Геомагнитная активность

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.

1. 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.
2. 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.
3. 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${\displaystyle ^{3}}$ нТ. (Надо помнить, что постоянное поле Земли составляет около (30-50)·10${\displaystyle ^{3}}$ нТ, то есть в любом случае речь идет об изменениях, не превышающих несколько процентов, что значительно меньше полей техногенного происхождения).

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 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.

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.

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

• 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.

• Индекс Kp за последние 3 дня от Национального управления океанических и атмосферных исследований, США (NOAA)
• Текущий рентгеновский спутниковый снимок активности солнца, NOAA
• Научно-популярные материалы по Космической погоде
• Геомагнитные бури
• Лазутин Л. Л. Авроральная магнитосфера
• Клейменова Н. Г. Геомагнитные пульсации
• Ермолаев Ю. И. , М. Ю. Ермолаев, Солнечные и межпланетные источники геомагнитных бурь: аспекты космической погоды, Геофизические процессы и биосфера , 2009, T. 8, № 1, с. 5-35
• Данные обсерватории Киото о магнитных бурях (Dst-index), включая текущие данные и архивные
• Индекс геомагнитной возмущенности и магнитные бури: онлайн данные (недоступная ссылка)