Дрейфовые движения горячей плазмы во внутренней магнитосфере

Актуальность темы

.

Исследования процессов генерации, переноса и диссипации плазмы в магнитосфере Земли прямыми методами со спутников и ракет привели к отождествлению характерных областей в магнитосфере (плазмосфсра, плазменный слой, мантия, каспы, кольцевой ток, авроралъная зона и др.). Физические процессы, происходящие в этих областях магнитосферы привлекают внимание как экспериментаторов, так и теоретиков в течение последних тридцати лет. В связи с этим создание адекватных моделей и сравнение их с экспериментальными результатами достаточно актуально до сих пор, так как позволяет понять природу и динамику источников плазмы в магнитосфере. Такие модели необходимы для описания характерных особенностей явлений, таких, например, как суббури, высыпания частиц в ав-роральной зоне, диспергированные структуры инжекций горячей плазмы, «провалы» потока частиц в определенных диапазонах спектров и «носовые структуры» ионов в определенных секторах магнитосферы.

Наблюдения спектров ионов и электронов во внутренней магнитосфере содержат в себе информацию об электрических и магнитных полях, в которых дрейфовали частицы, об источниках горячей плазмы и их локализации. Но если магнитное поле во внутренней магнитосфере достаточно хорошо изучено, то экспериментальное определение и соответствующее модельное описание крупномасштабных электрических полей во внутренней магнитосфере Земли до настоящего времени является одной из ключевых задач физики магнитосферы.

В основных чертах явление крупномасштабной конвекции было описано, начиная с работ Данжи, 1961 г., Аксфорда и Хайнса, 1961 г. [1], [2].

Одной из проблем, возникающих при измерениях стационарных электрических полей, является наличие значительных флуктуаций, накладывающихся на постоянную составляющую поля. Другая проблема — это то, что по данным, полученным с одного космического аппарата, достаточно сложно восстановить картину электрического поля во всей внутренней магнитосфере. Поэтому до сих пор ведутся споры о конкретных механизмах генерации поля конвекции, передачи его во внутреннюю магнитосферу и даже о самом существовании стационарного электрического поля во внутренней магнитосфере.

Хотя в настоящее время разработано множество моделей конвекции, многие из них построены на принципиально различных подходах и не всегда согласовываются друг с другом. Поэтому задача определения критериев, позволяющих установить, насколько та или иная модель конвекции внутренней магнитосферы описывает усредненные дрейфовые движения частиц за многие часы, предшествующие наблюдениям, является весьма важной.

Анализ прямых измерений так называемых «ионных спектральных провалов» (ИСП) — резких (по энергии) падений потоков ионов Н+ до уровня порога регистрации прибора в узком диапазоне энергий (несколько килоэлектронвольт в диапазоне 0,1−20 кэВ в зависимости от MLT и инвариантной широты) — позволяет решить эту задачу. Дело в том, что, как было впервые отмечено Мак-Илвайном, 1972, [3] ионы Н+ определенных энергий имеют большое время дрейфа (десятки часов) от источника в ночной части магнитосферы до точки наблюдения. Это время дрейфа превосходит время жизни ионов Н+, определяемое перезарядкой с атомами геокороны, а также высыпаниями протонов при их движении в области диффузной авроральной зоны. Помимо эффекта потерь во время дрейфа на спектрах протонов во внутренней магнитосфере отражается существование «запретных зон траекторий» (Эджири, 1978 [4]- Шираи и др., 1997 [5]). Оба фактора, влияющие на образование ИСП, обсуждались в литературе, но по отдельности. Воспроизведение ИСП с помощью дрейфовых траекторий ионов Н+ будет «чувствительно» к электрическим и магнитным полям, принятым при моделировании. Полагая магнитное поле квазидипольным и меняя модели электрического поля, можно установить, насколько хороню та или иная модель конвекции описывает наблюдаемые спектры ионов Н+ во внутренней магнитосфере. Задача определения модели электрического ноля конвекции, наилучшим образом описывающей экспериментальные данные, представляется весьма актуальной.

Как было показано Эджири [4], с существованием запретных зон траекторий связано формирование так называемых «носовых структур» протонов во внутренней магнитосфере. Наблюдение носовых структур до сих пор связывалось с наличием суббуревой активности, в то время как для моделирования носовых структур использовались стационарные электрические и магнитные поля. В то же время изучение носовых структур в спокойное время не проводилось. Задача исследования, являются ли носовые структуры свойством только суббуревых процессов или это явление наблюдается также и в спокойной магнитосфере, представляется интересной, так как позволяет лучше понять природу процессов, происходящих во внутренней магнитосфере как во время возмущенных периодов, так и в спокойное время.

Картина конвекции во внутренней магнитосфере во время магнитосфер-ных суббурь имеет гораздо более сложную структуру, чем следует из моделей конвекции для спокойных периодов. Это, в частности, подтверждают наблюдения так называемого поляризационного джета (Р J) — узкой усиленной струи конвекции плазмы в вечернем секторе магнитосферы. Однако, хотя после открытия PJ прошло около 30 лет (Гальперин, 1973 |6|, [7|) до сих пор остаются дискуссионными механизмы его формирования. Так, например, наиболее часто цитируемый в литературе механизм формирования PJ — это разделение зарядов в инжекции частиц из плазменного слоя во внутреннюю магнитосферу (Саусвуд и Вульф, 1978 [8]). Однако, как было показано в работе Халипова и др., 2001, [9] между вспышкой суббури и началом наблюдений PJ в предполуночном секторе на L=3 проходит время 5−10 мин. Это время, по современным представлением, гораздо меньше времени, необходимого для того, чтобы частицы из плазменного слоя проникли на L=3.

Таким образом, в настоящее время не существует численной модели, адскватно (в согласии с экспериментальными данными) описывающей процесс формирования PJ, поэтому работа в направлении развития таких моделей имеет большое значение для понимания физических процессов, происходящих во внутренней магнитосфере во время суббурь.

В целом, создание и тестирование моделей конвекции, изучение и численное моделирование особенностей спектров горячей плазмы во внутренней магнитосфере, а также сравнение модельных и экспериментальных результатов представляет большой интерес для физики магнитосферы, и это определяет актуальность выбранной темы.

Цель работы.

Основная цель настоящей работы состоит в следующем:

• Анализ различных типов и классификация ИСП и протонных носовых структур по экспериментальным данным спутника ИНТЕРБОЛ-2 и сравнение наблюдаемых ИСП и носовых структур с результатами моделирования дрейфовых движений ионов в магнитосфере.

• Выбор на основе анализа наблюдений ИСП наиболее подходящей модели электрического крупномасштабного поля конвекции и модели источника частиц, позволяющих описать динамику сверхтепловой плазмы во внутренней магнитосфере в широком диапазоне инвариантных широт (До) и местного магнитного времени (MLT) для спокойных и средневозмущенных состояний магнитосферы.

• Разработка нового механизма генерации Р J и простой количественной модели, использующей в качестве источника зарядов в полосе PJ частицы внешнего радиационного пояса.

Научная новизна.

1. На основе анализа экспериментальных данных и сравнения с модельными расчетами впервые разработана классификация типов ИСП и носовых структур. Результаты проведенных сопоставлений позволяют устранить ряд противоречий r механизмах формирования спектров сверхтепловых ионов в магнитосфере.

2. Моделирование дрейфовых движений ионов в магнитосфере и сравнение с экспериментальными данными позволили отождествить механизмы образования ИСП в различных секторах магнитосферы. Показано, что на модельные ИСП большое влияние оказывают примятые при вычислениях модели электрического поля конвекции и положения источника частиц.

3. Рассмотрение нового механизма генерации электрического поля во внутренней магнитосфере в полосе PJ частицами внешнего радиационного пояса позволило разработать простую количественную модель поддержания электрического поля в полосе PJ.

Практическая ценность работы.

Результаты, полученные в данной работе, могут быть использованы для отождествления физических процессов, происходящих в магнитосфере, в том числе процессов формирования кольцевого тока — основного фактора, определяющего магнитные и ионосферные вариации на средних широтах. Проведенные модельные расчеты и их сопоставление с уникальными экспериментальными данными спутников ИНТЕРБОЛ-2, POLAR, DMSP представляют интерес для практических приложений, в частности, для выработки критериев по прогнозу «космической погоды», для изучения заряда космических аппаратов потоками сверхтепловых частиц, для построения адекватных моделей внутренней магнитосферы.

Апробация работы.

Основные результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались на семинарах в ИКИ РАН в 1999;2002 гг., на семинаре Финского метеорологического института (Хельсинки, 2000), на XXIV, XXV, XXVI Генеральных Ассамблеях Европейского геофизического сообщества (Гаага, Нидерланды, 1999; Ницца, Франция, 2000; Ницца, Франция, 2001), на международных симпозиумах по проекту ИНТЕРБОЛ (Звенигород, Россия, 1999; Киев, Украина, 2000; София, Болгария, 2002), на 5-й Международной конференции по суббурям (С.-Петербург, Россия, 2000), на Международном симпозиуме памяти Ю. И. Гальперина (Москва, Россия, 2003).

Основные результаты диссертации опубликованы в семи научных работах в 1999;2003 г. г.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем диссертации — 139 страниц, включая 39 рисунков, 2 таблицы и список использованной литературы из 107 названий.

3.4 Выводы к Главе 3.

1. Оценены следующие источники частиц, которые могут обеспечить ток в полосе PJ: квазистационарный приток частиц во внутреннюю магнитосферуединичная вспышечная инжекциячастицы внешнего радиационного пояса на L-оболочках 3−4.

Получено, что в качестве источника частиц, создающих ток, все три механизма могут обеспечить поддержание электрического поля в полосе PJ.

2. Рассмотрен механизм генерации электрического поля в полосе PJ за счет частиц внешнего радиационного пояса. Построена простая количественная модель распределения относительной плотности заряда в полосе PJ. Показано, что наличие полосы PJ значительно искажает движение частиц во внешнем радиационном поясе, причем полученное разделение заряда в полосе PJ формирует электрическое поле, которое может поддерживать исходное поле PJ.

В существующих моделях в качестве источника энергии для поддержания сильного электрического поля в полосе PJ главным образом рассматривается «внешняя» инжектированная горячая плазма. В Главе 3 рассмотрена другая возможность генерации напряжения в полосе РЛ не за счет инжекции, а за счет «внутреннего» источника энергиичастиц внешнего радиационного пояса. Такой механизм генерации может быть самоподдерживающимся, и объяснять большое время жизни PJ. Этот механизм генерации напряжения в полосе PJ отличается от существующих тем, что для поддержания сильного электрического поля в полосе PJ рассматривается не «внешняя» инжектированная горячая плазма, а «внутренний» источник — частицы радиационного пояса.

3.5 Рисунки к Главе 3.

Рис. 35: Схематическое изображение явления поляризационного джета (PJ). electrons source ч 'Ч'ч>\.

PJ band.

4- + tons source.

VK?

ЕхВ.

Vgrad —.

4- + + + -N.

E.mlt.

У’ВхВ v vgrad.

MLT.

20 h.

23 h.

Рис. 36: Схематическое изображение экваториальной проекции PJ. Источник электронов находится слева, источник протонов справа. Для протонов проекции скоростей градиентного и электрического долготного дрейфов складываются, для электронов вычитаются, поэтому существование сильного электрического поля в полосе PJ вызывает искажение дрейфовых траекторий частиц. Особенно значительно это искажение для частиц, у которых скорость градиентного дрейфа примерно равна скорости электрического.

Рис. 37: Моделирование нормированной плотности заряда частиц внешнего радиационного пояса в полосе поляризационного джета. Функция распределения в источнике (для электронов на MLT = 20 h, для ионов на MLT = 23 h): F ~ yjJi0 • ехр (—////Lt0), Но = 10keV/B0, L = 3 -г 3.3 (по оси Y), MLT = 20 23Д (по оси X). t= 10 mm.

Рис. 38: Моделирование нормированной плотности заряда частиц внешнего радиационного пояса в полосе поляризационного джета. Функция распределения в источнике (для электронов на MLT = 20 h, для ионов на MLT = 23 h): F ~ yfxо ¦ ехр (—/V/U0), Но = 50keV/Bo, L = 3 Ч- 3.3 (по оси Y), MLT = 20 -г- 23h (по оси X). t = lOmin.

4MLT=3h t = 30 min t = 180 mm av.

Рис. 39: Моделирование нормированной плотности заряда частиц внешнего радиационного пояса в полосе поляризационного джета. Функция распределения в источнике (для электронов на MLT = 20 h, для ионов на MLT = 23 h): F ~ у/Щ ¦ ехр (-/х//х0), Но = mkeV/B0, L = 3 Ч- 3.3 (по оси Y), MLT = 20 23h (по оси X).

Заключение

.

1. Проведен анализ экспериментального материала по наблюдениям ИСП и носовых структур со спутника ИНТЕРБОЛ-2 в магнитно-спокойные и средневозмущенные периоды. Показано путем модельных расчетов и их сравнения с экспериментальными данными, что для магнитно-спокойного и средневозмущенного состояния магнитосферы характерно наличие стационарной средней картины конвекции. Наилучшее согласие экспериментальных данных с модельными расчетами получено для модели конвекции Мак-Илвайна, 1972 г. Трассирование границ высыпаний частиц, наблюдаемых спутником DMSP, показало, что в этих условиях источником горячей плазмы в диффузной авроральной зоне является главным образом предполуночный сектор хвоста магнитосферы на расстояниях ~ 8 — 10-ReВ слабовозмущенных условиях во внутренней магнитосфере на квазистационарную конвекцию могут накладываются слабые инжекции частиц, не меняющие заметно общей картины конвекции. Этот вспышечный источник частиц соответствует авроральным активизациям и слабым суббурям на сжатом овале, и такие инжекции создают небольшие, но измеримые локализованные магнитные вариации в высоких широтах.

2. Из сопоставления результатов моделирования ИСП и носовых структур с данными наблюдений показано, что два механизма формирования ИСП, обсуждавшиеся в литературе как альтернативные, в действительности реализуются в разных условиях, но могут и налагаться друг на друга в определенных ситуациях. Эти два фактора следующие:

• существование выделенной энергии, ионы с которой имеют большое время дрейфа от источника до точки наблюдения (время жизни частиц с определенной энергией меньше, чем время дрейфа);

• наличие запретных областей для ионов определенных энергий, выходящих из источника и проходящих через эту область.

3. Выявлен определенный тип носовых структур, наблюдаемых на энергиях ~5−10 кэВ, которые формируются в результате дрейфа частиц Н+ в стационарных электрическом и магнитном поле и не связаны с развитием суббури. Такие носовые структуры образованы ИСП, формирующимися вследствие существования «запретных зон» замкнутых траекторий. Проведен статистический анализ носовых структур, наблюдаемых спектрометром ИОН спутника ИНТЕРБОЛ-2. Показано, что при значениях Кр-индекса 0−1 носовые структуры наблюдаются с высокой вероятностью как в ночном сскторе (~ 80% для текущего значения Кр-индекса 0−1), так и в дневном 75% для Кр — 0, с упреждением по Кр-индексу на ч). Результаты статистического анализа обоснованы модельными расчетами, которые показывают, что носовые структуры в стационарном случае могут формироваться во всех секторах MLT. Носовые структуры в спокойное время имеют время формирования 3 — 10 ч, в отличие от суббуревых структур, которые формируются за время 0,5 — 2 ч после начала суббури.

4. Разработана простая количественная модель, описывающая механизм генерации электрического поля во внутренней магнитосфере в полосе PJ. В качестве генератора напряжения для образования электрического поля рассматриваются частицы внешнего радиационного пояса. Показано, что электрическое поле PJ значительно искажает траектории движения частиц внешнего радиационного пояса и вызывает разделение зарядов в полосе PJ. Результирующее электрическое поле имеет два компонента — направленный к полюсу и восточный. Такое электрическое поле поддерживает начальное поле PJ. Рассмотренный механизм является самоподдерживающимся и может обеспечивать большое время жизни PJ.

В заключение автор хотел бы выразить глубокую признательность своему руководителю, профессору Юрию Ильичу Гальперину, который вложил много сил и души в воспитание автора как самостоятельного исследователя, являясь примером увлеченности, нравственности и честности.

Автор также искренне благодарен Р. А. Ковражкину за активную помощь и поддержку на заключительном этапе работы над диссертацией, Т. Пулккинен и Н. Ю. Ганюшкиной за полезное обсуждение Главы 2 и предоставление данных прибора Cammice, В. Л. Халипову и В.В. Вовчен-ко за сотрудничество в работе над Главой 3, А. Л. Глазунову за помощь в построении спектрограмм прибора ИОН, коллективу лаборатории 547 за обсуждение всех результатов, вошедших в диссертацию, помощь и соавторство при подготовке публикаций, множество ценных замечаний и советов.

Отдельно автор адресует слова благодарности Л. М. Зеленому и Г. Н. За-стенкеру за поддержку и наставления, которые очень помогли автору в работе над диссертацией.