Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 512, № 2, стр. 289-294

Геомагнитные возмущения, особенно сильные в виде магнитных бурь, сопровождаются рядом геофизических эффектов, изучение которых представляет особый интерес с точки зрения преобразования и взаимодействия физических полей, а также, что немаловажно, для понимания роли магнитного поля Земли в формировании не только условий среды обитания, но в целом и климата нашей планеты [1, 2].

Необходимо отметить, что магнитные бури проявляются в сейсмическом шуме [3], сопровождаются акустическими эффектами [4, 5] и оказывают прямое влияние на атмосферное электрическое поле, вызывая его повышенные вариации [5–9], и опосредованное влияние на работу GPS [10]. Однако, несмотря на достаточно большой объем наблюдательного материала, окончательного понимания причинно-следственных связей между магнитным возмущением и его эффектами, как и их возможных механизмов, до настоящего времени не существует. Это вызывает интерес к получению новых данных, получаемых в результате инструментальных наблюдений.

Последние годы характеризуются повышением магнитной активности на Земле, что хорошо видно из данных, представленных в табл. 1. Здесь следует добавить, что за пять месяцев 2023 г. (с 1 января по 31 мая) уже произошло 18 магнитных бурь, распределение которых по величине геомагнитной активности приведено ниже:

В настоящем сообщении рассматриваются геофизические эффекты в виде микробарических вариаций в атмосфере Земли, вариации электрического поля и отклик ионосферы на редкое событие: сильную магнитную бурю, произошедшую 23.04.2023 г.

В качестве исходных данных использовались результаты инструментальных наблюдений, выполненных в обсерватории “Михнево” ИДГ РАН (MHV; GEO: 54.9° с.ш.; 37.7° в.д.). Регистрация локальных геомагнитных вариаций выполнялась в специально оборудованном магнитном павильоне с помощью трехкомпонентного феррозондового магнитометра LEMI-018, электронный блок которого обеспечивает соответствующее преобразование данных, получаемых с феррозондового датчика с частотой дискретизации 1 Гц. Вертикальная компонента электрического поля Е регистрировалась измерителем напряженности электрического поля BOLTEK EFM-100 в диапазоне частот 0–10 Гц. Микробарические вариации измерялись с помощью микробарометра МБ-03, обеспечивающего устойчивую регистрацию акустических сигналов амплитудой от 0.01 до 200 Па в диапазоне частот 0.0003–10 Гц. При анализе отклика ионосферы на магнитную бурю в настоящей работе привлекались в виде ионограмм результаты высотно-частотного зондирования, выполненного в IAP (Leibniz-Institut Fur Atmospharen Physik; координаты ионозонда: 52.21° с.ш.; 21.06° в.д.), размещенные в свободном доступе на сайте https://www.iap-kborn.de. Выполнялась оценка критической частоты f₀F2 путем ручной обработки ионограмм с интерпретацией по методике URSI [11]. В результате формировался цифровой ряд данных временной вариации критической частоты F2-слоя f₀F2 с дискретизацией 5 мин.¹¹

Магнитная буря магнитудой G4 по шкале NOAA²² была вызвана мощной солнечной вспышкой интенсивностью М1.7, которая наблюдалась 21.04.2023 г., стала самой мощной в текущем цикле солнечной активности и характеризовалась высокими значениями планетарного К_р-индекса геомагнитной активности (табл. 2).

Примерно такое же развитие магнитной бури отмечено в обсерватории MHV (табл. 3), данные которой использованы в настоящей работе.

Как это следует из данных табл. 2, основной магнитной буре предшествовала суббуря, начало которой отмечено примерно в 12:00 UTC. Наибольшей мощности магнитная буря достигла в период с 18:00 до 21:00 UTC 23.04.2023 г., когда К_р-индекс геомагнитной активности достиг 8, что соответствует уровню G4 (тяжелый геомагнитный шторм). После некоторого спада геомагнитной активности до уровня G3 геомагнитные возмущения вновь достигли уровня G4 в период между 03:00 и 06:00 UTC 24.04.2023 г. Значительные геомагнитные возмущения такого высокого уровня сопровождались возникновением атмосферного оптического явления в виде полярного сияния на широтах московского региона.

Магнитная буря проявилась в приземном слое атмосферы высокими по амплитуде вариациями индукции магнитного поля. В качестве примера на рис. 1 приведены записи компонент индукции магнитного поля B_x (направление восток–запад), B_y (направление север–юг) и B_z (направление вниз), полученные в MHV. Характер магнитного возмущения типичен для магнитной бури. В частности, из данных рис. 1 видно, что внезапное начало магнитной бури (SCI) в виде кратковременного повышения B_z отмечается в ~18: 41 UTC. Основная наиболее сильная фаза развития бури проявилась 23.04.2023 г. в период с ~19:00 до 24:00 UTC в данном случае в виде бухтообразного понижения B_z на ~230 нТл. При этом вариации горизонтальных компонент B_x и B_y в отличие от вариаций B_z имеют знакопеременный вид (период вариаций ~45 мин) и характеризуются максимальной амплитудой соответственно ~150 и ~330 нТл.

Рис. 1.

Вариации компонент магнитного поля в период магнитной бури 23.04.2023 г.

Вторая фаза развития магнитной бури отмечается 24.04.2023 г. в период ~01:40–07:30 UTC 24.04.2023 г. В этом случае вариации всех компонент магнитной индукции менее продолжительны, имеют практически сходный вид и характеризуются максимальными амплитудами ~280 нТл (компонента B_x), ~140 нТл (компонента B_y) и ~120 нТл (компонента B_z).

Акустический эффект. Как показано в [4, 12], магнитные бури сопровождаются акустическим эффектом, вызванным движением ионосферных электроструй со сверхзвуковой скоростью. При этом выделяются несколько типов инфразвуковых колебаний: высокочастотные с периодом 0.5–1 сек и длительностью до нескольких часов, импульсные длительностью. ~5–15 сек, повторяющиеся в течение ~30–40 мин и квазисинусоидальные колебания с периодом ≈1–4 мин и длительностью ≈10–30 мин, которые наблюдаются на значительных расстояниях от источника.

В нашем случае основная фаза магнитной бури, сопровождавшаяся на широте MHV полярным сиянием, вызвала микробарические колебания в виде вариаций амплитуды Р с периодом ~20–25 мин и максимальной амплитудой ~2.5 Па (рис. 2).

Рис. 2.

Микробарические колебания, зарегистрированные в период магнитной бури 23.04.2023 г.

Возмущение микробарического фона атмосферы зафиксировано в ~19: 40 UTC и продолжалось с небольшой вариацией амплитуды в диапазоне 1.5–2 Па практически в течение всего периода магнитной бури вплоть до 05:00 UTC.

Электрический эффект. Результаты инструментальных наблюдений свидетельствуют о том, что магнитная буря 23.04.2023 г. сопровождалась характерными вариациями напряженности электрического поля. Запись вариаций вертикальной компоненты электрического поля Е в период основной фазы магнитной бури приведена на рис. 3.

Рис. 3.

Вариации электрического поля в период основной фазы магнитной бури 23.04.2023 г.

Как это следует из данных рис. 3, наиболее значимый электрический эффект наблюдался в период основной фазы возмущения магнитного поля в период с ~19:20–19:30 до ~20:00 UTC. Вызванная вариация электрического поля хорошо проявилась в виде положительной бухты с максимальной амплитудой около 300 В/м относительно тренда.

Отклик ионосферы. Результаты анализа временного хода критической частоты f₀F2 по результатам обработки данных IAP представлены на рис. 4. Из рис. 4 следует, что начало вариаций f₀F2 отмечается в ~18:40 UTC, практически непосредственно перед внезапным началом магнитной бури, в виде знакопеременных изменений величины в интервале примерно 3.8–7 МГц. Затем в ~19:30 UTC в течение примерно 40 мин наблюдается резкий спад критической частоты с ~7 до ~2.5 МГц, после чего значения f₀F2 остаются практически постоянными, слабо варьируя в достаточно узком диапазоне значений: 1.3–3.3 МГц.

Рис. 4.

Вариация критической частоты f₀F2 в период магнитной бури 23.04.2023 г. по данным ионосферной станции IAP.

Обобщая рассмотренные данные, можно констатировать, что основные эффекты, связанные с возмущением электрического и микробарического поля атмосферы, также как и вариации критической частоты f₀F2, наблюдались в период первой – основной фазы рассматриваемой магнитной бури, а именно 23.04.2023 г. в период примерно с 19:00 до 20:00 UTC. Вторая фаза магнитной бури, хорошо выраженная в геомагнитных вариациях и зарегистрированная 24.04.2023 г. в районе 04:00 UTC, не проявилась значимо в вариациях электрического и микробарического полей и в вариациях f₀F2. На это, по-видимому, следует обратить отдельное внимание при выработке непротиворечивых моделей, описывающих сильные возмущения геофизических полей в периоды интенсивной солнечной активности.

Приведенные данные свидетельствуют о сложном характере физических процессов, сопутствующих сильным магнитным бурям, и, по мнению авторов, могут быть полезными при всестороннем описании геофизических эффектов магнитных бурь, совершенствовании имеющихся и разработке новых моделей этих важных для среды обитания явлений.