Нестационарные токовые системы в магнитосфере Земли

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 исследован 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 (инжекций и струйных потоков), принято описывать каждое из них в разных областях — инжекции на радиальных расстояниях вблизи геостационарной орбиты 6.6 Де, а например ВВР за 10 Л&-, причем существует устойчивые стереотипы об их «остановке» и «исчезновении» около 10 Яд. Установление связи между двумя этими объектами представляется весьма важным.

Само по себе явление инжекций 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» (Ы et а!., СИЬ, 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 Вг 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 инжекций в значительной мере пока открыт из-за малого количества их измерений, он также будет затронут в данной работе.

Для понимания инжекций, 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 ЬАМЬ, 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 свой-ствой 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 (500−10 000 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 параметрам 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 методамиполучить статистические характеристики быстродвижущихся токовых слоев.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Результаты исследования точности метода MVA и рекомендации по его использованию для нахождения ориентации токового слоя хвоста магнитосферы. Результаты статистического анализа ориентаций и скоростей движения токового слоя по данным спутниковой системы Cluster.

2. Подтверждение существования резких фронтов диполяризации и инжекции 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.

3. Показана возможность количественно воспроизвести наблюдаемые изменения энергетического и углового распределения при сокращении магнитной плазменной трубки вследствие бетатронного и Ферми ускорения.

4. 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.

5. Результаты статистического анализа характерной геометрии и MLT распределений ионосферных токовых систем с большими величинами наземных величинами dB/dt, в том числе доказательства существования утреннего максимума появляемости событий с максимальными dB/dt и важной роли в их генерации вихревых средне-масштабных ионосферных токовых систем.

Научная новизна.

1. Исследован фронт инжекции энергичных частиц и показано существование регулярной электромагнитной структуры распространяющейся вместе с фронтом со скоростями значительно меньшими, чем скорости МГД волн.

2. Оценены скорости радиального распространения инжекций на радиальных расстояниях порядка 10 Re.

3. На основе сравнения с многоспутниковыми методами оценены погрешности односпутникового метода MVA при определении ориентации токового слоя хвоста магнитосферы.

4. Обнаружены долгоживущие (более 10 минут) резкие плазменные границы толщиной порядка ионного гирорадиуса, разделяющие две популяции плазмы с разными температурами.

5. 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.

1. Грантом Министерства образования и науки Российской Федерации.

ЖАЛО. 172 (2004 год);

2. Грантом Nansen центра, 2005 год;

3. 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.

Основные результаты диссертации.

1. Создана база данных параметров быстроменяющихся токовых слоев по измерениям системы Cluster. Получены статистические оценки точности метода MVA при определении ориентации быстропереме-щающегося токового слоя хвоста магнитосферы в зависимости от отношения собственных чисел матрицы ковариации (А2/А3).

2. По данным системы Cluster получены оценки радиальных скоростей распространения инжекций, которые составляют 100−150 км/с на удалениях 7−9 Re и 250−400 км/с на расстояниях 9−12 Re в экваториальной магнитосфере.

3. Показано, что характерная пространственная структура магнитного и электрического полей, фронт диполяризации, распространяется вместе с фронтом инжекции энергичных частиц, что присуще только бездисперсионным инжекциям. Проведено моделирование ускорения частиц при сокращении (диполяризации) плазменной силовой трубки в ночной магнитосфере и подтверждена необходимость как бетатронного, так и Ферми ускорения для получения реальных функций распределений частиц в области инжекции.

4. Экспериментально обнаружены структуры, тонкие плазменные границы (масштаба порядка гирорадиуса ионов тепловой энергии), существующие более десяти минут и разделяющие плазмы с разными температурами. Предполагается возможная связь генерации такой границы с BBF и с авроральными омега-структурами.

5. Показано, что наиболее интенсивные геомагнитные вариации в авроральной зоне (с максимальными dB/dt и индукционными электрическими токами) появляются в утренние часы MLT и связаны с азимутальным перемещением среднемасштабных вихревых ионосферных токовых систем.