Анализ данных реального времени по аномалиям деформации магнитосферы

Симулятор магнитосферы NICT (Магнитный Симулятор, далее МагСим), предоставлявший на протяжении почти 10 лет данные в режиме реального времени — двумерное изображение магнитосферы Земли — в прошлом месяце был отключен после существенного увеличения случаев отображения аномалий, показывающих сильное сжатие земной магнитосферы. 

Данные по аномалиям земной магнитосферы документировались начиная с мая 2010 года. В течение 12 месяцев: с мая 2010 по май 2011, сильные сжатия магнитосферы случались не часто — примерно раз в четыре месяца. За период с мая по ноябрь 2011 количество таких сжатий увеличилось до 3 в месяц, а к февралю 2012 это число возросло уже до 12 в месяц. Стоит заметить, что в период с мая 2010 по февраль 2012 эти данные были доступны в прямом (то есть графическом) виде с вышеуказанного МагСима.

С 12  по 20 марта 2012 года МагСим не обновлял данные, (в это время был зафиксирован реверс магнитосферы) и после короткого времени работы снова перестал обновлять данные в период с 22 по 25 марта 2012.  Со второго апреля 2012 года МагСим полностью прекратил свою работу.

Несмотря на то, что подлинное число сильных сжатий (компрессий) земной магнитосферы не известно (в марте 2012 МагСим не обновлял данные в сумме 11 дней), был найден другой способ фиксирования сильных компрессий магнитосферы.

Поскольку графические представления магнитосферы МагСим строятся на основе измерений параметров Солнечного Ветра в Реальном Времени, получаемых от оборудования, установленного на спутнике ACE (ACE satellite), то на основе эмпирического анализа данных ACE можно так же выявить случаи сильной компрессии магнитосферы.  Для того, чтобы было понятно, как выявить такие компрессии, необходимо разъяснение номенклатуры магнитного поля, испльзуемой для интерпретации данных ACE.

Измерение магнитного поля

Магнитное поле определяется как величина вектора B, раскладываемого на три ортогональных компоненты в декартовой системе координат:  Bx, By и Bz.

Направление вектора В — это направление магнитного потока, и сила поля (выражаемая в nanoTesla, nT) определяется длиной этого вектора, а именно:

Это уравнение используется для интерпретации данных со спутника АСЕ, но прежде чем продолжить, нам необходимо провести разграничение между понятием магнитного поля Земли и земной магнитосферой.

Земная магнитосфера — полость внутри потока частиц от Солнца, известного так же как Солнечный Ветер, — это результат взаимодействия магнитного поля Земли и Солнечного Ветра, нечто похожее на камень в ручье.

В норме земная магнитосфера распространяется примерно на 10 земных радиусов по направлению к Солнцу и до нескольких сот земных радиусов в направлении от Солнца. Так происходит потому, что Солнечный ветер сжимает магнитное поле Земли со стороны, обращенной к Солнцу и расширяет его со стороны, обращенной от Солнца.

Магнитное поле Земли как бы помещено во внутренний слой магнитосферы, называемой так же магнитопаузой.

Межпланетное магнитное поле (ММП), или Bt вычисляется на основе данных ACE. ММП — это и есть отражение состояния земной магнитосферы.

Приведем некоторые пояснения для понимания ММП. Магнитное поле Солнца имеет дипольную компоненту (Северный полюс—Южный полюс), уменьшающуюся при увеличении расстояния от Солнца. Кроме того, магнитное поле Солнца имеет намного более сильную компоненту, которая распространяется вдоль потока частиц от Солнца (Солнечного Ветра). Эта компонента (по сути и есть ММП) примерно в 100 раз больше дипольной компоненты, если проводить измерения из земного положения в пространстве.

Таким образом, ММП может быть определено как величина вектора Bt, имеющего три ортогональные компоненты: Bx, By и Bz.

Оборудование на спутнике АСЕ поставляет данные по величинам Bx, By и Bz; на основе этих данных вычисляется величина вектора Bt, что показано на данных магнитометра АСЕ, так же как и данных Солнечного ветра в Реальном Времени.

Для определения положения «Земля–Солнце» используются различные системы координат (Various coordinate systems), и приведения одних систем к другим так же доступны. В данной дискуссии используются геоцентрическая система координат Солнечной Магнитосферы (Geocentric Solar Magnetospheric, GSM), поскольку в этой системе координат обычно приводятся данные ACE.

Система координат GSM центрирована относительно оси магнитного диполя Земли (Сев.—Юж. полюс), таким образом положительное направление на оси Bz (вверх) указывает в сторону северного полюса Земли.

Ось Bx перпендикулярна плоскости By–Bz, и лежит между центрами Солнца и Земли. Ось By перпендикулярна оси магнитного диполя Земли.

Система GSM удобна для определения изменений в земной магнитосфере, поскольку изменения вдоль земного магнитного диполя (ось Bz) являются отражением изменений в обычно циллиндрически симметричном Солнечном Ветре вдоль оси Bx.

Применение этой системы так же упрощает изображение трехмерного магнитного поля Земли в двухмерной плоскостиBx–Bz , приводимое на графиках МагСима.

Что же происходит при компрессии земной магнитосферы? По определению, компрессия земной магнитосферы приводит к уменьшению магнитуды (значения) недипольной составляющей, входящей в вектор Bt, а именно значений Bx и By.

Как иллюстрируют приводимые ниже примеры, величина Bx отчетливо уменьшается при сильной компрессии земной магнитосферы. То же самое справедливо в отношении значения By, хотя это не очевидно на 2-мерных изображениях МагСим, так как ось By на них перпендикулярна плоскости Bx–Bz.

На данных магнитометра ACE видно, что при сильной компрессии земной магнитосферы значения Bx и By уменьшены и обычно по модулю не больше 1.0 nT (наноТесла), а значение Bz приближается к величине  Bt — величине межпланетного магнитного поля.

Приводимая выше корреляция была замечена в то время, когда МагСим еще работал; и если сильная компрессия появлялась на изображениях МагСима, величины Bz и Bt  практически совпадали друг с другом, как это видно на графике Bz/Bt с сайта SolarSoft.

Значения Bt обозначены голубой линией, значения Bz — зеленой линией. Эта корреляция подтверждается и другими онлайн-источниками данных ACE.

Определяем сильную компрессию (пример)

Используем в качестве примера сильную компрессию земной магнитосферы, произошедшую 3 мая 2012 года. Начнем с выявления сходящихся Bz и Bt величин, используя данные SolarSoft  (белая стрелка в верхнем правом углу):

На графиках Магнитного поля в реальном времени (Real Time Mag Field) так же можно заметить, что значенияBt и Bz практически сходятся в 16:20 UTC (универсального координированного времени. Можно считать, что это время по Гринвичу).

Исследуя табличные данные АСЕ-магнитометра, мы можем подтвердить, что сильная компрессия на самом деле произошла между 16:19 и 16:24 UTC. Заметьте, что величины Bz and Bt различаются всего на 0.2 nT, а значения Bx и Byблизки по модулю к 1.0 nT.

Вот еще пример сильной компрессии за 5 мая 2012, произошедшей примерно в 21:00 UTC:

Выводы

Так на какой же стадии мы теперь находимся? Количество зафиксированных случаев за февраль 2012 свидетельствует об экспоненциальном росте. Сильные компрессии за апрель 2012 г. были задокументированы в этом блоге (Magnetosphere Deformations and Earth Wobble Effects ). Между февралем и маем 2012 количество сильных компрессий в месяц увеличилось с 12 до 20.

Выводы

Так на какой же стадии мы теперь находимся? Количество зафиксированных случаев за февраль 2012 свидетельствует об экспоненциальном росте. Сильные компрессии за апрель 2012 г. были задокументированы в этом блоге (Magnetosphere Deformations and Earth Wobble Effects ). Между февралем и маем 2012 количество сильных компрессий в месяц увеличилось с 12 до 20.

Вопрос

Что оказывает аномальное давление, сжатие и скручивание на магнитосферу планеты?

www