Содержание к диссертации
Введение
1 Нестационарные токовые системы и среднемасштабные динамические явления в магнитосфере-ионосфере Земли 19
1.1 Основные магнитосферные и ионосферные токовые системы. Развитие суббури 19
1.2 Струйные плазменные потоки (BBF). Модели плазменных пузырей. Ионосферные проявления 23
1.3 Инжекции энергичных частиц, их распростанение и модели формирования 29
1.4 Токовый слой хвоста магнитосферы и границы в магнито-сферной плазме 34
1.5 Система Cluster и ее возможности 35
2 Исследование токового слоя в хвосте магнитосферы . 37
2.1 Одномерные разрывы и методы их исследования 37
2.2 База данных napping колебаний токового слоя хвоста магнитосферы и результаты исследований системой Cluster. 43
2.3 Апробация метода MVA в сравнении с многоспутниковыми методами для определения ориентации токового слоя 47
3 Инжекции энергичных частиц 52
3.1 Инжекции 23/04/2004 и их связь с магнитной диполяриза-цией 53
3.2 Радиальное распространение инжекции 58
3.3 Структура электромагнитного поля в окрестности фронта инжекции 63
3.4 Связь инжекции с сияниями 64
3.5 Ускорение частиц в долготном секторе инжекции 66
3.6 Обсуждение результатов Главы 3 70
4 Плазменные границы во внутренней магнитосфере . 72
4.1 Описание наблюдений в событии 16/12/2003 73
4.2 Наблюдения магнитного и электрического полей, ориентация и движение границы 78
4.3 Проекции в магнитном поле и явления в сопряженной области 82
4.4 Наземные наблюдения сети магнитометров IMAGE, динамика границы 84
4.5 Сводка результатов и наблюдений в событии 16/12/2003 и ее обсуждение 89
5 Статистическое исследование быстроменяющихся интен сивных ионосферных токовых систем . 94
5.1 Введение 95
5.2 Методика количественной характеризации ионосферных эквивалентных токов наблюдаемых сетью магнитометров IMAGE . 97
5.3 Результаты статистического иссследования 104
5.3.1 Примеры событий с наибольшими значениями производной dB/dt, наблюдаемых сетью магнитометров IMAGE в 1996-2000 г, и их характеристики. 104
5.3.2 Сравнение относительных вкладов от одномерных и двумерных токовых систем 108
5.3.3 Суточные и широтные распределения событий со значительными вариациями dB/dt 110
5.3.4 События 17.04.99 и 22.10.99 с наибольшими значениями dB/dt 114
5.4 Заключение к главе 5 116
Основные результаты диссертации. 118
Литература 120
Приложения 130
- Струйные плазменные потоки (BBF). Модели плазменных пузырей. Ионосферные проявления
- Радиальное распространение инжекции
- Наблюдения магнитного и электрического полей, ориентация и движение границы
- Методика количественной характеризации ионосферных эквивалентных токов наблюдаемых сетью магнитометров IMAGE
Введение к работе
В магнитосфере Земли, помимо основных и устойчивых крупномасштабных токовых систем, таких как токи магнитопаузы, хвоста, кольцевого тока, существуют динамические среднемасштабные образования. Примерами таких образований с продолжительностью порядка 1-10 минут и размерами порядка 1 земного радиуса (Re) в магнитосфере являются инжекции энергичных частиц, струйные течения в плазменном слое (BBF, bursty bulk flow), авроральные омега-структуры, локализованные интенсивные продольные токи различного происхождения и ряд других явлений. Несмотря на небольшие временные и пространственные масштабы, среднемасштабные объекты играют существенную роль в перераспределении энергии и магнитного потока, ускорении частиц, создают значительные изменения магнитной конфигурации, поэтому эти объекты представляют особый интерес с точки зрения физики космической плазмы. С другой стороны, среднемасштабные объекты - это как раз тот класс явлений, теоретическая интрепретация которых может быть проверена как экспериментально (с помощью систем спутников типа Cluster или Themis), так и в компьютерном МГД моделировании, что в общем является не частой возможностью в космической плазме. Ранее исследование среднемасштабных явлений было затруднительным из-за неоднозначности в разделении временных и пространственных вариаций по измерениям на отдельных спутниках. С запуском многоспутниковой системы Cluster появились новые возможности исследований, некоторые из которых реализованы в данной работе.
В диссертации на основе спутниковых и наземных измерений иссле-
дован экспериментально ряд среднемасштабных магнитосферных объектов и токовых структур, связанных с ними. Помимо описания новых объектов и новых свойств, полученные нами результаты позволяют сделать предположения о тесной взаимосвязи ряда магнитосферных явлений, которые ранее рассматривались как независимые физические процессы.
Одним из фундаментальных свойств магнитосферы, как плазменного объекта, является возможность медленного накопления и взрыво-образного преобразования энергии. Энергия солнечного ветра накапливается в долях хвоста в виде магнитной энергии, а затем преобразовывается в тепловую энергию плазмы. Это преобразование происходит импульсным образом, причем интенсивности импульсов, временные интервалы между ними, пространственные размеры, длительности импульсов и, соответственно, количество пребразованной энергии могут меняться в значительных пределах. Наиболее известным и значимым явлением является магнитосферная суббуря, взрывообразное выделение энергии (1012 — 1013 Вт) в течение нескольких минут - десятков минут.
Преобразование накопленной энергии происходит в плазменном слое с током направленным с утренней на вечернюю сторону, разделяющим антипараллельные магнитные поля северной и южной долей хвоста магнитосферы. Исследования подобных объектов, токового слоя и тонких границ, разделяющих плазмы с различными параметрами, важны для понимания процессов, приводящих к разрушению тока, магнитному пересоединению и суббурям, либо наоборот, процессов, создающих и поддерживающих устойчивость тонких образований. С запуском четырех-спутниковой системы Cluster появились новые возможности исследований токовых слоев. Одно из слабоизученных явлений, которого будет исследовано в данной работе, - это колебания токового слоя, называемые flapping, ранее известные только по данным одиночных спутников.
Для выполнения исследований токовых систем или плазменных структур важна также и методологическая сторона. С запуском системы Cluster стали доступны новые многоспутниковые методы, основанные на анализе
временных запаздываний (таймирование), определении пространственных градиентов и другие. Важным этапом является исследование применимости новых методов, их тестирование, а также проверка известных ранее односпутниковых методов в сравнении с независимыми новыми. В нашем случае мы исследуем точность метода анализа минимальной вариации (MVA) в применении к токовому слою хвоста магнитосферы и опишем результаты статистического исследования параметров быст-роколеблющихся токовых слоев по данным системы Cluster, которые в значительной степени опираются на определение ориентации токового слоя.
Характерными проявлениями суббурь являются образование быстрых потоков плазмы к Земле из хвоста магнитосферы, ускорение частиц и вторжение их во внутреннюю магнитосферу (инжекции), развитие систем интенсивных продольных токов, интенсификация полярных сияний и ионосферных токовых систем и другое. Исследование этого набора явлений необходимо для понимания механизмов суббури, а также для моделирования и прогноза возможных ее последствий. Одним из наиболее существенных магнитосферных объектов являются струйные плазменные течения (BBF) в плазменном слое хвоста магнитосферы. Они проявляются как кратковременные импульсы повышенной скорости плазмы (сотни км/с) в направлении Земли, с увеличенной Bz компонентой поля, имеют поперечный размер порядка 2-3 Re и по различным оценкам могут переносить основную часть магнитного потока и энергии в плазменном слое.
Несмотря на продолжительные (практически с начала спутниковой эры) исследования среднемасштабных магнитосферных явлений, таких как инжекции энергичных частиц, струйные потоки (BBF), среднемас-штабные формы полярных сияний и пр., остается множество неразрешенных вопросов. Среди них - что происходит с BBF при вторжении во внутреннюю магнитосферу, как глубоко могут проникать BBF и насколько долго существовать впоследствии. В частности, несмотря на возможную связь упомянутых явлений (инжекции и струйных потоков),
принято описывать каждое из них в разных областях - инжекции на радиальных расстояниях вблизи геостационарной орбиты 6.6 Re, а например BBF за 10 Re, причем существует устойчивые стереотипы об их "остановке" и "исчезновении" около 10 Re. Установление связи между двумя этими объектами представляется весьма важным.
Само по себе явление инжекции также не объяснено окончательно. Как известно, при стационарной конфигурации и типичных величинах крупномасштабных электрического и магнитных полей невозможно переместить энергичные частицы глубоко во внутреннюю магнитосферу с помощью электрического дрейфа: вследствие значительных магнитных дрейфов образуются запрещенные Альфвеновские области большого размера. Для преодоления действия градиентных дрейфов была предложена модель "электромагнитного импульса" (Li et al., GRL, 1998). ЭМ импульс представляет из себя ограниченную азимутально и радиально область, в которой увеличена Еу компонента электрического поля. В модели импульс движется радиально к Земле, что создает вариации магнитного поля включающие повышенную Bz компоненту внутри импульса. Такой объект позволяет подавить градиентные дрейфы, отклоняющие частицы в его фронтальной части, и эффективно транспортировать частицы внутрь, ускоряя их. Как образуется такая структура пока не известно. Для эффективного переноса и ускорения эта модель требует малых скоростей распространения импульса (~ 100 км/с), много меньше тепловой и Альфвеновской скоростей. Вопрос о природе и скоростях радиального распространения инжекции в значительной мере пока открыт из-за малого количества их измерений, он также будет затронут в данной работе.
Для понимания инжекции, а также для проверки применимости модели ЭМ импульса, необходимо исследовать поведение электрических и магнитных полей вместе с параметрами энергичных частиц. В последние десятилетия, инжекции в основном исследовались по данным геостацинарных спутников LANL, на которых не проводятся измерения магнитного и электрического полей. В некоторых ранних работах, при
использовании других спутников были отмечены рост потоков энергичных частиц в связи с возрастаниями Bz компоненты магнитного поля, а также связь последних с вариациями электрического поля. Однако одно-спутниковые измерения не позволяли исследовать являются ли они свойством компактного объекта перемещающегося в пространстве, а также как ведут себя электромагнитные вариации по мере распространения ин-жекции. Подобные исследования стали возможны благодаря запуску системы близкорасположенных (500-10000 км) четырех спутников Cluster, которые позволяют разделять пространственные и временные вариации параметров плазмы и восстанавливать пространственную структуру.
Среди открытых вопросов касающихся авроральных явлений и возможно имеющих отношение и к инжекциям и к BBF мы выделяем так называемые "омега структуры". Это специфические формы сияний, выступающие к полюсу от экваториальной части овала в виде факелов или областей, похожих на греческую "омега", появляются в утреннем секторе. Омега-структуры следует относить к среднемасштабным объектам, их ионосферные пространственные размеры - первые сотни километров, времена жизни десятки минут, скорости движения в восточном направлении 0.1-2 км/с. В некоторых случаях зафиксировано образование омега-структур из стримеров. С чем связаны омега структуры в магнитосфере, и какими процессами они образуются и поддерживаются в течение длительного времени - пока точно не известно. Некоторые сведения и предположения о возможной связи омега-структур с динамическими резкими плазменными границами во внутренней магнитосфере и вихревыми токовыми системами в ионосфере обсуждаются в диссертации.
Цель настоящей работы - исследовать некоторые среднемасштаб-ные токовые системы в ночной части магнитосферы Земли при помощи многоспутниковых методов, в том числе: - исследовать свойства инжек-ций энергичных частиц, сравнить их со свойствами BBF и обсудить возможную применимость модели ЭМ импульса к наблюдаемым парамет-
рам инжекций. Исследовать долгоживущую тонкую границу, разделяющую две популяции плазмы в магнитосфере, обнаруженную спутниками Cluster. В методической части исследовать применимость односпутнико-вого метода MVA для определения ориентации токового слоя хвоста магнитосферы, основываясь на сравнении с многоспутниковыми методами; получить статистические характеристики быстродвижущихся токовых слоев.
На защиту выносятся следующие положения
Результаты исследования точности метода MVA и рекомендации по его использованию для нахождения ориентации токового слоя хвоста магнитосферы. Результаты статистического анализа ориентации и скоростей движения токового слоя по данным спутниковой системы Cluster.
Подтверждение существования резких фронтов диполяризации и инжекций и их совмещение в пространстве. Экспериментальные измерения с помощью системы Cluster скоростей радиального распространения инжекций (100-400 км/с) и их изменение с расстоянием на 7-12 RE.
Показана возможность количественно воспроизвести наблюдаемые изменения энергетического и углового распределения при сокращении магнитной плазменной трубки вследствие бетатронного и Ферми ускорения.
Обнаружение тонких плазменных границ (толщиной ионного гиро-радиуса) разделяющих популяции плазмы с различными температурами и существующих на временных масштабах >10 минут во внешней части внутренней магнитосферы.
Результаты статистического анализа характерной геометрии и MLT распределений ионосферных токовых систем с большими величинами наземных величинами dB/dt, в том числе доказательства су-
ществования утреннего максимума появляемости событий с максимальными dB/dt и важной роли в их генерации вихревых средне-масштабных ионосферных токовых систем.
Научная новизна
Исследован фронт инжекции энергичных частиц и показано существование регулярной электромагнитной структуры распространяющейся вместе с фронтом со скоростями значительно меньшими, чем скорости МГД волн.
Оценены скорости радиального распространения инжекции на радиальных расстояниях порядка 10 Re.
На основе сравнения с многоспутниковыми методами оценены погрешности односпутникового метода MVA при определении ориентации токового слоя хвоста магнитосферы.
Обнаружены долгоживущие (более 10 минут) резкие плазменные границы толщиной порядка ионного гирорадиуса, разделяющие две популяции плазмы с разными температурами.
Показан значительный вклад вихревых дифференциальных ионосферных токовых систем в наземные вариации магнитного поля в авроральной зоне, а также статистический максимум появления таких вариаций в утренние часы MLT (в дополнение в известному околополуночному максимуму).
Среди перечисленного пункты 1, 3, 4, 5 по нашим сведениям были сделаны впервые, а пункт 2 был очень мало исследован ранее.
Практическая ценность
Создана база данных быстрых пересечений токового слоя хвоста магнитосферы системой спутников Cluster в 2001 и 2004 годах, в которой определены параметры токового слоя.
Результаты главы 4 показывают возможность продолжительного (более 10 минут) существования границ в плазме с толщиной порядка ионного гирорадиуса, разделяющих две различных плазменных популяции.
В главе 5 получены физические характеристики ионосферных токовых систем, ответственных за генерацию геомагнитно-индуцированных токов, которые воздействут на искусственные объекты, линии электропередач, трубопроводы и прочие.
Работа над диссертацией была поддержана
Грантом Министерства образования и науки Российской Федерации ЖАЛ0.172 (2004 год);
Грантом Nansen центра, 2005 год;
Грантом INTAS для аспирантов №05-109-4496 (2006-2008).
Личный вклад автора
Автор принимал участие в выполнении исследований по теме диссертации совместно с коллегами - соавторами статей. Научный вклад автора отмечен дипломом сообщества Cluster в 2005 и присуждением премии имени Ю.П. Мальцева для молодых ученых в 2007 году.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: 25-й, 31-й ежегодный семинар "Физика авро-ральных явлений" (Апатиты, Россия, 2002, 2008); International Conference
on Substorms-8, Banff, Canada, March 27-31, 2006 ; International Conference on Substorms-9, Graz, Austria, May 5-9, 2008; Проблемы Геокосмоса (Санкт-Петербург, Россия, 2006, 2008).
Публикации
По теме диссертации опубликованы четыре статьи в рецензируемых научных журналах (в качестве первого автора), а также четыре статьи с участием в качестве соавтора.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, и списка литературы из 87 наименований, содержит 132 страниц машинописного текста, включая 38 рисунков и 2 таблицы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность и перспективность темы исследования, сформулированы цели работы, основные положения, выносимые на защиту, отмечена научная новизна и практическая ценность работы, кратко изложено содержание работы.
В первой главе приведен краткий обзор литературы по теме диссертации, также обсуждается постановка задач для последующих глав.
Во второй главе обсуждаются методы исследования токовых слоев. Описаны методы определения ориентации одномерных разрывов, основанные на измерениях как одиночных спутников, так и многоспутниковых систем. Среди многоспутниковых методов, ориентированных на четырехспутниковую систему, мы обсуждаем таймирование и вычисление пространственных градиентов магнитного поля, включая циркуляцию вектора поля, дающую плотность электрического тока. Из одно-спутниковых методов обсуждается метод анализа минимальной вариа-
ции (MVA).
Упомянутые методы использовались для определения ориентации токового слоя хвоста магнитосферы в событиях быстрых пересечений слоя системой спутников Cluster в сезонах 2001 и 2004 года, когда межспутниковые расстояния были сопоставимы с толщиной слоя и составляли 1000-2000 км. Для этих сезонов создана база данных пересечений (более 300 событий), для которых были основные параметры токовых слоев, такие как их ориентация (вектор нормали), интенсивности и профили тока, плазменные параметры в токовом слое и другие величины. База выложена в открытый доступ в Интернете.
Набор 78-ми пересечений сезона 2001 года был исследован наиболее подробно. Было показано, что на расстояниях апогея Cluster (17-19 Re) нормаль к слою располагается вблизи плоскости YZqsm и в примерно половине случаев имеет угол больший 45 градусов с номинальной нормалью токового слоя (Zgsm)- Были найдены скорости движения токового слоя 20-200 км/с с направлением от центра хвоста к флангам. Амплитуды колебаний составили 0.2-2 Re, толщина токового слоя 0.2-1.2 Re или 1-25 Lcp (Lcp - гирорадиус протонов наблюдаемой температуры в наблюдаемом поле долей), а плотности тока от 2 до 25 нА/м2 (Runov et al, 2005).
Сравнивая результаты MVA и двух других независимых методов, мы провели статистическую оценку качества определения нормали методом MVA в зависимости от параметра А2/А3 (отношение среднего к наименьшему из собственных чисел матрицы ковариации магнмтного поля). Построенная зависимость с учетом относительного количества событий, остающихся при росте критерия А2/А3, позволяют выбирать пороги А2/Аз для различных типов исследований. Полученные критерии применения MVA использовались при исследовании ~тысячи пересечений токового слоя спутником Geotail (Sergeev et al, 2006), которые под-
твердили на большой статистике в более широкой области пространства результаты о геометрии быстрых колебаний токового слоя хвоста, полученные по данным Cluster.
В третьей главе описано исследование инжекции энергичных частиц при помощи четырехспутниковой системы Cluster (Apatenkov et al. 2007). В течение небольшой суббури 23/02/2004 (АЕ индекс ~ 200-300 нТл), начавшейся в 02:20 UT, спутники Cluster, LANL-095A и GOES-12 находились около полуночного меридиана и позволили подробно исследовать серию инжекции энергичных частиц и вариаций в магнитных и электрических полях, которые происходили с 03:19 по 03:28 UT. В этом событии, редком в силу полярной орбиты Cluster, когда совместно и спутниками Cluster (около перигея) и LANL наблюдалась серия инжекции - инжекция электронов с дисперсией по энергиям наблюдалась на спутниках Cluster около 03:19, а бездисперсная инжекция около 03:27. Наблюдения инжекции разного характера позволило сравнить и изучить их свойства. Исследовались связь инжекции с диполяризацией магнитного поля, структура фронта инжекции, связь с полярными сияниями, скорости радиального распространения, также проведено моделирование ускорения частиц в долготном секторе инжекции.
Измерения магнитного поля на спутниках Cluster показали, что бездисперсные инжекции связаны с локальным повышением Bz компоненты магнитного поля (диполяризацией). Для инжекции с дисперсией по энергиям подобных вариаций магнитного поля не наблюдалось. Четыре измерения в последовательных точках бездисперсной инжекции показали повторяющуюся вариацию магнитного поля (Д?^ ~ 20 нТл) с несколько уменьшающейся амплитудой по мере распространения фронта. Вариации электрического поля имели более зернистую структуру, общие черты которой повторялись от спутника к спутнику. Магнитное поле менялось синхронно с потоками частиц, и это повторялось на всех четырех спутниках, что доказывает совпадение фронтов диполяризации и инжекции энергичных частиц.
Из наблюдений спутниковой системой были оценены скорости радиального распространения инжекций на радиальных расстояниях (спроектированных на экватор) 7-12 Re- Значения скоростей составляли около 100 км/с на 7-9 RE и 250-400 км/с на 9-12 RE.
В течение этого события проводилось наблюдение полярных сияний спутником IMAGE. Снимки показали развитие ярких образований от полярной к экваториальной границе овала сияний (возможно авроральных стримеров), которые по времени и азимуту соответствовали развитию двух инжекций энергичных частиц.
Имея возможность сопоставить подробные энергетические спектры электронов измеренные до и после ускорения, мы количественно оценили ускорение частиц с разными энергиями и питч-углами при реконфигурации силовой трубки, которая происходит при диполяризации. Учитывалось бетатронное и Ферми ускорения, которые воздействуют на частицы при сокращении силовой трубки и передвижении в область более сильного магнитного поля. Сравнивая модельные потоки с наблюдаемыми, мы ограничивали выбор моделей магнитосферных конфигураций до и после диполяризации.
В четвертой главе приведен уникальный случай наблюдения резких плазменных границ во внутренней магнитосфере (~ 8-9 Re) и проведено его исследование (Apatenkov et al. 2008). Граница, разделяющая плазмы радиационных поясов и плазменного слоя, наблюдалась в течение не менее десяти минут и пересекалась неоднократно разными спутниками, что позволило исследовать ее динамику. Наблюдения проводились четырьмя спутниками Cluster вблизи перигея и низковысотным аппаратом DMSP. Наземные наблюдения сети магнитометров IMAGE были использованы для сравнительного анализа динамики электроджета в сопряженной ионосфере.
О подобных объектах практически нет информации в литературе. Интерес вызывает малая толщина границы, которая была порядка ионного гирорадиуса в месте наблюдения, и само продолжительное суще-
ствование этого плазменного объекта. На границе наблюдался слой продольных токов, вытекающих из ионосферы. Частицы в диапазоне энергий от 0.5 кэВ до 300 кэВ ведут себя синхронно, так что подобная структура не может быть Альфвеновской границей, наиболее вероятно ее динамическое происхождение в результате столкновения двух плазм (плазменного слоя и радиационных поясов).
В этом же разделе кратко обсуждаются возможные способы формирования подобных динамических границ. В качестве потенциального кандидата предполагаются вторгающиеся во внутреннюю магнитосферу и в дальнейшем эволюционирующие плазменные струи (BBF). Обсуждается возможная связь этого явления с авроральными омега-структурами.
В заключительном разделе исследуется важное для практики явление, связанное с генерацией индуцированных токов в протяженных проводниках, к которому также оказались причастными среднемасштаб-ные токовые системы. В пятой главе статистически исследуются параметры ионосферных токовых систем на основе данных наземных магнитометров (Apatenkov et ai 2004). Внимание было уделено событиям с большими величинами временной производной магнитного поля (dB/dt) в авроральной зоне. Именно значительные вариации поля, вследствии
—* —#
закона Фарадея (rotE = —dB/dt), играют основную роль в генерации геомагнитно-индуцированных токов (ГИТ), текущих в протяженных искусственных проводниках (линиях электропередач и прочих). Исследование проводилось на основе пятилетних наблюдений Скандинавской сети магнитометров IMAGE, расположенных в авроральных широтах.
Это исследование показало значительную роль вихревых эквивалентных токовых систем в создании значительных dB/dt, причем оказалось что вклад вихревой части в сравнении со вкладом электроджета растет с ростом порога dB/dt. Это важно в свете того, что ранее в качестве ионосферных токов, вызывающих ГИТ, рассматривались лишь модели одномерного электроджета. Суточные распределения событий с интенсивными dB/dt имели два максимума, предполуночный и утренний.
В этих двух секторах наиболее существенны электроджеты и вихревые структуры соответственно, что подразумевает различные источники и процессы, создающие ГИТ в разные часы MLT.
Ряд особенностей у утренних событий с наиболее интенсивными dB/dt позволил отождествить их источник с Ps6 пульсациями, которые обычно сопровождаются среднемасштабными авроральными омега- или факельными структурами. Среди этих особенностей: появление в утренние часы MLT, квазипериодичность с характерным временем 5-10 минут, распространение в восточном направлении с фазовыми скоростями сотни м/с. Изучение снимков сияний Polar/UVI и двумерных снимков ионосферного поглощения риометра IRIS также подтвердили связь с омега-структурами.
Выявленная связь с авроральными омега-структурами позволяет нам сделать предположение о связи источников интесивных dB/dt и ГИТ в утреннем секторе авроральной зоны с явлениями, обсуждаемыми в главах 3 и 4, а именно, с плазменными струйными потоками (BBF), ин-жекциями энергичных частиц, резкими динамическими границами. Исследование, проведенное в этой главе на примере ионосферных токов и наземных проявлений показало практическую важность именно средне-масштабных магнитосферных образований и связанных с ними токовых систем.
В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
Струйные плазменные потоки (BBF). Модели плазменных пузырей. Ионосферные проявления
Недавние исследования магнитосферной активности показали, что как во время суббури так и в периоды квазистационарной конвекции перенос магнитного потока и энергии осуществляется кратковременными (Т 1 мин) импульсами (Yahnin et al., 1990). Явления необходимого временного и пространсвенного масштаба позже были обнаружены и в плазменном слое хвоста магнитосферы и получили название BBF (bursty bulk В конце восьмидесятых - начале девяностых годов в плазменном слое и в ионосфере были обнаружены экспериментально, а также описаны теоретически струйные плазменные потоки, направленные к Земле. Важность этого открытия была в том, что перенос плазмы и магнитного потока подобным импульсным образом, в узких по азимуту областях позволял разрешить так называемый кризис конвекции. Проблема кризиса конвекции возникает из предположении о выполнении уравнения pV1 = const (условия адиабатичности) в применении к движению плазменных силовых трубок из хвоста к Земле. Плазменное давление в силовой трубке р, у = 5/3, а V - объем трубки с единичным магнитным потоком через сечение, оцениваемый как Jdl/B. В работе Erickson and Wolf (1980) показано, что стационарная адиабатическая конвекция плазменных трубок невозможна для существующих моделей средних конфигураций магнитного поля и радиального распределения плазменного давления. В качестве выхода для преодоления кризиса конвекции Pontius and Wolf (1990) предложили модель "плазменных пузырей", узких плазменных трубок с пониженным давлением и/или концентрацией плазмы. Внутри такого пузыря уменьшаются токи хвоста (как токи градиентного центробежного дрейфа), и границы пузыря поляризуются, что вызывает движение данного объема плазмы к Земле. В экспериментальных наблюдениях BBF исторически идентифицировались по скорости плазмы (например VXGSM 400км/с), направленной к Земле [Angelopoulos et al. 1992, 1994).
Статистика BBF показала, что внутри плазменной струи повышено магнитное поле (BZGSM компонента), а также понижено давление плазмы за счет падения концентрации и/или температуры. Важным параметром является электрическое поле направления утро-вечер в потоке, которое может быть как измерено двойной пробой так и оценено по измерениям скорости и магнитного поля из Ё = —[vx В]. Так как и скорость (Vx) и магнитное поле (Bz) в BBF повышены, то и электрическое поле (Еу) будет значительно выше фонового в плазменном слое хвоста магнитосферы. Это электрическое поле, помноженное на поперечный размер струи, характеризует важную физическую величину - скорость переноса магнитного потока. В работе Shoedel et al. (2001) схожее с BBF явление, называемое RFT (rapid flux transfer), определили по порогу в электрическом поле утро-вечер, например Еу 2 мВ/м (что соответствует переносу поля В = 5 нТл со скоростью 400 км/с). Оценки, приведенные например в обзоре Kennel (1996), показали, что BBF могут переносить к Земле до 100 % потока, поступающего в хвост магнитосферы из солнечного ветра, и таким образом подтвердили особую важность этого явления среди маг-нитосферных процессов. Недавние исследования с использованием че-тырехспутниковой системы (Nakamura et al, 2004) позволили оценить характерные размеры BBF в плазменном слое - 2-3 RE поперек хвоста и 1.5-2 RE В направлении Z, т.е. их размеры малы по отношению к диаметру магнитосферы. Далее явления такого масштаба будем называть среднемасштабными.
Поляризация западного и восточного краев струи приводит к образованию продольных токов, которые могут замыкать часть токов хвоста через ионосферу. Втекающий в ионосферу ток расположен на восточном крае струи, вытекающий - на западном. В ионосфере отображением плазменных струй являются стримеры, вытянутые (примерно вдоль меридиана) формы сияний, распространяющиеся от полярной границы овала в экваториальную его часть Sergeev et al., 1999, 2000. Стример является отображением вытекающего из ионосферы продольного тока, то есть западной части плазменной струи в экваториальной плоскости, (Nakamura et al., 2001, Sergeev et al., 2004)- Втекающий ток находится восточнее и практически не производит свечения. Конечно, не при всех условиях видны ионосферные проявления. Например, при узком овале или очень активных сияниях сложно выделять отдельные объекты, соответствующие BBF. Также вытекающий продольный ток не всегда создает яркие сияния, т.к. величина необходимого продольного ускорения падает при увеличении концентрации и уменьшении температуры плаз
Радиальное распространение инжекции
Говоря об оценке радиального распространение инжекции, мы должны различить два случая. В случае бездисперсной инжекции, наблюдая одну и ту же инжекцию в нескольких точках, мы предполагаем, что видим передний фронт инжекции, и оцениваем его радиальное распространение, скорость и направление. В случае же с дисперсными инжекциями необходимо учитывать как радиальное распространение, так и азимутальный дрейф частиц. Событие с инжекциями 23/02/2004 требует использования обоих способов, так как в наличии имеется и инжекция с дисперсией "И" около 03:20 и бездисперсная "12" около 03:27. Напомним, что спутники находились вдали от нейтрального слоя, и для оценки экваториальных расстояний и скоростей необходимо проецирование в экваториальную магнитосферу с использованием моделей магнитосферного магнитного поля, см. рис. 3.3. Инжекция с дисперсией "II" наблюдалась на четырех спутниках Cluster в последовательности С1, СЗ, С2, С4 в течение примерно 03:20-03:23. Дрейфовые задержки времени возрастания потоков электронов в диапазоне регистрируемых энергий (30-240 кэВ) достигали двух минут. Очевидно, что область ускорения и место, где электроны начали свой дрейф, были западнее спутников. На рисунке 3.5 схематически показаны область ускорения частиц, распространяющаяся к Земле, и экваториальные проекции спутников Cluster.
Частицы начинают дрейф, покидая область ускорения с фланга (электроны с восточного), причем начинать дрейф они могут только на радиальных расстояниях, до которых уже дошел передний фронт. Таким образом, задержки в регистрировании частиц разных энергий складываются из дрейфового движения (примерно азимутального) и движения самого фронта инжекции (радиального). Учтя дрейфовое движение в определенной конфигурации магнитного поля, мы можем оценить движение переднего фронта инжекции. Приборы, регистрирующие энергичные частицы, (RAPID на Cluster и SOPA на LANL) сохраняют данные о потоках и энергиях частиц, разбивая энергии на определенные диапазоны (каналы). Каналы энергии имеют некоторую ширину, поэтому, даже в идеальном случае резкого одновременного старта дрейфа частиц разных энергий, после дрейфа мы увидим плавный рост потоков, так как моменты регистрации частиц с верхних энергий канала будут раньше, чем с низких энергий. Чтобы минимизировать вызванные этим фактом ошибки, мы используем самое начало роста потоков как момент прихода частиц и считаем, что наблюдаем именно частицы с энергией, соответствующей верхней энергии канала. Результаты трассирования для дисперсионных инжекции "И" на Cluster и "IL0" на LANL показаны на рисунке 3.6(a). Тот факт, что начало дрейфов у инжекции "IL0" наблюдалось раньше и на меньшем радиальном расстоянии, чем у "II", подтверждает предположение о разных источников этих инжекции. Как видно из рисунка, меридианы старта дрейфа у "II", определенные из наблюдений четырех разных спутников, практически совпадают, отличаясь в пределах 0.1 ч MLT для Кр от 1 до 3. Затем мы получаем скорости распространения, аппроксимируя прямыми зависимости радиального положения от времени, рисунок 3.6(6). При выбранном диапазоне моделей поля, обсужденных в разделе 3.1, значения скоростей находятся в пределах 100-150 км/с на радиальных расстояниях 7-9 RE Для бездисперсионной инжекции в 3:27 фронт отчетливо наблюдается на всех четырех спутниках Cluster. Дисперсия отсутствовала, наблюдаемые потоки возрастали в течение 12-16 секунд в диапазоне энергий 1.5-244 кэВ.
В предположении плоского фронта инжекции перепендику-лярного магнитному полю мы можем определить скорость распространения в радиальном направлении. Возможность исследования только этого направления определяется линейной конфигурацией спутников, рисунок 3.1(Ь,с). Это позволило определить локальную скорость распространения, а также скорости в проекции на экватор. Задержки в наблюдениях составляли около 37 с (рис. 3.7) для спутников, разнесенных на 1000 км, что соответствует локальной скорости 25км/с. Соответствующая экваториальная скорость составляет 250-400 км/с на радиальных расстояниях порядка 9-12 RE Набор инструментов на спутниках Cluster позволил детально исследовать поведение как плазменных параметров, так и магнитного и электрического полей на фронте инжекции. Некоторые оценки точности измерения электрического поля прибором EFW, а также сравнение вараций во всех трех компонентах, приведены на панелях (а,Ь,с) рисунка 3.7. Прибор EFW измеряет электрическое поле только в плоскости вращения спутника (около XY GSE), в том числе X компонента часто имеет оффсет из-за поляризации спутника. Чтобы оценить все три компоненты электрического поля мы, предполагая вмороженность, вычисляем Е = — [V х В], результаты показаны синей линией на рисунке 3.7 (а-с). Как видно, Ех и Еу компоненты с прибора EFW с хорошей точностью повторяют величины, посчитанные независимым способом из соотношения вмороженности. Отметим также малость вариаций в Ez компоненте. Таким образом мы убеждаемся, что основные вариации электрического поля были именно в Еу компоненте. Основные возмущения магнитного поля были зафиксированы в BZGSM компоненте, которая примерно соответствует радиальному направлению при переходе в локальную систему координат, связанную с магнитным полем (рис. 3.1). Магнитное поле [Bz компонента) начинает возрастать синхронно с потоками энергичных электронов, рисунок 3.4. Наибольшие возмущения в электрическом поле наблюдались в Еу компоненте. Поведение Еу компоненты напоминает биполярное, Еу сначала убывает (одновременно с ростом Bz), а потом возрастает, но меняется достаточно хаотично, рисунок 3.7. Также мы отмечаем синхронность возрастания потоков электронов в диапазоне энергий от 1 до 300 кэВ. На рисунке 3.7 показано поведение Bz вместе с Еу в последовательности прохождения инжекции через все четыре спутника. Как можно заметить, форма импульса в Bz компоненте сохраняется, однако амплитуда падает по мере прохождения. Подобное можно сказать и о Еу компоненте, у которой амплитуда биполярного импульса на фронте уменьшается. За фронтом же присутствуют хаотические вариации электрического поля. Основываясь на наблюдении уменьшения амплитуды импульса, мы делаем предположение о поздней стадии эволюции инжекции и затухании ее движения.
Наблюдения магнитного и электрического полей, ориентация и движение границы
При пересечении границ Cluster находился в сильном магнитном поле величиной около 400 нТл, а наблюдаемые вариации были только порядка нескольких десятков нанотесла. Чтобы облегчить исследование магнитных вариаций, мы вычитаем вклад внутреннего земного поля (IGRF), АВ = Bciuster — BiGRF, и переходим в систему координат, привязанную к основному магнитному полю. Первое направление е\ мы выбираем вдоль ei х R , где R ради локального направления поля IGRF, ё 2 = [ё\ х R]/ ус вектор из центра Земли к спутнику, орт ез дополняет правую тройку единичных векторов. Таким образом &2 примерно соответствует западному азимутальному направлению, а ез - радиальному направлению от Земли, как показано на рисунке 4.1. Плазменная граница, наиболее вероятно, содержит силовую линию магнитного поля и токовый слой, так что из исследования компонент AJE?2 И Д1?З можно узнать о геометрии и ориентации границы. Вариации магнитного поля в указанной локальной системе координат представлены на рисунке 4.2(d,e,f). В компоненте поля В\ практически отсутствуют вариации, в сравнении с В2 и В%, из этого мы за ключаем, что магнитные вариации поперечные и вызваны продольными токами. Также мы отмечаем, что вариации в азимутальной компоненте B i сравнимы с радиальными, 2?з, так что в случае одномерного слоя продольных токов он должен иметь значительный наклон к плоскости Для проверки одномерности структуры продольных токов и определения (в этом случае) ориентации мы строим годограф, зависимости 1 от В$ компоненты поля для каждого спутника. Промежутки времени, для которых строился годограф, показаны на рисунке 4.2(e,f) горизонтальными полосками с цветами, соответствующими четырем спутников. Выбраны интервалы около границ 03:19 и 03:24 с наибольшими вариациями магнитного поля. Годографы, представленные на рисунке 4.4(d,e), показывают практически линейную поляризацию и схожий угол наклона для обеих границ, что говорит об одномерности слоя продольных токов на каждой из границ. Оба слоя продольных токов имеют нормаль, указывающую между восточным направлением и направлением к Земле. Электрическое поле измеряется прибором EFW в плоскости вращения спутников, близкой к XY GSE. Третью компоненту поля мы получаем, предполагая отсутствие продольного электрического поля (расстояние Cluster до ионосферы вдоль силовой линии более 30000 км), то — — есть (Е В) = 0.
Для избежания больших ошибок вследствие близости магнитного поля к плоскости вращения спутника (малой Bz GSE в — знаменателе), мы используем только точки, где угол 1(B,XYCSE) 5. Все три рассчитанные таким образом компоненты электрического поля, в локальных координатах, представлены на рисунке 4.4(а-с). Как видно, наибольшие вариации наблюдаются около границ и достигают 100 мВ/м. Для тех же временных интервалов, что и для магнитного поля, мы строим годографы Е от Е$. На рисунке 4.4(d-e) видно, что между компонентами присутстсвует линейная связь, а годограф поляризован почти перпендикулярно годографу магнитного поля. Вектора электрического поля направлены к границе, что соответствует отрицательно заряженно му слою. Подобное соответствие между годографами магнитных и электрических вариаций вместе с линейной поляризацией годографов, подтверждают предположение о примерно одномерной геометрии границы (плоский фронт). Зная ориентацию границы, мы можем оценить скорости ее распространения. В качестве отсчетов используем начала падений потоков электронов, которые были в 02:18:30 на спутнике С4, в 02:18:40 на С2 и в 02:19:00 на СЗ. Из этого получаем, что первая граница преодолела 250-400 км за 30 секунд, что соответствует скорости 8-13 км/с в плоскости е\Є2 при учете собственного движения спутников со скоростью около 5 км/с. До наблюдения второй серии пересечения границы, в течение 02:19:20-02:21:10, спутник С1 также наблюдает некоторые вариации потока энергичных электронов, рисунок 4.2Ь. Мы предполагаем, что граница несколько раз касалась спутника С1 или же двигалась рядом с ним, таким образом имела скорость порядка 4-6 км/с. Второе пересечение около 02:24:00 наблюдалось почти одновременно на спутниках С2,СЗ и С4. Мы предполагаем, что к этому времени граница сильно замедлила свое движение или остановилась, а спутники пролетели через границу.
Предполагая одномерность слоя и зная скорость его движения мимо спутников, мы можем оценить плотность тока как j = - Ь, где В скачок тангенциального магнитного поля при пересечении, a Ad - толщина границы (Ad = vAt). Измеряя В в нТл, a d в 1000 км, имеем 0.796 AB/Ad для тока в нА/м2. При первом пересечении границы амплитуда магнитных вариаций 20-30 нТл, при продолжительности 50-200 секунд, соответствующей толщине слоя 250-700 км, дает плотность тока примерно 20-90 нА/м2. Разница между магнитными полями, наблюденными с противоположных сторон от границ, для обоих пересечений соответствует току вытекающему из ионосферы. Такая полярность соответствует направлению Е± к границе в случае стационарного замыкания этого продольного тока через ионосферу (из соображений непрерывности тока). В итоге мы наблюдаем на Cluster два последовательных пересечения границ. Обе границы имеют одинаковые свойства, включая одинаковую ориентацию отрицательно заряженной границы с вытекающим продольным током. Мы предполагаем, что одна и та же граница была пересечена дважды, вследствие уменьшения своей скорости распространения, сравнимой со скоростью спутников. Это предположение будет проверено ниже.
Методика количественной характеризации ионосферных эквивалентных токов наблюдаемых сетью магнитометров IMAGE
В нашем рассмотрении мы выбираем по возможности простую модель. Мы используем сумму двух основных элементарных токовых систем -суммируя одномерный ток (авроральный электроджет) и вихрь тока. Исходная модель электроджета - это прямолинейный ток, направленный перпендикулярно геомагнитному меридиану. Магнитное возмущение на земной поверхности, созданное этим током, записанное в географических компонентах, выглядит: 7 - угол между географическим и геомагнитным меридианами (в нашем случае 14 градусов). - позиция электроджета на центральном гео магнитном меридиане (см. рис. 5.1), отнесенная к точке (67.5 с.ш., 25 в.д.) - центру сети IMAGE. - положения точки наблюдения (xs,ys), спро ектированная на центральный геомагнитный меридиан, х = xscos7 — yssm y. Я - высота ионосферы, которую мы рассматриваем, как беско нечно тонкий слой на высоте 110 км от земной поверхности, /о - ампли туда тока. Чтобы уменьшить количество свободных параметров в нашей модели, мы фиксируем ширину электроджета и полагаем ее равной 100 км. Формально, этот ток составлен из десяти линейных токов равной амплитуды разделенных шагом в 10 км. 8 качестве вихревой части мы выбираем одну из двух сферических элементарных токовых систем, а именно бездивергентную, предложен ных в работе Атт and Viljanen, 1999, рис. 5.2. Безвихревая система, напрямую связанная с продольным током, не производит магнитных воз мущений на поверхности (Fukushima, 1976) и, таким образом, нас не ин тересует. Магнитные возмущения, вызванные бездивергентной системой, записанные в сферических координатах, выглядят следующим образом: Ri - радиус ионосферы, ДГ=ДЕ+110КМ, Г И ЇЇ координаты наблюдателя в системе отсчета с $ =0 в полюсе данной элементарной токовой системы (см. рис.3). 10 - масштабный множитель. Вклад токов, индуцированных в Земле, учитывается с использованием простого метода отображений (simple image method). Основываясь на исследованиях проводимости земной коры в Скандинавии [Viljanen, 1995; Tanskanen et al., 2001), мы располагаем сверхпроводящий слой на глубине 100 км для вариаций магнитного поля с периодами 1 мин. Все вычисления для вихревой части проводятся в сферической системе координат, что учитывает кривизну земной поверхности. Вычисления для электроджета ведутся в прямоугольных координатах, и длина тока считается бесконечной, что ведет к некоторым неточностям.
Однако, ошибки в вычисленных значениях магнитного поля вызванные рас хождениям направлений декартовых и географических осей, а также разницей между прямым током и током, текущим вдоль геомагнитной параллели, не превышают 10% даже на краях сети. Наша модель представляет собой объединение описанных выше элек-троджета и вихря тока. Положения этих токовых систем задаются на выбранной сетке. Границы двухмерной сетки для положений вихря - 10 - 40 в.д. и 60 - 75 с.ш. Шаг по долготе для возможных положений вихря 0.5 (18-27 км), шаг по широте 0.2 (22 км). Шаг по широте для модели электроджета 50 км, сетка покрывает 2000 км (41 возможное положение) вдоль центрального геомагнитного меридиана (рис. 5.1). Выбор сеток, а именно их шагов и границ, производился опытным путем с учетом покрытия сети, плотности расположения станций и скорости компьютерных вычислений. Для каждого из возможных расположений описанных выше элементарных токов ХАЕ J и ху, yv можно вычислить амплитуды IAEJ И 1у методом наименьших квадратов. Невязка строится стандартно: Интенсивности токов, IAEJ И IV, МЫ получаем как решения уравнений минимизации невязки да/дІАЕЗ = 0 и да/діу = 0 для IAEJ И 1у. Индексы п и І в (6) соответствуют номеру станции и номеру компоненты магнитного поля. N - общее количество доступных на данный момент измерений станций. B f1, Вп1Е т и dBffi - модельные и наблюдаемые значения магнитного поля. 6ВоЬз и / выражаются в нТ и Амперах, соответственно. Модельные поля Вт - в нТ/А, как вычисленные для фиксированного тока в 1 Ампер. Получив оценки невязки для данных позиций электроджета и вихря, мы находим положение токовых систем, которое дает минимальную невязку. Эти положения систем и их интенсивности и являются выходными параметрами нашей модели для каждого временного шага. Также вычисляются некоторые дополнительные параметры. Можно описать частичные вклады электроджета и вихря тока следующим образом:
