Москва, Россия
Борок, Россия
В статье представлен результат экспериментального исследования северно-южной асимметрии ультранизкочастотных электромагнитных колебаний IPCL по данным наблюдения в обсерватории «Мирный» (Антарктида). IPCL возбуждаются в дневном секторе овала полярных сияний в диапазоне периодов 3–10 мин и представляют собой один из самых мощных типов колебаний магнитосферы Земли. Эти колебания были обнаружены в 70-х гг. прошлого века в ходе полярных экспедиций ИФЗ АН СССР, организованных проф. В.А. Троицкой. Мы показали, что активность IPCL в «Мирном» зависит от наклона силовых линий межпланетного магнитного поля (ММП) к плоскости геомагнитного экватора (северно-южной асимметрии) перед фронтом магнитосферы. Результат свидетельствует о контролирующем воздействии ММП на режим колебаний магнитосферы и дает основание высказать гипотезу о том, что IPCL представляют собой вынужденные колебания нелинейной динамической системы, важнейшими структурными элементами которой являются дневные полярные каспы. Статья посвящается памяти профессора В.А. Троицкой (1917–2010).
магнитосфера, солнечный ветер, геомагнитные пульсации, межпланетное магнитное поле, Антарктида
ВВЕДЕНИЕ
Систематика геомагнитных пульсаций была разработана в начале 60-х гг. прошлого века [Троицкая, 1964]. Она до сих пор успешно используется при описании ультранизкочастотных (УНЧ) электромагнитных колебаний магнитосферы Земли (см., например, обзоры [Troitskaya, Guglielmi, 1967; Троицкая, Гульельми, 1969; Гульельми, Троицкая, 1978; Гульельми, 1989; 2007] и монографии [Jacobs, 1970; Гульельми, Троицкая, 1973; Nishida, 1978; Гульельми, 1979; Guglielmi, Pokhotelov, 1996]). В основу классификации положен морфологический принцип, и введена биномиальная номенклатура. Все виды колебаний разделены на два класса: Pc (регулярные колебания, pulsations continuous) и Pi (иррегулярные колебания, pulsations irregular). Отличительным признаком класса служит форма осциллограммы. Вид обозначается символом PcN (N=1–5) или PiN (N=1–2), где цифра N отвечает номеру поддиапазона общего диапазона ультранизких частот. Первоначально классу Рс был выделен диапазон периодов 0.2–600 c, а классу Pi — диапазон 1–150 c. Вскоре, однако, выяснилось, что диапазон Pi следует расширить, и, соответственно, был добавлен вид Pi3 для обозначения иррегулярных колебаний в диапазоне 150–600 с. Именно об этом виде колебаний магнитосферы и пойдет речь в данной статье.
Наблюдения свидетельствуют, что по морфологическим признакам виды УНЧ-колебаний четко подразделяются на многочисленные типы, или, лучше сказать, разновидности. Мы сосредоточим внимание на той разновидности Pi3, которую в литературе часто называют сокращенно IPCL (irregular pulsations continuous long). Из расшифровки аббревиатуры видно, что данная разновидность, являясь иррегулярными колебаниями, имеет свойство быть непрерывными (continuous). В подобных случаях после числа, указывающего номер поддиапазона, для большей ясности ставят букву С. Например, разновидность Pi1, имеющая внесистемное название auroral agitation, иногда обозначают как Pi1C [Troitskaya, 1961; Калишер, 1975]. Аналогичным образом можно было бы вместо IPCL использовать обозначение Pi3C. Это точное указание на колебания IPCL в рамках систематики УНЧ-колебаний, принципы которой были заложены проф. В.А. Троицкой. Мы, однако, сохраним аббревиатуру IPCL, следуя традиции, сложившейся в последние годы в геомагнетизме.
Приведем некоторые сведения о морфологии IPCL. Подробную информацию по этому вопросу можно найти в статьях [Bolshakova et al., 1974; Troitskaya, Bolshakova, 1977, 1988; Troitskaya, 1985; Клайн и др., 2008]. Рисунок 1 дает представление об осциллограмме колебаний, зарегистрированных в обсерватории «Мирный» (исправленные геомагнитные координаты Φ = –76.93°, Λ=122.92°). Спектр колебаний широкий, характерные периоды лежат в интервале 3–10 мин. Амплитуда колебаний изменчива с типичными значениями 5–10 нТл и временами достигает многих десятков нанотесл. Сезонная активность IPCL характеризуется летним максимумом. В среднем амплитуда повышается с ростом скорости солнечного ветра. Обычно колебания наблюдаются при низкой и умеренной геомагнитной активности (Kр=0–3).
Наиболее постоянный отличительный признак IPCL состоит в том, что, как уже было сказано выше, колебания наблюдаются в дневном секторе овала сияний. Именно это свойство натолкнуло нас на мысль сформулировать гипотезу о возможном механизме возбуждения IPCL и подсказало идею проверки гипотезы путем поиска северно-южной асимметрии колебаний. Дело нам представлялось следующим образом. Если существует северно-южная асимметрия, зависящая от ориентации силовых линий межпланетного магнитного поля (ММП), то это новое, не известное ранее свойство IPCL будет аргументом в пользу нашей гипотезы о механизме возбуждения.
В разделе 1 мы выдвигаем оригинальную гипотезу о возбуждении IPCL, в разделе 2 предлагаем метод проверки гипотезы, а в разделе 3 делаем критическую проверку. Альтернативные механизмы возбуждения мы упоминаем в разделе 4, а в заключительной части статьи мы подводим итог нашего исследования IPCL.
1. Бучаченко А.Л. Магнитопластичность и физика землетрясений. Можно ли предотвратить катастрофу? // УФН. 2014. Т. 184, № 1. С. 101-108.
2. Гудзенко Л.И. Статистический метод определения характеристик нерегулируемой автоколебательной системы // Изв. вузов. Радиофизика. 1962. Т. 5, № 3. С. 572-586.
3. Гульельми А.В. МГД-волны в околоземной плазме. М.: Наука, 1979. 139 с.
4. Гульельми А.В. Лучевая теория распространения МГД-волн (обзор) // Геомагнетизм и аэрономия. 1985. Т. 25, № 3. С. 356-370.
5. Гульельми А.В. Гидромагнитная диагностика и геоэлектрическая разведка // УФН. 1989. Т. 158, Вып. 4. С. 605-637.
6. Гульельми А.В. Ультранизкочастотные электромагнитные волны в коре и в магнитосфере Земли // УФН. 2007. Т. 177, № 12. С. 1257-1276.
7. Гульельми А.В., Потапов А.С. Влияние межпланетного магнитного поля на УНЧ-колебания ионосферного резонатора // Косм. иссл. 2017. Т. 55, № 4. С. 263-267.
8. Гульельми А.В., Троицкая В.А. Геомагнитные пульсации и диагностика магнитосферы. М.: Наука, 1973. 208 с.
9. Гульельми А.В., Троицкая В.А. МГД-волны в околоземном космическом пространстве // Физика Земли. 1978. № 10. С. 95-104.
10. Гульельми А.В., Потапов А.С., Довбня Б.В. Ключевая роль межпланетного магнитного поля в формировании режима колебаний магнитосферы Земли // Триггерные эффекты в геосистемах: материалы третьего Всероссийского семинара-совещания (Москва, 16-19 июня 2015 г.) / Под ред. В.В. Адушкина, Г.Г. Кочаряна. М.: ГЕОС, 2015. С. 328-334.
11. Гульельми А.В., Потапов А.С., Довбня Б.В. и др. Триггерные эффекты в магнитосфере: к столетию В.А. Троицкой // IV Всероссийская конференция с международным участием «Триггерные эффекты в геосистемах». Москва, 6-9 июня 2017 г.: тезисы докладов. М.: ГЕОС, 2017. С. 28-29.
12. Дэйвисон М. Многомерное шкалирование: методы наглядного представления данных. М.: Финансы и статистика, 1988. 254 с.
13. Калишер А.Л. Функция распределения амплитуды геомагнитных пульсаций типа АА // Геомагнетизм и аэрономия. 1975. Т. 15, № 5. С. 952-953.
14. Клайн Б.И., Куражковская Н.А., Куражковский А.Ю. Перемежаемость в волновых процессах // Физика Земли. 2008. № 10. С. 25-34.
15. Паркер Е. Динамические процессы в межпланетной среде. М.: Мир, 1965. 302 с.
16. Троицкая В.А. Классификация быстрых вариаций магнитного поля и земных токов // Геомагнетизм и аэрономия. 1964. Т. 4, № 3. С. 615-616.
17. Троицкая В.А., Гульельми А.В. Геомагнитные пульсации и диагностика магнитосферы // УФН. 1969. Т. 97, Вып. 3. С. 453-494.
18. Эшби У.Р. Введение в кибернетику. М.: ИЛ, 1959. 432 с.
19. Bolshakova O.V., Troitskaya V.A., Hessler V.P. On the connection of the position of the polarward boundary of the polar cusp with the intensity of IPCL // Proc. International Symposium on Solar-Terrestrial Physics. Sao Paulo, Brazil, June 17-22, 1974. 1974. V. 2, A75-22580 08-92. P. 180-184.
20. Guglielmi A.V., Pokhotelov O.A. Geoelectromagnetic Waves. Bristol and Philadelphia: IOP Publ. Ltd, 1996. 402 p.
21. Jacobs J.A. Geomagnetic Micropulsations. New York; Heidelberg; Berlin: Springer-Verlag, 1970. 179 p.
22. Lundin R., Guglielmi A. Ponderomotive forces in cosmos // Space Sci. Rev. 2006. V. 127. P. 1-116.
23. Nishida A. Geomagnetic Diagnosis of the Magnetosphere. New York; Heidelberg; Berlin: Springer-Verlag,1978. 256 p.
24. Russell C.T., Hoppe M.M. Upstream waves and particles // Space Sci. Rev. 1983. V. 34. P. 115-172.
25. Troitskaya V.A. Pulsations of the Earth`s electromagnetic field with periods of 1-15 s and their connection with phenomena in the high atmosphere // J. Geophys. Res. 1961. V. 66, N 1. P. 5-18.
26. Troitskaya V.A. ULF wave investigations in the dayside cusp // Adv. Space Res. 1985. V. 5, N 4. P. 219-228.
27. Troitskaya V.A., Bolshakova O.V. Diurnal latitude variation of the location of the dayside cusp // Planet. Space Sci. 1977. V. 25. P. 1167-1169.
28. Troitskaya V.A., Bolshakova O.V. Diagnostics of the magnetosphere using multipoint measurements of ULF waves // Adv. Space Res. 1988. V. 8. P. 413-425.
29. Troitskaya V.A., Guglielmi A.V. Geomagnetic micropulsations and diagnostics of the magnetosphere // Space Sci. Rev. 1967. V. 7, N 5/6. P. 689-769.
30. Yamauchi M., Nilsson H., Eliasson L., et al. Dynamic response of the cusp morphology to the solar wind: a case study during passage of the solar wind plasma cloud on February 21, 1994 // J. Geophys. Res. 1996. V. 101. P. 24675-24687.
31. URL: http://omniweb.gsfc.nasa.gov/ow.html (дата обращения 10 ноября 2017 г.).
32. URL: http://www.wdcb.ru/stp/index.ru.html (дата обращения 10 ноября 2017 г.).
