Космические исследования, 2023, T. 61, № 1, стр. 39-42

ВВЕДЕНИЕ

Геоиндуцированные токи (ГИТ) появляются в протяженных проводящих объектах, таких как линии электропередач, при сильных вариациях магнитного поля Земли. Такие наземные магнитные возмущения вызваны изменяющимися ионосферными и магнитосферными токами [5, 7]. Несмотря на продолжительные исследования ГИТ, пока нет работ, которые опираются на большую статистику наблюдений, в частности из-за недоступности однородных непрерывных наблюдений ГИТ до недавнего времени. Из недавних работ можно отметить ряд статистических исследований: определение типов солнечного ветра при больших ГИТ [3], статистика параметров солнечного ветра и Kp индекса при больших производных наземного магнитного поля [1], исследование изолированных магнитных возмущений в ночном секторе [2].

ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ

Целью нашей работы было выяснить характерные особенности магнитосферы и параметры солнечного ветра для событий с большими ГИТ, зафиксированными на станции Выходной в авроральных широтах. Задачи исследования: определить, при каких параметрах солнечного ветра (давление, скорость, Bz) и геомагнитных индексов (AE, AL, Kp, Dst) создаются большие ГИТ; проверить предположение о том, что большие ГИТ могут быть вызваны ударными волнами; определить время появления ГИТ по индексу Dst, то есть, в какую фазу магнитных бурь обыкновенно фиксируется ГИТ.

МЕТОДЫ И ДАННЫЕ

Измерения ГИТ, используемые в данной работе, проводились на станции Выходной [6]. Станция Выходной расположена на Кольском полуострове, географические координаты 68.5 с.ш., 33 в.д., находится в авроральной зоне на 65 градусах магнитной широты. Токи измеряются в нейтрали трансформатора линии электропередач 330 кВ. Для исследования использовался список событий экстремальных ГИТ, за период с 2012–2018 гг. были выбраны часовые максимумы, всего 140 событий, амплитуды токов в этой выборке 17 А и более, максимум 140 А.

Для сравнения с параметрами солнечного ветра использовались данные из баз NASA https:// omniweb.gsfc.nasa.gov/form/dx1.html, https://cdaweb. gsfc.nasa.gov/index.html/ (дата обращения 20.II.2022) [4]. Спутниковые измерения, большинство которых произведено в точке Лагранжа L1, снесены по времени к головной ударной волне, использованы часовые средние. Мы используем массовую скорость солнечного ветра (V), динамическое давление (Pd) и Bz компоненту межпланетного магнитного поля. Геомагнитные индексы: AЕ, AL, Dst (часовые данные), Kp индекс (трехчасовые значения). Кроме того, в работе использовался список ударных волн за период с 1995 по 2017 г. по [Oliveira D. et al., 2018] / https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/action/downloadSupplement?doi= 10.1029%2F2018SW001880&file=swe20694-sup-0002-supplementary.txt (дата обращения 20.II.2022)

ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

На рис. 1 приведены гистограммы распределений по параметрам солнечного ветра и геомагнитным индексам. Голубым цветом показаны все значения из базы OMNI за 2012–2018 гг. (“номинальные”), 65 000 часовых средних. Синими столбиками – значения, зафиксированные во время экстремальных ГИТ на станции Выходной, 140 событий. На всех гистограммах видны существенные сдвиги распределений для ГИТ относительно номинальных в сторону больших значений, максимумы распределений сдвинуты на 100–200 км/с и 2–4 нПа, соответственно. Максимум распределения Bz сдвинут примерно на 5 нТл в сторону отрицательных значений. Дополнительно отметим, что более 85% событий из списка ГИТ наблюдались при отрицательной Bz.

Рис. 1.

Гистограммы с вероятностью наблюдения определенных параметров солнечного ветра и геомагнитных индексов. Все данные OMNI 2012–2018 – голубой, события с экстремальными ГИТ – синий. (a) cкорость солнечного ветра, (б) динамическое давление, (в) Bz компонента ММП, (г) Кр индекс, (д) AL индекс, (е) AE индекс. Вертикальная ось – степень вероятности.

Наиболее существенные сдвиги гистограмм видны в наземных индексах Kp, AL и AE индексах. Например, 85% событий списка ГИТ наблюдались при Kp = 4 и более, тогда как обычно интервалы с таким Kp составляют менее 10% всего времени наблюдений. Очевидно, что существенные магнитные возмущения, необходимые для ГИТ, как раз и отражены в геомагнитных индексах.

Появление больших ГИТ по отношению к магнитным бурям и фазам бурь мы исследуем с помощью Dst индекса и производной Dst по времени, сосчитанной как разность Dst и предыдущего часового значения. Распределения в виде двумерной гистограммы показаны на рис. 2, цвета кодируют количество событий в ячейке параметров. Видно, что все большие ГИТ происходят либо при отрицательном Dst, либо при отрицательной dDst/dt. Основную часть событий можно формально отнести к магнитным бурям средней интенсивности, Dst в диапазоне –20…–100 нТл. Также доминируют отрицательные значения производной Dst, что говорит или о главной фазе бури или о локальных во времени усилениях активности. Все же около 30% событий происходят на фазе восстановления бурь, то есть при отрицательных Dst и положительной производной. Визуальный анализ записей Dst индекса показал, что только два события из 140 наблюдались одновременно или в течение первого часа бури (начала резкого падения Dst). Это создает положительные перспективы для систем предупреждений об экстремальных ГИТ.

Рис. 2.

Двумерная гистограмма с распределением 140 событий с большими ГИТ в пространстве параметров Dst и dDst/dt. Цветом показаны количества событий в ячейке.

Мы произвели поиск связи ударных волн (УВ), наблюдаемых в солнечном ветре и событий с экстремальными ГИТ. Всего одно событие из 140 наблюдалось в течение часа после УВ, и 13 событий в течение 12 последующих часов после УВ. Таким образом, в отличие от средних и экваториальных широт, УВ не являются основным источником больших наземных производных магнитного поля и ГИТ в авроральных широтах.

Период наблюдений 2012–2018 гг. покрывает более половины 24-го солнечного цикла от максимума до минимума. Сравнение чисел Вольфа и частоты наблюдения событий ГИТ не показало связи. Годовые количества событий ГИТ как в максимуме цикла (2012–2014), так и на фазе спада (2015–2018) сравнимы.

ВЫВОДЫ

1. Распределения параметров солнечного ветра (V, Pd, Bz) и геомагнитные индексы (Kp, AL, AE, Dst) для событий с экстремальными ГИТ существенно отличаются от номинальных, наблюдаемых в 2012–2018 гг. Все гистограммы имеют существенный сдвиг в сторону больших значений (меньших для Bz и AL).

2. Основная часть событий с большими ГИТ происходит про отрицательном и убывающем Dst индексе.

3. В отличие от средних и экваториальных широт не выявлена связь между событиями ГИТ и межпланетными ударными волнами.

Работа проведена в рамках проекта РНФ № 19-77-10016.

Участие в исследовании В.Н. Селиванова и Я.А. Сахарова поддержано за счет гранта Российского научного фонда № 22-29-00413, https://rscf.ru/ project/22-29-00413/.