Диссертация (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 МАГНИТНАЯ КОНФИГУРАЦИЯВНУТРЕННЕЙ МАГНИТОСФЕРЫ01.03.03 — физика СолнцаДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:доктор физико-математических наук, профессор В. А. СергеевСанкт-Петербург – 2016ОглавлениеВведение.........................................................................................................................................3Глава 1. Нестационарные струйные течения и модель плазменных пузырей..............141.1 Магнитосферная конвекция и возмущения во внутренней магнитосфере Земли...........141.2 Нестационарные струйные течения.....................................................................................171.3 Параметр энтропии и модель плазменного пузыря............................................................231.4 Возможные подходы к расчету параметра энтропии в реальной ночноймагнитосфере........................................................................................................................261.5 Исследование характеристик НСТ в области их остановки..............................................321.6 Результаты..............................................................................................................................39Глава 2.

Связь нестационарных струйных течений и инжекций плазмы вовнутреннюю магнитосферу......................................................................................................422.1 Инжекции плазмы во внутреннюю магнитосферу как результат нестационарныхструйных течений.................................................................................................................422.2 Наблюдения и анализ событий.............................................................................................442.3 Роль конфигурации хвоста магнитосферы в формировании инжекций плазмы нагеостационарную орбиту.....................................................................................................522.4 Обсуждение результатов.......................................................................................................56Глава 3.

Диагностика магнитной конфигурации ночной магнитосферы понаблюдениям протонных изотропных границ....................................................................593.1 Магнитная конфигурация ночной магнитосферы и процесс питч-угловогорассеяния в токовом слое.....................................................................................................593.2 Пороговое значение параметра K и формирование протонных изотропных границ.....623.3 Используемые данные и отбор событий.............................................................................643.4 Характеристики выборки данных, влияющие на точность проецирования иреалистичность модели магнитного поля экваториальной магнитосферы....................703.5 Величины параметра K в области проекций протонных изотропных границ иположение плазмопаузы......................................................................................................723.6 Обсуждение и заключение....................................................................................................74Заключение.................................................................................................................................77Список литературы...................................................................................................................792ВведениеОбщая характеристика работыДанная работа посвящена изучению процессов в области перехода от плазменногослоя ко внутренней магнитосфере с акцентом на исследование инжекций энергичнойплазмы во внутреннюю магнитосферу.

Известно, что инжекции возникают в периодымагнитосферных возмущений (суббурь и бурь), когда в хвосте магнитосферы усиливаетсяперенос плазмы к Земле. В эти периоды значительная часть потока плазмы переносится вплазменном слое в виде узких плазменных струй — нестационарных струйных течений(НСТ; англ.: Bursty Bulk Flows, BBFs), проникновение которых во внутреннююмагнитосферу является одним из возможных механизмов инжекций. В работе проводитсяисследование факторов, определяющих глубину проникновения НСТ. Основное вниманиеуделяется проверке предсказаний энтропийной модели движения НСТ, согласно которойглубина проникновения движущейся к Земле плазменной трубки определяется величинойпараметра энтропии S = pV5/3 трубки (p — плазменное давление, V — объем плазменнойтрубки с единичным магнитным потоком) и магнитной конфигурацией внутреннеймагнитосферы. Проверка этого предсказания, а также исследование роли НСТ вформировании инжекций плазмы во внутреннюю магнитосферу, проводится на основеспутниковых измерений и результатов эмпирического (в том числе адаптивного)моделирования магнитной конфигурации, необходимых для оценки параметра энтропии вреальной магнитосфере.В работе получено, что вероятность инжекции плазмы во внутреннюю магнитосферув первую очередь зависит от радиального распределения параметра энтропии вэкваториальноймагнитосфере,т.

е.отмагнитнойконфигурациивнутреннеймагнитосферы. На данный момент средства диагностики магнитной конфигурациимагнитосферы слабо развиты, а существующие эмпирические модели не могут в полноймере описывать ее динамику. В связи с этим заключительная часть диссертационнойработы посвящена исследованию условий в экваториальной внутренней магнитосфере вобласти проекций протонных изотропных границ, как важной задаче для обоснованиявозможностидистанционнойдиагностикимагнитнойконфигурациивнутреннеймагнитосферы и прогнозирования инжекций плазмы в эту область. Исследования в этойчасти работы также проводятся с использованием спутниковых измерений и адаптивной3модели, с помощью которой осуществляется проецирование изотропных границ вдольсиловых линий и оценка магнитных условий в области их экваториальных проекций.Актуальность темы исследованияИнжекции энергичной плазмы являются источником новых популяций энергичныхчастиц во внутренней магнитосфере, они определяют состояние кольцевого тока ирадиационного пояса и оказывают влияние на функционирование геостационарныхспутниковых систем.

Результаты предыдущих исследований не позволяют датьоднозначный ответ на вопрос, существует ли связь между часто наблюдаемыминестационарными струйными течениями в плазменном слое и сравнительно редкимиинжекциями плазмы во внутреннюю магнитосферу. До сих пор точно не установлено, прикаких условиях возможно проникновение НСТ в эту область. Таким образом,исследование механизма инжекций плазмы и условий их появления во внутреннеймагнитосфере является весьма актуальной проблемой.Столь же актуально развитие методов диагностики магнитной конфигурациивнутренней магнитосферы, оказывающей сильное влияние на рассматриваемые явления.Ее определение по данным научных спутников невозможно из-за их малого количества.Одним из перспективных методов является дистанционное зондирование магнитнойконфигурации по наблюдениям изотропных границ энергичных частиц над ионосферой[Sergeev et al., 1993], который основан на особенностях питч-углового рассеяния частиц втоковом слое хвоста магнитосферы.

До сих пор не была проведена экспериментальнаяпроверка основы этого метода: проверка существования порогового значения параметраK = Rc/ρ и оценка его величины (Rc и ρ — величины радиуса кривизны силовой линии игирорадиуса частицы, соответственно, рассчитанные в центре экваториального токовогослоя в области 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 вблизи ихизотропных границ.Цель и задачи работыЦелью работы является исследование условий инжекций плазмы во внутреннююмагнитосферу, их связи с нестационарными струйными течениями и состоянием4магнитосферного магнитного поля, а также экспериментальная проверка основы методадистанционного зондирования магнитной конфигурации по наблюдениям изотропныхграниц над ионосферой.Задачи диссертационной работы:1) Исследовать характеристики НСТ в области его остановки и оценить значенияпараметра энтропии внутри НСТ и в фоновой плазме в этой области при помощиформулы [Wolfet al., 2006].

Провести верификацию этой формулы с помощьюадаптивной магнитосферной модели.2) Сопоставить группы событий изолированных НСТ, зарегистрированных на входево внутреннюю магнитосферу, при наличии и в отсутствие инжекции плазмы нагеостационарной орбите.

Определить параметры и факторы, контролирующие глубинупроникновения НСТ.3) С использованием адаптивной модели оценить величину параметра K = Rc/ρ вобласти проекций изотропных границ протонов ~30 и ~80 кэВ в токовый слой хвостамагнитосферы.Положения, выносимые на защиту1.