найбільш імовірно, що дана асиметрія зв'язана з асиметрією поля DCF. З наступним ростом Dst і виправленого індекса авроральних електроструменів АЕ', збільшується асиметрія кільцевого струму. Спад АЕ' веде до спаду ASY.

2.4. Про планетарний характер іоносферних джерел геомагнітних варіацій. Питання, чи охоплюють системи струмів, які генеруються в іоносфері під час магнітних збурень всю область від авроральної зони до екватора, чи обмежуються тільки середніми широтами до цього часу не вирішене.

Ми намагалися дати відповідь на це питання досліджуючи магнітну бурю 23-24 березня 1969 року. Для цього були вибрані два меридіальні ланцюжки обсерваторій, які простягалися від високих широт до екватора. Один ланцюжок обсерваторій проходив через Сибір до Індії і включав обсерваторії: Діксон, Свердловськ, Алма-Ата, Алібаг і Аннамалайнагар. Другий ланцюжок проходив через американський континент і включав обсерваторії: Черчілл, Грейт Уайл Рівер, Аджінкорт, Сан-Хуан, Фредеріксберг, Фукуене, Уанкайо. Величини варіацій на обсерваторіях обчислювались по такій же методиці як і при дослідженні динаміки кільцевого струму та авроральних електроструменів. Критерієм, який доказує іоносферне походження варіацій є наявність екваторіального підсилення варіацій магнітного поля поблизу екватору магнітного нахилення на обсерваторіях Уанкайо, Аннамалайнагар по відношенню до варіацій, які спостерігаються на тих же довготах більш віддаленими від екватору обсерваторіями, такими як Фукуене, Алібаг. На початку бурі в денному секторі спостерігається різке підсилення варіацій на широтах екваторіального електроструменя на обсерваторії Уанкайо. В нічному секторі такого підсилення немає. Проте підсилення варіацій поля поблизу екваторіального електроструменя в денному секторі, при дальшому розвитку бурі, зникає. Це означає, що тільки на початку бурі електричне поле магнітосферної конвекції проникає аж до екватора. З розвитком кільцевого струму, відбувається послаблення цього поля, тобто внутрішня магнітосфера екранується від електричного поля зовнішнього походження, і іоносферні струми в низьких широтах зникають.

2.5. Нова методика обчислення АЕ - індексів магнітної активності під час магнітної бурі. Індекси магнітної активності АЕ найбільш широко використовуються на практиці. Вони обчислюються за даними довготного ланцюжка обсерваторій, які розміщені на геомагнітних широтах 62°ЈФЈ70° в північній півкулі. В § 2.1 доведено, що при DR=-100 нТл центр західного іоносферного електроструменя зміщується в низькі широти і виходить за межі поясу авроральних обсерваторій. Таким же чином зміщується за межі обсерваторій аврорального поясу і східний іоносферний електрострумінь. Тобто, обчислений за даними авроральних обсерваторій, індекс АЕ буде занижений під час магнітної бурі. Для виправлення індексу, необхідно використовувати додатково дані субавроральних обсерваторій таких як: Лервік, Архангельск, Ст.Джонс, Оттава, Мінук, Аджінкорт, Нурміярві, Якутськ. Щоб уникнути цього, автор пропонує для обчислення індексу АЕ використовувати магнітограми горизонтальної та вертикальної складових магнітного збурення, на обсерваторіях авроральної зони, тобто обчислювати АЕ індекс по повному вектору магнітного збурення DF= (DH2+DZ2)1/2. Застосування такої методики обчислення індексу АЕ під час бурі 23-24 березня показало, що середня помилка визначення індексу АЕ складає 21%.

2.6. Співвідношення між енергетичними характеристиками сонячного вітру та активністю авроральних електроструменів і кільцевого струму в магнітосфері. Величина потоку енергії в магнітосферу визначається швидкістю сонячного вітру, напруженістю ММП та величиною його південної компоненти.

Найбільш геоефективними є: азимутальна компонента електричного поля сонячного вітру Ey=-v·Bz, параметр Акасофу e, та потік енергії в кільцевий струм або як вище названо функція інжеції в кільцевий струм (F). Були обчислені коефіцієнти кореляції між Ey, e, F і виправленими індексами авроральних електроструменів АЕ' і величиною асиметрії кільцевого струму в магнітосфері (ASY) для головної фази бурі 23-24 березня 1969 року. Найвищі коефіцієнти кореляції одержуються між АЕ' і F (r=0,90) та ASY i F (r=0,91). Висока кореляція між АЕ' i F означає, що на протязі головної фази бурі, інтенсивність авроральних електроструменів перебуває в тісному зв'язку з потоком енергії в кільцевий струм. Це означає, що можна рекомендувати оцінювати значення АЕ, за відомими параметрами міжпланетного середовища. Якщо інтенсивність іоносферних електроструменів контролюється потоком енергії, яка поступає в магнітосферу із сонячного вітру, то можна оцінити залежність реакції магнітосферно-іоносферної системи струмів від стану магнітосфери в момент зміни параметрів міжпланетного середовища. Проведене дослідження показало, що чим вищий рівень збуреності магнітосфери, тим більша її чутливість до зміни параметрів сонячного вітру.

Розділ ІІІ. Зовнішні джерела вікових варіацій магнітного поля Землі. Присвячений вивченню зовнішніх джерел вікових варіацій горизонтальної складової магнітного поля Землі та зроблена спроба їх кількісної оцінки.

3.1. Вікові варіації та їх зв'язок з геомагнітною активністю. Обчислені різниці між послідовними середньорічними значеннями горизонтальної складової (DH) на довготному ланцюжку середньоширотних і субавроральних обсерваторій, розміщених навколо всієї Землі (Віттевін, Німек, Воєйково, Займище (Казань), Висока Дубрава (Свердловськ), Іркутськ, Мінук ) за 100 років (1890-1990 рр.)

На всіх обсерваторіях DH змінюються по квазісинусоїдальному закону. Коливання квазісинусоїд на всіх обсерваторіях відбуваються в фазі, моменти переходу через нуль величини DH не співпадають на всіх обсерваторіях. Амплітуди коливань на обсерваторіях даного ланцюжка різні. На квазісинусоїди накладаються короткоперіодні іррегулярні варіації, які пік-в-пік антикорелюють із змінами середньорічних значень індексу SКр. Спад (ріст) магнітної активності веде до росту (спаду) середньорічних значень DH. Така обернена кореляція спостерігається на протязі всього сторічного інтервалу часу. Це дозволяє зробити висновок, що вони утворюються джерелами, розміщеними ззовні Землі. Відхилення від вищеназваної кореляції спостерігаються в полярних шапках Землі та в районах світових магнітних аномалій. Чутливість варіацій, зв'язаних з геомагнітною активністю, неоднакова для різних регіонів Землі. На обсерваторіях розміщених в прибережних районах та на островах, а також в районі Бразильської магнітної аномалії, чутливість DH до змін SКр значно більша ніж в інших регіонах Землі, що, можливо, викликано підвищеною провідністю порід всередині Землі.

3.2. Вікові варіації та їх зв'язок з сонячною активністю. Порівняння усереднених за одинадцятирічний цикл сонячної активності вікових варіацій горизонтальної складової магнітного поля Землі (DH) із сонячною активністю, вираженою числами Вольфа, показало, що збільшення (зменшення) середніх за цикл чисел Вольфа веде до збільшення (зменшення) середніх за цикл DH.

На гілці росту сонячної активності спостерігається спад вікового ходу горизонтальної складової, а на гілці спаду сонячної активності, бачимо ріст вікового ходу горизонтальної складової.

3.3. Кількісні співвідношення між зміною величини вікових варіацій та Кр індексом магнітної активності. Отримані рівняння лінійної регресії, які зв'язують зміну вікового ходу на ряді європейських, азіатських і американських магнітних обсерваторіях (DSV(H)) із змінами магнітної активності, вираженої середньорічними значеннями індексу DSКр. Європейський ряд включає такі обсерваторії: Коімбру, Валенсію, Шамбон ля Форет, Стоніхерст, Хартленд, Німек, Сурларь, Віттевін, Руде Сков, Львів (40 років спостережень), Воєйково; азіатський: Свердловськ, Іркутськ, Южно-Сахалінськ, Магадан, Владивосток; американський: Фредеріксберг, Таксон. Коефіцієнти кореляції між DSV(H) та DSКр приймають значення від -0,40 до -0,60. Оцінка достовірності коефіцієнтів кореляції з імовірністю 0,05 показує, що кореляційна залежність дійсно існує.

Обчислена чутливість SV(H) до змін SКр. Вона змінюється від регіону до регіону.

ВИСНОВКИ

1. Підтверджено, що центри авроральних іоносферних електроструменів зміщуються по широті. Із збільшенням величини кільцевого магнітосферного струму широта центрів як західного так і східного зменшується. Так при DR = -250 нТл, центр західного електроструменя розміщувався на широті Ф= 55,5°, а центр східного - при DR=-282 нТл опустився до широти Ф = 55°, що для західного електроструменя описується рівнянням:

Ф = 65,5 + 0,035DR,

де Ф- широта центру електроструменя, виражена в градусах

DR - величина кільцевого струму, в нТл.

2. З ростом DR західний електрострумінь крім зміщення в низькі широти може також збільшувати свою ширину в дополюсному напрямі, а також розщеплюватися на два електрострумені. Під час бурі 5-7 лютого 1994 року західний електрострумінь розщепився на два електрострумені. Центр більш сильного електроструменя знаходився на широті Ф = 71°, а другого слабшого на широті Ф = 61°.

3. Розрив Харанга між східним і західним електроструменями в вечірньому секторі місцевого часу, також знижується по широті із збільшенням DR.

4. Асиметрія кільцевого струму зростає з підсиленням струму і спадає при його ослабленні. При однаковій силі кільцевого струму асиметрія його менша на фазі спаду бурі. З ростом АЕ асиметрія кільцевого струму зростає, а із спадом АЕ - зменшується.

5. Індекси магнітної активності АЕ, які вираховуються за даними горизонтальної складової аврорального ланцюжка обсерваторій під час магнітної бурі, занижені. Індекси АЕ близькі до реальних можна обчислити за даними цього ланцюжка обсерваторій, використавши для обчислення варіації повного вектора магнітного збурення.

6. Отримані рівняння лінійної регресії між змінами вікового ходу горизонтальної складової магнітного поля Землі та змінами індексу SКр для різних регіонів Землі.Чутливість змін вікового ходу горизонтальної складової до змін індексу SКр неоднакова для різних регіонів Землі.

7. Із збільшенням (зменшенням) амплітуди варіацій чисел Вольфа в циклі сонячної активності величина середнього за цикл значення вікового ходу горизонтальної складової збільшується (зменшується).

На вітці росту (спаду) сонячної активності спостерігається спад (ріст) вікового ходу горизонтальної складової магнітного поля Землі.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Сумарук П.В., Сумарук Ю.П. Асимметрия кольцевого тока и активность авроральн?х електроструй // Геоф. ж-л.- 1992. - 14, № 5. - C.82-86.

2. Сумарук П.В., Сумарук Ю.П. Индекс? магнитной активности АЕ во время магнитной бури // Геоф. ж-л.- 1994.- 16, №4 .- C.51-53.

3. Сумарук Ю.П., Сумарук П.В. Веков?е вариации магнитного поля Земли в средних широтах и их связь с геомагнитной и солнечной активностью // Геоф. ж-л.- 1995.- 17, №6.- C.59-62.

4. Сумарук Ю.П., Сумарук П.В. О внешних источниках веков?х вариаций магнитного поля Земли // Геоф. ж-л.- 1998.- 20, №3 .- C.120-126.

5. Feldstein Y.I., Gromova L.I., Grafe A., Meng C.-I., Kalgaev V.V., Alexeev I.I., Sumaruk Yu.P. Auroral electrojet dynamics during magnetic storms,connection with plasma precipitation and large - scale structure of magnetospheric magnetic field // Ann. Geophys.- 1999 .-17.- P.497-507.

6. Sumaruk Yu.P. On external sources of secular variations of the Earth's magnetic field // Contributions to Geoph. and Geod.- 2000.- 30, №2.- P.158.

7. Сумарук Ю.П. Іоносферні струми під час магнітної бурі і їх зв'язок з кільцевим магнітосферним струмом Тези доповіді на ЮК фіз.фак.ЛДУ.- 1993.- C.73.

8. Feldstein Y.I., Gromova L.I., Grafe A., Meng C.-I., Kalegaev V.V., Alexeev I.I., Sumaruk Yu.P. Auroral electrojet dynamics during magnetic storm, connection with auroral plasma precipitation and electrojet mapping to the magnetosphere // Workshop “Space radiation environment modeling: New Phenomena and approaches”. Schedule, Programme and Abstracts; Moscow, oct. 7-9 1997, P.34.

9. Sumaruk Yu.P., Sumaruk P.V. Interplanetary magnetic field diagnostic by mean of the geomagnetic data // Proceeding of International Simposium “From Solar corona through interplanetary Space, into Earth's magnetosphere and ionosphere: Interball, ISTP satellites and ground based observations”, Kyiv, Feb. 1-4. 2000 sesions V-IX P.285-288.

АНОТАЦІЯ

Сумарук Ю.П. Динаміка джерел геомагнітних варіацій.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 04.00.22 - геофізика - Спец.вчена рада Д 26.200.01 при Інституті геофізики ім.С.І.Субботіна НАН України, Київ, 2001.

Дисертація присвячена вивченню динаміки розвитку зовнішніх джерел варіацій магнітного поля Землі під час магнітних бур. Зовнішніми джерелами варіацій магнітного поля є: кільцевий магнітосферний струм, авроральні іоносферні електрострумені і ін., які отримують енергію із сонячного вітру. Досліджувалась залежність широтного положення іоносферних авроральних електроструменів від інтенсивності кільцевого магнітосферного струму за даними широтних ланцюжків магнітних обсерваторій на авроральних та субавроральних широтах.

Отримано рівняння лінійної регресії, яке зв'язує широту центру аврорального електроструменя з інтенсивністю кільцевого магнітосферного струму.

Вивчалась асиметрія кільцевого магнітосферного струму на всіх фазах розвитку магнітної бурі та зв'язок її з параметрами сонячного вітру і розвитком авроральних іоносферних електроструменів.

Одержане співвідношення між інтенсивністю кільцевого струму та широтою авроральних електроструменів використане для покращення методики обчислення АЕ індексів магнітної активності.

Досліджувався зв'язок вікових варіацій горизонтальної складової магнітного поля Землі з геомагнітною та сонячною активністю.

Ключові слова: кільцевий струм, іоносферні електрострумені, магнітна буря, міжпланетне магнітне поле, вікові варіації.

АННОТАЦИЯ

Сумарук Ю.П. Динамика источников геомагнитн?х вариаций. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 04.00.22 - геофизика - Спец.учен?й совет Д 26.200.01 при Институте геофизики им.С.И.Субботина НАН Украин?, Киев, 2001.

Диссертация посвящена изучению динамики развития внешних источников вариаций магнитного поля Земли во время магнитн?х бурь. Внешними источниками являются: кольцевой магнитосферн?й ток, авроральн?е ионосферн?е електроструи и др. ?ти источники получают ?нергию из солнечного ветра.

В работе исследовалась зависимость положения восточной и западной авроральн?х ?лектроструй от интенсивности кольцевого магнитосферного тока. Использовались данн?е широтн?х цепочек магнитн?х обсерваторий в авроральн?х и субавроральн?х широтах, долготной низкоширотной цепочки обсерваторий. По широтн?м разрезам возмущения горизонтальной и вертикальной компонент магнитного поля определяется положение центра ионосферной ?лектроструи. Показано, что с увеличением интенсивности кольцевого магнитосферного тока (DR), центр? восточной и западной електроструй смещаются в более низкие широт?. Получено уравнение зависимости широт? центра западной ионосферной ?лектроструи от интенсивности кольцевого магнитосферного тока. При DR<-100 нТл западная ионосферная електроструя сдвигается на широт? меньше 62°, то есть южнее обсерваторий, по данн?м котор?х в?числяют АЕ индекс магнитной активности. Во время магнитн?х бурь опубликованн?е индекс? АЕ значительно занижен?.

Исследовалась асимметрия кольцевого магнитосферного тока на всех фазах развития магнитной бури, а также связь асимметрии с параметрами солнечного ветра и развитием авроральн?х ?лектроструй. Найдено, что асимметрия кольцевого тока увеличивается с усилением тока на фазе развития бури и уменьшается при ослаблении тока на фазе распада бури. При одной и той же интенсивности кольцевого тока, его асимметрия меньше на фазе распада бури.

Асимметрия кольцевого тока также тесно связана с интенсивностью авроральн?х ионосферн?х ?лектроструй. Увеличение индекса магнитной активности АЕ ведет к росту асимметрии кольцевого тока.

Полученн?е соотношения между интенсивностью кольцевого тока и широтой авроральн?х ?лектроструй использован? для улучшения методики расчёта АЕ индексов магнитной активности.

Улучшить индекс? АЕ во время магнитн?х бурь можно используя для их в?числения данн?е субавроральн?х обсерваторий или же используя данн?е как горизонтальной, так и вертикальной составляющих, т.е. полного вектора возмущения.

В диссертации исследовалась зависимость интенсивности авроральн?х ионосферн?х ?лектроструй и асиметрии кольцевого тока от ?нергетических характеристик солнечного ветра. Показано, что на главной фазе магнитной бури существует линейная связь между интенсивностью авроральн?х ?лектроструй, в?раженн?х АЕ индексом, с ?нергией солнечного ветра, входящей в кольцевой ток. ?тот факт можно использовать для оценки величин? индекса АЕ по известн?м параметрам солнечного ветра.

Исследовалась связь веков?х вариаций горизонтальной составляющей магнитного поля Земли с геомагнитной и солнечной активностью.

Получен? уравнения линейной регресии, связ?вающие изменения векового хода горизонтальной составляющей магнитного поля Земли с изменениями индекса SКр в некотор?х регионах Земли. Чувствительность изменений векового хода к изменениям индекса SКр изменяется от региона к региону.

Ключев?е слова: кольцевой ток, ионосферн?е ?лектроструи, магнитная буря, межпланетное магнитное поле веков?е вариации.

ABSTRACT

Sumaruk Yu.P. Dynamics of the sources of geomagnetic variations.- Manuscript.

A thesis for scientific degree of a master of Physics and Mathematics in the profession 04.00.22 - geophysics - Spec.council D 26.200.01 at the S.I.Subbotin Institute of Geophysics NAS of Ukraine, Kiev, 2001.

A thesis deals with exploration of the dynamics of the development of the external sources of the Earth's magnetic field variations during magnetic storms.

The ring magnetospheric current and auroral ionospheric electrojets, which receive energy from solar wind, are external sources of the geomagnetic variations.

Dependence of the auroral ionosperic electrojets latitude position on magnetospheric ring current intensity was investigated. Magnetic field data of the auroral and subauroral latitude chain magnetic observatories were used.

Connection between ring current intensity and the latitude of the auroral ionospheric electrojet center was expressed by means of the linear regression equation.

A ring current asymmetry at all stages of the magnetic storm and its relation to the solar wind parameters was studied. It was shown that ring current asymmetry increased with the current intensity increasing. Asymmetry of the ring current is closely connected with auroral electrojets intensity.

To improve methods of the auroral indexеs calculation, the equation what connected auroral electrojet position and ring current intensity were used.

Dependence of the Earth's magnetic field horisontal