Введение к работе
В диссертации предлагается обобщение модели нестационарного пересоединения на случай скрещенных магнитных полей произвольной напряжённости. При этом учитывается, что плазма по разные стороны токового слоя может иметь разную плотность и разные тангенциальные относительно токового слоя скорости. На основе модели получены модельные спутниковые измерения и проведено их сравнение с экспериментальными данными, полученными на спутниках ISEE 1 и 2.
Актуальность проблемы. Механизм пересоединения магнитных полей считается доминирующим механизмом, контролирующим перенос энергии из солнечного ветра в магнитосферу. Он состоит в том, что направленное на юг магнитное поле солнечного ветра пересоединяется с противоположно направленным геомагнитным полем, образуя открытые силовые линии.
Исследования показали, что пересоединение магнитных полей яв -ляется фундаментальным процессом в солнечной, космической и звездной плазме. Среди главных характеристик процесса пересоединения следует назвать изменение топологии магнитного поля, высвобождение магнитной энергии и ускорение плазмы. В настоящее время считается, что магнитное пересоединение лежит в основе таких разнообразных явленией, как солнечные вспышки; динамические процессы на секторных границах в солнечном ветре ; проникновение энергии солнечного ветра в магнитосферу; магнитосферные суббури и других.
Один из наиболее фундаментальных вкладов в теорию магнитного пересоединения был сделан Петчеком. Эта модель стала руководством при исследовании и интерпретации экспериментальных данных.
При анализе данных спутников ISEE, было обнаружено явление, названное авторами 'flux transfer evenf (FTE). Его главной чертой, по которой это явление выделяется среди спутниковых измерений, является биполярная вариация нормальной к магнитопаузе компоненты магнитного поля, существенно превышающая уровень шума.
С присущей авторам научной интуицией FTE были интерпретированы как воздействие на окружающее магнитное поле со стороны перемещающейся вдоль магнитопаузы магнитной трубки, образовавшейся в результате импульса пересоединения межпланетного магнитного поля и магнитного поля Земли. Регистрация во время FTE энергичных частиц горячей магнитосферной плазмы в холодной плазме магнитошиса и наоборот, частиц солнечного ветра из магнитошиса в магнитосфере подтверждает предположение Расселла и Элфика о связи FTE с магнитным пересоединением. С этим открытией в физике магнитосферы появилось понятие нестационарного и локального пересоединения.
Существует альтернативная теория, объясняющая FTE воздействием на магнитопаузу импульсов динамического давления в солнечном ветре. Авторы этой модели на основании расчёта вероятности подтвердили существено более частое появление FTE при южном ММП, что в корне не совпадает с выводами модели FTE как результата воздействия на магнитопаузу импульсов динамического давления в солнечном ветре. С другой стороны, Пудовкин и Самсонов показали, что импульсы давления на магнитопаузе могут быть результатом развития на магнитопаузе процесса пересоединения магнитных полей.
В работе Цыганенко, автора известных моделей магнитосферы Земли, и Сайбека, одного из самых убежденных сторонников теории динамических импульсов, делается вывод, что внезапное смещение магнитопаузы к Земле, известное как эрозия магнитораузы, только на 40% можно объяснить вкладом усиленного динамического давления солнечного ветра. Остальной вклад в смещение магнитопаузы к Земле вносит процесс магнитного пересоединения, благодаря которому часть магнитного потока с дневной стороны магнитосфкры переносится на ночную. Тем не менее теория импульсов динамического давления остаётся одной из основных конкурирующих теорий при интерпретации FTE. При этом очевидно, что дискуссия ведётся со стационарной моделью пересоединения и вопрос, как часто FTE появляются на магнитопаузе, ставится вместо вопроса, как часто возможно зарегистрировать FTE, т.к. исходя из представлений стационарной теории пересоединения, предполагается, что спутник
не может не зарегистрировать FTE, если таковое случилось.
Это доказывает глубокое различие во взглядах исследователей на процесс пересоединения магнитных полей и условий его протекания на магнитопаузе, а также при интерпретации явлений, зарегистрированных на магнитопаузе спутниками. Стационарное крупномасштабное пересоединение магнитных полей на магнитопаузе, признаком которого считаются концентрированные потоки ускоренной плазмы вдоль магнитопаузы, и локальное импульсное пересоединение, проявлением которого многие считают FTE, рассматриваются как разные явления, в основе которых лежат разные физические процессы.
Из вышесказанного следует, что для более полного понимания как природы самого явления пересоединения магнитных полей, так и характера его протекания на магнитопаузе Земли, необходимы дальнейшие работы как в области развития экспериментальной базы, так и в теоретической области, а именно, построение моделей магнитного пересоединения. При этом необходимо учитывать, как асимметрию параметров магнитного поля и плазмы в области магнитопаузы, так и существенно нестационарный характер протекающих здесь процессов.
Целью настоящей работы, является моделирование, как стационарных, так и нестационарных процессов на магнитопаузе (FTE) на основе модели пересоединения магнитных полей, являющейся обобщением стационарной модели пересоединения Петчека на случай импульсного пересоединения. В работе предложен следующий шаг в развитии этой модели, а именно, рассматривается пересоединение магнитных полей произвольной напряженности, в несжимаемой плазме, имеющей разную плотность и разные тангенциальные к токовому слою скорости по разные стороны токового слоя. На основе модели рассчитывается возмущение токового слоя и параметров магнитного поля и плазмы. Расчеты вдоль выбранного направления моделируют спутниковые измерения. Вариации параметров магнитного поля и плазмы вдоль модельных спутниковых траекторий сравниваются с данными спутников ISEE 1 и 2.
Научная новизна. Получено обобщение нестационарной симмс-тричной модели пересоединения магнитных полей в неподвижной плазме с линией пересоединения конечной длины на случай пересоединения скрещенных магнитных полей произвольной напряженности в плазме, движущейся до начала пересоединения. Плазма по обе стороны токового слоя имеет разные плотности и разные тангенциальные относительно токового слоя скорости.
Выполнено трехмерное моделирование возмущения токового слоя, вызванного процессом пересоединения, и моделирование спутниковых измерений вдоль траекторий вблизи магнитопаузы.
Выполнено сравнение модельных результатов с экспериментальными данными. Характеристики FTE, полученные на основе анализа спутниковых измерений, объяснены с точки зрения представленной модели нестационарного пересоединения магнитных полей.
Практическая ценность. Предложенная модель пересоединения магнитных полей и её численная реализация могут быть использованы при интерпретации данных спутников как уже имеющихся, так и поступающих вновь, например, со спутников проектов CLASTER и INTERBALL.
Апробация. Представленные в диссертации результаты докладывались на встрече международной рабочей группы 'The Solar Wind - Magnetosphere System' в Граце (Австрия) 1992г., на 1-ой встрече международной рабочей группы 'Magnetic reconnection at the magnetopause and aurora dynamics' в Апатитах (Россия) 1995г., а также на научных семинарах НИИФ СПбУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Работа содержит 159 страниц машинописного текста, 45 рисунков, библиографию из 130 наименований.