Северо-Южная асимметрия геомагнитной активности и электрическое поле солнечного ветра

Известно [Siebert, 1968; Wilcox, 1968], что геомагнитная активность в положительном секторе межпланетного магнитного поля (ММП) в Cеверном полушарии выше, чем в Южном, а в отрицательном секторе ММП, наоборот, активность выше в Южном полушарии. В отмеченных работах анализируются геомагнитные трехчасовые данные [Siebert, 1968] или суточные вариации в отдельные периоды [Wilcox, 1968]. Однако в них не рассматривалось влияние уровня магнитной активности на величину асимметрии.

Для выяснения физической природы северо-южной асимметрии магнитной активности необходимо рассмотреть ее по всему массиву данных и в периоды с различной магнитной активностью.

Анализировались трехчасовые данные геомагнитных индексов а n и а s за 1968–1975 гг. и их среднесуточные значения A _n и A _s [Geomagnetic Data, 1972–1976]. Весь массив данных разделялся на два класса по знаку секторной структуры ММП от Солнца (положительный сектор) и к Солнцу (отрицательный сектор). В каждый класс входили четыре группы в зависимости от уровня магнитной активности. Первую группу составили дни, имеющие суточную сумму Σ Κ р , равную 0 ÷ 12 баллам, вторую — 13 ÷ 18, третью — 19 ÷ 23, четвертую — 24 ÷ 33. Обработка данных проводилась методом наложенных эпох. В результате по каждой группе получены трехчасовые данные и их месячные значения.

ГОДОВЫЕИ СУТОЧНЫЕ ВАРИАЦИИ

В работе [Данилов, 1998] показано, что превышение магнитной активности в положительном секторе ММП в Северном полушарии равно превышению активности в отрицательном секторе ММП в Южном полушарии. Для выделения асимметрии применим следующую комбинацию геомагнитных индексов A n и A s Северного и Южного полушарий соответственно. В качестве активного варианта A образуем сумму среднемесячных значений A =( A ⁺ n + A ^– s ), где знаки «+» и «–» относятся к положительному и отрицательному секторам ММП. Для сравнения образуем контрольный вариант Κ =( A ^–_n+ A ⁺_s). Результаты для четырех групп Σ Κ р представлены на рис. 1. Видно, что кривые в активном варианте А расположены выше, чем в контрольном варианте K . При этом различие между А и K увеличивается с ростом магнитной активности. В спокойные периоды ( Σ Κ р =0÷12) различие между А и K практически исчезает.

Рассмотрим изменения а _n и а _s по времени суток. Для этого по данным трехчасовых а n и а s был проведен гармонический анализ Фурье и определены амплитуда R и время T максимума суточной вариации. В качестве времени T принято солнечное время Северного геомагнитного полюса GMT, отличающееся от гринвичского времени UT на 4.5 ч (GMT=UT–4.5). В солнечно-эклиптической системе координат вектор

Рис. 1. Годовой ход магнитной активности для активного (•—•) и контрольного (○—○) вариантов. Активный вариант соответствует сумме ( А _n⁺+ А _s^–), контрольный вариант — ( А _n^–+ А _s⁺), где индексы обозначают Северное (n) и Южное (s) полушария и полярность секторов ММП. Цифрами обозначены уровни магнитной активности: 1 — Σ Κ р =0÷12; 2 — 13÷18; 3 — 19÷23; 4 — 24÷33

с амплитудой R с фазой максимума T (выраженной в градусах) можно разложить на две компоненты а _x = R cos T и а _y = R sin T , направленные по геомагнитному меридиану и параллели соответственно. Если причиной геомагнитной активности являются ионосферные токи, очевидно, что а x -компонента обусловлена токами, текущими по геомагнитным параллелям, а а y -компонента — токами, текущими по меридиану. По компонентам а x и а y образуем комбинации A и K . Результаты представлены на рис. 2. Отметим, что в случае а y приняты абсолютные значения , так как эта компонента имеет противоположные знаки в положительном и отрицательном секторах ММП.

Видно, что в случае а_x варианты А и К практически не отличаются, а в случае а y кривые варианта А расположены значительно выше, чем для контрольного варианта K . Это означает, что северо-южная асимметрия магнитной активности связана с ионосферными токами, текущими вдоль меридиана.

ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ЭФФЕКТА

Авторы работ [Siebert, 1968] и [Wilcox, 1968] считают, что полушария Земли более восприимчивы к магнитным возмущениям, когда хвостовое поле магнитосферы Земли имеет противоположное направление относительно ММП и может произойти пересоединение полей. Эта идея вызывает два замечания. Во-первых, в долях хвоста поле имеет только B_x -компоненту. Следовательно, пересоединение может произойти только с B x -компонентой ММП. Однако в работах [Шеломенцев, 1977] и [Yoshizawa,

1986] показано, что северо-южная асимметрия магнитной активности связана с азимутальной B y -компонентой ММП. Автор работы [Petrukovich, 2011] по данным ИСЗ Geotail показал, что B y -компонента ММП существенно влияет на B y -компоненту магнитного поля в плазменном слое, которая зависит от угла наклона геодиполя. В работе [Cao et al., 2014] на базе измерений Cluster этот результат был подтвержден. Следовательно, идея пересоединения полей в радиальном направлении не может быть принята для объяснения асимметрии. Во-вторых, если допустить, что хвостовое поле магнитосферы Земли и ММП все-таки пересоединяются, остается неясным, как передать энергию пересоединения в средние широты, так как доли хвоста связаны силовыми линиями с полярной шапкой.

Автор работы [Шеломенцев, 1977] считает, что в периоды (+) ММП авроральная утренняя электроструя возрастает, а возвратные токи в Северном полушарии смещаются к экватору, а в Южном полушарии — к полюсу. Сделан вывод, что возвратные холловские токи утренней электроструи являются причиной северо-южной асимметрии. Это неверно, поскольку эти токи текут в основном по параллелям, а их магнитный эффект должен проявляться в а x -компоненте. Из рис. 2 видно, что в этой компоненте асимметрия полушарий не проявляется совсем. Согласно данным рис. 2, асимметрия проявляется в а y -компоненте суточной вариации, т. е. связана с меридиональными токами.

В работе [Yoshizawa, 1986] отмечено, что на величину асимметрии влияет суббуревая активность. Там же получено, что величина асимметрии зависит от магнитного местного времени. Магнитная и суббуревая активности — не тождественные понятия. В отличие от суббуревой магнитная активность не обязательно изменяется в результате накопления энергии в хвосте магнитосферы.

Мы предлагаем следующую качественную схему образования северо-южной асимметрии магнитной активности. ММП проникает в доли хвоста магнитосферы и генерирует электрическое поле E =–[ V × B ], где V — скорость солнечного ветра, В — магнитное поле хвоста, направленное к Земле в северной доле хвоста и от Земли в южной. В долях хвоста происходит электрический дрейф плазмы (рис. 3). Видно, что в активном варианте скорость дрейфа V А направлена с утренней стороны хвоста на вечернюю, а в контрольном варианте — с вечера на утро. На высотах ионосферы дрейфу подвержены только электроны, а протоны остаются на месте из-за частых соударений с нейтралами. Следовательно, в полярной ионосфере генерируются токи, текущие с вечера на утро. Это согласуется с известным фактом [Ионосферно-магнитные возмущения …, 1986], что в положительном секторе ММП в Северном полушарии вечерний вихрь конвекции расширяется на большую часть полярной шапки, что эквивалентно появлению электрического тока поперек полярной шапки.

В активном варианте положительные заряды скапливаются на утренней стороне полярной ионосферы, а отрицательные заряды — на вечерней. Эти дрейфовые заряды усиливают существующее электри-

Рис. 2. Годовой ход 0÷12 часовых ( а_x ) и 6÷18 часовых ( а_y ) компонент суточной вариации магнитной активности для активного (•—•) и контрольного (○—○) вариантов. Цифрами обозначены уровни магнитной активности: 1 — Σ Κ р =0÷12; 2 — 13÷18; 3 — 19÷23; 4 — 24÷33

Рис. 3. Схема, иллюстрирующая электрический дрейф плазмы в долях хвоста магнитосферы в положительном (+) и отрицательном (–) секторах ММП. B _N и B _S — магнитное поле в северной и южной долях хвоста, E ⁺ и E ^– — электрическое поле солнечного ветра, V _A и V _K — скорость дрейфа плазмы в долях хвоста для активного А и контрольного K вариантов магнитной активности

ческое поле Е, связанное с продольными магнитосферными токами зоны 1 [Iijima, Potemra, 1976]. В контрольном варианте дрейф происходит с вечера на утро, и дрейфовые заряды ослабляют поле, образованное токами зоны 1. В активном варианте создается дополнительное электрическое поле между высокими и средними широтами. В этом поле развиваются дополнительные токи Педерсена, текущие от высоких широт в средние в утреннем секторе ионосферы и в обратном направлении в вечернем. До- полнительные токи Педерсена в сочетании с существующими токами в полярной ионосфере замыкают втекающие токи зоны 1 и вытекающие токи зоны 2, которые существуют, по-видимому, во всей области от средних широт до авроральной зоны. Таким образом, в случае положительного сектора ММП в Северном полушарии развивается дополнительная токовая система, состоящая из продольных токов зон 1 и 2, дрейфовых и педерсеновских токов в полярной и среднеширотной ионосферах. В периоды отрицательного ММП токовая система развивается в Южном полушарии. Для контрольного варианта эта токовая система не развивается, так как она прерывается в полярной шапке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы сводятся к следующему.

• 1.    На большом экспериментальном материале подтвержден вывод о том, что в положительном секторе ММП геомагнитная активность в Северном полушарии выше, чем в Южном, а в отрицательном секторе активность выше в Южном полушарии. Получено дополнительно, что асимметрия полушарий тем больше, чем выше уровень магнитной активности. В спокойные периоды асимметрии нет.

• 2.    Асимметрия полушарий проявляется в а y -ком-поненте суточной вариации магнитной активности, а в а x -компоненте асимметрия отсутствует полностью.

• 3.    Непосредственной причиной северо-южной асимметрии являются, вероятно, меридиональные токи Педерсена, текущие между высокими и средними широтами в ионосфере.

• 4.    Предложена качественная модель образования асимметрии. Электрическое поле солнечного ветра E =–[ V × B ] проникает в доли хвоста магнитосферы и создает здесь электрический дрейф плазмы. На высотах ионосферы этот дрейф усиливает электрическое поле поперек полярной шапки и генерирует дополнительное электрическое поле между высокими и средними широтами. В этом поле образуются токи Педерсена, ответственные за наблюдаемую асимметрию магнитной активности в двух полушариях.

Настоящая работа была начата совместно с А.А. Даниловым, ушедшим из жизни 24.12.2011 г.