сотрудник с 01.01.2008 по настоящее время
Борок, Россия
Борок, Россия
Приводятся результаты исследования влияния геомагнитной активности, параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля (ММП) на свойства перемежаемости среднеширотных серий всплесков геомагнитных пульсаций Pi2, наблюдаемых во время магнитосферных суббурь на ночной стороне магнитосферы (суббуревые Pi2) и в их отсутствие (несуббуревые Pi2). В качестве основной характеристики перемежаемости суббуревых и несуббуревых пульсаций Pi2 рассматривается показатель α, отражающий наклон кумулятивной функции распределения амплитуд всплесков. Показано, что величина и динамика показателя α различна в зависимости от планетарной геомагнитной активности, авроральной активности и интенсивности магнитосферных кольцевых токов. Обнаружено, что формы зависимостей показателя α от плотности n, скорости V, динамического давления Pd солнечного ветра и Bx-компоненты ММП различны. Динамика показателя α в зависимости от модуля B, By- и Bz-компонент ММП подобна. Выделены некоторые критические значения V, Pd, B, By- и Bz-компонент ММП, при достижении которых нарастающая турбулентность плазмы хвоста магнитосферы во время развития суббурь начинает уменьшаться. Обнаруженные закономерности перемежаемости пульсаций Pi2 могут быть использованы для качественной оценки уровня турбулентности плазмы хвоста магнитосферы в зависимости от изменяющихся межпланетных условий.
магнитосфера, суббури, геомагнитные пульсации, перемежаемость, турбулентность.
ВВЕДЕНИЕ
Магнитосфера Земли подвержена постоянному воздействию солнечного ветра, энергия которого накапливается в хвосте магнитосферы за счет пересоединения межпланетного магнитного поля (ММП) и геомагнитного поля. Изменение параметров солнечного ветра влияет на формирование крупномасштабного электрического поля, которое, в свою очередь, определяет развитие плазменных и волновых процессов в хвосте магнитосферы, его конфигурацию и т. д. За процессы взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли ответственны Bz-компонента ММП и связанное с ней межпланетное электрическое поле Ey= -VBz. В частности, количество энергии, обеспечивающей суббуревую активность, контролируется направлением вертикальной компоненты ММП. Это количество энергии резко увеличивается при смене направления Bz-компоненты с северного на южное [Arnoldy, 1971]. Существенную роль при передаче энергии солнечного ветра в земную магнитосферу играет динамическое давление солнечного ветра Pd=ρV2, где ρ - плотность плазмы, V - скорость солнечного ветра. Причем не только Pd определяет степень сжатия магнитосферы потоком солнечного ветра, но и его флуктуации, наряду с южным направлением Bz-компоненты ММП, оказывают существенное воздействие на процессы в дневной и ночной магнитосфере [Бородкова, 2010]. Кроме того, такие параметры, как Bx-, By-компоненты и долгота φ вектора напряженности B, обусловленные секторной структурой ММП, оказывают влияние на геофизические процессы.
В результате накопления энергии солнечного ветра в хвосте возникают суббури, которые относятся к наиболее часто встречающимся магнитным возмущениям в земной магнитосфере [Lui, 2001; Арыков и др., 2002; Tanskanen, 2009]. Фаза развития практически каждой суббури связана с иррегулярными геомагнитными пульсациями Pi2, имеющими вид каплеобразных всплесков или затухающих цугов с периодами ~(40-150) с [Saito, 1969; Olson, 1999]. Пульсации Pi2 являются своеобразным индикатором активизации авроральных процессов во взрывной фазе суббури [Rostoker, Olson, 1978]. Однако всплески Pi2 могут наблюдаться также в условиях спокойной магнитосферы, т. е. в отсутствие суббурь на ночной стороне аврорального овала [Kim et al., 2005; Cheng et al., 2009; Куражковская, Клайн, 2010]. Максимум частоты появления пульсаций Pi2 приходится на околополуночное время, область их наблюдения простирается от экваториальных широт до полярной шапки, а максимум интенсивности приходится на авроральные широты [Пудовкин и др., 1976].
Пульсации Pi2 наблюдаются как изолированные всплески или цуги, а также как последовательности отдельных волновых пакетов (серии всплесков). В работах [Куражковская, Клайн, 2010; 2014] отмечалось, что пульсации Pi2, состоящие из нескольких всплесков, по внешнему виду напоминают сигналы, в которых чередуются редкие выбросы и интервалы спокойного магнитного поля. Подобные сигналы называются перемежающимися, и для них характерно чередование интервалов регулярного поведения (ламинарные фазы) и хаотических всплесков (турбулентные фазы) [Manneville, Pomeau, 1980; Берже и др., 1991]. Перемежающиеся волновые процессы характеризуются определенными закономерностями. Так, согласно работам [Малинецкий, Потапов, 2000; Писаренко, Родкин, 2007], основными признаками перемежаемости являются экспоненциальное распределение межпиковых интервалов и степенное распределение амплитуд пиков (выбросов). Кумулятивная функция распределения амплитуд выбросов обычно имеет негауссову форму, т. е. для нее характерен длинный хвост. Подобные распределения в литературе называются «распределениями с тяжелыми хвостами» (heavy tails или fat tails) [Малинецкий, Потапов, 2000; Писаренко, Родкин, 2007], которые удовлетворительно описываются степенной функцией вида f(x)=x-α при всех x, превышающих некоторый порог x0 (x>x0). Характерной особенностью перемежаемости является ее тесная связь с турбулентностью среды, в которой формируются выбросы с большой амплитудой. Распределение амплитуды выбросов, формирующихся в слаботурбулизованной среде, как правило, аппроксимируется степенной функцией с показателем, близким 1. Если среда сильно турбулизована, показатель обычно значительно больше 1 и в экстремальных случаях приближается к 8 [Малинецкий, Потапов, 2000].
1. Арыков А.А., Мальцев Ю.П., Головчанская И.В. Статистическое изучение поведения параметров солнечного ветра во время суббурь // Геомагнетизм и аэрономия. 2002. Т. 42, № 2. С. 163-168.
2. Берже П., Помо И., Видаль К. Порядок в хаосе. М.: Мир, 1991. 368 с.
3. Бородкова Н.Л. Воздействие больших и резких изменений динамического давления солнечного ветра на магнитосферу Земли: анализ нескольких событий // Космические иссл. 2010. Т. 48, № 1. С. 43-57. DOI: 10.1134/ S001095251001003X.
4. Зеленый Л.М., Милованов А.В. Фрактальная топология и странная кинетика: от теории перколяции к проблемам космической электродинамики // Успехи физических наук. 2004. Т. 174, № 8. С. 809-852.
5. Клайн Б.И., Куражковская Н.А., Зотов О.Д. Исследование амплитудных закономерностей высокоширотных магнитных импульсов // Солнечно-земная физика. 2007. Вып. 10. С. 81-88.
6. Клайн Б.И., Куражковская Н.А., Куражковский А.Ю. Перемежаемость в волновых процессах // Физика Земли. 2008. № 10. С. 25-34. DOI:https://doi.org/10.1134/S1069351308100054.
7. Куражковская Н.А., Клайн Б.И. Всплесковые режимы длиннопериодных иррегулярных пульсаций в диапазоне частот 2.0-6.0 мГц и суббуревая активность на ночной стороне магнитосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 2009. Т. 49, № 4. С. 483-493. DOI:https://doi.org/10.1134/S0016793209040057.
8. Куражковская Н.А., Клайн Б.И. Перемежаемость в среднеширотных пульсациях Pi2, наблюдаемых во время магнитосферных суббурь и в их отсутствие // Солнечно-земная физика. 2010. Вып. 15. С. 58-65.
9. Куражковская Н.А., Клайн Б.И. Некоторые особенности характеристик среднеширотных суббуревых и несуббуревых геомагнитных пульсаций Pi2 и условий их возбуждения // Геомагнетизм и аэрономия. 2014. Т. 54, № 1. С. 43-54. DOI:https://doi.org/10.1134/S0016793214010071.
10. Малинецкий Г.Г., Потапов А.Б. Современные проблемы нелинейной динамики. М.: Эдиториал УРСС, 2000. 336 с.
11. Писаренко В.Ф., Родкин М.В. Распределения с тяжелыми хвостами: приложения к анализу катастроф. М.: Геос, 2007. 242 с.
12. Пудовкин М.И., Распопов О.М., Клейменова Н.Г. Возмущения электромагнитного поля Земли. Часть II. Короткопериодические колебания геомагнитного поля. Л.: Изд-во ЛГУ, 1976. 271 с.
13. Рязанцева М.О., Застенкер Г.Н. Перемежаемость флуктуаций плотности солнечного ветра и ее связь с резкими скачками плотности // Космические иссл. 2008. Т. 46, № 1. С. 3-9.
14. Akasofu S.I., Chapman S., Meng C.I. The polar electrojet // J. Atmos. Terr. Phys. 1965. V. 27. P. 1275-1305.
15. Arnoldy R.L. Signature for the interplanetary medium for substorms // J. Geophys. Res. 1971. V. 76, N 22. P. 5189-5201.
16. Borovsky J.E., Funsten H.O. Role of solar wind turbulence in the coupling of the solar wind to the Earth’s magnetosphere // J. Geophys. Res. 2003. V. 108, N A6. 1246. DOI:https://doi.org/10.1029/2002JA009601.
17. Cheng C.-C., Russell C.T. Shue J.-H. On the association of quiet-time Pi2 pulsations with IMF variations // Adv. Space Res. 2009. V. 43, Iss. 7. P. 1118-1129. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2008. 12.001.
18. Consolini G., De Michelis P. Local intermittency measure analysis of AE-index: The directly driven and unloading component // Geophys. Res. Lett. 2005. V. 32. L05101. DOI:https://doi.org/10.1029/2004GL022063.
19. Dobias P., Wanliss J.A. Intermittency of storms and substorms: Is it related to the critical behaviour? // Ann. Geophys. 2009. V. 27. P. 2001-2018.
20. Hsu T.-S., McPherron R.L. A statistical study of the relation of Pi2 and plasma flows in the tail // J. Geophys. Res. 2007. V. 112. A05209. DOI:https://doi.org/10.1029/2006JA011782.
21. Keiling A., Takahashi K. Review of Pi2 models // Space Sci. Rev. 2011. V. 161. P. 63-148. DOI:https://doi.org/10.1007/s11214-011-9818-4.
22. Kim K.-H., Takahashi K., Lee D.-H., Sutcliffe P.R., Yumoto K. Pi2 pulsations associated with poleward boundary intensifications during the absence of substorms // J. Geophys. Res. 2005. V. 110. A01217. DOI:https://doi.org/10.1029/20043JA010780.
23. Kurazhkovskaya N.A., Klain B.I. About the power law of SSC amplitudes distributions // Geophys. Res. Abstracts. General Assembly Eu-ropean Geosciences Union. 2008. V. 10. SRef-ID: 1607-7962/gra/EGU2008-A-01309.
24. Lui A.T.Y. Multifractal and intermittent nature of substorm-associated magnetic turbulence in the magnetotail // J. Atmos. Sol. Terr. Phys. 2001. V. 63. P. 1379-1385.
25. Manneville P., Pomeau Y. Different ways to turbulence in dissipative dynamical systems // Physica D. 1980. V. 1, N 2. P. 219-226.
26. Olson J.V. Pi2 pulsations and substorm onsets: A review // J. Geophys. Res. 1999. V. 104, N 8. P. 17499-17520.
27. Parkinson M.L., Healey R.C., Dyson P.L. Solar cycle changes in the geoeffectiveness of small-scale solar wind turbulence measured by Wind and ACE at 1 AU // Ann. Geo-phys. 2007. V. 25. P. 1183-1197.
28. Rostoker G., Olson V. Pi2 micropulsations as indicators of substorm onsets and intensifications // J. Geomag. Geoelectr. 1978. V. 30. P. 135-147.
29. Saito T. Geomagnetic pulsations // Space Sci. Rev. 1969. V. 10. P. 319-412.
30. Sornette D. Critical Phenomena in Natural Sciences. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2006. 528 p.
31. Stepanova M.V., Antonova E.E., Foppiano A.J., Rosenberg T.J. Intermittency in the auroral absorption fluctuations as manifestation of magnetospheric turbulence // Adv. Space Res. 2006. V. 37. P. 559-565. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2005.04.112.
32. Stepanova M., Pinto V., Valdivia J.A., Antonova E.E. Spatial distribution of the eddy diffusion coefficients in the plasma sheet during quiet time and substorms from THEMIS satellite data // J. Geophys. Res. 2011. V. 116. A00I24. DOI:https://doi.org/10.1029/2010JA015887.
33. Stepanova M., Antonova E.E. Role of turbulent transport in the evolution of the k distribution functions in the plasma sheet // J. Geophys. Res. Space Phys. 2015. V. 120. P. 3702-3714. DOI:https://doi.org/10.1002/2014JA020684.
34. Tanskanen E.I. A comprehensive high-throughput analysis of substorms observed by IMAGE magnetometer network: Years 1993-2003 examined // J. Geophys. Res. 2009. V. 114, A05204. DOI:https://doi.org/10.1029/2008JA013682.
35. Yordanova E., Balogh A., Noullez A., von Stei-ger R. Turbulence and intermittency in the heli-ospheric magnetic field in fast and slow solar wind // J. Geophys. Res. 2009. V. 114, A08101. DOI:https://doi.org/10.1029/2009JA014067.
36. Zimbardo G., Greco A., Taktakishvili A.L., Veltri P., Zelenyi L.M. Magnetic turbulence and particle dynamics in the Earth’s magnetotail // Ann. Geophys. 2003. V. 21. P. 1947-1953.
37. Zotov O.D., Klain B.I., Kurazhkovskaya N.A. Stochastic resonance in the earth’s magnetosphere dynamics // Proc. 7th International Conference “Problems of Geocosmos”, St. Peters-burg, May 26-30, 2008 / Eds. V.N. Troyan, M. Hayakawa, V.S. Semenov. SPb. 2008. P. 360-364.
