Диссертация (1097516), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Из рис. 3.12а можно видеть, что наименьшееколичество данных по Еz, соответствующих условиям «хорошей погоды», приходитсяна зимний период.97Рис. 3.12. Вариации электрических параметров атмосферы (среднесуточныезначения) за период 01.05.2001 – 31.07.2002 гг. по данным измерений обсерватории г.апатиты: а – вариации вертикальной компоненты напряженности электрическогополя; б – вариации положительной (кривая 1) и отрицательной (кривая 2)электропроводности.Какотмечалось выше, в высоких широтах на фоне унитарной вариациинапряженности Еz с минимумом в интервале 03 – 06 UT и максимумом в 18 – 19 UT[Bering et al., 1998] наблюдаются флуктуации, связанные с солнечной и магнитнойактивностью.
На рис. 3.13 приведены зависимости Еz (компоненты электрическогополя, усредненные по сезонам и за год) от времени суток. Видно, что максимальныезначения Еz наблюдаются зимой, минимальные – летом и осенью. Аналогичную98сезонную зависимость имеет Еz -компонента на высокоширотной норвежской станцииКарасьок (широта 690 N) [Adlerman, Williams, 1996].Рис. 3.13. Суточные вариации градиента потенциала атмосферного электрическогополя по данным измерений обсерватории г. Апатиты (а) в зависимости от сезона: 1 –зима, 2 – весна, 3 – лето, 4 – осень; б – среднегодовые значения.
Вертикальные штрихина кривой показывают величину среднеквадратичного отклонения.99На рис. 3.14 приведены суточные зависимости нормированной Еz -компоненты (Еzn) поданным обсерватории Апатиты. Величины Еzn определены по следующей формуле:Рис. 3.14. Суточные вариации градиента потенциала атмосферного электрическогополя по данным измерений обсерватории г. Апатиты для различных условиймагнитной возмущенности. Вертикальные штрихи на кривой показывают величинусреднеквадратического отклонения.100Еzn = Еzh / Еz0(3.7),где Еzh и Еz0 -компоненты Еz усредненные, соответственно, за час и за день.Из рис. 3.14 видно, что Еz -компонента в утренние UT-часы увеличивается сростом Кр индекса.
Появление в суточном ходе Еz - компоненты дополнительногомаксимума, в ночные и утренние часы отмечалось для высоких широт в работах[Жданов и др., 1984; Ptitsyna et al., 1995; Tinsley et al., 1998], где это явлениеобъяснялось возможным проявлением магнитосферной конвекции в Еz - компоненте.Наши результаты также говорят о том, что появление утреннего и ночного максимума вЕz -компоненте при увеличении магнитной активности может быть связано сувеличениеммагнитосферногоэлектрическогополя,возникающегопривзаимодействии намагниченной плазмы солнечного ветра с магнитосферой Земли инаправленного с утренней на вечернюю сторону магнитосферы [Акасофу, Чепмен,1975; Исаев, Пудовкин, 1972; Pudovkin et al., 1968].
Усиление этого поля вызываеткрупномасштабную магнитосферную конвекцию, представляющую собой движениеплазмы от границы магнитосферы внутрь её и далее, по направлению к Земле [Исаев,Пудовкин, 1972]. Для поддержания магнитосферной конвекции необходимо наличиелибо южной компоненты межпланетного магнитного поля (ММП) (магнитного поля,переносимогов межпланетном пространстве потоками солнечного ветра), либоэффекта вязкого трения, возникающего при обтекании магнитосферы солнечнымветром [Акасофу, Чепмен, 1975; Исаев, Пудовкин, 1972; Pudovkin et al., 1968].Для оценки «магнитосферного» вклада в суточный ход Еz были выполненырасчеты проекций трех компонент ММП на реальный геомагнитный диполь взависимости от Единого времени –UT по методике, взятой из работы [Шумилов и др.,1988]. Для роста магнитосферной конвекции важны положительные значения проекцийкомпоненты на геомагнитный диполь, т.е., «отрицательные геоэффективные» значенияММП. На рис.
3.15 приведены расчеты «эффективной» компоненты ММП для разныхсезонов в зависимости от UT. Как видно из рис. 3.15, наблюдается сходство UTзависимостей «эффективной» компоненты ММП и Еz -компоненты для осеннего ивесеннего сезонов (см. рис. 3.12).101Рис.
3.15. Результаты применения методики [Шумилов, Вашенюк, Колосова, 1988] длярасчета «эффективного» межпланетного магнитного поля в зависимости от времени(UT): а – весна, б – лето, в – осень, г – зима, д – за весь год.Наблюдаемая UT-вариация Еz - компоненты, могла бы быть объяснена такжеблагоприятным расположением дневных полярных «каспов» магнитосферы, т.е.поворотом того или иного «каспа» в сторону Солнца. Напомним, что «касп» – этосвоеобразная «воронка», т.е., область, отделяющая замкнутые силовые линии на102дневной стороне магнитосферы от разомкнутых силовых линий, уходящих в «хвост».Через такую «воронку» солнечные космические лучи из межпланетного пространства ичастицы солнечного ветра свободно проникают в нижние слои атмосферы и ионосферы[Акасофу, Чепмен, 1975].На рис.
3.16 приведены UT-зависимости вариаций галактических космическихлучей (ГКЛ) за исследуемый период для магнитоспокойных условий (Кр 5) поданным нейтронного монитора, установленного в г.Апатиты. Интересно отметить, чтопри малых Кр, когда вклад магнитосферной конвекции уменьшается, UT-зависимостиЕz - компоненты и вариаций ГКЛ сходны между собой и подобны кривой Carnegie.Увеличение Еz с ростом интенсивности ГКЛ, является, скорее всего, следствием того,что и поток ГКЛ, и Еz зависят от магнитной активности в высоких широтах.Рис.
3.16. Суточная зависимость вариаций ГКЛ за исследуемый период по даннымнейтронного монитора обсерватории г. Апатиты. Вертикальные штрихи на кривойпоказывают величину среднеквадратического отклонения.Одним из возможных объяснений этого факта может служить то обстоятельство,что в спокойной геомагнитной обстановке влияние магнитосферных процессов наатмосферное электрическое поле ослабевает и остается лишь поле, вызванноегрозовыми облаками и локальными источниками.
С другой стороны, известно, что одиниз источников грозовой активности, низкая облачность, также коррелирует с потокамиГКЛ в глобальном масштабе [Svensmark, Friis-Christensen, 1997; Palle, Butler, 2001]. Вэтом случае UT-вариации ГКЛ могут быть определяющими и для грозовой активности,и для вариаций Еz. Унитарная (UT) зависимость ГКЛ может быть связана с103несколькими факторами, а именно с расположением «каспов» и с условиямипроникновения и распространения космических лучей в магнитосфере, в частности, с«квазидрейфом» высокоэнергичных частиц [Shumilov et al., 1993].Таким образом, результаты анализа измерений вариаций атмосферногоэлектрического поля в высоких широтах свидетельствуют о том, что суточный ход Еz компоненты в авроральной зоне в значительной степени обусловлен влияниеммагнитосферных электрических полей и вариациями галактических космических лучей.Эта связь осуществляется сложным образом и зависит от ориентации магнитногодиполя относительно линии Солнце – Земля, уровня магнитной возмущенности, атакже от сезона и времени суток.3.5 Эффекты солнечных космических лучей в вариацияхатмосферного электрического поля.Эффектысолнечныхвспышекикосмическихлучейватмосферномэлектрическом поле исследовались в ряде работ [Моисеев и др., 1985; 1993; Сobb, 1967;Reiter, 1969; 1971; Markson, 1971; 1978; Olson et al., 1978; Reagan et al., 1983; Goldberg,1984; Sheftel et al., 1994; Zadorozhny et al., 1994; Rycroft et al., 2000; Farrel, Desch, 2002].Отмечалось, что вторжение солнечных протонов релятивистских энергий (СКЛ) можетпривести к значительным изменениям электрических свойств атмосферы.
Например, вработах [Holzworth, Mozer, 1979; Reagan et al., 1983] сообщалось о значительномпонижении величины Ez (на 90%) и об увеличении проводимости на высоте 30 км вовремя GLE 4 августа 1972 г. Такая реакция атмосферы не противоречит концепции«глобальной электрической цепи», согласно которой в атмосфере течет ток,определяемый разностью потенциалов между ионосферой и поверхностью Земли (~250 кВ) и проводимостью атмосферы σ, которая, в свою очередь, в нижней атмосферезависит от ионизации, вызываемой космическими лучами и эманацией радона изпочвы. Генератором тока в такой «цепи» служит грозовая активность в тропическойзоне (см. рис. 3.17) [Rycroft et al., 2000]. Предположительно, что некоторые планетыСолнечной Системы (Венера, Марс, Титан) имеют сходную с Землей атмосфернуюэлектрическую систему или «глобальную электрическую цепь» [Aplin, 2006].Проводимость также зависит от степени загрязненности атмосферы, облачности,наличия аэрозолей и, в приземном слое, от метеорологических факторов.
Соотношениемежду этими величинами в приближении «хорошей погоды» определяется закономОма [Чалмерс, 1974; Reagan et al., 1983; Farrel, Desch, 2002]:104jz = σEz(3.8),где:jz – плотность тока.Рис. 3.17. Схема глобальной токовой цепи [Rycroft, 2000].Согласно модельным оценкам, использующим соотношение (3.8), тольковысокоэнергичные частицы (E>450 МэВ), проникающие до тропосферных высот иниже, как во время событий типа GLE, могут вызвать лишь незначительные (~5%)изменения величины Ez на поверхности Земли [Reagan et al., 1983; Farrel, Desch, 2002].Однако существует ряд экспериментальных фактов, которые, на первый взгляд,противоречат классической концепции «глобальной электрической цепи». Например,согласно [Гапонов и др., 1988; Никифорова и др., 2003; 2005; Hale, Croscey, 1979]высыпания частиц с гораздо меньшими энергиями (сотни электрон-вольт) вавроральной зоне во время магнитосферных возмущений могут привести к вариациямEz на поверхности Земли.
С другой стороны, по данным ракетных и баллонныхизмерений в стратосфере и нижней мезосфере обнаружено одновременное увеличениеEz и σ во время двух событий GLE (16 февраля 1984 г. и 19 октября 1989 г.) [Holzworthet al., 1987; Zadorozhny et al., 1994]. Всё это можно объяснить, если вспомнить, чтосуществование больших электрических полей в стратосфере и мезосфере может бытьсвязано с аэрозольными слоями [Hale, Croscey, 1979; Holzworth et al., 1987; Zadorozhnyet al., 1994].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
