Отклик высокоширотной полярной ионосферы на изменения ориентации вектора пойнтинга вблизи орбиты земли относительно ориентации геомагнитного момента

For the first time, the research has been carried out into effect of the mutual orientation between Poynting vector Р of the electromagnetic energy density in the solar wind and the vector М of the Earth’s magnetic moment (with regard to its orbital and diurnal motions) on the geomagnetic activity. Measurements of solar wind parameters in the Earth’s orbit (1963–2005) were used. The P _m component of the P vector along the М vector is shown to have a clear yearly variation with the extrema in November and May, and the UT variation with the extrema at ~6 and 18 UT. As shown by the analysis, the phases of the variations are determined only by geometric parameters and do not depend on the sector structure sign of the interplanetary magnetic field (IMP). The paper presents the experimental data on planetary and high-latitude geomagnetic activity that is the response to changes in Р orientation relative to М . The power of the solar wind electromagnetic energy sources during strong geomagnetic disturbances is also estimated.

Вектор Пойнтинга P=c/4π[E, B] (в гауссовой системе) характеризует количество энергии, переносимой через единицу поверхности, перпендикулярной направлению распространения энергии, за единицу времени. Поскольку взаимная ориентация P и M меняется при годовом орбитальном и суточном движениях Земли, мы прежде всего провели исследование годовой и UT-вариации компоненты вектора Пойнтинга вдоль геомагнитного момента М. Статистическая годовая вариация компоненты вектора Пойнтинга вдоль геомагнитного момента Pm для восьми трехчасовых интервалов UT, полученная на основе измерений компонент ММП и скорости солнечного ветра вблизи орбиты Земли в 1963–2005 гг., показана на рис. 1 (Pm показан в произвольных единицах: k104 Вт/м2, где k определялось удобством построения графика). Видно, что с ноября по февраль Pm<0 (поток энергии направлен из северной полярной шапки), а с апреля по август Pm>0 (поток энергии направлен в северную полярную шапку). Действительно, запишем компоненту Pm вектора P вдоль вектора М как Pm = (P, M) = V(BxByMy – MxBy2). Принимая во внимание, что MzBz = 0 (Mz мало изменяется и сохраняет знак: Mz<0, Bz ~0) для большой статистики, а среднестатистическое ММП описывается спиралью паркера, можно записать: Pm = АVBy2sin(θ – π/4), где θ – угол, определяющий положение Земли при ее орбитальном движении, который отсчитывается от зимнего солнцестояния в северной полусфере; V – скорость солнечного ветра, By – азимутальная компонента ММП в системе координат GSE, А =const. Из выражения для Pm видно, что Pm = 0 при θ = π/4 (февраль) и при θ = 5π/4 (август), Pm достигает максимума при θ=3π/4 (май) и минимума при θ=7π/4 (ноябрь). Из выражения также следует, что амплитуда Pm модулируется VBy2=EzBy. Следовательно, фаза годовой вариации Pm является чисто геометрическим эффектом и не зависит от знака секторной структуры ММП. Таким образом, анализ выражения для Pm-компоненты позволил сделать вывод о том, что фаза годовой статистической вариации Pm определяется геометрическими параметрами, описывающими изменение ориентации компонент вектора геомагнитного момента в плоскости эклиптики по отношению к ориентации вектора ММП при орбитальном движении магнитного момента Земли. Кроме того, фаза статистической годовой вариации Pm не зависит от знака секторной структуры ММП, описываемой спиралью Паркера. Последнее означает, что Pm может отвечать за ту часть геомагнитных возмущений, которая не связана со знаком секторной структуры ММП. При нарушении секторной структуры ММП фаза годовой вариации Pm будет отличаться от изображенной на рис. 1. Амплитуда годовой вариации Pm модулируется величиной компоненты электрического поля солнечного ветра, перпендикулярной плоскости эклиптики Ez, и модулем азимутальной компоненты By ММП. Откликом авроральной и полярной ионосферы на годовую вариацию Pm может быть не зависящая от знака ММП токовая система в полярной шапке, которая имеет годовую вариацию с экстремумами в мае и ноябре. Интенсивность этой эквивалентной токовой системы зависит от UT и времени года, а авторы [2] связывают ее с модулем ММП. В зоне сияний «–» бухты обусловлены западной

Т . В . Кузнецова , А . И . Лаптухов

Рис . 1. Годовая вариация компоненты вектора Пойн - тинга вдоль геомагнитного момента P _m для восьми трех часовых интервалов UT, указанных справа , m – для всех интервалов UT, N _m – номер месяца в году .

струей ( характеристикой является AL - индекс ).

Мода , не зависящая от знака ММП , у AL - индекса имеет экстремумы в годовом ходе в ноябре и мае , а годовая вариация D st , не зависящая от знака ММП , – в июне – мае и ноябре [1]. Фаза наблюдаемой годо вой вариация AL и D _st, не зависящая от знака ММП , не имеет объяснения . Магнитной активности в зоне сияний свойственна зависимость от скорости сол нечного ветра V и B y ММП [1], что находится в со гласии с нашими выводами . Результаты исследова ния связи K р - индекса и компоненты P m представле ны на рис . 2. В целом виден рост K р с увеличением P m независимо от ее знака . Видна слабая асиммет рия K р относительно знака P m : при направлении век тора P вдоль вектора М ( в северную шапку ) K р в среднем выше , чем при противоположном на правлении ( в южную полярную шапку ). Это явле ние еще предстоит детально исследовать .

Связанные со всемирным временем UT вариации аа-индекса (субавроральной геомагнитной активности) не имеют объяснения в настоящее время. Предложенный нами ранее механизм (зависящий от знака By ММП), рассматривающий UT-вариации геомагнитной активности, хорошо объясняет UT-вариацию Kр и Dst, но не объясняет UT-вариацию аа. Фаза UT-вариации аа-индекса практически не зависит от сезона года, имеет статистический минимум в 03–06 UT (среднее 04:30), а максимум – в 15–18 UT (16:30) [3]. На рис. 3 показана UT-вариация аа-индекса для различных месяцев в году. Обычно UT-вариацию аа пытаются как-то объяснить изменением проводимости в авроральной зоне в течение суток. Но эту гипотезу следует отбросить, так как самые глубокие минимумы (рис. 3) в течение года достигаются в мае–июне и в декабре; минимум летом несколько глубже зимнего минимума. Поскольку минимумы в UT-вариации аа в течение года достигаются вблизи солнцестояний (т. е. их появление не зависит от освещенности полярной шапки), для их объяснения надо искать другую основную причину, не связанную с проводимостью. Последнее не исключает влияния проводимости. В работе [4] эффект зависимости UT-вариации Am-индекса планетарной геомагнитной активности от полярности ММП исключается использованием разности между двумя месяцами в солнцестояниях. Полученная таким образом не зависящая от знака секторной структуры UT-вариация Am-индекса имеет экстремумы в 04:30 и в 16:30 UT. C нашей точки зрения, основной причиной UT-вариации аа может быть UT-вариация Pm. На рис. 4 представлена зависимость Pm для восьми трехчасовых интервалов UT для каждого месяца в году. Видны экстремумы Pm в ~04:30 и в ~16:30 UT для средней кривой (m) в году. Именно в эти часы UT

Рис . 2. 3 ависимость K р - индекса от компоненты P _m век тора Пойнтинга ( на основе измерений 1963–2005 гг .).

Рис . 3. UT- вариация аа - индекса ( восемь трехчасовых интервалов ) для каждого из 12 месяцев в году , указанных в колонке справа , m – среднее для всех месяцев в году ( на основе ряда аа - индекса за 1868–1998 гг .).

Рис . 4. UT- вариация компоненты P _m ( восемь трехчасовых интервалов ) для каждого из 12 месяцев в году , указанных в колонке справа ( на основе измерений за 1963–2005 гг .).

Отклик высокоширотной полярной ионосферы на изменения ориентации вектора Пойнтинга… наблюдаются экстремумы в UT-вариации aa-индекса. Таким образом, полученные ранее результаты по высокоширотной и планетарной геомагнитной активности, которая не зависит от знака секторной структуры ММП, могут быть объяснены в рамках нашего подхода.

Оценки мощности источников электромагнитной энергии солнечного ветра представляют значение не только для понимания физического механизма передачи энергии солнечного ветра магнитосфере во время магнитных бурь, но также важны для разработки физических механизмов их влияния и на другие геосферы. Мощность источников энергии в атмосфере составляет 1014–1015 Вт, в океане – 1013 Вт, ММП и солнечного ветра – 1012 Вт, геомагнитных бурь – 1012 Вт, полярных сияний – 1011 Вт, землетрясений – 1011 Вт [5]. Наши расчеты показывают, что при тех значениях ММП и электрического поля Е, которые наблюдаются при геомагнитных бурях, Р = (0.1÷0.5) эрг/(с∙см2) = (1÷5)∙10–8 Вт/см2. Следовательно, при площади сечения магнитосферы S (с радиусом Rm=10RЕ), перпендикулярного скорости солнечного ветра, PS = (1÷6)1012 Вт, что находится в согласии с данными других авторов, полученными из других соображений [5]. Эта величина не является верхним пределом мощности источников электро- магнитной энергии солнечного ветра, если учесть геометрический фактор и то, что энергия во время бури поступает не только к дневной магнитопаузе, но и в высокоширотные области.

Работа выполнена при поддержке РФФИ , грант № 06-05-64998.