Физика Земли, 2021, № 1, стр. 51-60

ВВЕДЕНИЕ

Геомагнитные вариации, наблюдаемые на земной поверхности, регистрируются в достаточно широком диапазоне периодов: от вековых вариаций (длительностью десятки–сотни лет) до вариаций длительностью несколько минут – доли секунд. В частности, обычными источниками последних (так называемый диапазон ультра-низких частот, 0.01–30 Гц) считают геомагнитные пульсации Pc1/Pi1, шумановские резонансы, ионосферный альвеновский резонатор, шумовой сигнал увеличенной амплитуды вблизи грозовых фронтов и квазипериодические сигналы после спрайтов, прохождение внутренних атмосферных волн через ионосферу [Троицкая, Гульельми, 1969; Belyaev et al., 1990; Fraser-Smith, 1993; Fullekrug et al., 1998; Shalimov, Bosinger, 2006; Куницын, Шалимов, 2011]. Во всех названных исследованиях источником магнитных сигналов считают магнитосферу, ионосферу или атмосферу.

Наибольшую интенсивность в геомагнитных вариациях имеют приливные гармоники, которые проявляются во всех геосферах (от внутреннего ядра до ионосферы) [Рябова, Спивак, 2019], причем во внешних геосферах (атмосфера, ионосфера) воздействие обусловлено в основном термическими приливами (т.е. воздействием на внешние геосферы со стороны Солнца) [Шалимов, 2018]. Анализ показывает, однако, что достаточно часто происхождение интенсивных спектральных пиков трудно связать с гармониками приливов. При этом они оказываются достаточно близкими к периодам в 5, 10 и 16 дней. В свою очередь эти периоды соответствуют так называемым планетарным волнам или волнам Россби в атмосфере Земли, посредством которых осуществляется связь между различными внешними оболочками.

Наиболее разработанный теоретический подход для описания планетарных волн в атмосфере основан на поиске решений линеаризованных однородных уравнений для неподвижной изотермической атмосферы на вращающейся сфере (эти решения иногда называют “нормальные моды волн Россби”). Каждая мода представляется упорядоченной парой целых чисел $\left( {m,n - m} \right)$, где $m$ ‒ зональное волновое число, $n$ ‒ индекс меридиональной структуры (связанный с индексом функции Хафа). Для возмущений геопотенциала меридиональная структура будет симметричной относительно экватора для нечетных $n - m$ и антисимметричной для четных. Обычно регистрируют возмущения атмосферных параметров в диапазоне периодов Т ≈ 4.5–6.2 дня, Т ≈ 7.5–12 дней, Т ≈ 11–21 день. В соответствии с теоретическим подходом эти возмущения принято называть квази-5-дневными, квази-10-дневными и квази-16-дневными волнами и обозначать как (1,1), (1,2), (1,3). Наиболее интенсивными в спектре являются квази-16-дневные волны.

Атмосферные планетарные волны имеют отличную от нуля вертикальную скорость [Hirota, Hirooka, 1984], которая, однако, невелика (2–10 км/день). В результате ожидаемая их связь с ионосферой может (в зависимости от условий прохождения) либо отсутствовать, либо наблюдаться со значительной задержкой во времени.

Следствием проникновения энергии атмосферных планетарных волн на высоты ионосферы стало бы либо непосредственное обнаружение вариаций ионосферных параметров в диапазоне периодов этих волн, либо наземная регистрация вариаций геомагнитного поля в указанном диапазоне. В последнем случае вариации были бы обусловлены воздействием планетарных волн на ионосферные токи (текущие в нижней ионосфере, на высотах слоя Е). Причина воздействия ‒ соударения нейтральных и заряженных частиц в слабоионизованной плазме ионосферы.

Типичные для атмосферных планетарных волн периоды были сначала обнаружены в вариациях ионосферного поглощения радиоволн (D-область), причем эти периоды ассоциировались с одновременными 5-дневными волнами в стратосфере [Frazer, 1977]. Позднее по наземным наблюдениям были зарегистрированы квази-16-дневные осцилляции горизонтальной компоненты магнитного поля и, с опережением в 1 мес., осцилляции давления на высотах стратосферы [Kohsiek et al., 1995].

В настоящей работе с использованием результатов геомагнитного мониторинга на геофизической обсерватории “Михнево” и методов спектрального анализа исследованы спектральные гармоники геомагнитных вариаций в диапазоне периодов от 4 до 17 сут.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДЫ

Исследование основано на анализе спектров геомагнитных вариаций, зарегистрированных на Геофизической обсерватории “Михнево” Института динамики геосфер РАН. Регистрация геомагнитных вариаций на обсерватории выполняется с дискретизацией 1 с с помощью цифрового трехкомпонентного феррозондового магнитометра LEMI-018, размещенного в специально оборудованном павильоне. Магнитометр LEMI-018 имеет высокую разрешающую способность ‒ 10 пТл, низкий уровень шумов на 1 Гц ‒ < 10 ср. кв. пТл, что позволяет достоверно зарегистрировать даже слабые изменения в магнитном поле Земли.

При выполнении спектрального оценивания в настоящих исследованиях применяется параметрический подход, подразумевающий создание математической модели для аппроксимации порождающего процесса исследуемого временного ряда. При этом спектральная плотность мощности (СПМ) становится функцией параметров такой модели [Гольденберг и др., 1985]. Применение параметрических методов не требует создания окон, подавляющих растекание спектра, и, следовательно, позволяет повысить разрешающую способность. Качество оценки определяется соответствием выбранной модели рассматриваемому процессу [Бычков и др., 2017].

При вычислении спектров геомагнитных вариаций используется авторегрессионная (АР) модель, которая представляет собой уравнение, предсказывающее k-й член последовательности по p предыдущим [Рабинер, Гоулд, 1978]:

где: a_n – коэффициенты авторегрессии; ε(k) – остаточный член регрессии; p ‒ порядок модели.

СПМ определяется по следующему выражению [Марпл, 1990]:

При построении АР-модели для определения коэффициентов используется система уравнений Юла–Уокера [Сергиенко, 2011], для решения этой системы используется рекуррентная процедура – метод Левинсона–Дурбина [Durbin, 1960; Levinson, 1946].

АНАЛИЗ ДАННЫХ

Остановимся подробнее на анализе спектров геомагнитных вариаций в диапазоне, близком к периоду 5-суточной планетарной волны. На рис. 1 приведены спектры за периоды: с декабря 2008 г. по февраль 2009 г. (зимний период, низкая солнечная активность), с июня 2009 г. по август 2009 г. (летний период, низкая солнечная активность), с декабря 2014 г. по февраль 2015 г. (зимний период, высокая солнечная активность), с июня 2015 г. по август 2015 г. (летний период, высокая солнечная активность). Анализ спектров, приведенных на рис. 1, показывает, что во всех спектрах присутствует спектральная составляющая, которую можно отождествить с одной из гармоник 27-суточной геомагнитной вариации (приблизительно 6 сут). Напомним, что 27-суточные вариации связывают с периодом обращения видимой поверхности Солнца относительно земного наблюдателя (периодичность обусловлена неравномерным распределением активных областей на Солнце). Кроме того, в спектрах можно идентифицировать целый ряд спектральных гармоник, обусловленных так называемым модуляционным воздействием длиннопериодных вариаций на более короткопериодные [Рябова, Спивак, 2019], т.е. в спектрах присутствуют гармоники с частотами ${{\omega }_{0}}$ (основная гармоника), ${{\omega }_{0}} + \Omega $ (верхняя боковая гармоника) и ${{\omega }_{0}} - \Omega $ (нижняя боковая гармоника), где ω₀ ‒ круговая частота немодулированного несущего колебания, Ω ‒ частота модуляции амплитуды несущего колебания [Андреев, 1982]. Например, в спектре за зимний период 2009 г. пик с периодом 6 сут ‒ гармоника 27-суточной периодичности; пики с периодами ~5.98 и ~6.02 сут ‒ модуляционное воздействие на эту гармонику 11-летним циклом; пики с периодами ~5.9 и ~6.1 сут ‒ модуляционное воздействие на эту гармонику годовой вариации; пики с периодами 5.81 и 6.21 сут ‒ модуляционное воздействие на эту гармонику полугодовой вариации. Как видно из рис. 1, такие же пики хорошо идентифицируются в спектре и в другие временные промежутки. Однако в целом они лучше проявляются в период сильной солнечной активности.

Для исследования проявлений планетарных волн в геомагнитных вариациях интерес представляет наличие в спектре гармоники с периодом, близким к пяти суткам. Как показывает анализ вычисленных спектров (рис. 1), такого рода гармоника отчетливо идентифицируется только в зимний период времени. При этом установлено, что интенсивность гармоники с периодом, близким к 5-суточной планетарной волне (в отличие от модуляционных гармоник), слабо зависит от солнечной активности, причем при переходе от низкой к высокой солнечной активности положение пика интенсивности квази-5-дневной волны достаточно стабильно.

Анализ спектров геомагнитных вариаций в диапазоне, близком к периоду 10-суточной планетарной волны (рис. 2), таким же образом демонстрирует наличие спектральных гармоник. Часть из них, как и в случае спектров в диапазоне периодов от 4 до 7 сут, можно объяснить модуляционным воздействием: 11-летнего цикла, годовой и полугодовой вариаций. В этом диапазоне обнаруживается та же зависимость спектрального состава от сезона и солнечной активности: присутствие в спектре 10-суточной планетарной волны только в случае зимнего периода времени (приблизительно с одинаковой интенсивностью вне зависимости от уровня солнечной активности); увеличение интенсивности гармоник, обусловленных амплитудно-модулируемым воздействием в период сильной солнечной активности. Также можно отметить небольшой сдвиг пика квази- 10-дневной волны в длиннопериодную область при переходе от низкой к высокой солнечной активности.

Кроме того, в настоящей работе выполнен анализ спектров геомагнитных вариаций в двухнедельном диапазоне (16-суточная планетарная волна). Из рис. 3 видно, что в спектре можно идентифицировать двухнедельную гармонику 27-суточной периодичности и пики, обусловленные модуляционным воздействием 11-летнего цикла, годовой и полугодовой вариаций. Наблюдается увеличение интенсивности вариаций в периоды высокой солнечной активности.

Здесь следует отметить, что в спектрах удается идентифицировать несколько гармоник. Наличие в спектрах пиков с периодами ~13.66 и ~14.76 сут и в зимний, и летний период в периоды высокой и низкой солнечной активности можно объяснить проявлением в спектре воздействия лунно-солнечного прилива [Адушкин и др., 2017; Шереметьева, 2011], поскольку периоды этих гармоник близки к периодам приливных волн М_f и M_sf [Riabova, 2018]. Причем в период низкой солнечной активности проявление этих гармоник значительнее.

Детальный анализ спектров в двухнедельном диапазоне выявил в спектрах геомагнитного поля в зимний период гармоники с квази-16-суточным периодом, которые можно интерпретировать как проявление атмосферной планетарной 16-суточной волны. В летний период не удается идентифицировать такую гармонику. Можно отметить также небольшой сдвиг пика квази-16-дневной волны в длиннопериодную область при переходе от низкой к высокой солнечной активности и независимость интенсивности вариации от уровня солнечной активности.

Все полученные результаты суммированы в табл. 1–табл. 3. Как видно из приведенных в табл. 1–табл. 3 данных, исследование спектров в диапазонах, близких к периодам планетарных волн (5, 10 и 16 сут), позволяет сделать следующие выводы.

Большая часть спектральных пиков обусловлена гармониками 27-суточной геомагнитной вариации и модуляционным воздействием на них 11-летним циклом, годовой и полугодовой вариаций. В двухнедельном диапазоне присутствуют гармоники с периодами, близкими к периодам приливных волн М_f и M_sf. При этом спектральные пики, которые можно связать непосредственно с проявлением атмосферных планетарных волн, идентифицируются только в зимний период времени. Заметим, что интенсивности всех указанных спектральных пиков оказываются сопоставимыми.

С привлечением данных регистрации атмосферного давления, выполненной автоматизированной метеорологической станцией Davis Vantage Pro2, был проведен анализ кросскорреляционной связи между вариациями магнитного поля и атмосферного давления в приземном слое атмосферы. При вычислении кросскоррелограммы выполнялась фильтрация цифровых рядов в диапазонах, близких к периодам планетарных волн: от 4 до 5.5 сут, от 10 до 11 сут и от 15.5 до 17 сут. В качестве примера на рис. 4 приведена кросскоррелограмма между вариациями геомагнитного поля и атмосферного давления, зарегистрированными с декабря 2008 г. по февраль 2009 г. (цифровые ряды предварительно отфильтрованы в диапазоне от 15.5 до 17 сут). Как видно из рис. 4, максимальный коэффициент корреляции наблюдается на лаге ~30 сут и равен 0.82, что свидетельствует о том, что изменения атмосферного давления опережают изменения геомагнитного поля примерно на месяц. Аналогичные результаты получены при вычислении кросскоррелограмм при использовании данных, отфильтрованных в других диапазонах в зимний период (табл. 4). Следует отметить, что в летний период времени коэффициент корреляции не превышает 0.2 при любом временном лаге. Таким образом, исходя из полученных результатов, можно утверждать, что в зимний период изменения атмосферного давления в рассматриваемых диапазонах периодов независимо от солнечной активности опережают изменения геомагнитного поля примерно на месяц.

ОБСУЖДЕНИЕ И ВЫВОДЫ

Анализ спектров геомагнитных вариаций, проведенный в настоящей работе в диапазонах периодов, близких к периодам планетарных волн (5, 10 и 16 сут), показал, что кроме периодов планетарных волн указанный диапазон содержит гармоники 27-дневных вариаций и их модуляцию, обусловленную воздействием на них 11-летним циклом, годовой и полугодовой вариаций, а в спектрах в диапазоне периодов от 12 до 17 сут идентифицированы гармоники с периодами, близкими к периодам приливных волн М_f и M_sf. Помимо названных наиболее интенсивных гармоник присутствуют также пики небольшой интенсивности, обусловленные возможными волновыми взаимодействиями, но для их идентификации необходимо провести дополнительное исследование.

Непосредственное проявление в геомагнитных вариациях периодов планетарных волн, как установлено в настоящей работе, демонстрирует следующие особенности: 1) гармоники атмосферных планетарных волн в геомагнитных вариациях (5, 10 и 16 сут) наблюдаются только в зимний период; 2) вариации атмосферного давления для этих периодов независимо от солнечной активности опережают вариации геомагнитного поля приблизительно на месяц.

Известно, что для вертикально распространяющихся планетарных волн имеет место критерий Чарни–Драйзина [Charney, Drazin, 1960], согласно которому эти волны не могут проникать через летние системы восточных ветров. Волны не могут распространяться и через сильные зимние западные ветры. Этот критерий позволяет понять, почему планетарные волны могут достигать ионосферы (и, следовательно, возбуждать геомагнитные вариации) только в зимний период.

Следует отметить, однако, что существуют наблюдения [Шалимов и др., 2006], которые свидетельствуют о вариациях ионосферных параметров в диапазоне периодов планетарных волн и в летний период (в частности, с квазипериодами 2 и 7 дней). Их исследование будет проведено в специальной работе.

Используя результаты настоящего исследования (табл. 4 и рис. 4), можно оценить вертикальную скорость распространения планетарных волн. В предположении, что источник волн находится в тропосфере, получаем, что волна, достигающая нижней ионосферы за 30 дней, распространяется с вертикальной скоростью приблизительно 3 км/день.

Таким образом, проведенные наземные измерения геомагнитных вариаций на средних широтах и их спектральный анализ показывают, что воздействие на ионосферу (приводящее к наблюдаемым геомагнитным вариациям) осуществляется как со стороны Солнца, так и со стороны атмосферы (посредством планетарных волн). Возбуждаемые при этом геомагнитные вариации имеют вполне сопоставимые интенсивности в спектре. Однако атмосферные волны в исследованном диапазоне периодов 4–17 сут достигают высот ионосферы только в зимний период. Этот вывод ранее был надежно известен только для квази-16-дневной волны [Kohsiek et al., 1995]. Именно эта волна, как считают, ответственна за нарушение симметрии приполюсного вихря и внезапные стратосферные потепления в зимнем полушарии [Шалимов, 2018]. Результаты настоящей работы позволяют сделать вывод о том, что атмосферные волны с зональными числами m = 1 во всем диапазоне периодов 4–17 сут могут давать вклад в развитие стратосферных потеплений.