CC BY
56
Радиофизика
Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2013, N 5 (і), с. 83-91
УДК 550.385.4
АНАЛИЗ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ДИНАМИКИ НИЗКОЧАСТОТНЫХ (2-8 мГц) МАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ В ПЕРИОДЫ МАГНИТНЫХ БУРЬ
© 2013 г. С.Е. Ревунов,1 Д.В. Шадруков/ Р.И. Серебрякова1,2
'Нижегородский государственный педагогический университет им. К. Минина 2Средняя школа №119, Н. Новгород
Поступила в редакцию 05.12.2012
Пространственно-временное распределение внутримагнитосферных колебаний на разных этапах геомагнитных бурь получено на основе анализа вейвлет-составляющих низкочастотных возмущений компонент геомагнитного поля в диапазоне магнитогидродинамических волн, зарегистрированных вдоль меридиональной цепи высокоширотных станций. Предложена методика представления результатов в виде «скелета» вейвлет-картин возмущений компонент поля, которые согласуются с динамикой границ высокоширотных активных зон.
Ключевые слова: плазменный солнечный поток, магнитогидродинамические возмущения, геомагнитная буря, прогноз.
Введение
Динамика топологии геомагнитного поля отражается в пространственно-временном распределении низкочастотных геомагнитных колебаний диапазона МГД-волн, которые можно регистрировать на земной поверхности. В свою очередь, конфигурация магнитосферы определяется физическими процессами, происходящими при воздействии солнечных замагничен-ных потоков и развитии геомагнитных бурь. Основным инструментом, позволяющим отследить эволюцию взаимодействия магнитосферы с солнечным ветром, традиционно является спектральный анализ. Обработка данных спутниковых и наземных наблюдений в целях исследования солнечно-земных связей на основе преобразования Фурье, а также вейвлет-преобразование изучаемых сигналов получили в последнее время заметное развитие [1, 2].
В предлагаемом нами исследовании колебания диапазона Рс4-5 (2-8 мГц) на станциях геомагнитного меридиана и построенные на их основе динамические спектры использованы как инструмент классификации геомагнитных бурь по интенсивности и оценки динамики активных высокоширотных зон. При этом решается задача наземной диагностики топологии высокоширотной магнитосферы во время бури по ограниченным данным. Следует заметить, что при распространении волн через ионосферу происходит модификация структуры магнито-сферных волн. В связи с этим параметры гео-
магнитных пульсаций, регистрируемых на земной поверхности, определяются как особенностями возбуждения волн, так и условиями их распространения в магнитосфере и ионосфере Земли. Современные представления о закономерностях прохождения волн диапазона геомагнитных пульсаций через ионосферу допускают, что волны исследуемого нами диапазона 2-8 мГ ц способны проникать через ионосферу и регистрироваться наземными магнитными обсерваториями [3-5].
В работе предлагается методика установления типа внутримагнитосферных колебаний на разных этапах геомагнитных бурь разной интенсивности с помощью постобработки вейвлет-картин магнитограмм горизонтальной и вертикальной компоненты геомагнитного поля части станций сети IMAGE. Это позволяет оценить изменения пространственно-временных режимов магнитных возмущений и, разделяя их на магнитозвуковые и альвеновские на разных магнитосферных оболочках во время геомагнитных бурь, сделать вывод о текущей конфигурации высокоширотной магнитосферы и установить границы аврорального овала.
Кроме того, предлагаемый подход, опирающийся на вейвлет-обработку магнитограмм, позволяет также классифицировать геомагнитные бури по интенсивности. Существующие в настоящее время типы классификации геомагнитной активности по морфологическим или физическим признакам основаны на данных, полученных по прямым наземным записям со-
ставляющих геомагнитного поля [6, 7]. В этом случае динамика колебательных процессов отдельных оболочек магнитосферы, а также анализ задержек перемещения колебаний по широтам во время различных по силе геомагнитных бурь не учитывается. Как показано в настоящей работе, эти сведения в качестве классификационной базы позволяют оценить интенсивность ожидаемых или уже развивающихся геомагнитных бурь, а также положение овала полярных сияний.
Данные и методика оценки пространственно-временного распределения и установления характера внутримагнитосферных колебаний на разных этапах геомагнитной бури
Исследование выполнено с использованием минутных данных полной горизонтальной и вертикальной компонент геомагнитного поля с 7 станций сети IMAGE (http://www.geo.fmi.fi/ image, [8]). Эти обсерватории отобраны с учетом общего геомагнитного меридиана. Отбираемые временные интервалы данных включали в себя периоды 12 дневных (для сети станций) магнитосферных бурь, имеющих форму классической «бухты», различной интенсивности по показаниям геомагнитного индекса Dst (http://spidr.ngdc.noaa.gov/spidr), зарегистрированных в периоды с 2000 по 2003 г. Данные индекса Кр планетарной геомагнитной активности получены с узла Coordinated Data Analysis Web (http://cdaweb.gsfc.nasa.gov). В связи с тем, что индексы Dst и Кр являются основными показателями геомагнитной активности, их значения выступают как своеобразные маркеры при оценке пространственно-временного распределения и установления характера внутримагнитосферных колебаний на разных этапах геомагнитной бури. Индекс Dst позволяет установить начало и окончание фаз исследуемых геомагнитных бурь. Планетарный индекс Кр позволяет в целом оценить геомагнитную обстановку.
Прежде чем перейти к обработке данных исследуемых геомагнитных бурь, необходимо учесть один важный момент. Известно, что геомагнитные бури имеют несимметричный по времени характер своего проявления. Так, например, главная фаза бури составляет в среднем около 7 часов, а фаза восстановления - около 3 суток. В связи с этим любая сравнительная оценка нескольких геомагнитных бурь в первую очередь будет осложнена выбором равноценных фрагментов данных, которыми представляется описание события. Так, для каждой геомагнитной бури определены три характерных
трехчасовых интервала времени: предбуревая фаза - значения индекса Dst в пределах фонового уровня (±5 нТл), начальная фаза - повышение значений индекса Dst до +20^30 нТл, главная фаза - понижение значений индекса Dst до -50^-300 нТл. В выборку попало равное количество слабых и умеренных (Dst > -100 нТл), сильных (Dst > -200 нТл) и экстремальных бурь (Dst < -200 нТл). Даты начала главных фаз изучаемых бурь, их интенсивность и вызвавшие их структуры солнечного ветра приведены в [8].
Задача регистрации пульсаций на определенной частоте в компонентах геомагнитного поля может быть в общем случае сведена к построению динамического амплитудно-частотного Фурье-спектра магнитограммы с каждой участвующей в эксперименте обсерватории. Однако такой подход не позволит точно сказать, в какой момент времени произошла смена набора гармоник в анализируемом сигнале. Связано это с тем, что алгоритм Фурье-преобразования оперирует с бесконечными гармоническими функциями, результат использования которых приводит или к хорошей локализации широкого диапазона частот во времени, или к хорошей конкретизации узкой полосы частот в неопределенно широком временном интервале. В результате моменты регистрации перестройки колебательной системы могут быть определены с большой погрешностью. Кроме того, в поставленной нами задаче необходима проверка факта регистрации однотипных долгопериодных гармоник на всех анализируемых станциях в конкретный момент времени при наличии количественной объективной оценки согласованности получаемых спектров.
Такое исследование может быть выполнено в рамках альтернативного подхода к спектральной обработке сигналов - использования вейвлет-преобразования. К вейвлетам относятся локализованные функции, которые конструируются из одного базового вейвлета у(0 путем операций сдвига по аргументу (Ь) и масштабного изменения (а): уаЬ(^ = (У^/О) у(^-Ь)/а), где
множитель (1/^1) обеспечивает независимость нормы функций от масштабного числа а. Вейвлет-преобразование сигнала s(t), которое применяется для качественного частотновременного анализа, по смыслу соответствует преобразованию Фурье с заменой гармонического базиса на вейвлетный у(^-Ь)/а):
С(а, Ь) = ^(0, Уаь(0> =
=(1^Л/П0У) s(t) у(^-Ь)/а) Л.
Таким образом, вейвлет-спектр С(а, Ь) в отличие от Фурье-спектра является функцией двух аргументов: масштаба вейвлета а (в еди-
ницах, обратных частоте) и временного смещения вейвлета по сигналу Ь (в единицах времени), при этом параметры а и Ь могут принимать любые значения в пределах областей их определения. Результатом вейвлет-преобразования одномерного числового ряда (сигнала) является двумерный массив значений коэффициентов С(а, Ь), представляющий собой поверхность в трехмерном пространстве. Распределение этих значений в пространстве (а, Ь) - временной масштаб, временная локализация - дает информацию об изменении во времени относительного вклада в сигнале вейвлет-компонент разного масштаба. В работе используется разработанная в [8] методика представления результатов с помощью скелетонной постобработки вейвлет-картин возмущений компонент поля. Суть методики заключается в визуализации вейвлет-спектра путем построения проекций на плоскость (а, Ь) с изолиниями (изоуровнями), что позволяет проследить изменения коэффициентов на разных масштабах во времени, а также выявить картину локальных экстремумов этих поверхностей. Таким способом были получены соответствующие графики локальных максимумов вейвлет-спектра [9, 10]. Применение техники постобработки результатов вейвлет-анализа с получением вейвлет-скелетонных спектров облегчает задачу объективного сопоставления спектров. Так, для успешной оценки согласованности спектральные картины должны содержать только ключевые особенности, что и отражают наборы вейвлет-скелетонных спектров.
Так как каждый скелетон представляет собой зависимость периода колебаний от времени регистрации сигнала, то интерпретация графиков локальных максимумов выделяет несколько базовых типов скелетонов. Скелетон первого типа «|» - самый быстрый процесс смены режима колебаний (наблюдаются все масштабы колебаний в один момент времени). На высокоширотных станциях под авроральным овалом свидетельствует о перемещении (регистрации) границы между областью полярной шапки и овала полярных сияний. На субавроральных станциях соответствует регистрации границы между овалом сияний и субавроральной областью. Скелетон второго типа «/» - процесс диссипации энергии колебаний с переходом от диапазона высокочастотных пульсаций в диапазон низкочастотных (с течением времени масштабы колебаний увеличиваются). Свидетельствует об уменьшении уровня энергии, вносимого в колебательную систему от внешнего источника. Скелетон третьего типа «\» - процесс накачки энергии колебаний с переходом от диапазона низкочастотных пульсаций в диапазон
высокочастотных (с течением времени масштабы колебаний уменьшаются). Свидетельствует об увеличении уровня энергии, вносимого в колебательную систему от внешнего источника. Отсутствие скелетона в данный интервал времени интерпретируется как регистрация устойчивого режима колебаний, не выделяющегося по амплитуде и частоте в исследуемом масштабном (частотном) диапазоне.
Особенностями скелетонов можно воспользоваться, сопоставляя отдельные ветки по компонентам геомагнитного поля в конкретном временном окне для разных станций на магнитном меридиане. Количественно оценить однотипность скелетонов можно согласно выражению, представленному в [8]. Заметим, что данный подход имеет смысл только для пары скелетонов, находящихся в пределах некоторого общего временного окна. Ширина этих окон была нами отдельно определена путем вычисления суммарного времени регистрации устойчивого режима колебаний до и после рассматриваемого скелетона. В таблице 1 приведены усредненные расчетные значения для временных окон вейвлет-скелетонов компонент магнитограмм станций. Фиксация однотипных скелетонов в разных обсерваториях в одном временном окне свидетельствует о синхронизации колебаний магнитосферных оболочек. Это обстоятельство позволяет классифицировать маг-нитосферные оболочки (с привязкой к магнитным станциям) на группы с разными механизмами генерации исследуемых колебаний, приняв во внимание общепринятые стандартные модели магнитосферы [11, 12].
Анализ задержек перемещения колебаний по широтам во время различных по силе геомагнитных бурь выполняется путем вычисления для пары скелетонов внутри общего временного окна скользящей величины Охп как среднеквадратичного отклонения моментов регистрации локальных максимумов спектра [8]. Рассмотрим алгоритм поиска задержек. Так, на первом этапе определяем пару скелетонов, наблюдающихся на разных обсерваториях в одном временном окне с Бхп не меньше 70% (рис. 1).
На втором этапе вычисляем скользящее значение Dxn, для этого смещаем по времени в одном временном окне скелетоны, полученные по данным разных станций, таким образом, чтобы синхронизировать их. Для каждой пары скелетонов выполняется расчет массива скользящих Dxn(k), где каждое ^е значение соответствует временному сдвигу пары скелетонов друг относительно друга на шаг, равный дискретности исходных данных.
Таблица 1
Усредненные расчетные значения для временных окон и среднее число скелетонов в трехчасовых интервалах минутных данных, соответствующих предбуревому состоянию, ___________________________ начальной и главной фазе бурь ___________________________________
Начальная фаза бури
Номер бури Окно №1 (1-45 мин) Окно №2 (46-90 мин) Окно №3 (91-135 мин) Окно №4 (136-180 мин) Скелетонов
1 бо 2о 2о 4о з
2 7о бо 2о 2о з
3 2о 2о зо 2о 5
4 2о 4о 4о 4о 4
5 бо 4о 4о 4о з
6 4о 4о 2о 4о з
7 4о зо зо зо з
8 4о 4о 4о 4о з
9 зо 2о зо зо 4
10 бо 4о 4о 4о з
11 4о 4о 2о 4о 4
12 7о 2о 2о 4о з
Главная )аза бури
Номер бури Окно №1 (1-45 мин) Окно №2 (46-90 мин) СП Ё ^ § І 2 О ~ 9 Окно №4 (136-180 мин) Скелетонов
1 2о 2о 2о 2о 4
2 2о 2о 2о 8о з
3 4о 2о бо бо з
4 4о 2о 2о зо 4
5 зо зо зо 4о 4
6 2о 4о 2о 2о 4
7 2о 4о 2о 2о 4
8 зо зо зо зо 4
9 зо зо зо зо б
10 4о 4о 2о 2о 4
11 4о 2о бо 2о 4
12 бо 2о 2о 2о 4
Предбуревое состояние
Номер бури Окно №1 (1-45 мин) Окно №2 (46-90 мин) % § і 2 О ~ 9 Окно №4 (136-180 мин) Скелетонов
u s 3 й S Л U ю a и S О £ 1 2о 2о зо зо 4
2 2о 2о 4о бо з
3 зо 4о 2о 2о 4
4 4о 2о 4о 4о 4
u § A О 5 бо 2о бо бо з
6 зо зо зо зо 5
7 бо 4о 4о 4о з
8 4о зо зо 4о 4
V § A § & W n 9 зо зо зо зо 4
10 зо зо зо зо 4
11 зо зо 2о зо 5
12 бо 4о 2о 2о 4
л
ь
I
о
5
г
5
-0-
■0-
m
0
5£ .
01 3
1
ю
л
ь
3
и
л
2
15г
5-
15г
20 40 60 ВО
S1
100
120
—I—
140
160 180
таг
S2
20 40 60 80
120
140
160 180
Время, мин
Рис. 1. Пара скелетонов S1 и S2, полученных по данным с обсерваторий Sodankyla (SOD) и Oulujarvi (OUJ) в одном временном окне с Dxn, превышающим 70%. Значения масштабных вейвлет-коэффициентов отвечают диапазону частот 2-8 мГц. Фрагмент представленных данных соответствует главной фазе бури 24.11.2001 г. 1500-1800 UT, Dst = -240 нТл
На заключительном третьем этапе из полученного массива скользящих Dxn(k) выбираем максимальное значение и определяем соответствующий ему временной сдвиг, отражающий величину задержки между парой скелетонов S1 и S2. Полученная таким способом информация может быть использована для оценки времени переноса однотипных колебаний в горизонтальной и вертикальной компоненте геомагнитного поля между оболочками магнитосферы. Это, в свою очередь, позволит сделать вывод об изменении пространственно-временных режимов магнитных возмущений анализируемого диапазона в периоды исследуемых геомагнитных бурь.
Оценка динамики пространственно-временных режимов магнитных возмущений диапазона 2-8 мГц
Данная часть исследования посвящена решению прикладной задачи обнаружения границ высокоширотных активных зон путем отслеживания динамики скелетонов. Здесь инструментом решения является предложенный алгоритм обработки скелетонов для вычисления количественной оценки их согласованности. Для этого, следуя разработанной выше методике, выполним анализ динамики пространственно-временных режимов магнитных возмущений в вертикальной и горизонтальной компонентах гео-
' > HOR
\ф Inf > 1 ?nf -
Inf Р1 \ Inf 1 Ьч _
- iifr /nf 5* . Inf [8] inff ' :• bjn-Ipf - f :
20 40 60 го 140 160 1в<
&Э.95
°°\
in#
и
Inf
20 40 60 100 120 140 160 1® 20 40 60 во 100 120 140 1вО 18)
ipf ^6.04 Ipf 1 !. UPS1 ■y : Ipf IJhf Ipf ' I, UPS1 ibf :
a) : \ Cfe] б) - . ё*6> . \ Йв]
Время, МИК 20 “ во во ,00 120 140 Время, мин
- Inf 40.05 Inf I HOR fnf - Ъ] _
20 40 60 80 100 120 140 160 1 в<
- 1гЙГ /nf 51 &G [8] Inf I ' :• bjn-Ipf f :
20 40 60 вО O 140 1вО 1в(
- Ici'f !. ibf It*] ipf 00.68 fnf r у KEV-^Inf “ A
20 40 60 во 100 1 140 160 " 18
-\Ф Inf/ ijlf t ' : 1ф.ОО fnf *1' .= MAS I r\f
20 40 60 вО О 140 160 1в<
nif [24,4 V 7 ^6.18 he] Ini? / B„j Irt'f tfs] soo
20 40 60 80 100 1; 20 140 160 18
inf !. !hf 1 ЩЛ .68 Inf j; 0 с С-
Рис. 2. Примеры (выделенные в рамках) согласующихся скелетонов внутри группы, для которых величина Dxn превысила 70%. Скелетоны, не вошедшие в заданное временное окно, отмечены символом Inf. По оси абсцисс отложено время в минутах, по оси ординат - значения масштабных вейвлет-коэффициентов, отвечающих диапазону частот 2-8 мГц. Фрагменты (а, б) представленных данных соответствуют невозмущенному интервалу до начала бури 02.09.2002 г. 1100-1400 UT, Dst = -10 нТл. Названия станций даны в правом верхнем углу
магнитного поля во время бурь разной интенсивности. Вычисления значений Dxn по магнитограммам наземных обсерваторий для всех возможных комбинаций скелетонов позволяют определить идентичные группы скелетонов на разных широтах. На рис. 2 приведены примеры согласующихся скелетонов внутри группы.
На рис. 3 представлен пример фиксации скелетонов, полученных во время бури по данным магнитных обсерваторий. Здесь дополнительно отображены северная/южная граница аврораль-ного овала и значения индексов Dst и Кр (JHU/APL, The Auroral Particles and Imagery Group at The Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, http://sd-www.jhuapl.edu
/Aurora/ovation).
Алгоритм анализа покомпонентной регистрации скелетонов в интервале выбранной бури состоит из следующих последовательных этапов:
1) Выбираем первое временное окно согласно таблице 1 в пределах трехчасового интервала, соответствующего определенной фазе бури.
2) В пределах временного окна для каждой обнаруженной пары скелетонов вычисляем массив скользящих Dxn, из которого выбираем максимальное (но не менее 70%) значение, и определяем соответствующий ему временной сдвиг, отражающий величину задержки между парой скелетонов.
3) Все обнаруженные пары скелетонов в пределах этого окна с величиной Dxn не менее 70% отмечаем на общем графике однотипными маркерами и фиксируем временные задержки (в минутах). Знак «-» соответствует распространению колебания с юга на север, знак «+» соответствует распространению колебания с севера
на юг. Если задержка не фиксируется, то никакой отметки не делается.
4) Переходим к следующему временному окну и повторяем пункты 2 и 3.
5) Переходим к следующей фазе бури и повторяем алгоритм с начала, пока не рассмотрим все скелетоны.
6) После маркировки всех скелетонов в каждом временном окне находим разнотипную (отмеченную разными маркерами) вертикальную пару соседствующих скелетонов. Согласно интерпретации скелетонов, считаем, что между ними проходит граница высокоширотной активной зоны и/или проекция оболочки магнитосферы. Отсутствие разнотипных скелетонов в данном временном окне свидетельствует о том, что вся область принадлежит одной широтной зоне. Результатом объединения всех таких найденных точек является картина проекций маг-нитосферных оболочек.
В результате реализации этого алгоритма получены маркированные общие графики (карты), демонстрирующие моменты регистрации групп однотипных скелетонов во время развития геомагнитной бури с указанием найденных временных сдвигов. На рис. 4 представлен пример карты распределения скелетонов в вертикальной и в горизонтальной компоненте геомагнитного поля.
Обнаруженные временные сдвиги между скелетонами демонстрируют моменты смены однотипных частотных режимов в колебаниях компонент геомагнитного поля на разных широтах. Полученные результаты можно использовать для классификации ожидаемых или уже развивавшихся геомагнитных бурь по интенсивности.
Таблица 2
Среднеквадратичные отклонения значений широт для северной (на сером фоне) и южной (на белом фоне) границы аврорального овала, между величинами, полученными на основе вейвлет-скелетонного анализа для горизонтальной компоненты геомагнитного поля и модельных значений III И РАН и JHU/APL____________
Dst до -100 нТл Dst до -200 нТл Dst меньше -200 нТл
Слабые и умеренные бури Сильные бури Экстремальные бури
Дата Кр тах ПГИ хни/ APL Дата Кр тах ПГИ хни/ APL Дата Кр тах ПГИ хни/ APL
01.11.2000 г. Кр 4 9.30 8.22 23.05.2000 г. Кр 7+ 7.22 7.94 15.07.2000 г. Кр 9 5.85 5.59
4.11 3.89 4.24 3.77 3.29 3.29
18.06.2001 г. Кр 5 9.54 6.71 18.04.2001 г. Кр 7+ 9.41 5.06 24.11.2001 г. Кр 8+ 5.68 6.11
3.56 3.89 3.67 3.41 3.50 3.31
19.05.2002 г. Кр 5 5.62 8.63 03.09.2002 г. Кр 7 8.89 4.23 07.09.2002 г. Кр 7+ 8.44 7.46
3.48 3.40 3.35 3.76 3.49 3.48
04.11.2003 г. Кр 6+ 8.71 5.12 18.06.2003 г. Кр 6+ 8.90 7.57 20.11.2003 г. Кр 8+ 9.88 8.12
3.56 3.39 4.61 4.20 3.33 3.29
Предбуревая фаза
Начальная фаза
Главная фаза
74,13 {ПОЮ 71,45
“■ (аш) га
£ 66,33
(ОД
3 65,13
(МАЗ) 63,92 (ЗОВ) 50.99
9
о.
к
га
Е
га
г
о
.(и
(ОШ)
55,51
<иге)
1
"1 п /' ҐІ Ч \ п 1 і П с I о ( ( 1Г1 п
■и г Л “ '«V “~к № _ — к
О С С І с! ) ! іГ С С ( V К а Ч ч**
\
‘О Г) ґ 'Г) г УО 2 о й ^ К т і к п 0 о г П( 1
>- / ву ' *ч
и э и о V. 7 -С и ч >• \ 4 V/ и
с > О О С с О О с )
І
г ю г 1 І і О Г) ~>Г
+5 нТп Кр 1 + 1 +2С нТ п, Кр 2 -30 0 н" Гл, <Р7 +
180
360
540
Время, минуты
Рис. 3. Пример фиксации скелетонов, полученных по данным о вертикальной компоненте геомагнитного поля во время бури 07.09.2002 г. Скелетоны обозначены кружками, вертикальные пунктирные линии разделяют фазы бури, пунктиром представлены северная/южная граница аврорального овала согласно данным JHU/APL
1) В компонентах магнитного поля слабых и умеренных геомагнитных бурь (Dst > -100 нТл, Кр=4) обнаружено четкое разделение групп скелетонов на северную (зона полярной шапки и аврорального овала) и южную (субав-роральная зона) части. Средняя временная задержка для этого типа бурь между скелетонами в пределах всех анализируемых окон составляет ~4 минуты. 2) Для сильных бурь (Dst > > -200 нТл, Кр=6) заметно проявление минимум трех групп скелетонов (полярная шапка, овал, субавроральная зона). При этом средняя временная задержка для этого типа бурь между скелетонами в пределах всех анализируемых окон составляет ~3 минуты. 3) Экстремальные геомагнитные бури (Dst < -200 нТл, Кр=8) ха-
рактеризуются неустойчивой картиной распределения скелетонов в горизонтальной составляющей поля, в то время как в вертикальной компоненте они структурированы по областям отчетливо. Средняя временная задержка для этого типа бурь между скелетонами в пределах всех анализируемых окон составляет ~5 минут.
Поляризационное исследование значений компонент геомагнитного поля на основе анализа карт распределения скелетонов вдоль меридиана позволяет определить тип возникающих внутримагнитосферных колебаний, отвечающих магнитозвуковым и/или альвеновским волнам. Оно выявило следующие закономерности в фазах развития бурь.
Таблица 3
Среднеквадратичные отклонения значений широт для северной (на сером фоне) и южной (на белом фоне) границы аврорального овала, между величинами, полученными на основе вейвлет-скелетонного анализа для вертикальной компоненты геомагнитного поля ________________________и модельных значений III И РАН и JHU/APL_____________________________
Dst до -100 нТл Dst до -200 нТл Dst меньше -200 нТл
Слабые и умеренные бури Сильные бури Экстремальные бури
Дата Кр тах ПГИ ши/ APL Дата Кр тах ПГИ ши/ APL Дата Кр тах ПГИ ши/ APL
01.11.2000 г. Кр 4 6.48 7.03 23.05.2000 г. Кр 7+ 4.20 4.01 15.07.2000 г. Кр 9 3.82 3.79
4.67 4.50 3.42 3.21 2.91 3.12
18.06.2001 г. Кр 5 5.87 6.10 18.04.2001 г. Кр 7+ 4.02 4.61 24.11.2001 г. Кр 8+ 3.88 3.21
4.51 4.79 3.59 3.12 3.44 3.01
19.05.2002 г. Кр 5 5.44 5.68 03.09.2002 г. Кр 7 3.98 4.01 07.09.2002 г. Кр 7+ 4.02 3.53
4.30 4.82 3.30 3.41 2.12 2.80
04.11.2003 г. Кр 6+ 4.82 4.55 18.06.2003 г. Кр 6+ 4.87 4.92 20.11.2003 г. Кр 8+ 4.28 4.12
3.90 4.52 4.08 4.50 2.73 2.90
Предбуревая фаза Начальная фаза Главная фаза
74,13 . (НОЙ]
I 71,45 <- ЩИ]
га
0 66,32 §- (КЕї)
З 66Д5 К [МАЗ)
1 63,92
3 |500|
га »<"
2 (ОШ)
о
56,51
(иР5)
О 180 360 540
Время, минуты
Рис. 4. Пример карты распределения моментов и широты фиксации скелетонов по данным вертикальной компоненты геомагнитного поля во время геомагнитной бури 07.09.2002 г. Значения рядом с маркерами соответствуют найденным временным сдвигам/задержкам в переносе колебаний. Штрихпунктир соответствует модельной картине проекций магнитосферных оболочек, полученной вейвлет-скелетонным методом. Пунктир соответствует модельной картине проекций магнитосферных оболочек, полученной по данным JHU/APL
I
- ■ -1 1 / '■4 ч ч -І г ■— ■ в»-1 4 Ч с ♦ 1.
_ . -й * - -Чч / ■
і ч ч / / А і \ & і ♦ Л N
V '■ /
ч+5 Л +3 Л +1 ■ >-А І/ 3 ■ А*.. 1 & | ■ 1 + . 1 +І1 и: О ■ #
4 •* ■ч к4. -4ч. + г
/ * ■ Ж ". V' ' Ч _ " * V-" ' Ь — _ г'' 4 <ъ ▼г
•-[ О ♦ с ] < ► ♦ і \ і ■ я ■ ♦ + ■
і \ .
Г +3 ♦ < ♦ -3 ■ і і \ / « ■
Рбі +5 чТл Кр 1+ Рэ! +2 С нТл, Кр 2 т 1 -300 нТл, (р7 +
1) До начала развития геомагнитных бурь в исследуемый трехчасовой период наблюдается фрагментарное перемещение колебаний с высоких широт (70-750) в более низкие (55-600) с усредненной задержкой ~7 мин в горизонтальной и в вертикальной компонентах геомагнитного поля. Данный результат соответствует классическому представлению об эволюции геомагнитной активности: источник колебаний связан с высокоширотной магнитосферной оболочкой, затем колебания переносятся в субав-роральные широты. 2) Начальная фаза развития геомагнитных бурь характеризуется изотроп-
ным (без переноса между оболочками) распределением колебаний, преимущественно наблюдающихся в высоких широтах 65-75о. На суб-авроральных широтах в это время могут наблюдаться задержки (~4 мин) в переносе колебаний в северном или южном направлениях. Найденная особенность проявляется в горизонтальной и вертикальной компонентах геомагнитного поля. 3) Главные фазы бурь характеризуются регистрацией в высоких широтах (70-750) быстро перемещающихся колебаний с задержкой ~1 мин в вертикальной компоненте геомагнитного поля. При этом в субавроральных широтах
колебания имеют изотропное распределение. В горизонтальной компоненте отследить однотипные колебания чаще не удается.
Отождествление карты распределения скелетонов с динамикой границ высокоширотных активных зон
Анализируя карту распределения скелетонов, пример которой показан на рис. 4, можно оценить качество обнаружения северной и южной границы аврорального овала, полученное предложенным вейвлет-скелетонным методом (пунктир с точкой), путем сравнения с другими моделями (пунктир). Для количественного сравнения полученных нами границ с другими моделями выбраны: модель ПГИ РАН
(http://webapps.pgia.ru/apm) и модель JHU/APL (The Auroral Particles and Imagery Group at The Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, http://sd-www.jhuapl.edu/Aurora/
ovation). В табл. 2, 3 представлены результаты вычисления среднеквадратичного отклонения значений широт, полученных на основе вейв-лет-скелетонного анализа (отдельно для горизонтальной и вертикальной компоненты геомагнитного поля) и модельных значений ПГИ РАН и JHU/APL. Дополнительно указано максимальное значение Кр индекса для каждой бури.
Сопоставление распределений скелетонов геомагнитных вариаций для меридиональной сети магнитных обсерваторий с модельными значениями границ ПГИ РАН и JHU/APL демонстрирует их удовлетворительное совпадение в периоды магнитосферных возмущений. Наиболее успешное совпадение (отклонение не более 5 град.) наблюдается для южных границ аврорального овала при обработке горизонтальной компоненты геомагнитного поля. Более точное определение северной (приполюсной) границы аврорального овала затруднено в связи с ее сопряженностью с областью полярной шапки. Эта зона является проекцией разомкнутых магнитных силовых линий хвоста магнитосферы с сильно разреженной плазмой, что также затрудняет ее точное позиционирование в горизонтальной компоненте поля [13, 14]. Таким образом, получаемое распределение скелетонов геомагнитных вариаций для меридиональной сети магнитных обсерваторий позволяет изучать динамику смещения границы полярной шапки и аврорального овала в периоды магнитосферных возмущений.
При обработке вертикальной компоненты поля отклонения в значениях широты северной границы аврорального овала уменьшаются. Причем чем интенсивнее магнитосферная буря,
тем позиционирование становится точнее. Например, при Кр=9 отклонение в значении широты северной границы составляет ~3.8о, в то время как при Кр=4 отклонение составляет уже ~7о. Данный результат согласуется с выводом из п.3, согласно которому экстремальные геомагнитные бури характеризуются неустойчивой картиной распределения скелетонов в горизонтальной составляющей поля, в то время как в вертикальной компоненте они структурированы по областям более отчетливо.
Заключение
Выполнена постобработка вейвлет-составляющих низкочастотных (2-8 мГ ц) возмущений горизонтальной и вертикальной компоненты геомагнитного поля в диапазоне МГД-волн, зарегистрированных вдоль меридиональной цепи высокоширотных станций. Предложена методика представления результатов в виде «скелета» вейвлет-картин возмущений компонент геомагнитного поля. Численный анализ полученных скелетонов позволил обнаружить границы активных высокоширотных областей. Эти результаты количественно согласуются с картой активных высокоширотных зон по моделям ПГИ РАН и JHU/APL. Наиболее успешное совпадение (отклонение не более 5 град. по широте) наблюдается для южных границ авро-рального овала при обработке горизонтальной компоненты геомагнитного поля. Показано, что динамика границы полярной шапки и аврораль-ного овала в периоды магнитосферных возмущений может быть выявлена по характерным особенностям в распределении скелетонов возмущений по мере развития различных по силе геомагнитных бурь.
Техника постобработки магнитных возмущений вдоль меридиональной цепи станций, сопровождающих геомагнитные бури, применена также для классификации и прогноза ожидаемых или развивающихся бурь. Характерные особенности вычисленных динамических спектров устанавливаются на основе изучения бурь разной интенсивности и используются как инструмент классификации геомагнитных бурь. Так, в компонентах магнитного поля слабых и умеренных геомагнитных бурь обнаружено четкое разделение групп скелетонов на северную (зона полярной шапки и аврорального овала) и южную части (субавроральная зона). Для сильных бурь заметно проявление минимум трех групп скелетонов (полярная шапка, овал, субавроральная зона). Экстремальные геомагнитные бури характеризуются неустойчивой картиной распределения скелетонов в горизон-
тальной составляющей поля, в то время как в вертикальной компоненте они структурированы по областям отчетливо. Обнаруженные временные сдвиги между скелетонами, демонстрирующие моменты смены однотипных частотных режимов в колебаниях компонент геомагнитного поля на разных широтах, использованы как классификационный параметр. Пространственно-временное распределение однотипных скелетонов дает возможность ответить на вопрос о типе внутримагнитосферных МГД-коле-баний, регистрируемых на фазах развития бурь. Обнаружено, что до начала развития геомагнитных бурь наблюдается перенос колебаний с высоких широт в низкие. Начальная фаза бурь характеризуется однотипностью колебаний в высоких широтах. На главных фазах бурь в высоких широтах отмечается быстрое движение областей с однотипными сменами частотных режимов. При этом в субавроральных широтах смена частотных режимов происходит одновременно.
Таким образом, разработанный алгоритм выполнения постпроцессинга пространственновременного вейвлет-анализа магнитных возмущений вдоль меридиональной цепи станций, сопровождающих геомагнитные бури, может быть использован как альтернативный диагностический инструмент состояния магнитосферы.
Благодарим Н.А. Бархатова за постановку задачи и полезные обсуждения.
Работа поддержана грантом РФФИ 12-05-00425 и по проекту «Разработка современных методов прогнозирования магнитосферно-ионосферного состояния в целях обеспечения успешных коммуникаций на основе поиска фундаментальных закономерностей влияния солнечной активности», выполняемому вузом в рамках госзадания Министерства образования и науки.
Список литературы
1. Клейменова Н.Г., Козырева О.В., Шотт Ж.Ж. Волновой геомагнитный отклик магнитосферы на
подход к Земле межпланетного магнитного облака (14-15 июля 2000 г., «Bastille day event») // Геомагнетизм и аэрономия. 2003. Т. 43. № 3. С. 321-331.
2. Клейменова Н.Г., Козырева О.В. Интенсивные геомагнитные пульсации Pc5 в восстановительную фазу супербурь октября и ноября 2003 г. // Г еомагне-тизм и аэрономия. 2005. Т. 45. № 5. С. 597-612.
3. Shi Y., Zesta E., Lyons L.R. et al. Multipoint observations of substorm pre-onset flows and time sequence in the ionosphere and magnetosphere // J. Geophys. Res. 2012. V. 117. № A09203.
4. Russell A.J.B., Wright A.N., Streltsov A.V. Production of small-scale Alfven waves by ionospheric depletion, nonlinear magnetosphere-ionosphere coupling and phase mixing // J. Geophys. Res. Space Physics. 2013. V. 118. № 50168.
5. Sydorenko D., Rankin R. Simulation of ionospheric disturbances created by Alfven waves // J. Geophys. Res. 2012. V. 117. № A09229.
6. Нишида А. Геомагнитный диагноз магнитосферы. М.: Мир, 1980. 300 с.
7. Tu C.Y., Marsch E. // Space Sci. Rev. 1995. V. 73. P. 1.
8. Бархатов Н.А., Ревунов С.Е., Шадруков Д.В. Уточнение типов солнечных плазменных потоков по анализу вне и внутримагнитосферных низкочастотных колебаний в периоды магнитных бурь // Приволжский научный журнал. 2013. № 1. С. 106-112.
9. Добеши И. Десять лекций по вейвлетам. Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. 464 с.
10. Астафьева Н.М. Вейвлет-анализ: основы теории и примеры применения //УФН. 1996. Т. 166. № 11. С. 1145.
11. Posch J.L., Engebretson M.J., Pilipenko V.A. et al. Characterizing the long-period ULF response to magnetic storms // J. Geophys. Res. 2003. V. 108. № A1.
12. Russell C.T., Hoppe M.M. Upstream waves and particles // Space Sci. Rev. 1983. V. 34. № 2. Р. 155-172.
13. Galperin Y.I., Feldsiein Y.I. Mapping of the precipitation region to the plasma sheet // J. Geomag. Geo-electr. 1996. V. 48. Р. 857-875.
14. Feldsiein Ya.I., Galperin Yu.I. The auroral luminosity structure in the high-latitude upper atmosphere: its dynamics and relationship to the large-scale structure of the Earth's magnetosphere //Rev. Geophys. Space Phys. 1985. V. 23. № 3. P. 217-275.
ANALYSIS OF THE SPACE-TIME DYNAMICS OF LOW-FREQUENCY (2-8 MHZ) MAGNETIC DISTURBANCES DURING MAGNETIC STORMS
S.E. Revunov, D. V. Shadrukov, R.I. Serebryakova
The space-time distribution of inner magnetospheric fluctuations at different stages of geomagnetic storms has been obtained from the wavelet analysis of geomagnetic field component disturbances in the range of low-frequency MHD waves recorded along the meridian chain of high-latitude stations. The results proposed to be presented in the form of the skeletons of wavelet images for geomagnetic field component disturbances are in agreement with the dynamics of high-latitude active zone boundaries.
Keywords: solar plasma flow, magnetohydrodynamic disturbances, geomagnetic storm, forecast.
