Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 497, № 1, стр. 71-77
Вариации электрических характеристик приземной атмосферы в периоды магнитных бурь
С. А. Рябова 1, *, А. А. Спивак 1
1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт динамики геосфер имени академика М.А. Садовского Российской академии наук
Москва, Россия
* E-mail: riabovasa@mail.ru
Поступила в редакцию 25.09.2020
После доработки 28.10.2020
Принята к публикации 14.12.2020
Аннотация
Анализируются результаты инструментальных наблюдений за вариациями электрического поля и атмосферного тока в приземной атмосфере во время 58 сильных магнитных бурь за период 2016–2019 гг., по данным среднеширотной геофизической обсерватории “Михнево” ИДГ РАН. Показано, что геомагнитные возмущения со станционным К-индексом магнитной активности, превышающим 5, сопровождаются вариациями вертикальной компоненты электрического поля Земли. При этом установлен разный характер вариаций: в одних случаях регистрируется бухтообразное увеличение или уменьшение электрического поля, в других – знакопеременное изменение увеличенной амплитуды. В целом амплитуда вариаций электрического поля характеризуется величиной 5–580 В/м. Одновременно с этим в периоды магнитных бурь регистрируются повышенные вариации атмосферного тока амплитудой до 80 пА/м2. Представленные результаты дополняют соответствующую базу данных и могут представлять интерес при совершенствовании известных и разработке новых моделей взаимодействия и преобразования геофизических полей и их верификации.
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 Bx, By и Bz 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).
Таблица 1.
№ п/п | Дата | Время суток, UTC | К | Максимальная амплитуда вариации BH, нТл | Максимальная амплитуда вариации Е, В/м | Максимальная амплитуда вариации I, пА/м2 |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 21.01.2016 | 15–18 | 5 | 70 | 175 | 2 |
2 | 24.01.2016 | 15–24 | 5 | 35 | 95 | 2 |
3 | 06.03.2016 | 18–24 | 5 | 105 | 65 | 5 |
4 | 07.03.2016 | 18–24 | 5 | 65 | 85 | 14 |
5 | 11.03.2016 | 12–15 | 5 | 50 | 5 | 4 |
6 | 15.03.2016 | 18–21 | 5 | 85 | 320 | 2 |
7 | 12.04.2016 | 09–12 | 6 | 40 | 25 | 6 |
8 | 05.06.2016 | 12–15 | 5 | 75 | 580 | 15 |
9 | 29.09.2016 | 15–18 | 6 | 105 | 100 | 3 |
10 | 30.09.2016 | 18–21 | 6 | 122 | 75 | 20 |
11 | 13.10.2016 | 15–21 | 6 | 65 | 60 | 2 |
12 | 25.10.2016 | 12–18 | 7 | 80 | 20 | 1 |
13 | 27.10.2016 | 15–18 | 5 | 70 | 140 | 3 |
14 | 24.11.2016 | 12–15 | 5 | 35 | 190 | 4 |
15 | 25.11.2016 | 15–18 | 5 | 70 | 55 | 2 |
16 | 07.12.2016 | 18–21 | 5 | 90 | 45 | 40 |
17 | 08.12.2016 | 15–21 | 5 | 45 | 10 | 3 |
18 | 09.12.2016 | 18–21 | 5 | 75 | 6 | 10 |
19 | 22.12.2016 | 18–21 | 5 | 70 | 5 | 3 |
20 | 07.01.2017 | 12–15 | 5 | 40 | 60 | 4 |
21 | 26.01.2017 | 15–21 | 5 | 25 | 180 | 4 |
22 | 31.01.2017 | 12–15 | 5 | 15 | 70 | 2 |
23 | 01.02.2017 | 15–18 | 6 | 60 | 10 | 5 |
24 | 02.02.2017 | 15–18 | 5 | 55 | 50 | 2 |
25 | 17.02.2017 | 15–18 | 5 | 20 | 15 | 10 |
26 | 01.03.2017 | 12–18 | 5 | 50 | 110 | 1 |
27 | 02.03.2017 | 12–15 | 5 | 50 | 50 | 2 |
28 | 03.03.2017 | 15–18 | 5 | 45 | 400 | 3 |
29 | 06.03.2017 | 12–15 | 5 | 105 | 65 | 5 |
30 | 27.03.2017 | 21–24 | 6 | 45 | 140 | 5 |
31 | 31.03.2017 | 15–18 | 5 | 60 | 300 | 40 |
32 | 01.04.2017 | 15–18 | 5 | 30 | 105 | 1 |
33 | 22.04.2017 | 15–18 | 6 | 100 | 185 | 4 |
34 | 23.04.2017 | 12–15 | 5 | 75 | 35 | 3 |
35 | 03.06.2017 | 15–18 | 5 | 40 | 60 | 75 |
36 | 09.07.2017 | 9–12 | 5 | 35 | 25 | 15 |
37 | 16.07.2017 | 12–18 | 6 | 100 | 155 | 4 |
38 | 17.07.2017 | 15–18 | 5 | 60 | 150 | 7 |
39 | 31.08.2017 | 12–15 | 5 | 50 | 175 | 3 |
40 | 08.09.2017 | 12–15 | 7 | 200 | 30 | 8 |
41 | 14.09.2017 | 15–18 | 5 | 40 | 80 | 4 |
42 | 17.09.2017 | 12–15 | 5 | 40 | 25 | 80 |
43 | 27.09.2017 | 18–24 | 6 | 140 | 10 | 5 |
44 | 30.09.2017 | 12–15 | 5 | 80 | 70 | 1 |
45 | 13.10.2017 | 12–15 | 5 | 20 | 20 | 3 |
46 | 24.10.2017 | 12–18 | 6 | 45 | 65 | 3 |
47 | 08.11.2017 | 12–15 | 6 | 40 | 35 | 6 |
48 | 21.11.2017 | 15 – 18 | 5 | 80 | 5 | - |
49 | 05.12.2017 | 12–18 | 5 | 60 | 20 | 15 |
50 | 12.12.2017 | 18–21 | 5 | 65 | 12 | 25 |
51 | 22.02.2018 | 18–21 | 5 | 40 | 25 | 3 |
52 | 27.02.2018 | 0–3 | 5 | 15 | 70 | 1 |
53 | 18.03.2018 | 18–24 | 5 | 60 | 100 | 6 |
54 | 20.04.2018 | 18–21 | 5 | 100 | 40 | 3 |
55 | 01.10.2018 | 12–15 | 5 | 20 | 10 | 3 |
56 | 07.10.2018 | 15–21 | 5 | 40 | 15 | 2 |
57 | 28.02.2019 | 12–15 | 5 | 60 | 170 | 2 |
58 | 01.03.2019 | 15–18 | 5 | 30 | 55 | 6 |
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 BH = ($B_{x}^{2}$ + $B_{y}^{2}$)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 ВН характеризовалась величиной ~65 нТл, а вертикальной компоненты Вz 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).
Таблица 2.
Индексы геомагнитной активности | Время (UTC) | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
0–3 | 3–6 | 6–9 | 9–12 | 12–15 | 15–18 | 18–21 | 21–24 | |
07.03.2016 г. | ||||||||
КР | 4 | 5 | 4 | 3 | 3 | 3 | 4 | 5 |
К | 4 | 3 | 3 | 2 | 3 | 4 | 5 | 5 |
13.10.2016 г. | ||||||||
КР | 2 | 3 | 2 | 3 | 4 | 6 | 5 | 4 |
К | 2 | 2 | 3 | 4 | 4 | 6 | 6 | 5 |
12.12.2017 г. | ||||||||
КР | 2 | 3 | 2 | 2 | 1 | 3 | 4 | 3 |
К | 2 | 2 | 2 | 2 | 1 | 3 | 5 | 3 |
28.02.2019 г. | ||||||||
КР | 4 | 3 | 2 | 3 | 4 | 4 | 5 | 3 |
К | 3 | 2 | 1 | 3 | 5 | 4 | 5 | 3 |
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 BH. Основная фаза первого события, в которой вариация горизонтальной компоненты магнитного поля ВН характеризовалась величиной ~60 нТл, а вертикальной компоненты Вz 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.
Аналогичный по форме вариаций Е эффект наблюдался в 10 случаях из табл. 1.
На рис. 3 приведены результаты регистрации BH и Е в период магнитной бури 13.10.2016 г. (данные MHV). Основная фаза события, в которой вариация горизонтальной компоненты магнитного поля ВН хорошо выраженного знакопеременного вида характеризовалась величиной ~65 нТл, а вертикальной компоненты Вz величиной ~40 нТл, пришлась на период ~15:00–18:20 UTC. Сопутствующие вариациям BH вариации Е зарегистрированы в тот же период времени, имеют также знакопеременный вид, близкий по характеру вариациям BH (максимальная амплитуда Е ~ 60 В/м).
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 BH, 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 BH. 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.
Таблица 3.
Параметр | Интервал вариаций | |
---|---|---|
К = 5 | К = 6 | |
BH, нТл | 15–105 | 40–140 |
E, В/м | 5–580 | 10–185 |
I, пА/м2 | 1–80 | 2–20 |
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.
Список литературы
Апсен А.Г., Канониди Х.Д., Чернышева С.П., Шефтель В.М. Магнитосферные эффекты в атмосферном электричестве. 1988. М.: Наука, 150 с.
Бандилет О.И., Канониди Х.Д., Чернышева С.П., Шефтель В.М. Эффекты магнитосферных суббурь в атмосферном электрическом поле // Геомагнетизм и аэрономия. 1986. Т. 26. № 1. С. 159–160.
Клейменова Н.Г., Козырева О.В., Кубицки М., Оджимек А., Малышева Л.М. Влияние суббурь в ночном секторе Земли на вариации приземного атмосферного электрического поля в полярных и экваториальных широтах // Геомагнетизм и аэрономия. 2012. Т. 52. № 4. С. 494–500.
Frank-Kamenetsky A.V., Trochichev O.A., Burns G.B., Papitashvili V.O. Variations of the Atmospheric Electric Field in the Near-pole Region Related to the Interplanetary Magnetic Field // J. Geophys. Res. 2001. V. 106. P. 179–190.
Olson D.E. The Evidence for Auroral Effects on Atmospheric Electricity // Pure Appl. Geophys. 1971. V. 84. P. 118–138.
Sao K. Correlation between Solar Activity and the Atmospheric Potential Gradient at the Earth’s Surface in the Polar Regions // J. Atmos. Terr. Phys. 1967. V. 29. P. 213–215.
Клейменова Н.Г., Козырева О.В., Михновски С., Кубицки М. Эффект магнитных бурь в вариациях атмосферного электрического поля в средних широтах // Геомагнетизм и аэрономия. 2008. Т. 48. № 5. С. 650–659.
Смирнов С.Э. Реакция электрического состояния приземной атмосферы на геомагнитную бурю 5 апреля 2010 г. // ДАН. 2014. Т. 456. № 3. С. 342–346.
Адушкин В.В., Овчинников В.М., Санина И.А., Ризниченко О.Ю. “Михнево”: от сейсмостанции № 1 до современной геофизической обсерватории // Физика Земли. 2016. № 1. С. 108–120.
Спивак А.А., Локтев Д.Н., Рыбнов Ю.С. и др. Геофизические поля мегаполиса // Геофизические процессы и биосфера. 2016. Т. 15. № 2. С. 39–54.
Reiter R. Phenomena in Atmospheric and Environmental Electricity. Amsterdam-London-New York-Tokyo: Elsevier, 1992. 541 p.
Адушкин В.В., Соловьев С.П., Спивак А.А. Электрические поля техногенных и природных процессов. М.: ГЕОС, 2018. 464 с.
Барышев В.И., Вааг Л.Л., Гаврилов Б.Г. Датчик приземного вертикального тока атмосферы // Проблемы взаимодействующих геосфер. М.: ГЕОС, 2016. С. 358–364.
Клейменова Н.Г., Козырева О.В., Кубицки М., Михновски С. Утренние полярные суббури и вариации атмосферного электрического поля // Геомагнетизм и аэрономия. 2010. Т. 50. № 1. С. 51–60.
Belova E., Kirkwood S., Tammet H. The Effect of Magnetic Substorms on Near-ground Atmosphere Currents // Ann. Geophys. 2001. V. 18. P. 1623–1629.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Доклады Российской академии наук. Науки о Земле