Пространственные особенности токовых систем SFE-вспышек, сопровождающихся гамма-излучением

Автор: Пархомов В.А., Дмитриев А.В., Базаржапов А.Д.

Журнал: Солнечно-земная физика @solnechno-zemnaya-fizika

Статья в выпуске: 15, 2010 года.

Бесплатный доступ

На основе статистических данных и детального анализа геомагнитного отклика на жесткое электромагнитное излучение солнечной вспышки класса Х17, произошедшей 7 сентября 2005 г., рассматриваются пространственные особенности токовых систем, вызывающих геомагнитный эффект солнечной вспышки (SFE, solar flare effect). Показано, что во время вспышек, сопровождающихся большими потоками рентгеновского и гамма-излучения, SFE наблюдались глобально, включая ночную полусферу и высокие широты. Обсуждаются причинно-следственные связи описываемых явлений.

Короткий адрес: https://sciup.org/142103384

IDR: 142103384

Текст научной статьи Пространственные особенности токовых систем SFE-вспышек, сопровождающихся гамма-излучением

Мощные солнечные вспышки сопровождаются резким усилением электромагнитной радиации в диапазоне частот от длинноволнового радиоизлучения до рентгеновского и гамма-излучения. Электромагнитное излучение вспышки приводит к резким вариациям электронного содержания во всей толще ионосферы и геофизическим явлениям, объединенным общим названием внезапные ионосферные возмущения (SID, sudden ionospheric disturbance) [Mitra, 1974]. Одной из составляющих таких возмущений является геомагнитный эффект солнечной вспышки (SFE). Причиной геомагнитного возмущения является резкое возрастание интенсивности ионосферных токов на различных высотах и особенно усиление S q -токов. SFE наблюдались преимущественно на освещенной стороне, поскольку генерировались двухфокусной токовой системой, фокусы которой расположены на cредних широтах (~30°) Северного и Южного полушарий и смещены на более ранние часы, чем фокусы регулярной токовой системы S q [Sabben, 1961; Gaya-Pique, et al., 2008]. Кроме того, согласно [Veldkamp, Sabben, 1960; Sabben, 1968] электрические токи, создающие наблюдаемые на Земле геомагнитные вариации, протекают на меньших высотах, чем токи, ответственные за регулярные S q-вариации.

Однако в [Sastri, 1975] сообщалось, что эффекты солнечных вспышек, зарегистрированные на двух обсерваториях в области экваториального электро-джета, наблюдались и на ночной стороне. В [Parkho-mov, et al., 2006; 2008] было показано, что геомагнитное возмущение на фазе затухания мощной солнечной вспышки, связанное с всплеском гамма-излучения, наблюдалось глобально. Усиление ионосферных токов на ночной стороне и в высоких широтах на дневной стороне во время экстремальных солнечных радиационных событий обнаружено в [Dmitriev, Yeh, 2008]. Авторы [Hosokawa, et al., 2000] наблюдали во время десяти событий SFE одновременные усиление ионосферных токов и появление неоднородностей в Е- и F-слоях ионосферы на авроральных широтах освещенной стороны и в области терминатора.

Отмеченные противоречия и обусловили задачу изучения пространственного распределения токов, создающих SFE. С этой целью изучены геомагнитные вариации на мировой сети обсерваторий во время 78 «чистых» рентгеновских вспышек с баллом >Х1 за 1998–2006 гг. Найдено 7 вспышек, для которых уверенно определялись эффекты на ночной стороне. Одно событие мощной рентгеновской вспышки 7 сентября 2005 г. (балл вспышки – Х17) рассмотрено детально. Выбор этого события обусловлен следующими причинами:

  •    наблюдались большие отклонения от невозмущенного уровня в геомагнитных индексах (SYM-H=–46 нТл, А Е =150 нТл, A L = –100 нТл, A U =50 нТл) при низком уровне магнитной активности ( K р =1, 2, 1+) в предшествующих SFE трех 3-часовых интервалах 06–15 UT;

  •    амплитуда кроше на приэкваториальной обсерватории Хуанкайо достигла ~285 нТл;

  •    событие полностью изолировано, т. е. за несколько дней до него не было сильных магнитных бурь;

  •    перед вспышкой и во время нее фоновые условия за пределами магнитосферы на редкость спокойные: солнечный ветер практически квазистацио-нарен ( V SW ~390±8 км/с), B z >0 и мало (~3 нТл);

  •    важно, что вспышка не сопровождалась выбросом релятивистских протонов (космических лучей);

  •    событие сопровождалось геомагнитными пульсациями Рс5 большой амплитуды на Земле и геостационарной орбите.

Данные , используемые для анализа

Таким образом, жесткое электромагнитное излучение рассматриваемой вспышки вызвало отклик во всех геомагнитных индексах, что позволяет предположить глобальность геомагнитного отклика.

Пространственные особенности распростра нения SFE, выявленные на основе анализа маг нитограмм

Подтверждением глобальности отклика в геомагнитном поле на резкое возрастание ионизирующего излучения вспышки, определяемое по изменениям геомагнитных индексов, может быть суточный ход максимума х -компоненты геомагнитного поля на разных широтах. На рис. 2, а д представлены абсолютное максимальное отклонение Δ х от уровня, предшествующего SFE (толстая линия), и сглаженная по трем скользящим точкам вариация глобального суточного хода SFE (тонкая линия) в разных широтных поясах: низких (φ= –30–30°) и средних (φ=30–60°) широтах, авроральной зоне (φ=60–70°) и полярной шапке (φ>70°).

Из-за неравномерности распределения магнитных обсерваторий по поверхности Земли не для каждого часового пояса и не для каждой широты имеются данные (на графике отмечены точками). Однако можно выявить общие тенденции суточного распределения максимальной амплитуды интенсивности Δ х -компоненты SFE по широтам и долготам. Прежде всего, обращает на себя внимание вариация в широтном поясе от 0 до –30°. На обсерватории Ху-анкайо, находящейся в момент наблюдения на магнитном экваторе вблизи подсолнечной точки, Δ х =284.7 нТл. В широтном диапазоне от –30 до 30° на обсерваториях на ночной стороне в интервале местного времени 22:00–03:00 LT величина Δ х изменяется в пределах 2–10 нТл.

Другим доказательством глобальности рассматриваемого события может служить рис. 3. Здесь дан широтный разрез вариаций х - компоненты (значения сглажены по 11 мин) на обсерваториях, которые в рассматриваемое время находились вблизи полуночного меридиана (00:00–01:00 MLT). Здесь же приведена вариация потока рентгеновского излучения в энергетическом диапазоне 0.5–4 Å и вариация х -компоненты на геомагнитном экваторе вблизи подсолнечной точки. На всех станциях полуночного меридиана в широтном диапазоне 52° N–31.8° S

значения х - компоненты , сглаженные по 3 точкам .

Рис . 2. Суточный ход х - компоненты геомагнитного поля на разных широтах .

значения х - компоненты ;

наблюдаются синфазные вариации х -компоненты геомагнитного поля с амплитудой от 3.2 (GNA) до 5.8 нТл (NVS). Начало геомагнитного возмущения на ночной стороне по времени совпадает с началом возрастания потока рентгеновского излучения и вариацией Х -ком-поненты геомагнитного поля на обсерватории, находящейся вблизи подсолнечной точки (HUA). Однако максимум возмущения на ночной стороне запаздывает на ~18 мин относительно дневной стороны.

Приведенные значения амплитуды вариаций в ночном секторе на рис. 2 и 3 соответствуют фоновым магнитным возмущениям в эти часы при K р =3. Однако высокая синфазность вариаций на обсерваториях, расположенных в большом широтном интервале от Южного до Северного полушария, позволяет предполагать их общий источник.

Таким образом, из приведенных материалов можно сделать предварительный вывод: резкое возрастание ионизации ионосферы под действием жесткого электромагнитного излучения вспышки вызывает реакцию не только в дневной ионосфере, но и приводит к усилению ионосферных токов в авроральной зоне, полярной шапке и на ночной стороне средних широт. Важно подчеркнуть, что амплитуда возмущения в авроральной зоне достигает 100 нТл, а в полярной шапке – более 120 нТл, что сравнимо с возмущениями, вызываемыми другими источниками (суббури).

Теперь обратимся к анализу токовых систем этого возмущения.

Карты эквивалентных ионосферных токов

На рис. 4, б и 5, б приведены карты векторов эквивалентных ионосферных токов, вычисленные с

Рис . 3. Сравнение SFE на обсерваториях вблизи полу денного и полуночного меридианов : вариации потока рентгеновского излучения на длине волны 0.5–4 Å ( а ); вариация х - компоненты на обсерватории в полуденном секторе (HUA, 13:00 MLT) ( б ); вариация х - компоненты на обсерваториях в полуночном секторе 23:00–00:00 MLT в широтном диапазоне 41° N – 32° S ( в и ). Вертикальные линии определяют начало и максимум SFE на обсервато рии Хуанкайо , находящейся в околополуденном секторе вблизи магнитного экватора .

использованием уравнений (1) и (2) [Dmitriev, Yeh, 2008], для момента до начала SFE (17:20 UT) и для момента, когда возмущение достигает максимума (17:53 UT). Положение подсолнечной точки отмечено звездочкой, а пунктиром обозначен терминатор.

Первые признаки усиления ионосферных токов проявляются на карте векторов в 17:25 UT. Последовательность развития возмущения хорошо прослеживается на картах для других моментов. Максимум SFE наблюдался в 17:53 UT (рис. 5, б). В это время индексы геомагнитной активности достигли максимальных значений (рис. 1).

Для анализа вариаций глобального геомагнитного отклика вычислялось ежеминутное среднее значение горизонтального магнитного поля H av .

1 N

Hav = N §A H1, где N – количество станций.

Развитие токовой системы запаздывает относительно максимума потока ионизирующей радиации (рис. 6). Если максимум потока рентгеновского излучения наблюдался в 17:35 UT, то H av достигло максимального значения в 17:53 UT, т. е. запаздывание максимума тока составило 18 мин, что значительно превышает запаздывание между максимумом SFE на низкоширотных обсерваториях и максимумом рентгеновского излучения [Mitra, 1974]. Однако такое же запаздывание наблюдается между максимумом потока излучения и максимумом SFE, который определяется по магнитограммам на обсерваториях полуночной стороны (рис. 3).

По величине H av в предположении, что тонкий токовый слой находится на высоте ~110 км, можно оценить значение индукционного тока, который может создать измеряемое магнитное поле на Земле. В 17:20 UT H av =0.5 нТл. Такую напряженность может создать ток ~2.5×102 А. В 17:53 UT H av =36.6 нТл. Соответственно ток составит величину ~2×104 А, т. е. ток возрастает на два порядка. Подчеркнем, что это оценка среднего глобального тока над всей поверхностью Земли.

Однако приведенные оценки страдают большой неопределенностью. Прежде всего, отсутствует полная информация о спектре ионизирующей радиации. В нашем случае мы не располагаем данными об ультрафиолетовой части спектра (данные спутника SОНО для этой вспышки отсутствуют). По современным представлениям высота максимума ионизации может меняться в несколько раз. В то же время в регистрируемые на каждой обсерватории вариации вносят вклад токи не только внешние, но и индуцируемые в земной коре, и величина этих токов меняется от станции к станции. Расчет эквивалентных токовых систем с учетом внешних и внутренних источников позволяет выполнить сферический гармонический анализ, результаты которого будут представлены в следующем разделе. Здесь же мы ограничимся использованием для анализа карт векторов, вычисленных по амплитудам геомагнитных вариаций.

Как видно на рис. 5, б , в максимуме развития токовая система рассматриваемой вспышки существенно отличается от токовых систем SFE, представленных в [Sabben, 1961; 1968a; 1968b; Gaya-Pique, et al., 2008; Veldkamp, Sabben, 1960]. Наиболее интенсивные электрические токи текут на освещенной стороне ионосферы, на магнитном экваторе, в средних и высоких широтах Северного полушария. В цитированных источниках токовая система имеет два токовых вихря, фокусы которых расположены в Северном и Южном полушариях на широтах ~±30 ° . В рассматриваемом случае трудно определить вихрь в Южном полушарии. Это может быть связано не только с

Рис .4. Вариации потока рентгеновского излучения на длине волны 0.5–4 Å и 1–8 Å ( а ). Карта векторов эквивалент ных токов перед началом SFE в 17:20 UT ( б ). Карта эквивалентных токов , полученных методом СГА ( сферического гар монического анализа ) в 17:20 UT ( в ).

с реальной системой токов, но и с редкой сетью обсерваторий в анализируемом временном секторе. Кроме того, отсутствовали данные для трех обсерваторий освещенной части Южного полушария.

В северном вихре (рис. 5, б ) вращение векторов имеет четкое направление против часовой стрелки, в то время как в Южном полушарии можно предполагать на основе имеющихся данных вращение по часовой стрелке. Направления вращения векторов, определяющие направление токов, согласуются с таковым для классических токовых систем SFE [Veldkamp, Sabben, 1960].

Другими особенностями токовой системы, представленной на рис. 5, б , являются большие величины токов на магнитном экваторе (Хуанкайо, ~285 нТл) и в полярной шапке (Резолют Бей, ~200 нТл). В широтном диапазоне 65–77° векторы возмущения направлены на восток, т. е. на высоких широтах преимущественно усиливается восточный электроджет.

Результаты сферического гармонического анализа

На рис. 4, в и 5, в представлена система эквивалентных ионосферных токов, вычисленная методом сферического гармонического анализа до начала SFE

X

X

в

07.09.2005 г.

географическая долгота , град .

17:39

18:19

18:59

19:38

20:18

20:58

120          180           240

географическая долгота , град .

17:53 UT

17:53 UT

07.09.2005 г .

"SO-

УЗ

1 1 %

> 4 .лФ

Т---------г

б

а

Рис . 5. Вариации потока рентгеновского излучения на длине волны 0.5–4 Å и 1–8 Å ( а ). Карта векторов эквивалент ных токов в максимум SFE в 17:53 UT ( б ). Карта эквивалентных токов , полученных методом СГА ( сферического гармо нического анализа ), в момент максимума SFE в 17:53 UT ( в ).

Н av=36.6 нТл

1 1

-..........--..........

1

(17:20 UT) и для момента, когда возмущение достигает максимума (17:53 UT).

В качестве спокойного уровня (x0, y0, z0) мы принимали значения поля в 21–23 UT этого же дня, когда геомагнитное поле было спокойно (Kр=0+, АЕ ср=43 нТл). Этот уровень вычитался из текущих значений x, y, z. Так что Ax=x-x0, Ay=y-y0, Az=z-z0. Эти значения Ax, Ay, Az использовались для расчета эквивалентных ионосферных токов методом сферического гармонического анализа. В анализе были использованы данные 155 наземных геомагнитных станций, из которых 18 станций были расположены в северной высокоширотной зонах (70-90° N); 72 - в авроральной и субавроральной зоне (50-70° N); 32 - в среднеширотной (20-50° N); 16 - в низкоширотной и экваториальной зонах (20° N-20° S); 13 - в среднеширотной зоне Южного полушария (20-60° S); 4 - в юж ной высокоширотной зоне (60-90° S). Список и географические координаты станций приведены в табл. 1.

Система эквивалентных токов в 17:20 UT (рис. 4, в) близка к среднесуточной эквивалентной токовой системе для спокойных геомагнитных условий, построенной в [Zhang, Xiao, 2005] по данным 154 обсерваторий в Северном и Южном полушариях. Интегральными характеристиками этой системы являются фокальные значения утреннего и вечернего Sq-вихрей, величина трансполярного тока и фокальные значения среднеширотных дневного и ночного Sq-вихрей Северного полушария. Так же как и в среднесуточной системе, на рис. 4, в видно, что среднеширотная часть соответствует Sq-системе. В дневной части фокальное значение вихря совпадает с положением и значением вихря обычной Sq-системы (Jd=179 кА). Ночной Sq-вихрь смещен к ранним утренним часам (с 01:00 до 05:00 LT) и составляет Jn= –173 кА.

На рис. 5, в видно, что в 17:53 UT система эквивалентных токов претерпевает значительные качественные и количественные изменения относительно токовой системы в 17:20 UT. Значительно усиливается дневной вихрь J d =528 кА и меньше – ночной вихрь J n = –220 кА.

Из анализа токовых систем, полученных методом СГА, следует, что резкое возрастание токов на дневной стороне Земли связано с резким возрастанием S q -токов. Однако, в отличие от [Sabben, 1968], положение фокуса токовой системы не претерпевает существенного смещения и вихрь наблюдается на том же месте, что и для невозмущенных условий и для среднесуточной системы. В рассматриваемом событии резко возрастают токи в авроральной зоне, особенно в вечернем секторе, где резко усиливается восточный электроджет. Это видно на рис. 7, где приведен график вариаций эквивалентных токов по данным сети IMAGE. Интегральная величина восточного тока в 18:00 UT равна 73 кА, что близко к фокальному значению вечернего вихря на рис. 5, в (64 кА), фокус которого расположен на долготе ~270°.

На рис. 6 а в дано сравнение вариаций индексов авроральной магнитной активности, вариаций значений токов в среднеширотном ( J 1) и высокоширотном фокусах эквивалентной токовой системы (рис. 5, в ) с вариацией общего тока c 17:00 до 19:00 UT, определяемого значением H av по векторной диаграмме (рис. 5, б ). Видна высокая степень соответствия вариаций А Е -, A L -индексов вариациям J 1 и Н av (коэффициент корреляции пары J 1 и Н av R ~0.99).

Высокая корреляция наблюдается также между вариациями эквивалентных токов, вычисленных нами

Рис . 6. Вариации индексов авроральной магнитной ак тивности ( а ), вариации значений токов в фокусах средне широтного ( J 1) и высокоширотного вихрей ( J 0) ( б ), потока рентгеновского излучения на длине волны 0.5–4 Å и вариа ция среднего ( Н av) глобального магнитного поля SFE ( в ) .

двумя методами и представленных на рис. 6, и вариацией общего эквивалентного тока, вычисленного по данным магнитометров над цепочкой IMAGE (рис. 7). Усиление токов в вечернем секторе высоких широт регистрируется также по наблюдениям SFE на гренландской цепочке магнитометров (DMI) (график не приводится).

Сравнение вычисленных значений эквивалентных токов различными методами позволяет утверждать, что, в отличие от известных результатов [Mitra, 1974; Sabben, 1961, 1968; Gaya-Pique, et al., 2008; Veldkamp, Sabben, 1960], вспышка, сопровождаемая интенсивными потоками рентгеновского и гамма-излучения, вызывает не только глобальный геомагнитный эффект и резкое возрастание токов на освещенной полусфере средних и низких широт, но и усиление токов в авроральной зоне и полярной шапке. Подчеркнем, что в рассматриваемом событии не наблюдалось усиления потока вспышечных протонов, которые обычно вызывают ионизацию высокоширотной ионосферы.

Другие события

Насколько уникально рассматриваемое событие? В табл. 2 даны случаи больших рентгеновских вспышек, которые сопровождались гамма-излучением, но для которых не наблюдались солнечные энергичные протоны (SEP, solar energetic protons). В таблице видно, что для всех событий регистрировалась высокая авроральная активность, представленная A L-индексом. Другой особенностью этих событий является геомагнитная активность в полярной шапке, представленная РС -индексом.

Рис . 7. Вариация эквивалентных токов восточного и западного электроджетов над меридиональной цепочкой магнитометров IMAGE .

Таблица 1

Станция

Код

ϕ , град.

λ , град.

Станция

Код

ϕ , град.

λ , град.

1

Ny Alesund

NAL

78.92

11.95

55

Trapper Creek

TRA

62.24

209.58

2

Longyearbyen

LYR

78.20

15.82

56

Dombas

DOB

62.07

9.11

3

Thule

THL

77.47

290.77

57

Fort Simpson

FSI

61.76

238.77

4

Hornsund

HRN

77.00

15.37

58

Narsarsuaq

NAQ

61.16

314.56

5

Hopen Island

HOP

76.51

25.01

59

Nurmijarvi

NUR

60.51

24.66

6

Savissivik

SVS

76.02

294.90

60

Lerwick

LER

60.10

358.80

7

Котельный

KTN

75.94

137.71

61

Fort Smith

FSM

60.02

248.05

8

Resolute Bay

RES

74.69

265.10

62

Магадан

MGD

59.97

150.86

9

Kullorsuaq

KUV

74.57

302.82

63

Uppsala

UPS

59.90

17.35

10

Bear Island

BJN

74.50

19.20

64

Homer

HOM

59.70

209.53

11

Upernavik

UPN

72.78

303.85

65

Karmøy

KAR

59.21

5.24

12

Тикси

TIK

71.59

128.78

66

Fort Churchill

FCC

58.76

265.91

13

Barrow

BRW

71.32

203.38

67

Tartu

TAR

58.26

26.46

14

Umanaq

UMQ

70.68

307.87

68

Rabbit Lake

RAB

58.22

256.32

15

Чокурдах

CHD

70.62

147.89

69

Борок

BOX

58.07

38.23

16

Sørøya

SOR

70.54

22.22

70

Sitka

SIT

57.06

224.67

17

Clyde River

CRV

70.50

291.40

71

McMurray

MCM

56.66

248.79

18

Певек

PBK

70.10

170.90

72

Gillam

GIL

56.38

265.36

19

Kevo

KEV

69.76

27.01

73

Brorfelde

BFE

55.63

11.67

20

Tromsø

TRO

69.66

18.94

74

Shumagin

SHU

55.35

199.54

21

Taloyoak

TAL

69.54

266.45

75

Eskdalemuir

ESK

55.30

356.80

22

Норильск

NOR

69.40

88.40

76

Poste-de-la-Baleine

PBQ

55.28

282.26

23

Andenes

AND

69.30

16.03

77

Новосибирск

NVS

54.85

83.23

24

Godhavn

GDH

69.25

306.47

78

Meanook

MEA

54.62

246.65

25

Cambridge Bay

CBB

69.12

254.97

79

Hel

HLP

54.61

18.82

26

Kilpisjärvi

KIL

69.02

20.79

80

Island Lake

ISL

53.86

265.34

27

Gjoa Haven

GJO

68.60

264.10

81

Wingst

WNG

53.74

9.07

28

Ivalo

IVA

68.56

27.29

82

Паратунка

PTK

52.94

158.25

29

Abisko

ABK

68.36

18.82

83

Иркутск

IRT

52.17

104.45

30

Leknes

LEK

68.13

13.54

84

Niemegk

NGK

52.07

12.68

31

Muonio

MUO

68.02

23.53

85

Valentia

VAL

51.93

349.75

32

Ловозеро

LOZ

67.97

35.08

86

Belsk

BEL

51.84

20.79

33

Attu

ATU

67.93

306.43

87

Hartland

HAD

51.00

355.50

34

Kiruna

KIR

67.84

20.42

88

Manhay

MAB

50.30

5.70

35

Sodankyla

SOD

67.37

26.63

89

Pinawa

PIN

50.20

263.96

36

Sondre Strom-fjord

STF

67.02

309.28

90

Dourbes

DOU

50.10

4.60

37

Bettles

BTL

66.90

208.45

91

Львов

LVV

49.90

23.75

38

Pello

PEL

66.90

24.08

92

Budkov

BDV

49.08

14.02

39

Fort Yukon

FYU

66.56

214.78

93

Victoria

VIC

48.52

236.58

40

Pangnirtung

PGG

66.10

294.20

94

Newport

NEW

48.27

242.88

41

Contwoyto Lake

CON

65.75

248.75

95

Furstenfeldbruck

FUR

48.16

11.28

42

Sukkertoppen

SKT

65.42

307.10

96

Chambon la Foret

CLF

48.02

2.27

43

Poker

PKR

65.12

212.57

97

Hurbanovo

HRB

47.88

18.19

44

Rørvik

RVK

64.94

10.98

98

Nagycenk

NCK

47.63

16.72

45

College

CMO

64.87

212.14

99

St. John's

STJ

47.60

307.31

46

Oulujärvi

OUJ

64.52

27.23

100

Tihany

THY

46.90

17.89

47

Baker Lake

BLC

64.32

263.99

101

Ottawa

OTT

45.40

284.45

48

Leirvogur

LRV

64.18

338.30

102

Grocka

GCK

44.63

20.77

49

Godthab

GHB

64.17

308.27

103

Memambetsu

MMB

43.91

144.19

50

Dawson City

DAW

64.05

220.89

104

Алма-Ата

AAA

43.18

76.95

51

Rankin Inlet

RAN

62.82

267.89

105

L'Aquila

AQU

42.38

13.32

52

Mekrijärvi

MEK

62.77

30.97

106

Ebro

EBR

40.82

0.49

53

Gakona

CGN

62.39

214.87

107

Beijing

Ming Tombs

BMT

40.30

116.20

54

Hankasalmi

HAN

62.30

26.65

108

Boulder

BOU

40.14

254.76

Таблица 1 (продолжение)

Станция

Код

ϕ , град.

λ , град.

Станция

Код

ϕ , град

λ , град.

109

San Pablo-Toledo

SPT

39.55

355.65

133

Huancayo

HUA

–12.04

284.68

110

Fredericksburg

FRD

38.20

282.63

134

Kakadu

KDU

–12.99

132.47

111

Fresno

FRN

37.09

240.28

135

Apia

API

–13.81

188.22

112

San Fernando

SFS

36.67

354.06

136

Pamatai

PPT

–17.57

210.42

113

Kakioka

KAK

36.23

140.19

137

Antananarive

TAN

–18.92

47.55

114

Qsaybeh

QSB

33.87

35.64

138

Tsumeb

TSU

–19.20

17.58

115

Tucson

TUC

32.18

249.27

139

Charters Towers

CTA

–20.09

146.05

116

Kanoya

KNY

31.42

130.88

140

Learmonth

LRM

–22.22

114.10

117

Lanzhou

LZH

30.10

103.84

141

Vassouras

VSS

–22.40

316.40

118

Del Rio

DLR

29.50

259.08

142

Alice Springs

ASP

–23.76

133.88

119

Guimar-Tenerife

GUI

28.32

343.56

143

Hartebeesthoek

HBK

–25.88

27.71

120

Zhaoqing

GZH

22.97

112.45

144

Gnangara

GNA

–31.78

115.95

121

Honolulu

HON

21.32

202.00

145

Hermanus

HER

–34.42

19.22

122

Phuthuy

PHU

21.03

105.95

146

Canberra

CNB

–35.31

149.36

123

Teoloyucan

TEO

19.75

260.82

147

Martin de Vivies-Amsterdam Island

AMS

–37.80

77.57

124

Alibag

ABG

18.62

72.87

148

Trelew

TRW

–43.27

294.62

125

San Juan

SJG

18.11

293.85

149

Eyrewell

EYR

–43.42

172.35

126

Mbour

MBO

14.38

343.03

150

Port Alfred

CZT

–46.43

51.86

127

Guam

GUA

13.58

144.87

151

MCQuarie Island

MCQ

–54.50

158.95

128

Addis Ababa

AAE

9.02

38.77

152

Вернадский

AIA

–65.25

295.73

129

Bangui

BNG

4.33

18.57

153

Dumont d'Urville

DRV

–66.66

140.01

130

Kourou

KOU

2.21

307.27

154

Mawson

MAW

–67.60

62.88

131

Kototabang

KTB

–0.20

100.32

155

Scott Base

SBA

–77.85

166.78

132

Ascension Island

ASC

–8.00

345.60

Таблица 2

Дата вспышки

25.04.1984

18.08.1998

03.07.2002

15.07.2002

23.07.2002

04.11.2003

07.09.2005

06.12.2006

Начало γ - излучения

00.00

01.55

20.25

00.18

20.15

17.13

18.32

Максимум γ - излучения

00.02

02.12

20.27

00.30

20.17

17.43

18.45

Общий счет

105

2·104

18672056

9467162

236948384

9327690

14947479

52371728

Максимальная скорость счета

1500

1981

15305

4188

57379

3038

15856

14534

Максимальная

энергия кэВ

2000

300

100

50

800–7000

50–100

300–800

300–800

Балл

X- вспышки

4.9

1.5

3.0

4.8

28

17.0

6.5

Начало

X- вспышки

22.13

01.50

19.59

00.18

19.23

17.12

18.29

Максимум X- вспышки

22.16

02.10

20.08

00.35

19.40

17.35

18.47

SIM- H

16

3

–18

12

–41

–33

–44

–22

A L

–72

–147

–50

–44

–158

–120

–110

–178

РС ( Δ РС )

1.8(0.8)

1.2(0.4)

1.5(0.8)

1.9(0.7)

2.2(0.6)

–1.0(0.5)

2.4(1.5)

Δ I , к A (IMAGE)

E7.0×104

W8.5×104

E1.4×104

W4.0×104

E1.6×105

E1.2×105

E1.0×105

W2.9×105

E7.0×104

W0.7×104

E0.7×104

W1.0×104

Mag Lat

14

27

29

15

–11

17

–20

Анализ представленных в табл. 2 (строка «Δ I , кA (IMAGE)») данных о соотношении максимальных значений восточного и западного электроджетов над цепочкой IMAGE показывает, что в вечерние часы в трех событиях большее значение имеет восточный ток (15 и 23.07.2002 г. произошло усиление только восточного тока, а 07.09.2005 г. максимальное значение восточного тока на порядок превышает значение западного), а в четырех случаях происходит усиление и западного, и восточного электроджетов до сравнимых значений. Таким образом, возрастание интенсивности аврорального электроджета во время вспышек, сопровождаемых большими потоками жесткого электромагнитного излучения, подтверждается приводимой статистикой.

Основные результаты

  •    Рентгеновские вспышки балла >Х1.5, сопровождаемые большими потоками гамма-излучения с энергиями квантов >50 кэВ, вызывают глобальный SFE.

  •    Большие значения геомагнитного поля (А Н мах до ~150 нТл) наблюдаются в высоких широтах (в авроральной зоне и полярной шапке).

  •    Вариации геомагнитного поля на неосвещенной стороне синфазны в большом широтном интервале и достигают по амплитуде Δ Н мах ~10 нТл.

  •    Возрастания ионизации в вечернем секторе высоких широт вызывают усиление аврорального элек-троджета, обнаруживаемое независимыми методами: построением карт векторов эквивалентных ионосферных токов, СГА и расчетами значений эквивалентных ионосферных токов при помощи программ, доступных на сайте Финского метеорологического института http://www.ava.fmi.fi/MIRACLE/iono.html .

Обсуждение результатов

Во время SFE усиление ионосферных токов может быть вызвано несколькими причинами. Во-первых, увеличением ионизации и, как следствие, проводимости ионосферы. Во-вторых, возросшие токи в ионосфере могут вызвать усиление продольных токов, замыкающих глобальную магнитосферную токовую систему. Кроме этого, гамма-излучение, проникая на высоты ~20–50 км, ионизирует нейтральные атмосферные компоненты, создавая однородные двойные электрические слои [Горбачев и др., 1994].

Рассмотрим эти возможности подробнее.

  • 1.    На самом деле ночная ионосфера освещена в области полутени, простирающейся до >100 ° солнечного зенитного угла [Zhang, Xiao, 2005]. Авторы [Портнягина, Леонович, 2005] на основе метода частичного затенения ионосферы земным шаром показали, что до 35 % приращения полного электронного содержания приходится на области выше 300 км. Но высокие слои ионизируются ультрафиолетовым излучением. В случаях, приведенных в таблице, значительная доля энергии вспышки поступала в виде гамма-излучения, которое вызывает ионизацию нижней ионосферы до высот ~30 км.

  • 2.    Освещенность полярных областей будет меняться в зависимости от угла наклона диполя, который также определяет геомагнитную широту под-

  • солнечной точки. В Северном полушарии большая широта означает более сильный наклон диполя к Солнцу и, как следствие, большую освещенность и лучшую проводимость полярной ионосферы.
  • 3.    Модель, которая использует концепцию ионизированного слоя на субионосферных высотах, возникающего вследствие ионизации атмосферы гамма-излучением, развивалась в [Горбачев и др., 1994; Матрончик, 1994]. Электрическое поле, создаваемое таким слоем, создает в гиротропной ионосфере систему кольцевых токов, которые вследствие диффузии будут распространяться на большие расстояния и генерировать геомагнитные возмущения.

Геомагнитная широта подсолнечной точки для рассматриваемых событий приведена в последней колонке табл. 2. Она достаточно велика и положительна для четырех вспышек. К примеру, вспышка 15.07.2002 г. была не очень мощной (X3), но северный геомагнитный полюс имел зенитный угол ~61 ° , что могло обеспечить достаточно сильную ионизацию полярной ионосферы и вызвать усиление токов, создав магнитное возмущение с A L =–44 нТл. Вспышка 04.11.2003 г. была очень мощной, что вполне могло вызвать сильную ионизацию полярной ионосферы даже при небольшом наклоне диполя от Солнца. Событие 25.04.1984 г. характеризовалось очень большой интенсивностью гамма-квантов высоких энергий, что и определило существенный вклад гамма-излучения в ионизацию полярных областей.

В этом смысле представляет интерес событие 06.12.2005 г., которое произошло зимой, когда северная полярная ионосфера находится глубоко в тени, однако там было зарегистрировано магнитное возмущение с A L = –178 нТл. По-видимому, оно связано с возросшей активностью в южной полярной области, полюс которой имеет зенитный угол ~69 ° . Действительно, амплитуда х - компоненты на обсерваториях AIA (φ= –65°.3, λ= –64°.3) и DRV (φ= –66°.7, λ=140°) достигла соответственно 130 и 260 нТл, в то время как вблизи полудня на среднеширотной станции FRD (φ=38°.2, λ= –77°.4) амплитуда х -компоненты составила 60 нТл. Можно предположить, что эта активность вызвала интенсификацию продольных токов и, как следствие, возрастание активности в магнитосопряженных областях в Северном полушарии. Однако для экспериментального подтверждения данного предположения требуются дальнейшие исследования.

Выводы

Возможными причинами наблюдаемых эффектов могут быть:

  •    возрастание ионизации в области полутени Земли на разных высотах;

  •    зависимость освещенности полярных областей от угла наклона диполя;

  •    глобальное распространение геомагнитного возмущения может быть связано с возбуждением на стратосферных высотах диамагнитных токов, которые возникают вследствие ионизации нейтральных компонентов атмосферы гамма-квантами и могут давать вклад в интенсификацию токовых систем через модуляцию электромагнитных полей в волноводе Земля–ионосфера.

Авторы выражают признательность Jan Mann и членам команды за данные наблюдений геомагнитного поля на сетях Carisma и Canopus, J.F. Water-mann и Hans Gleisner за данные гренландской меридиональной сети. Авторы также благодарны за представленные данные Kyoto World Data Center for Geomagnetism, сети Intermagnet, меридиональных цепочек IMAGE и «210-й меридиан», за данные по рентгеновскому и гамма-излучению солнечных вспышек SPIDR NOAA и RHESSI Data Center.

Статья научная