Космические исследования, 2021, T. 59, № 1, стр. 35-43

ВВЕДЕНИЕ

В предыдущих наших работах [1–3] мы рассмотрели некоторые причины ошибочной идентификации типов солнечного ветра (СВ) и связанные с ней некорректные выводы по солнечно-земным связям. К таким причинам относятся следующие: (1) использование некорректных критериев идентификации, (2) использование ранее опубликованных ошибочных данных, (3) рассмотрение комбинации различных драйверов, прежде всего Sheath и ICME (включая MC и Ejecta), в качестве единой причины, так называемых СМЕ-индуцированных событий. В настоящей работе мы хотим подробно рассмотреть еще одну причину, которую мы кратко называем “потерянный драйвер”. Эта проблема состоит в следующем.

Как хорошо известно, геоэффективная южная компонента межпланетного магнитного поля (ММП) в основном содержится в следующих возмущенных явлениях солнечного ветра (драйверах магнитосферных возмущений): CIR, Sheath и ICME (включая MC и Ejecta) [4, 5]. Если у разных авторов точки зрения на определения и критерии для CIR и ICME достаточно близки друг другу, то для Sheath они имеют принципиальное различие. Взглянем на определение Sheath в нескольких последних обзорах известных в данной области науки специалистов.

1. Richardson, I. G., and Cane, H. V. [6]: “The shock and ICME are separated by a sheath of compressed, heated, and often turbulent, ambient solar wind plasma”.

2. Kilpua, E., Koskinen, H. E. J., and Pulkkinen, T. I. [7]: “The turbulent region between the shock and the ICME is called the sheath region”.

3. Tsurutani, B. T., Lakhina, G.S., and Hajra, R. [8]: “The compressed plasma and magnetic fields downstream of the shock is the “sheath”.

Таким образом, указанные авторы (а также авторы многих других работ, в частности [9–11]) областью Sheath называют только область между межпланетной ударной волной (IS) и ICME. По-видимому, это дань традиции, так как этот термин был позаимствован у magnetosheath – области между околоземной ударной волной и магнитопаузой. Однако, в отличие от magnetosheath, где скорость набегающего солнечного ветра относительно препятствия всегда больше скорости звука (число Маха > 1), в случае с ICME скорость набегающего солнечного ветра может быть, как выше скорости звука, так и ниже, т.е. область сжатия перед быстрым явлением ICME может образовываться, как в присутствии ударной волны, так и в ее отсутствии. Следуя определению вышеуказанных авторов, область сжатия перед ICME без IS не является Sheath и исключается из рассмотрения при анализе межпланетных драйверов магнитосферных возмущений. В этом состоит смысл термина “потерянный драйвер”.

Этот тип солнечного ветра был включен в наш каталог крупномасштабных явлений солнечного ветра (см. статью [12] и сайт ftp://ftp.iki.rssi.ru/ pub/omni/catalog/), который мы создали на основе базы OMNI (http://omniweb.gsfc.nasa.gov, см. [13]), и он учитывается как самостоятельный тип СВ при изучении различных аспектов солнечно-земной физики с использованием нашего каталога. В частности, в работе [14] мы для периода 1976–2000 гг. представили средние временные профили параметров плазмы СВ и ММП для 8 наиболее часто встречающихся последовательностей типов СВ: (1) SW/CIR/SW, (2) SW/IS/CIR/SW, (3) SW/Ejecta/SW, (4) SW/Sheath/Ejecta/SW, (5) SW/IS/Sheath/Ejecta/SW, (6) SW/MC/SW, (7) SW/Sheath/MC/SW, (8) SW/IS/Sheath/MC/SW, где SW – солнечный ветер. Эти результаты наглядно показали, что (1) области Sheath перед обоими типами ICME (MC и Ejecta) как с IS, так и без IS, надежно идентифицируются при одних и тех же пороговых критериях ключевых параметров, и основное различие заключается лишь в наличии скачка параметров на IS для Sheath с IS и более плавном и слабом их изменении на переднем крае для Sheath без IS; (2) число генерированных магнитных бурь с минимумом Dst < –50 нТл в обоих типах Sheath приблизительно одинаковое, а их интенсивность несколько выше для Sheath с IS за счет более высокой южной компоненты ММП в области Sheath, так как при генерации IS область ICME движется быстрее относительно набегающего потока и сильнее сжимает плазму. Эти результаты были получены при сравнительно небольшой статистике. Однако, наш каталог продолжает развиваться и в настоящее время охватывает период 1976–2017 гг., при этом количество надежно идентифицированных событий выросло приблизительно вдвое за счет более качественного мониторирования параметров СВ в передней либрационной точке со второй половины 90-х годов.

Целью настоящей работы является на основе более качественного набора данных для периода 1976–2017 гг. сравнить два типа области сжатия перед быстрыми MC и Ejecta: с ударной волной и без нее, а также оценить ущерб от игнорирования области сжатия без ударной волны для солнечно-земной физики.

МЕТОДИКА

В настоящей статье мы используем 1-часовые данные параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля из базы ОМНИ (http://omniweb.gsfc.nasa.gov, см. [13]), наш каталог крупномасштабных явлений солнечного ветра (см. сайт ftp://ftp.iki.rssi.ru/pub/omni/ и статью [12], описывающую методику идентификации типов СВ) и двойной метод наложенных эпох (ДМНЭ) [15]. ДМНЭ заключается в том, что мы равномерно изменяем (уменьшаем или увеличиваем) расстояние между точками интервала таким образом, чтобы можно было совместить начала и концы всех интервалов и исследовать средние временные профили параметров для интервалов, которые первоначально имеют разную длительность. Для ДМНЭ мы отобрали те интервалы, которые имеют полные наборы данных. При анализе поведения параметров мы рассматривали интервалы Sheath в 4 вариантах последовательности типов СВ: IS/Sheath/Ejecta – интервалы Sheath, сопровождающиеся предшествующей ударной волной и последующим интервалом Ejecta; Sheath/Ejecta – интервалы Sheath без предшествующей ударной волны и с последующим интервалом Ejecta; IS/Sheath/MC – интервалы Sheath, сопровождающиеся предшествующей ударной волной и последующим интервалом MC; Sheath/MC – интервалы Sheath без предшествующей ударной волны и с последующим интервалом MC.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Результаты работы представлены в виде табл. 1 и рис. 1–4. Средние и среднеквадратичные отклонения некоторых параметров для 4 типов Sheath, представленные в таблице, позволяют количественно сравнить эти типы между собой.

На рис. 1–4 приведены временные профили ряда параметров межпланетной среды и магнитосферных индексов для 4 последовательностей: (1) SW/IS/Sheath/Ejecta, (2) SW/Sheath/Ejecta, (3) SW/IS/Sheath/MC и (4) SW/Sheath/MC. Форматы рисунков одинаковы и близки к формату рисунков в нашей предыдущей работе [14], полученных по данным 1976–2000 гг. Каждый из четырех рисунков содержит 10 панелей, на которых изображены средние временные профили анализируемых параметров, полученные по ДМНЭ для областей Sheath (для солнечного ветра до Sheath с 0 по 5 точки и ICME после Sheath с 20 по 25 точки использовался простой метод наложенных эпох с опорными точками на концах интервала Sheath): а – отношение теплового и магнитного давления β, тепловое давление Pt, относительное содержание альфа-частиц Na/Np; b – протонная температура T ⋅ 10^–5 К и отношение измеренных и ожидаемых температур T/Texp; c – углы вектора скорости Phi, Theta; d – составляющая ММП Bz, компонента электрического поля Ey; e – Dst и Dst* индексы; f – величина ММП B и динамическое давление Pd; g – компоненты ММП Bx, By; h – звуковая и альфеновские скорости Vs и Va; i – плотность ионов N и Kp индекс; j – скорость плазмы V, индекс AE.

Рис. 1.

Временной ход параметров солнечного ветра и магнитосферных индексов для последовательности IS/Sheath/Ejecta, полученные с помощью метода МНЭ и ДМНЭ: от 0 до 5 и от 20 до 25 точки применялся МНЭ без сжатия, от 6 до 19 точки применялся ДМНЭ со сжатием до 14 точек.

Рис. 2.

То же, что на рис. 1, для Sheath/Ejecta.

Рис. 3.

То же, что на рис. 1, для IS/Sheath/MC.

Рис. 4.

То же, что на рис. 1, для Sheath/MC.

Прежде всего, обращает на себя внимание тот факт, что число событий Sheath перед Ejecta без IS (432) немного превосходит число событий с IS (381), а число Sheath перед MC с IS (152) существенно превосходит число событий без IS (28). После исключения из рассмотрения событий, для которых отсутствовал полный набор измерений, анализировалось немного меньшие числа событий: 346, 323, 147 и 23, соответственно. Хотя для многих параметров таблицы средние значения оказались близкими по величине к среднеквадратичным отклонениям, статистическая ошибка (среднеквадратичное отклонение, деленное на квадратный корень из числа точек) для некоторых из них оказалась маленькой, и в этом случае различия средних значений для разных типов Sheath можно считать статистически достоверными. В частности, данные таблицы показывают, что средняя длительность событий Sheath перед Ejecta больше, чем перед МС.

Полное число средних и сильных магнитных бурь с минимумом Dst < –50 нТл за 1976–2017 гг. составило 1074, однако только для 639 бурь были достаточно надежно определены их межпланетные драйверы из числа CIR, Sheath, Ejecta и МС, а остальные бури попали либо на интервал с пропуском межпланетных данных, либо были результатом действия нескольких последовательных драйверов. Количество магнитных бурь, генерированных Sheath перед Ejecta с и без IS практически одинаковое (61 и 59), а для МС различие более существенное (24 и 3), но оно получено при небольшой общей статистике МС по сравнению с Ejecta.

Как и ожидалось, средние значения V, Т, N, B, Pd и Pt, Va, Vs и магнитосферных индексов оказались выше в областях Sheath с ударной волной IS и с последующим Ejecta (или с МС), чем без IS. T/Texp и β-параметр наоборот выше в Sheath без IS. Средние значения параметров (V, T, T/Texp, N Pt, Pd, Kp, Dst, AE, Va, Vs, Na/Np) для интервалов с Sheath c последующим MC выше в сравнении со средними значениями для интервалов Sheath с последующим Ejecta. Компоненты ММП, электрическое поле и углы вектора скорости имеют небольшие значения вблизи нуля.

Графики параметров на рис. 1 и 2 для Sheath перед Ejecta имеют более гладкий вид, чем перед МС, так как число событий в первом случае значительно выше (см. табл. 1).

Для событий Sheath с последующим Ejecta с ударной волной IS значения таких параметров, как величина магнитного поля B, тепловое и динамическое давление Pt, Pd, скорость плазмы V, температура протонов T и T/Texp, Dst и Dst* индексы, больше, чем без ударной волны (рис. 1 и 2). Это в основном связано с более резким возрастанием этих параметров в случае, если область Sheath начинается с IS, так как в последующее время после 2–3 ч после начала области Sheath эти параметры изменяются похожим образом. Аналогичная ситуация и для событий Sheath с последующим MC с IS и без IS (рис. 3 и 4). Для событий Sheath с последующим МС значения параметров B, Pt, Pd, V, T, T/Texp, Dst, Dst* выше, чем с последующим Ejecta.

ОБСУЖДЕНИЕ И ВЫВОДЫ

В настоящей работе на основе данных базы OMNI (http://omniweb.gsfc.nasa.gov, см. [13]) и нашего каталога крупномасштабных типов солнечного ветра для 42-летнего интервала 1976–2017 гг. (см. статью [12] и сайт ftp://ftp.iki.rssi. ru/pub/omni/catalog/), мы провели анализ о-бласти Sheath в 4 последовательностях событий: (1) IS/Sheath/Ejecta, (2) Sheath/Ejecta, (3) IS/Sheath/MC и (4) Sheath/MC. Представленные средние значения параметров (см. табл. 1) и средние временные профили параметров (см. рис. 1–4) в целом хорошо согласуются с основными выводами нашей предыдущей работы [14, 16], полученными для меньшего (25-летнего) набора данных в интервале 1976–2000 гг. Таким образом, при увеличении числа анализируемых событий приблизительно вдвое результаты практически не изменились, что доказывает независимость результата от размера выборки.

Во всех 4 разновидностях Sheath границы этой области надежно идентифицируются по следующим признакам: возрастание скорости СВ, возрастание абсолютной и относительной температуры, возрастание концентрации, возрастание модуля магнитного поля, возрастание теплового и кинетического давлений, возрастание плазменного бета-параметра.

Кроме того, долготный угол прихода потока меняется на передней границе от величины ~–1 до ~–1.5…–2 градуса, затем в течение области Sheath изменяется до ~+1.5…2 градуса и на задней границе области возвращается к значениям ~0. Эти результаты, полученные по увеличенной вдвое выборке 1976–2017 гг, подтверждают ранее полученные результаты на интервале 1976–2000 гг. [14, 17]. Мы назвали такое поведение углов в области Sheath “интегралоподобным” [17].

Из 639 магнитных бурь с минимумом Dst < < ‒50 нТл, для которых были достаточно надежно определены их межпланетные драйверы из числа CIR, Sheath, Ejecta и МС, количество магнитных бурь, генерированных Sheath перед Ejecta с и без IS практически одинаковое (61 и 59), а для МС (для них статистика была небольшой по сравнению с Ejecta) различие более существенное (24 и 3), но оно мало на фоне полного числа бурь, генерированных этими драйверами. Таким образом, область Sheath перед ICME с и без IS генерировала 64 бури из 639, т.е. около 10%, в то время как наиболее часто употребляемый источник бурь МС генерировал 118 бурь, т.е. около 18%.

Как показывают приведенные данные, область Sheath без ударной волны IS наблюдается перед ICME практически столь же часто, как и Sheath с IS, достаточна геоэффективна и является драйвером около 10% всех бурь, для которых удалось идентифицировать межпланетный источник. Исключение из рассмотрения этого межпланетного “потерянного драйвера” магнитосферных возмущений приводит к очевидным ошибкам в изучении солнечно-земных связей.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, проект 16-12-10062.