Новый 25-й цикл солнечной активности начался в декабре 2019 г., поэтому резкий всплеск геофизической активности в конце октября - начале ноября 2021 г., на начальной фазе роста очередного 11-летнего цикла является достаточно неожиданным.

Только с 26 октября по 02 ноября 2021 г. на Солнце было зарегистрировано 7 вспышек класса М и 1 вспышка класса Х, которые произошли в одной активной области AR12887. Наряду с ними неоднократно наблюдались и корональные выбросы массы (КВМ) [https://cdaw.gsfc.nasa.gov/CME_list]. В результате этого в околоземном космическом пространстве произошли значительные изменения космической погоды, и как следствие этого на Земле было зарегистрировано возрастание потоков солнечных космических лучей (СКЛ) и наблюдалась первая в текущем цикле СА магнитная буря с минимальным значением Dst <- 105 нТл.

ВАРИАЦИИ ИНТЕНСИВНОСТИ КЛ ПО НАБЛЮДЕНИЯМ В ТИКСИ И ЯКУТСКЕ

Наиболее мощная в этот период времени солнечная вспышка балла Х1.0 с максимумом эмиссии рентгеновских лучей в 15:35 UT 28 октября 2021 г. произошла в активной области AR12887 и имела координаты S28W02. При этом было зарегистрировано сильное ультрафиолетовое излучение, а также радиоизлучение II и IV типа [https://www.spaceweather.com, https://solarmonitor.org]. Эта вспышка привела к первому зарегистрированному на Земле возрастанию потока солнечных космических лучей (СКЛ) в новом 25-м цикле солнечной активности. Это событие стало 73 со времени регистрации первой зарегистрированной на земле вспышки СКЛ 28 февраля 1942 г. и сейчас оно известно, как GLE73 (от английского Ground Level Enhancement - GLE). Это возрастание было небольшим, его амплитуда даже на полярных станциях КЛ составила величину до 6%. На рис. 1 приведены 1-мин, исправленные на давление данные регистрации этого события нейтронными мониторами 18-NM-64 в Тикси и 24-NM-64 в Якутске. В это время обе станции находились на ночной стороне Земли и возрастание интенсивности КЛ в данных этих станций проявилось весьма слабо, его практически не видно на фоне текущих измерений (см. рис. 1). И, как событие GLE, его с уверенностью можно идентифицировать только с привлечением дополнительной информации из известной, наполняемой в режиме реального времени базы данных нейтронных мониторов с высоким разрешением по времени [Real-Time Database for high-resolution Neutron Monitor measurements - NMDB, http://www.nmdb.eu].

Рис. 1. Наземное возрастание интенсивности КЛ во время события GLE73 по данным регистрации нейтронных мониторов в Тикси и Якутске.

Произошедшая через несколько дней в этой же активной области 2 ноября 2021 г. солнечная вспышка (S27W76) класса М1.7 [https://solarmonitor.org], вызвала первый в 25 солнечном цикле мощный Форбуш-эффект (ФЭ), который начался в конце 3 ноября. Его амплитуда по 1-мин, исправленным на давление данным регистрации нейтронного монитора на станции Тикси достигла величины 18.9%, а в Якутске — 16.1%. (Рис. 2). Сложная структура понижения КЛ обусловлена структурой пришедшего на орбиту Земли межпланетного КВМ, который имел скорость около 1470 км/с [https://cdaw.gsfc.nasa.gov/CME_list].

Отметим, что в настоящее время принято считать, что структура межпланетного КВМ состоит из трех частей: межпланетной ударной волны (МУВ), области турбулентности за ней и последующего магнитного облака (МО) [Howard, 2011]. При этом МУВ является первой частью КВМ и порождается при распространении самого КВМ со сверхальфвеновской скоростью относительно СВ. Вторая часть - область турбулентности является следствием взаимодействия МУВ с фоновыми параметрами СВ и характеризуется высоким уровнем их флуктуаций. Третьей частью развития КВМ является МО. Оно представляет собой движущееся от источника на Солнце облако плазмы, которое, в частности, характеризуется сильным, регулярным и медленном вращающемся магнитным полем, с пониженной концентрацией и температурой плазмы СВ.

Рис. 2. Форбуш-эффект по измерениям нейтронных мониторов в Тикси и Якутске.

В ИКФИА СО РАН с 2009 г. в режиме реального времени с целью прогноза наземных проявлений космической погоды проводится мониторинг интенсивности КЛ. Для этой цели, наряду с другими, мы применяем и метод гармонического анализа, в котором используются 1-час, также исправленные на давление данные регистрации нейтронных мониторов установленных на станциях КЛ в Тикси и Якутске [Grigoryev, 2008; Krymsky, 2003]. В качестве примера на рис. 3 а, б приведены результаты определения параметров 1-й гармоники анизотропии КЛ одновременно на 2-х станциях Тикси и Якутск. В верхней части рис. 3 а, б указаны названия станций и тип детекторов, приведена проекция на плоскость (XY) используемой системы координат GSE, на которой указана длина единичного вектора 1-й гармоники (суточной) анизотропии КЛ. Внизу показана зависимость от времени самого вектора анизотропии КЛ, а ниже соответствующая ему наблюдённая интенсивность КЛ. Заметим, что станции КЛ Тикси и Якутск разнесены на расстояние более 1200 км и имеют свои собственные независимые источники электропитания, таким образом, проводимые на них измерения являются в полном смысле независимыми. Для наглядности прогноза приближения к Земле возмущения СВ на рис 3, а, б проекции векторов анизотропии КЛ окрашены в красный цвет, если одновременно на обеих станциях они превышают величину 0.3 % и направлены от Солнца.

Из механизма суточной вариации КЛ [Крымский, 1964] следует, что при спокойных условиях в СВ амплитуда суточной вариации должна составлять величину в среднем около 0.3-0.4%, а анизотропия должна иметь направление на 18 часов (положительное направление оси Oy в системе координат GSE). Многолетние исследования показывают, что, действительно, в целом наблюдается именно такая картина. Однако, при возмущениях СВ картина кардинально меняется. Наблюдаются значительные отклонения от этих средних: изменяются и величина амплитуды, и направление анизотропии КЛ. В частности, появляется компонента анизотропии КЛ в направлении от Солнца. Физически это означает, что к Земле приближается крупномасштабное возмущение СВ. Оно перекрывает изотропный в целом поток КЛ между Солнцем и Землей, способствуя приходу частиц на детектор преимущественно из антисолнечного направления, что и служит предвестником приближающегося возмущения межпланетной среды и соответствующего изменения космической погоды. Детальный анализ обстановки в СВ показывает, что в рассматриваемом случае это был классический межпланетный КВМ, который и вызвал интенсивную магнитную бурю и понижение КЛ на Земле.

Как видно из рис. 3, а, б указанные выше изменения в параметрах анизотропии КЛ начались еще в начале 2 ноября, а сам форбуш-эффект начался более чем через сутки - около 16.00 UT на следующий день 3 ноября 2021 г. Отметим, что во время самого понижения интенсивности КЛ Земля находилась в возмущенном СВ, за фронтом МУВ, поэтому значения параметров анизотропии существенно искажаются и их не нужно принимать во внимание во время анализа события.

Рис. 3. Результаты прогноза приближения к Земле крупномасштабного возмущения СВ по измерениям нейтронных мониторов в Тикси и Якутске.

ГЕОМАГНИТНЫЕ ВАРИАЦИИ В НОЯБРЕ 2021 Г., ИХ СВЯЗЬ С МЕЖПЛАНЕТНОЙ ОБСТАНОВКОЙ

На рис. 4 показана динамика геомагнитного индекса Dst в ноябре 2021 г. (https://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dst_provisional/index.html). Видно, что наблюдались большие возмущения геомагнитного поля. В соответствии с классификацией [Loewe and Prolss, 1997] их можно отнести к классу сильных магнитных бурь. В главной фазе магнитной бури среднечасовое значение Dst по предварительным данным достигло 105 нТл. С сентября 2017 г, на Земле зарегистрировано лишь три бури такого же уровня: 12 мая 2021 года, 14 мая 2019 года, 26 августа 2018 года.

Рис. 4. Вариации геомагнитного индекса Dst в начале ноября 2021 г.

На рис. 5 приведены изменения среднеширотных геомагнитных индексов ASY-H и SYM-H (SYM-H – аналог Dst, но имеет одноминутное временное разрешение), а также скорости V солнечного ветра и величины B межпланетного магнитного поля [https://spdf.gsfc.nasa.gov/pub/data/omni/]. Магнитная буря, как видно на рис. 6 по данным о геомагнитных индексах, имеет внезапное начало, которое наблюдалось 3 ноября в 19:48 UT. Можно предположить, что буря стала следствием взаимодействия земной магнитосферы с высокоскоростной структурой в солнечном ветре, характеризующейся увеличенным межпланетным магнитным полем. Отметим, что на предшествующую структуру в солнечном ветре с возрастаниями V и B 1 ноября геомагнитные индексы сильно не отреагировали, изменившись на не более, чем на 40 нТл в случае SYM-H и 60 нТл в случае ASY-H.

3-5 ноября 2021 г. во время начальной фазы и в период главной фазы бури в Якутске (исправленные геомагнитные координаты: широта Φ' ≈ 56°N, долгота Λ' ≈ 201°E), Жиганске (Φ' ≈ 61°N, Λ' ≈ 194°E) и о. Котельный (Φ' ≈ 70°N, Λ' ≈ 201°E) наблюдались сильные возмущения магнитного поля Земли. На рис. 5 показаны изменения в эти дни горизонтальной Н и вертикальной Z составляющих магнитного поля на этих станциях, а также среднеширотных геомагнитных индексов ASY-H (в) и SYM-H (г).

Рис. 5. Изменения скорости V солнечного ветра (а), величины B межпланетного магнитного поля (б) и среднеширотных геомагнитных индексов ASY-H (в) и SYM-H (г) в период с 3 по 11 ноября 2021 г., пунктирной горизонтальной линией отмечено нулевое значение индекса SYM-H, отсчет времени здесь и следующих рисунках ведется с 1-го ноября в минутах, вверху указаны дни рассматриваемого периода

Как видно на рис. 6, 3 ноября в 20:41 UT в Жиганске и Котельном произошло резкое понижение Н- составляющей магнитного поля относительно спокойного уровня на 910 нТл в течение 46 минут, этому предшествовал ее небольшой рост в течение около 50 мин. Поле восстановилось до спокойного уровня через 92 мин после максимального отклонения dН, то есть резкая отрицательная бухта продолжалась в течение около 138 мин. В Якутске в это время наблюдались колебательные изменения Н-компоненты поля с размахом до 90-120 нТл и периодом порядка 16-20 мин. Колебательные изменения Н заметны и в Жиганске, но они были относительно меньшей амплитуды на фоне большой отрицательной бухты. Что касается Z составляющей поля, то в Жиганске она уменьшилась почти на 840 нТл, также видны заметные колебания, а в Якутске Z уменьшилась на 180 нТл и ее колебания имели небольшую амплитуду. Отрицательные значения Н- и Z-, а также D- составляющих магнитного поля указывают на то, что севернее Жиганска в ионосфере развилась электроструя западного направления, отклоненная примерно на 34° к северу. Можно предположить, что это возмущение магнитного поля представляет собой изолированную интенсивную суббурю.

Рис. 6. Изменения отклонений горизонтальной dН (а) и вертикальной dZ (б) составляющих магнитного поля на станциях Якутск (yak), Жиганск (zgn) и Котельный (ktn) относительно спокойных уровней, а также среднеширотных геомагнитных индексов ASY-H (в) и SYM-H (г) 3-5 ноября 2021 г., сплошные вертикальные линии на этом рисунке и далее соответствуют времени 00 UT

По предварительным сведениям об авроральных индексах в этот период AU>500 нТл и AL<-1500 нТл [https://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/ae_realtime/]. По данным мировой сети магнитометров SuperMAG [https://supermag.jhuapl.edu/] распределение магнитных векторов, полученных по наблюдательным данным и модельным расчетам, соответствует токовым системам DP11 и DP12 [Яхнин, 2008]. В освещенной Солнцем полусфере Земли индексы SML и SMU, характеризующие интенсивности западной и восточной электроструй (https://supermag.jhuapl.edu/), сравнимы и достигают -900 нТл и 730 нТл соответственно, тогда как в теневой полусфере индекс SML западной электроструи (-1500 нТл) значительно превышает индекс SMU восточной электроструи (520 нТл). Картина изменений Н-составляющих магнитного поля на Котельном, в Жиганске и Якутске, располагавшихся во время развития суббури в утреннем секторе, вполне укладывается в распределение расчетных магнитных векторов мировой сети SuperMAG, как часть токовой системы DP11. На рис. 6, а приведено распределение горизонтальных магнитных векторов, рассчитанных по данным о сферической гармонике AMPERE [https://ampere.jhuapl.edu/] для иллюстрации направления ионосферного эквивалентного тока в период 21:04-21:14 UT. В утреннем секторе на широтах 65° <Φ' <69° можно идентифицировать авроральную западную электрострую. На рис. А, б показано распределение продольных токов по данным AMPERE (https://ampere.jhuapl.edu/). Наглядно видно, что в утреннем секторе продольные токи втекают в ионосферу на широтах примерно ⁓ 68°-72° N и вытекают на широтах примерно ⁓ 64°-66° N. Из этих данных можно полагать, что «центр тяжести» западной электроструи находится на широте ⁓ 67° N.

            Рис. 7. Распределение горизонтальных магнитных векторов, повернутых на 90° по часовой стрелке (а), на ионосферных высотах и продольных токов (б) в период 21:04-21:14 UT 3 ноября 2021 г. (расчеты проекта AMPERE)

По данным о среднеширотных геомагнитных индексах ASY-H и SYM-H, приведенным на рис. 6, в и рис. 6, г, видно, что примерно в 19:48 UT произошел заметный скачок SYM-H на 20 нТл в положительную сторону. Положительные значения SYM-H сохранялись до 21:17 UT, достигая 50 нТл в 20:57-21:00 UT. После этого около 21:34 UT начали резко возрастать индекс ASY-H и понижаться индекс SYM-H. Можно предположить, что в рассматриваемый период в магнитосфере резко усилились токи магнитопаузы, токи хвоста и развилась интенсивная асимметричная компонента кольцевого тока, более, чем в 4 раза, превышающая симметричную компоненту кольцевого тока (167 нТл и -37 нТл соответственно).

4 ноября в первые часы по UT (или с ⁓ 09 до ⁓ 15 LT) на Котельном наблюдается эффект восточной электроструи, расположенной южнее этой станции, об этом свидетельствуют положительная бухта в dН(ktn) и отрицательная бухта в dZ(ktn) (рис. 6). В этот период времени в Жиганске и Якутске магнитные вариации отсутствовали. Спустя около 8-ми часов после описанной выше изолированной интенсивной суббури началось следующее возмущение магнитного поля в Якутске и Жиганске. В Н-составляющей магнитного поля, начиная с 06:50 UT, на обеих станциях видно последовательное развитие положительной (в Якутске dН(yak) ⁓ 100 нТл, в Жиганске dН(zgn) ⁓ 500 нТл) и отрицательной бухт (в Якутске dН(yak) ⁓ -200 нТл, в Жиганске dН(zgn) ⁓ -400 нТл) с наложением на них колебаний с периодом до нескольких десятков минут и амплитудой до 200 нТл. В Z составляющей поля в Якутске заметна смена положительной бухты с dZ(yak) ⁓ 300 нТл на отрицательную бухту с dZ(yak) ⁓ -200 нТл, а в Жиганске, наоборот, отрицательной бухты с dZ(zgn) ⁓ -450 нТл на положительную с dZ(zgn) ⁓ 100 нТл. Также видно наложение на бухты колебаний. На Котельном вариации dН(ktn) подобны вариациям в Жиганске, однако вариации dZ(ktn) противоположны. Возмущение завершилось около 18 UT, ее общая продолжительность составила порядка 11 часов. По-местному времени возмущение происходило в послеполуденные, вечерние и ночные часы, примерно с 16 LT до 03 LT следующего дня.

Авроральные индексы в этот день по предварительным данным [https://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/ae_realtime/] достигали значений AU⁓500 нТл и AL⁓-2000 нТл. В освещенной Солнцем полусфере Земли индексы SML и SMU [https://supermag.jhuapl.edu/] сравнимы и в отдельные моменты времени достигают значений +/-650 нТл, тогда как в теневой полусфере индекс SML западной электроструи (-2800 нТл) значительно превышает индекс SMU восточной электроструи (400 нТл). Картина изменений Н-составляющих магнитного поля на якутских станциях, располагавшихся во время развития суббури в вечернем и ночном секторах, соответствует распределению магнитных векторов мировой сети SuperMAG, как результат наложения токовых систем DP2 и DP1 [Яхнин, 2008]. Восточная электроструя имела место в послеполуденном и вечернем секторах, судя по знакам отклонений dН и dZ, на широте 56°<Φ'<61°. В поздние вечерние и ночные часы Жиганск и Якутск находились под сложной системой токов западного и восточного направлений. На рис. Б, подобно рис. А, приведены распределение горизонтальных магнитных векторов для иллюстрации направления ионосферных эквивалентных токов и распределение продольных токов по данным проекта AMPERE (https://ampere.jhuapl.edu/) в вечернем секторе. Можно полагать, что действительно, в вечернем секторе на отмеченных широтах наблюдаются токи восточного направления (рис. 8, а), продольные токи втекают в ионосферу на широтах Φ' ⁓ 57°-60° и вытекают из ионосферы на широтах Φ' ⁓ 62°-65° (рис. 8, б). Исходя из картины продольных токов можно предположить, что «центр тяжести» восточной электроструи располагается на широте Φ' ⁓ 58°.

Рис. 8. Распределение горизонтальных магнитных векторов, повернутых на 90° по часовой стрелке (а), на ионосферных высотах и продольных токов (б) в вечернем секторе 4 ноября 2021 г. (расчеты проекта AMPERE)

Индексы ASY-H и SYM-H (рис. 6, панели в и г) испытывают изменения, свидетельствующие о дальнейшем развитии начальной фазы магнитной бури, которое началось 4 ноября примерно в 00:45 UT – произошли скачок в ASY-H в положительную сторону с 8 нТл до 119 нТл и отрицательное понижение SYM-H от нуля до -42 нТл в 01:27 UT, далее наблюдались спад ASY-H до значения 40 нТл и возрастание SYM-H до -33 нТл в 02:47 UT. Отмеченные изменения индексов проявились в Н-составляющей поля в Якутске и Жиганске в виде небольших отрицательных бухт с величиной отклонения ⁓ 46 и ⁓ 60 нТл, на Котельном в это время начала развиваться положительная бухта в dН(ktn) и отрицательная бухта в dZ(ktn).

На основании вариаций индекса кольцевого тока SMR, рассчитываемого по данным сети SuperMAG (https://supermag.jhuapl.edu/), можно сказать, что главная фаза бури началась примерно в 05:25 UT и продолжалась до 08:37 UT, то есть ее длительность составила ⁓ 192 мин. Восстановительная фаза бури продолжалась до 11 ноября, сопровождаясь развитием ряда суббурь 5, 6, 8-10 ноября с интенсивностью авроральных индексов AU < 200 нТл и AL >-400÷-700 нТл.

Событие, происходившее 3 ноября, и определенное, как изолированная интенсивная суббуря, вероятно, является элементом начальной фазы описанной здесь бури. Так можно предполагать по данным о Dst-индексе [https://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dst_provisional/index.html] и вариациях параметров солнечного ветра. На рис. 8 и 9 представлены изменения межпланетных параметров в рассмотренные дни.

Рис. 9. Изменения параметров солнечного ветра 3-5 ноября 2021 г.: скорости V (а), плотности протонов N (б), динамического давления P (в), параметра β – отношения теплового давления к магнитному (г)

Буря произошла на фоне установившегося положительного сектора межпланетного магнитного поля (ММП). Изменения в солнечном ветре и ММП длились с 19:00 UT 3 ноября до 10 ноября. Вначале изменения произошли в параметре солнечной плазмы β, характеризующем отношение теплового давления к магнитному, – видно его резкое увеличение со значения 1 до 5.9 в течение 15 минут (рис. 6). По данным авторов работы [Куражковская и др., 2021] β является одним из важных факторов, влияющих на интенсивность бури, – чем меньше величина β на главной фазе бури, тем больше интенсивность возникающей бури. Такая закономерность проявилась в рассматриваемой буре – максимальное понижение индекса SMR составило ⁓ -130 нТл. В это же время наблюдались небольшие изменения в скорости V и плотности протонов N солнечного ветра, что проявилось в небольшом увеличении динамического давления P солнечного ветра с 0.4 до 0.72 нПа (рис. 6, в). В параметрах ММП заметны небольшое уменьшение величины В с 2.6 до 1.5 нТл при нулевой северо-южной компоненте ММП и понижения азимутальной компоненты Ву с 2 до 1.4 нТл и радиальной Вх с -1 до 0 нТл (рис. 7).

Рис. 10. Изменения величины В межпланетного магнитного поля (а), его радиальной Вх- и азимутальной Ву-компонент (б), северо-южной компоненты Bz (в) и азимутального электрического поля солнечного ветра Еу (г) 3-5 ноября 2021 г.

Резкий рост динамического давления P до ⁓ 7 нПа произошел спустя ⁓ 5 мин после начала сильных изменений в параметре β, одновременно возросли скорость солнечного ветра до ⁓ 700 км/с и его плотность до ⁓ 7 част/см³, а также величина ММП до ⁓ 12 нТл и Ву- и Вх-компонеты ММП. Северо-южная Bz-компонента повернула на юг через 19 мин после резкого роста P. Тогда же произошел резкий рост азимутального электрического поля солнечного ветра Ey = –VBz, от нуля в положительную сторону вплоть до ⁓ 10 мВ/м и выше.

В период возмущений межпланетных параметров наблюдалось нарушение секторной структуры ММП в течение около 15 ч. За это время скорость V увеличилась с ⁓ 500 км/с до ⁓ 700 км/с, достигнув во время возмущений ⁓ 800 км/с и выше, после возмущений значение скорости ⁓ 650 км/с держалось практически неизменным более 12 ч. Величина ММП до возмущений была постоянной и равнялась 3 нТл, затем резко возросла до 12 нТл и во время возмущений достигала значения ⁓ 25 нТл, а после возмущений продолжительное время держалась на уровне ⁓ 14 нТл более 12 ч.

Магнитосфера на резкие возрастания плотности протонов N, динамического давления P и параметра β, имевших место 5 ноября не отреагировала сильно, что проявилось в слабых изменениях индексов ASY-H и SYM-H, горизонтальной Н и вертикальной Z составляющих магнитного поля в Якутске и Жиганске (рис. 6), а также авроральных индексов. Такая реакция магнитосферы, возможно, объясняется ориентацией ММП в это время в северном направлении. Это явление требует отдельного рассмотрения.

ВАРИАЦИИ ЕСТЕСТВЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ В ЯКУТСКЕ И ИХ СВЯЗЬ С ВОЗМУЩЕНИЯМИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Представляет интерес провести сравнительный анализ параметров составляющих магнитного поля и электрических потенциалов во время магнитной бури. Рассмотрим более подробно поведение естественных потенциалов в период 3-4 ноября 2021 г. Вариации 1-час значений Dst-индекса геомагнитной активности во время этой бури приведены на рис. 4. Вариации геомагнитных колебаний в X- и Y-компонентах, измеренны на геофизическом приборе ADU-07, установленным на радиотехническом полигоне Ойбенкель и вариации естественных потенциалов Е, измерены с раздвижением 100 м на том же приборе.

Связь между вариациями естественных потенциалов Е(В-З) и вызвавшими их вариациями магнитной составляющей Bx может быть выражена выражением Е(ВЗ) = 0.05Вх – 16. Е измеряется в мВ, а B в относительных единицах приборе ADU-07. При этом надо учесть, что смещение в выражении, получаемое при Bx=0, во время бури меняется от -12 до -22 из-за наличия медленных компонент вариаций, на которые накладываются вариации, вызванные пульсациями. Соответственно для E(СЮ) и By получаем соотношение E(СЮ) = 0.06By – 10 при изменении величины смещения в выражении от -6 до -18.

Сравним измеренные вариации естественных потенциалов во время магнитных бурь в моменты максимальной протайки сезонно-талого слоя, 7-8.09.2017, и во время бури 03 ноября 2021 г, когда верхний слой уже месяц, как начал промерзать сверху, но весь талый слой еще не промерз. Во время двухступенчатой очень сильной бури уровня G4 7-8.09.2017 наблюдались высокоширотные геомагнитные вариации, сопровождаемые возбуждением всплесков (волновых пакетов) Рс5 геомагнитных пульсаций. Dst во время первой ступени достигало величины -142 нТ, а во время второй ступени -124 нТ. Коэффициент корреляции между разностью естественных потенциалов Е(СЮ), Е(ВЗ) и соответствующими магнитными составляющими X и Y во время пульсаций, длящихся 8.33 часа составляет ρ(Е(СЮ), By) = 0.77±0.1 (p<0.005) и ρ(Е(ВЗ), Bx) = 0.65±0.1 (p<0.005).  Диапазон изменения ρ=0.5÷0.9. Зависимость величины разности потенциалов Е(СЮ) (мВ/100м) от величины магнитного поля (отн. ед. ADU-07e) во время пульсаций первого всплеска (интервал 5600-5700 сек с начала суток 08.09.2017) можно выразить как Е(СЮ) = 0.0002By – 22. Зависимость величины разности потенциалов Е(СЮ) (мВ/100м) от величины магнитного поля (отн. ед. ADU-07e) во время пульсаций второго всплеска (интервал 40000-70000 сек, с начала суток 08.09.2017) можно выразить как Е(СЮ) = 0.0002By – 24. Во время полного промерзания верхнего слоя, оттаивающего летом (буря 26.01.2021) также наблюдались высокоширотные геомагнитные вариации, сопровождаемые возбуждением всплесков (волновых пакетов) Рс5 геомагнитных пульсаций. Это была слабая буря уровня G1. Dst во время бури достигало величины -39 нТ. Коэффициент корреляции между разностью естественных потенциалов Е(СЮ), Е(ВЗ) и соответствующими магнитными составляющими Bx и By во время пульсаций составляет ρ(Е(СЮ), By) = 0.61±0.1 (p<0.005) и ρ(Е(ВЗ), Bx) = 0.62±0.1 (p<0.005). Зависимость величины разности потенциалов Е(СЮ) (мВ/100м) от величины магнитного поля (отн. ед. ADU-07e) во время пульсаций 16.50 – 17 UT можно выразить как Е(СЮ) = 0.0013By– 27, а 17.20-17.40 UT можно выразить как Е(СЮ) = 0.0016By – 28.

То есть при полном промерзании грунта наблюдается более крутая зависимость, чем при максимальной протайке верхней части грунта. Коэффициент наклона в 8 раз больше. Коэффициенты зависимости, наблюдаемой в начале ноября 2021 г ближе к зимним значениям. Изменение коэффициентов зависимости связано с изменением проводимости грунта.

Эффекты геомагнитной бури в вариациях амплитуды ОНЧ-излучения

Проведенные наблюдения в ноябре 2021 года на радиофизическом полигоне «Ойбенкель» ИКФИА СО РАН за вариациями амплитуды ОНЧ-излучения позволило выявить большое многообразие непрерывных и дискретных типов естественных радиошумов в диапазоне от 1.0 до 7.0 кГц.

В работе использованы данные измерения с временным разрешением 1 с ОНЧ-шумов на 11 фиксированных частотах с 0.4 до 8.7 кГц, принимаемые ориентированной в направлении «восток-запад» магнитной рамкой, а также данные измерения ОНЧ-излучения в диапазоне до 20 кГц, принимаемых вертикальным электрическим несимметричным диполем. Магнитные и электрические компоненты ОНЧ-излучения зарегистрированы на радиофизическом полигоне «Ойбенкель» ИКФИА СО РАН, который находится на удалении 25 км от промышленных помех г. Якутска, и более 5 км от ближайшей ЛЭП.

Рис. 11. Вариации амплитуды ОНЧ-шумов, принимаемые ориентированной в направлении «восток-запад» магнитной рамкой 3 и 4 ноября 2021 года: а) черный цвет – 8.7 кГц, красный – 6.7 кГц; б) синий – 5.6 кГц, черный – 4.0 кГц, красный – 3.1 кГц; в) красный – 2.2 кГц; г) черный – 1.6 кГц, красный – 1.1 кГц; д) синий – 0.8 кГц, черный – 0.6 кГц, красный – 0,4 кГц

На рис. 11 представлен динамический спектр ОНЧ-излучения до 20 кГц, принимаемого вертикальным электрическим несимметричным диполем (верхняя панель) и вариации ОНЧ-шумов, принимаемые ориентированной в направлении «восток-запад» магнитной рамкой 3 и 4 ноября 2021 года, когда произошла магнитная буря. Во время этой бури Dst достигла -105 нТ, а индекс Kp >7.

На земной поверхности всплески хоров и широкополосных шипений, как правило, наблюдаются во время развития магнитосферных суббурь, ОНЧ шумовые бури ‒ во время магнитных бурь, а квазипериодические ОНЧ-излучения ‒ в спокойных геомагнитных условиях [Маннинен и др., 2020]. Для рассматриваемой магнитной бури 3-4 ноября 2021 года наблюдается как всплески хоров, так и различные квазипериодические излучения, широкополосные и квазипериодические шипения, различные стимулированные дискретные и узкополосные сигналы. При рассмотрении вариаций ОНЧ излучения за этот период была выявлена следующая хронология событий с проявлением различных типов непрерывных и дискретных излучений:

1. Возмущения в ОНЧ-излучении начались со всплеска широкополосного шипения в 20:55:55 UT. В первое время наблюдались шипения на частотах 3.4-5.3 кГц, затем частотный диапазон увеличился до 3.0-5.7 кГц. С постепенным увеличением интенсивность шипений менялась верхняя граница диапазона до 9 кГц в 21:20 UT. Затем в 21:40 UT шипения имели максимальную интенсивность в диапазоне 1.0-13.5 кГц. В 22:00 UT шипения начали ослабевать, диапазон стал 2.0-6.0 кГц и в конце часа шипения резко прекратились. Приведенные выше непрерывные шипения в различных частотных диапазонах за временной период приблизительно с 21 UT до 23 UT проявлялись в ОНЧ-излучении, когда Bz-компонента ММП начала менять направления с юга на север (с минимальных отрицательных до максимальных положительных значений).

2. Приблизительно с 22:30UT 3 ноября до 02:00 4 ноября 2021 г. в ОНЧ-излучении были зарегистрированы хоры (дискретные элементы длительностью 0.1-0.3 сек с повышающейся частотой) Частотный диапазон хоров менялся с 1,5-8.0 кГц до 3.0-5.0 кГц. При этом наблюдались квазипериодические структуры длительностью 2-3 сек с хоровыми элементами, которые продолжались с 23:00 UT 3 ноября до 01:20 UT 4 ноября 2021 года. В этот же отрезок времени были зарегистрированы свистящие атмосферики (вистлеры), которые стимулировали короткие дискретные сигналы сигналы (рис. 12). Также наблюдались отдельные похожие дискретные сигналы, которые не были стимулированы вистлерами.

3. За период с 01-03 UT 4 ноября 2021 года были зарегистрированы различные типы ОНЧ-излучения. Во-первых, шипения в диапазоне 0.7 – 4.5 кГц с максимумом интенсивности в двух полосах на частотах 1.3 – 3.2 кГц и 3.5-5.0 кГц (рис.3). В это время Bz-компонента ММП, также как для периода с 21UT до 23UT 3 ноября 2021 г., изменяла свои значения с минимума отрицательных до положительных. Кроме того, наблюдались узкополосные шипения на частотах: 2.3-2.8 кГц, 2.6 кГц, 2.5-3.0 кГц, 2.0-5.0 кГц, которые сопровождались стимулированием дискретных триггерных сигналов и хоров (встроенная панель на рис. 13). В это же время наблюдались стимулированные вистлерами квазипериодические шипения с периодом элементов от 2 до 3 сек на частотах 3.5-4.5 кГц и 3.2-5.0 кГц на фоне непрерывного шипения (рис. 14). Продолжительность проявления этих квазипериодических шипение достигало почти 2 минуты. В тоже наблюдаются хоры на частотах 2.3-5.0 кГц, 2.0-4.5 кГц и 1.5-5.0 кГц. Начиная с 02:15 по 02:50 UT были зарегистрированы квазипериодические шипения (QP) с возрастанием частот в диапазоне 1.6-4.3 кГц с периодами от 80 до 100 секунд (рис. 14). В это время Bz-компонента ММП имела положительные значения. Следует также отметить что в 03:40-04:00 UT было зарегистрировано шипение на частотах 1.3-2.7 кГц, и наблюдались хоры.

4. Во всем рассматриваемом временном интервале наблюдалось слабое плазмосферное шипение на частотах 0.6–3.0 кГц с периодическим небольшим увеличением и уменьшением интенсивности с максимумом интенсивности за в 04-09 UT 4 ноября 2021 года, когда не были зарегистрированы другие типы ОНЧ-излучения.

5. Начиная с начала 10:10 до 11:40 UT 4 ноября 2021 года было зарегистрировано широкополосное шипение на различных частотах в диапазоне 2.2-5.0 кГц с максимумом интенсивности в 10:50 UT в диапазоне 2.2-4.8 кГц. В этот период Bz-компонента ММП имела положительный знак, причем расширение частотного диапазона и последующее сужение диапазона связано с увеличением от отрицательных значений Bz-компоненты ММП к положительным, и последующим уменьшением до отрицательных значений. Также были зарегистрированы широкополосные шипения в диапазоне 3.0–5.2 кГц начиная с 11:50 до 12:50 UT. В этот период Bz-компонента ММП меняла свои значения от отрицательных до положительных значений. Эти шипения сопровождались стимулированными вистлерами квазипериодические излучения на частотах 3.0-5.0 кГц (рис. 15). В 12 UT 4 ноября были зарегистрированы интенсивные непрерывные хоры на частотах 1.0-1.5 кГц, 1.7-2.7 кГц, 3.2-4.4 кГц, 1.4-4.4 кГц, 0.9-3.5 кГц Кроме того, наблюдались узкополосные шипения с периодом 3 секунды на 4.4 кГц, а также квазипериодические структуры длительностью 2-3 сек с хоровыми элементами на частотах 1.9-2.9 кГц и 0.8-1.4 кГц, которые продолжались с 12:10 по 13:10 UT.

6. Начиная с 13:10 UT возмущения в ОНЧ-излучении ослабли. Наиболее заметными событиями в этот час были хоры и узкополосные шипения на 5.5 кГц, которые были стимулированы вистлерами с 13:50 по 14:10 UT (рис.8). В период 15:20-16:00 UT наблюдались интенсивные узкополосные шипения с периодом 2-4 сек на частотах c 1.0 кГц по 4.0 кГц, которые сопровождались хоровыми элементами. После 16:00 UT интенсивность ОНЧ-излучения восстановилась до уровня, соответствующего уровню, наблюдаемого перед началом магнитной бури.

Рис.12. Динамические спектры в диапазоне до 20.0 кГц в 23 UT 3 ноября 2021 года: cвистящие атмосферики, стимулирующие триггерное излуение

Рис. 13. Динамический спектр ОНЧ-излучения в диапазоне до 20.0 кГц в 01 UT 4 ноября 2021 г. На встроенной панели представлен узкополосное шипение на частотах 2.5-3.5 кГц, стимулирующее триггерные сигналы и хоры

Рис. 14. Квазипериодические шипения (QP) на частотах 1.5 -5.0 кГц в 02 UT 4 ноября 2021 года. На шкале времени отмечены минуты от начала часа

Рис.15. Стимулированные вистлерами квазипериодическое излучения на фоне шипения на частотах 3.0-5.0 кГц в 11 UT 4 ноября 2021 года

Таким образом, можно выделить ряд основных событий, наблюдаемых непрерывных и квазипериодических широкополосных шипений, связанных с изменением направления Bz-компонента ММП:

- Широкополосные шипения с изменением нижней и верхней частоты и интенсивности ОНЧ-излучения, которые соответствуют изменениям значениям и направлениям Bz-компоненты ММП по отношению к магнитному полю Земли с южной на северную (с отрицательных значений к положительным). Такие широкополосные шипения были зарегистрированы: в диапазоне 1.0-13.5 кГц 21-23UT 3 ноября, в диапазоне 0.7-4.5 кГц 01-03 UT 4 ноября и в диапазоне 3.0 – 5.2 кГц 12-13UT 4 ноября.

- Широкополосное шипение в диапазоне 2.2-5.0 кГц за период 10:10-11:40 UT 4 ноября. В этот период Bz-компонента ММП имела положительный знак, причем расширение частотного диапазона и последующее сужение диапазона связано с увеличением Bz-компоненты от отрицательных значений к положительным, и последующим уменьшением до отрицательных значений.

- Квазипериодические шипения (QP) 02:15-02:50 UT 4 ноября 2021 г.  с возрастанием частот в диапазоне 1.6-4.3 кГц с периодами от 80 до 100 секунд.  В этот период Bz-компонента ММП имела положительный знак.

ЭФФЕКТЫ СОЛНЕЧНЫХ ВСПЫШЕК В ВАРИАЦИЯХ АМПЛИТУДЫ

И ФАЗЫ СИГНАЛОВ ОНЧ-РАДИОСТАНЦИЙ

В г. Якутске (62.02° N, 129.70° E) и на территории полярной геокосмофизической обсерватории Тикси (ПГО Тикси, 71.6° N, 128.9° E) проводится регистрация радиосигналов диапазонов очень низких – низких частот (ОНЧ: 3-30 кГц, НЧ: 30-300 кГц).

Повышение потока рентгеновского излучения во время солнечных вспышек приводит к резкому повышению концентрации электронов в ионосфере. Такие резкие изменения вызывают внезапные фазовые (ВФА) и амплитудные (ВАА) аномалии при распространении электромагнитных сигналов ОНЧ и НЧ. Уменьшение фазовой задержки ОНЧ радиосигнала при ВФА можно трактовать как уменьшение эффективной высоты волновода Земля – нижняя ионосфера, а понижение затухания радиоволн (повышение амплитуды регистрируемого сигнала) при ВАА при распространении в волноводе – как понижение высотного градиента концентрации электронов нижней ионосферы [Kumar, 2018].

В суточных вариациях амплитуды и фазы радиосигналов NAA, NWC, Хабаровск (РСДН-20, 11.904 кГц) при регистрации в Якутске и Тикси в следствие рентгеновской вспышки класса М1.7 от 2 ноября 2021 г. максимум интенсивности потока рентгена регистрировался в 3:01 UT. Максимумы повышения амплитуды во время ВАА составили 1.69 дБ (3:09 UT) и 2.59 дБ (3:09 UT) на радиотрассах NAA – Тикси и NAA – Якутск соответственно. На радиотрассе NWC – Якутск максимум повышения амплитуды во время ВАА составил 1.53 дБ (3:09 UT), понижение фазовой задержки радиосигнала во время ВФА составило 90º (3:09 UT). На радиотрассе Хабаровск – Якутск максимум повышения амплитуды при ВАА составляет 1.18 дБ (3:04 UT), а понижение фазовой задержки радиосигнала во время ВФА составляет 16º (3:09 UT). На радиотрассе Хабаровск – Тикси максимум повышения амплитуды при ВАА составляет 2 дБ (3:04 UT), а понижение фазовой задержки радиосигнала при ВФА составляет 21º (3:09 UT).

Каталог солнечных рентгеновских вспышек класса С2.9 и выше за период с 26 октября по 9 ноября 2021 года и внезапные амплитудные аномалии радиосигналов передатчиков РСДН-20 (11.904 кГц), NWC (19.8 кГц) и NAA (24 кГц), зарегистрированные в Якутске и Тикси представлены в табл. 1. Каталог солнечных вспышек класса С2.9 и выше за период с 26 октября по 9 ноября 2021 года и внезапные фазовые аномалии радиосигналов передатчиков РСДН-20 (11,904 кГц) и NWC (19,8 кГц), зарегистрированные в Якутске и Тикси представлены в табл. 2. Зарегистрированные значения ВФА приведены к единице протяженности радиотрасс (градус/Мм). После 2 ноября солнечные рентгеновские вспышки происходили в ночное время для радиотрасс, рассматриваемых в данной работе.

Таблица 1. Солнечные рентгеновские вспышки 26.10–09.11.2021 и внезапные амплитудные аномалии радиосигналов передатчиков РСДН-20 (11.904 кГц), NWC и NAA

Таблица 2. Солнечные рентгеновские вспышки 26.10–09.11.2021 и внезапные фазовые аномалии радиосигналов передатчиков РСДН-20 (11.904 кГц) и NWC

Следует отметить, что 26 октября с 20:47 UT передатчики РСДН-20 были отключены до 08:03 UT 29 октября 2021 г. 1 ноября передатчик NWC был выключен с 0:00 до 6:40 UT.

Представим максимальное изменение амплитуды во время ВАА от максимального потока рентгеновского излучения P в диапазоне [1 – 8 Å] и усредненного вдоль всей радиотрассы косинуса зенитного угла Солнца X. Значения зенитного угла Солнца вдоль трасс распространения по координатам с разрешением 200 км рассчитаны по алгоритму [http://stjarnhimlen.se/comp/tutorial.html]. На радиотрассе Новосибирск – Якутск с ростом потока рентгеновского излучения солнечных вспышек регистрируется повышение амплитуды относительно фоновых (невозмущенных) значений. На радиотрассах Хабаровск – Якутск и NWC – Якутск регистрируется насыщение при достижении потока 6 10^-6 Вт/м². При дальнейшем увеличении потока ионизирующего излучения, повышение амплитуды сигнала уменьшается. Схожие изменения ВАА представлены в других работах [Todoroki et al., 2007]. Для описания зависимости ВФА от потока рентгеновского излучения и зенитного угла Солнца воспользуемся эмпирическим выражением [Орлов, 1998]:

Ф = A + B∙Lg(P∙Cos(X)),                                                      (1)

где Ф – изменение фазы сигнала относительно невозмущенного значения, приведенное к единице протяженности радиотрассы, P – максимальная во время вспышки интенсивность потока рентгеновского излучения Солнца в диапазоне [1 – 8 Å], а Cos(X) – усредненный вдоль всей радиотрассы косинус зенитного угла Солнца.

По данным о ВФА (табл. 2) на основе алгоритма [http://stjarnhimlen.se/comp/tutorial.html] на каждой из радиотрасс с разрешением 200 км по географическим координатам был определен зенитный угол Солнца X. Условия распространения радиосигнала нами принимались за ночные, когда усредненный вдоль всей радиотрассы косинус X принимал значение меньше нуля. В табл. 3 для радиотрасс Хабаровск – Якутск, Новосибирск – Якутск и NWC – Якутск представлены параметры модели (1). Параметры модели (1) были оценены методом наименьших квадратов.

Таблица 3. Параметры зависимости ВФА от логарифма произведения потока рентгеновского излучения [1 – 8 Å] на косинус зенитного угла Солнца, усредненного вдоль трассы распространения

Данные ВФА, зарегистрированные на радиотрассах Хабаровск (РСДН-20) – Якутск и NWC – Якутск в период с 26.10 по 09.11.2021 хорошо описываются линейной зависимостью от логарифма произведения потока рентгеновского излучения [1 – 8 Å] на косинус зенитного угла Солнца, усредненного вдоль трассы распространения. Оценки модели (1) не противоречат полученным нами ранее для большего объема выборки [Стародубцев и др., 2019].

Для определения изменения эффективной высоты волновода Земля – ионосфера по регистрируемой фазовой задержки ОНЧ радиосигнала при ВФА в условиях одномодового распространения воспользуемся выражением [Митра, 1977]:

Δϕ=360⋅dλ⋅12⋅R+λ216⋅hn3⋅Δh,                                     (2)

где Δφ – изменение фазы ОНЧ радиосигнала при ВФА (градусы), R – радиус Земли (км), λ – длина волны (км), d – протяженность радиотрассы (км), h_n – средняя высота ионосферы (70 – 74 км).

В наших расчетах значение h_n было принято за 72 км. Радиус Земли определили на каждой радиотрассе путем усреднения значений, найденных по широтам соответствующим участкам трассы с разрешением 200 км, используя модель референц-эллипсоида WGS 84 [https://planetcalc.ru/7721/?thanks=1]. Изменения эффективной высоты волновода Земля – ионосфера, оцененные по изменениям фазы радиосигналов передатчиков РСДН-20 (11.904 кГц) и NWC (19.8 кГц), зарегистрированные в Якутске и Тикси за период ВФА с 26 октября по 2 ноября 2021 года представлены в табл. 4.

На рис. 16 представлены изменения эффективной высоты волновода Земля – ионосфера на радиотрассах NWC – Якутск и Хабаровск – Якутск в зависимости от потока рентгеновского излучения Солнца P Cos(X).

Таблица 4. Изменения эффективной высоты волновода Земля – ионосфера, оцененные по изменениям фазы радиосигналов РСДН-20 (11.904 кГц) и NWC (19.8 кГц), зарегистрированные в Якутске и Тикси за период ВФА 26.10 – 2.11.2021.

Рис. 16. Изменения эффективной высоты волновода Земля – ионосфера на радиотрассах NWC – Якутск и Хабаровск – Якутск в зависимости от потока рентгеновского излучения Солнца

Большее изменение высоты волновода (≈ 1 км) наблюдается на среднеширотной радиотрассе Хабаровск – Якутск относительно трассы NWC – Якутск, половина которой расположена в низких широтах и пересекает геомагнитный экватор, что может быть связано c проявлением экваториальной аномалии ионосферы.

На основе анализа амплитудно-фазовых вариаций, зарегистрированных во время внезапных ионосферных возмущений в период 26 октября – 09 ноября показано, что распространение ОНЧ радиосигнала на частоте 11.904 кГц вдоль меридиана в дневных условиях на трассе протяженностью 1400 км можно считать одномодовым. В сети протяженных радиотрасс, оказавшихся в ночных условиях, данный факт может оказаться полезным для повышения объема выборки регистрируемых ВАА и ВФА. Проведена адаптация параметров модели ВФА, удовлетворительно описываемой линейной функцией логарифма произведения потока рентгеновского излучения и усредненного вдоль радиотрассы косинуса зенитного угла Солнца. Это может быть использовано для оценки потока рентгеновского излучения при солнечных вспышках наземным методом. По регистрируемым ВФА проведена оценка изменения эффективной высоты волновода Земля – ионосфера.

СОСТОЯНИЕ ИОНОСФЕРЫ В ПЕРИОД ФОРБУШ-ЭФФЕКТА ПО ДАННЫМ СТ. ЖИГАНСК

На рис. 17 приведены вариации трехчасового планетарного индекса геомагнитной активности Кр за период 26 октября - 13 ноября 2021 г., до и после Форбуш-эффекета. Рассматриваемый период был, в основном, спокойным и средне-возмущенным, кроме интервала времени 3-4 ноября, когда значения индекса Кр достигали величин больше 6, с максимумом 8- (отмечены красным цветом).

Рис. 17. Геомагнитная обстановка по трехчасовому планетарному индексу Кр за 26 октября – 13 ноября 2021 г. Зеленый прямоугольник – период Форбуш-эффекта.

Рис. 18. Часовые вариации критических частот F2-слоя по ионосферной станции Жиганск за 1 - 9 ноября 2021 г.

Дигизонд или цифровая ионосферная станция DPS-4 расположена на ст. Жиганск (Φ' ≈ 61°N, Λ' ≈ 194°E) и зондирует ионосферу в диапазоне частот от 1 до 12 МГц в патрульном режиме через каждые 15 мин. На рис.18 приведены часовые значения критических частот ионосферного слоя F2 (foF2) за интервал времени 1 – 9 ноября 2021 г. Форбуш-эффект или понижение интенсивности галактических космических лучей регистрировался в основном 3-5 ноября 2021 г. – отмечен зеленым прямоугольником (см. также рис.2).

Видно, что после начала Форбуш-эффекта, а именно во время фазы роста отрицательных значений, в ионосфере наблюдалось полное поглощение и экранирование радиоволн коротковолнового диапазона (условия В и А – отмечены серым прямоугольником) в течение примерно 12 часов. Напомним, что литера В означает, что на измерение влияет или делает его невозможным полное поглощение радиоволн, а литера А означает, что на измерение влияет или делает его невозможным наличие нижележащего слоя (экранирование) [Руководство URSI…, 1977]. Также отметим, что во время фазы восстановления Форбуш-эффекта вышеупомянутые ионосферные условия не наблюдались.

 Рис. 19. 15-мин вариации критических частот F2-слоя по ионосферной станции Жиганск за 4 - 7 ноября 2021 г.

На рис. 19 показано то же, что и на рис. 18, но вариации критической частоты (светлые кружочки) приведены за 4 дня за каждый сеанс зондирования, который происходил через каждые 15 мин. Четко видно, что падение критической частоты слоя F2 с 8 до 4 МГц началось примерно в 07.00 UT 4 ноября (16.00 LT). Резкое падение частоты наблюдалось в течении 30 минут. Такое падение частоты однозначно говорит о смещении границы замкнутых силовых линий в сторону экватора или же развитии магнитосферно-ионосферной возмущенности. Это событие произошло перед началом условий поглощения и экранирования F2-слоя ионосферы, который длился около 14 часов. Таким образом, запаздывание ионосферных возмущений на широте ст. Жиганск (условий В и А) от начала Форбуш-эффекта составило около 7 часов.

Рис. 20. Вариации риометрического поглощения 3 – 5 ноября 2021 г.

На рис.20 приведены вариации риометрического поглощения 3 – 5 ноября 2021 г. на ст. Маймага. Здесь зеленым отрезком отмечен Форбуш-эффект, а синим – ионосферные возмущения или условия В и А над ст. Жиганск. Видно, что начало Форбуш-эффекта в вариациях риометрического поглощения отметилось в конце 3 ноября кратковременным ростом интенсивности до 0.75 дБ, что наталкивает на мысль о приходе на магнитопаузу Земли ударной волны от вспышки на Солнце. Затем примерно до 8 часов 4 ноября в вариациях риометрического поглощения имеются пропуски данных. Максимумы поглощения (до 2.5 дБ) наблюдаются во время ионосферного возмущения.

По данным ионосферной станции Жиганск выявлено, что во время первой половины Форбуш-эффекта наблюдалось ионосферное возмущение, которое проявилось в полном поглощении и экранировании радиоволн коротковолнового диапазона.

После активной фазы Форбуш-эффекта на ионосферной станции Жиганск наблюдались уменьшенные на 1.5 - 2.0 МГц значения критических частот F2-слоя ионосферы, вследствие магнитосферно-ионосферной бури, вызванной Форбуш-эффектом.

Риометрическое поглощение показывает, что максимумы поглощения наблюдаются во время фазы понижения Форбуш-эффекта.

ОПТИЧЕСКИЕ НАБЛЮДЕНИЯ

Меридиональная сеть оптических станций состоит из трех наблюдательных точек. Три идентичных спектрографа установлены на разнесенных по широте оптических станциях: Тикси (71.6°N, 128.7°E), Маймага (63°N, 129.5°Е, возле Якутска) и Нерюнгри (56,7°N, 124,7°E).

Постоянная регистрация полос гидроксила ОН(3,1) с 2014 года проводится на оптическом полигоне Маймага ИКФИА СО РАН, которая расположена в 120 км к северу от г. Якутска. Инфракрасный спектрограф регистрирует полосы гидроксила ОН(3,1) в далекой инфракрасной области (около 1,5 мкм). Он состоит из монохроматора Shamrock, оснащенного высокочувствительным инфракрасным фотодиодным детектором производства фирмы ANDOR. Рабочий диапазон длин волн 1490 – 1544 нм. Охлаждение -60°С. Угол зрения примерно 3 градуса. Разрешение спектрографа при ширине входной щели 0.2 мм равно 0.8 нм. Спектры молекулы гидроксила OH(3,1), излучающиеся на высоте около 87 км, регистрируются в автоматическом режиме при угле погружения Солнца больше 9 градуса каждую минуту и передаются ежесуточно через интернет на сервер Института.

С сентября 2015 года аналогичный инфракрасный спектрограф был установлен на станции ПГО Тикси, а с октября 2017 года на наблюдательном пункте в г. Нерюнгри. Таким образом, на всех трех станциях установлены идентичные светочувствительные инфракрасные спектрографы, регистрирующие полосу гидроксила в далекой инфракрасной области. Согласно многим последним работам полоса ОН (3,1) достаточно хорошо термализируется и соответствует температуре окружающей нейтральной атмосферы на высоте ее излучения. Выбор полосы излучения гидроксила в инфракрасной области обусловлен тремя обстоятельствами. Во-первых, наибольшей интенсивностью эмиссий гидроксила в этой области спектра, во-вторых, меньшим вкладом паразитного света от звезд и Луны, в-третьих, отсутствием эмиссий полярных сияний.

Измерения инфракрасного спектрографа проводились в ночное время суток в безоблачную и малооблачную погоду. Регистрировались эмиссии гидроксила OH(3,1) c экспозицией 60 секунд.  Метод оценки вращательной температуры молекулярных эмиссий основан на подгонке модельных спектров, построенных с учетом аппаратной функции прибора для различных, заранее заданных температур, к реально измеренному спектру методом наименьших квадратов.

Во время GLE и Форбуш понижений космических лучей значимых вариаций значений температуры нейтральной атмосферы, выходящих за уровень шумов не обнаружено. Данные наблюдений значений температуры нейтральной атмосферы на высоте около 87 км с 11.10.2021 по 20.11.2021 для станций Нерюнгри, Маймага и Тикси представлены на рис. 21.

Рис. 21. Вращательные температуры эмиссии гидроксила OH (3,1) на трех разных станциях.

НАБЛЮДЕНИЯ СИЯНИЙ И СУБАВРОРАЛЬНОГО СВЕЧЕНИЯ НА МЕРИДИАНЕ ЯКУТСКА ВО ВРЕМЯ МАГНИТНОЙ БУРИ 04 НОЯБРЯ 2021 Г.

Главная фаза магнитной бури началась в ~2135 UT 03 ноября 2021 г. в следствие прихода потока плазмы от солнечной вспышки. Оптические наблюдения на станциях Маймага (GMLat 58º, GMLon 202º) и Тикси (GMLat 67º, GMLon 199º) проводились по астрономической программе до 21:20 UT 03 ноября. Наблюдения были автоматически продолжены 04 ноября с 08:50 и 09:15 UT на станциях Маймага и Тикси, соответственно. В начале наблюдений на станции Маймага небо было закрыто переменной облачностью и только с ~09:15 до ~11:00 UT прозрачность атмосферы была удовлетворительной и хорошей для регистрации сияний и субаврорального свечения по всему небу. На станции Тикси по атмосферным условиям регистрация динамики сияний была возможна до ~11:00 UT.

Рис. 22 Динамика сияний и субаврорального свечения на меридиане Якутска во время магнитной бури 03-04 ноября 2021 г. а-кеограмма ст. Тикси в проекции на поверхность Земли для высоты сияний в видимой области спектра 110 км. б, в- кеограммы в эмиссиях 557.7 и 630.0 нм [OI] ст Маймага для высоты свечения 110 и 250 км, соответственно. Z- зенит станции наблюдений. Цветные шкалы интенсивности эмиссий приведены в относительных единицах для ст. Тикси и в килорелеях для ст. Маймага.

Наблюдения сияний на станции Тикси проводились камерой всего неба «Keo Horizon» в видимой области спектра. На станции Маймага субавроральное свечение и сияния регистрировались камерой всего неба «Keo Sentry» в отдельных эмиссиях [Иевенко и Парников, 2022]. На рис. 22 приведены данные камер всего неба на двух станциях в виде кеограмм в интервале 0900-1130 UT 04 ноября 2021 г. Кеограмма станции Тикси (а) показывает динамику дискретных сияний вдоль меридиана в интервале геомагнитных широт 63-71º. Кеограммы станции Маймага (б, в) отображают динамику сияний и субаврорального свечения в эмиссиях 557.7 и 630.0 нм [OI] на широтах 52-62º.

В ~09:12 UT началась фаза развития суббури по среднеширотным магнитограммам (не приведены) при значении индекса SYM-H ~-100 нТл. В это время в условиях переменной облачности наблюдалось уярчение широкой лучистой полосы сияния в эмиссиях 557.7 и 630.0 нм в окрестности зенита станции Маймага и быстрое расширение области интенсивных сияний к полюсу. На кеограммах видно кратковременное увеличение интенсивности этих эмиссий с максимумом на широтах 57-62º. Экваториальнее дискретных сияний было зарегистрировано усиление диффузного сияния (см. рис. 22 б, в). Кеограмма станции Тикси (а) отображает смещение дискретных сияний к полюсу от южного горизонта до геомагнитной широты ~68.5º (образование авроральной выпуклости).

Далее, с ~0930 UT наблюдалось движение дискретных сияний к экватору на станции Тикси во время фазы восстановления суббури. На станции Маймага после быстрого затухания авроральной активности регистрировалась экваториальная граница диффузного сияния в окрестности зенита и стабильная авроральная красная дуга (SAR-дуга) в эмиссии 630.0 нм с интенсивностью 600- 900 Релей на южном горизонте до ~1100 UT.

Рис. 23. Пример регистрации сияний и субаврорального свечения по всему небу на двух станциях в событии 04 ноября 2021 г. Обработанные изображения в проекции на поверхность Земли для высоты дискретных сияний 110 км на ст. Тикси (а), для высоты субаврорального свечения 110 и 250 км в эмиссиях 557.7 и 630 нм, соответственно, на ст. Маймага (б, в). Шкалы интенсивности эмиссий приведены в килорелеях (б, в), для Тикси (а)- в относительных единицах.

Рис. 23 показывает обработанные изображения с регистрацией сияний и субаврорального свечения по всему небу в геомагнитных координатах. Регистрация выполнена при хорошей прозрачности атмосферы в 10:04 UT во время фазы восстановления суббури. В это время на станции Тикси (см. рис. 2а) интенсивные дискретные формы сияний наблюдались на геомагнитной широте ~66º и двигались к экватору согласно кеограмме на рис. 1а в 10:04 UT. На станции Маймага регистрировались экваториальная граница диффузного сияния в окрестности зенита на широте ~58º и дискретные сияния на северном горизонте в двух эмиссиях. В эмиссии 630.0 нм наблюдалась SAR-дуга с интенсивностью ~800 Релей значительно южнее станции с уменьшением геомагнитной широты в направлении к востоку. На рис. 2в изображение построено в проекции на поверхность Земли для высоты диффузного сияния 250 км в эмиссии 630.0 нм. Для принятой высоты красной дуги 350-400 км ее проекция в 1004 UT была на широтах ~50-53º на меридиане станции наблюдений.

ВЫВОДЫ

Таким образом, на основе проведенного комплексного анализа можно сделать следующие выводы.

1.         На основе измерений, выполненных на GOES-15 и мировой сети нейтронных мониторов, зарегистрировано на Земле первое возрастание потока солнечных протонов в новом 25-м цикле солнечной активности. Это событие стало 73 со времени регистрации первой вспышки СКЛ 28 февраля 1942 г. и сейчас оно известно, как GLE73. Это возрастание было небольшим, его амплитуда даже на полярных станциях КЛ составила величину до 6%.

2.         Произошедшая 2 ноября 2021 г. солнечная вспышка класса М1.7, вызвала первый в 25 солнечном цикле мощный Форбуш-эффект, который начался в конце 3 ноября. Его амплитуда по 1-мин исправленным на давление данным регистрации нейтронного монитора на станции Тикси достигла величины 18.9%, а в Якутске — 16.1%.

3.         По данным наблюдений Якутской меридиональной цепочки магнитных станций показано, что 3 ноября 2021 г. в утреннем секторе севернее Жиганска, но южнее Котельного, на широте 61°<Φ'<70° в ионосфере развилась электроструя западного направления, отклоненная примерно на 30°-35° к северу. Картина изменений Н-составляющих магнитного поля в Жиганске и Якутске, располагавшихся в утреннем секторе, вполне укладывается в распределение магнитных векторов мировой сети SuperMAG, как часть полярной токовой системы DP₁₁, и дополняет картину реальных магнитных векторов. Данные проекта AMPERE о распределениях магнитных вариаций на ионосферных высотах и продольных токов в утреннем секторе позволяют уточнить расположение авроральной западной электроструи на Φ' ⁓ 67° N.

4.         По измерениям Якутской меридиональной цепочки магнитных станций в период сильной геомагнитной бури установлено, что 4 ноября 2021 г. в послеполуденном и вечернем секторах на широте 56°<Φ'<61° имела место восточная электроструя, в поздние вечерние и ночные часы Жиганск и Якутск находились под сложной системой ионосферных токов. Данные проекта AMPERE о распределениях магнитных вариаций на ионосферных высотах и продольных токов в утреннем секторе позволяют уточнить расположение авроральной восточной электроструи на Φ' ⁓ 58° N.

5.         Рассмотрены условия в межпланетной среде в период развития сильной геомагнитной бури 3-11 ноября 2021 г. По данным о вариациях параметров солнечного ветра и Dst-индексе можно предположить, что событие, происходившее 3 ноября, и определенное, как изолированная интенсивная суббуря, вероятно, является элементом начальной фазы описанной бури.

6.         При полном промерзании грунта наблюдается более крутая зависимость величины разности потенциалов от величины магнитного поля, чем при максимальной протайке верхней части грунта. Коэффициент наклона в 8 раз больше. Коэффициенты зависимости, наблюдаемой в начале ноября 2021 г ближе к зимним значениям. Изменение коэффициентов зависимости связано с изменением проводимости грунта.

7.         Во время событий в начале ноября 2021 наблюдались  непрерывные и квазипериодические широкополосные шипения, связанные с изменением направления Bz-компонента ММП:  с изменением нижней и верхней частоты и интенсивности ОНЧ-излучения, в диапазоне 1.0-13.5 кГц 21-23UT 3 ноября, в диапазоне 0.7-4.5 кГц 01-03 UT 4 ноября и в диапазоне 3.0 – 5.2 кГц 12-13UT 4 ноября; в диапазоне 2.2-5.0 кГц за период 10:10-11:40 UT 4 ноября; квазипериодические шипения (QP) 02:15-02:50 UT 4 ноября с возрастанием частот в диапазоне 1.6-4.3 кГц с периодами от 80 до 100 секунд. 

8.         На основе анализа амплитудно-фазовых вариаций, зарегистрированных во время внезапных ионосферных возмущений в период 26 октября – 09 ноября показано, что распространение ОНЧ радиосигнала на частоте 11.904 кГц вдоль меридиана в дневных условиях на трассе протяженностью 1400 км можно считать одномодовым.

9.         Проведена адаптация параметров модели ВФА, удовлетворительно описываемой линейной функцией логарифма произведения потока рентгеновского излучения и усредненного вдоль радиотрассы косинуса зенитного угла Солнца. По регистрируемым ВФА проведена оценка изменения эффективной высоты волновода Земля – ионосфера.

10.       По данным ионосферной станции Жиганск выявлено, что что во время Форбуш-эффекта наблюдалось ионосферное возмущение, которое проявилось в полном поглощении и экранировании радиоволн коротковолнового диапазона. После активной фазы Форбуш-эффекта на ионосферной станции Жиганск наблюдались уменьшенные на 1.5 - 2.0 МГц значения критических частот F2-слоя ионосферы, вследствие магнитосферно-ионосферной бури, вызванной Форбуш-эффектом. Риометрическое поглощение показывает, что максимумы поглощения наблюдаются во время отрицательной фазы Форбуш-эффекта.

11.       Во время GLE и Форбуш понижений космических лучей значимых вариаций значений температуры нейтральной атмосферы, выходящих за уровень шумов не обнаружено.      

12.       В начальной фазе развития суббури наблюдалось уярчение широкой лучистой полосы сияния в эмиссиях 557.7 и 630.0 нм в окрестности зенита станции Маймага и быстрое расширение области интенсивных сияний к полюсу с максимумом на широтах 57-62º в вечернем секторе MLT. Экваториальнее дискретных сияний было зарегистрировано усиление диффузного сияния. На станции Тикси наблюдалось смещение дискретных сияний к полюсу от южного горизонта до геомагнитной широты ~68.5º (образование авроральной выпуклости). Во время фазы восстановления суббури наблюдалось движение дискретных сияний к экватору. На станции Маймага после быстрого затухания авроральной активности регистрировалась экваториальная граница диффузного сияния в окрестности зенита на широте ~58º и стабильная авроральная красная дуга (SAR-дуга) в эмиссии 630.0 нм с интенсивностью 600- 900 Релей на геомагнитных широтах ~50-53º до ~1100 UT.

1. Баишев Д.Г., Самсонов С.Н., Моисеев А.В. и др. Мониторинг и исследование эффектов космической погоды с помощью меридиональной цепочки инструментов в Якутии: краткий обзор. Солнечно-земная физика. 2017. Т. 3, № 2. С. 27–35. DOI:https://doi.org/10.12737/22607. (Baishev D.G., Samsonov S.N., Moiseev A.V., Boroyev R.N., Stepanov A.E., Kozlov V.I., Korsakov A.A., Toropov A.A., Yoshikawa A., Yumoto K. Monitoring and investigating space weather effects with meridional chain of instruments in Yakutia: a brief overview. Solar-Terr. Phys. 2017. Vol. 3, iss. 2. P. 25–33. DOI:https://doi.org/10.12737/stp-3220175)

2. Иевенко И.Б., Парников С.Г. Связь динамики SAR-дуги с суббуревой инжекцией по наблюдениям полярных сияний. Магнитосферные явления в окрестности плазмопаузы. Геомагнетизм и аэрономия. 2022. Т. 61, № 2. С. 171–188. DOI:https://doi.org/10.31857/S0016794022020092.

3. Козлов В.И., Баишев Д.Г., Павлов Е.А. Вариации естественных электрических потенциалов в криолитозоне, Якутск. Физика Земли. 2022. Т. 2, №. 3. С. 153–160.

4. Крымский Г.Ф. Диффузионный механизм суточной вариации космических лучей. Геомагнетизм и аэрономия. 1964. Т. 4. С. 977–986.

5. Куражковская Н.А., Зотов О.Д., Клайн Б.И. Связь развития геомагнитных бурь с параметром β солнечного ветра. Солнечно-земная физика. 2021. Т. 7, № 4. С. 25–34. DOI:https://doi.org/10.12737/szf-74202104. (Kurazhkovskaya N.A., Zotov O.D., Klain B.I. Relationship between geomagnetic storm development and the solar wind parameter β. Solar-Terr. Phys. 2021. Vol. 7, iss. 4. P. 24–32. DOI:https://doi.org/10.12737/stp-74202104.)

6. Маннинен Ю., Клейменова Н.Г., Громова Л.И. и др. Дневные ОНЧ-излучения во время восстановительной фазы магнитной бури: событие 5 января 2015 г. Геомагнетизм и аэрономия. 2020. T. 60, № 3. С. 318–328. DOI: 10.31857/ S0016794020030116.

7. Митра А. Воздействие солнечных вспышек на ионосферу Земли. М.: Мир, 1977. 370 с.

8. Мурзаева Н.Н., Муллаяров В.А., Козлов В.И., Каримов Р.Р. Морфологические характеристики среднеширотного регулярного шумового фона естественного низкочастотного излучения. Геомагнетизм и аэрономия. 2001. Т. 41, № 1. С. 76–83.

9. Орлов А.Б., Пронин А.Е., Уваров А.Н. Широтная зависимость эффективного коэффициента потерь электронов в дневной нижней ионосфере по данным о вариациях фазы СДВ-полей и риометрического поглощения при ВИВ. Геомагнетизм и аэрономия. 1998. Т. 38, № 3. С. 102–110.

10. Руководство URSI по интерпретации и обработке ионограмм: пер. с англ. / Ред. Н.В. Медникова. М.: Наука, 1977. 342 с.

11. Стародубцев С.А., Баишев Д.Г., Григорьев В.Г. и др. Анализ солнечных, космо- и геофизических событий в сентябре 2017 г. по комплексным наблюдениям ИКФИА СО РАН. Солнечно-земная физика. 2019. Т. 5, № 1. С. 17–38. DOI:https://doi.org/10.12737/szf-51201903. (Starodubtsev S.A., Baishev D.G., Grigoryev V.G., Karimov R.R., Kozlov V.I., Korsakov A.A., Makarov G.A., Moiseev A.V. Analyzing solar, cosmic, and geophysical events in September 2017, SHIСRA SB RAS complex observations. Solar-Terr. Phys. 2019. Vol. 5, iss. 1. P. 14–27. DOI:https://doi.org/10.12737/stp-51201903.)

12. Шефов Н.Н., Семенов А.И., Хомич В.Ю. Излучение верхней атмосферы — индикатор ее структуры и динамики. М.: ГЕОС, 2006. 741 с.

13. Яхнин А.Г. Магнитосферная суббуря: основные проявления и возможные механизмы. Плазменная гелиогеофизика. T. 1 / Под ред. Л.М. Зеленого, И.С. Веселовского. М.: Физматлит, 2008. С. 465–483.

14. Grigoryev V.G., Starodubtsev S.A., Krivoshapkin P.A., et al. Cosmic ray anisotropy based on Yakutsk station in real time. Adv. Space Res. 2008. Vol. 41, iss. 6. P. 943–946. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr. 2007.04.072.

15. Howard T. Coronal Mass Ejections: An Introduction, Astrophysics and Space Science Library. Springer Science+Business Media, LLC. 2011. Vol. 376. DOI:https://doi.org/10.1007/978-1-4419-8789-1.

16. Krymsky G.F., Krivoshapkin P.A., Grigoryev V.G., et al. Dynamics of the Cosmic Ray Current Behaviour During Large-Scale Solar Wind Disturbances. Proc. 28th ICRC, Tsukuba, Japan, 2003. SH 2.2. P. 3613–3616.

17. Kumar A., Kumar S. Solar flare effects on D-region ionosphere using VLF measurements during low- and high-solar activity phases of solar cycle 24. Earth, Planets and Space. 2018. Vol. 70, no. 29. P. 1–14. DOI:https://doi.org/10.1186/s40623-018-0794-8.

18. Loewe C.A., Prolss G.W. Classification and mean behavior of magnetic storms. J. Geophys. Res. 1997. Vol. 102, no. A7. P. 14209–14213.

19. Todoroki Y., Maekawa S., Yamauchi T., et al. Solar flare induced D region perturbation in the ionosphere, as revealed from a short-distance VLF propagation path. Geophys. Res. Lett. 2007. Vol. 34, iss. 3, L03103. P. 1–5. DOI:https://doi.org/10.1029/2006GL028087.

20. Yumoto K., Tanaka Y., Oguti T., et al., and the 210° MM Magnetic Observation Group. Globally coordinated magnetic observations along 210° magnetic meridian during STEP period, 1, Preliminary results of low-latitude Pc 3’s. J. Geomag. Geoelectr. 1992. Vol. 44. P. 261–276.

21. URL: http://www.nmdb.eu (дата обращения 22 марта 2024 г.).

22. URL: http://stjarnhimlen.se/comp/tutorial.html (дата обращения 22 марта 2024 г.).

23. URL: https://cdaw.gsfc.nasa.gov/CME_list (дата обращения 20 апреля 2023 г.).

24. URL: https://www.spaceweather.com (дата обращения 20 апреля 2023 г.).

25. URL: https://solarmonitor.org (дата обращения 20 апреля 2023 г.).

26. URL: https://planetcalc.ru/7721/?thanks=1 (дата обращения 20 апреля 2023 г.).

27. URL: https://spdf.gsfc.nasa.gov/pub/data/omni/ (дата обращения 14 ноября 2023 г.).

28. URL: https://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/ae_realtime/ (дата обращения 14 ноября 2023 г.).

29. URL: https://supermag.jhuapl.edu/ (дата обращения 14 ноября 2023 г.).

30. URL: https://ampere.jhuapl.edu/ (дата обращения 14 ноября 2023 г.)

31. URL: https://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dst_provisional/index.html (дата обращения 14 ноября 2022 г.).