Спектральные характеристики магнитогравитационных волн, генерируемых высокоэнергичными ионосферными источниками Бархатова О.М. (2), Бархатов Н.А. (1), Григорьев Г.И. (3) (1)Нижегородский государственный педагогический университет им. К. Минина (2)Нижегородский архитектурно-строительный университет (3)Научно-исследовательский радиофизический институт, Нижний Новгород 1

В качестве основных источников генерации крупномасштабных возмущений в ионосфере часто рассматриваются авроральные электроджеты, землетрясения и цунами, а также высокоэнергичные события искусственного происхождения – наземные и высотные взрывы и искусственный нагрев ионосферы. При этом рядом исследователей [Liu et al., 2011] обнаруживаются повышенные по сравнению с классическими акустико-гравитационными волнами скорости переноса возмущений до км/с. Однако, согласно [Сорокин и Федорович, 1982], для распространения АГВ больших пространственных масштабов со скоростями более 1300 м/с температура ионосферы недостаточно высока. Выполненный нами ранее анализ переноса ионосферных возмущений для высот 250 км дает характерные скорости до 4000 м/с. Видимо в стратифицированной атмосфере могут иметь место гидродинамические возмущения, которые могут вовлекать в волновое движение не только ионизованную среду, но и нейтральную компоненту. В результате образуются МГВ волны, скорость которых оказывается выше скорости АГВ, но ниже, чем скорость МГД волн [Сорокин и Федорович, 1982]. Наши достижения в обнаружении и анализе МГВ обусловлены изучением одновременных возмущений ионосферы и магнитного поля : 1. Получены дисперсионные соотношения для МГВ в авроральной ионосфере (магнитное поле вдоль Z) при учете конечной проводимости среды. Отмечено существование двух мод МГВ: характерный частотный диапазон до 0.25 Гц, скорости м/с. 2. Получены условия слабого поглощения МГВ в стратифицированной ионосфере. Как следствие для исследования выбраны величины ионосферной проводимости, необходимые для распространения МГВ. 3. Обнаружено распространение МГВ от восточного электроджета к средним широтам со скоростями ~ 2000 м/с по синхронным возмущениям критических частот и горизонтальной компоненты геомагнитного поля. 4. Обнаружено распространение МГВ, обусловленных суббуревой активностью, по данным максимальных наблюдаемых частот на трассах наклонного ЛЧМ радиозондирования ионосферы Инскип – Ростов-на-Дону, Кипр – Ростов-на-Дону, Иркутск – Ростов-на-Дону и Норильск – Ростов-на-Дону и одновременным наблюдениям за вариациями геомагнитного поля. Цель данного исследования: анализ возможности распространения МГВ в приэкваториальной области ионосферы и их обнаружение в периоды высокоэнергичных геофизических событий. 1. Получены дисперсионные соотношения распространяющихся мод МГВ и найдены их характерные скорости. 2. Получены резонансные направления распространения МГВ. 3. Обнаружено распространение МГВ сопровождающих сильные землетрясения (> 6.5 баллов по шкале Рихтера). 4. Исследованы возмущения спектральных компонент смещений среды при генерации МГВ источниками массы и распределенного тока. 5. Получены поляризационные соотношения МГВ и определены значения спектральных компонент возмущений давления, плотности и магнитного поля для случаев генерации МГВ метеорным следом и экваториальной токовой струей. 2

Уравнения для приэкваториальной среды с конечной проводимостью в отсутствие регулярных ветров Система координат и ориентация векторов силы тяжести, магнитного поля и волнового вектора. Давление и плотность: – высота однородной изотермичной атмосферы. Решение системы искалось в виде: Используемые безразмерные переменные и числа подобия: Безразмерная частота и волновой вектор - отношение газокинетического давления к магнитному – магнитное число Рейнольдса. - безразмерные значения возмущений плотности, давления и магнитного поля в среде. Здесь F – внешняя сила от источника распределенного тока I, M – источник вещества. 3

Дисперсионные соотношения для МГВ в приэкваториальной области Дисперсионные кривые для распространяющихся мод (азимутальный угол φ = 45˚) при параметрах ионосферы: T = 10 3 K, γ = 1.4, β = 0.02, H = см, H 0 = 0.5 Гс, σ = с -1, Re m = 310 2, ρ 0 = 5.3* г/см 3 Результаты численного счета: Первая мода (до 0.5 Гц): Распространяется во всех направлениях. Скорость в горизонтальном направлении минимальна. Вторая мода ( Гц): Вдоль вертикали не распространяется. Скорость возрастает при приближении направления распространения к горизонтальному. 4

В авроральной области: 1. Две распространяющиеся моды в частотном диапазоне до 0.25 Гц. 2. Первая мода (быстрая) идет вдоль магнитного поля H 0 (вверх). 3. Вторая мода (медленная) идет под углом θ = 45° к плоскости XY. МГВ в субавроральной области Дисперсионные кривые для распространяющихся быстрой «+» моды и медленной «–» моды МГВ в безразмерных переменных. Сплошная линия соответствует продольному распространению (θ = 0°), мелкий пунктир – распространению под углом (θ = 45°), крупный пунктир – поперечному распространению (θ = 90°) МГВ 5

Скорости МГВ Фазовые скорости распространяющихся мод МГВ (φ = 0°) Первая мода: скорость от 4200 м/с в случае почти вертикального распространения до 900 м/с при почти горизонтальном распространении. При θ = 90° скорость меняется с длиной волны: для длин волн порядка 75 км скорость максимальна (1300 м/с), для длин волн порядка 8 км – минимальна (около 200 м/с). Вторая мода: скорость меняется в диапазоне м/с. Скорость убывает с уменьшением длины волны и растет с увеличением значения угла θ. угол θ: 6

Резонансные направления МГВ Волновые диаграммы в пространстве безразмерных волновых чисел (Kx от Kz) для МГВ (слева) первой (сплошная линия) и второй (пунктирная линия) мод и для АГВ (справа) в случае безразмерных частот W = (черные линии) и W = (красные линии). Резонансные направления распространения обеих мод МГВ близки к вертикальному направлению. 7

1. Зависимость спектральных компонент смещений от частоты источника массы и распределенного тока Спектральные компоненты смещений ξx и ξz в зависимости от значений безразмерной частоты, генерируемой гауссовым распределенным током с пространственными размерами: ax = az = 1 км, Kx = (16 км), Kz = (80 км). для всех компонент смещений амплитуды максимальны на частоте W = (0.031 Гц). На этой частоте возможна генерация обеих распространяющихся мод МГВ. Источники массы и распределенного тока эффективно генерируют МГВ на одной частоте порядка 0.03 Гц Численный анализ спектральных характеристик МГВ, генерируемых источниками массы и током в приэкваториальной области Функция пространственного и временного двумерного гауссова распределения источников МГВ: 8

2. Определение масштабов источника и генерируемых им длин волн в приэкваториальной области на частоте 0.03 Гц Зависимости амплитуд компонент смещений ξx и ξz от горизонтального размера источника массы (ax) для семейства Kx. Для источника массы спектральные компоненты ξx и ξz (см.рис.) принимают наибольшие значения при горизонтальных размерах источника до 2 км на горизонтальных длинах волн порядка 16 км (Kx=0.0025) и при вертикальных размерах до 1.5 км на вертикальных длинах волн порядка 8 км (Kz = 0.005). Для источника распределенного тока спектральные компоненты ξx и ξz имеют наибольшие значения при горизонтальных и вертикальных размерах источника до 1 км на горизонтальных длинах волн 16 км (Kx=0.0025) и на вертикальных длинах волн порядка 80 км (Kz = ). 9

Спектральные компоненты возмущений плотности, давления и магнитного поля в МГВ, генерируемых гауссовым источником вещества Безразмерная плотность: Безразмерное давление: Безразмерное магнитное поле: Зависимость от горизонтальных длин волн для спектральных амплитуд безразмерных ионосферных и магнитных возмущений, генерируемых источников вещества разных масштабов на частоте W = (0.03 Гц) 10

Генерация МГВ метеорным следом Пролет метеора массой 1 кг вдоль оси OY без потери высоты со скоростью см/с, который оставляет след радиусом 10 4 см. Расчет эффективной массы метеора: V – скорость метеора, V S 2 – квадрат адиабатической скорости звука m эф = 7,2·10 6 г Зависимости спектральных компонент имеют максимумы давления, плотности, магнитного поля на горизонтальных длинах волн порядка 16 км на заданной частоте 0.03 Гц. Значения растут с уменьшением вертикальных длин волн. 11

Генерация МГВ распределенным током Двумерный гауссов токовый источник в виде шнура, ориентированного вдоль оси OY (широта постоянна). Распределенная сила Ампера направлена по вертикали : Источник МГВ - экваториальная токовая струя в интервале широт 4-6° (диаметр порядка 400 км) и протяженности 9: :00 LT. Максимальная плотность струи 2÷9 мкА/м 2 на высоте 100 км. Значения спектральных компонент давления, плотности и магнитного поля максимальны при горизонтальных длинах волн 16 км на частоте 0.03 Гц. Отклик меньше в области более коротких вертикальных длин волн. Максимальные значения спектральных компонент давления и плотности достигаются на вертикальных длинах волн не менее 80 км на частоте 0.03 Гц. Масштабы горизонтальных длин волн наиболее эффективно генерируемых разными источниками одинаковы. 12

эпицентр землетрясения (9.33º ю.ш., º в.д.). Learmonth (21,9º ю.ш., 114º в.д.) МГВ в периоды высокоэнергичных геофизических событий Австралия Индонезия Магнитоспокойный интервал (15-20 июля) Kp (14-20 июля) Расстояние 1500 км Два подземных землетрясения 8 января 2006 г (Турция) в 01:35 UT и 17 июля 2006 г в 08:20 UT (Индонезия) магнитудой более 6,5 баллов по шкале Рихтера. Дата события Эпицентр Время начала UT Магнитуда Ионосферная станция Магнитная станция º ю.ш., º в.д. 08:197,7 Learmonth (21,9º ю.ш., 114º в.д.) ° с.ш., 23.36°в.д. 01:356,8San Vito (40,6ºс.ш., 17,8 в.д.) Laquila (42,38 с.ш., 13,32ºв.д.) Используемые данные (семидневный интервал): - Очищенные от суточного хода критические частоты слоев E, Es и F2; - X, Y, Z компоненты геомагнитного поля, очищенные от влияния кольцевого тока (дискретность 15 минут) 13

1. Обнаружение МГВ За 2 дня до землетрясения в Индонезии были обнаружены синхронные ионосферные и магнитные возмущения: 1)04.00 UT foF2, fоEs и Y, Z-компоненты 2) UT fоF2, fоEs и X-компонента 3) UT foF2 и X-компонента Динамические спектры очищенных от суточного хода критических частот слоев F2, Eи Es (сверху вниз три верхние панели) и компонент X, Y, Z геомагнитного поля (сверху вниз три нижние панели) за два дня до землетрясения 17 июля

Сопоставление плазменных и магнитных возмущений в день землетрясения в Индонезии: Нет совпадений в спектральных особенностях ионосферных и магнитных возмущений. Возмущения в Es слое в течение 8 часов до события. И затем их активность продолжается с перерывами. Есть совпадения в спектральных особенностях ионосферных возмущений в слоях F2 и Es (критические частоты): АГВ ? Динамические спектры очищенных критических частот слоев F2, Eи Es (сверху вниз три верхние панели) и компонент X, Y, Z геомагнитного поля (сверху вниз три нижние панели) в день землетрясения 17 июля 2006 г. 15

Общее число синхронных ионосферных и магнитных возмущений в исследуемые дни: Отмечается значительное усиление МГВ активности в течение двух дней до и двух дней после землетрясений в Турции и Индонезии. В день землетрясения магнитогравитационная активность заметно снижается. 16

2. Оценка направлений распространения МГВ по магнитным данным двух землетрясений Анализируемые данные: X, Y, Z компоненты геомагнитного поля, очищенные от влияния кольцевого тока. Дискретность данных 1 мин. Расположение магнитных станций относительно эпицентра землетрясений (отмечены красным маркером): а) событие г; б) событие г. 17

Динамические спектры Z-компоненты магнитного поля для магнитных станций Learmonth, Guangzhou, Guam, Kakaduи Phythuy Красной стрелкой указаны совпадения c возмущением на станции Learmonth (21,9º ю.ш., 114º в.д.) при прохождении МГВ в 01:45 и 04:15 UT Регистрация МГВ по магнитным данным (три случая) при подготовке землетрясения 8 января показывает: 1. Землетрясение является локализованным источн. МГВ; 2. Усиление геомагнитной активности наблюдается по всем направлением от эпицентра землетрясения; 3. С наименьшим затуханием МГВ распространяются в западном и юго-западном направлениях (на Запад ?) Регистрация МГВ (пять случаев) при подготовке землетрясения 17 июля показывает: 1. Усиление геомагнитной активности наблюдается по всем направлениям от эпицентра землетрясения доступным для наблюдения; 2. С наименьшим затуханием МГВ распространяются на север, восток и юго-восток (на Восток ?). 18

1. Получены дисперсионные соотношения для МГВ в приэкваториальной ионосфере с учетом ее конечной проводимости. В этой области существуют три распространяющиеся моды МГВ. Первая мода (до 0.5 Гц): Распространяется во всех направлениях. Скорость распространения в горизонтальном направлении минимальна. Диапазон скоростей м/с. Вторая мода ( Гц): Не распространяется вдоль вертикали. Скорость возрастает при приближении направления распространения к горизонтальному. Диапазон скоростей м/с. 2. Определены резонансные направления распространения МГВ в приэкваториальной бесконечно проводящей ионосфере. 3. Обнаружено прохождение МГВ в интервалы подготовки и релаксации сильных подземных землетрясений (магнитуда > 6.5). Отмечено усиление магнитогравитационной активности за два дня до и два дня после землетрясений. Определены направления, в которых распространение МГВ происходит с наименьшим затуханием. 4. Изучена генерация МГВ токовым источником и источником вещества, задаваемыми в виде бесконечного шнура вдоль оси Y. Определены размеры источников, частоты и длины волн, при которых значения спектральных компонент смещения среды максимальны. Источник вещества – не более 2 км вдоль МП и 1 км вдоль вертикали. Токовый источник – горизонтальный и вертикальный размеры не более 1 км. Характерные частоты порядка 0.03 Гц. Горизонтальные длины волн – 16 км. 5. Получены поляризационные соотношения для МГВ в приэкваториальной области ионосферы. Рассмотрены возмущения спектральных компонент давления, плотности и магнитного поля от источников в виде метеорного следа и экваториальной токовой струи. Выводы 19