Эффекты магнитных бурь в приполярной ионосфере: исследование Института солнечно-земной физики СО РАН
18.01.2023
Специалисты Института солнечно-земной физики СО РАН (г. Иркутск) изучили эффекты магнитных бурь в приполярной ионосфере по данным спутниковой системы навигации и проанализировали особенности этих эффектов в зависимости от природы бури. Результаты работы опубликованы в в журнале первого квартиля Remote Sensing.
Исследование было направлено на изучение динамики аврорального овала — области ионосферы, в которой наблюдаются полярные сияния (авроры). Наиболее интенсивные из них происходят во время возмущения магнитного поля Земли — магнитных бурь.
"Источником магнитной бури является Солнце, но процессы, приводящие к ее развитию, могут быть различными. Например, вызвать такое явление может корональный выброс массы (КВМ): Солнце выбрасывает вещество, сталкивающееся с магнитосферой Земли, и образует облако заряженных частиц, в которое “вморожено” магнитное поле. Если магнитное поле внутри облака сонаправленно с магнитным полем Земли, частицы облака проникают в магнитосферу, вызывая магнитные бури", — рассказал Илья Едемский, один из авторов статьи, научный сотрудник ИСЗФ СО РАН, кандидат физико-математических наук.
Существуют и другие механизмы образования бурь. Например, солнечный ветер может иметь различную скорость в отдельных областях Солнечной системы. Выделяют медленный ветер со скоростью около 300 км/с и быстрый — со скоростью в два раза больше. Последний испускается корональными дырами — специфическими областями на Солнце. Звезда вращается, а значит, частицы удаляются от нее не по прямой, а по спиралям, похожим на рукава спиральной галактики. При этом область с быстрым ветром может догнать область с медленным, и при их взаимодействии частицы уплотнятся так, что параметры такой области начинают напоминать корональный выброс массы. Когда Земля проходит подобный участок, это также может вызвать магнитную бурю.
"Мы рассмотрели, каковы отличия в отклике полярной части ионосферы на воздействие этих двух типов событий", — отметил Илья Едемский.
Ученые рассказали, что исследуют ионосферу с помощью систем глобального позиционирования (например, ГЛОНАСС), которые давно уже используются не только для навигации, но и для исследования околоземного космического пространства.
"Это удобно — недорого можно получить наблюдательный пункт, выполняющий измерения в постоянном режиме с хорошим разрешением по времени. А если развернуть много таких пунктов-приемников — то увидеть масштабную картину вариаций электронной концентрации ионосферы. К минусам метода можно отнести то, что приемник дает информацию о так называемом полном электронном содержании (ПЭС) — числе электронов вдоль движения сигнала спутниковой системы навигации. То есть, мы не можем сказать, на каких высотах что именно происходит, но способны оценить общую динамику, присутствие сильных возмущений, мелкомасштабных структур, снижающих качество сигнала, и так далее. Из ПЭС можно получить некоторые производные величины", — объяснил Илья Едемский.
В работе была использована величина ROTI — индекс скорости изменения ПЭС. Определяется он как среднеквадратичное отклонение производной ПЭС и свидетельствует о появлении возмущений в ионосфере, в частности, мелкомасштабной структуры. Чем он выше в какой-то области, тем интенсивнее там мелкомасштабные возмущения.
Ученые исследовали десять магнитных бурь — пять, вызванных коронарным выбросом массы, и пять, образованных взаимодействиями ветра, — и пронаблюдали изменение местоположения высоких значений ROTI. Была взята средняя картина по магнитной широте (когда широтой в 90 градусов считается магнитный полюс, а в 0 градусов — магнитный экватор).
"Области полярных сияний на севере и юге располагаются вокруг магнитных полюсов, и вообще говоря, положение неоднородностей ПЭС согласуется с положением этого овала", — сообщил Илья Едемский. "На базе системы глобального мониторинга SIMuRG, которая разрабатывается в институте (она сама собирает данные со станций по всему миру и позволяет, например, строить карты различных параметров ионосферы), мы рассчитали карты ROTI — индекса скорости изменения — для каждой из десяти бурь и оценили их динамику. Ожидаемо, наибольшие значения ROTI (то есть наибольшее присутствие ионосферных возмущений) наблюдаются всегда в главную фазу бури. Область наблюдения при этом располагается дальше всего от полюса — овал имеет наибольший размер".
Ученые пришли к выводу, что овал тем больше, чем больше южная компонента магнитного поля Солнца (Bz). Положение наибольших ROTI по магнитной широте хорошо коррелирует с величиной Bz (с задержкой в 1 час). Причем, для повышения значений ROTI достаточно даже небольших промежутков ориентации магнитного поля на юг (наблюдения южной Bz).
"С ростом возмущения околоземной среды (мы оценивали это по росту южной компоненты Bz, модуля индекса кольцевого тока Dst и индекса электроджета SME) область наблюдения наибольших значений ROTI смещается к экватору. Наиболее ярко такая связь видна для индекса SME. Мы рассчитываем, что результаты этой статьи не только покажут пример эффективности системы SIMuRG и развиваемых на ее основе инструментов, но будут полезны и для создания моделей эффектов магнитных бурь", подчеркнул Илья Едемский.
Источник: Пресс-служба ИСЗФ СО РАН
Исследование было направлено на изучение динамики аврорального овала — области ионосферы, в которой наблюдаются полярные сияния (авроры). Наиболее интенсивные из них происходят во время возмущения магнитного поля Земли — магнитных бурь.
"Источником магнитной бури является Солнце, но процессы, приводящие к ее развитию, могут быть различными. Например, вызвать такое явление может корональный выброс массы (КВМ): Солнце выбрасывает вещество, сталкивающееся с магнитосферой Земли, и образует облако заряженных частиц, в которое “вморожено” магнитное поле. Если магнитное поле внутри облака сонаправленно с магнитным полем Земли, частицы облака проникают в магнитосферу, вызывая магнитные бури", — рассказал Илья Едемский, один из авторов статьи, научный сотрудник ИСЗФ СО РАН, кандидат физико-математических наук.
Существуют и другие механизмы образования бурь. Например, солнечный ветер может иметь различную скорость в отдельных областях Солнечной системы. Выделяют медленный ветер со скоростью около 300 км/с и быстрый — со скоростью в два раза больше. Последний испускается корональными дырами — специфическими областями на Солнце. Звезда вращается, а значит, частицы удаляются от нее не по прямой, а по спиралям, похожим на рукава спиральной галактики. При этом область с быстрым ветром может догнать область с медленным, и при их взаимодействии частицы уплотнятся так, что параметры такой области начинают напоминать корональный выброс массы. Когда Земля проходит подобный участок, это также может вызвать магнитную бурю.
"Мы рассмотрели, каковы отличия в отклике полярной части ионосферы на воздействие этих двух типов событий", — отметил Илья Едемский.
Ученые рассказали, что исследуют ионосферу с помощью систем глобального позиционирования (например, ГЛОНАСС), которые давно уже используются не только для навигации, но и для исследования околоземного космического пространства.
"Это удобно — недорого можно получить наблюдательный пункт, выполняющий измерения в постоянном режиме с хорошим разрешением по времени. А если развернуть много таких пунктов-приемников — то увидеть масштабную картину вариаций электронной концентрации ионосферы. К минусам метода можно отнести то, что приемник дает информацию о так называемом полном электронном содержании (ПЭС) — числе электронов вдоль движения сигнала спутниковой системы навигации. То есть, мы не можем сказать, на каких высотах что именно происходит, но способны оценить общую динамику, присутствие сильных возмущений, мелкомасштабных структур, снижающих качество сигнала, и так далее. Из ПЭС можно получить некоторые производные величины", — объяснил Илья Едемский.
В работе была использована величина ROTI — индекс скорости изменения ПЭС. Определяется он как среднеквадратичное отклонение производной ПЭС и свидетельствует о появлении возмущений в ионосфере, в частности, мелкомасштабной структуры. Чем он выше в какой-то области, тем интенсивнее там мелкомасштабные возмущения.
Ученые исследовали десять магнитных бурь — пять, вызванных коронарным выбросом массы, и пять, образованных взаимодействиями ветра, — и пронаблюдали изменение местоположения высоких значений ROTI. Была взята средняя картина по магнитной широте (когда широтой в 90 градусов считается магнитный полюс, а в 0 градусов — магнитный экватор).
"Области полярных сияний на севере и юге располагаются вокруг магнитных полюсов, и вообще говоря, положение неоднородностей ПЭС согласуется с положением этого овала", — сообщил Илья Едемский. "На базе системы глобального мониторинга SIMuRG, которая разрабатывается в институте (она сама собирает данные со станций по всему миру и позволяет, например, строить карты различных параметров ионосферы), мы рассчитали карты ROTI — индекса скорости изменения — для каждой из десяти бурь и оценили их динамику. Ожидаемо, наибольшие значения ROTI (то есть наибольшее присутствие ионосферных возмущений) наблюдаются всегда в главную фазу бури. Область наблюдения при этом располагается дальше всего от полюса — овал имеет наибольший размер".
Ученые пришли к выводу, что овал тем больше, чем больше южная компонента магнитного поля Солнца (Bz). Положение наибольших ROTI по магнитной широте хорошо коррелирует с величиной Bz (с задержкой в 1 час). Причем, для повышения значений ROTI достаточно даже небольших промежутков ориентации магнитного поля на юг (наблюдения южной Bz).
"С ростом возмущения околоземной среды (мы оценивали это по росту южной компоненты Bz, модуля индекса кольцевого тока Dst и индекса электроджета SME) область наблюдения наибольших значений ROTI смещается к экватору. Наиболее ярко такая связь видна для индекса SME. Мы рассчитываем, что результаты этой статьи не только покажут пример эффективности системы SIMuRG и развиваемых на ее основе инструментов, но будут полезны и для создания моделей эффектов магнитных бурь", подчеркнул Илья Едемский.
Источник: Пресс-служба ИСЗФ СО РАН