Сезонные и долговременные характеристики солнечно-суточных геомагнитных sqY, Sqz вариаций над антарктикой бахмутов Владимир Георгиевич

Главная страница
Контакты

    Главная страница


Сезонные и долговременные характеристики солнечно-суточных геомагнитных sqY, Sqz вариаций над антарктикой бахмутов Владимир Георгиевич



страница1/2
Дата05.07.2018
Размер0,54 Mb.


  1   2

УДК 550.382:385



СЕЗОННЫЕ И ДОЛГОВРЕМЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СОЛНЕЧНО-СУТОЧНЫХ ГЕОМАГНИТНЫХ SqY, SqZ ВАРИАЦИЙ НАД АНТАРКТИКОЙ
Бахмутов Владимир Георгиевич, зав. отделом петромагнетизма и морской геофизики, Институт геофизики НАНУ им. Субботина, доктор геологических наук, г. Киев, пр. Палладина, 32, Т.424-11-86

Максименко Ольга Ивановна, внештатный старший научный сотрудник, отдел петромагнетизма и морской геофизики, Институт геофизики НАНУ им. Субботина, кандидат физ.-мат. наук, г. Киев, пр. Палладина, 32, Т.424-24-52, oimkv@list.ru

Шендеровская Оксана Ярославовна, ведущий инженер, отдел петромагнетизма и морской геофизики Институт геофизики НАНУ им.Субботина, , г. Киев, пр. Палладина, 32, Т.424-24-52.
Определены характеристики солнечно-суточных Sq вариаций на антарктической обсерватории AIA по данным мониторинга вариаций геомагнитного поля за период 1958-1991гг. Сезонные особенности SqZ были получены из анализа формы SqZ вариаций. Дополнительный утренне-ночной максимум амплитуды SqZ был обнаружен для зимнего (04-09) типа SqZ вариаций, изменялся с сезоном до 50% от суточной амплитуды в июне в 3-4LT, и, вероятно, обусловлен восточным вихрем тока, подобным, впервые отмеченным над южной Австралией. Утренний максимум, как и отрицательное возмущение Sq вблизи заката (16-17)LT не связан ни с солнечной Sq, ни с полярной Sqp токовыми системами. Выделенная осенне-весенняя асимметрия (относительно июня) характеризуется (32-40)% весенним превышением суточных амплитуд в зимнем (04;09) типе SqZ вариаций и приводит к отсутствию равноденственного типа Sq вариаций на AIA. Обнаружены сезонные изменения величины долговременных трендов среднемесячных суточных амплитуд обоих SqY > (0,3-0,5)SqZ вариаций в пределах ~0,25 нТл\год после исключения линейной зависимости амплитуд Sq от индекса F10,7. Показаны весенне-осенняя асимметрия величин трендов вследствие усиления положительного тренда в первую половину года на фоне колебаний величины тренда, уменьшение тренда зимою и изменение знака тренда амплитуд SqY в октябре. Определены положительные тренды среднегодовых суточных амплитуд Sq вариаций, величины которых составили 11% для восточной SqY, а для вертикальной SqZ вариации - 17-20% за 33 года. Наблюдаемый разброс величины тренда годовых амплитуд Sq до 70% обусловлен сезонными вариациями определяющих Sq физических параметров и зависимостью от метода нахождения тренда.
Сезонні та тривалі характетистики сонячно-добових геомагнітних SqY, SqZ варіацій над Антарктикою. Максименко О.І., Шендеровська О.Я., Бахмутов В.Г.

Реферат. За даними моніторінга варіацій геомагнітного поля за період 1958-1991р знайдені особливості сонячно-добових Sq варіацій на антарктичній обсерваторії АІА. Сезонні особливості SqZ варіацій були виділені за формою добового ходу SqZ вертикальної компоненти поля в південній півкулі. Додатковий ранково-нічний максимум SqZ, що складає до 50% від добової амплітуди в червні в 3-4LT, виявлений для зимового (04-09) типу SqZ варіацій і, напевне, був обумовлений східним вихорем струму, подібно вперше зареєстрованому над південною Австралією. Ранковий максимум, як і від'ємне збурення Sq в сутінках 16-17LT не пов'язаний ні з сонячною Sq, ні з полярною Sqp струмовими системами. Весняно-осіння асиметрія характеризувалась (32-40%) весняним перевищенням добових амплітуд в зимовому типі SqZ варіацій і приводить до відсутністі рівноденного типу Sq варіацій на АІА. Виявлені сезонні зміни величини тривалих трендів середньомісячних добових обох SqY > (0,3-0,5)SqZ варіацій в межах ~0,25нТл\рік після виключення лінійної залежності амплітуд Sq від індексу F10,7. Виділені весняно-осіння асиметрія величини тренду внаслідок підсилення додатного тренду в першу половину року на фоні коливань величини тренду; зменшення тренду зимою і зміні знаку тренду SqY в жовтні. Визначені додатні тренди середньорічних добових амплітуд Sq варіацій, величини яких склали 11% для східної SqY, а для вертикальної SqZ більше, 17-20% за 33 роки. Спостережний 70% розкид величини тренду річних амплітуд Sq обумовлений: сезонними варіаціями, що визначають Sq фізичних параметрів і методом знаходження тренда.
Seasonal and trend properties of the geomagnetic solar-diurnal SqY and SqZ variations at Antarctic Maksimenko OI, Shenderovskaya OJ, Bakhmutov VQ

Abstract. According to the monitoring of geomagnetic field variations over the period 1958-1991 identified features solar-diurnal variations of Sq in the antarctic observatory AIA. Seasonal SqZ characteristics were obtained from the analysis of the shape SqZ variations. Additional morning-niqht maximum amplitude SqZ, amounting to 50% of the daily amplitude in June 3-4LT, discovered for the winter (04-09) type SqZ variations and was probably due to the current eastern swirl, like reqistered over southern Australia. Toqether with the neqative perturbation Sq near sunset (16-17) LT, as observed on a nearby observatory LIV, the morninq peak is not associated with solar Sq, no polar Sqp current systems. Autumn and spring was characterized by asymmetry (32-40) % of daily excess spring amplitudes observed in winter type SqZ variations due to lack of eguinoctial type of Sq variations on the AIA. Determined unegual annual chanqes in the value of long-term trends both diurnal amplitudes SqY> (0,3-0,5)SqZ variations within 0,25nT \ year after excluding the linear dependence of the amplitude of the index Sq F10.7. Spring and autumn marked asymmetry value of the trend by strengtheninq the positive trend in the first half of the year aqainst the backdrop of the trend value fluctuations; the reduction trend in winter and change the sign of the trend of amplitudes SqY in October. A positive trend of averaqe daily amplitudes of Sq variations, the value which amounted to 11% for the eastern SqY and more, 17-20% of the vertical magnetic field components SqZ to AIA for 33 years were obtained. The observed scatter of Sq amplitude trend values after minimized the impact of solar activity was due mainly by seasonal variations in the amplitude determining parameters Sq and by the trend calculation method.

Keywords: shape of Sq variations, autumn - spring asymmetry, trend of Sq daily amplitude
1. Введение
Солнечно-суточные геомагнитные вариации могут быть хорошим инструментом изучения токовых систем в магнитосфере-ионосфере [Takeda, 2002, 2013, Steninq et al., 2005, 2008, Tortra et al, 2010, Thu et al., 2011, Cnossen and Richmound, 2013], электродинамических параметров в верхней атмосфере (Lukyanova and Christiansen, 2006) и так же использоваться при анализе электромагнитных эффектов перед землетрясениями (Duma and Ruzin, 2003).

Эти направления исследований требуют всестороннего знания характеристик регулярных солнечно-суточных Sq вариаций в магнитно-спокойных условиях, особенностей их морфологических закономерностей и долговременных изменений в разных регионах земного шара. Исследователи применяют экспериментальные методы (сеть магнитометров [Steninq et al. 2005, 2008, Torta et al, 2010] на поверхности Земли и на борту спутника CHAMP [Pedatella, Forbes, and Richmond, 2011]) и теоретические расчеты для создания моделей эквивалентных токовых систем Sq. С помощью специальных методик сферического гармонического анализа [Takeda, 2002, Steninq, 2008, Yamazaki et al., 2011, Cnossen and Richmound, 2013] были изучены пространственные распределения характеристик Sq вариаций в разные фазы солнечного цикла, особенности морфологических закономерностей на отдельной обсерватории [Thu et al.,2011], а так же их долговременных изменений.

Эмпирическая модель спокойных солнечно-суточных геомагнитных вариаций, определяющая их величину в зависимости от солнечной активности СА, дня года DOY, местного времени LT, фазы луны была создана на основе данных измерений вдоль меридиана 2100Е c 1996 по 2007гг [Yamazaki et al.,2011]. Описаны контроль солнечной активностью интенсивности глобальной токовой системы, но не положения фокуса эквивалентной токовой системы Sq вариаций. Показаны сезонные колебания и северо-южная асимметрия с дополнительными полугодовыми (кроме годовых) вариациями интенсивности токовой системы в южном полушарии. По данным наблюдений на сети из 54 магнитометров над материком Австралии были построены пространственные распределения векторов тока вариаций в южном полушарии для разных моментов UT. Выявлено наличие наклонов эквивалентной токовой системы Sq вблизи ее фокуса и появление дополнительного восточного токового вихря в утренние часы, который искажает стандартный суточный ход Sq поля на южных широтах от фокуса к полюсу в зимний сезон [Steninq et al., 2005]. В отдельных регионах северного полушария (низкоширотная обсерватория Phu Thuy) была обнаружена зимняя аномалия с исчезновением послеполуденного минимума в суточном ходе SqY [Thu et al.,2011]. В Антарктике наблюдаемое на обсерватории LIV околополуночное отрицательное возмущение связывают с высокоширотными источниками, продольными токами, а не со стандартной Sq динамо токовой системой [Torta et al., 2010]. Влияния на форму Sq вариаций вторичных токов от ближайших океанических течений и неоднородностей электрической проводимости, возникающих, в том числе, из-за граничных эффектов суши и океана, были обнаружены в расчетах [Kuvshinov, 2008, Yamazaki, et al., 2011, Steninq, 2008].

С помощью метода сферического гармонического анализа, модельных CMIT (Coupled Maqnetosphere-Ionosphere-Thermosphere) расчетов [Cnossen and Richmond, 2013] глобальных эквивалентных токовых систем Sq были выделены многие свойства Sq [Takeda, 2002, Kuvshinov, 2008]. Обнаруженный годовой вихрь с высокоширотным западным током в летнем полушарии и более слабым восточным током в зимнем южном полушарии объясняют сезонный эффект превалирования летних значений суточных амплитуд Sq вариаций над зимними в более, чем два раза [Yamazaki and Yumoto, 2012]. Смещение положения фокуса Sq токовой системы к утренним часам в летнем полушарии и к послеполуденным в зимнем [Takeda, 2002] наблюдается с фазовым сдвигом 1-2 месяца в результате наложения годовых и полугодовых вариаций Sq, атмосферных течений и влияния продольных токов [Yamazaki and Yumoto, 2012]. При расчетах глобальных эквивалентных токовых систем Sq [Takeda, 2002] для 02UT в течение одного солнечного цикла 1980-1990гг было выявлено только два северный летний тип Sq вариаций, наблюдаемый с апреля по сентябрь и зимний с октября по март. Подобная равноденственная асимметрия Sq так же проявлялась в форме суточных вариаций восточной компоненты магнитного поля в южной полусфере (обсерватория AIA) [Максименко, Шендеровская, 2015].

При изучении источников долговременных вариаций Sq, исследователи [Cnossen and Richmoun, 2013, Blas de Haro Barbas et al, 2013, Shinbori et al., 2014] пришли к выводам, что необходимо понимание физических механизмов трендов определяющих Sq параметров ионосферы, которые зависят от вековых вариаций главного магнитного поля, состава и концентрации парниковых газов, изменения электрической проводимости и ветров в зависимости от солнечной активности. В последние годы [Shinbori et al., 2014] были выделены слабая нелинейная связь Sq от солнечной активности в 53 % обсерваторий и появление небольшого отрицательного тренда на разных широтах. Интересны результаты за 100 лет [Takeda, 2013], где, используя сезонные различия UT - зависимости интенсивности двух SqY и SqZ компонент поля, был выявлен тренд Sq, сопровождаемый уменьшением скорости ветров с ростом солнечной активности, но который положительный не во всех регионах при сильном уменьшении главного магнитного поля.

С целью определения особенностей морфологических закономерностей солнечно-суточных геомагнитных Sq вариаций на береговой антарктической обсерватории AIA, расположенной в области отрицательного векового тренда главного магнитного поля Земли, был проведен анализ суточных, сезонных и долговременных изменений характеристик Sq вариаций вертикальной и восточной компонент магнитного поля. В работе приведены результаты изучения сезонных изменений величин долговременных трендов суточных амплитуд SqZ, SqY вариаций по данным измерений на AIA в период 1958-1991гг.


2. Исходные данные и метод анализа
В этом исследовании используются SqY и SqZ геомагнитные вариации на украинской антарктической обсерватории «Академик Вернадский» (65,25S, 64,75W; ~500 исправленной геомагнитной широты, CGL). Величины суточных амплитуд SqY вычисляются как разница интенсивностей восточной компоненты магнитного поля Y в экстремумах ее суточного хода, а SqZ – как отклонение суточного максимума Z от его минимума вблизи захода Солнца после предварительного вычитания средних полуночных (22-02LT) значений интенсивностей вертикальной компоненты магнитного поля. Суточные амплитуды SqY и SqZ вариаций пропорциональны току «дневного» суточного вихря. Для анализа были использованы данные пяти международных магнитно-спокойных дней в каждом месяце в период 1958-1991гг.

Сезонные вариации и долговременные тренды были определены при использовании среднечасовых и среднемесячных значений суточных амплитуд SqY и SqZ. Вычисления величин трендов суточных амплитуд Sq были выполнены по методу остатков в линейной регрессионном анализе между Sq и индексом солнечной активности (SA) F10,7 [см. также Максименко и др., 2013]. Коэффициенты корреляции между Sq вариациями геомагнитного поля и индексами солнечной активности F10,7 были получены для двух элементов поля в течение трех солнечных циклов.


3. Результаты.
Особенности наблюдаемых солнечно-суточных геомагнитных Sq вариации обусловлены расположением точки наблюдений (AIA) полярнее фокуса южного вихря эквивалентной динамо-токовой системы Sq. На рис. 1а, б показаны кривые суточных изменения часовых значений отклонений вертикальной компоненты магнитного поля от ее полуночного уровня SqZ=Z-Z(0)LT для каждого месяца года за период 1958-1991гг. Хорошо видны искажения классической формы суточного хода SqZ, характеризуемой главным дневным максимумом вблизи полудня. Обратим внимание на появления дополнительного утреннего максимума SqZ в (3÷4)LT, который имеет наибольшее значение в зимний сезон, и отрицательного возмущения SqZ около захода солнца (16÷17)LT с наибольшей интенсивностью в равноденствие. При постепенном удалении от зимы утренний максимум в SqZ вариациях тоже проявляется в отдельные (04) и (09) месяцы равноденствия, которые можно отнести к зимнему типу SqZ вариаций. Величина утреннего максимума относительно суточной амплитуды достигает 50% зимою при очень малых значениях SqZ , и меньше 23% осенью (04), 15% весною (09). По отношению к дневной амплитуде поля Sq динамо-системы, равной соответственно SqZ=9,1нТл в (04) и SqZ=14,4нТл в (09), процент утреннего максимума возмущения тоже увеличивается до 35% осенью (04) и 23% весною (09). Причем, осенью (04) суточный максимум и дневная амплитуда SqZ меньше по сравнению с весною (09), а утренний максимум более плоский и смещен к поздним часам. Утренний максимум так же ярко был выражен в SqY вариациях на AIA [Максименко, Шендеровская, 2015] и обусловлен усилением восточного тока вблизи 7-8LT, которое, следуя за терминатором, уменьшалось при удалении от июля в зимнем типе SqY вариаций, например, в (05) и отсутствовало в летнем типе (02) на рис. 1б.

В годовых вариациях суточной амплитуды SqZ различия лето-зима могут достигать 5-8 раз. Причем, дневной суточный максимум летом смещен к утру на 1-2 часа относительно его положения зимой. В то же время полугодовые вариации SqZ нельзя выделить четко из-за присутствия равноденственной асимметрии суточной амплитуды относительно (06) месяца. Асимметрия характеризуется усилением SqZ полей токовой системы Sq на 40% весною (09) т.е. 14,4нТл против 9,1нТл осенью (04), что вызвано сезонными изменениями интенсивности токовой системы SqZ при зимнем типе Sq вариаций вертикальной компоненты геомагнитного поля (в Таблице 1 значения со звездочкой). Однако, вклад сумеречных возмущений, обусловленных вероятно влияниями продольных токов, отличается в суточной амплитуде зимних и летних типов суточного хода Sq, что определяет осенне-весеннюю асимметрию в равноденствие (см. Таблицу 1). Равноденственная весенне-осенняя (В-О) асимметрия слабее выражена ΔSqZ(В-О)\SqZ(В) = 0,16 в случае классической осени (месяцы 03-04) и весны (09-10), наибольшая асимметрия ΔSqZ(04;09)\SqZ(09) = 0,32 отмечена для зимнего типа вариаций со средней суточной амплитудой SqZ =17,9нТл (09 и 04). Асимметрия почти отсутствует ΔSqZ(03;10)\SqZ(10) = 0,04 для летнего типа (03 и 10) SqZ вариаций с суточной амплитудой SqZ =26,8нТл. Иными словами, в летнем (03 и 10) типе SqZ вариаций практически нет асимметрии (относительно 06 месяца), которая достигает 32% для зимнего (04 и 09) типа SqZ.




Рис. 1. Графики солнечно - суточных геомагнитных вариаций SqZ, отклонений от полуночных среднечасовых значений вертикальной компоненты магнитного поля для отдельных месяцев (цифры в скобках) четырех сезонов года на AIA за период 1958-1991гг. Сопоставление средних суточных ходов SqZ и SqY для мая и февраля представлено в нижнем ряду.
Таблица 1. Равноденственная (осень-весна) асимметрия суточных амплитуд SqZ вариаций в течение 1958-1991гг.

Тип SqZвариаций

месяц

SqZ,nT

(суточная амплитуда)



Равноден.асим.

сут.ампл. SqZ






Осень(О)

Весна(В)

Осень(О)

Весна(В)

(В-О)\В;

SqZ(В)>SqZ(O)



Классич

03-04

09-10

20,45


24,3

3,9/24,3=0,16

Зимний

04

09

14,6

21,2

6,6/21,2=0,32

Летний

03

10

26,25

27,4

0,9/27,4=0,03

Зимний*

04

09

9,1

14,4

5,3/14,4=0,4

*- SqZ для эквивалентной токовой системы.
Кроме годовых, полугодовых изменений SqZ вариаций были вычислены долговременные изменения суточной амплитуды SqZ в течение трех солнечных циклов 1958-1991гг. При определении трендов SqZ применялся метод остатков регрессионного анализа, используемый в прежней работе [Максименко и др., 2013] для исключения влияния линейной зависимости суточной амплитуды SqZ вариации от индекса солнечной активности F10,7. Для примера на рис. 2 а, б приведены графики долговременных изменений усредненных для зимнего (07) и летнего (01) месяцев суточных амплитуд геомагнитных вариаций вертикальной SqZ (а) и восточной SqY (б) компонент поля. Там же показаны подобные кривые для остатков resSqZ, resSqY суточных амплитуд, полученных после вычитания их зависимости от индекса F10,7 в периоды солнцестояния в течение 33 лет в интервале 1958-1991гг.


Рис. 2а, б. Долговременные изменения суточной амплитуды SqZ (а), SqY (б) вариаций и остатков амплитуд resSqZ, resSqY после исключения линейной зависимости Sq от индекса SA в летнее (01) и зимнее (07) солнцестояние на AIA в течение трех солнечных циклов.
  1   2

  • Максименко Ольга Ивановна
  • Шендеровская Оксана Ярославовна
  • Сезонні та тривалі характетистики сонячно-добових геомагнітних SqY, SqZ варіацій над Антарктикою. Максименко О.І., Шендеровська О.Я., Бахмутов В.Г. Реферат
  • Seasonal and trend properties of the geomagnetic solar-diurnal SqY and SqZ variations at Antarctic Maksimenko OI, Shenderovskaya OJ, Bakhmutov VQ Abstract
  • Keywords
  • 2. Исходные данные и метод анализа
  • 3. Результаты.
  • Равноденственная (осень-весна) асимметрия суточных амплитуд SqZ вариаций в течение 1958-1991гг.