НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОФІЗИКИ ІМ. С.І. СУББОТІНА

Сумарук Тарас Петрович

УДК 523.72.715:550.380:550.385.26

РЕГУЛЯРНІ ТА ІРРЕГУЛЯРНІ ГЕОМАГНІТНІ

ВАРІАЦІЇ В СЕРЕДНІХ ШИРОТАХ

Спеціальність: 04.00.22 – геофізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ – 2008

Дисертацією є рукопис

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

Науковий керівник: доктор геологічних наук,

Орлюк Михайло Іванович

Інститут геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України, завідувач відділу.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук,

Шуман Володимир Миколайович

Інститут геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України, завідувач відділу.

доктор фізико-математичних наук,

Міліневський Геннадій Петрович

Київський національний університет

імені Тараса Шевченка,

завідувач відділу.

Захист відбудеться 6 лютого 2008 р. о 13 год.

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

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту геофізики

ім. С.І. Субботіна НАН України

Автореферат розісланий „3” січня 2008р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор фізико-математичних наук Я.М. Хазан

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ.

Актуальність теми. Проблема розвитку нових оптимальних підходів до розв’язання геофізичних завдань постає дедалі більш гостро.

Згідно уявлень, які складалися віками, Земля і космічний простір здавалися двома граничними і протилежними формами існування фізичних середовищ. Земля уявлялася, як згусток матерії із всім комплексом фізичних, біологічниих і інших явищ, а космос – це простір заповнений електромагнітними і гравітаційними полями. При цьому вважалося, що тільки тонкий шар атмосфери відділяє нас від космосу. Проте перші ж спостереження, виконані в космосі за допомогою штучних супутників Землі, показали явну помилковість цих уявлень. Виявилось, що міжпланетний простір заповнений надзвичайно активним середовищем – замагніченою плазмою сонячного вітру. Стало ясно, що крім атмосфери Земля має ще одну значно більшу оболонку – магнітосферу, природа якої зумовлена складною взаємодією внутрішнього магнітного поля Землі, яке в першому наближенні близьке до поля диполя, та сонячного вітру і міжпланетного магнітного поля (об’ємом ~6*1025м3). Вона перешкоджає сонячному вітрові прямо проникати в верхні шари атмосфери. При цьому, не дивлячись на надзвичайну розрідженість середовища в магнітосфері, саме магнітосфера і процеси, які в ній проходять, визначають розвиток таких потужних явищ як магнітні бурі. Магнітні бурі впливають на метеорологічні та біологічні процеси на Землі, вони змінюють структуру іоносфери Землі, таким чином впливають на телекомунікаційні, енергетичні та інші системи.

Геомагнітні варіації в середніх широтах Землі досліджені мало в теоретичному аспекті, хоч в експериментальному плані вивчені найкраще і широко використовуються на практиці.

За останні сорок років, в зв’язку з широкомасштабними дослідженнями навколоземного космосу, стало зрозумілим, що головні зовнішні джерела нерегулярних геомагнітних варіацій розміщені в високоширотній іоносфері та далекій магнітосфері. В середніх широтах ці варіації створюються магнітосферними струмами та зворотніми струмами високоширотних іоносферних електроструменів і тільки при супербурях – самими високоширотними іоносферними струмами.

В даний час нагромаджені величезні масиви як наземних, так і космічних даних про просторові та часові зміни геомагнітного поля, однак методика ідентифікації варіацій в середніх широтах від різних джерел не розроблена.

Дана робота присвячена вивченню просторово-часових змін геомагнітних варіацій в середніх широтах від різних джерел. Виділені варіації, які генеруються магнітосферними та іоносферними системами струмів. Одержані результати використані для обчислення величини енергії, яка поступає із сонячного вітру в магнітосферу та вирішенню деяких практичних задач.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась у відповідності з науковими темами:

1.“Дослідження зв’язку геомагнітного поля з кліматом і довготривалими змінами оточуючого середовища”. Реєстраційний номер 0198U000211 (1998 – 2002рр.).

2. “Інтерпретація просторово-часових аномалій території України для рішення геолого-тектонічних і екологічних задач та прогнозування корисних копалин.” Шифр 1.5.2.130Ф (2003 – 2007рр.).

Об’єкт досліджень: геомагнітне поле, магнітосфера та іоносфера Землі.

Предмет досліджень: сонячно-добові, іррегулярні та регулярні геомагнітні варіації.

Мета роботи: дослідити варіації геомагнітного поля в середніх широтах, та вивчити їх динаміку і просторово-часові характеристики на різних рівнях сонячної та магнітної активності.

Завдання досліджень.

1. Дослідження сонячно-добових (Sq) варіацій на середньоширотній обсерваторії.

2. Розділення іррегулярних варіацій в середніх широтах від іоносферних та магнітосферних джерел.

3. Розроблення методики, оцінки величини енергії, яка поступає із сонячного вітру в магнітосферу за даними середньоширотних обсерваторій.

4. Дослідження зв’язку геомагнітної активності та клімату в окремому регіоні.

Фактичний матеріал та методи досліджень. Під час вивчення геомагнітних варіацій в середніх широтах використовувалися дані cередньоширотних геомагнітних обсерваторій, дані про індекси геомагнітної активності.

Методи досліджень: статистичний аналіз та строгі математичні розрахунки.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше на основі модельних розрахунків та даних магнітних обсерваторій і міжнародних центрів про варіації магнітного поля Землі, розділено іррегулярні геомагнітні варіації в середніх широтах на компоненти, які генеровані магнітосферними та іоносферними системами струмів. Виділені варіації генеровані кільцевим магнітосферним струмом, струмами на магнітопаузі, авроральними електроструменями та їх зворотніми струмами в середні широти підчас магнітних бур.

2. Розділено Sq-варіації магнітного поля на складові: залежну та незалежну від сонячної активності.

3. Розроблена нова методика оцінки величини енергії, яка поступає із сонячного вітру в магнітосферу за середньоширотними даними, що дозволяє оперативно оцінювати цю величину та використовувати в практичних цілях.

3. Введено новий індекс магнітної активності, який добре корелює з іншими індексами та оперативно вичисляється за даними середньоширотних обсерваторій

4. Виділені квазідвохрічні варіації магнітного поля в середніх широтах.

5. Виявлено, що зменшення геомагнітної активності приводить до аномальних змін клімату в регіоні Західної України.

Обґрунтованість та достовірність одержаних результатів: забезпечена великим об’ємом експериментальних даних магнітних обсерваторій світової мережі та супутникових спостережень. Додатковий контроль методики вичислення варіацій від магнітосферних та іоносферних джерел за наземними спостереженнями показав їх добру узгодженість з результатами розрахунків за теоретичними моделями.

Практичне значення отриманих результатів.

Одержані автором результати розділення варіацій магнітного поля на складові дозволяють відслідковувати динаміку змін іоносферних та магнітосферних струмів.

Введення нового індексу дає можливість оперативного вичислення величини енергії, що поступає із сонячного вітру в магнітосферу.

Для покращення якості прогнозів довготривалих змін клімату і погоди можуть бути використані виділені в чистому вигляді квазідвохрічні варіації, а також нова, запропонована автором, методика обчислення величини енергії.

Розроблено та реалізується на практиці спосіб прогнозування магнітної активності із завчасністю один місяць.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно:

1) розділено іррегулярні варіації в середніх широтах від іоносферних та магнітосферних джерел, та проведена оцінка їх величин для великих магнітних бур [2, 9];

2) проведено дослідження Sq-варіацій магнітного поля на середньоширотній обсерваторії з метою використання їх як нульового рівня поля нерегулярних варіацій в середніх широтах, а також розділення їх на складові: залежну та незалежну від сонячної активності. Отримані рівняння лінійної регресії, які пов’язують спокійну сонячно-добову варіацію та сонячну активність виражену індексом MgII, який характеризує інтенсивність ультрафіолетового випромінювання Сонця [3, 4];

3) запропоновано новий індекс магнітної активності, який добре виражає величину активності в середніх широтах. Розроблено методику його вичислення та провірки [11, 12];

4) виділено квазідвохрічні варіації геомагнітного поля в середніх широтах;

5) запропоновано нову методику обчислення кількості енергії, яка неперервно поступає в магнітосферу із сонячного вітру за даними середньоширотних обсерваторій. Проведено обчислення величини цієї енергії за 1953 – 2004 роки

(4 цикли сонячної активності) [5, 13];

6) розроблено методику якісного середньострокового прогнозу геомагнітної збуреності за даними середньоширотної магнітної обсерваторії [1, 8, 12];

7) проведено дослідження залежності змін клімату в регіоні Західної України від геомагнітної активності та зроблено висновок про те, що із зменшенням геомагнітної активності клімат в регіоні стає близьким до континентального типу [6, 10].

Автор приймав активну участь в проведенні спостережень за варіаціями магнітного поля Землі на магнітній обсерваторії “Львів” та доведення якості її даних до вимог “Інтермагнету”[7].

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи доповідались та пройшли апробацію на:

V – му Севастопольському міжнародному семінарі “Фундаментальні і прикладні проблеми моніторингу і прогнозу природних, техногенних і соціальних катастроф” (Стихія – 2002) – Севастополь. – 2002; Workshop on repeat magnetic stations. Niemegk. 2002; Міжнародна конференція “ 100 років Н.В. Пушкову. – ИЗМИРАН. – 2003; 5 – та Українська конференція з космічних досліджень. Євпаторія – 2005; ХІІth IAGA Workshop on Geomagnetic Observatory Instruments, Data Acquisition and Processing. Belsk, Poland. 2006. 7 – ма Українська конференція з космічних досліджень. Євпаторія – 2007.

Публікації. Основні результати опубліковані в 6 статтях у фахових виданнях і 7 тезах доповідей на міжнародних наукових конференціях.

Обсяг та cтруктура роботи. Дисертація складається із вступу, 3 розділів, висновків і списку використаної літератури, що нараховує 258 найменувань. Робота викладена на 163 сторінках машинописного тексту, містить 40 рисунків та 12 таблиць. Дисертація написана українською мовою.

Дисертацію виконано на магнітній обсерваторії “Львів” Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна під керівництвом доктора геологічних наук М.І. Орлюка, якому здобувач щиро вдячний за надані консультації та постійну допомогу при виконанні дисертаційної роботи.

Дисертант висловлює щиру подяку за обговорення та дискусії співробітникам Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна кандидатам фіз.-мат. наук Л.Н. Яременко, О.I. Максименко, доктору геолог. наук С.М. Кулику.

Особливу подяку за надану допомогу при виконанні дисертаційної роботи автор висловлює співробітникам магнітної обсерваторії „Львів” Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

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

СТАН ПРОБЛЕМИ

Основні типи геомагнітних варіацій та їх джерела. Розглянуто основні типи геомагнітних варіацій в середніх широтах та їх джерела. Сонячно-добова варіація (Sq) – це явище глобального масштабу. В даний час загально прийнято, що основним джерелом Sq є динамо-струми в іоносфері. Еквівалентна система струмів Sq складається з чотирьох вихорів: двох на денній та двох слабших на нічній сторонах Землі. Інтенсивності струмів в вихорах особливо на денній стороні змінюються. Фокуси вихорів змінюють своє положення в залежності від сезону та рівня сонячної активності. Значна кількість статей присвячена вивченню впливу магнітосферних струмів на Sq-варіацію. Питання про джерела Sq – залишається дискусійним. Головним джерелом Dst-варіації є кільцевий струм в магнітосфері (DR), струми в її хвості та струми на магнітопаузі DCF. Величину Dst визначають за даними про варіації горизонтальної складової поля на чотирьох низькоширотних обсерваторіях. Вклад DCF-варіації в варіації поля середніх широт в спокійних умовах – незначний, проте в збурених умовах, коли потокова швидкість та густина плазми сонячного вітру збільшується, він значно зростає. Детально розглянуто питання формування магнітосферного кільцевого струму та його розпаду.

Магнітні суббурі (DP) – один з найпоширеніших видів варіацій. Суббурі можуть генеруватися як в спокійні періоди так і підчас магнітних бур. Джерелами суббур є потужні іоносферні електрострумені в авроральній зоні, які є струмами Хола в високопровідній авроральній іоносфері і замикаються через струми вздовж силових ліній з частинним кільцевим струмом та струмами в хвості магнітосфери. Варіації в середніх широтах, які генеровані авроральними електрострумами та їх зворотніми струмами, в літературі вивчались мало. Виділення їх в чистому вигляді, а також ідентифікація джерел для окремих бур не проводилась. Детально висвітлено питання розрахунків за наземними даними розподілу струмів вздовж силових ліній.

Взаємозв”язок між Dst та DP-варіаціями дуже складний. Магнітні бурі в більшості випадків супроводжуються частою появою суббур, але великі суббурі не завжди приводять до виникнення магнітної бурі.

Магнітосфера, як резервуар енергії сонячного вітру. Параграф присвячений огляду літературних даних про проникнення енергії сонячного вітру в різні області магнітосфери. Висвітлено питання про механізми інжекції енергії в магнітосферу, форми її виділення в окремих областях магнітосфери та іоносфери на різних фазах бур і суббур.

Сучасні можливості прогнозу геомагнітної активності. Дано огляд сучасному стану проблеми прогнозу геомагнітної активності, а також впливу змін геомагнітної активності на клімат. Розглянуто види прогнозів та можливості прогнозування за сонячними даними та по параметрах сонячного вітру і міжпланетного магнітного поля, а також за геомагнітними даними. Питання впливу геомагнітної активності на погоду і клімат дискутуються в літературі давно, проте до цього часу, однозначного рішення не має. Розглянуто фізичні механізми впливу геомагнітної активності на погоду і клімат. Очевидно, на погоду і клімат одночасно діють різні механізми і ця проблема буде вирішена в недалекому майбутньому.

ПРОСТОРОВО-ЧАСОВІ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕРЕДНЬОШИРОТНИХ ВАРІАЦІЙ ГЕОМАГНІТНОГО ПОЛЯ

В розділі викладено одержані автором результати розділення варіацій в середніх широтах від магнітосферних та іоносферних джерел. Виділено квазідвохрічні варіації геомагнітного поля. На основі запропонованої автором нової методики проведено обчислення величини енергії, яка поступає із сонячного вітру в магнітосферу за даними середньоширотних обсерваторій.

Вибір рівня відліку поля нерегулярних варіацій. Для розділення варіацій від різних джерел першим кроком має бути вибір рівня відліку поля варіацій. За рівень відліку поля магнітних бур і суббур найчастіше використовують спокійну сонячно-добову варіацію (Sq). Оскільки в даній роботі передбачалось вивчення нерегулярних варіацій за тривалий інтервал часу, необхідно було дослідити зміни Sq на середньоширотних обсерваторіях зі зміною сезону та в циклах сонячної активності. Вихідними даними були середньогодинні значення Н, D, Z компонент поля по п’яти міжнародно- спокійних днях за 1952 – 1999 роки. Вибір таких днів обумовлений необхідністю одержати однорідні дані за чотири цикли сонячної активності.

Вичислені добові, та річні амплітуди в трьох складових поля змінюються як з сезоном так і в циклі сонячної активності. Найбільших значень амплітуди набули в 19 циклі ДSq(Н)=62 нТл, а найменших в 20 циклі ДSq(Н)=22 нТл. В середніх широтах сезонна та циклічна залежність найкраще виражена в горизонтальній складовій та схиленні, а в вертикальній складовій вона слабша. В спокійні дні на амплітуди Sq в схиленні впливають також DCF-варіації, оскільки фази Sq(D) і DCF(D) співпадають. Підсумовуючи, можна сказати: при використанні спокійних сонячно-добових варіацій по п’яти міжнародно-спокійних днях, як рівня відліку поля нерегулярних варіацій за тривалий проміжок часу, необхідно враховувати значні сезонні та циклічні зміни їх амплітуд.

Залежні та незалежні від сонячної активності Sq-варіації. Провідність іоносфери в середніх широтах, в основному, залежить від хвильового електромагнітного випромінювання Сонця. Видима частина спектру сонячного випромінювання дуже мало міняється в циклі сонячної активності, однак інтенсивність ультрафіолетового випромінювання залежить від активності. Регулярні вимірювання ультрафіолетового випромінювання в лінії MgII велись із листопада 1978 року до січня 1992 року. Ці дані та числа Вольфа (W) були використані в даному дослідженні для виявлення залежних та незалежних компонент Sq-варіацій від сонячної активності. Індекс MgII дуже добре корелює з W. Побудовані графіки зміни амплітуд ДSq для трьох складових поля від W та MgII за досліджуваний інтервал часу показали наявність лінійної кореляції між їх величинами. Коефіцієнти кореляції змінюються від 0.62 до 0.96, тобто тіснота зв’язку досить висока. Знайдені рівняння лінійної регресії для кожного місяця, одержані методом найменших квадратів, мають вигляд:

ДSq= ДSqі +б*W,

де б – кутовий коефіцієнт прямої лінійної регресії;

б*W= ДSqm – частина ДSq зв”язана із сонячною активністю.

ДSqі – величина незалежна від W, яка міняється тільки з сезоном, а також залежить від широти обсерваторії. На магнітній обсерваторії „Львів” величина ДSqі – 9 нТл зимою та 20 нТл для літного сезону.

Відношення середніх значень ДSqі літом і зимою в Н-складовій для „Львова” (ц=49.90) рівне 2.3, а в „Воєйково” (ц=59.90) – 3.1; в схиленні 10.4 і 13.9; в вертикальній 2.3 і 1.1 відповідно. Величина кутового коефіцієнту б змінюється для горизонтальної складової поля в межах (0.065 – 0.143), в схиленні зміни б більші, що викликано впливом струмів на магнітопаузі. У вертикальній (Z) складовій залежність ДSqm(Z) від сонячної активності виражена слабко. Тобто спокійна, сонячно-добова варіація геомагнітного поля складається з двох частин: незалежної ДSqі та залежної ДSqm від сонячної активності. Діапазон сезонних змін ДSqі в Н і D складових збільшується від низьких до субавроральних широт, що пояснюється більшою сезонною зміною зенітного кута Сонця на субавроральних обсерваторіях. В Z складовій – діапазон сезонних змін росте до низьких широт, що викликано наближенням низькоширотних обсерваторій до фокусу Sq-системи струмів В схиленні на ДSqm(D) накладається варіація від струмів на магнітопаузі.

Середньоширотні DCF-варіації. Вичислені по моделі Міда варіації поля індуковані струмами на магнітопаузі для діапазону широт від 00 до 900, для 0, 6, 12 та 18 годин місцевого часу в залежності від віддалі магнітопаузи до Землі (rb).

DCFХ=(25150cos)rb3+21000((2sin2-1)cost)rb4

DCFY=(21000sinsint)rb4

DCFZ=(25150sin)rb3+(21000sincoscost)rb4,

Величина rb міняється від густини (nj) та потокової швидкості (v) сонячного вітру. Із збільшенням v і n, величина rb зменшується. В спокійних умовах rb?11*RE, де RE – радіус Землі. Показано, що в спокійних умовах в середніх широтах в усі години місцевого часу DCFX, складова міняється в межах 12 - 15 нТл. DCFZ міняється в межах – 12 – 15 нТл, а в східній складовій варіація асиметрична по довготі і не перевищує ±2 нТл. В збурених умовах rb=6*RE, DCFX та DCFZ приймають значення 50 – 60 нТл, а DCFY=±12 нТл, причому DCFY – співпадають по фазі з Sq(D). Таким чином, в збурених умовах варіація DCF співмірна з Sq і це необхідно враховувати при розділенні варіацій відносно джерел, які їх генерують.

Розділення геомагнітних варіацій в середніх широтах від іоносферних та магнітосферних джерел. Геомагнітні варіації (D) в середніх широтах генеруються іоносферними та магнітосферними струмами:

D=Sq+DCF+DR+DP+DPC, де

Sq – спокійна сонячно-добова варіація;

DCF – варіація від струмів на магнітопаузі;

DR – варіація від кільцевого магнітосферного струму;

DP – варіація пов”язана зі струмами в авроральній зоні та струмами розтікання їх в середні широти

DPC – варіація генерована струмами в полярній шапці (в середніх широтах не проявляється).

Для розділення автор вибрав одинадцять дуже великих магнітних бур, які спостерігалися в роки близькі до максимумів, або в максимумах сонячної активності за 1980 – 1992 роки. Використано середньогодинні значення Н-компоненти поля. Знайдена різниця між абсолютними середньогодинними значеннями поля підчас бурі та відповідними середніми значеннями Н по п”яти міжнародно-спокійних днях (Н – Sq). Величина Н – Sq представляє іррегулярну варіацію поля в середніх широтах. Варіація DCF обрахована та виключена методом описаним вище п.2.3. Поскільки не для всіх бур були відомі швидкість та густина сонячного вітру, величину rb для окремих бур була визначена інтерполюванням, в припущенні, що між rb і Dst-індексом існує лінійна залежність.

Вичислена величина Dst*cosФ, яка представляє варіацію від кільцевого магнітосферного струму та струму в хвості магнітосфери, де Dst – табличні значення знайдені за даними чотирьох низькоширотних обсерваторій, які регулярно публікуються в бюлетенях МАГА; Ф – геомагнітна широта обсерваторії. Таким чином різниця:

DP=(Н – Sq) – DCF – Dst*cosФ

представляє варіацію поля генеровану авроральними електроструменями (східним і західним), або струмами розтікання їх в середні широти. Для провірки цього твердження автор співставляв одержану величину DP зі значеннями AU і AL-індексів, які відображають інтенсивність східного та західного іоносферних електроструменів в авроральній зоні. Відомо, що при Dst<–150 нТл авроральні електрострумені зсуваються в субавроральні широти, тобто сердньоширотні обсерваторії знаходяться під прямою дією їх, а це значить, що в полуденні та в вечірні години варіації в горизонтальній складовій, внаслідок прямої дії східного аврорального електроструменя, повинні бути додатні, а в нічні та в ранкові години, під прямим впливом західного електроструменя – від’ємними. При Dst?– 150 нТл авроральні електрострумені знаходяться в авроральних широтах, а на середньоширотних обсерваторіях варіації збуджуються їх зворотніми струмами, тобто в полуденні та вечірні години знак DP – від’ємний, а в опівнічні та ранкові години – додатній. Ідентифікація знаку DP для кожної вибраної нами бурі показала повну відповідність між знаком DP та AU і AL-індексами на різних фазах бурі та у всі години місцевого часу, з врахуванням зсуву авроральних електроструменів в субавроральні широти.

На рисунку показано, як приклад, аналіз однієї з бур. Виділені DP-варіації заштриховані. В 22 – 24 год. UT DP-варіація – додатня, максимум її 55 нТл зв’язаний з SSC бурі. О 03 год. UT 6 вересня різко підсилюється західний авроральний електрострумінь, розвивається кільцевий магнітосферний струм. На рисунку показані АЕ та AU-індекси. Збільшення AL в 03 год. UT веде до посилення зворотніх струмів в середні широти і ми спостерігаємо в (Н – Sq) на фазі спаду Dst додатню суббурю (на рисунку позначено AL з напрямленою вниз стрілкою. Дальніше підсилення кільцевого струму привело до зсуву авроральних електроструменів в нижчі широти. В 08 – 09 годині UT DP= – 69 нТл. Це результат прямої дії західного аврорального електроструменя (позначено AL з напрямленою вверх стрілкою).

В 13 – 14 годині UT состерігається велика додатня суббуря – генерована прямою дією східного аврорального електроструменя (позначено AU з напрямленою вверх стрілкою). Але в цей час табличні значення AE, AL і AU індексів різко зменшуються. Таке зменшення, очевидно, пов’язане не зі зменшенням сили струму в східному електрострумені, а зсувом його в субавроральні широти ( оскільки Dst?–150 нТл). Ланцюжок обсерваторій за даними яких вираховуються індекси не реєструє максимуму струму, поскільки електрострумінь знаходиться в нижчих широтах. Можливі значення АЕ і АU в цей час на рисунку позначені пунктирною лінією. В подальшому кільцевий магнітосферний струм слабне, авроральні електрострумені переміщуються на північ і магнітометр реєструє в нічні години ~ 01 години UT сьомого вересня додатню бухту, а в денні – від’ємну. Аналогічний аналіз всіх бур дозволив одержати числові значення величин варіацій від різних джерел за кожну годину. В відсотковому відношенні середні значення окремих типів варіацій для даних бур такі: DCF – 18%, DR – 65%, DP – 17%.

Підсумовуючи, можна сказати, що підчас магнітних бур найбільший вклад в варіації поля в середніх широтах, дають магнітосферні джерела: кільцевий струм та струми в хвості, а також струми на магнітопаузі – біля 80% і тільки п’ята частина варіацій генеруються авроральними електроструменями та їх зворотніми струмами в середні широти.

Квазідвохрічні варіації магнітного поля Землі в середніх широтах. Квазідвохрічні варіації (КДВ) в варіаціях сонячної активності, в параметрах міжпланетного середовища та деяких геофізичних процесах проявляються на початку кожного сонячного циклу в виді цугу затухаючих коливань. Період коливань в початковій фазі сонячної активності трохи більший трьох років, а в мінімумі – менший двох років. Квазідвохрічні варіації можна використати, як прогностичний фактор деяких явищ. Для виділення варіацій даного типу використали середньомісячні значення (Н – Sq) за 19 – 23 цикли сонячної активності (1954 – 2000 роки). Методика виділення полягає в тому, що від подвоєнного середньомісячного значення вибраного параметра віднімаємо його значення за цей же місяць в попередньому та наступному роках.

В результаті обчислень показано, що в кожному з циклів сонячної активності спостерігається 3 – 4 коливання КДВ. Амплітуди КДВ змінюються від циклу до циклу і в циклі. Найменші амплітуди в роки мінімумів сонячної активності. Найбільша амплітуда КДВ спостерігалась в 22-му циклі. ДУ(Н – Sq)=7080 нТл (1989 – 1990 роки), найменша – в 20-му циклі, ДУ(Н – Sq)=1260 нТл (1972 – 1973 роки). Показано, що за 1978 – 1992 роки максимуми КДВ-варіацій співпадають зі східною фазою напряму зонального вітру в екваторіальній атмосфері, тобто по КДВ в середніх широтах можна робити довгострокові прогнози глобальних метеопроцесів.

Енерговиділення в магнітосферу із сонячного вітру. Кількість енергії, яка поступає в магнітосферу із сонячного вітру змінюється із зміною сонячної та магнітної активності. Найбільш змінною частиною є енергія, яка передається корпускулярними потоками сонячного вітру. В даний час величину енергії, яка поступає в магнітосферу оцінюють за даними про АЕ-індекси магнітної активності. АЕ-індекси, як відомо, підчас великих бур занижені, а також поступають з великим запізненням для використання. В дисертації розроблена методика вираховування енергії, яка поступає в магнітосферу із сонячного вітру за даними середньоширотних обсерваторій. Показано, що виправлений середньогодинний АЕ-індекс дуже добре корелює з добовими сумами абсолютних значень ?(Н – Sq) (на прикладах магнітних обсерваторій “Львів” та “Фредеріксбург”). Коефіцієнт кореляції між виправленими середніми за добу годинними індексами АЕ, та ?(Н – Sq) як в спокійні так і в збурені роки r=0.86±0.02. Тобто ?(Н – Sq) можна використати для вирахування кількості енергії, яка поступає в магнітосферу із сонячного вітру, як енергетичний індекс:

E=(1.75*?(Н – Sq)/100 + 1.6)*1010+0.32* ?(Н – Sq)*109.

Вирахувані добові, місячні та річні величини цієї енергії (Е) за 1954 – 2002 роки. По порядку величини середньомісячні значення енергії змінюються в межах від 2*1017Дж до 7.5*1017 Дж. Основні висновки даного дослідження слідуючі:

1) Кількість енергії, яка поступає в магнітосферу збільшується з ростом сонячної активності. В 19-му циклі сонячної активності (1954 – 1964 роки) такий ріст продовжується ще два роки після максимуму і в подальшому спостерігається різкий спад. Двадцятий цикл був особливим тому, що різниця між кількістю енергії, яка поступила в магнітосферу в максимумі та мінімумі активності дуже мала (1.1*1017Дж). За даний цикл в магнітосферу поступила найменша кількість енергії в досліджуваному інтервалі часу. В 21-му та 22-му циклах спостерігаємо двогорбу структуру максимумів Е, хоча тільки в 22 циклі спостерігалась двогорба структура сонячної активності. Спостерігається тенденція росту кількості енергії в магнітосферу від 20-го до 23-го циклу.

2) Показано, наявність сезонних змін місячних величин Е, які зв’язані зі зміною умов передачі енергії в магнітосферу. Найефективніше енергія поступає в магнітосферу в рівнодення. Ефективність передачі енергії збільшується при збільшенні магнітної активності.

ГЕОМАГНІТНА АКТИВНІСТЬ, ЇЇ ПРОГНОЗ ТА ВИКОРИСТАННЯ ДЛЯ ВИРІШЕННЯ ДЕЯКИХ ЗАДАЧ

Розділ присвячений дослідженню можливості прогнозу активності геомагнітного поля за даними середньоширотних обсерваторій, а також виявлення зв’язку між варіаціями поля та зміною клімату.

Прогноз геомагнітної активності. Прогнози геомагнітної активності поділяються на довгострокові, середньострокові та короткострокові. Довгострокові прогнози будуються на залежності магнітної активності від сонячної активності. В роботі показано, що прогноз тривалості фази спаду сонячної активності можна робити за відомими даними про тривалість фази росту та амплітудою змін чисел Вольфа в циклі, так як існує тісна кореляція між амплітудою змін чисел Вольфа (W) в циклі та відношенням тривалості фаз росту (Т1) і спаду (Т2). Коефіцієнт кореляції між W та Т1/Т2 дорівнює 0.83±0.06.

Середньостроковий прогноз регулярно робився автором на протязі чотирьох років (2001 – 2005). Він базується на основі рекурентності магнітних збурень в 3 – 4 попередніх обертах та існуванні активних довгот на Сонці, при цьому враховувалась залежність геомагнітної активності від сезону. Точність прогнозу по збурених днях – 65.

Клімат в регіоні Західної України та геомагнітна активність. Характер залежності змін клімату від геомагнітної активності для різних регіонів Землі – неоднаковий. Автор вибрав для дослідження Західний регіон України. Період дослідження охоплював 1990 – 2003 роки. За міру магнітної активності використовувалась добова сума К-індексів (УК) та кількість магнітних бур різної інтенсивності. З метеорологіних параметрів були вибрані ряди мінімальних та максимальних добових температур. Показано, що тривалість зими, яка визначалась як інтервал часу протягом якого мінімальна добова температура була від’ємною, залежать від магнітної активності. В роки високої магнітної активності тривалість зими зменшується. Різниця між тривалістю зими за досліджуваний інтервал часу в активні та спокійні роки досягала 67 днів. (мінімум активності 1995 – 1996 роки, максимум – 1990 – 1991 роки). В роки малої магнітної активності, значно зростає кількість зимових днів, коли мінімальна добова температура опускається нижче – 100С. Між тривалістю зими та магнітною активністю спостерігається від’ємна кореляція. Для літнього сезону при зростанні магнітної активності середня за сезон максимальна добова температура зменшується. Спад магнітної активності веде до поступового росту середньої температури. Для малої магнітної активності характерні різкі перепади температури, що веде до аномальних погодніх явищ. Таким чином, при зменшенні магнітної активності клімат в регіоні стає більш континентальним.

ВИСНОВКИ

1. а) Одержано числові значення амплітуд Sq-варіацій по 5-ти МСД за кожен місяць з 1952 до 2004 року.

б) В середніх широтах Sq-варіації по п’яти МСД значно змінюються як з сезоном так і з циклом сонячної активності. Амплітуди варіацій найбільше зростають в горизонтальній складовій та магнітному схиленні. В вертикальній складовій сезонна і циклічна залежність виражена слабше.

в) Найбільших значень амплітуди Sq набули в 19-му циклі, а найменших – в 20-му циклі сонячної активності.

2. Знайдено, що Sq-варіації в середніх широтах мають дві компоненти: залежну (ДSqm) та незалежну (ДSqi) від сонячної активності

а) Показано, що величина ДSqm лінійно залежить від інтенсивності ультрафіолетового випромінювання Сонця, а інтенсивність ДSqі – від інтенсивності видимого світла, яка змінюється з сезоном.

б) Величина ДSqm промодульована величиною ДSqі.

в) Знайдено рівняння лінійної регресії між амплітудою горизонтальної складової ДSq(Н) та інтенсивністю ультрафіолетовго випромінювання Сонця, вираженою індексом MgII та виділені залежні та незалежні від сонячної активності Sq-варіації.

г) Із збільшенням геомагнітної широти обсерваторії діапазон змін ДSqі збільшується в горизонтальній складовій та схиленні і зменшується в вертикальній складовій.

3. Виконано розрахунки DCF-варіацій по моделі Міда в залежності від рівня магнітної активності та геомагнітної широти. Обчислено величини DCF-варіацій для середніх широт від віддалі магнітопаузи до Землі.

а) Вирахувані по цій моделі поправки на варіації, створені струмами на магнітопаузі в спокійні дні дають для середньоширотних обсерваторій в горизонтальній складовій значення +14 нТл, в вертикальній – – 13 нТл для всіх годин місцевого часу. В магнітному схиленні поправка сягає ±0.5 кутових (2 – 3 нТл в Y-складовій) хвилин і міняється в фазі із зміною Sq-варіацій.

б) При збільшенні магнітної активності величина DCF-варіацій в горизонтальній та вертикальній складових зростає до 50 – 60 нТл і по абсолютній величині може бути більшою від величини Sq. В схиленні амплітуда при цьому зростає до шести дугових мінут, а фаза її не міняється.

4. Запропоновано новий критерій величини збурення поля в середніх широтах: різниця між середньогодинними значеннями горизонтальної компоненти поля (найбільш інформативної щодо зовнішніх джерел варіацій) та відповідними значеннями поля по п’яти МСД (Н – Sq) за даний місяць. Показано, що величина (H – Sq) добре корелює з АЕ-індексами при малій та середній магнітній активності (Dst>–150нТл) При Dst<–150нТл, внаслідок зсуву авроральних електроструменів в низькі широти, АЕ-індекси – занижені, тобто не відображають реальної величини авроральних струмів і тому кореляція (Н – Sq) і АЕ зменшується. Зроблено висновок, що величина (Н – Sq) краще відображає геомагнітну активність і її можна використати як індекс активності.

5. Розділені геомагнітні варіації в середніх широтах від іоносферних та магнітосферних джерел підчас великих магнітних бур.

а) Після віднімання та врахування варіацій зв’язаних з DR, DT та DCF струмами одержано величину варіації, яка залежить тільки від зворотніх авроральних струмів в середні широти (при Dst>–150 нТл) і від авроральних струмів (при Dst<–150 нТл).

б) Показано, що підчас великих магнітних бур, близько вісімдесяти відсотків поля варіацій в середньому генеруються струмами на магнітопаузі, кільцевим магнітосферним струмом та струмами в хвості магнітосфери і тільки п’ята частина іррегулярних варіацій має джерела в іоносфері.

6. Виділено квазідвохрічні варіації в середніх широтах. Досліджено ці варіації за 19 – 22 цикли сонячної активності. В кожному циклі спостерігається 3 – 4 коливання. Періоди КДВ міняються від 2-ох до 4-ох років. КДВ в геомагнітній активності співпадають по фазі з КДВ в сонячній активності.

7. Запропонована нова методика оцінки кількості енергії, яка передаються із сонячного вітру в магнітосферу, за даними середньоширотних обсерваторій. Обрахована величина енергії, яка поступає в магнітосферу з міжпланетного простору за кожен місяць з 1953 до 2002 року та її дисперсія.

а) З ростом сонячної активності зростає кількість енергії (Е), яка поступає із сонячного вітру в магнітосферу.

б) В 19-му циклі сонячної активності (1954 – 1964 роки) такий ріст продовжувався ще два роки після максимуму активності.

в) В 20-му циклі (1964 – 1976 роки) сонячної активності максимальна та мінімальна величина енергії, яка поступала в магнітосферу дуже мало різняться.

г) Мінімум кількості енергії і за досліджуваний інтервал часу спостерігався на початку 21-го циклу в 1965 році.

д) В 21-му та 22-му циклах сонячної активності спостерігалося по два максимуми Е, хоча тільки в 22-му циклі спостерігалась двогорба структура сонячної активності.

е) Дисперсія середньомісячних Е зростає з ростом сонячної активності, що відповідає збільшенню амплітуди сезонних змін магнітної активності.

8. Виконано середньостроковий прогноз магнітної активності за 2001 – 2004 роки. Точність прогнозу – 65%.

9. Показано залежність клімату в регіоні Західної України від магнітної активності. При зменшенні магнітної активності клімат в регіоні наближається до континентального типу.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Орлюк М.І., Роменець А.О., Сумарук Т.П. Оцінка та прогноз збуреності магнітного поля Землі // Теоретичні та прикладні аспекти геоінформатики. – Київ. – 2005. – с. 246 – 259

2. Сумарук Т.П., Сумарук Ю.П. Про рівень відліку поля нерегулярних магнітних варіацій в середніх широтах // Геофиз. ж-л. – 2004. – 26, №6. – с.139 – 142

3. Сумарук П.В., Сумарук Т.П. Про розділення геомагнітних варіацій в середніх широтах від магнітосферних та іоносферних джерел. // Космічна наука та технологія. – 2006. – 12, №1. – с.76 – 79

4. Сумарук Т.П., Сумарук Ю.П. Про джерела Sq-варіацій геомагнітного поля в середніх широтах // Геофиз. ж-л. – 2005. – 27, №2. – с.299 – 303

5. Сумарук Т.П., Сумарук Ю.П. До питання енергетики магнітосфери на різних рівнях сонячної та магнітної активності // Геофиз. ж-л. – 2006. – 28, №3. – с.116 – 121

6. Сумарук Т.П., Сумарук Ю.П. Геомагнітна активність та динаміка змін клімату в Західному регіоні України у фазі спаду 22-го та у фазі росту 23-го циклів сонячної активності // Геофиз. ж-л. – 2007. – 29, №2. – с.299 – 303

7. Sumaruk T. Secular variations of the geomagnetic field at magnetic observatory “Lviv”. Workshop on repeat magnetic stations, Niemegk. 2002. http://

8. Орлюк М.И., Сумарук Т.П. Оценка пространственно-временной возмущённости геомагнитного поля. Материалы V-го Севастопольского Международного семинара “Фундаментальные и прикладные проблемы мониторинга и прогноза природных, техногенных и социальных катастроф” (Стихия – 2002). – Севастополь. – 2002. – с. 163

9. Сумарук П.В., Сумарук Т.П. О разделении геомагнитных вариаций в средних широтах от магнитосферных и ионосферных источников. 5-та Українська конференція з космічних досліджень. Євпаторія. – 2005. Тези доповідей. – с.75

10. Сумарук П.В., Сумарук Т.П.. К вопросу о связи геомагнитной активности и изменений климата в регионе Западной Украины. 7-ма Українська конференція з космічних досліджень. Євпаторія. – 2007. Тези доповідей. – с.104

11. Sumaruk T. and Sumaruk Yu. A new index of geomagnetic activity // ХІІth IAGA Workshop on Geomagnetic Observatory Instruments, Data Acquisition and Processing. Belsk, Poland. – 2006. – Abstract volume. – p.58

12. Sumaruk T. and Sumaruk P. On forecasting of geomagnetic activity // ХІІth IAGA Workshop on Geomagnetic Observatory Instruments, Data Acquisition and Processing. Belsk, Poland. – 2006. – Abstract volume. – p.118

13. Sumaruk Yu. and Sumaruk T. Energetics of the magnetosphere and ionosphere at different levels of solar and geomagnetic activity. // ХІІth IAGA Workshop on Geomagnetic Observatory Instruments, Data Acquisition and Processing. Belsk, Poland. – 2006. – Abstract volume. – p.117

АНОТАЦІЯ.

Сумарук Т. П. “Регулярні та іррегулярні геомагнітні варіації в середніх широтах”. – 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, 2008.

Дисертація присвячена вивченню геомагнітних варіацій в середніх широтах в залежності від сонячної та магнітної активності з метою розділення їх на складові частини від магнітосферних та іоносферних джерел та застосуванню одержаних результатів для вирішення деяких практичних задач (енергетичні аспекти, прогноз, зв’зок з кліматом).

Середньоширотні варіації розділено на складові в залежності від джерел, які їх генерують – Sq, DCF, Dst