Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 497, № 1, стр. 71-77

Среди многочисленных факторов, определяющих вариации электрического поля в приземном слое атмосферы, особо следует выделить геомагнитные возмущения, проявляющиеся в виде сильных магнитных бурь. Магнитные бури вызывают усиление ионосферного электрического поля, что приводит к вариациям градиента потенциала электрического поля у земной поверхности [1, 2]. Влияние магнитных бурь на электрическое поле атмосферы изучалось в большинстве работ в условиях авроральных и субполярных широт, где эффект проявляется более ярко [3–6]. Немногочисленные исследования связаны с описанием указанного эффекта для условий средних широт [7, 8]. Следует отметить, что вопрос, касающийся связи между геомагнитными вариациями и атмосферным электричеством, в настоящее время не решен в полной мере. Для построения адекватных моделей наблюдаемого явления требуется существенное пополнение соответствующей базы данных за счет результатов инструментальных наблюдений.

В настоящем сообщении рассматриваются сопутствующие магнитным бурям вариации вертикальных компонент напряженности электрического поля Е и атмосферного тока I в приземном слое атмосферы по данным среднеширотной Геофизической обсерватории “Михнево” ИДГ РАН (MHV; 54.94° с.ш.; 37.73° в.д.) [9] и Центра геофизического мониторинга г. Москвы (ЦГМ; 55.71° с.ш.; 37.57° в.д.) [10]. Анализировались данные за период 2017–2019 гг., полученные в дни, характеризующиеся условиями, близкими к так называемым “условиям хорошей погоды” (отсутствие осадков, тумана, плотной низкой облачности, сильного ветра, скорость которого превышает 6 м/с и т.д. [11]), а также отсутствием сильных локальных возмущений электрического поля, камуфлирующих эффект от магнитных бурь (грозовые ячейки, прохождение атмосферных фронтов, возмущения техногенной природы и т.д.). Результаты регистрации выложены на сайте ИДГ РАН в графическом и цифровом виде.

Измерения компонент индукции магнитного поля¹¹ B_x, B_y и B_z выполнялись с помощью феррозондового цифрового магнетометра LEMI-018, обеспечивающего регистрацию в диапазоне ±68 000 нТл с разрешением 10 пТл (частота выборки 1 Гц). Измерения напряженности электрического поля и вертикального атмосферного тока осуществлялись соответственно с помощью статического флюксметра ИНЭП [12] в диапазоне частот 0–20 Гц и компенсационного регистратора тока [13] с частотой выборки 1 Гц. Привлекались данные, полученные в дни, характеризующиеся повышенной геомагнитной активностью. В общей сложности за период 2016–2019 гг. было рассмотрено 58 событий со станционным К-индексом геомагнитной активности (по данным MHV) от 5 до 7 (табл. 1).

Анализ имеющихся данных свидетельствует о наличии хорошо выраженных вариаций электрического поля в периоды сильных магнитных бурь [1]. При этом отмечается, что вызванные вариации электрического поля проявляются чаще либо в виде резкого кратковременного, либо бухтообразного уменьшения Е относительно суточного хода [7, 14]. Вместе с тем в ряде случаев наблюдаются положительные отклонения в Е (положительные возмущения), что характерно для утреннего сектора Земли [14]. Наибольший эффект от магнитосферных возмущений в вариациях электрического поля наблюдается в главную фазу магнитных бурь [7]. Вызванные вариации электрического поля рассматривались, как правило, относительно среднесуточного хода Е. Однако в настоящей работе вследствие высокой суточной вариабельности Е вариации напряженности электрического поля, сопровождающие магнитные бури, рассматривались в абсолютных величинах. Анализ показал, что наряду с отрицательными и положительными в периоды магнитных бурь наблюдаются также знакопеременные возмущения электрического поля. При этом характер вариаций Е и I в MHV и ЦГМ одинаков по морфологии. Ниже будут рассмотрены примеры вариаций Е, сопутствующих магнитным бурям.

На рис. 1 совместно с вариацией горизонтальной компоненты магнитного поля B_H = ($B_{x}^{2}$ + $B_{y}^{2}$)^1/2 в период магнитной бури 12.12.2017 г. приведены вариации вертикальной компоненты напряженности электрического поля Е по данным MHV и ЦГМ. Магнитная буря 12.12.2017 г. зарегистрирована в период с 16:00 до 21:00 UTC. При этом основная фаза события, в которой вариация горизонтальной компоненты магнитного поля В_Н характеризовалась величиной ~65 нТл, а вертикальной компоненты В_z величиной ~27 нТл, пришлась на период ~18:30–20:20 UTC. Восстановительная фаза бури длилась до ~22:00 UTC. Согласно данным MHV станционный индекс магнитной активности К = = 5 для периода 18:00–21:00 UTC (табл. 2).

Рис. 1.

Вариации горизонтальной компоненты магнитного поля B_H, вертикальной компоненты напряженности электрического поля Е и усредненного за период 30 с модуля вертикального атмосферного тока I в приземной атмосфере в период магнитной бури 12.12.2017 г. по данным MHV и ЦГМ.

Данные рис. 1 свидетельствуют о том, что основные вариации электрического поля наблюдались на начальном периоде развития магнитной бури. В целом электрический эффект магнитной бури можно характеризовать как бухтообразное отрицательное возмущение. При этом следует отметить, что существенно больший эффект наблюдался в условиях ЦГМ, где амплитуда изменения вертикальной компоненты напряженности электрического поля составила ~400 В/м. Подобного вида эффект наблюдался в 19 из 58 случаев, приведенных в табл. 1.

На рис. 2 приведены вариации вертикальной компоненты напряженности электрического поля Е, зарегистрированные в MHV в период двух магнитных бурь 28.02.2019 г. (см. табл. 1). Для сравнения на рис. 2 представлены также вариации B_H. Основная фаза первого события, в которой вариация горизонтальной компоненты магнитного поля В_Н характеризовалась величиной ~60 нТл, а вертикальной компоненты В_z величиной ~35 нТл, пришлась на период ~14:00–15:20 UTС. В этом случае основные вариации электрического поля, зарегистрированные при первой магнитной буре, имеют вид положительной бухты и наблюдаются в период ~13:00–15:00 UTC. Вызванные вариации Е начались примерно в середине начальной фазы развития магнитной бури, захватив начальный период ее основной фазы. Амплитуда изменения вертикальной компоненты напряженности электрического поля составила ~170 В/м. Вариации Е в период второй магнитной бури (18:00–21:00 UTC) также имеют вид положительной бухты, однако с существенно меньшей амплитудой.

Рис. 2.

То же в период магнитной бури 28.02.2019 г. по данным MHV.

Аналогичный по форме вариаций Е эффект наблюдался в 10 случаях из табл. 1.

На рис. 3 приведены результаты регистрации B_H и Е в период магнитной бури 13.10.2016 г. (данные MHV). Основная фаза события, в которой вариация горизонтальной компоненты магнитного поля В_Н хорошо выраженного знакопеременного вида характеризовалась величиной ~65 нТл, а вертикальной компоненты В_z величиной ~40 нТл, пришлась на период ~15:00–18:20 UTC. Сопутствующие вариациям B_H вариации Е зарегистрированы в тот же период времени, имеют также знакопеременный вид, близкий по характеру вариациям B_H (максимальная амплитуда Е ~ 60 В/м).

Рис. 3.

То же в период магнитной бури 13.10.2016 г. по данным MHV.

Знакопеременный характер вариаций электрического поля в периоды магнитных бурь наблюдался в 29 случаях из табл. 1.

Наряду с возмущениями электрического поля магнитные бури вызывают вариации вертикального тока в приземном слое атмосферы [15]. Результаты настоящей работы также свидетельствуют о том, что магнитные бури в большинстве своем сопровождаются изменениями атмосферного тока. Ввиду того, что ряды наблюдений за током в атмосфере I, выполненные с дискретностью 1 с, отличаются сильной вариабельностью, для анализа использовались ряды, полученные усреднением исходных записей по интервалам от 10 до 100 с.

На рис. 1–3 в качестве примера приведены усредненные по интервалам 30 с значения модуля вертикального атмосферного тока в периоды рассмотренных выше магнитных бурь. Анализ полученных данных свидетельствует о том, что в отличие от вызванных вариаций Е, которые могут наблюдаться не только в основной период магнитных бурь (рис. 2 и 3), но и в ее начальный период (см. пример на рис. 1), вызванные вариации атмосферного тока регистрируются, как правило, в основные периоды магнитных бурь. Следует также отметить, что атмосферный ток характеризуется большей чувствительностью к сильным геомагнитным вариациям по сравнению с электрическим полем. Это хорошо видно из данных рис. 2, которые показывают, что вторая магнитная буря, зарегистрированная в 18:00–21:00 UTC 28.02.2019 г., проявилась в вариациях I так же хорошо, как и первая, зарегистрированная в 12:00–15:00 UTC. Как уже отмечалось выше, эффект второй магнитной бури в вариациях Е значительно слабее по сравнению с эффектом первой магнитной бури.

В результате выполненного анализа экспериментальных данных можно заключить, что сопутствующие магнитным бурям с К ≥ 5 повышенные вариации электрического поля характеризуются разной формой. В основном (в 50% рассмотренных случаев) в периоды сильных магнитных бурь наблюдаются знакопеременные вариации напряженности электрического поля. В ~33% случаев – бухтообразное отрицательное изменение Е, и в ~17% случаев – бухтообразное изменение Е в сторону положительных значений. Эффект магнитных бурь в вариациях атмосферного тока выражен более ярко по сравнению с аналогичным эффектом в электрическом поле и наблюдается в основном в периоды максимального развития магнитных бурь. В целом амплитуда вариаций электрического поля характеризуется величиной 5–580 В/м (табл. 1), амплитуды повышенных вариаций атмосферного тока в периоды магнитных бурь лежат в диапазоне от 1 до 80 пА/м².

Результаты настоящей работы свидетельствуют о значительном интервале изменения амплитуды вариаций магнитного поля и амплитуд отклика электрических характеристик приземной атмосферы на сильные геомагнитные возмущения при одном и том же их количественном показателе магнитной активности К. В качестве иллюстрации в табл. 3 приведены интервалы вызванных вариаций B_H, E и I для наиболее часто встречающихся магнитных бурь с К = 5 и К = 6. Из данных табл. 3 также следует, что при одном и том же уровне геомагнитной активности К интервал вызванных вариаций Е на порядок шире интервала вариаций B_H. В качестве возможной причины разного по амплитуде отклика электрических характеристик приземной атмосферы на магнитные события, характеризующиеся одинаковым значением К-индекса (т.е. сходными по интенсивности геомагнитными возмущениями), следует рассматривать разные типы межпланетных источников магнитных бурь (магнитные облака МС, CIR, Shear, Ejecta), различный ионосферный отклик на магнитные бури, а также, что не менее важно, влияние локальных геофизических условий в месте проведения инструментальных наблюдений.

В настоящее время интерпретация полученных данных затруднена из-за отсутствия адекватных моделей, описывающих рассматриваемое явление с учетом разного рода факторов: времени события (дневной или ночной сектор), состояния атмосферы и ионосферы в этот период, а также особенностей локальных условий в месте регистрации геомагнитных вариаций и т.д. Установление природы и возможных механизмов возбуждения вариаций электрического поля в периоды магнитных бурь требует проведения дополнительных исследований. Тем не менее авторы полагают, что полученные в настоящей работе данные могут дополнить имеющиеся представления о вариациях электрического поля, сопутствующих сильным магнитным бурям, и окажутся полезными при разработке и верификации теоретических и расчетных моделей магнитных бурь, а также сопровождающих их геофизических процессов.