Введение к работе
Актуальность темы. Взаимодействие геомагнитного поля Земли с солнечным ветром является одной из фундаментальных научных проблем физики магнитосферы. Характер этого взаимодействия в значительной степени определяет механизм поступления энергии-импульса солнечного ветра в магнитосферу. Энергия солнечного ветра поступает в систему магнитосфера-ионосфера через границу магнитосферы - магнитопаузу. Изменение условий в солнечном ветре и межпланетном магнитном поле ведет к изменениям как внешних параметров магнитосферы (размер.форма), так и ее внутренней структуры и топологии геомагнитного поля. Наиболее геоэффективные параметры солнечного ветра, динамическое давление и северо-южный компонент межпланетного магнитного поля, контролируют основные геомагнитные процессы, протекающие за время порядка суток и менее. Физические процессы на магнитопаузе существенны для конвекции плазмы, динамики радиационных поясов, магнитных бурь и других магнитосферных явлений. Одновременно солнечный ветер свободно проникает в области каспа и через них в ионосферу, а также в плазменный слой, который играет важную роль в развитии кольцевого тока и авроральных возмущений, в ускорении заряженных частиц. Изучение влияния параметров нестационарного налетающего солнечного ветра на динамику границы магнитосферы (магнитопаузы) и границ областей внешней магнитосферы (каспа, полярной шапки, плазменного слоя) имеет фундаментальное значение, так как позволяет установить количественную связь между изменениями в структуре внешней магнитосферы и условиями в солнечном ветре. А это, в свою очередь, необходимо для построения более реалистичных моделей магнитосферного магнитного поля и для решения целого ряда задач по динамике энергичных частиц во внешней магнитосфере.
Целью работы является изучение влияния динамического давления солнечного ветра и межпланетного магнитного поля на положение и форму границы магнитосферы и связанных с ней движений границ каспа и количественное описание динамики внешней магнитосферы. Эмпирическая модель создается на основе большого объема информации, собранной за 30-летний период с высокоапогей-ных и низколетящих спутников. Особое внимание уделяется изучению влияния северо-южной компоненты межпланетного магнитного поля (Bz ММП) на изменение структуры внешней магнитосферы.
Научная новизна. Исследовано положение и форма магнитопаузы для спокойных и возмущенных условий в солнечном ветре. Проведенный анализ уравнения баланса давлений солнечного ветра и геомагнитного поля показал, что свободные параметры уравнения, определяющие величину магнитного поля вблизи магнитопаузы и эффективность передачи импульса солнечного ветра магнитосфере, зависят от условий в солнечном ветре. Показано, что существует два режима формирования магнитопаузы при Bz>0 нТл и В/<-6 нТл. Для этих двух режимов положение магнитопаузы отличается на 25%.
При положительном Bz ММП отношение свободных параметров в уравнении баланса с увеличением давления солнечного ветра от 1 до 20 нПа меняется от -1.7 до ~1, при отрицательном Bz ММП независимо от величины давления это отношение становится существенно меньше 1 (меньше 0.25 при Bz<-6 нТл ).
В экстремально возмущенных условиях в солнечном ветре (давлениях >18 нПа и/или Bz <-6 нТл) форма дневной гжваториальной магнитопаузы асимметрична относительно полуденного меридиана: магнитопауза наблюдается ближе к Земле в предполудонном секторе, чем в послеполуденном. Предложена эмпирическая модель магнитопаузы как функции давления солнечного ветра и межпланетного
магнитного поля на основе уравнения баланса давлений с соответствующими свободными параметрами.
Исследована динамика границы области низковысотного каспа/клефта в зависимости от условий в солнечном ветре, показано, что положение каспа/клефта контролируется, главным образом, отрицательным Bz ММП. Найдена оптимальная функция связи положения каспа с параметрами солнечного ветра и межпланетным магнитным полем. Показано, что при Bz<0 на динамику каспа также влияет Dst-вариация, которая характеризуется величиной магнитного поля внешних источников на поверхности Земли. Получено эмпирическое соотношение между мощностью геомагнитной бури и смещением каспа на низкие широты, которому соответствует приближение магнитопаузы к Земле. Сравнительный анализ между изменением положения магнитопаузы и каспа/клефта показал, что при обжатии магнитосферы или воздействии южного Bz имеет место диполизация формы магнитных силовых линий, выходящих из области каспа и приходящих на дневную магнитопаузу.
Изучение границы проникновения электронов СКЛ в высокоширотную магнитосферу позволило обнаружить азимутальную асимметрию границы плазменного слоя в хвосте магнитосферы, которая существует только в спокойных условиях (Bz>-2): в предполуночном секторе (21-24 MLT) наблюдается нооднородность силовых линий (существенно недипольных и сильно вытянутых в хвост).
На защиту выносится:
1. Эмпирическая модель дневной магнитопаузы.
2. Параметры, определяющие величину магнитнот поля вблизи
магнитопаузы и величину импульса, переданного солпомным ветром
магнитосфере, зависят от условий в солнечном ветре.
-
Положение низковысотного полярного каспа определяется тремя независимыми способами: как из положения дневной магнитопаузы, так и из условий в солнечном ветре или оценивается из мощности геомагнитной бури.
-
Изменение области резкого градиента магнитного поля на границе плазменного слоя в хвосте магнитосферы и развитие Dst-вариации во время магнитных бурь связаны с ориентацией Bz компоненты межпланетного магнитного поля и происходят одновременно с движением границы низковысотного каспа . и магнитопаузы.
Практическая значимость.
Представленная в диссертации эмпирическая модель магнитопаузы и внешних областей магнитосферы может быть использована для построения реалистичных моделей магнитосферного поля, в теоретических исследованиях механизмов пзаимодействия межпланетного магнитного поля с геомагнитным полем, а также в анализе экспериментальных данных, в которых изучаотся динамика заряженных энергичных частиц.
Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались на научных семинарах по космофизике НИИЯФ МГУ, конференциях молодых ученых НИИЯФ МГУ (1987, 1989 г.) на Всесоюзной конференции молодых ученых (Звенигород, 1989 г.), на ежегодных научных семинарах "Физика авроральных явлений" (Апатиты, 1989, 1990. 1995 г.), на Международном симпозиуме STEP/COSPAR (Лоурел,1992), на Международном рабочем совещании "Околоземное радиационное окружение: эмпирические и физические модели" (Дубна. 1993 г.), на Международной конференции аспирантов: WDS'94 (Праїа. 1994 г.), на
Генеральных Ассамблеях EGS и IUGG (Гамбург; Боулдор,1995 г.), на Международном симпозиуме "Спутниковые исследования ионосферных и магнитосферных процессов" (Троицк,19Э5 г.), на Чепменовской конференции по магнитным бурям и суббурям (Лос-Анжелес, 1996 г.), на Международном симпозиуме COSPAR (Бирмингем, 1996 г.), на 1-й Альфвеновской конференции "Низковысотные исследования процессов в дневной магнитосфере" (Кируна, 1996 г.) .
Публикации. Основные результаты диссертации содержатся в 7 печатных работах и в одном препринте НИИЯФ МГУ.
Структура и объем диссертации
