Введение к работе
Земная магнитосфера формируется взаимодействием солнечного ветра с магнитным полем Земли. При этом образуется каплеобразная, вытянутая вдоль линии Солнце-Земля магнитная структура со сложным внутренним строением и динамикой. Одним из основных процессов, отвечающих за состояние магнитосферы, является магнитное пересоединение. При южном межпланетном магнитном поле, антипараллельном магнитному полю земного диполя, в дневной части магнитосферы происходит процесс пересоединения плазменных трубок с последующим их переносом на ночную сторону, где плазменные трубки вновь пересоединяются. В итоге эта цепь событий приводит к циркуляции магнитосферной плазмы и увеличению геомагнитной активности на Земле. Ключевой областью является токовый слой в хвосте магнитосферы, где происходят процессы ответственные за накопление и последующее взрывное преобразование накопленной магнитной энергии в кинетическую энергию частиц. Преобразование энергии магнитного поля в энергию частиц реализуется в процессах импульсной природы, при которых возникают среднемасштабные структуры, пространственный размер которых составляет порядка нескольких Re (радиусов Земли), а по времени они занимают несколько минут, такие процессы возможно моделировать в рамках описания магнитной гидродинамики (МГД). Наиболее важными из средне-масштабных структур являются струйные высокоскоростные потоки плазмы (BBF, bursty bulk flows), отвечающие за перенос плазменных трубок в хвосте магнитосферы, а также плазмоиды, магнитные канаты и ряд других структур. Большинство среднемасштабных структур вероятно являются продуктами нестационарного магнитного пересоединения, и несут информацию об этом основополагающем процессе. Одним из наиболее заметных средне-масштабных явлений являются колебания токового слоя, в процессе которых спутник может неоднократно пересекать токовый слой и регистрирует самые мощные вариации магнитного поля в хвосте магнитосферы, ниже эти колебания называются ф-волнами. Исследовать подобные явления по данным одиночных спутников было крайне сложно, поэтому сведения о среднемасштабных структурах вплоть до последнего времени были крайне скудны и противоречивы. Соответственно, изучение физических характеристик среднемасштабных плазменных структур в возмущенной магнитосфере, которые в значительной мере определяют динамику токового слоя хвоста магнитосферы, являлось и до сих пор является актуальной проблемой физики
магнитосферы.
Ситуация изменилась с появлением спутниковых систем, таких как Cluster и THEMIS, и среднемасштабные структуры сразу же стали объектом пристального интереса. Преимущества системы Cluster по сравнению с измерениями одиночного спутника состоят в том, что благодаря четырем спутникам, разнесенным друг от друга на сравнимые расстояния в вершины тетраэдра, можно разделять и исследовать пространственные и временные характеристики среднемасштабных магнитосферных явлений. С другой стороны, вытянутая вдоль хвоста магнитосферы конфигурация спутников THEMIS позволяет исследовать среднемасштабные структуры с другой перспективы, акцентируя различия их характеристик вдоль простирания хвоста.
Цели работы. Настоящая диссертация посвящена исследованию динамики токового слоя хвоста магнитосферы Земли с акцентом на изучение средне-масштабных структур в возмущенном токовом слое по данным спутниковых систем и отдельных спутников. Основное внимание уделяется ф-волнам, для которых проведен анализ спутниковых измерений с целью получить недостающие сведения о (1) пространственном распределении волн; (2) их связи со струйными потоками плазмы и процессом пересоединения; (3) сопутствующих вариациях плазменных параметров в ф-волне; (4) зависимости от магнитной активности. Анализ данных дополнен анализом результатов численного МГД моделирования с целью выделения ф-волн и установления характера их связи с струйными потоками плазмы. Полученный материал проанализирован с точки зрения наиболее вероятных процессов приводящих к появлению ф-волн. Несколько особняком стоит завершающий работу раздел о топологии структур типа магнитных канатов, важный для установления конкретного варианта процесса магнитного пересоединения действующего в плазменном слое, который играет основную роль в формировании среднемасштабных структур, включая ф-волны.
На защиту выносятся следующие положения
1. Новые сведения о пространственном распределении параметров и геометрии ф-волн по данным спутниковых проектов Geotail, Cluster, THEMIS:
(а) Вероятность появления ф-волн максимальна в центральном секторе магнитосферы и растет с радиальным расстоянием (от 10 до 30
Re), подобно изменениям вероятности появления быстрых струйных течений плазмы (BBF). Во всей этой области преимущественно наблюдается один тип ф-волн, представляющий изгибные (желоб-ковые) возмущения токового слоя, с нормалями к токовому слою лежащими вблизи плоскости YZ.
Ф-волны встречаются, как в магнитоактивные, так и в спокойные периоды. Хотя ф-волны часто сопутствуют быстрым струйным течениям, локальная связь между этими явлениями не является обязательной. Ф-волны наблюдаемые вблизи области магнитного пересоединения, а также при регистрации BBF отличаются короткой длительностью пересечения токового слоя (10-50 сек).
Впервые выделены крупномасштабные вращения плазменной трубки в ф-волне и утро-вечерняя асимметрия параметров (скорости, длительности, наклонов) ф-волн, согласующиеся с предсказаниями МГД теории двойного градиента в случае волн, распространяющихся от внутреннего источника к флангам магнитосферы.
2. Используя энергичные электроны в качестве трассера топологии магнитной трубки, показано, что среди движущихся к Земле магнитных структур типа магнитного каната чаще встречаются структуры с открытыми трубками, а не замкнутые магнитные петли. Этот результат означает, что в средней магнитосфере преимущественно развивается импульсная мода пересоединения с одной Х-линией.
Научная новизна
Впервые показано, что в области расстояний от 10 до 30 Re преимущественно наблюдается один тип ф-волн, представляющий изгибные (же-лобковые) возмущения токового слоя, с нормалями к токовому слою лежащими в плоскости YZ.
Впервые показано, что ф-волны чаще всего встречаются в центральном секторе токового слоя хвоста магнитосферы, и что вероятность их появления растет с радиальным расстоянием в области от 10 до 30 Re подобно распределению вероятности струйных течений плазмы (BBF). Ф-волны наблюдаемые вблизи области магнитного пересоединения, а также при регистрации BBF отличаются короткой длительностью пересечения (10-50 сек.).
Впервые выделены предсказанные теорией крупномасштабные вращения плазменной трубки в ф-волне и утро-вечерняя асимметрия параметров (скорости, длительности, наклонов) ф-волн.
Используя энергичные электроны в качестве трассера топологии магнитной трубки впервые показано, что среди магнитных канатов, движущихся к Земле, наиболее часто встречаются структуры с открытыми трубками, а не замкнутые магнитные петли. Результат может означать, что в магнитосфере преимущественно развивается импульсная мода пересоединения, но не пересоединение с несколькими Х-линиями.
Практическая ценность работы состоит в том, что в ней получены новые сведения о характеристиках и процессах генерации в токовом слое сред-немасштабных структур, которые играют важную роль в динамике и энергетике магнитосферных возмущений.
Работа над диссертацией была поддержана
Грантом Nansen центра, 2006 г.
Государственным контрактом №02.740.11.0331 от 07.07.2009 Министерства образования и науки Российской Федерации.
Грантом РФФИ 07-02-91703.
Личный вклад автора
Автор принимал участие в выполнении исследований по теме диссертации совместно с коллегами соавторами статей. Все изложенные в диссертации результаты получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами.
Апробация работы
Представленные в работе результаты докладывались на международных конференциях: «Physics of Auroral Phenomena» (Апатиты, Россия, 2004), International Conference «Problems of Geocosmos» (Санкт-Петербург, Россия, 2006, 2008), международной молодежной конференции Геофизика (Санкт-Петербург, Россия, 2005, 2009, диплом за лучшую работу), IAGA Assembly (Toulouse 2005, Perugia 2007, Sopron 2009).
Публикации
По теме диссертации опубликованы 3 статьи в научных рецензируемых журналах (из них две в качестве первого автора) и 1 статья в сборнике трудов научной конференции.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения, списка литературы из 56 наименований; содержит 103 страниц машинописного текста, включая 54 рисунков.
