Диссертация (1149666), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Результаты работы докладывались на конференциях:• “Солнечная и солнечно-земная физика” (Пулково, Россия) в 2010, 2012 и 2013-м годах;• “Problems of geocosmos” (Санкт-Петербург, Россия) в 2010-м и 2012-м годах;• “Physics of auroral phenomena” (Апатиты, Россия) в 2011-м году;• “Взаимодействие полей и излучения с веществом” (Иркутск, Россия) в 2011-м году;• American Geophysical Union’s 45th annual Fall Meeting (Сан-Франциско, США) в 2012-мгоду;• Space Climate 5 symposium (Оулу, Финляндия) в 2013-м году;• “Физика плазмы в солнечной системе” ИКИ РАН (Москва, Россия) в 2014-м году.Личный вклад.
Автор принимал участие в постановке задачи, отборе и обработке используемых данных. Все результаты, описанные в диссертации, были получены автором самостоятельно. Большая часть численных расчетов и анализ полученных результатов был выполнен всреде программирования и математических вычислений MATLAB, где автором разрабатывалисьнеобходимые алгоритмы.Работа была поддержана грантом РФФИ 12-02-31531 (Мой первый грант) “Восстановлениесекторной структуры межпланетного магнитного поля по данным геомагнитных наблюдений вСанкт-Петербурге и Хельсинки во второй половине 19 века”.6Публикации. Основные материалы диссертации изложены в восьми печатных изданиях, четыре из которых опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК:• Vokhmyanin, M.
V. and D. I. Ponyavin (2012), Inferring interplanetary magnetic field polaritiesfrom geomagnetic variations, J. Geophys. Res., 117, A06102.• Вохмянин, М. В. и Д. И. Понявин (2012), Реконструкция секторной структуры межпланет-ного магнитного поля по данным геомагнитных станций, Геомагнетизм и аэрономия, Т.52,№6, С.755–762.• Vokhmyanin, M.
V. and D. I. Ponyavin (2013), Sector structure of the interplanetary magneticfield in the nineteenth century, Geophys. Res. Lett., 40, 3512—3516.• Lockwood, M. and Nevanlinna, H. and Vokhmyanin, M. and Ponyavin, D. and Sokolov, S. andBarnard, L. and Owens, M.
J. and Harrison, R. G. and Rouillard, A. P. and Scott, C. J. (2014),Reconstruction of geomagnetic activity and near-Earth interplanetary conditions over the past167 yr — Part 3: Improved representation of solar cycle 11, Ann. Geophys., 32, 367–381.также четыре статьи опубликованы в сборниках трудов конференций:• Вохмянин, М. В. и Д. И.
Понявин (2013), Межпланетное магнитное поле в 19-м веке игеоэффективные секторные границы, в сб. Труды Всероссийской ежегодной конференциипо физике Солнца “Солнечная и солнечно-земная физика — 2013”, под ред. А. В. Степановаи Ю. А. Наговицына, СПб, С.51–54.• Вохмянин, М. В. и Д. И. Понявин (2012), Восстановление секторной структуры межпланет-ного магнитного поля во второй половине 19 века, в сб. Труды Всероссийской ежегоднойконференции по физике Солнца “Солнечная и солнечно-земная физика — 2012”, под ред.А. В. Степанова и Ю. А.
Наговицына, СПб, С.39–42.• Вохмянин, М. В. и Д. И. Понявин (2010), Восстановление межпланетного магнитного поляпо геомагнитным наблюдениям, в сб. Труды Всероссийской ежегодной конференции пофизике Солнца “Солнечная и солнечно-земная физика — 2010”, под ред. А. В. Степанова иЮ. А. Наговицына, СПб, ВВМ, С.97–100.• Vokhmyanin, M. V.
and D. I. Ponyavin (2010), Reconstruction of the IMF polarity fromgeomagnetic observations, in: Proceedings of the 8th International Conference “Problems ofGeocosmos” (St. Petersburg, Russia, 20–24 September 2010), ed. V. S. Semenov, St. PetersburgUniv. Press, P.274–279.Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения иприложения. Полный объем диссертации составляет 129 страниц с 71 рисунком и 9 таблицами.Список литературы содержит 88 наименований.7Глава 1Обзор основных понятийВ данной работе исследуются свойства межпланетного магнитного поля и далее используются понятия магнитосферной и солнечной физики.
Поэтому данная глава представляет собойкраткое введение в тематику работы и используемых физических терминов.1.1 Магнитное поле СолнцаСолнце обладает магнитным полем, сосредоточенным в конвективной зоне (от ∼0.7RJ )и выше. Именно магнитное поле обеспечивает наблюдаемую солнечную активность — пятна,вспышки, корональные выбросы массы и др. Солнечная активность циклична и имеет период∼11 лет. Крупномасштабное магнитное поле имеет дипольную форму и в минимуме солнечнойактивности сонаправлено с осью вращения Солнца. В каждом цикле это поле меняет полярностьоколо максимума солнечной активности.Самый верхний слой атмосферы Солнца — солнечная корона, не удерживается гравитацион-ными силами, и вследствие этого постоянно расширяется со сверхзвуковыми скоростями.
Соответствующий поток заряженных частиц был предсказан Паркером ещё до первых спутниковыхизмерений в межпланетном пространстве [1]. Он же ввёл для данного потока частиц термин“солнечный ветер”. Высокая проводимость солнечного ветра позволяет вместе с заряженными частицами переносить и магнитное поле короны. Это свойство называется вмороженностьюмагнитного поля, поскольку движение частиц и магнитных силовых линий жёстко взаимосвязано.
Выносимое в межпланетное пространство магнитное поле Солнца называют межпланетныммагнитным полем (далее используется сокращение ММП).Открытые магнитные поля, уносимые солнечным ветром в межпланетное пространство, формируют области с ММП, направленным либо от Солнца (положительная полярность), либо кСолнцу (отрицательная). Соответственно, между ними образуется гелиосферный токовый слой(ГТС). Слева на рис. 1.1 показана зарисовка ГТС из работы Смита [5], справа показана модельГТС, рассчитанная для расстояния 75 а.е. [6].
В зависимости от положения ГТС относительноЗемли, в плоскости эклиптики наблюдается ММП либо одной, либо другой полярности. Вращение Солнца обеспечивает чередование ММП противоположных полярностей. Таким образом8формируется секторная структура ММП. Впервые она была обнаружена в спутниковых данныхВилкоксом и Нэссом [2, 7]. Если ГТС наклонён к плоскости эклиптики, за один оборот СолнцаЗемлю пересекают два сектора ММП противоположной полярности, и, соответственно, наблюдается двухсекторная структура ММП.
Если ГТС сильно возмущён и имеет волнистую форму,может наблюдаться четырёхсекторная структура, в редких случаях — структуры более высокихпорядков.Рисунок 1.1: Слева: схема почти плоского гелиосферного токового слоя [5]: М — осьмагнитного диполя, Ω — ось вращения; справа: модель ГТС на расстоянии 75 а.е. [6].Исследования ММП осуществляются в разных системах координат. Подробное обсуждениеэтого вопроса представлено в главе 4.1. Чаще всего для исследования ММП вблизи магнитосферы используется GSM система координат (Geocentric Solar Magnetospheric coordinate system).Ось X в этой системе направлена из центра Земли на Солнце.
Ось Z лежит в плоскости земногомагнитного диполя и оси X. Ось Y завершает правостороннюю систему координат.1.2 Геомагнитное полеУ Земли, так же как и у Солнца, есть собственное магнитное поле, которое называютгеомагнитным полем. Оно имеет почти дипольную форму. Магнитный и географический полюсане совпадают. Как и магнитное поле Солнца, геомагнитное поле меняет полярность (инверсиимагнитного поля). Однако, в случае Земли периодичность этого процесса остаётся под вопросом,а характерные времена составляют от десятков тысяч лет до десятков миллионов лет.
Вблизиземной поверхности геомагнитное поле измеряется на специально оборудованных магнитныхстанциях (обсерваториях). Наблюдения проводятся в общепринятых системах геомагнитных координат: измеряются X, Y , Z, H, D и I компоненты геомагнитного поля. На рис. 1.2 показано,каким образом определяется каждая компонента.
X компонента направлена строго на географический север, Y — на восток, Z перпендикулярна плоскости XY и направлена к центру Земли.H копонента, или просто горизонтальная компонента, является проекцией вектора геомагнитно9го поля на плоскость XY , то есть указывает на магнитный север. D компонента, или склонение,определяется углом между направлением на географический и магнитный север.
I компонента,наклонение, определяется углом между плоскостью XY и вектором геомагнитного поля. Полнаяинтенсивность магнитного поля Земли, соответственно определяется по формулам:F =√X2 + Y 2 + Z2или просто:√F =H2 + Z2Так как ось вращения и ось диполя не совпадают, для определения положения относительномагнитного поля Земли используются геомагнитные координаты. Геомагнитная широта (г.м.ш.)отсчитывается от геомагнитного экватора.Геомагнитное поле само по себе меняется очень медленно.
Наблюдаемые у поверхностимагнитные вариации в основном вызываются ионосферными и магнитосферными токами.ГеографическийсеверМагнитныйсеверXHDIГеографическийвостокYFZРисунок 1.2: Схема определения компонент геомагнитного поля.Магнитосфера образуется в околоземном космическом пространстве в результате взаимодействия магнитного поля Земли и солнечного ветра. Со стороны Солнца земное магнитное полесжимается, а поток заряженных частиц солнечного ветра огибает его, образуя с ночной сторонытак называемый хвост магнитосферы.
Граница магнитосферы и межпланетного магнитного поля — магнитопауза, с подсолнечной стороны находится на расстоянии 6–15 земных радиусов, взависимости от параметров солнечного ветра.Ионосфера — верхний слой земной атмосферы, формируется за счёт реакции ионообразования на высотах более 60 км. Реакция происходит при взаимодействии нейтральных молекул атмосферы и космического излучения. Из-за повышенной концентрации заряженных частиц ионосфера обладает большой проводимостью, особенно на высотах порядка 100 км. Это обеспечивает возможность замыкания магнитосферных токов через ионосферу.
Так возникают продольные10(вдоль магнитных силовых линий) и горизонтальные (поперек силовых линий) ионосферныетоковые системы, свойства которых определяются параметрами солнечного ветра.Рисунок 1.3: Эффект Свальгарда-Мансурова; слева: геомагнитные вариации в Z и Hкомпонентах поля соответственно на станциях Туле и Годхавн во время отрицательнойполярности ММП; справа: то же самое для положительной полярности ММП. Графики изработы Свальгарда [3].111.3 Эффект Свальгарда-МансуроваИсследуя вариации геомагнитного поля на полярных станциях, Свальгард [3] и Мансуров [4],обнаружили, независимо друг от друга, следующий эффект: для противоположных полярностейММП наблюдались разные типы геомагнитных вариаций.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
