Введение к работе
Актуальность темы. Выяснение природы крупномасштабного электрического поля утро-вечер является одной из нерешенных до конца проблем физики магнитосферы Земли. С этой проблемой тесно связана проблема генерации продольных токов зон 1 и 2. До настоящего времени во многих работах возникновение крупномасштабного магнитосферного электрического поля связывается либо с процессом пересоединения межпланетного и магнитосферного магнитных полей (действие МГД-генератора в магнитосферных погранслоях), либо с действием процессов квазивязкого взаимодействия на границе магнитосферы. При этом предполагается, что продольные токи зоны 1 проецируются на погранобласть магнитосферы или на погранобласть плазменного слоя.
Анализ большого количества имеющихся экспериментальных данных привел к выводу о проецировании аврорального овала, а, следовательно, и токов системы 1, на внутренние области плазменного слоя. Данная точка зрения получила за последнее время многочисленные подтверждения, включая результаты наблюдений на спутнике Викинг. В связи с этим, максимальный перепад потенциала между утренней и вечерней сторонами магнитосферы имеет место не на границе полярной шапки, а глубоко внутри плазменного слоя. Можно предположить, что поле утро-вечер может иметь, в основном, внутримагнитосферный источник. Этим источником могут быть азимутальные градиенты давления плазмы в магнитосфере, что предполагалось в работах Б.А. Тверского еще в 1969 году.
Хорошо известна роль азимутальных градиентов давления в генерации продольных токов зоны 2 (теория альвеновской экранировки внутренней магнитосферы). Данные механизм может быть применен и для объяснения появления токоз Зоны 1 и формирования поля утро-вечер.
В высокоширотных областях магнитосферы применение системы координат Мак-Илвайна во многих случаях оказывается неэффективным. Для анализа всего комплекса данных высокоширотных наблюдений представляется возможным использовать в качестве изоповерхностеи (изолиний в проекции на ионосферные высоты) системы координат изоповерхности (изолинии) объемов магнитных силовых трубок W = const.
В литературе не имеется данных об азимутальных градиентах давления, так как их получение требует одновременных измерений на большом числе спутников, что не осуществлено до настоящего времени. Были получены лишь радиальные профили давления на 2 < L < 9 Re в ходе экспериментов на спутнике AMFTE/CCE. Информация об азимутальных градиентах давления плазмы может быть получена при использовании данных о распределении продольных токов на ионосферных высотах в предположении об их магнитостатическом равновесии и полуэмпирических моделей магнитного поля. Для оценок азимутальных градиентах давления плазмы могут быть использованы величины градиентов объемов магнитных силовых трубок, для нахождения которых может быть использована вводимая система координат основанная на изоповерхностях равного объема магнитных силовых трубок.
Существование азимутальных градиентов давления плазмы, которые могут иметь значение при генерации продольных токов зоны 1, возможно за счет реальной конфигурации магнитосферного магнитного поля в области перехода от дипольных силовых линий к вытянутым в хвост. Подтверждение этому может быть найдено при изучении топологических особенностей конфигурации магнитосферной ловушки на основе моделей магнитосферного магнитного поля Цыганенко. Несовпадение изолиний равного объема магнитных силовых трубок и токовых линий, как это будет показано ниже, может обеспечивать генерацию магнитостатически равновесных продольных токов.
В рамках механизма азимутальных градиентов давления плазмы могут найти качественное объяснение эффект влияния ММП на геомагнитную активность и некоторые черты суббури (возрастание продольных токов зоны 1 и электрического поля утро-вечер во время предварительной фазы и формирование суббуревой токовой петли и авроральной выпуклости во время взрывной фазы).
В связи с вышеизложенным, проведение анализа возможности генерации продольных токов зоны 1 и электрического поля утро-вечер за счет азимутальных градиентов давления плазмы является важной и актуальной задачей.
з Целью работы является:
1). построение новой системы координат для описания магнитостатически
равновесных процессов в высокоширотной магнитосфере Земли,
основанной на изоповерхностях равного объема магнитных силовых трубок,
вычисляемых при использовании полуэмпирических моделей
магнитосферного поля Цыганенко;
2). расчет величин азимутальных градиентов давления плазмы при
использовании картины распределения продольных токов на ионосферных
высотах, полученной на спутнике TRIAD, и градиентов объемов магнитных
силовых трубок, вычисляемых на основе моделей магнитосферного поля
Цыганенко;
3). выяснение существования и определение величины перепада давления
день-ночь вдоль изоповерхности равного удельного объема магнитных
силовых трубок, необходимого для генерации продольных токов зоны 1,
при использовании экспериментальных данных спутников АМРТЕ/ССЕ,
AMPTE/IRM о распределении давления плазмы в магнитосфере;
4). проведение геометрического анализа конфигурации магнитного поля
магнитосферной ловушки на основе моделей геомагнитного поля
Цыганенко с целью выяснения роли максимально несимметричной части
ловушки при генерации продольных токов зоны 1;
5). проведение анализа влияния ММП на генерацию продольных токов зоны
1 и электрического поля утро-вечер при помощи модели магнитосферного
поля Цыганенко, дающей конфигурацию магнитного поля для разных
значений Bz ММП и давления солнечного ветра;
6). выявление изменений продольных токов зоны 1 и электрического ПОЛЯ
утро-вечер во время предварительной и взрывной фаз суббури;
7). объяснение основных черт суббури при помощи механизма
азимутальных градиентов давления плазмы.
Научная новизна. Предложена новая система координат для описания высокоширотных процессов в магнитосфере Земли, т.е. в тех областях, где неприменима общепринятая система координат Мак-Илвайна (L, В). Изоповерхностями предложенной системы координат являются изоповерхности удельного объема магнитных силовых трубок и угловой координаты, сходной с MLT. Величина удельного объема магнитных
силовых трубок легко вычисляется на основе существующих моделей магнитосферного магнитного поля.
На основе картины распределения продольных токов на ионосферных высотах, полученной на спутнике TRIAD, и градиентов объемов магнитных силовых трубок, вычисляемых с использованием карт изоповерхностей удельного объема магнитных силовых в предложенной системе координат рассчитаны азимутальные градиенты давления плазмы. Проведен расчет перепада давления день-ночь вдоль изоповерхностей равного удельного объема магнитных силовых трубок, необходимого для генерации продольных токов зоны 1, и сравнение с экспериментально наблюдаемым на спутниках АМРТЕ/ССЕ, AMPTE/IRM распределением плазмы в магнитосфере.
С помощью моделей магнитосферного магнитного поля Цыганенко проведен геометрический анализ конфигурации магнитного поля магнитосферной ловушки с целью выяснения роли максимально несимметричной части ловушки при генерации продольных токов зоны 1. Для этого исследовался характер пересечения изолиний объемов магнитных силовых трубок и линий перпендикулярного тока в экваториальной плоскости, что давало возможность качественно определить генерируются ли в этой части магнитосферы продольные токи и какого знака.
Построены картины изолиний объемов магнитных силовых трубок и линий перпендикулярного тока в экваториальной плоскости при помощи модели магнитосферного поля Цыганенко, дающей конфигурацию магнитного поля для разных значений Bz ММП и давления солнечного ветра для анализа влияния ММП на генерацию продольных токов зоны 1 и электрического поля утро-вечер.
Проведено моделирование изменений магнитного поля во время предварительной фазы суббури, когда происходит нарастание хвостового тока в ближайшей к Земле области и силовые линии поля вытягиваются в хвост, посредством модификации модели магнитного поля Цыганенко T87W и построение изолиний объемов магнитных силовых трубок в экваториальной плоскости на основе полученной модели. При этом, возрастание продольных токов зоны 1 и электрического поля утро-вечер во
время предварительной фазы получает качественное объяснение без привлечения концепции проникновения электрического поля утро-вечер в магнитосферу.
Получены картины изолиний объемов магнитных силовых трубок в экваториальной плоскости с учетом диполизации силовых линий во время, взрывной фазы суббури. Анализ этих картин дал возможность качественно объяснить формирование суббуревой токовой петли и аврорапьной выпуклости с использованием механизма азимутальных градиентов давления плазмы. В диссертации защищаются:
-
Новая система координат для описания высокоширотных процессов в магнитосфере Земли, изоповерхностями которой являются изоповерхности объема магнитных силовых трубок и угловой координаты, сходной с MLT.
-
Вывод о том, что генерация магнитостатически равновесных продольных токов зоны 1 возможна за счет существования азимутальных градиентов давления плазмы во внутренних областях магнитосферы Земли, и наряду с существующими механизмами действия МГД генератора в погранслоях и квазивязкого взаимодействия на границе магнитосферы, механизм азимутальных градиентов давления плазмы обеспечивает поддержание крупномасштабного электрического поля утро-вечер при замыкании продольных токов зоны 1 в ионосферной динамо-области.
3. Вывод о том, что существование азимутальных градиентов давления
плазмы непосредственно связано с геометрией магнитосферного
магнитного поля в области перехода от дипольных силовых линий к
вытянутым в хвост.
-
Вывод о том, что в рамках механизма азимутальных градиентов давления плазмы может найти качественное объяснение эффект влияния ММП на величины продольных токов зоны 1 и электрического поля утро-вечер.
-
Качественное объяснение некоторых чорт суббури на основе действия механизма азимутальных градиентов давления плазмы: возрастание продольных токов зоны 1 и электрического поля утро-вечер во время предварительной фазы и формирование суббуревой токовой петли и авроральной выпуклости во время взрывной фазы.1.
Практическая значимость. Карты изолиний объемов магнитных силовых трубок системы координат для описания процессов в высоких широтах наряду с разработанным механизмом генерации продольных токов зоны 1 и электрического поля утро-вечер за счет азимутальных градиентов давления плазмы могут быть использованы при проведении анализа магнитосферной конвекции, продольных токов, ОНЧ-КНЧ излучения и аврорального километрового радиоизлучения и для предсказаний геомагнитных возмущений.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались автором и обсуждались на семинарах ОТПКФ (1994, 1995, 1996, 1997) и ОИВМ (1995, 1996, 1997) НИИЯФ МГУ, Центра Космической физики Бостонского Университета (Бостон, США, 1996), Центра Космической Науки Восток-Запад Университета Мэрилэнда (Колледж Парк, Мэрилэнд, США, 1996), Прикладной Физической Лаборатории Университета Джона Хопкинса (Лаурел, Мэрилэнд, США, 1996), на международном семинаре "Радиация в околоземном космическом пространстве" (Дубна, Россия, 1993), на совещании, посвященном памяти В.П.Шабанского "Математические модели ближнего космоса" (Москва, Россия, 1993), на 28-ом семинаре "Физика авроральных явлений" (Апатиты, Россия, 1995), на 20-ой Ассамблее Европейского Геофизического Сообщества (Гамбург, Германия, 1995), на международном симпозиуме "Спутниковые исследования ионосферных и магнитосферных процессов" (Москва, ИЗМИРАН, 1995), на весенней встрече Американского Геофизического Союза (Балтимор, США, 1996).
Публикации. Основные результаты диссертации содержатся в 9 печатных работах и в одном препринте НИИЯФ МГУ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Диссертация содержит 153 страницы, 27 рисунков и 3 таблицы. Список цитируемой литературы включает 226 наименований.
