Москва, Россия
Борок, Россия
Борок, Россия
Представлены обзор и выборочный анализ реакции колебательных систем магнитосферы в диапазоне ультранизких частот (УНЧ) на электромагнитные, механические, тепловые и химические импульсные воздействия. Импульсы 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.). Предложена систематика импульсов, опирающаяся на данные геофизики и космофизики и тесно связанная с теорией УНЧ-колебаний. Систематика имеет познавательное и практическое значение, давая возможность ориентироваться в богатейшем разнообразии реакций магнитосферы на импульсы земного и космического происхождения. Выбран 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. Выполнены важнейшие условия полноты и чистоты деления, поскольку перечислены все возможные члены деления импульсов на классы, виды и разновидности, причем члены деления не перекрываются. Классификация и введенная номенклатура полезны в том отношении, что позволяют систематизировать общие свойства и специфические особенности видов и разновидностей импульсов. Это особенно важно в отношении реакции плазменных оболочек Земли на импульсы, возникающие в период подготовки землетрясения, а также при экспериментальном исследовании динамических процессов в околоземном космическом пространстве. Приведены примеры реакции УНЧ-колебаний на импульсные воздействия. Особое внимание уделено обзору работ, которые еще не нашли отражения в обзорной и монографической литературе.
магнитосфера, ультранизкочастотные колебания, импульсы, классификация, солнечный ветер, землетрясения
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. Адушкин В.В., Рябова С.А., Спивак А.А., Харламов В.А. Отклик сейсмического фона на геомагнитные вариации // ДАН. 2012. Т. 444, № 3. С. 304-308.
2. Бирфельд Я.Г., Таранцев А.В. Явление воздействия сейсмичности Земли через акустические волны на ионосферу // Государственный реестр открытий СССР. Открытие № 128 с приоритетом от 25.09.1963.
3. Бучаченко А.Л. Магнитопластичность и физика землетрясений. Можно ли предотвратить катастрофу? // УФН. 2014. Т. 184, № 1. С. 101-108.
4. Гохберг М.Б., Шалимов С.Л. Литосферно-ионосферная связь и ее моделирование // Российский журнал наук о Земле. 2000. Т. 2, № 2. С. 95-108.
5. Гульельми А.В. МГД-волны в околоземной плазме. М.: Наука, 1979. 139 с.
6. Гульельми А.В. Эффект Толмэна-Стюарта в земной коре // Физика Земли. 1992. № 10. С. 109-113.
7. Гульельми А.В. Ультранизкочастотные электромагнитные волны в коре и в магнитосфере Земли // УФН. 2007. Т. 177, № 12. С. 1257-1276.
8. Гульельми А.В. Форшоки и афтершоки сильных землетрясений в свете теории катастроф // УФН. 2015. Т. 185, № 4. С. 415-429.
9. Гульельми А.В., Зотов О.Д. Связь электромагнитных волн Pc1 с землетрясениями // Физика Земли. 2010а. № 6. С. 28-34.
10. Гульельми А.В., Зотов О.Д. Пятнадцатиминутная модуляция геоэлектромагнитных волн Рс1 // Геофизические исследования. 2010б. Т. 11, № 1. С. 64-71.
11. Гульельми А.В., Зотов О.Д. Явление синхронизма в динамической системе магнитосфера-техносфера-литосфера // Физика Земли. 2012а. № 6. С. 23-33.
12. Гульельми А.В., Зотов О.Д. О магнитных возмущениях перед сильными землетрясениями // Физика Земли. 2012б. № 2. С. 84-87.
13. Гульельми А.В., Довбня Б.В., Клайн Б.И., Пархомов В.А. Стимулированное возбуждение альвеновских волн импульсным радиоизлучением // Геомагнетизм и аэрономия. 1978. Т. 18, № 1. С. 179-181.
14. Гульельми А.В., Цэгмед Б., Потапов А.С. и др. Сейсмомагнитные сигналы от сильного землетрясения на Суматре // Физика Земли. 2006. № 11. P. 63-69.
15. Гульельми А.В., Довбня Б.В., Потапов А.С., Хаякава М. Эффект часовых меток в активности электромагнитных колебаний Рс1 как свидетельство антропогенного воздействия на ионосферу и магнитосферу // Солнечно-земная физика. 2011. Вып. 19. С. 88-92.
16. Гульельми А.В., Лавров И.П., Собисевич А.Л. Внезапные начала магнитных бурь и землетрясения // Солнечно-земная физика. 2015. Т. 1, № 1. С. 98-103.
17. Гуфельд И.Л., Рожной А.А., Тюменцев С.И. Возмущения радиоволновых полей перед Рудбарским и Рачинским землетрясениями // Физика Земли. 1992. № 1. С. 102-107.
18. Добровольский И.П. Теория подготовки тектонического землетрясения. М., 1991. 217 с.
19. Довбня Б.В. О связи геомагнитных пульсаций с землетрясениями // Солнечно-земная физика. 2009. Вып. 13. С. 82-85.
20. Довбня Б.В. Об эффектах землетрясений в геомагнитных пульсациях и их возможной природе // Геофизический журнал. 2011. Т. 33, № 1. С. 72-79.
21. Довбня Б.В. Электромагнитные предвестники землетрясений и их повторяемость // Геофизический журнал. 2014. Т. 36, № 3. С. 160-165.
22. Довбня Б.В., Зотов О.Д. О связи импульсных процессов в ионосфере с режимом генерации колебаний Pc1 // Геомагнетизм и аэрономия. 1985. Т. 24, № 3. С. 515-518.
23. Довбня Б.В., Пархомов В.А., Рахматулин Р.А. Длиннопериодные геомагнитные пульсации, сопровождающие интенсивные рентгеновские вспышки // Геомагнетизм и аэрономия. 1995. Т. 35, № 3. С. 146-150.
24. ДовбняБ.В., ЗотовО.Д., МострюковА.Ю., ЩепетновР.В. Электромагнитныесигналывовременнойокрестностиземлетрясений // ФизикаЗемли. 2006. № 8. С. 60-65.
25. Довбня Б.В., Потапов А.С., Рахматулин Р.А. Воздействие землетрясений на режим ультранизкочастотных электромагнитных эмиссий // Геофизический журнал. 2012. Т. 34, № 5. С. 189-193.
26. Зотов О.Д., Влияние сильных землетрясений на режим генерации колебаний Рс1 // Геофизические исследования. 2015 (в печати).
27. Зотов О.Д., Гульельми А.В. Проблемы синхронизма электромагнитных и сейсмических событий в динамической системе магнитосфера-техносфера-литосфера // Солнечно-земная физика. 2010. Вып. 16. С. 19-25.
28. Зотов О.Д., Калишер А.Л. Статистический анализ эффектов искусственного воздействия на ионосферу // Влияние мощного радиоизлучения на ионосферу. Апатиты: Изд-во Кольского филиала АН СССР, 1979. C. 150-153.
29. Зотов О.Д., Гульельми А.В., Собисевич А.Л. О магнитных предвестниках землетрясений // Физика Земли. 2013. № 6. С. 139-147.
30. Касахара К. Механика землетрясений. М.: Мир, 1985. 264 с.
31. Матвеева Э.Т. Каталог геомагнитных пульсаций типа Рс1 («жемчужин») по данным наблюдений на геофизической обсерватории «Борок» ОИФЗ РАН за 1957-1997 гг. М.: ОИФЗ РАН, 1996. Режим доступа: http://www.wdcb.ru/ stp/data/catal_pc/ (дата обращения 15.10.2015 г.).
32. Нишида А. Геомагнитный диагноз магнитосферы. 1980. М.: Мир, 299 c.
33. Пархомов В.А., Климов П.М. Программа «Вектор» для анализа ионосферных токовых систем во время солнечных вспышек // Известия ИГЭА. 2013. № 4 (90). С. 104-108.
34. Пархомов В.А., Довбня Б.В., Бородкова Н.А. и др.Импульсные всплески геомагнитных пульсаций в частотном диапазоне 0.2-7 Гц как первый сигнал о взаимодействии межпланетных ударных волн с магнитосферой // Солнечно-земная физика. 2014. Вып. 25. С. 21-28.
35. Потапов А.С., Довбня Б.В., Цэгмэд Б. О воздействии землетрясений на ионосферные резонансы Альвена // Физика Земли. 2008. № 4. С. 93-95.
36. Сивоконь В.П. Электромагнитные колебания в ионосферно-магнитосферном контуре // Геомагнетизм и аэрономия. 2011. Т. 51, № 4. С. 520-526.
37. Собисевич Л.Е., Канониди К.Х., Собисевич А.Л. Наблюдения УНЧ геомагнитных возмущений, отражающих процессы подготовки и развития цунамигенных землетрясений // ДАН. 2010. Т. 435, № 4. С. 548-553.
38. Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений. М.: Наука, 1993. 313 с.
39. Сурков В.В., Гальперин Ю.И. Электромагнитный импульс в магнитосфере, генерируемый импульсом электрического тока у нижней границы ионосферы // Космические исследования. 2000. Т. 38, № 6. С. 602-613.
40. Тарасов Н.Т. Изменение сейсмичности коры при электрическом воздействии // ДАН. 1997. Т. 353, № 4. С. 542-545.
41. Троицкая В.А. Классификация быстрых вариаций магнитного поля и земных токов // Геомагнетизм и аэрономия. 1964. Т. 4, № 3. С. 615-616.
42. Троицкая В.А., Гульельми А.В. Геомагнитные пульсации и диагностика магнитосферы // Успехи физ. наук. 1969. Т. 97, № 3. С. 453-495.
43. Bortnik J., Cutler J.W., Dunson C., et al. The possible statistical relation of Pc1 pulsations to Earthquake occurrence at low latitudes // Ann. Geophys. 2008. V. 26. P. 2825-2836.
44. Brune J.N. Implications of earthquake triggering and rupture propagation for earthquake prediction based on premonitory phenomena // J. Geophys. Res. 1979. V. 84. P. 2195-2198.
45. Dovbnya B.V. On the earthquake effects in the regime of Pc1 // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2007. V. 69, iss. 14. P. 1765-1769.
46. Fraser-Smith A.C., Bernardi A., McGill P.R., et al. Lowfrequency magnetic field measurements near the epicenter of the Ms 7.1 Loma Prieta earthquake // Geophys. Res. Lett. 1990. V. 17. P. 1465-1468.
47. Guglielmi A. Elastomagnetic waves in a porous medium // Physica Scripta. 1992. V. 46. P. 433-434.
48. Guglielmi A.V., Pokhotelov O.A. Geoelectromagnetic Waves. Bristol; Philadelphia: IOP Publ. Ltd., 1996. 402 p.
49. Guglielmi A., Kangas J., Kultima J., Potapov A. An increase in Pc1 wave activity prior to magnetic sudden impulses // J. Geophys. Res. 2000. V. 105, N A11. P. 25185-25189.
50. Guglielmi A., Potapov A., Tsegmed B. One mechanism for generation of the co-seismic electromagnetic oscillations // Physics and Chemistry of the Earth. 2004. V. 29. P. 453-457.
51. Guglielmi A., Potapov A., Tsegmed B., et al. On the earthquake effects in the regime of ionospheric Alfvén resonances // Physics and Chemistry of the Earth. 2006. V. 31. Р. 469-472.
52. Hattori K. ULF Geomagnetic сhanges associated with large earthquakes // Terrestrial, Atmospheric and Oceanic Sciences (TAO). 2004. V. 15, N 3. P. 329-360.
53. Hayakawa M. Electromagnetic phenomena associated with earthquakes: Review // Trans. Ins. Electr. Engrs. Japan. 2001. V. 121-A. P. 893-898.
54. Jacobs J.A. Geomagnetic Micropulsations. New York; Heidelberg; Berlin: Springer-Verlag, 1970. 179 p.
55. Kangas J., Guglielmi A., Pokhotelov O. Morphology and physics of short-period magnetic pulsations (A Review) // Space Sci. Rev. 1998. V. 83. P. 435-512.
56. Lundin R., Guglielmi A. Ponderomotive forces in cosmos // Space Sci. Rev. 2006. V. 127. P. 1-116.
57. Masci F. On the recent reaffirmation of ULF magnetic earthquakes precursors // Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 2011. V. 11. P. 2193-2198.
58. 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.
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(
