Москва, Россия
Иркутск, Россия
Борок, Россия
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН
Борок, Россия
Представлены обзор и выборочный анализ реакции колебательных систем магнитосферы в диапазоне ультранизких частот (УНЧ) на электромагнитные, механические, тепловые и химические импульсные воздействия. Импульсы возникают как внутри магнитосферы (взрыв в геомагнитном хвосте, импульсная инжекция энергичных частиц), так и за ее пределами (солнечная вспышка, межпланетная ударная волна, грозовой разряд, землетрясение, извержение вулкана и т. д.). Предложена систематика импульсов, опирающаяся на данные геофизики и космофизики и тесно связанная с теорией УНЧ-колебаний. Систематика имеет познавательное и практическое значение, давая возможность ориентироваться в богатейшем разнообразии реакций магнитосферы на импульсы земного и космического происхождения. Выбран принцип классификации, согласно которому вид импульса определяется по двум признакам — по местоположению источника импульса и по характеру воздействия импульса на ту или иную колебательную систему магнитосферы. Выполнены важнейшие условия полноты и чистоты деления, поскольку перечислены все возможные члены деления импульсов на классы, виды и разновидности, причем члены деления не перекрываются. Классификация и введенная номенклатура полезны в том отношении, что позволяют систематизировать общие свойства и специфические особенности видов и разновидностей импульсов. Это особенно важно в отношении реакции плазменных оболочек Земли на импульсы, возникающие в период подготовки землетрясения, а также при экспериментальном исследовании динамических процессов в околоземном космическом пространстве. Приведены примеры реакции УНЧ-колебаний на импульсные воздействия. Особое внимание уделено обзору работ, которые еще не нашли отражения в обзорной и монографической литературе.
магнитосфера, ультранизкочастотные колебания, импульсы, классификация, солнечный ветер, землетрясения
ВВЕДЕНИЕ
В рамках данного обзора мы будем рассматривать магнитосферу Земли как совокупность колебательных систем, взаимодействующих между собой и с окружающей средой. Мы ограничимся анализом ультранизкочастотных (УНЧ) колебаний, диапазон которых простирается от миллигерц до нескольких герц (см., например, [Гульельми, 1979]). Наблюдается большое разнообразие видов и разновидностей УНЧ-колебаний. Они либо возбуждаются внешними по отношению к магнитосфере источниками, либо самовозбуждаются в результате неустойчивостей магнитосферной плазмы. Наблюдение реакции УНЧ-колебаний на импульсные возмущения магнитосферы является эффективным методом экспериментального исследования динамических процессов в околоземном космическом пространстве. Этой теме и посвящен настоящий обзор.
Импульсные возмущения возникают как внутри магнитосферы (взрыв в геомагнитном хвосте, импульсная инжекция энергичных частиц), так и за ее пределами (солнечная вспышка, межпланетная ударная волна, грозовой разряд, землетрясение, извержение вулкана и т. д.). В следующем разделе представлена классификация импульсов, воздействующих на колебательные системы магнитосферы. Конкретные примеры реакции УНЧ-колебаний на импульсные воздействия земного и космического происхождения рассмотрены в разделах 2 и 3 соответственно. Раздел 4 и заключение посвящены обсуждению и выводам.
Нужно сказать, что выбранная нами тема обширна. Ее невозможно исчерпать в данном обзоре. Мы ограничимся анализом отдельных примеров, выделив УНЧ-колебания Рс1 (диапазон 0.2–5 Гц) как объект, удобный для изучения разнообразных проявлений импульсного воздействия на магнитосферу. Из восемнадцати видов импульсных воздействий, введенных нами в разделе 1, значительная часть может быть представлена на примере колебаний Рс1 (см. разделы 2 и 3). Особое внимание мы уделим обзору работ, которые еще не нашли отражения в обзорной и монографической литературе.
КЛАССИФИКАЦИЯ
Вначале напомним систематику УНЧ-колебаний, принятую на XIII Генеральной ассамблее Международного союза геодезии и геофизики в августе 1963 г. в Беркли [Троицкая, 1964; Troitskaya, Guglielmi, 1967; Троицкая, Гульельми, 1969; Jacobs, 1970]. Она до сих пор широко используется в литературе [Guglielmi, Pokhotelov, 1996; Kangasetal., 1998; Lundin, Guglielmi, 2006; Гульельми, 2007; Сивоконь, 2011]. В основу классификации был положен морфологический принцип и утверждена биномиальная номенклатура. Все виды колебаний разделены на два класса, названные сокращенно Pc (регулярные колебания,pulsationscontinues) и Pi (иррегулярные колебания,pulsationsirregular). Вид обозначается символом PcN (N=1…5) или PiN (N=1…3). Цифра N отвечает номеру поддиапазона общего диапазона ультранизких частот (подробнее об этом см. в указанной выше литературе).
Теперь дадим набросок систематики импульсных возмущений, влияющих на режим УНЧ-колебаний. Выберем принцип классификации, согласно которому вид импульса определяется по двум признакам: по местоположению источника импульса и по характеру воздействия импульса на ту или иную колебательную систему магнитосферы. Прежде всего разделим все импульсы на внутренние и внешние по отношению к магнитосфере. Класс внутренних импульсов обозначим буквой M (magnetosphere). Внешние импульсы по происхождению импульсных источников удобно отнести к одному из следующих классов: L (lithosphere), T (technosphere), A (atmosphere), W (solarwind) и S (Sun). В соответствии с темой нашего обзора видовую принадлежность импульса естественно определять не его собственными свойствами, а тем воздействием, которое он оказывает на режим колебаний. Воздействие может быть вынуждающим F (forcing), стимулирующим P (provoking) и модулирующим М (modulating).
1. Адушкин В.В., Рябова С.А., Спивак А.А., Харламов В.А. Отклик сейсмического фона на геомагнитные вариации // ДАН. 2012. Т. 444, № 3. С. 304–308.
2. Бирфельд Я.Г., Таранцев А.В. Явление воздействия сейсмичности Земли через акустические волны на ионосферу // Государственный реестр открытий СССР. Открытие № 128 с приоритетом от 25.09.1963.
3. Бучаченко А.Л. Магнитопластичность и физика землетрясений. Можно ли предотвратить катастрофу? // УФН. 2014. Т. 184, № 1. С. 101–108.
4. Гохберг М.Б., Шалимов С.Л. Литосферно-ионосферная связь и ее моделирование // Российский журнал наук о Земле. 2000. Т. 2, № 2. С. 95–108.
5. Гульельми А.В. МГД-волны в околоземной плазме. М.: Наука, 1979. 139 с.
6. Гульельми А.В. Эффект Толмэна–Стюарта в земной коре // Физика Земли. 1992. № 10. С. 109–113.
7. Гульельми А.В. Ультранизкочастотные электромагнитные волны в коре и в магнитосфере Земли // УФН. 2007. Т. 177, № 12. С. 1257–1276.
8. Гульельми А.В. Форшоки и афтершоки сильных землетрясений в свете теории катастроф // УФН. 2015. Т. 185, № 4. С. 415–429.
9. Гульельми А.В., Зотов О.Д. Связь электромагнитных волн Pc1 с землетрясениями // Физика Земли. 2010а. № 6. С. 28–34.
10. Гульельми А.В., Зотов О.Д. Пятнадцатиминутная модуляция геоэлектромагнитных волн Рс1 // Геофизические исследования. 2010б. Т. 11, № 1. С. 64–71.
11. Гульельми А.В., Зотов О.Д. Явление синхронизма в динамической системе магнитосфера—техносфера—литосфера // Физика Земли. 2012а. № 6. С. 23–33.
12. Гульельми А.В., Зотов О.Д. О магнитных возмущениях перед сильными землетрясениями // Физика Земли. 2012б. № 2. С. 84–87.
13. Гульельми А.В., Довбня Б.В., Клайн Б.И., Пархомов В.А. Стимулированное возбуждение альвеновских волн импульсным радиоизлучением // Геомагнетизм и аэрономия. 1978. Т. 18, № 1. С. 179–181.
14. Гульельми А.В., Цэгмед Б., Потапов А.С. и др. Сейсмомагнитные сигналы от сильного землетрясения на Суматре // Физика Земли. 2006. № 11. P. 63–69.
15. Гульельми А.В., Довбня Б.В., Потапов А.С., Хаякава М. Эффект часовых меток в активности электромагнитных колебаний Рс1 как свидетельство антропогенного воздействия на ионосферу и магнитосферу // Солнечно-земная физика. 2011. Вып. 19. С. 88–92.
16. Гульельми А.В., Лавров И.П., Собисевич А.Л. Внезапные начала магнитных бурь и землетрясения // Солнечно-земная физика. 2015. Т. 1, № 1. С. 98–103.
17. Гуфельд И.Л., Рожной А.А., Тюменцев С.И. Возмущения радиоволновых полей перед Рудбарским и Рачинским землетрясениями // Физика Земли. 1992. № 1. С. 102–107.
18. Добровольский И.П. Теория подготовки тектонического землетрясения. М., 1991. 217 с.
19. Довбня Б.В. О связи геомагнитных пульсаций с землетрясениями // Солнечно-земная физика. 2009. Вып. 13. С. 82–85.
20. Довбня Б.В. Об эффектах землетрясений в геомагнитных пульсациях и их возможной природе // Геофизический журнал. 2011. Т. 33, № 1. С. 72–79.
21. Довбня Б.В. Электромагнитные предвестники землетрясений и их повторяемость // Геофизический журнал. 2014. Т. 36, № 3. С. 160–165.
22. Довбня Б.В., Зотов О.Д. О связи импульсных процессов в ионосфере с режимом генерации колебаний Pc1 // Геомагнетизм и аэрономия. 1985. Т. 24, № 3. С. 515–518.
23. Довбня Б.В., Пархомов В.А., Рахматулин Р.А. Длиннопериодные геомагнитные пульсации, сопровождающие интенсивные рентгеновские вспышки // Геомагнетизм и аэрономия. 1995. Т. 35, № 3. С. 146–150.
24. ДовбняБ.В., ЗотовО.Д., МострюковА.Ю., ЩепетновР.В. Электромагнитныесигналывовременнойокрестностиземлетрясений // ФизикаЗемли. 2006. № 8. С. 60–65.
25. Довбня Б.В., Потапов А.С., Рахматулин Р.А. Воздействие землетрясений на режим ультранизкочастотных электромагнитных эмиссий // Геофизический журнал. 2012. Т. 34, № 5. С. 189–193.
26. Зотов О.Д., Влияние сильных землетрясений на режим генерации колебаний Рс1 // Геофизические исследования. 2015 (в печати).
27. Зотов О.Д., Гульельми А.В. Проблемы синхронизма электромагнитных и сейсмических событий в динамической системе магнитосфера–техносфера–литосфера // Солнечно-земная физика. 2010. Вып. 16. С. 19–25.
28. Зотов О.Д., Калишер А.Л. Статистический анализ эффектов искусственного воздействия на ионосферу // Влияние мощного радиоизлучения на ионосферу. Апатиты: Изд-во Кольского филиала АН СССР, 1979. C. 150–153.
29. Зотов О.Д., Гульельми А.В., Собисевич А.Л. О магнитных предвестниках землетрясений // Физика Земли. 2013. № 6. С. 139–147.
30. Касахара К. Механика землетрясений. М.: Мир, 1985. 264 с.
31. Матвеева Э.Т. Каталог геомагнитных пульсаций типа Рс1 («жемчужин») по данным наблюдений на геофизической обсерватории «Борок» ОИФЗ РАН за 1957–1997 гг. М.: ОИФЗ РАН, 1996. Режим доступа: http://www.wdcb.ru/ stp/data/catal_pc/ (дата обращения 15.10.2015 г.).
32. Нишида А. Геомагнитный диагноз магнитосферы. 1980. М.: Мир, 299 c.
33. Пархомов В.А., Климов П.М. Программа «Вектор» для анализа ионосферных токовых систем во время солнечных вспышек // Известия ИГЭА. 2013. № 4 (90). С. 104–108.
34. Пархомов В.А., Довбня Б.В., Бородкова Н.А. и др.Импульсные всплески геомагнитных пульсаций в частотном диапазоне 0.2–7 Гц как первый сигнал о взаимодействии межпланетных ударных волн с магнитосферой // Солнечно-земная физика. 2014. Вып. 25. С. 21–28.
35. Потапов А.С., Довбня Б.В., Цэгмэд Б. О воздействии землетрясений на ионосферные резонансы Альвена // Физика Земли. 2008. № 4. С. 93–95.
36. Сивоконь В.П. Электромагнитные колебания в ионосферно-магнитосферном контуре // Геомагнетизм и аэрономия. 2011. Т. 51, № 4. С. 520–526.
37. Собисевич Л.Е., Канониди К.Х., Собисевич А.Л. Наблюдения УНЧ геомагнитных возмущений, отражающих процессы подготовки и развития цунамигенных землетрясений // ДАН. 2010. Т. 435, № 4. С. 548–553.
38. Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений. М.: Наука, 1993. 313 с.
39. Сурков В.В., Гальперин Ю.И. Электромагнитный импульс в магнитосфере, генерируемый импульсом электрического тока у нижней границы ионосферы // Космические исследования. 2000. Т. 38, № 6. С. 602–613.
40. Тарасов Н.Т. Изменение сейсмичности коры при электрическом воздействии // ДАН. 1997. Т. 353, № 4. С. 542–545.
41. Троицкая В.А. Классификация быстрых вариаций магнитного поля и земных токов // Геомагнетизм и аэрономия. 1964. Т. 4, № 3. С. 615–616.
42. Троицкая В.А., Гульельми А.В. Геомагнитные пульсации и диагностика магнитосферы // Успехи физ. наук. 1969. Т. 97, № 3. С. 453–495.
43. Bortnik J., Cutler J.W., Dunson C., et al. The possible statistical relation of Pc1 pulsations to Earthquake occurrence at low latitudes // Ann. Geophys. 2008. V. 26. P. 2825–2836.
44. Brune J.N. Implications of earthquake triggering and rupture propagation for earthquake prediction based on premonitory phenomena // J. Geophys. Res. 1979. V. 84. P. 2195–2198.
45. Dovbnya B.V. On the earthquake effects in the regime of Pc1 // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2007. V. 69, iss. 14. P. 1765–1769.
46. Fraser-Smith A.C., Bernardi A., McGill P.R., et al. Lowfrequency magnetic field measurements near the epicenter of the Ms 7.1 Loma Prieta earthquake // Geophys. Res. Lett. 1990. V. 17. P. 1465–1468.
47. Guglielmi A. Elastomagnetic waves in a porous medium // Physica Scripta. 1992. V. 46. P. 433–434.
48. Guglielmi A.V., Pokhotelov O.A. Geoelectromagnetic Waves. Bristol; Philadelphia: IOP Publ. Ltd., 1996. 402 p.
49. Guglielmi A., Kangas J., Kultima J., Potapov A. An increase in Pc1 wave activity prior to magnetic sudden impulses // J. Geophys. Res. 2000. V. 105, N A11. P. 25185–25189.
50. Guglielmi A., Potapov A., Tsegmed B. One mechanism for generation of the co-seismic electromagnetic oscillations // Physics and Chemistry of the Earth. 2004. V. 29. P. 453–457.
51. Guglielmi A., Potapov A., Tsegmed B., et al. On the earthquake effects in the regime of ionospheric Alfvén resonances // Physics and Chemistry of the Earth. 2006. V. 31. Р. 469–472.
52. Hattori K. ULF Geomagnetic сhanges associated with large earthquakes // Terrestrial, Atmospheric and Oceanic Sciences (TAO). 2004. V. 15, N 3. P. 329–360.
53. Hayakawa M. Electromagnetic phenomena associated with earthquakes: Review // Trans. Ins. Electr. Engrs. Japan. 2001. V. 121-A. P. 893–898.
54. Jacobs J.A. Geomagnetic Micropulsations. New York; Heidelberg; Berlin: Springer-Verlag, 1970. 179 p.
55. Kangas J., Guglielmi A., Pokhotelov O. Morphology and physics of short-period magnetic pulsations (A Review) // Space Sci. Rev. 1998. V. 83. P. 435–512.
56. Lundin R., Guglielmi A. Ponderomotive forces in cosmos // Space Sci. Rev. 2006. V. 127. P. 1–116.
57. Masci F. On the recent reaffirmation of ULF magnetic earthquakes precursors // Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 2011. V. 11. P. 2193–2198.
58. Troitskaya V.A., Guglielmi A.V. Geomagnetic micropulsations and diagnostics of the magnetosphere // Space Sci. Rev. 1967. V. 7, N 5/6. P. 689–769.
59. URL:http://neic.usgs.gov/neis/epic/epic_global.html (accessed October 15, 2015.).
60. URL:http://www.isc.ac.uk(accessed October 15, 2015).
61. URL: http://www.nyiso.com(accessed October 15, 2015).
62. URL: http://ghrc.nsstc.nasa. gov/hydro(
