Геомагнитная активность

Геомагнитная активность (англ. Geomagnetic activity) — возмущения магнитного поля Земли, связанные с изменениями магнитосферно — ионосферной токовой системы. Геомагнитная активность является частью солнечно-земной физики и её практической части — космической погоды. Основными проявлениями геомагнитной активности являются сильные возмущения — магнитные суббури и магнитные бури, а также слабые возмущения — разнообразные типы магнитных пульсаций.

Формирование магнитных бурь и суббурь

В первом приближении (приближении идеальной проводимости) магнитосфера недоступна для внешней плазмы солнечного ветра, который может лишь изменить форму магнитопаузы в соответствии с условием баланса давлений на ней. Однако, когда межпланетное магнитное поле (ММП) обладает компонентой, параллельной земному магнитному диполю (южная компонента ММП), в области соприкосновения противоположно направленных ММП и земного поля происходят нарушение условия идеальной проводимости плазмы и эрозия магнитного поля. В магнитосферу попадают плазма солнечного ветра и переносимая им энергия. Этот процесс называется пороговым (триггерным) механизмом. В зависимости от темпа поступления энергии возможны три сценария реакции магнитосферы.

Когда скорость поступления энергии меньше или равна скорости стационарной диссипации энергии внутри магнитосферы, она не изменяет своей формы — в магнитосфере не наблюдается каких-либо существенных изменений, то есть она остается невозмущенной.
В случае, когда скорость поступления энергии превышает скорость стационарной диссипации, часть энергии уходит из магнитосферы по «квазистационарному каналу», что приводит к восстановлению её состояния. Роль такого канала играют магнитные суббури — процессы высвобождения магнитной энергии, накопленной в магнитосфере, путём замыкания хвостового тока вдоль магнитных линий через ионосферу в области ночной части полярного овала. Вновь образуемый ток называется «электроджет». Наиболее впечатляющее проявление суббурь — полярное сияние, возникающее в результате бомбардировки нейтральных атомов атмосферы потоками плазмы хвоста магнитосферы, ускоренной вдоль магнитных силовых линий. Магнитосфера может долгое время сбрасывать излишки энергии в полярные области обоих полушарий Земли в виде суббурь с периодичностью около 3 часов.
Когда скорость поступления энергии существенно превышает скорость стационарной и квазистационарной диссипации, происходит глобальная перестройка токовой системы магнитосферы и ионосферы, сопровождаемая сильными возмущениями магнитного поля на Земле, что по существу и называется магнитной бурей. Основной вклад в изменение магнитного поля вносит кольцевой ток, расположенный в области геомагнитного экватора. Поэтому в отличие от магнитных суббурь, при которых возмущения магнитного поля наблюдаются в полярных областях, во время магнитных бурь поле изменяется и на низких широтах вблизи экватора. При сильных бурях полярные сияния могут опускаться на 20—30° к экватору от полярных областей и наблюдаться на низких широтах.

Таким образом, геомагнитная активность возникает в результате резких изменений в существующих токовых системах в магнитосфере и ионосфере Земли или образования новых токовых систем. Важно отметить, что изменение кольцевого тока во время бури значительно больше электроджета, возникающего при суббурях. Однако из-за того, что кольцевой ток расположен далеко от поверхности Земли в отличие от электроджета, который практически достигает нижних слоев ионосферы и атмосферы, изменения магнитного поля на Земле во время магнитных бурь носят глобальный характер (исключением являются небольшие области вблизи магнитных полюсов) и составляют в максимуме не более 500 нТ. Изменение же магнитного поля во время суббури носит локальный характер и может составлять (1-3)·10 $^{3}$ нТ. (Надо помнить, что постоянное поле Земли составляет около (30-50)·10 $^{3}$ нТ, то есть в любом случае речь идет об изменениях, не превышающих несколько процентов, что значительно меньше полей техногенного происхождения).

Геомагнитные индексы

Состояние магнитосферы описывается рядом различных индексов, рассчитываемых на основании наземных измерений магнитного поля [Mayaud, 1980]. Так как для конструирования этих индексов используются показания различных сетей магнитных станций, то в них оказываются включенными отклики различных магнитосферно-ионосферных токовых систем. Необходимо помнить, что для того, чтобы изучать связь магнитных бурь с различными явлениями и исключить из анализа авроральные явления (магнитные суббури), необходимо использовать Dst-индекс, для которого берутся измерения экваториальных станций. В случае проведения исследований влияния аврорального электроджета на различные системы лучше использовать специальный АЕ-индекс, включающий измерения высокоширотных станций в области полярного овала. Наиболее часто используемый Кр-индекс строится на основании измерений магнитных станций в широком диапазоне широт, и он чувствителен к обоим явлениям и не позволяет исследовать отдельно влияние каждой токовой системы, отдельно влияние магнитных бурь и суббурь.

Геомагнитные пульсации

Геомагнитные пульсации представляют собой короткопериодные колебания геомагнитного поля и характеризуются квазипериодической структурой, занимая диапазон частот от тысячных долей герца до нескольких герц. В зарубежной литературе в настоящее время для обозначения этих колебаний часто используется термин ULF-wave (ultra-low-frequency). Одной из первых работ в области изучения геомагнитных пульсаций явилась работа В. А. Троицкой (1956), заложившей основы этого направления исследований. По физической природе геомагнитные пульсации это гиромагнитные волны, возбуждаемые в магнитосфере Земли и в солнечном ветре. Верхняя частота пульсаций определяется гирочастотой протонов в магнитосфере, на земной поверхности это соответствует частотному диапазону порядка 3-5 Гц.

Солнечные источники геомагнитной активности

В спокойном солнечном ветре ММП вблизи Земли лежит в плоскости эклиптики и не является геоэффективным. Поэтому только возмущенные типы солнечного ветра могут содержать большую геоэффективную южную компоненту ММП и приводить к геомагнитной активности. Такие возмущенные типы солнечного ветра могут образоваться на Солнце только во время выбросов корональной массы (Coronal Mass Ejection — CME) и из корональных дыр, являющиеся источниками быстрых потоков солнечного ветра, которые догоняют и взаимодействуют с медленными потоками и образуют возмущенные области сжатия и деформации (так называемые Corotating Interaction region — CIR). Таким образом существуют 2 сценария передачи возмущения от Солнца к Земле и возбуждения сильной геомагнитной активности, прежде всего, магнитных бурь: 1. Выброс корональной массы (CME) => межпланетное CME (ICME, магнитное облако — Magnetic Cloud, MC), включающее южную компоненту ММП => магнитная буря. Второй сценарий: 2. Корональные дыры, формирующие быстрые потоки солнечного ветра => образование области сжатия и деформации ММП (CIR), включающей южную компоненту ММП => магнитная буря. Быстрые ICME аналогично быстрым потокам из корональных дыр могут образовывать перед собой области сжатия и деформации (так называемые Sheath), которые могут содержать южную компоненту ММП и быть геоэффективными, но и в этом случае солнечным источником бури является выброс корональной массы (то есть реализуется сценарий 1).

В СМИ, в научно-популярной (а иногда и в научной) литературе достаточно часто обсуждается вопрос о связи магнитных бурь с солнечными вспышками и предлагается прогноз магнитных бурь на основе наблюдений солнечных вспышек. Эта точка зрения возникла до начала космической эры, когда отсутствовали прямые измерения солнечного ветра и ММП, и она противоречит современным научным данным. Так как некоторые солнечные вспышки (число которых в несколько раз превышает число СМЕ и в несколько десятков раз превышает число магнитных бурь) сопровождаются СМЕ, то формально проведённый статистический анализ даёт небольшую корреляцию между вспышками и бурями. Однако, согласно современным данным, такая прямая физическая связь между солнечными вспышками и геомагнитными бурями отсутствует.

Вариации

Геомагнитные вариации непрерывно изменяются во времени, причём такие изменения носят периодический характер.

Суточные вариации

Суточные вариации геомагнитного поля возникают регулярно за счёт токов в ионосфере Земли, вызванных изменением освещённости земной ионосферы Солнцем в течение суток.

27-суточные вариации

27-суточные вариации проявляются как тенденция к повторению увеличения геомагнитной активности через каждые 27 земных суток. Эта закономерность связана с существованием долгоживущих активных областей на Солнце. Она проявляется в виде 27-суточной повторяемости магнитной активности и магнитных бурь.

Сезонные вариации

Сезонные вариации выявляются на основании среднемесячных данных о магнитной активности. Сезонные вариации магнитной активности имеют два максимума, соответствующие времени равноденствий, и два минимума, соответствующие времени солнцестояний.

11-летние вариации

11-летние вариации связанные со сменой полярности магнитного поля Солнца.

Вековые вариации

Вековые вариации - медленные вариации элементов земного магнетизма с большими периодами. Вековые вариации связанные с источниками, лежащими внутри ядра Земли.

Литература

Плазменная гелиогеофизика / Под ред. Л. М. Зелёного, И. С. Веселовского. В 2-х т. М.: Физ-матлит, 2008. Т. 1. 672 с.; Т. 2. 560 с.
Mayaud P.N. Derivation, meaning and use of geomagnetic indices // AGU Geophysical Monograph 22. 1980.
Троицкая В. А. Короткопериодные возмущения электромагнитного поля Земли, Вопросы изучения переменных электромагнитных полей. М.: Наука, С. 27-61. 1956.