книги из ГПНТБ / Лушев, Ю. Г. Физика верхней атмосферы Земли учебник

Аналогично могут быть получены средние годовые значения эле­ мента или средние значения для наиболее спокойных или наибо­ лее возмущенных дней месяца.

Если часовые значения для некоторого часа осреднить по всем дням месяца (года), то получим среднее часовое значение эле­ мента за месяц (год):

Разности между средними часовыми значениями за месяц и среднемесячным значением элемента образуют последователь­ ность часовых вариаций, называемых средними суточными ва­ риациями за месяц:

Рассчитывают также среднесуточные вариации за 5 наиболее спокойных дней месяца (Sq) и за 5 наиболее возмущенных дней (Sd). Разность между ними в низких и умеренных широтах обыч­ но небольшая, а в высоких широтах достигает больших величин.

Анализ элементов магнитного поля во время магнитных бурь производится следующим образом. Из материалов наблюдений отбираются магнитограммы нескольких магнитных бурь с хоро­ шо выраженным началом бури. Моменты начала бурь на магни­ тограммах совмещают и для каждого часа суток определяют среднее значение элемента. Полученные изменения магнитных элементов представляют возмущения йо время магнитных бурь

(Dsth

$ 6. ОСОБЕННОСТИ СОЛНЕЧНО-СУТОЧНЫХ ВАРИАЦИЙ

ВСПОКОЙНЫЕ д н и

Вдни, когда не происходит магнитных возмущений, т. е. в маг­ нитно-спокойные дни, элементы геомагнитного поля Н, Z и D ис­ пытывают изменения с 24-часовым периодом. Такие периодиче­ ские отклонения элементов от их средних значений называют

солнечно-суточными вариациями или просто Sq -вариациями.

На рис. 10.6 показан суточный ход элементов земного магне­

тизма, характерный для широты <р— 60°.

Горизонтальная составляющая (8//) имеет минимум около 11 ч местного времени и максимум около 20 ч, а вертикальная составляющая (8Z) ночью изменяется мало, утром начинает воз­ растать и достигает максимального значения после полудня. Маг­ нитное склонение (8D) в 8 ч утра имеет максимальное отклоне­ ние к востоку, а в 14 .ч — максимальное отклонение к западу.

Для магнитных станций, расположенных на разных широтах, как амплитуды изменений элементов магнитного поля, так и мо­ менты наступлений максимумов и минимумов будут различны.

На данной широте амплитуда ^-вариаций летом больше, чем зимой, и возрастает в годы максимума солнечной активности.

Sq -вариации имеют солнечное происхождение. Об этом сви­ детельствует их зависимость от местного времени, широты места, времени года и фазы цикла солнечной активности.

Изучение З^вариаций на материалах наблюдений большого числа магнитных обсерваторий показало, что причиной их обра­ зования является система

циям магнитного поля для освещенного и неосвещенного Солн­ цем полушария при минимуме солнечной активности в период равноденствия. Токи текут в направлении стрелок и выражены в тысячах ампер. Система токов фиксирована относительно Солнца.

Вдругие времена года система из четырех колец поверхност­ ных токов сохраняется, но их положение смещается к северу или

кюгу от экватора в зависимости от положения Солнца. Изме­ няется также сила тока.

Возникшие в 'ионосфере электрические токи генерируют пере­ менное магнитное поле, которое, взаимодействуя с постоянным магнитным полем Земли, и образует у земной поверхности сол­ нечно-суточные вариации элементов геомагнитного поля.

Втечение многих лет система поверхностных токов в ионо­ сфере была лишь гипотезой, но в 1949 г. ее существование было подтверждено путем прямого эксперимента. Магнитометры, под­ нятые на ракете выше слоя с поверхностными электрическими то­ ками, зарегистрировали вариации элементов магнитного поля, обратные вариациям у земной поверхности.

2 1 2

I

Образование поверхностных токов и их высоту объясняет тео­ рия атмосферного динамо. Основная ее суть сводится к следую­ щему: благодаря приливным солнечным и лунным движениям верхней атмосферы, перпендикулярным земному магнитному полю, в проводящей ток ионосфере генерируется электродвижу­ щая сила, которая и вызывает появление поверхностных электри­ ческих токов.

Величина возникающего электрического тока зависит от про­ водимости ионосферы, которая в свою очередь зависит от кон­ центрации ионов и электронов, напряженности магнитного поля и направления электрического тока.

Рис. 10.7. Системы электрических токов, соответствующих солнечно-суточ­ ным вариациям магнитного поля для освещенного (слева) и неосвещенного

(справа) Солнцем полушария

Расчеты показали, что эффективная проводимость в районе геомагнитного экватора имеет максимум .в сравнительно узком интервале высот (около 10 км) вблизи 100 км, а в пунктах, уда­ ленных от геомагнитного экватора, наибольшие значения прово­ димости ограничены высотами 90 и 140 км.

Таким образом, из теории атмосферного динамо следует, что наиболее интенсивные поверхностные токи возникают в ионо­ сфере в тонком слое вблизи 100 км, т. е. в слое Е.

§ 7. МАГНИТНЫЕ ВОЗМУЩЕНИЯ

На ленте магнитографа магнитные возмущения отмечаются в виде беспорядочных колебаний величины геомагнитного эле­ мента, следующих весьма быстро друг за другом.

Магнитные возмущения большой интенсивности, когда ампли­

213

туда колебаний геомагнитного элемента достигает сотен и тысяч гамм, называются магнитными бурями.

Магнитные возмущения имеют общепланетарный характер, но в разных пунктах земного шара степень их проявления раз­ лична. Возникают они спорадически и могут продолжаться от нескольких часов до нескольких суток.

По признаку территориальности магнитные возмущения под­ разделяются на три группы: синфазные (S), локальные (L) и перманентные (Р).

Синфазные магнитные возмущения — это такие возмущения,

которые возникают в один и тот же момент времени и охваты­ вают всю поверхность земного шара. Они возникают преимущест­ венно между геомагнитными широтами +45°. На всех магнитных обсерваториях, расположенных в этом широтном поясе, синфаз­ ные магнитные возмущения протекают в одинаковой фазе и с одинаковым отношением амплитуд.

К магнитным возмущениям относятся магнитные бури. Их разделяют на магнитные бури с внезапным началом и бури с по­ степенным началом.

Магнитные бури с внезапным началом — это спорадические магнитные возмущения большой интенсивности, возникающие в результате взаимодействия геомагнитного поля с корпускуляр­ ными потоками солнечных вспышек.

Среднее время запаздывания начала магнитной бури от на­ чала солнечной вспышки составляет двое суток. Однако не все солнечные вспышки сопровождаются магнитными бурями.

Э. Р. Мустель и Н. Б. Егорова (1961) на материалах наблю­ дений /в период Международного геофизического года (1958— 1959 гг.) показали, что гораздо чаще вызывают геомагнитные возмущения солнечные вспышки интенсивностью 3 и 2 балла, со­ провождающиеся всплесками солнечного радиоизлучения IV ти­

па в метровом диапазоне. Так, из рассмотренных 410 солнечных вспышек 3 и 2 балла дали геомагнитные возмущения 70 (17%), а из 53 вспышек той же интенсивности, но сопровождавшихся всплесками радиоизлучения IV типа, дали возмущения 34 (64%).

При возникновении магнитных бурь с внезапным началом на фоне спокойного хода всех магнитных элементов внезапно про­ исходит скачок, который в пределах 1—2 мин отмечается одно­ временно на всех обсерваториях земного шара. Наиболее интен­ сивно такой скачок проявляется в горизонтальной составляю­ щей Я, которая внезапно возрастает на несколько десятков гамм. Пример такой магнитной бури приведен на рис. 10.8.

Магнитные бури с постепенным началом вызываются корпус­ кулярными потоками, идущими из центров активности Солнца. В этом случае возникает возмущение в виде постепенного изме­ нения всех геомагнитных элементов, и время его начала на раз­ личных обсерваториях может отличаться на 1 ч и более. Магнит-

214

Ные бури с постепенным началом менее интенсивны, но продол­ жительность их больше (5—б суток), чем бурь с внезапным на­ чалом.

Период развития магнитных бурь разделяют на три фазы:

1)начальная фаза — период внезапного возрастания Н\

2)главная фаза — период развития бури от момента паде­ ния Н до момента медленного восстановления;

3)последняя фаза — время медленного восстановления Н до его нормального значения.

\

\\

W

il

411 I \

Рис. 10.8. Пример затеи магнитной бури с внезапным началом

Рассмотрим кратко возможные механизмы возникновения фаз магнитной бури.

Корпускулярные потоки солнечных вспышек, имеющие скоро­ сти частиц, значительно большие, чем в стационарном солнечном ветре, при обтекании магнитосферы вызывают быстрое сжатие плазмы и магнитного поля. Это сжатие .распространяется внутрь магнитосферы как геомагнитное возмущение, которое у поверх­ ности Земли приводит к внезапному резкому возрастанию напря­ женности магнитного поля на несколько часов. В результате мы наблюдаем внезапное начало и начальную фазу магнитной бури.

215

Солнечные корпускулярные потоки из центров активности имеют меньшие скорости частиц и поэтому при обтекании магни­ тосферы не вызывают возрастания напряженности геомагнит­ ного поля. Внезапное начало в магнитной буре в этом случае от­ сутствует.

При дальнейшем развитии магнитной бури происходит плане­ тарное уменьшение напряженности магнитного поля у земной по­ верхности (основная фаза бури). Это обусловлено возникнове­ нием вокруг Земли кольцевого тока, направленного на запад, ко­ торый генерирует магнитное поле, обратное по направлению гео­ магнитному полю.

Возникновение кольцевого тока увязывается с наличием ра­ диационного пояса Земли, в котором происходят дрейфовые дви­ жения заряженных частиц, вызванные уменьшением напряжен­ ности магнитного поля в зависимости от расстояния от Земли и кривизной силовых линий (см. гл. XII, § 2). Предполагают, что кольцевой ток создается протонами и электронами с энергией в несколько десятков килоэлектронвольт и находится в удалении от Земли на 2—4R 3.

Последняя фаза магнитной бури связана с постепенным ос­ лаблением кольцевого тока и восстановлением магнитного поля до нормального значения.

Экспериментального подтверждения наличия токового кольца вокруг Земли пока нет.

По своей интенсивности магнитные бури принято делить на малые, умеренные, большие и очень большие. Так как интенсив­ ность магнитных бурь возрастает от южных геомагнитных широт к северным, то шкала амплитуд изменения геомагнитного эле­ мента для каждой категории бурь на разных обсерваториях бу­ дет различной. Однако на практике интенсивность бури оцени­ вается качественно из сопоставления одной бури с другой.

В табл. 10.1 приведены среднегодовые амплитуды геомагнит­ ных элементов во время магнитных бурь различных категорий на разных геомагнитных широтах. Для отдельных бурь значения

216

Частота возникновения магнитных бурь зависит от солнечной активности и времени года. В годы максимума солнечной актив­ ности частота достигает наибольших значений, при этом увели­ чивается главным образом количество больших и очень больших бурь. В течение года магнитные бури, особенно очень большие, чаще появляются в периоды равноденствий. Кроме того, магнит­ ные бури с постепенным началом имеют тенденцию к 27-дневной повторяемости, связанной с синодическим периодом обращения Солнца вокруг своей оси.

Магнитные бури — не изолированные явления. Они обычно сопровождаются ионосферными бурями, полярными сияниями и возмущениями в радиационном поясе Земли.

Кроме магнитных бурь, в геомагнитном поле наблюдаются малые магнитные возмущения, которые могут происходить даже в спокойные дни. К ним относятся возмущения локального типа— бухтообразные возмущения и перманентные возмущения — ко­ роткопериодичные вариации или пульсации.

Локальные возмущения имеют планетарный характер, одна­ ко интенсивность их зависит в сильной степени от геомагнитной широты. Максимум их интенсивности наблюдается в зоне поляр­ ных сияний, где амплитуда изменений Н может достигать не­ скольких сотен гамм, а продолжительность возмущения — от одного до нескольких часов.

Причиной локальных возмущений считают систему поверх­ ностных электрических токов, возникающих при повышении сте­ пени ионизации в слое D ионосферы.

Пульсации — это правильные синусоидальные колебания гео­ магнитных элементов небольшой амплитуды (несколько гамм) с периодом от десятков секунд до нескольких минут. Согласно Штермеру, они могут возникать при движении заряженных ча­

стиц вокруг Земли.

Наиболее полно характеристики магнитных возмущений раз­ личных видов рассмотрены в учебном пособии Б. М. Яновского

(1969).

§ 8. ИНДЕКСЫ ГЕОМАГНИТНОЙ ВОЗМУЩЕННОСТИ

Магнитное поле Земли может быть спокойным или сильно возмущенным. Для оценки степени его возмущенности введены индексы геомагнитной возмущенности.

Наиболее простым геомагнитным индексом является между­

217

народное геомагнитное характеристическое число С, характери­ зующее магнитную возмущенность суток.

Всоответствии с общим видом магнитограммы каждым сут­ кам (по гринвичскому времени) приписывается характеристика: 0,0 — магнитное поле спокойно; 0,5 — слабо возмущено; 1,0 — умеренно возмущено; 1,5 — сильно возмущено и 2,0 — магнит­ ное поле очень возмущено. Данные ряда магнитных обсервато­ рий осредняются, и полученное при этом число является между­ народной характеристикой геомагнитной возмущенности суток (С<л/). По суточным значениям рассчитываются месячные и годовые средние значения индексов Сш .

Внастоящее время также широко используется другой ин­ декс возмущенности магнитного поля — международный плане­ тарный индекс ЪКР.

Применительно к отдельной магнитной обсерватории вначале по данным наблюдений определяется индекс К, имеющий десяти­ балльную шкалу. Он представляет собой численную характери­

стику наиболее возмущенного геомагнитного элемента, выражен­ ную в баллах. Каждому баллу соответствует амплитуда колеба­ ний элемента, исправленная на спокойный суточный ход за трех­ часовой интервал времени суток.

Поскольку степень возмущенности магнитного поля Земли за­ висит от геомагнитной широты, то для каждой магнитной обсерватории цена балла индекса К выбирается разной.

В табл. 10.2 приведены значения шкалы индекса К в гаммах для ряда магнитных обсерваторий Советского Союза1). Из таб­ лицы видно, что при уменьшении широты места для одного и того же значения К возмущенность геомагнитного элемента будет меньше. Так, от Ленинграда до Ташкента она убывает в два раза.

Однако было обнаружено, что магнитные обсерватории для одних и тех же возмущений дают все же разные значения индекса

‘) Космические данные. Бюллетень. Изд. АН СССР, 1963.

218

К, несмотря на учет влияния геомагнитной широты. Для устра­ нения этого недостатка были выбраны 12 магнитных обсервато­ рий, расположенных между 48 и 63 геомагнитными широтами, данные индексов К которых стали осредняться в один планетар­

§ 9. МЕЖПЛАНЕТНОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Межпланетное пространство — это пространство, где свой­ ства межпланетной среды не нарушаются присутствием Земли и ее магнитного поля. В этом пространстве существуют слабые, но весьма протяженные «вмороженные» ,в потоки солнечного вет­ ра магнитные поля солнечного происхождения. Их существова­

219

ние доказывается как прямыми измерениями, так и исследова­ ниями космических лучей.

Какова же причина возникновения межпланетного магнит­ ного поля?

Е. Паркер (1965) выдвинул гипотезу о том, что межпланетное магнитное поле возникает в результате вытягивания силовых ли­ ний общего магнитного поля Солнца в межпланетном простран­ стве солнечными газами при расширении хромосферы и короны. Об этом свидетельствует, прежде всего, вытянутая структура ко-

рональных лучей.

ной плоскости Солнца при спокойном солнечном ветре (V ~ ~ 300 км/сек в районе орбиты Земли).

Общее возмущенное межпланетное магнитное поле возникает в результате распространения в невозмущенном магнитном поле ударных волн от Солнца, которые возникают при солнечных вспышках. На рис. 10.11 показано искажение невозмущенного межпланетного магнитного поля ударной волной от Солнца, ког­ да ее фронт находится между Солнцем и земной орбитой.

За последние годы были проведены детальные и точные из­ мерения характеристик магнитного поля в межпланетном про­ странстве. Напряженность поля обычно составляет от 2 до 7 f , в среднем около 5f (рис. 10.12), а направление магнитных сило­ вых линий соответствует спирали Архимеда. Параметры поля из­ меняются во времени и в пространстве. Выявлена также их чет­ кая 27-дневная периодичность в экваториальной плоскости Солн­ ца. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о

2 2 0