книги из ГПНТБ / Гульельми А.В. Геомагнитные пульсации и диагностика магнитосферы

г),

при котором

амплитуда

цугов

Рі2 уменьшается

в е

раз,

Ç A

^

un; б) измерить

средний

период т модуляции

амплитуды

коле­

баний РсЗ — 5, Q

т/Т; в) рассчитать

спектр

пульсаций и изме­

рить

полуширину

Дю резонанспой линии, Q Ä

CO/2ACÜ.

Сделаем численные оценки. Начнем с пульсаций типа Рс5 .

Колеблющийся

объем предположительно заключен между оболоч­

ками L и L +

A L в секторе долгот Дер : V ~

r'ZMLAcp. Выбирая

значения L ~

7, AL~

1 и Дер ~

1, получим V ~

2 - Ю 2 8

см3. При

типичных значениях

T ~ 300 сек,

b ~ 20 у и с? ~

10—20 находим

Щ

~

3 - Ю 1 8

эрг,

^ — 5-101 0

эрг/сек.

Д л я дневных

устойчивых пульсаций

примем

следующие

более

или

менее

правдоподобные

значения

параметров:

Т — 30

сек,

b ~ Ъу, Q ~

10,

V ~

102 в

см3. В

результате

имеем

Щ ~

101 9

эрг,

$ ~ 2 - 1 0 1 7

эрг/сек.

Д л я

ночных

пульсаций

Рі2 ,

по-видимому,

более

типичны

значения

T ~ 100 сек-, і ~

10у, Q~

5,

F ~

5 х

Х І 0 2

8 см3 и, соответственно, # ~

2 - Ю 1 0

эрг,

Щ ~

2 - Ю 1 7

эрг/сек.

В квазистациоиариых условиях энергия, диссииируемая в еди­

ницу

времени,

компенсируется притоком энергии в резонатор из ­

дении РсЗ, А . Однако возбуждение цугов Рі2, например,

происхо­

дит в резко нестационарном режиме. П и к о в а я скорость

притока

энергии превышает темп диссипации, а энергетический

баланс

осуществляется

лишь в среднем по большому промежутку времени.

В табл. 6 приведены типичные энергетические параметры

пуль ­

саций. Д л я сравнения указаны

соответствующие параметры

дл я

магнитных бурь

[191. Значение

102 2

— 102 3 эрг соответствует

ти­

пичной энергии,

выделенной в ходе

одной бури. Если произвести

усреднение по времени, то получим

примерно на порядок

мень­

темпа инжекции

энергии

в магнитосферу во время бурь.

В

четвертой

колонке

табл. 6 приведены

значения коэффи­

циента

трансформации кинетической энергии

солнечного ветра

ного солнечного ветра порядка ~

0,5 эрг/см2 сек. Полный же поток

через поперечное

сечение магнитосферы (площадь

~ 3 - 1 0 2 0 сиг)

Т а б л и ц а 6.

Энергетика пульсаций

п магнитных

бурь

Запасенная

Скорость при­

Team

Коэффициент

тока

энергии

диссипации

энергия S (о-рг)

конверсии я

S

(эрг. сек)

І

(ерг.'сек)

Пульсации

10г о —«У»

10й —3 -10"

1016—10"

Бури

10S2_1Q23

3-1018

1Q18

3-Ю"4

составляет

~

102 0

эрг/сек.

Соответственно дл я пульсаций

коэффи­

циент

конверсии

составляет

к ~

10 _ 3 — 10~'К

В

возмущенном

солнечном

ветре

нлотность

потока энергии

достигает

<-- 5—10'

эрг/с.и2сек.

Коэффициент конверсии для бурь имеет тот же

порядок,

что и

дл я

пульсаций.

Обратимся

теперь

к

коротковолновому

участку

диапазона

пульсаций .

Здесь

основными

энергетическими

параметрами я в ­

ляются средняя плотность гидромагнитной энергии

е ~

і2 ,'8л и

средняя плотность

потока

энергии

S ~ Аг.

Прямой

расчет

амплитуды

Ь по наземным

данным

(экстрапо­

л я ц и я

вверх)

должен

содержать

следующие

процедуры: расчет

ослабления сигнала на пути

от области генерации до ионосферы.

Д л я строгого решения этих

задач необходимо, помимо усовер­

плитуды жемчужин в области генерации

приводит

к

величине

-~ 1 у [322]. Т а к а я оценка, во всяком случае, не кажется

слишком

завышенной.

Х о т я на средних широтах

типичная

амплитуда

жемчужин ~

20—40 ту (иногда ~ 100 ту),

вблизи зоны

сияний

нелинейных эффектов, их надежность и точность не очень

велики .

Обсудим в качестве

примера

варианты

одной

из таких

оценок.

П р и самовозбуждении узкополосных

сигналов в диапазоне од­

ного

герца

основным нелинейным

процессом

является

захват

резонансных

частиц в потенциальные

ямы волны. Частота

осцил­

л я ц и и

захваченных

частиц S

У Q[ÇIV,

где Q p

= еЫтѵс.

Пред­

рядка

tpejl

~ 1/Ù5. Можно ожидать, что в установившемся нелиней­

ном режиме Ірел будет

порядка ~

1/у, т. е. ш ~ у. По данным ра­

боты

[234],

это условие

приводит

к величине амплитуды волн по­

р я д к а

b ~

0,2—0,5 у в диапазоне

Pel .

ловушки . Пусть в

вершине силовой

линии

(/ = 0)

выполняется

условие резонанса

ѵц (0) к (0) — Q p

(0) = 0.

Пр и

перемещении

вдоль силовой

линии частица будет оставаться захваченной до

тех

пор,

пока

отклонение

от

резонанса

| иц

(Z) к

(I)

— Q p

(I) \

не

превысит

частоты

осцилляции

5.

Из этого

условия

находим

с точностью

до

коэффициента

порядка единицы

оценку Al,

рас ­

кладывая Q p

(I),

у л (I)

и к (I)

в ряд по степеням I в окрестности

вер­

шины силовой

линии

f

П р и р а в н и в а я

теперь

время

пролета

' г ф 0 Л ~

АІ/ѵ^ к

времени

ре­

лаксации

инкремента

tpea

~

1/5,

получаем

оценку

амплитуды

волны

При типичных

значениях В

~

150 у,

т/ ~

102

находим

b ~

1у.

Естественно, наибольшей

надежностью

обладают

измерения

щая плотность энергии пульсаций

порядка

е ~

5 • 10"1 2

эрг/см3;

плотность потока энергии порядка

£ ~ 3 - 1 0 ~ 4

эрг/см2-сек.

При обсуждении энергетики пульсаций

возникает еще

целый

лема

оживленно

обсуждалась в геофизической литературе.

§

26. Индексы

пульсаций

теризующих

возмущенность

магнитосферы. Хорошо известны

К, С, Си Кр,

Кт, Кп, Ks, Ар,

Сѵ, АЕ, Dst и другие индексы, по­

Потребность в практически удобных мерах

геомагнитной ак­

тивности возникает при решении целого ряда

задач. Н а основе

роко

используются

индексы геомагнитной и солнечной активно­

сти.)

Наконец, в

последнее время настойчиво подчеркивается

ческих процессов

(землетрясении) [335].

Классические

индексы геомагнитной активности

не

учитыва­

ют возмущённое™ электромагнитного поля Земли

в

диапазоне

Земли . Более того,

благодаря

резонансным

эффектам, пульсации

д а ж е сравнительно

небольшой

амплитуды

в некоторых случаях

активно влияют на

свойства околоземной плазмы. Поэтому пред­

интенсивности колебаний и в том или

ином виде отражают плот­

ность энергии пульсаций в магнитосфере.

Мы

не ставим себе целью подробно

описать все индексы пуль ­

саций

и методы их построения. В настоящее время проблема

ин­

дексов

оживленно обсуждается на международных научных

соб­

р а н и я х , у ж е сделан ряд конкретных

предложений, однако

еще

привлечения довольно широкого комплекса

наземных

данных

(91- и SS-индексы). Вместе с тем будет показано, что и применение

весьма простых индексов дает в ряде случаев неожиданно

благо­

приятные результаты (33- и sp-индексы). Ранее

вводились

различ­

и

сибирских

станций и использованы дл я анализа

27-диевной

повторяемости

пульсаций, связи пульсаций с активными областя­

ми на Солнце и т. п. £ ( Г и п д е к с

строится аналогичным

образом и

характеризует электромагнитную

активность в диапазоне 10 сек —

1

час. Следует

отметить относительно высокую чувствительность

установок земных токов в этом диапазоне.

Индекс Р.,

характеризующий

активность пульсаций в диапа­

зоне 7,5—480 сек, пропорционален произведению амплитуды ко­

Модификация

этого индекса

рассматривается в

[345, 346].

Суточный VF-индекс был введен при исследовании связи появ­

ления жемчужин с геомагнитными бурями [431. Индекс

принимает

значения от 0 до 7 в зависимости от числа 15-минутных

интервалов

с пульсациями

в диапазоне 0,5—5 га, амплитуда

которых превы­

шает 1—2 ту.

С большой

тщательностью

разработан КсЗ-иидекс,

строящий­

2 К с З

с успехом использовался дл я анализа

солнечно-земных свя­

зей [343, 344]. Следует указать

также на

энергетические Р - ии -

декс

и Р„-индекс

[338, 349].

С

учетом достижений гидромагнитной

диагностики в обзоре

[21 была предложена система спектральных и энергетических ин­

дексов. Принцип,

положенный

в основу этой системы, заключает­

ся в том, что каждому конкретному индексу

следует по возможно­

сти придать

ясный физический смысл. В процессе разработки ин­

дексов

были

внесены некоторые коррективы, и в настоящее время

система

индексов

вырисовывается следующим образом.

3tj-

и 9Ё„-индексы (трехчасовые) формируются

из периодов

пульсаций

Рс2 — 4

и Рі2 соответственно, ^ - и н д е к с

характери -

магнитного поля на

ночной

стороне.

П р и

построении

9î,; -

и

Зіц-индексов в данные

о периодах пульсаций

вносятся

поправки,

учитывающие

общую

геофизическую

ситуацию.

зВ-индекс

строится по усредненным

за каждый час

периодам

дневных пульсаций

Рс2 — 4 и характеризует

величину

н а п р я ж е н ­

ности межпланетного магнитного поля .

93-индекс

(трехчасовой)

характеризует

вариабельность

ре­

жима Рс2 — 4,

отражающую,

в свою очередь,

изменчивость

пара ­

метров солнечного

ветра

на

орбите Земли.

ф-индекс

(суточный)

характеризует активность

геомагнитных

пульсаций

в диапазоне

Pel .

Предположительно

величина 10"

пропорциональна

энергии

гидромагнитиых волн,

выделившейся

в магнитосфере в

диапазоне

Pel .

©-индекс (эпизодический) формируется по данным о пульса­

циях нарастающей

частоты

(1 pdp) и характеризует

нестационар­

на примере

SB-индекса, который

вычисляется по данным

Рс2 — 4 .

Использование

пульсаций

этого

типа обеспечивает

возможность

построения

непрерывного

ряда

индексов.

9Э-индекс.

Д л я построения

диагностического

индекса

будет

использоваться

тот факт,

что несущая частота пульсаций

Рс2 — 4

Разделим

диапазон изменений

величины межпланетного поля

В на пять уровней

(состояний)

и припишем

каждому уровню

номер (индекс): і — 1, 2, 3, 4, 5.

Выбор

границ

между смежными

состояниями

следующий:

і

1

2

3

4

5

В, г

<2.5

2,5—і

4—G

fi—S

>8

пульсаций /, а также Кѵ-

и А ^ - индексы . Соответствующие вели­

чины

обозначим xj.

где /

=

1. 2, 3.

Задача заключается

в

том. чтобы с

наибольшим правдоподо­

бием

установить

сходство наблюдаемого «симптомокомплекса»

(т. е. набора измеренных

значений /, Кр

и АЕ)

с «симптомоком-

плексом», характерным для данного состояния

межпланетного

по­

л я і.

В такой постановке

задача гидромагнитной диагностики

пол­

Пусть

р.,-; — среднее значение х-} на уровне г, a atj

— соответ­

ствующее

среднеквадратичное отклонение. Образуем

величины

з

(26.1)

Д л я расчета диагностических

матриц

ц.,:; и ац

использовались

выборочные

данные одновременных

измерений

В,

/,

Кр

и

АЕ

(/

и В — усредненные

за час). Результат

расчета

представлен

в

табл. 7.

Вычисление

95-индекса

(т. е. определение

уровня

і)

проводится

на ЭВМ с помощью

критерия

(26.1) и табл. 7

по на­

блюдаемым

значениям

/ ( / ' = 1),

Кр

(/ =

2)

и АЕ

(/ =

3).

Проб­

ный расчет

непрерывного ряда трехчасового

SS-индекса

сделан

но

записям

пульсаций на обе. Б о р о к ,

Петропавловск и

Куба за

10

дней декабря 1964 г. (рис. 67).

Д л я

проверки эффективности

SS-индекса нами было

отобрано

50

случаев (по 10 на каждый уровень

г), для которых имелись п р я ­

при

расчете

диагностических матриц

и ац).

Оказалось, что в

80%

случаев

33-индекс правильно указывает

состояние межпла ­

чаев sS-иидекс, рассчитанный

по данным /, Кр

и АЕ,

у к л о н я л с я

от истинного более

чем на одну градацию.

Д л я сравнения

укажем, что если расчет SS-индекса вести толь­

ко по данным о частоте пульсаций /, то количество

правильных

оценок уменьшится

до

54%.

Если

же использовать

какой-либо

один из классических

индексов Кѵ

или АЕ,

то количество вер-

ных оценок упадет до 46 или 32%.

Комбинации / — Кѵ, /

— АЕ и

Кр — АЕ дают соответственно 68,

60

и 46%.

Такова процедура комплексной

статистической диагностики

величины межпланетного магнитного поля перед фронтом

ударной

M 1364-

І$-индекс

3

ЮДни

Таблицы

ЗЗ-ипдекса,

построенные по данным обсерватории

Б о р о к ,

регулярно публикуются в ежемесячном сборнике «Косми­

ческие даниые» с я н в а р я

1972

г.

йд-нндекс.

Д л я

построения

индекса,

характеризующего

сте­

пень

сжатия

магнитосферы солнечным ветром, были выбраны

сле­

дующие

диагностические симптомы: песущая частота / пульсаций

Р с 2 — 4 ,

А",,-, АЕ-

и / Ы - и н д е к с ы . Этот

индекс

формируется

по

тем

же

рецептам,

что и

SS-ипдекс. Д л я

расчета

диагностических

матриц

использовались

данные о расстоянии R

от центра Земли

спутников. Индекс имеет три градации, соответствующие

«рас­

ширенной»,

«нормальной»

и

«сжатой»

магнитосфере. Матрицы

и,; и

оц,

а

т а к ж е

пример построения

Э^-индекса приводятся в

работе

[351].

31,,-пндекс. Характеризует

положение экваториальной

гра­

ницы зоны сияний в окрестности полуночного меридиана.

Индекс

принимает

четыре

значения

и вычисляется по

данным

о

пери-

Т а б л и ц а

7.

Диагностические

матрицы

г

2

3

г

2

3

1

18,5

0,8

58

1

10,2

1,4

105

2

28,3

1,4

81

2

15,1

1,6

165

3

34,8

' 1,9

102

3

13,0

1,7

198

4

49,5

2,5

128

4

14,2

1,8

220

5

68,3

3,2

161

5

24,0

2,0

250

оде цугов пульсаций Рі2 с учетом

общей

ЕЯ„,

возмущепиости геомагнитного поля, ха­

W -

рактеризуемой

Кѵ-

и

. ^ - и н д е к с а м и .

о

о

©-индекс. Характеризует

вариа­

-

о

о

о

бельность

режима

Рс2—4. Строится

О

§

°

следующим

образом.

Д л я

данной

об­

о

серватории выбирается рабочий диапа­

-

о

зон

местного времени,

например

два

0

трехчасовых

интервала

9 h — 12"

и

о

0

12м

— 15h

L T .

В

каждом

интервале

о

о

подсчитывается

число изменений

режи­

-

о

ма

Рс2 — 4 и это

число

выбирается

в

i

качестве

индекса.

О

1

I

1

Под изменением режима

понимается

2

ЕД .

резкая смена периода колебаний

(более

чем

на ~

30%)

или

резкое

изменение

P H с.

68.

Связь

изменчп-

амплитуды

(более

чем

в ~

1,5

раза) .

вости

режима Рс2—4 93Р с с

П р и

этом

подсчитываются

лишь

такие

изменчивостью

направления

изменения,

которые

приводят

к

доста­

межпланетпого

магнитного

ПОЛЯ

93ср

точно стабильному новому режиму

(для­

щемуся не

менее

~

10 ш — 1 5 т ) .

Предполагается,

что

изменчивость

режима

Рс2 — 4

отражает

тосферы. Это предположение подтверждается опытом. Н а рис.

68

по вертикальной оси отложена сумма 58-индексов за интервал,

не­

(Аф

20°) и продолжительных (А / >> 10П 1 — 15m )

изменений ори­

ентации межпланетного магнитного поля в

плоскости эклиптики

по данным спутника И М П - 1 .

Обе величины

( 2 2 ^ с

и ІЖ Ф ) подсчи-

тывались за один и тот же промежуток времени.

Отчетливо вид­

на почти линейная зависимость между Е25рс

и И58ф . Вариабель­

ность

Рс2 — 4 в полтора-два

раза выше вариабельности ориента­

так как свойства

Рс2 — 4 зависят ие только от ориентации межпла­

нетного поля,

но

и от других параметров солнечного

ветра.

sp-иидекс.

Он

строится

по

данным

наблюдения

пульсаций

типа Pel: ф = log (^сцЬ-Г +

'•!•) .

г Д е

— средний

квадрат ам-

г