Архив данных проекта: Синхронные измерения атмосферного электрического поля и геомагнитного поля в Антарктике (станция South Pole) в 1991–1993 гг.
14 декабря 2020 г.
Научная проблематика эксперимента: до сих пор «перекрёстное опыление» двух геофизических дисциплин – геомагнетизма и атмосферного электричества – было очень слабым. Это связано с тем, что обычно считается, что атмосферное электрическое поле полностью зависит от местных метеорологических процессов.
В результате магнитосферное сообщество и сообщество атмосферного электричества практически не взаимодействуют. В частности, при исследовании возмущений геомагнитного поля обычно не учитывается связь с градиентом атмосферного потенциала (т.е. вертикальным электрическим полем Ez). В УНЧ диапазоне (частоты от мГц до Гц) геомагнитные пульсации и переходные процессы, регистрируемые наземными магнитометрами, предположительно создаются только магнитной модой. Включает ли структура пульсаций также и электрическую моду – однозначного ответа на этот вопрос нет. Попытки обнаружить проявление УНЧ волн в атмосферном Ez дали противоречивые результаты. Теоретическое моделирование переноса электрического поля ионосферы в приземную атмосферу показало, что отклик Ez может достигать нескольких десятков В/м. Более того, на шарах-зондах были зарегистрированы «электростатические» пульсации Pc5 с амплитудами 20–30 мВ/м около местной полуночи при очень ясной погоде, при этом в данных магнитометра подобного сигнала не наблюдалось. Остается спорным и вопрос о возможности возбуждения электрической моды в волноводе атмосфера-земля во время внезапного начала магнитной бури (SC), хотя представления о «мгновенном» переносе электромагнитного возмущения в волноводе ионосфера-Земля часто используются для интерпретации распространения из полярных широт в низкие.
В отличие от геомагнитных наблюдений, регулярного мониторинга атмосферного электрического поля с высоким временным разрешением практически не существует. Предлагаемая база данных может быть использована для изучения влияния геомагнитных возмущений различных типов на атмосферное электричество.
Описание эксперимента. Для изучения влияния геомагнитных возмущений на авроральных широтах на атмосферное электричество был проведены наблюдения вертикального электрического поле Ez и электрического тока «воздух-земля» Jz в Антарктиде на станции South Pole (геомагнитная широта: 74,2° ю.ш.) в течение трехлетнего периода с 1991 по 1993 годы (PI – prof. E. Bering, University of Houston, https://uh.edu/research/spg/data.html). Антарктическое плато – идеальное место для наблюдения за вариациями атмосферного электричества из-за отсутствия антропогенных воздействий, слабых и стабильных ветров и отсутствия облаков на малых высотах (более 30% дней соответствуют условию «хорошей погоды»). Идеальные условия наблюдений в Антарктиде позволяют решить давнюю проблему связи между атмосферным электричеством и возмущениями космической погоды.
Приборы для измерения Jz и Ez были развернуты в январе 1991 г. и предназначены для непрерывной работы без вмешательства оператора. Атмосферный ток измеряется датчиком, в котором используется две полусферических проводящих оболочки, разделенная тефлоновым изолирующим диском. Электроника системы регистрации находится внутри сферы. Электрическое поле измеряется датчиком типа field-mill. Чувствительные элементы электрического поля представляют собой две антенны длиной 30 см, которые вращаются в вертикальной плоскости со скоростью 1800 оборотов в минуту. Регистрация Jz и Ez велась на две группы идентичных приборов, разделенных расстоянием 600 м, чтобы различать возмущения местного и глобального происхождения. Достоинства этих наблюдений в том, что в Антарктиде нет грозовой активности и промышленных помех, поэтому там возможно обнаружение более тонких эффектов.
Данные эксперимента. Для каждого года на сайте МЦД в поддиректориях выложены следующие данные: – \OMNI\ – данные о параметрах межпланетной среды OMNI (1 мин) – \SPA_Ez\ – атмосферные поле Ez (V/m) и ток Jz (A/m2) на станции SPA (1 мин) – \SPA_mag\ – магнитные данные (Х- и Y - компоненты) SPA (10 сек) – \SPA_rio\ – данные риометра по поглощению космических радиошумов на станции SPA (10 сек) Для отбора интересующих исследователя событий построены quick-look (QL) картинки по каждому дню со следующими параметрами в директории \QL-plots\: – вариации давления солнечного ветра P и компонента Bz межпланетного магнитного поля; – Ez (в близких разнесенных точках) – Jz (наложенные друг на друга измерения в разнесенных точках) – вертикальный риометр – магнитные данные (Х- и Y - компоненты)
Если файла с данными Ez нет, то этот день не рисуется. В качестве примера QL-картинок, на рисуноке приведено событие 2 января 1993 г. На рисунке видна квазипериодическая модуляция поля и тока с временным масштабом ~1 час, начинающаяся примерно в 08 UT и продолжающаяся в течение нескольких часов. Видно появление аналогичных сигналов в Y- и Z-компонентах наземных магнитограмм.
Архив данных измерений атмосферного электрического поля и геомагнитного поля в Антарктике (станция South Pole) в 1991–1993 гг. находится в свободном доступе на сайте Мирового Центра Данных (Москва) по солнечно-земной физике по адресу: http://www.wdcb.ru/arctic_antarctic/antarctic_magn_3.ru.html. Данные доступны по FTP протоколу.
На данную тематику опубликована статья:
Пилипенко, В. А., Б. В. Довбня, В. А. Мартинес-Беденко и М. Н. Добровольский (2020), Геомагнитные наблюдения на станции Восток советских Антарктических экспедиций: научная проблематика и архив данных, Вестник ОНЗ РАН, 12, NZ4003, https://doi.org/10.2205/2020NZ000366.
Признательность за использованные данные должна включать проф. E. Bering, МЦД-В, и ссылки на следующие работы
Byrne G.J., J.R. Benbrook, E.A. Bering, et al. (1993) Ground based instrumentation for measurements of atmospheric conduction current and electric field at the South Pole, J. Geophys. Res., 98, 2611–2617
Burns G.B., A.V. Frank-Kamenetsky, O.A. Troshichev, E.A. Bering, V.O. Papitashvili (1998) The geoelectric field – a link between the troposphere and ionosphere, Ann. Glac.,103, 6741–6761.
В. А. Пилипенко, В. А. Мартинес-Беденко (Институт физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН, Москва);
Н. А. Сергеева (Геофизический Центр РАН, Москва).