بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مطالعهي bay هاي ثبت شده در رصدخانه ي مغناطیسی موسسه ژئوفیزیک دانشگاه تهران (1971-1980)
چکیده
میدان مغناطیسی زمین به شکل پیجیده اي نسبت به زمان و مکان تغییر می کند. تغییرات زمانی میدان مغناطیسی
شامل تغییرات آهسته و تغییرات زودگذر است. این تغییرات به طور پیوسته بر روي مغناطیس نگارها ثبت می شوند.
یکی از تغییرات زودگذر که بر روي مغناطیس نگارها شکلی مانند منحنی گوسی دارد، bay نامیده می شود. دوره تناوب bay ها از چند دقیقه تا چند ساعت(2 تا 4 ساعت)و دامنه آنها نیز از ده تا چند صد گاما متغیر است. bay ها
عموماً در روزهاي آرام و توام با ریز تپهاي مغناطیسی Pi1 وPi2 بوقوع می پیوندند. bay ها فرایندي دو مرحله اي هستند. اولین مرحله را bay آغازین و مرحله بعدي را bay اصلی می نامند. در این مقاله یک بررسی آماري بر رويbay هاي ثبت شده در رصدخانه مغناطیسی تهران با عرض ژئومغناطیسی 35/73 N و طول ژئومغناطیسی 51/38E در فاصله زمانی 1971تا 1980 بر اساس زمان وقوع، شدت و جهت، و وقوع آنها در فصول ژئو مغناطیسی صورت گرفته است. رابطه آنها با لکه هاي خورشیدي و توفان هاي مغناطیسی نیزبررسی شده است. با بررسی این رویدادها تاخیر زمانی بین دو مرحله در گستره 10تا 30 دقیقه به دست آمده ولی تاخیر زمانی غالب حدود20 دقیقه است. بیشینه ي عددي این رویدادها در نیمه شب با شدت متوسط و مثبت به دست آمده و بیشتر bay ها در اعتدالین و انقلاب زمستانی رخ داده اند. با توجه به نوع رویدادهاي ثبت شده می توان گفت که جریانهاي بازگشتی، جریانهاي غالب هستند. رابطه ي تعداد توفان هاي مغناطیسی و لکه هاي خورشیدي با تعداد bay ها به صورت یک رابطه ي معکوس حاصل شده است. اهمیت مطالعهbay ها دراین است که این رویدادها (وسایرآشفتگی هاي میدان مغناطیسی) سبب القا جریانهاي الکتریکی به درون بخش هایی از پوسته و گوشته می شوند که این جریان ها نیز به نوبه خود میدان هاي مغناطیسی را ایجاد می کنند که بر روي سطح زمین قابل اندازه گیري هستند. نسبت میدان هاي داخلی و خارجی معیاري ازپاسخ الکترومغناطیسی محیط است که با روش هماهنگ هاي کروي می توان آن را تعیین و در نهایت هدایت الکتریکی آن بخش از زمین را به دست آورد.
واژه هاي کلیدي: تغییرات زودگذر، ریزتپ، شفق قطبی، رصدخانه مغناطیسی، الکتروجت،فصول ژئومغناطیسی،منحنی گوسی
مقدمه
یکی از ویژگیهاي زمین، میدان مغناطیسی آن یا اصطلاحاً میدان ژئومغناطیسی است. عوامل مسبب این میدان شامل علل درونی و بیرونی است که عامل درونی از درجه اهمیت و سهم بیشتري برخوردار است. این میدان نسبت به زمان و مکان تغییر میکند. تغییرات زمانی شامل تغییرات آهسته و تغییرات زودگذر است که تغییرات آهسته منشأ درونی و تغییرات زودگذر ناشی از عوامل بیرونی هستند. دوره ي تناوب تغییرات آهسته، طولانی است ولی تغییرات زودگذر در مدت زمان کوتاهی ایجاد وسپس از بین میروند.
یکی از تغییرات زودگذر، bay ها هستند که معمولاً در روزهاي آرام مغناطیسی به وقوع میپیوندند و شکلی خلیج مانند بر روي مغناطیس نگارها دارند که یکی از ویژگی هاي ساختاري آنهاست. bay ها عمومًا در روزهاي آرام و توام با ریز تپهاي1 مغناطیسی Pi1 وPi2 بوقوع می پیوندند. علت ایجاد این تغییرات مغناطیسی جریانهاي الکتریکی یونسفر می باشد. در مؤلفه ي افقی میدان H، منحنی از تغییرات روزانه ي عادي تدریجاً تغییر میکند که این تغییر میتواند به صورت افزایش یا کاهش مؤلفه ي افقی H باشد تا اینکه به مقدار بیشینه یا کمینه ي خود برسد، آنگاه منحنی H به تدریج به مقدار قبل از آشفتگی بر می گردد. اگر H کاهش یابد، bay را منفی و اگر H افزایش یابد آنرا bay مثبت گویند. این انحرافات روي مؤلفه ي Z کمتر و مؤلفه ي D معمولاً این آشفتگیها را ندارد(شکل.(1 در برخی مواقع یکbay مثبت و یک bay منفی به طور متوالی رخ می دهند که در این حالت bay انتقالی نامیده می شود. در بسیاري از موارد قبل از شروع bay اصلی، یک رویداد دیگر با دامنه و پریود کمتر رخ می دهد که آن راbay آغازین می نامند. به همین علت bay ها را یک پدیده دو مرحله اي می دانند. تاخیر زمانی بین این دو مرحله در مناطق و زمان هاي مختلف، متفاوت است و معمولاٌ گستره اي بین 10 تا 30 دقیقه را شامل می شود. با توجه به شرایط متفاوت مکانی و زمانی ،این تاخیرزمانی تغییر می کند.
تعداد bay ها ي مثبت و منفی نیز بسته به عرض ژئومغناطیسی در زمان هاي مختلف، متفاوت است. آشفتگیهاي نوع bay گسترة وسیعی از تناوبها و دامنه ها را دارند. تناوب bay ها تقرًیبا زیاد یعنی از حدود 10 دقیقه تا 3 ساعت یاحتی بیشتر است و دامنه آنها نیز از ده تا چند صد گاما می باشد. در مناطق شفقیbay هاي با دامنه ي 2000 گاما نیز معمولاً به وقوع میپیوندد.[5]
روستوکر(bay (1966 ها را براساس تغییرات مولفه D در رصدخانه ویکتوریا ( عرض هاي متوسط) بررسی کرده ونتیجه گرفت که bay هاي مثبت قبل از نیمه شب محلی (21-22) و bay هاي منفی بعد از نیمه شب محلی (1-2) بیشینه هستند. Bay هاي انتقالی نیز در حوالی نیمه شب محلی (23:30) رخ داده اند. [7]
همچنین او از داده هاي سالهاي 1964،1963،1962 موجود در رصدخانه مغناطیسی ویکتوریا استفاده کرده و دو زمان بیشینه برايbay هاي منفی به دست آورده است. یکی از این زمانها در حدود ساعت 18:00 زمان محلی و دیگري در حدود ساعت 04:00 زمان محلی بوده است. بیشینه bay هاي مثبت در ساعت (23-24) زمان محلی بوده است و bay هاي انتقالی حدود ساعت 03:00 و 20:00 زمان محلی رخ داده اند.[7] روستوکر (1968) فاصله زمانی بینbay آغازین وbay اصلی را 15 دقیقه به دست آورده است.[8]
با توجه به اینکه ویژگی هاي bay ها در عرض هاي ژئومغناطیسی مختلف، متفاوت است در این نوشتار bay هاي ثبت شده در رصدخانه مغناطیسی تهران با عرض ژئومغناطیسی 35/73 شمالی(منطقه میان شفقی) و طول ژئومغناطیسی 51/38 شرقی براساس معیارهاي مطالعات پیشین(زمان وقوع در طول شبانه روز، شدت، جهت) و وقوع آن ها در فصول مختلف ژئومغناطیسی مورد بررسی قرارگرفته است. علاوه براین رابطه بین تعداد توفا نهاي مغناطیسی و لکه هاي خورشیدي با bay ها ي مغناطیسی در سال هاي مختلف نیزتعیین گردیده است.
ریزتپ هاي ژئومغناطیسی
ریزتپ هاي ژئومغناطیسی، افت و خیزهاي میدان مغناطیسی زمین هستند که دامنه ي آنها در حدود کسري از یک گاما تا ده ها گاما و دوره ي تناوب آنهادر گستره اي از 0/2 ثانیه تا 10 دقیقه می باشد. ریزتپ ها را به طور کلی به دو گروه منظم و پیوسته((Pc و نامنظم((Pi تقسیم می کنند. ریزتپ هاي منظم و پیوسته داراي دوره ي تناوب 0/2 تا 600 ثانیه بوده و بر اساس همین ویژگی آنها را به زیرگروه هایی رده بندي می کنند(جدول.(1
ریزتپ هاي نوع Pi با طرح نامنظم خود، رابطه ي نزدیک با آشفتگی هاي میدان مغناطیسی و پدیده هاي موجود در جو فوقانی، شناخته می شوند. این گروه از ریزتپ ها را می توان به دو زیرگروه رده بندي کرد(جدول.(2
ریزتپ هاي نوع Pi1 ساختار ریز آشفتگی هاي میدان مغناطیسی در خلال فاز اصلی توفان مغناطیسی را تشکیل می دهند.
دامنه ي آنها در مناطق شفقی بیشینه و شدت آنها به طور بارزي با عرض ژئومغناطیسی کم می شود.Pi1 ها بیشتر در اوایل صبح و اواخر شب مشاهده می شوند.
Pi2 در آغاز bay ها ودر بیشتر نواحی مشاهده می شوند. تداوم کم از ویژگی هاي بارز آنهاست. این نوع ریزتپ ها را می توان به دو دسته تقسیم نمود. یک دسته آنهایی که قبل از bay منفی در مناطق شفقی رخ می دهند ودسته ي دیگرکه قبل از bay مثبت به وقوع می پیوندند. ریزتپ هاي Pi2 بیشتر در نیمه شب محلی رخ می دهند. منشا اصلی Pi ها تزریق ذرات باردار (احتمالاً الکترون) به درون جو فوقانی است.[3]
الکتروجت
استواي مغناطیسی به صورت یک نوار باریک به پهناي حدود 600 کیلومتر با هدایت زیاد و در جهت شرقی-غربی عمل می کند. میدان الکتریکی دینام یونسفري باعث ایجاد یک جریان غربسویی با چگالی تقریباً دوبرابر نواحی مجاور در طول این نوار می شود و به تبعیت از آن بیشینه ي مقدار H روزانه در رصدخانه هاي استوایی نیز به طور تقریبی دو برابر می گردد. این نوار جریان الکتروجت استوایی نامیده می شود.
ارتباط نزدیک بین زیرتوفان هاي مغناطیسی و شفق ها یک علت بارز دارد. الکترون هاي پرانرژي که در هنگام فعالیت شفق ها به درون یونسفر تزریق می شوند مانند مولکول هاي اتمسفري یک نوار باریک از پلاسما ي یونیده در طول منطقه ي شفقی ایجاد می کنند. این نوار باریک جریان الکتروجت شفقی نامیده می شود. بسیاري از پدیده هاي مغناطیسی در نواحی قطبی را می توان با استفاده از اثر مغناطیسی الکتروجت ها تفسیر کرد.[5]
ساختارریزbay ها
ساختار ریز bay توسط ریزتپ هاي آنی ایجاد شده در خلال مراحل اولیه ي پیشرفت آشفتگی تعیین میگردد. این ریزتپها در رده 1 -40) Pi1 ثانیه) و 40-150) Pi2 ثانیه) قرار دارند. رویدادهاي Pi2 به ندرت منفرد هستند و زوجی از نوسانات Pi2 با فاصله تقرًیبا 15 دقیقهاي بسیار معمولتر است. ظاهر یک bay از ایستگاهی به ایستگاه دیگر روي سطح زمین تغییر میکند. شکل یک bay متأثر از تشکیل و زوال سیستم جریان مسبب آن و نیز حرکت سیستم جریان نسبت به مشاهدهگر است. از اینرو تعیین زمان آشفتگی بیشینه توسط مشاهده ي قله ي bay در یک ایستگاه کاملاً غیرواقعی است.
زیرا این قله در ایستگاه دیگر در زمان دیگر رخ میدهد. به همین نحو تعریف و تعیین شروع یک bay در زمانی که مؤلفه H کاهش یا افزایش مییابد نیز نامناسب است. براي تعیین زمان آغاز یک bay از این واقعیت استفاده میشود که شروع bay همواره با یک قطار موج Pi2 همراه است (سایتو .(1961 این معیار انتخاب شروع bay ها نشان میدهد که بیشتر bay ها حداقل با دو Pi2 مجزا توأماند. شروع اولین Pi2 در این زوج، منطبق بر شروع یک نوسان کوچک bay است در صورتیکه دومین Pi2 با شروع نوسان bay اصلی تطابق دارد.
bay آغازین
در بسیاري از موارد، قبل از نوسان bay اصلی یک نوسان کوچکتر با تناوب معمولاً 20 دقیقه حادث میشود که bay آغازین نام دارد و معمولاً انحراف منحنی H در آن هم جهت با نوسان bay اصلی است. تناوب این رویداد کوتاه ولی قابل تشخیص است (شکل .(2 در بعضی مواقع این حرکت اولیه یک تناوب طولانی دارد بطوریکه با bay اصلی آمیخته شده و تشخیص ساختار دوگانه موجود در مغناطیس نگارها را دشوار میکند. تقرًیبا در تمام موارد حرکت اولیه, bay آغازین در جهتی مشابه با حرکت اولیه ي bay اصلی میباشد. اما گاهی اوقات این دو رویدادها مختلف الجهت میشوند. از اینرو احتمال دارد که سیستم جریان هم ارز bay اصلی تنها یک افزایش حاصل از bay آغازین نباشد. زمان شروع هر دو رویداد با استفاده از حرکات Pi2 ها به عنوان مرجع مشخص میشود. چون Pi2 ها تقرًیبا به طور همزمان روي سطح زمین مشاهده میشوند لذا زمانهاي تأخیر مستقل از موقعیت مشاهدهگر نسبت به منشأ اندازهگیري میشود. زمانهاي تأخیر در گسترهاي از 10 تا 30 دقیقه تغییر میکند (شکل.(3 زمان تأخیر بین شروع دو مرحله به فاصله زمانی بین شروع شرایط بین سیارهاي براي ایجاد زیر توفانهاي شفقی و زمان شروع اتصال مجدد مغناطیسی در دنباله مگنتوسفر بستگی دارد.[8]
علت ایجاد این نوع تغییرات مغناطیسی، سیستم جریانهاي الکتریکی یونسفر(جریان هاي هال1و پدرسن(2 می باشد.
سیستم جریان هال یک سیستم دوسلولی است که در صفحه یونسفر قرار دارد. با استفاده از تقریب جریان صفحه اي براي اثرات مغناطیسی جریان هال می توان نوشت:
که b آشفتگی مغناطیسی ناشی از جریان هال، σ هدایت الکتریکی هال، B میدان مغناطیسی ناآشفته(وعمودي)،k بردار واحد قائم(به سمت بالا مثبت) و v سرعت شارش متناسب با عکس فاصله ي بین خطوط جریان( s )می باشند.
میدانهاي الکتریکی توسط سرعت جریان تعیین می شوند و ناشی از تنش هاي موجود در مگنتوسفر خارجی هستند. در صفحه ي افقی ، جریانهاي عمودي آشفتگی هایی به صورت زیر ایجاد می کند:
که by و bx به ترتیب مولفه هاي عمود بر صفحه و موازي صفحه جریان ، θزاویه ي قطع صفحه، r2 وr1 فاصله از دو لبه ي صفحه ي جریان می باشد.[1] پیکربندي اولیه به وجود دو الکتروجت شفقی اشاره داشت که یکی قبل از نیمه شب و شرقسو و دیگري بعد از نیمه شب و غربسو بود (فوکوشیما، وستاین وسیلسبی .(1953 هر دو سلول، واجد سیستم جریان بازگشتی در میان کلاهک قطبی و نواحی زیر شفقی بودند (شکل.(4 آکاسوفو و دیگران (1965) نشان دادند که تنها شاهد مبنی بر وجود یک الکتروجت شرقسوي قبل از نیمهشب، وقوع bay با H مثبت در طول آن زمان است. این bay میتواند توضیح خوبی از جریان بازگشتی الکتروجت غربسویی که در ناحیه کلاهک قطبی در سمت تاریک عرضهاي بالاتر از منطقه شفقی کنده میشود، باشد.[2] این سلول الکتروجت غربسو تنها سیستم جریان مسبب bay ها است (شکل.(5
bay منفی در منطقه ي شفقی در ارتباط تنگاتنگ با فاز شکست یک شفق است و این شکست در بخش محدودي از الکتروجت رخ میدهد. شکست در اطراف نصف النهار نیمه شب رخ میدهد و با یک حرکت قطب سوي سریع قوسهاي شفقی با امواج شرقسو و غربسوي حاصل از پیرامون نصفالنهار نیمهشب توأم است.[4] نتیجه کلی چنین حرکاتی، یک
