УДК 550.384.3+551
ТРЕНДОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ГЕОМАГНИТНОМ ПОЛЕ И ИОНОСФЕРЕ НА обс. КИЕВ (KIV).
к.ф-м.н, ст. н. с.
Институт геофизики НАНУ Киев-132, пр. Палладина 32
Аннотация. Определены особенности вековых изменений компонент магнитного поля на обс. Киев при использовании наблюденных и модельных данных. . Вычислены долговременные тренды критических частот E, F2 слоев ионосферы в минимуме солнечного цикла во вторую половину 20 века.
Ключевые слова: вековые вариации геомагнитного поля, ионосферные тренды
Введение. Земля, имеющая горячее ядро, создала магнитное поле, область распространения которого над земной поверхностью – магнитосфера сформировалось под действием высокоскоростного солнечного ветра. Многолетние изучения элементов магнитного поля (палеонтологами, геофизиками) выявили широкий спектр периодов их вариаций (от 0.1сек до млн. лет), природа которых связана с внешними и внутренними источниками.
Были установлены факты переполюсовки магнитного поля, которым предшествуют длительные (или не очень) интервалы снижения величины поля. Результаты зависимости между изменениями магнитного поля и наземной температуры, характеризующей климат, очень актуальны в наше время, когда возникла угроза глобальной катастрофы вследствие необратимости процессов в экосистеме, связанных с ростом температуры из-за антропогенных эффектов увеличения парниковых газов в атмосфере.
Кроме связи с метеопараметрами магнитное поле в силу своей электромагнитной природы оказывает влияние на все частично ионизованные среды: ионосферу, океан, биосферу (кровь живых существ) и регулирует траектории заряженных энергичных частиц в магнитосфере, формирует радиационные пояса Земли, прогнозируя уровень радиоактивной опасности для космонавтов и электронной аппаратуры. В теорию распространения радиоволн магнитное поле входит основным параметром, участвующим в процессах распространения радиоволн, обеспечении космической и наземной радиосвязи.
Во время больших солнечных бурь наблюдаются резкие всплески величины горизонтальных компонент магнитного поля до нТл. В 2003г в высоких широтах (Канада) они привели к длительному выходу из строя энергосистемы вследствие наведения сильных электрических полей (выше критического уровня), что также представляет опасность для труб длинных газопроводов.
В настоящее время учеными принята новая парадигма: геосистема как динамическая открытая взаимодействию между составными геосферами (литосфера, атмосфера, ионосфера, термосфера, магнитосфера) система.
Целью сообщения является показать вековые вариации геомагнитного поля и длинновременный тренд электронной концентрации в ионосфере из данных наблюдений на обс. Киев во вторую половину последнего столетия. При анализе были так же использованы результаты модельных расчетов вариаций геомагнитных полей и координат полюсов (модель IGRF/DGRF).
2 Вековые вариации (ВВ) геомагнитного поля на обсерватории Киев (KIV).
В основу анализа ВВ положены данные измерений XYZF элементов магнитного поля на магнитной станции KIV в гг и расчетов по международной модели аналитического представления магнитного поля IGRF/DGRF с коэффициентами, вычисляемыми по экспериментальным магнитным полям на сети наземных магнитометров и на спутниках в интервале гг. Указанные модели размещены на сайте [http://omniweb. gsfc. nasa. gov/cgi/vitmo/vitmo-model. cgi].
На рис 1 приведены графики изменений наблюденных среднегодовых значений полного поля (а), горизонтальной восточной У (б) компоненты магнитного поля и их скоростей (сплошные линии); величин угловых характеристик наклонения I, склонения D в интервале гг (в) и полярограмма (г) - зависимость между горизонтальной Н и вертикальной Z компонентами магнитного поля.
Рис. 1 Вековые вариации наблюденных среднегодовых значений полного поля (а), горизонтальной восточной У (б) компоненты магнитного поля и их скоростей (сплошные линии); величин угловых характеристик наклонения I, склонения D в интервале гг (в) и полярограмма (г) - зависимость между горизонтальной Н и вертикальной Z компонентами поля на обс. КИЕВ
Как видно, ВВ вариации характеризуются сравнительно устойчивым (1,3%) увеличением абсолютных значений вектора полного магнитного поля во второй половине века, но показывают значительные колебания скорости векового хода. Обратим внимание на заметные увеличения после 1977г угловых характеристик магнитного поля: наклонения I (0,4º) и склонения D (1,4º) и резкие уменьшения от 35 нТл/год до 15нТл/год скорости изменения годовых значений полного поля. Крупномасштабные неоднородности компонент поля и их изменений, в частности, скорости восточной Y составляющей проявляются на полярограммах, графических представлениях анизотропной связи - зависимости между компонентами поля или их приращениями. На рис 1г хорошо выделяется 1977г – год резкой смены поляризации поля, существующей более 13лет (гг) и 14 лет (гг).
Какова причина такого явления? С одной стороны исследователи связывают резкие изменения скорости восточной компоненты поля dY/dt порядка 10нТл/год в течение 5 месяцев – года (в пределе даже до 50 месяцев при подготовке явления) с внутренними источниками поля, так как У компонента ответственна за квадрупольный момент магнитного поля Земли. С другой стороны, природа явления «джерк» дискутируется [1]. Известна их повторяемость через 10-12 лет, но не связанная с солнечным циклом. Появляемость джерка не всегда пространственно однородна по всему земному шару, показывая сдвиги по времени (1-2 года) в разных полушариях и вариации амплитуды с ее увеличением вблизи главных аномалий магнитного поля. Именно исследования глобальных «джерков» 1978г и 1969гг привели к таким результатам. Обсуждается связь джерков с колебаниями продолжительности суток и положений полюсов.
В то же время ВВ, имеющие широкий спектр колебаний, в (30-100)-летних периодах изменений подвержены влиянию существующих локальных магнитных аномалий поля и западных дрейфов фокусов векового хода [2], которые тоже обусловлены внутренними источниками поля и могут отчасти отражать движения магнитных полюсов.
В результате проведенного анализа ВВ геомагнитных экспериментальных данных отметим увеличение полного поля на 1,3% в KIV при его замедлении к концу века. Скорости остальных компонент в выделенных (1-4) интервалах, имеющих разную поляризацию сигнала поля, сведены в таблицу.
Таблица 1.
Скорости векового хода XYZF компонент магнитного поля на обс. KIV
Здесь можно видеть уменьшение скорости почти в 2 раза для вертикальной компоненты Z и полного поля F после 1977г при увеличении скорости восточной составляющей более 5 раз.
Выполнив модельные расчеты магнитных полей мы получили пространственные картины динамики положения обсерватории Киев, а так же С и Ю полюсов в системе исправленных геомагнитных координат в течение столетия (см. Рис.2). Там же показаны вековые изменения величины полного магнитного поля F и его скорости (Рис 2в).
Рис 2. Модельные расчеты: динамика положений обс. Киев (а) и С, Ю полюсов в координатной системе CGM (б, г); вековые вариации годовых значений полного поля и его скорости в KIV в течение гг (на двух высотных
уровнях 0 км и 100км)
Установление эффектов взаимосвязи показанных рис 2. заметных смещений положения обс. Киев, двух полюсов и поля требует специальных исследований. Однако, укажем на моменты изменения направления движения в интересующем нас интервале в 1946г, 1977г и вблизи 1995г, которые сопровождаются поворотом, возвращением направления движения С полюса к западу по долготе в 1946г. При этом направление смещения Ю полюса изменялось около 1969г к юго-востоку с последующим возвращением направления в 1990г. Конечно, в последнее время появляются более точные спутниковые данные о положениях полюсов, показывающие, например, ускорение с последующим замедлением движения С полюса внутри интервала 2гг.
Локальные изменения геометрии распределения магнитного поля, его угловых характеристик определяют локальные пространственные неоднородности величины электронного содержания в главном слое ионосферы, которая через скорость вертикального электромагнитного дрейфа, пропорционального меридиональной скорости термосферного ветра Vдолг., sinI и cosD. [3]. Причем, установлен значительный вклад ВВ угловых характеристик в долговременный ионосферный тренд критических частот слоя F2 или электронной концентрации [4], что требует их учета при прогнозировании ионосферных и глобальных атмосферных трендов. Последние в основном зависят от состава, концентрации парниковых газов и уровня магнитной активности, которые используются при изучении явления глобального потепления, вызываемого многочисленными источниками как солнечного, так и антропогенного происхождения.
Таким образом современная проблема выживания планеты, сохранения биожизни на Земле объединяет решение многих задач в разных геосферах (от ядра, литосферы, атмосферы, ионосферы и магнитосферы) и в околоземном пространства, условия в которых контролируются как внешними источниками, связанными с процессами на Солнце, так и внутренними причинами, например, движениями центра масс вследствие их перераспределения, сопровождаемого таянием ледников при глобальном потеплении и другими причинами.
3 О долговременных ионосферных трендах на обс. Киев.
Известно, что ионизированная оболочка Земли, ионосфера имеет практически три слоя ионизации и занимает пространство на высотах от 01.01.01км. Ионосфера участвует в осуществлении радиосвязи и может быть источником быстрых флуктуаций магнитного поля во время возмущений на Солнце. Электронная концентрация в максимумах ионосферных слоев определяется балансом между образованием и потерей ионов вследствие УФ и рентгеновского излучений Солнца и рекомбинационно-дисоциативных реакций в атомно-молекулярных средах. Морфологические свойства: суточные, сезонные, циклические и широтно-долготные зависимости 13 ионосферных параметров определяют условия распространения радиоволн в ближнем космосе и на поверхности Земле. Кроме того плазменные неустойчивости, возникающие при градиентах параметров среды и волн, приводят к появлению неоднородностей и крупномасштабных структур на разных высотах ионосферы. В последние десятилетия много работ о результатах исследований глобальных трендовых явлений в геофизике.[3, 4] Как было показано выше, не только магнитная, солнечная активности, но и вековые изменения угловых компонент геомагнитного поля могут отражаться в соответствующих трендах критических частот ионосферного F2 слоя [4].
В таблице 2 приведены данные о величине долговременного тренда критических частот ионосферных слоев Е, F1 и F2 по наблюдениям на ионосферной станции Киев, проведенным в интервале гг.
Таблица 2.
Величины трендов критических частот в максимумах Е и F2 слое при минимальной солнечной активности.
Период, год | апрель | май | июнь | ||||||
День 11-13LT | ночь | д\н | день | ночь | д\н | день | ночь | д\н | |
F2 слой, скорость тренда, [10(-2)*МГц\год] | |||||||||
-7 | -6 | 1,7 | -4 | -6 | 0,67 | -5 | -3 | 1,7 | |
-3 | -2,5 | 1,2 | -1 | -2 | 0,5 | -2 | -2,5 | 0,8 | |
-2 | 1,3 | 1,5 | -0.67 | -1,3 | 0,5 | -0,33 | -0,33 | 1,0 | |
Е слой, скорость тренда [10(-3)* МГц\год] | |||||||||
5 | 5 | 1,0 | 2,5 | 2,5 | 1,0 | 0 | 2,5 | 0 | |
2,4 | 2,4 | 1.0 | 0 | 0 | 0 | 2,5 | 2,4 | 1,04 | |
3,3 | 3,3 | 1,0 | 1,7 | 1,7 | 1,0 | 1,3 | 0 | ||
Как следует из Таблицы 2 тренды критических частот в условиях минимальной солнечной активности имеют противоположные знаки в E, F2 слоях: отрицательный в верхнем слое и положительный в нижнем Е слое. В первые 10 лет наибольшие значения (тренда) скорости изменений критических частот foF2 в единицах МГц*10² были зафиксированы в равноденствие -(6--7), при –(3--5) в летнее солнцестояние и меньших в 5 раз в зимний месяц. Особое внимание обратим на сезонный эффект вариаций отношения ночных и дневных значений тренда в слое F2, который связан с нейтральными ветрами. Вместе с тем обнаружено замедление скорости фонового тренда к концу 30-летнего интервала в весенне-летний период как для дневных, так и ночных часов в условиях низкой (Rz<30) солнечной активности. Одной из причин такого явления может быть исключение антропогенного фактора влияния на ионосферу из-за снижения общей промышленной деятельности на Украине к 1995году. Иная причина – это сезонный максимум магнитной активности в равноденствие, который при обратной связи с критическими частотами в F2 слое может привести к их уменьшению.
С другой стороны для периодов минимума солнечного цикла был выявлен климатический фактор в долговременных изменениях нейтрального состава. Он был выражен в устойчивом росте на 6-8% для суточного и 1% для сезонного максимумов появляемости за солнечный цикл наиболее развитого слоя F1 (обозначенное «условие G» на 15-минутных ионограммах), который сопровождается уменьшением отношения критических частот (или foF2/foF1) в двух F1, F2 слоях. При этом следует указать на заметные сезонные изменения состава, характерные для переходного перестроечного периода между весенней и летней структурами ионосферы, в виде увеличения появляемости «условие G» в июне месяце по отношению к последнему весеннему месяцу маю.
Полученные тренды критических частот –(0,07-0,005)МГц/год и (0,001-0,005) МГц/год соответственно для слоя F2 и нижнего слоя Е соответствуют по величине и знаку подобным результатам для средних широт [3]. Однако, при этом влияния вековых изменений угловых характеристик магнитного поля (из данных измерений на обс. Киев, см. Рис 1в) пока остались за рамками исследований, так же как и детальные изучения вклада магнитной и солнечной активности ввиду ограниченности интервала ионосферных наблюдений.
4 Выводы.
Некоторые характеристики долговременных трендов в магнитном поле и ионосфере были получены из анализа данных наблюдений вариаций компонент магнитного поля и ионосферных параметров на обсерватории Киев во вторую половину 20 века.
А. Вековые вариации геомагнитного поля по экспериментальным данным ()гг и модели IGRF ()гг дополняют друг друга и в основном совпадают во вторую половину века.
Величина полного поля увеличивается на 1.3% в 34-летнем диапазоне, причем ее скорость замедляется от 47нТл\год до 21 нТл\год к 2000году. Показано существование длительной анизотропной связи между вертикальной и горизонтальной компонентами в течение 13-14 лет до 1991 и 1977г.
Выделен джерк магнитного поля (в приращении У компоненты) в 1977г, после которого отмечен устойчивый рост величин наклонения I и склонения D магнитного поля, а так же резкие изменения скорости векового хода компонент магнитного поля.
С помощью модельных расчетов определены значительные изменения координат обсерватории Киев в 1977г, 1946г и в 1995г, а также направления движения полюсов: в 1969,1990,1945, 1925гг (S) и 1914г и 1925г (N), учет влияния которых на магнитные вариации находится вне объема статьи.
Б. Определены величины долговременного ионосферного тренда на средних широтах: по данным наблюдений в Киеве в годы минимальной солнечной деятельности уменьшения критических частот слоя F2 составили –(0,005- 0,07)МГц\год - в зависимости от сезона и, напротив, положительный тренд в нижнем слое Е составлял (0,001 -0,005) МГц\год. Обнаружена тенденция ослабления тренда в верхнем слое к концу интервала наблюдений к 1998г, и другие особенности, требующие дальнейшего изучения.
Литература
1. , Бондарь - анализ тонкой структуры джерков по среднемесячным изменениям магнитного поля в период с 1955 по 2006г. // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 52. № 5. С. 701-7
2 , , Шендеровская магнитное поля и вековые вариации в пределах мантии Земли. // Геофизический ж. Т. 26. № 1. С. 1117-1
3., Ванина- .Долговременные тренды отношения дневных и ночных величин foF2 // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 47. № 2. С.236-2
4. Yue X., Liu L., Wan W. et al. Modeling the effects of secular variation of geomagnetic field orientation on the ionospheric long term trend over the past century.// Journal of Geophysical Research.- 2008.- V.113 - A10301 - doi:10.1029/2007JA012995.
