Автореферат (Связь инжекций плазмы с нестационарными струйными течениями и магнитная конфигурация внутренней магнитосферы)

Санкт-Петербургский государственный университетНа правах рукописиЧЕРНЯЕВ Иван АнатольевичСВЯЗЬ ИНЖЕКЦИЙ ПЛАЗМЫ С НЕСТАЦИОНАРНЫМИСТРУЙНЫМИ ТЕЧЕНИЯМИ И МАГНИТНАЯКОНФИГУРАЦИЯ ВНУТРЕННЕЙ МАГНИТОСФЕРЫ01.03.03 – физика СолнцаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург – 2017Работа выполнена в федеральном бюджетном образовательном учреждениивысшего образования «Санкт-Петербургский государственный университет».Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Сергеев Виктор Андреевич,Санкт-Петербургский государственный университет,г. Санкт-Петербург.Официальные оппоненты:доктор физико-математических наук,ведущий научный сотрудник Григоренко Елена Евгеньевна,отдел Физики космической плазмыИнститут Космических Исследований РАН,г.

Москва.кандидат физико-математических наук,старший научный сотрудник Яхнин Александр Григорьевич,заведующий лабораторией магнитосферно-ионосферных связей,Полярный Геофизический Институт,г. Апатиты.Ведущая организация:Научно-исследовательский институт ядернойфизики имени Д. В. Скобельцына,Московский государственный университетимени М. В. Ломоносова,г. Москва.Защита состоится «» марта 2017 года в 13:00 на заседании диссертационногосовета 212.232.35 по защите докторских и кандидатских диссертаций при СанктПетербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург,Средний проспект В.

О., дом 41, ауд. 304.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М. ГорькогоСанкт-Петербургского государственного университета по адресу: 199034,Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9 и на сайте http://spbu.ru.Автореферат разослан «»2017 годаУченый секретарьдиссертационного советаД 212.232.35, к. ф.-м. н.Кубышкина Марина Валерьевна2Общая характеристика работыДанная работа посвящена изучению процессов в области перехода отплазменного слоя ко внутренней магнитосфере с акцентом на исследованиеинжекций энергичной плазмы во внутреннюю магнитосферу.

Известно, чтоинжекции возникают в периоды магнитосферных возмущений (суббурь и бурь),когда в хвосте магнитосферы усиливается перенос плазмы к Земле. В эти периодызначительная часть потока плазмы переносится в плазменном слое в виде узкихплазменных струй — нестационарных струйных течений (НСТ; англ.: Bursty BulkFlows, BBFs), проникновение которых во внутреннюю магнитосферу являетсяодним из возможных механизмов инжекций.

В работе проводится исследованиефакторов, определяющих глубину проникновения НСТ. Основное вниманиеуделяется проверке предсказаний энтропийной модели движения НСТ, согласнокоторой глубина проникновения движущейся к Земле плазменной трубкиопределяется величиной параметра энтропии S = pV5/3 трубки (p — плазменноедавление, V — объем плазменной трубки с единичным магнитным потоком) имагнитнойконфигурациейвнутреннеймагнитосферы.Проверкаэтогопредсказания, а также исследование роли НСТ в формировании инжекций плазмыво внутреннюю магнитосферу, проводится на основе спутниковых измерений ирезультатов эмпирического (в том числе адаптивного [Kubyshkina et al., 2009, 2011])моделирования магнитной конфигурации, необходимых для оценки параметраэнтропии в реальной магнитосфере.В работе получено, что вероятность инжекции плазмы во внутреннююмагнитосферу в первую очередь зависит от радиального распределения параметраэнтропии в экваториальной магнитосфере, т.

е. от магнитной конфигурациивнутренней магнитосферы. На данный момент средства диагностики магнитнойконфигурации магнитосферы слабо развиты, а существующие эмпирическиемодели не могут в полной мере описывать ее динамику. В связи с этимзаключительная часть диссертационной работы посвящена исследованию условий вэкваториальнойвнутренней магнитосфере3в областипроекцийпротонныхизотропныхграниц,какважнойзадачедляобоснованиявозможностидистанционной диагностики магнитной конфигурации внутренней магнитосферы ипрогнозирования инжекций плазмы в эту область. Исследования в этой частиработы также проводятся с использованием спутниковых измерений и адаптивноймодели, с помощью которой осуществляется проецирование изотропных границвдоль силовых линий и оценка магнитных условий в области их экваториальныхпроекций.Актуальность темы исследованияИнжекции энергичной плазмы являются источником новых популяцийэнергичных частиц во внутренней магнитосфере, они определяют состояниекольцевого тока и радиационного пояса и оказывают влияние на функционированиегеостационарных спутниковых систем.

Результаты предыдущих исследований непозволяют дать однозначный ответ на вопрос, существует ли связь между частонаблюдаемыми нестационарными струйными течениями в плазменном слое исравнительно редкими инжекциями плазмы во внутреннюю магнитосферу. До сихпор точно не установлено, при каких условиях возможно проникновение НСТ в этуобласть. Таким образом, исследование механизма инжекций плазмы и условий ихпоявления во внутренней магнитосфере является весьма актуальной проблемой.Столь же актуально развитие методов диагностики магнитной конфигурациивнутренней магнитосферы, оказывающей сильное влияние на рассматриваемыеявления.

Ее определение по данным научных спутников невозможно из-за ихмалого количества. Одним из перспективных методов является дистанционноезондирование магнитной конфигурации по наблюдениям изотропных границэнергичных частиц над ионосферой [Sergeev et al., 1993], который основан наособенностях питч-углового рассеяния частиц в токовом слое хвоста магнитосферы.До сих пор не была проведена экспериментальная проверка основы этого метода:проверка существования порогового значения параметра K = Rc/ρ и оценка его4величины (Rc и ρ — величины радиуса кривизны силовой линии и гирорадиусачастицы, соответственно, рассчитанные в центре экваториального токового слоя вобласти проекции изотропной границы).

Такая проверка актуальна еще и потому,что работы последнего времени указывают на возможное существование в хвостемагнитосферы других механизмов рассеяния и ускорения частиц в области вблизиих изотропных границ.Цель и задачи работыЦелью работы является исследование условий инжекций плазмы вовнутреннюю магнитосферу, их связи с нестационарными струйными течениями исостоянием магнитосферного магнитного поля, а также экспериментальнаяпроверка основы метода дистанционного зондирования магнитной конфигурациипо наблюдениям изотропных границ над ионосферой.Задачи диссертационной работы:1) Исследовать характеристики НСТ в области его остановки и оценитьзначения параметра энтропии внутри НСТ и в фоновой плазме в этой области припомощи формулы [Wolfet al., 2006].

Провести верификацию этой формулы спомощью адаптивной магнитосферной модели.2) Сопоставить группы событий изолированных НСТ, зарегистрированных навходе во внутреннюю магнитосферу, при наличии и в отсутствие инжекции плазмына геостационарной орбите. Определить параметры и факторы, контролирующиеглубину проникновения НСТ.3) С использованием адаптивной модели оценить величину параметраK = Rc/ρ в области проекций изотропных границ протонов ~30 и ~80 кэВ в токовыйслой хвоста магнитосферы.5Положения, выносимые на защиту1.Полученыэкспериментальныеподтвержденияпузырей и показано, что величина параметра энтропии S = pVмодели плазменных5/3в фоновой плазме вобласти остановки НСТ примерно равна минимальной величине этого параметравнутри НСТ (с точностью до фактора 2). При помощи адаптивного моделированияподтверждена применимость формулы [Wolfet al., 2006] для оценки объемаплазменных трубок по одиночным спутниковым измерениям в экваториальнойобласти хвоста магнитосферы (согласие с точностью до фактора 1.4).2.

Получены новые подтверждения связи НСТ и инжекций плазмы вовнутреннюю магнитосферу. В частности, показано, что глубина проникновенияНСТ и вероятность инжекции плазмы на геостационарную орбиту в первую очередьопределяются магнитной конфигурацией хвоста магнитосферы. А именно, тесобытия, в которых зарегистрированные на входе во внутреннюю магнитосферуНСТ приводили к инжекции плазмы на геостационарную орбиту (~1/3 всехсобытий), характеризовались сильно вытянутой магнитной конфигурацией ночноймагнитосферы (при Bz < 60 нТ на геостационарной орбите).3.

С использованием адаптивного моделирования и измерений спутниковTHEMIS и POES получены оценки величины K = Rс/ρ в токовом слое хвостамагнитосферы в области проекций изотропных границ протонов с энергиями ~30 и~80 кэВ. В ~50% всех рассматриваемых событий значения величины K лежат винтервале [4; 16], что соответствует с точностью до фактора 2 теоретическомупороговому значению Kcr ~ 8 для сильного питч-углового рассеяния в токовом слое.Примерно в половине тех событий, в которых определялось положениеплазмопаузы, изотропным границам соответствовали значения K > 16, а ихпроекции находились на расстояниях менее ~1 RE от плазмопаузы, и высыпанияпротонов в окрестности этих изотропных границ могли быть сформированырезонансным рассеянием на EMIC волнах.6Научная новизна1) Впервые исследованы характеристики НСТ в области его остановки.

Напримере двух событий показано, что НСТ останавливается в области, в которойвеличина параметра энтропии в окружающей его плазме равна (с точностью дофактора 2) параметру энтропии внутри НСТ.2) Впервые проведена основанная на спутниковых измерениях проверкаформулы W’06, предложенная в работе [Wolf et al., 2006] для расчета объемаплазменных трубок по единичным спутниковым измерениям.3) Получены новые доказательства формирования инжекций плазмы вовнутреннюю магнитосферу нестационарными струйными течениями.4) Впервые получено, что вероятность инжекции плазмы во внутреннююмагнитосферу в первую очередь зависит от магнитной конфигурации хвостамагнитосферы.5) Впервые исследованы характеристики магнитного поля и полученыоценки величины параметра K в области проекций протонных изотропных границ,основанные на спутниковых измерениях.Практическая ценностьНовые доказательства тесной связи инжекций плазмы во внутреннююмагнитосферу с НСТ и полученная зависимость вероятности появления инжекцииот магнитной конфигурации хвоста магнитосферы могут быть применены дляразвития методик прогнозирования космической погоды.