Moscow, Russian Federation
Borok, Russian Federation
Borok, Russian Federation
Response of magnetospheric oscillatory systems in the ultra-low-frequency (ULF) range on electromagnetic, mechanical, thermal, and chemical impulse action are overviewed and selectively analyzed. Impulses can occur both inside the magnetosphere (e.g. explosion in the geomagnetic tail, impulsive injection of energetic particles) and outside (e.g. solar flare, interplanetary shock wave, thunderstorm discharge, earthquake, volcanic eruption etc.). We suggest systematics of impulses which is based on geophysics and space physics data and is closely related to the theory of ULF oscillations. The systematics is of cognitive and practical importance, and it allows us to interpret a rich variety of responses of the magnetosphere to impulses of the terrestrial and space origins. The classification principle is selected according to which an impulse type is determined from two criteria such as impulse origin location and character of impulse action on one or another oscillatory system of the magnetosphere. The primary conditions for completeness and validity of division are fulfilled because all possible terms of putting impulses to classes, types and forms are specified, and the terms do not overlap. The classification and introduced nomenclature are helpful because they make possible to systematize common properties and specific features of types and forms of impulses. This is especially important with regard to reaction of the Earth’s plasma sheaths to impulses generated during an earthquake preparation as well as under experimental study of dynamic processes in the near-Earth space. The examples of response of ULF oscillations to impulsive actions are shown. The particular focus is given to review of studies which still are not mentioned in reviews and monographies.
magnetosphere, ultra-low-frequency oscillations, impulses, classification, solar wind, earthquakes
ВВЕДЕНИЕ
В рамках данного обзора мы будем рассматривать магнитосферу Земли как совокупность колебательных систем, взаимодействующих между собой и с окружающей средой. Мы ограничимся анализом ультранизкочастотных (УНЧ) колебаний, диапазон которых простирается от миллигерц до нескольких герц (см., например, [Гульельми, 1979]). Наблюдается большое разнообразие видов и разновидностей УНЧ-колебаний. Они либо возбуждаются внешними по отношению к магнитосфере источниками, либо самовозбуждаются в результате неустойчивостей магнитосферной плазмы. Наблюдение реакции УНЧ-колебаний на импульсные возмущения магнитосферы является эффективным методом экспериментального исследования динамических процессов в околоземном космическом пространстве. Этой теме и посвящен настоящий обзор.
Импульсные возмущения возникают как внутри магнитосферы (взрыв в геомагнитном хвосте, импульсная инжекция энергичных частиц), так и за ее пределами (солнечная вспышка, межпланетная ударная волна, грозовой разряд, землетрясение, извержение вулкана и т. д.). В следующем разделе представлена классификация импульсов, воздействующих на колебательные системы магнитосферы. Конкретные примеры реакции УНЧ-колебаний на импульсные воздействия земного и космического происхождения рассмотрены в разделах 2 и 3 соответственно. Раздел 4 и заключение посвящены обсуждению и выводам.
Нужно сказать, что выбранная нами тема обширна. Ее невозможно исчерпать в данном обзоре. Мы ограничимся анализом отдельных примеров, выделив УНЧ-колебания Рс1 (диапазон 0.2–5 Гц) как объект, удобный для изучения разнообразных проявлений импульсного воздействия на магнитосферу. Из восемнадцати видов импульсных воздействий, введенных нами в разделе 1, значительная часть может быть представлена на примере колебаний Рс1 (см. разделы 2 и 3). Особое внимание мы уделим обзору работ, которые еще не нашли отражения в обзорной и монографической литературе.
КЛАССИФИКАЦИЯ
Вначале напомним систематику УНЧ-колебаний, принятую на XIII Генеральной ассамблее Международного союза геодезии и геофизики в августе 1963 г. в Беркли [Троицкая, 1964; Troitskaya, Guglielmi, 1967; Троицкая, Гульельми, 1969; Jacobs, 1970]. Она до сих пор широко используется в литературе [Guglielmi, Pokhotelov, 1996; Kangasetal., 1998; Lundin, Guglielmi, 2006; Гульельми, 2007; Сивоконь, 2011]. В основу классификации был положен морфологический принцип и утверждена биномиальная номенклатура. Все виды колебаний разделены на два класса, названные сокращенно Pc (регулярные колебания,pulsationscontinues) и Pi (иррегулярные колебания,pulsationsirregular). Вид обозначается символом PcN (N=1…5) или PiN (N=1…3). Цифра N отвечает номеру поддиапазона общего диапазона ультранизких частот (подробнее об этом см. в указанной выше литературе).
Теперь дадим набросок систематики импульсных возмущений, влияющих на режим УНЧ-колебаний. Выберем принцип классификации, согласно которому вид импульса определяется по двум признакам: по местоположению источника импульса и по характеру воздействия импульса на ту или иную колебательную систему магнитосферы. Прежде всего разделим все импульсы на внутренние и внешние по отношению к магнитосфере. Класс внутренних импульсов обозначим буквой M (magnetosphere). Внешние импульсы по происхождению импульсных источников удобно отнести к одному из следующих классов: L (lithosphere), T (technosphere), A (atmosphere), W (solarwind) и S (Sun). В соответствии с темой нашего обзора видовую принадлежность импульса естественно определять не его собственными свойствами, а тем воздействием, которое он оказывает на режим колебаний. Воздействие может быть вынуждающим F (forcing), стимулирующим P (provoking) и модулирующим М (modulating).
1. Adushkin V.V., Ryabova S.A., Spivak A.A., Kharlamov V.A. Response of the seismic background to geomagnetic variations. Dokl. Earth Sci. 2012, vol. 444, no. 1, pp. 642-645.
2. Birfel´d Ya.G., Tarantsev A.V. Yavlenie vozdeistviya seismichnosti Zemli cherez akusticheskie volny na ionosferu [Phenomen of the Earth´s seismicity impact at the ionosphere through acoustic wave]. Gosudarstvennyi reestr otkrytii SSSR. Otkrytie № 128 s prioritetom ot 25.09.1963. [The USSR State Registry of Discoveries.Discovery No. 128 with priority of 25.09.1963] (in Russian).
3. Bortnik J., Cutler J.W., Dunson C., Bleier T.E. The possible statistical relation of Pc1 pulsations to Earthquake occurrence at low latitudes.Ann. Geophys. 2008, vol. 26, pp. 2825-2836.
4. Brune J.N. Implications of earthquake triggering and rupture propagation for earthquake prediction based on premonitory phenomena. J. Geophys. Res. 1979, vol. 84, pp. 2195-2198.
5. Buchachenko A.L. Magnetoplasticity and the physics of earthquakes. Can a catastrophe be prevented? Physics - Uspekhi. 2014, vol. 57, no. 1, pp. 92-98. DOI: 10.3367/ UFN.ru.0184.201401e.0101.
6. Dobrovol´skiy I.P. Teoriya podgotovki tektonicheskogo zemletryaseniya [The Theory of Tectonic Earthquake Preparation]. Moscow, 1991. 217 p.(in Russian).
7. Dovbnya B.V. On the earthquake effects in the regime of Pc1. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2007, vol. 69, no. 14, pp. 1765-1769.
8. Dovbnya B.V. On the relation between geomagnetic pulsations and earthquakes.Solnechno-zemnaya fizika [Solar-Terrestrial Physics].2009, iss.13, pp. 82-85 (in Russian).
9. Dovbnya B.V. On the effects of earthquakes in the geomagnetic pulsations and their possible nature.Geofizicheskiy zhurnal [Geophysical Journal].2011, vol. 33, no. 1, pp. 72-79 (in Russian).
10. Dovbnya B.V. Electromagnetic earthquake precursors and their frequency of occurrence.Geofizicheskii zhurnal [Geophysical Journal].2014, vol. 36, no. 3, pp. 160-165 (in Russian).
11. Dovbnya B.V., Zotov O.D. On the relationship between pulse processes in the ionosphere and the regime of Pc1 generation.Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy].1985, vol. 24, no 3, pp. 515-518 (in Russian).
12. Dovbnya B.V., Parkhomov V.A., Rakhmatulin R.A. Long period geomagnetic pulsations accompanying intense X-ray flares. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy].1995, vol. 35, no. 3, pp. 146-150 (in Russian).
13. Dovbnya B.V., Zotov O.D., Mostryukov A.O., Shchepetnov R.V. Electromagnetic signals close in time to earthquakes. Izv.Phys. Solid Earth. 2006, vol. 42, no. 8, pp. 684-689.
14. Dovbnya B.V., Potapov A.S., Rakhmatulin R.A. Earthquake impact on the regime of ultra-low-frequency electromagnetic emissions.Geofizicheskii zhurnal [Geophysical Journal].2012, vol. 34, no. 5, pp. 189-193 (in Russian).
15. Fraser-Smith A.C., Bernardi A., McGill P.R., Ladd M.E., Helliwell R.A., Villard O.G., Jr. Low-frequency magnetic field measurements near the epicenter of the Ms 7.1 Loma Prieta earthquake.Geophys. Res. Lett. 1990, vol. 17, pp. 1465-1468.
16. Gokhberg M.B., Shalimov S.L. Lithosphere-ionosphere relation and its simulation. Rossiiskii zhurnal nauk o Zemle [Russian Journal of the Earth Sciences]. 2000, vol. 2, no. 2. pp. 95-108 (in Russian).
17. Gufel´d I.L., Rozhnoy A.A., Tyumentsev S.I. Radiowave field disturbances before Rudbar and Rachin earthquakes. Fizika Zemli [Physics of the Earth]. 1992, no. 1, pp.102-107 (in Russian).
18. Guglielmi A.V. MGD-volny v okolozemnoi plazme [MHD Waves in the Near-Earth Plasma]. Moscow, Nauka Publ., 1979. 139 p.
19. Guglielmi A.V. Tolmen-Styuart effect in the Earth´s crust. Fizika Zemli [Physics of the Earth]. 1992, no. 10, pp. 109-113 (in Russian).
20. Guglielmi A. Elastomagnetic waves in a porous medium. Physica Scripta. 1992, vol. 46, pp. 433-434.
21. Guglielmi A.V. Ultra-low-frequency electromagnetic waves in the crust and magnetosphere.Physics - Uspekhi.2007, vol. 50, no.12, pp. 1197-1216.
22. Guglielmi A.V. Foreshocks and aftershocks of strong earthquakes in the light of catastrophe theory.Physics - Uspekhi. 2015, vol. 58, no. 4, pp. 384-397.
23. Guglielmi A.V., Pokhotelov O.A. Geoelectromagnetic Waves. Bristol, Philadelphia, IOP Publ. Ltd., 1996. 402 p.
24. Guglielmi A.V., Zotov O.D. 15-minute modulation of the Pc1 geoelectromagnetic waves. Geofizicheskie issledovaniya [Geophysical Research].2010a, vol. 11, no. 1, pp. 64-71 (in Russian).
25. Guglielmi A.V., Zotov O.D. Correlation between Pc1 electromagnetic activity and earthquakes. Izv. Phys. Earth. 2010b, vol. 46, no. 6, pp. 486-492.
26. Guglielmi A.V., Zotov O.D. The phenomenon of synchronism in the magnetosphere-technosphere-lithosphere dynamical system.Izv.Phys. Solid Earth. 2012a, vol. 48, no. 6, pp. 486-495.
27. Guglielmi A.V., Zotov O.D. Magnetic perturbation before the strong earthquakes. Izv.Phys. Solid Earth. 2012b, vol. 48, no. 2, pp. 171-173.
28. Guglielmi A.V., Dovbnia B.V., Klain B.I., Parkhomov V.A. Stimulated excitation of Alfvén waves in the near-Earth plasma by pulsed radio emission.Geomagnetism and Aeronomy. 1978, vol. 18, pp. 122-123.
29. Guglielmi A., Kangas J., Kultima J., Potapov A. An increase in Pc1 wave activity prior to magnetic sudden impulses. J. Geophys. Res. 2000, vol. 105, pp. 25185-25189.
30. Guglielmi A., Potapov A., Tsegmed B. One mechanism for generation of the coseismic electromagnetic oscillations.Physics and Chemistry of the Earth. 2004, vol. 29, pp. 453-457.
31. Guglielmi A., Potapov A., Tsegmed B., Hayakawa M., Dovbnya B.On the earthquake effects in the regime of ionospheric Alfvén resonances.Physics and Chemistry of the Earth. 2006, vol. 31, pp. 469-472.
32. Guglielmi A.V., Tsegmed B., Potapov A.S., Kultima J., Rayta T. Seismomagnetic signals from the strong Sumatra earthquake. Izv. Phys. Solid Earth. 2006, vol. 42, no. 11, pp. 921-927.
33. Guglielmi A.V., Dovbnya B.V., Potapov A.S., Hayakawa M. Effect of hour marks in activity of Pc1 electromagnetic oscillations as evidence for human impact on the ionosphere and magnetosphere.Solnechno-zemnaya fizika [Solar-Terrestrial Physics].2011, iss. 19, pp. 88-92 (in Russian).
34. Guglielmi A.V., Lavrov I.P., Sobisevich A.L. Storm sudden commencements and earthquakes.Solnechno-zemnaya fizika [Solar-Terrestrial Physics].2015, vol. 1, no. 1, pp. 98-103 (in Russian).
35. Hattori K. ULF Geomagnetic changes associated with large earthquakes. Terrestrial, Atmospheric and Oceanic Sciences (TAO). 2004, vol. 15, no. 3, pp. 329-360.
36. Hayakawa M. Electromagnetic phenomena associated with earthquakes: Review. Trans. Ins. Electr. Engrs. Japan. 2001, vol. 121-A, pp. 893-898.
37. Jacobs J.A. Geomagnetic Micropulsations.New York, Heidelberg, Berlin, Springer-Verlag, 1970.179 p.
38. Kangas J., Guglielmi A., Pokhotelov O. Morphology and physics of short-period magnetic pulsations (A Review). Space Sci. Rev. 1998, vol. 83, pp. 435-512.
39. Kasahara K. Earthquake Mechanics. Cambridge, Cambridge Univ. Press, 1981. 272 р. (Russ. ed.: Kasakhara K. Mekhanika zemletryaseniy. Moscow, Mir Publ., 1985, 264 p.)
40. Lundin R., Guglielmi A. Ponderomotive forces in cosmos. Space Sci. Rev. 2006, vol. 127, pp. 1-116.
41. Masci F. On the recent reaffirmation of ULF magnetic earthquakes precursors. Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 2011, vol. 11, pp. 2193-2198.
42. Matveeva E.T. Katalog geomagnitnykh pul´satsii tipa Pc1 («zhemchuzhin») po dannym nablyudenii na geofizicheskoi observatorii “Borok” OIFZ RAN za 1957-1997 gg. [Catalog of Geomagnetic Pulsations from Observations at the Borok Observatory in 1957-1997]. Available at: http://www.wdcb. ru/stp/data/catal_pc/ (accessed 1 September 2015).
43. Nishida A. Geomagnetic Diagnosis of the Magnetosphere. New York, Heidelberg, Berlin, Springer-Verlag, 1978, 256 p. (Russ. ed.: Nishida A. Geomagnitnyi diagnoz magnitosfery. Мoscow, Mir Publ., 1980, 299 p.)
44. Parkhomov V.A., Klimov P.M. The “Vector” computer code for the analysis of ionospheric current systems during solar flares. Izvestiya IGEA [Proceedings of ISEA]. 2013, vol. 90, no. 4, pp. 104-108 (in Russian).
45. Parkhomov V.A., Dovbnya B.V., Borodkova N.A., Safargaleev V.V., Pashinin A.Yu. Pulse bursts of geomagnetic pulsations in the frequency range of 0.2-7 Hz as a first signal of interaction between interplanetary shock waves and the magnetosphere. Solnechno-zemnaya fizika [Solar-Terrestrial Physics].2014, iss.25, pp. 21-28 (in Russian).
46. Potapov A.S., Dovbnya B.V., Tsegmed B. Earthquake impact on ionospheric Alfvén resonances.Izv.Phys. Solid Earth. 2008, vol. 44, no. 4, pp. 346-349.
47. Sivokon´ V.P. Electromagnetic fluctuations in the ionospheric-magnetospheric circuit.Geomagnetism and Aeronomy. 2011, vol. 51, no. 4, pp. 513-519.
48. Sobisevich L.E., Kanonidi K.Kh., Sobisevich A.L. Observations of ultra-low-frequency geomagnetic disturbances reflecting the processes of the preparation and development of tsunamigenic earthquakes.Dokl. Earth Sci. 2010, vol. 435, no. 2, pp. 1627-1632.
49. Sobolev G.A. Osnovy prognoza zemletryasenii [Basics of the Earthquake Forecasting] Moscow, Nauka Publ., 1993, 313 p. (in Russian).
50. Surkov V.V., Galperin Yu.I. Electromagnetic pulse in the magnetosphere generated by impulsive current near the lower boundary of the ionosphere.Cosmic Research. 2000, vol. 38, no. 6, pp. 562-573.
51. Tarasov N.T. Electric impact on seismicity.Dokl.Akad.Nauk [Transactions of the Russian Academy of Sciences] 1997, vol. 353, no. 4, pp. 542-545 (in Russian).
52. Troitskaya V.A. Classification of rapid pulsations of the magnetic field and Earth currents.Geomagnetism and Aeronomy. 1964, vol. 4, no. 3, pp. 490-491.
53. Troitskaya V.A., Guglielmi A.V. Geomagnetic micropulsations and diagnostics of the magnetosphere. Space Sci. Rev. 1967, vol. 7, no. 5/6, pp. 689-769.
54. Troitskaya V.A., Guglielmi A.V. Geomagnetic pulsations and diagnostics of the magnetosphere. Sov. Phys. Usp. 1969, vol. 12, no. 2, pp. 195-218.
55. Zotov O.D. The influence of strong earthquakes on the generation regime of pulsations Pc1. Geofizicheskie issledovaniya [Geophysical Research].2015 (in print) (in Russian).
56. Zotov O.D., Guglielmi A.V. Problems of synchronism of electromagnetic and seismic events in the magnetosphere-technosphere-lithosphere dynamic system. Solnechno-zemnaya fizika [Solar-Terrestrial Physics].2010, iss.16, pp. 19-25 (in Russian).
57. Zotov O.D., Kalisher A.L. Statistical analysis of the effects of an artificial impact on the ionosphere. Vliyanie moshchnogo radioizlucheniya na ionosferu [Impact of the Power Radiowaves on the Ionosphere]. Apatity, 1979, 125 p. (in Russian).
58. Zotov O.D., Guglielmi A.V., Sobisevich A.L. On magnetic precursors of earthquakes.Izv.Phys. Solid Earth. 2013, vol. 49, no. 6, pp. 882-889.
59. URL:http://neic.usgs.gov/neis/epic/epic_global.html (accessed October 15, 2015).
60. URL:http://www.isc.ac.uk(accessed October 15, 2015).
61. URL: http://www.nyiso.com(accessed October 15, 2015).
62. URL: http://ghrc.nsstc.nasa. gov/hydro(accessed October 15, 2015).
