CC BY
47УДК 550.385 DOI: 10.52245/26867109_2022_4_113
К ВОПРОСУ О ВЛИЯНИИ АВРОРАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДЖЕТА НА ГЕОМАГНИТНЫЕ ВАРИАЦИИ НА АЛТАЕ
Гвоздарев А. Ю., Калмыкова А. Е.
ФГБОУ ВО «Горно-Алтайский государственный университет» г. Горно-Алтайск, Россия, E-mail: gvozdarev@ngs.ru
Аннотация: На примере данных магнитной станции «Байгазан» за январь 2011 г. обнаружено значимое влияние аврорального электроджета на вариации геомагнитного поля на Алтае. Среднемесячный коэффициент пропорциональности вариаций H-компоненты с AU-индексом принимает значения в диапазоне 0.03 — 0.07 с 5 до 9 часов локального времени (LT), а коэффициент связи с AL-индексом принимает значения в диапазоне -0.05 -—0.02 с 16 до 21 LT. Коэффициент пропорциональности D-компоненты с AU-индексом обнаруживает значимое отличие от нуля с 11 до 16 LT, принимая значения в диапазоне -0.11 -—0.05.
Ключевые слова: геомагнитные вариации, Алтай, авроральный электроджет, электромагнитная экология.
ON THE INFLUENCE OF AURORAL ELECTROJET ON GEOMAGNETIC
VARIATIONS IN ALTAI
Gvozdarev A. Y., Kalmykova A. E.
Gorno-Altaisk State University, Gorno-Altaisk, Russia, E-mail: gvozdarev@ngs.ru
Abstract: On the example of the data of the magnetic station «Baigazan» for January 2011, an effect of the auroral electrojet on the variations of the geomagnetic field in Altai was found. The proportionality coefficient of H-component variations with the AU-index takes values in the range 0.03^0.07 from 05 to 09 local time (LT), and the one coefficient with the AL-index takes values in the range -0.05^-0.02 from 16 to 21 LT. The coefficient of proportionality of the D-component with AU index shows a significant difference from zero from 11 to 16 LT, taking values in the range -0.1K-0.05.
Key words: geomagnetic variations, Altai, auroral electrojet, electromagnetic ecology.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время вариации геомагнитного поля рассматриваются как экологический фактор, являющийся одним из звеньев влияния космической погоды на биосферу [Владимирский, 2016, Рагульская, 2005]. При этом естественные переменные магнитные поля рассматриваются как синхронизаторы для биологических ритмов [Колесник и др., 2009], а в качестве наиболее чувствительных к переменным магнитным полям систем организма человека и животных выделяют нервную, эндокринную, сердечно-сосудистую системы и систему крови. Например, томскими исследователями показано наличие корреляции между частотами шумановского резонанса и альфа-ритмом электрической активности мозга человека [Побаченко, и др., 2009]. В работе [Бородин, 1999] отмечена значимая корреляционная связь восточной компоненты геомагнитного поля и частоты сердечных сокращений, а также влияние шумовой составляющей вариаций геомагнитного поля на вариабельность сердечного ритма. Показано проявление микропульсаций класса Рс1 в синхронном увеличении числа случаев инфаркта миокарда и внезапной смерти [Рапопорт и др., 2006]. Длительное время развитие этих
исследований тормозилось неясностью механизма влияния магнитного поля на биологические объекты, но в последнее время были развиты работоспособные модели, основанные на квантовых явлениях [Бинги, Савин, 2003; Белова, Панчелюга, 2010]. В связи с этим мониторинг состояния геомагнитного поля и КНЧ электромагнитного фона приобретает важное экологическое значение.
При этом необходимо отметить, что в современном мире природные показатели электромагнитной среды обитания биосферы существенно нарушаются - например, уровень техногенных шумов в окрестностях Санкт-Петербурга спадает до уровня природных вариаций лишь на расстоянии в 100 км от города [Птицина и др., 1998]. В этих условиях важную роль приобретают магнитные измерения на территории заповедников, где сохраняется стабильная магнитная обстановка (магнитное поле тоже нужно охранять!). На кордоне Байгазан Алтайского заповедника (N5^45', E87026') с декабря 2009 г. ведется мониторинг геомагнитных вариаций. Удаленность от источников техногенных магнитных шумов позволяет получать геомагнитные данные с низким уровнем шумов и регистрировать все типы геомагнитных вариаций и пульсаций, шумановские и альфвеновские резонансы [Гвоздарев и др., 2010, Gvozdarev, 2016]. В настоящее время накоплен значительный материал (станция производит 22.46 млн. измерений в сутки), и ставится задача использования его для построения региональной модели геомагнитных вариаций. Данная работа посвящена одному из аспектов этой модели - изучению возможности влияния аврорального электроджета на магнитные вариации на Алтае.
Общеизвестно о наличии аврорального овала на широтах около 68 градуса, где довольно часто можно наблюдать полярные сияния - на нашей долготе он проходит через поселок Диксон в устье Оби. О том, что полярные сияния сопровождаются протеканием вдоль аврорального овала электрического тока силой до 3 млн ампер, знают только специалисты. Этот ток (электроджет) состоит из двух долей, текущих от местного полудня к точке восхода в утреннем секторе (восточный электроджет) и в вечернем секторе от точки заката к полуночи (западный электроджет) - в спокойных условиях его величина составляет сотни килоампер (см. рисунок 1). Источником напряжения, питающим авроральный электроджет, является движение плазмы солнечного ветра в магнитном поле Земли в окрестности магнитопаузы, что делает всю эту систему токов весьма чувствительной к изменениям параметров солнечного ветра. С технической точки зрения магнитосфера Земли представляет собой магнитогидродинамический генератор мощностью 1-10 ТВт [Акасофу и др., Электронный ресурс], к полюсам которого подключен авроральный овал, но большая часть тока (10 млн ампер) течет через магнитосферный хвост. При увеличении скорости солнечного ветра напряжение растет и ток возрастает. Одновременно с этим избыток мощности сбрасывается через процессы в магнитосферном хвосте, проводящие к разогреву плазмы хвоста, и в конечном счете -генерации полярных сияний (одновременно с этим Земля выстреливает сгусток разогретой плазмы по магнитосферному хвосту, уносящему большую часть энергии). Так как энергичные частицы поступают в авроральный овал по магнитным силовым линиям, замкнутым на хвост, и находящихся в ночном секторе, полярные сияния возникают около местной полуночи, а конфигурация электроджета во время сияний меняется, и в нём начинает превалировать ток в ночном секторе (рисунок 1 в центре).
Сила тока в долях электроджета может быть оценена по AU- и AL-индексам, публикуемом с дробностью в 1 минуту на сайте международного центра данных по геомагнетизму в Киото (http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dstdir/index.html) - эти данные формирует в том числе и магнитная обсерватория в упомянутом выше поселке Диксон [Описание... Электронный ресурс]. При этом в средних широтах по ионосферному слою плазмы текут возвратные токи, сила которых зависит от силы тока в авроральном электроджете. Естественно, магнитная станция может зафиксировать эти «токи в небе» по создаваемым ими магнитным полям. Для исследования влияния этих токов на геомагнитные вариации на Алтае были проанализированы данные магнитной станции «Байгазан» за январь 2011 г.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
На магнитной станции «Байгазан» установлен кварцевый вариометр с датчиком от ЦМВС «Кварц-ЗЕМ» и регистратором разработки лаборатории робототехники ГАГУ [Кудин, Учайкин, 2010]. Частота регистрации трех компонент геомагнитного поля (D, H, Z) составляет 5 измерений в секунду, отсчетная точность - 0.1 пТл, среднеквадратичное отклонение за секунду колеблется в диапазоне 3-10 пТл в зависимости от сезона (зимой погрешность измерений ниже). Синхронизация времени с GPS производится раз в 6 часов с точностью 1 мкс. Вариометр установлен в неотапливаемом павильоне из немагнитных материалов (дерево, медные гвозди, ондулин) на постаменте из стеклоблоков с фундаментом из извести и немагнитного бута, сверху накрыт гранитной плитой. Для пассивной термостабилизации используется кожух постамента из экструдированного пенополистирола толщиной 20 см (амплитуда суточных колебаний температуры не превышает 1°С), для контроля температуры датчиков - электронный термометр с отсчетной точностью 1/16 °С. Сезонные колебания температуры датчиков - от -18°С до +20 °С. На основе данных регистрации трех компонент геомагнитного поля рассчитывались минутные средние с гауссовым сглаживанием в 90 секундном скользящем временном окне, которые в дальнейшем использовались для анализа [Бакчабаев, Бетёв, 2012].
Была разработана следующая методика обработки данных. Загружались данные за сутки по геомагнитным вариациям на Алтае и индексам аврорального электроджета, далее отбирались данные во временном окне шириной Дт=2 часа вокруг начала часа (момент времени tj = t1 + (i — 1)At, i = 1,2,... 24), который периодически менялся с интервалом At = 1 час. Затем для этих локальных данных рассчитывались коэффициенты корреляции по Пирсону между значениями компонент геомагнитного поля на Байгазане hy и индексами аврорального электроджета Aj, и анализировалась динамика коэффициентов корреляции в течение суток и ото дня ко дню. Для этого по результатам расчетов за каждый час в течение месяца формировались матрицы из 31 *24 значений коэффициентов корреляции и их уровней значимости. Для выявления суточной динамики было проведено усреднение по всем дням месяца квадратов коэффициентов корреляции.
Кроме того, для этих локальных данных внутри окна ( hj,Aj,j = 1,2,... 120) проводилась аппроксимация зависимости вариаций компонент геомагнитного поля от индексов аврорального электроджета линейной зависимостью и из коэффициентов этой связи а^ также формировались матрицы 31^24 (они показаны на рисунке 3).
hj = atAj + hoi
Как известно, индексы аврорального электроджета равны величине горизонтальной компоненты геомагнитного поля, создаваемой током аврорального электроджета в магнитных обсерваториях вблизи аврорального овала. Этот ток сильно возрастает во время суббурь, которые обычно имеют длительность около трех часов. Логично предположить, что одновременно с током электроджета возрастают возвратные токи в средних широтах (см. рисунок 1), которые находят свое отражение в D-, H-вариациях геомагнитного поля. В таком случае коэффициенты регрессии а^ являются мерой ослабления токов в средних широтах по сравнению с авроральным овалом.
РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА
Результат расчета среднемесячных значений квадрата коэффициентов корреляции для каждого часа международного времени UT показан на рисунке 2. Заметим, что местное астрономическое время Байгазана (LT) отличается от международного примерно на 6 часов (точнее - 5 часов 49 минут 44 секунды). Хорошо заметен максимум квадрата коэффициента корреляции для H-компоненты с 18 UT до 22 UT (0-04 LT, послеполуночный сектор) для AL-индекса. В ночном секторе также наблюдаются максимумы для D-компоненты около 14-17 UT
(20-23 LT) и 19-22 UT (01-04 LT), а в дневном - для D-компоненты и AU-индекса с 5 до 8 UT (около местного полудня, 11-14 LT).
Сравнение полученных результатов с рисунком 1 показывает, что наиболее сильное влияние на вариации геомагнитного поля на Алтае оказывает западный электроджет, текущий в секторе 0-10 LT - именно он вызывает изменение горизонтальной компоненты в послеполуночном секторе с 18 до 22 UT (0-04 LT), причем это влияние довольно сильное - за исследуемый месяц им определяется до половины дисперсии горизонтальной компоненты в этом секторе. Так как на средних широтах магнитные вариации создаются обратными токами, то горизонтальная компонента в результате должна увеличиваться при росте ЛЬ индекса, что мы и наблюдаем на рисунке 3: примерно на местную полночь (18 иТ) приходится смена знака коэффициента связи между горизонтальной компонентой и ЛЬ-индексом (после полуночи она положительна, то есть ток течет на восток, а до полуночи на запад). Интересно, что на это же время приходится смена знака коэффициента связи между D-компонентов и ЛЬ-индексом, но он меняется в противоположную сторону - после полуночи знак коэффициента отрицательный (см. рисунок 3), то есть у тока есть северная компонента.
С целью изучения возможности построения регрессионной модели были рассчитаны среднемесячные значения коэффициентов связи Н-, D-компонент с Ли- и ЛЬ-индексами (см. рисунок 4) и их 95% доверительные интервалы (показаны пунктиром). В результате были выявлены две области, где коэффициенты связи для горизонтальной компоненты принимают ненулевые значения: с 23 иТ до 03 иТ, что соответствует 5-9 часам локального времени коэффициент связи с восточным электроджетом принимает значения в диапазоне 0.03 — 0.07, и с 10 иТ до 15 иТ (16-21 ЬТ) коэффициент связи с западным электроджетом принимает значения в диапазоне -0.05 -—0.02. Интересно, что максимум среднемесячного квадрата коэффициента корреляции приходится для связи горизонтальной компоненты с западным электроджетом на 20 иТ (2 ЬТ), но значимого отличия среднемесячного коэффициента связи от нуля мы в это время не наблюдаем. Видимо, коэффициент связи сильно варьирует от суток к суткам, в то время как сама корреляция в каждые сутки довольно сильна. Действительно, рисунок 3 показывает, что во второй декаде января в 20 иТ знак коэффициента связи положительный, а во второй половине третьей декады для того же времени суток он отрицательный - наблюдается расширение области отрицательных значений в утренний сектор, что свидетельствует о переходе к несколько иной конфигурации токов.
Коэффициент связи D-компоненты с восточным электроджетом обнаруживает значимое отличие от нуля с 05 до 10 иТ (11-16 ЬТ), принимая значения в диапазоне -0.11 -—0.05 (что соответствует течению тока на север), максимум коэффициента корреляции также приходится на околополуденный сектор с высокими значениями коэффициента связи. Конфигурацию токов, которая могла бы создавать такие поля, мы видим на рисунке 1 справа (фаза восстановления). Западный электроджет устойчиво проявляет себя в D-компоненте с 11 до 18 иТ (17-24 ЬТ, вечерний сектор) - значения коэффициентов связи в это время находится в диапазоне значений 0.02 — 0.04 (ток течет на юг). Более низкое значение коэффициента связи связано с меньшей проводимостью ионосферы в ночное время. После полуночи знак связи меняется и около 21-22 иТ (3-4 ЬТ) наблюдается область со значениями коэффициента связи в диапазоне -0.05 — -0.03 (ток течет на север).
Сравнение полученных результатов с рисунком 1 показывает, что полученное распределение коэффициентов связи более соответствует картине токовых линий для фазы восстановления, когда и в утреннем и в вечернем секторах наблюдаются интенсивные токовые вихри с границей около полуночи. Необходимо отметить, что представленные на рисунке 1 распределения токовых функций делались для условий равноденствия, а наши расчеты делаются для января, когда влияние проводящей области ионосферы на дневной стороне значительно снижено - соответственно, даже при спокойных условиях токовые вихри на
дневной и ночной стороне должны быть близки по амплитуде. Между тем, восстанавливаемая картина токов довольно фрагментарна, в ней, в частности, не хватает области с положительными среднемесячными значениями коэффициента связи с горизонтальной компонентой, чтобы замкнуть токи.
Отметим, что влияние аврорального электроджета на геомагнитную активность для среднеширотной обсерватории «Михнево» предполагалось в [Гаврилов и др., 2016] - в данной работе анализировалась схожесть динамики среднемесячного станционного К-индекса геомагнитной возмущенности и АЕ, ЛЬ-индексов в течение 2011 и 2016 годов. Кроме того, возможность затекания возвратных токов от аврорального электроджета в среднеширотную и даже низкоширотную область была теоретически показана в работе [Денисенко и др., 1992].
С учетом быстрого дрейфа Северного магнитного полюса от Канады к Сибири в последние десятилетия влияние аврорального электроджета на магнитное поле Алтая в будущем будет нарастать - за 60 лет уже произошло смещение аврорального овала на 600 км в сторону Сибири при смещении полюса на 1600 км за то же время [Копытенко и др., 2018]. Согласно предварительному прогнозу [Авакян, Воронин, 2011] при сохранении текущих скоростей движения магнитного полюса к 2050 г. он приблизится к арктическому побережью России, а авроральный овал будет проходить примерно над Томском и Красноярском. Это существенно увеличит амплитуду магнитных вариаций во время магнитных бурь по всей Сибири, и на Алтае, в частности.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На примере данных магнитной станции «Байгазан» за январь 2011 г. отработана методика выявления связи магнитных вариаций на Алтае с индексами аврорального электроджета. Для этого корреляционный анализ между значениями компонент геомагнитного поля и значениями индексов аврорального электроджета проводился в скользящем временном окне длиной 2 часа, периодически смещающемся на один час, и проводилась аппроксимация данных в окне линейными зависимостями от индексов аврорального электроджета. Обнаружено значимое влияние аврорального электроджета на вариации геомагнитного поля на Алтае - значит, если в зимнем небе Диксона вспыхивает зеленая дуга полярного сияния, у нас на Алтае меняется магнитное поле. Ионосфера Земли связывает наши средние широты с полярными областями, которые по силовым линиям магнитного поля разомкнуты в космос.
Работа выполнена при поддержке регионального гранта РФФИ 20-45-040013 и Министерства науки и образования Республики Алтай.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Авакян С. В., Воронин Н. А. Роль космических факторов в энергетической и экологической безопасности // Академия энергетики - Т. 44. - 2011. - №6. - С. 28-35.
2. Акасофу С.-И. Динамика полярных сияний // База знаний [Электронный ресурс]. -Режим доступа: кйр://рго2паша.гц/§ео§г.ркр/?ра§е_1ё=433, свободный - (22.11.2021).
3. Белова Н. А., Панчелюга В. А. Модель В. В. Леднева: теория и эксперимент // Биофизика. - 2010. - Т. 55, вып. 4. - С. 750-766.
4. Бинги В. Н., Савин А. В. Физические проблемы действия магнитных полей на биологические системы // УФН. - 2003. - Т. 173, вып. 3. - С. 265-300.
5. Бородин А. С. Сопряженность вариаций КНЧ электромагнитных полей среды обитания и состояния среды организма человека: дисс. ... канд. техн. наук: 11.00.11, Томск. гос. ун-т -Томск,1999. - 160 с.
6. Владимирский Б. М. Космическая погода и биосфера-ноосфера-техносфера: механизмы воздействия // Наука и технологические разработки. 2016. Т. 95. № 1. С. 22-36.
7. Гаврилов Б. Г., Ряховский И. А., Маркович И. Э., Ляхов А. Н., Егоров Д. В. О применимости планетарных и станционных индексов геомагнитной активности // Гелиогеофизические исследования - 2016. - Вып. 15. - С. 42-48.
8. Гвоздарев А. Ю. Бакиянов А. И., Бетёв А. А., Учайкин Е. О., Бородин П. Б., Хомутов С. Ю. Организация непрерывной регистрации магнитных вариаций на станции Байгазан (Телецкое озеро) // Научный вестник Республики Алтай - Горно-Алтайск: РИО ГАГУ, 2010. - №4. - С. 31-42.
9. Денисенко В. В., Еркаев Н. В., Китаев А. В., Матвеенков И. Т. Математическое моделирование магнитосферных процессов - Новосибирск: Наука, 1992. - 197 с.
10. Копытенко Ю. А., Черноус С. А., Петрова А. А., Филатов М. В., Петрищев М. С. Исследования изменений положения аврорального овала в условиях смещения магнитного полюса Земли // Проблемы геокосмоса: Тр. конф. / Санкт-Петербург, Петергоф, 08-12 октября 2018 г. / Отв. редакторы: Н. Ю. Бобров, Н. В. Золотова, А. А. Костеров, Т. Б. Яновская; Санкт-Петербург. гос. ун-т. - С-Пб: ООО «Издательство ВВМ», 2018. - С. 338-343.
11. Колесник А. Г., Колесник С. А., Побаченко С. В. Электромагнитная экология: Учебник для вузов. - Томск: ТМЛ - Пресс, 2009. - 336 с.
12. Описание индексов геомагнитной активности [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.wdcb.rU/stp/geomag/indices_description.ru.html#aualind, свободный -(22.11.2021).
13. Птицина Н. Г., Виллорези Дж., Дорман Л. И., Юччи Н., Тясто М. И. Естественные и техногенные низкочастотные магнитные поля как факторы, потенциально опасные для здоровья // УФН - 1998. - Т. 168, №7. - С. 767-791.
14. Побаченко С. В., Колесник А. Г., Бородин А. С., Калюжин В. В. Сопряженность параметров ЭЭГ мозга человека и электромагнитных полей шумановского резонатора по данным мониторинговых исследований // Биофизика. 2009. Т. 51. № 3. С. 534-538.
15. Рапопорт С. И., Бреус Т. К., Клейменова И. Г., Козырева О. В., Малиновская Н. К. Геомагнитные пульсации и инфаркты миокарда // Терапевтический архив. - 2006. - Т. 78, № 4. - С. 56-61.
16.Рагульская М. В. Влияние вариаций солнечной активности на функционально здоровых людей: Автореф. дисс. ... канд. физ.-мат. наук: 01.03.03, ИЗМИРАН. - Москва, 2005. - 32 с.
17. Gvozdarev A. Geomagnetic measurements on new magnetic station "Baygazan" (Telezkoe lake, Russian Altay) // IAGA Workshop on Geomagnetical Measurement, Data Asquacition and Processing (Dourbes , Belgium, September 5- 10, 2016): Abstracts -2016. - P. 44.
00 ш 00 & I -10.0кА{2.5кА) Л1"Ш0кА{!0. ОкА) АЫ 5Л*А(5.0кЛ)
Рисунок 1 - Система токов аврорального электроджета в спокойных условиях (слева), во время взрывной фазы суббури (в центре) и во время восстановительной фазы (справа) [Денисенко и др., 1992] - вид со стороны северного магнитного полюса. Под рисунками приведен шаг для тока между изолиниями в кА, в скобках указано значение для низких широт. Числа 00, 06, 12,18 означают местное время. Геомагнитной широте Алтая соответствует вторая круговая зона (45°). Расчеты сделаны для равноденствия.
Рисунок 2 - Зависимость среднемесячных значений квадратов коэффициентов корреляции между компонентами геомагнитного поля на Алтае и индексами аврорального электроджета от
мирового времени (иТ) для января 2011 г.
Рисунок 3 - Зависимость коэффициента линейной связи D- и Н-компонент геомагнитного поля на Алтае с индексами авроральной активности за январь 2011 г. от международного времени и дня месяца. Изолинии проведены через 0.1. Белым отмечены моменты времени, когда отсутствовали данные или не обеспечивался уровень значимости корреляционной связи р<0.05
Рисунок 4 - Зависимость коэффициента линейной связи D- и Н-компонент от времени: верхняя панель - для Ли-индекса, нижняя - для ЛЬ-индекса
