Spatio-temporal disturbances of the Earth’s magnetic field along the Struve Geodetic Arc

М.І. Орлюк; А.О. Роменець; А.В. Марченко; І.М. Орлюк

doi:10.24028/gj.v47i3.323184

Автор(и)

М.І. Орлюк Інститут геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України, Київ, Україна, Україна
А.О. Роменець Інститут геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України, Київ, Україна, Україна
А.В. Марченко Інститут геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України, Київ, Україна, Україна
І.М. Орлюк Інститут геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України, Київ, Україна, Україна

DOI:

https://doi.org/10.24028/gj.v47i3.323184

Ключові слова:

внутрішнє магнітне поле Землі, варіації геомагнітного поля, Геодезична дуга Струве, іоносфера

Анотація

В 1816–1855рр астрономом Фрідріхом Георгом Вільгельмом Струве вздовж сегменту меридіану довжиною 2822 км, який простягається від півночі Норвегії (70°40'N) до півдня Одеської області (45°19'N) було виконано перші топографічні вимірювання з метою виявлення точного розміру і форму планети. Цей сегмент меридіану є добрим полігоном для дослідження геомагнітного аспекту сонячно-земних зв’язків, оскільки в його межах суттєво змінюється як головне магнітне поле Землі, так і аномальне магнітне поле на приземних та іоносферних висотах. В статті викладено результати дослідження характеру протікання магнітної бурі 10-13 травня 2024 року в залежності від модуля та аномалій модуля індукції геомагнітного поля вздовж “Геодезичної дуги Струве”. Для характеристики внутрішнього магнітного поля Землі було розроблено цифрові карти модуля та аномалій модуля індукції на висотах 5 та 100 км, а для характеристики магнітної бурі – результати спостережень варіацій північної, східної та вертикальної компонент модуля індукції геомагнітного поля в 7 магнітних обсерваторіях. Для кожної обсерваторії було розраховано модуль індукції внутрішнього магнітного поля Ві, модуль головного магнітного поля (поля ядра) B_IGRF, амплітуду та середнє значення варіації геомагнітного поля, а також варіацію параметру ΔD, який відображає відношення аномалії модуля індукції геомагнітного поля до поля B_IGRF_. За результатами статистичного аналізу виявлено залежність амплітуди варіацій зовнішнього геомагнітного поля та їх середніх значень від модуля головного магнітного поля Землі B_IGRF (R²_А_õВ_/_BIGPH = 0,96 та R²_{õВ_}_average_/_BIGPH = 0,7, відповідно). Трохи менша кореляційна залежність спостережена для Вх компоненти геомагнітного поля та B_IGRF (R²_Bx_/_BIGRF=0,89). Амплітуда варіації просторово-часової збуреності геомагнітного поля δ(ΔD) також характеризується високою кореляційною залежністю від модуля В_IGRF (R²_А_δ₍_Δ_D₎_/_BIGPH= 0,96) і закономірно збільшується у залежності від широти розташування обсерваторії, від 273 нТл в обсерваторії SUA до 2240 нТл в обсерваторії SOD. Виявлена закономірність підтверджується більш сильним проявом магнітного шторму 10-13 травня 2024р та зміщенням його максимальних збурень на 4 градуси на південь у порівнянні з магнітним штормом 29-31листопада 2003р, за час між якими модуль індукції поля B_IGRF для північної частини ГДС збільшився на 830÷930 нТл. Виявлено зв'язок максимального прояву геомагнітного шторму з регіональними магнітними аномаліями на поверхні Землі та їх суперпозиційним проявом на висоті 100км. Максимальна величина магнітного збурення реєструється на станції ПЕЛ, яка розташована в області максимуму аномального магнітного поля (більше 90 нТл на висоті 100 км), на противагу станції МІК – у зоні мінімуму геомагнітного поля, що частково підтверджується варіацією аномалій ΔВ за рахунок підмагнічування їх джерел варіацією зовнішнього поля. Найбільш вірогідною причиною зв’язку амплітуди варіацій зовнішнього поля з модулем головного магнітного поля В_IGRF та аномальним магнітним полем ΔВ можна вважати їх вплив на формування іоносферних струмів.

Посилання

Alken, P., Thébault, E., Beggan, C.D. et al. (2021). International Geomagnetic Reference Field: the thirteenth generation. Earth, Planets and Space, 73, 49. https://doi.org/10.1186/s40623-020-01288-x.

Brown, W.J., Beggan, C.D., Cox, G.A., & Macmillan, S. (2021). The BGS candidate models for IGRF-13 with a retrospective analysis of IGRF-12 secular variation forecasts. Earth, Planets and Space, 73, 42. https://doi.org/10.1186/s40 623-020-01301-3.

Chambodut, A., Marchaudon, A., Lathuillère, C., Menvielle, M., & Foucault, E. (2015). New hemispheric geomagnetic indices α with 15 min time resolution. Journal of Geophysical Research, 120(11), 9943—9958. https://doi.org/ 10.1002/2015JA021479.

Chornohor, L.F. (2021). Physics of geospace storms. Space Sciences and Technology, 27(1), 3—77. https://doi.org/10.15407/knit2021.01.003 (in Ukrainian).

Chornohor, L.F. (2024). Statistical characteristics of geophysical fields disturbed by weather fronts. Space Science and Technology, 30(3), 80—94. https://doi.org/10.15407/knit2024.03.080 (in Ukrainian).

Cnossen, I., Richmond, A.D., & Wiltberger, M. (2012). Thedependenceofthecoupledmagnetosphere-ionosphere-thermospheresystemontheEarth’smagneticdipole moment. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 117, A05302. https://doi.org/10.1029/2012JA017555.

Elvidge, S., & Themens, D.R. (2025). The Probability of the May 2024 Geomagnetic Superstorm. Space Weather, 23, e2024SW004113. https://doi.org/10.1029/2024SW004113.

Enhanced Magnetic Model (EMM). (2017). Retrieved from https://www.ncei.noaa.gov/products/enhanced-magnetic-model.

Grandin, M., Bruus, E., Ledvina, V.E., Partamies, N., Barthelemy, M., Martinis, C., Dayton-Oxland, R., Gallardo-Lacourt, B., Nishimura, Y., Herlingshaw, K., Thomas, N., Karvinen, E., Lach, D., Spijkers, M., & Bergstrand, C. (2024). The geomagnetic superstorm of 10 May 2024. Citizen science observations. EGU sphere. Preprint. https://doi.org/10.5194/egusphere-2024-2174.

Hayakawa, H., Ebihara, Y., Mishev, A., Koldobskiy, S., Kusano, K., Bechet, S., Yashiro, S. et al. (2024). The Solar and Geomagnetic Storms in May 2024: a Flash Data Report. The Astronomical Journal, 979(1). https://doi.org/10.48550/arXiv.2407.07665.

Kärhä, O., Tanskanen, E.I., & Vanhamäki, H. (2023). Large regional variability in geomagnetic storm effects in the auroral zone. Scientifc Reports, 13, 18888. https://doi.org/10.1038/s41598-023-46352-0.

Kärhä, O., Tanskanen, EI, & Vanhamäki, H. (2024). Magnetic ground response of the 2024 Mother’s Day storm in Northern Europe. ESS Open Archive. September 27, 2024. https://doi.org/10.22541/essoar.172745129.97399059/v1.

Kieokaew, R., Haberlel, V., Marchaudon, A., Blelly, P-L., & Chambodut, A. (2024). A no-

vel neural network-based approach to derive a geomagnetic baseline for robust characte-

rization of geomagnetic indices at mid-latitude. arXiv:2410.02311v1 [physics. space-ph].

A preprint. https://doi.org/10.48550/arXiv.2410. 02311.

Kirov, B., Georgieva, K., Asenovski, S., Madjarska, M.S., & Dineva, E.A. (2022). Comparison between the Solar Activity in the 11-Year Sunspot Cycles during the Last Two Centennial Solar Activity Minima. A Comparison of the Geomagnetic Activity during the Same Periods. Proc. of the Fourteenth Workshop «Solar Influences on the Magnetosphere, Ionosphere and Atmosphere» June, 2022 (pp. 87—92). Retrieved from https://spaceclimate.bas.bg/ws-sozopol/pdf/Proceedings2022.pdf.

Korhonen, J.V., Fairhead, J.D., Hamoudi, M., Hemant, K., Lesur, V., Mandea, M., Maus, S., Purucker, M., Ravat, D., Sazonova, T. & Thébault, E. (2007). Magnetic anomaly map of the world, scale 1:50,000,000. Printed by the Geological Survey of Finland. Retrieved from https://ccgm.org/en/product/world-magnetic-anomalies-map-pdf.

Leiko, U.M. (2005). Large-scale magnetic fields of Sun-heliosphere magnetic system. Spec. Iss. «Kinematika and Fizika Nebesnykh Tel», 187—188.

Lesur, V., Gillet, N., Hammer, M.D., & Mandea, M. (2022). Rapid variations of Earth’s core magnetic field. Surveysin Geophysics, 43, 41—69. https://doi.org/10.1007/s10712-021-09662-4.

Liu, P.F., Jiang, Y., Yan, Q., & Hirt, A.M. (2023).The behavior of a lithospheric magnetization and magnetic field model. Earth and Planetary Physics, 7(1), 66—73. http://doi.org/10.26464/epp2023025.

Loewe, C.A., & Prölss, G.W. (1997). Classification and mean behavior of magnetic storms. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 102(A7), 14209—14213. http://doi.org/10.1029/96JA04020.

Mandea, M., & Chambodut, A. (2020). Geomagnetic Field Processes and Their Implications for Space Weather. Surveys in Geophysics, 41(6), 1611—1627. http://doi.org/10.1007/s10712-020-09598-1.

Matzka, J., Stolle, C., Yamazaki, Y., Bronkalla, O., & Morschhauser, A. (2021). The Geomagnetic Kp Index and Derived Indices of Geomagnetic Activity. Space Weather, 19(5), e2020SW002641. http://doi.org/10.1029/2020SW002641.

Menvielle, M., Iyemori, T., Marchaudon, A., & Nosé, M. (2010). Geomagnetic indices. In M. Mandea, M. Korte (Eds.), Geomagnetic observations and models (pp. 183—228). Springer. http://doi.org/10.1007/978-910-481-9858-0_8.

Meyer, B., Saltus, R., & Chulliat, A. (2017). EMAG2v3: Earth Magnetic Anomaly Grid (2-arc-minute resolution). Version 3.NOAA National Centers for Environmental Information. https://doi.org/10.7289/V5H70CVX.

Obridko, V.N., Pipin, V.V., Sokoloff, D., & Shibalova, A.S. (2021). Solar large-scale magnetic field and cycle patterns in solar dynamo. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 504(4). https://doi.org/10.1093/mnras/stab1062.

Olsen, N., & Stolle, C. (2017). Magnetic Signatures of Ionospheric and Magnetospheric Current Systems During Geomagnetic Quiet Conditions — An Overview. Space Science Review, 206, 5—25. https://doi.org/10.1007/s11214-016-0279-7.

Orlyuk, M.I. (2000). Spatial and spatio-temporal magnetic models of different-rank structures of the continental-type lithosphere. Geofizicheskiy Zhurnal, 22(6), 148—165.

Orlyuk, М.I., & Romenets, А.O. (2022).On the relationship of temporary changes in the Earth’s magnetic field with solar activity 19—24 cycles. Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, (1), 72—78. https://doi.org/10.15407/dopovidi2022.01.072 (in Ukrainian).

Orlyuk, M.I., & Romenets, A.A. (2020). Spatial-temporal change of the geomagnetic field: environmental aspect. Geofizicheskiy Zhurnal, 42(4), 18—38. https://doi.org/10.24028/gzh.0203-3100.v42i4.2020.210670.

Orlyuk, M.I., & Romenets, A.A. (2011). Structure and dynamics of the main magnetic field of the Earth on its surface and in near space. Odessa Astronomical Publications, 24, 124—129 (in Ukrainian).

Orlyuk, M.I., & Romenets, A.O. (2023). The Earth’s magnetic field and the large-scale magnetic field of the Sun: the solar-terrestrial connection. Odessa Astronomical Publications, 36, 172—177. https://doi.org/10.18524/1810-4215.2023.36.290538.

Orlyuk, M., Marchenko, A., & Bakarjieva, M. (2017). 3D magnetic model of the Earth’s crust of the Eastern European Craton with the account of the Earth’s sphericity and its tectonic interpretation. Bulletin of the Kyiv National Taras Shevchenko University. Geology, 79(4), 33—41. https://doi.org/10.17721/1728-2713.79.03.

Orlyuk, M., Marchenko, A., Romenets, A., Bakarzhieva, M., & Orliuk, I. (2024a). Development of geomagnetic field induction module maps for the territory of Ukraine. Geodynamics, 1(36), 74—84. https://doi.org/10.23939/jgd2024.01.074.

Orlyuk, M., Romenets, A., Marchenko, A., & Orliuk, I. (2024b). Earth’s magnetic field along the «Struve Geodetic Arc». Abstracts.BLU 2024 — workshop of the Bulgaria-Latvia-Ukraine nitiative for Space Weather Investigations. June 3—7, 2024. Primorsko, Bulgaria. Retrieved from https://en.venta.lv/initiative-for-space-weather-investigations-2024.

Pulkkinen, A., Amm, O., Viljanen, A., & BEAR Working Group. (2003). Separation of the geomagnetic variation field on the ground into external and internal parts using the spherical elementary current system method. Earth, Planets and Space, 55, 117—129. https://doi.org/10.1186/BF03351739.

Ranjan, A.K., Nailwall, D., Krishna, M.V., Kumar, A., & Sarkhel, S. (2024). Evidence of potential thermospheric overcooling during the May 2024 geomagnetic superstorm. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 129(12), e2024JA033148. https://doi.org/10.48550/arXiv.2411.14071.

Rokityansky, I.I., & Tereshyn, A.V. (2024). Induction arrow spatial and temporal variations. Geofizychnyi Zhurnal, 46(6), 3—40. https://doi.org/10.24028/gj.v46i6.307063.

Ryabov, M., Orlyuk, M., Usoskin, I., Sukharev, A., Bezrukovs, V., & Šteinbergs, J. (2024). Project «Study of space weather events during the 25th solar cycle, observed along the «Struve Geodetic Arc» sector (Ukraine, Latvia, Finland)». Abstracts. BLU 2024 — workshop of the Bulgaria-Latvia-Ukraine nitiative for Space Weather Investigations. June 3—7, 2024. Primorsko, Bulgaria. Retrieved from https://en.venta.lv/initiative-for-space-weather-investigations-2024.

Ryabov, M., Sukharev, A., Orlyuk, M., Sobitnyak, L., & Romenets, A. (2019). Comparative analysis of geomagnetic disturbances in the zone of the Odessa magnetic anomaly under different states of solar activity in the 24th cycle. Radiophysics and Radioastronomy, 24(1), 68—79. https://doi.org/10.15407/rpra24.01.068 (in Russian).

Sukharev, A.L., Sobitnyak, L.I., Ryabov, M.I., Orlyuk, M.I., Orliuk, I.M., & Romenets, A.A. (2014). Earth’s magnetic field dynamics: space weather and solar cycle effect exhibiting. Odessa Astronomical Publications, 27(2), 98—100.

Sukharev, A., Orlyuk, M., Ryabov, M., Sobitniak, L., Bezrukovs, V., Panishko, S., & Romenets, A. (2022). Results of comparison of fast variations of geomagnetic field and ionospheric scintillations of 3C 144 radio source in the area of Odessa geomagnetic anomaly. Astronomical and Astrophysical Transactions, 33(1), 67—88. https://doi.org/10.17184/eac.6481.

Usoskin, I., Miyake, F., Baroni, M., Brehm, N., Dalla, N., Hayakawa, H., Hudson, H., Timothy, Jull, A.J., Knipp, D., Koldobskiy, S., Maehara, H., Mekhaldi, F., Notsu, Yu., Poluianov, S., Rozanov, E., Shapiro, A., Spiegl, T., Sukhodolov, T., Uusitalo, J., & Wacker, L. (2023). Extreme Solar Events: Setting up a Paradigm. Space Science Reviews, 219, 73. https://doi.org/10.1007/s11214-023-01018-1.

Yamazaki, V, Matzka, J., Stolle, C., Kervalishvili, G., Rauberg, J., Bronkalla, O., Morschhauser, A., Bruinsma, S., Shprits, Y., & Jackson, D.R. (2022). Geomagnetic activity index hpo. Geophysical Research Letters, 49(10), e2022GL098860. https://doi.org/10.1029/2022GL098860.