Автореферат (Исследование токовой системы суббури по данным спутниковых измерений)

Санкт-Петербургский государственный университетНа правах рукописиНИКОЛАЕВ Александр ВалерьевичИССЛЕДОВАНИЕ ТОКОВОЙ СИСТЕМЫ СУББУРИ ПО ДАННЫМСПУТНИКОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ01.03.03. – физика СолнцаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург - 2015Работа выполнена на кафедре физики Земли ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургскийгосударственный университет»Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор Сергеев Виктор Андреевич,Санкт-Петербургский Государственный Университет,г. Санкт-Петербург.Официальные оппоненты:доктор физико-математических наук,Калегаев Владимир Владимирович,заведующий лабораторией космофизических исследований,Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В.

Скобельцына,Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,г. Москва.кандидат физико-математических наукстарший научный сотрудник Яхнин Александр Григорьевич,заведующий лабораторией магнитосферно-ионосферных связей,Полярный Геофизический Институт,г. Апатиты.Ведущая организация:Институт Космических Исследований РАНг. МоскваЗащита состоится 16 декабря 2015 г. в 15 ч. 00 мин. на заседании диссертационногосовета Д 212.232.35 СПбГУ по адресу: 199034, Санкт-Петербург Средний ПроспектВО, д. 41, аудитория 304.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ и на сайте spbu.ru.Автореферат разосланоктября 2015 г.Учёный секретарь диссертационногосовета Д 212.232.35кандидат физико-математических наукМ.

В. Кубышкина2Общая характеристика работыМагнитосфера представляет собой сложноорганизованную область в солнечном ветре, впределах которой заключено магнитное поле Земли. Состояние магнитосферы характеризуетсямножествомплазменныхиэлектродинамическихпараметров,которыевсвоюочередь,контролируются Солнечным ветром (СВ) и межпланетным магнитным полем (ММП) солнечногопроисхождения. При определенных условиях в СВ, магнитосфера способна запасать магнитнуюэнергию и затем взрывообразно высвобождать её, что в свою очередь, ведет к генерации ускоренныхпотоков частиц и развитию (усилению) крупномасштабных токовых систем и обусловленных имимагнитосферных и наземных магнитных возмущений.

Изменения конфигурации геомагнитного поляв периоды магнитосферных бурь и суббурь очень значительны, а потому они меняют характердвижения и ускорения заряженных частиц в магнитосфере, и, в частности, влияют на формыполярных сияний.Вдиссертационнойработеприведенырезультатыисследованияосновногоэлементакрупномасштабной трёхмерной токовой системы суббури (называемой токовый клин суббури илиSubstorm Current Wedge (SCW)), возникающей в возмущенной магнитосфере в периоды взрывнойфазы магнитосферной суббури и связывающей активные области магнитосферы с высокоширотнойионосферой. Повсеместно используется классическая модель токового клина, которая представляетсобой часть тока хвоста магнитосферы, текущего с утра на вечер, перенаправленного вдольмагнитных силовых линий в ионосферу Земли (на утренней стороне), протекающего в виде западногоэлектроджета на высоких широтах и вытекающего обратно в ночную магнитосферу на вечернейстороне (петля типа R1).

Интенсивность тока в петле R1 может достигать величин порядка 1 МА иболее, что приводит к генерации токовым клином области локализованной диполизации внутри егоазимутального сектора и вихревого магнитного поля вблизи продольных токов. В результатемагнитного пересоединения в ближнем магнитном хвосте, ускоренный поток плазмы с пониженнойэнтропией движется к Земле и останавливается в области квазидипольного поля Земли, что приводитк образованию пика плазменного давления на фронте потока плазмы и генерации дополнительнойпетли обратного направления типа R2.

В совокупности токовые петли типа R1 и R2 формируютдвухпетлевую токовую систему суббури, исследуемую в данной работе. Магнитные эффекты петельR1 и R2 весьма важны. Во-первых, возникновение трехмерной крупномасштабной системы большойинтенсивности вызывает значительные изменения геомагнитного поля, траекторий движения частиц3в магнитосфере и формирование характерных авроральных структур в высокоширотной ионосфере.Во-вторых, наблюдая вариации геомагнитного поля на поверхности Земли, можно вести мониторингинтенсивности разрушенного тока хвоста магнитосферы, а также с помощью доступных моделей иметодов количественно предсказывать изменение магнитосферных характеристик, вызванноетоковым клином.В работе подробно исследована новая количественная модель с филаментарными объемнымипродольными токами конечного размера, зависящая от параметров, которые можно определить спомощью решения обратной задачи и интерпретации магнитных вариаций, наблюдаемых насреднеширотных наземных станциях и спутниках.

Модель тестировалась путем сравненияпредсказываемых моделью магнитных возмущений с наблюдательными данными спутников,находящихся в разных областях, включая геостационарную орбиту и плазменный слой и долиближнего хвоста магнитосферы. Результаты сравнений показали, что при отсутствии второй петлимодельное и наблюдаемое на геостационарных спутниках магнитные поля систематическиотличаются (в 1.5..2 раза) и отношение их амплитуд зависит от первоначальной конфигурациимагнитного хвоста (перед началом взрывной фазы), а также времени суббури. Такое несоответствиемодельных расчетов может объясняться эффектом дополнительной токовой петли типа R2 (обратнойпетле типа R1), которая образуется у фронта инжекций плазмы, движущихся в направлении Земли,останавливающихся в области квазидипольного магнитного поля и генерирующих пик плазменногодавления в этой области.Данная работа посвящена развитию и тестированию новой количественной магнитосферноймодели токового клина суббури, позволяющей на основе наблюдательных данных определятьпараметры петель R1 и R2 и предсказывать величины компонент магнитных возмущений, как наповерхности Земли, так и в космосе.

В ходе тестирования и разработки новой модели SCW2Lобоснована целесообразность использования этой модели для мониторинга трехмерной токовойсистемы суббури.Актуальность темы исследованияРазвитие количественных моделей, описывающих возмущения геомагнитного поля в периодысуббурь является важной задачей магнитосферной физики. Такие модели существуют, однако4сложность трехмерной магнитосферной конфигурации поля и сильная зависимость геометриисиловых линий от времени затрудняет создание универсальных моделей. Например, эмпирические(статистические) модели, создающиеся на базе многолетних спутниковых наблюдений вмагнитосфере, в частности, модели Цыганенко (Tsyganenko, 1989; Tsyganenko, 1995 и т.д.) идинамическая модель Alexeev et al.

(2001), способны описать усредненную конфигурациюмагнитосферного поля и не описывают суббурь. Адаптивные модели (Kubyshkina et al., 2011),построенные на базе эмпирических моделей, являются более гибким инструментом прогнозированиявеличины и распределения геомагнитного поля и способны его описать даже в возмущенныепериоды, так как они подстраивают модельное магнитное поле под измерения поля спутниками.Однако эти модели используют гладкие функции для описания геомагнитного поля, а потому они неспособны описать кратковременные и локализованные в ограниченном участке магнитосферывозмущения магнитного поля в периоды взрывной фазы суббури. В возмущенные периоды ксуществующим в спокойных условиях магнитосферным токовым системам могут добавляться иныетоковые структуры, образующиеся и усиливающиеся в результате магнитного пересоединения вхвосте, которые обуславливают генерацию локализованной области диполизации и требуютотдельного подхода и создания отдельных интерпретационных количественных моделей.

Внастоящий момент такие модели не входят в программные блоки существующих моделеймагнитосферы, так как они не могут быть параметризованы параметрами солнечного ветра и требуюткомплексной интерпретации наземных и спутниковых наблюдательных данных в период каждойотдельно взятой суббури. Для создания практически полезной количественной модели токовогоклина суббури и её включения в состав эмпирических или адаптивных моделей необходимопостроить простую, гибкую и реалистичную вычислительную модель SCW, параметры которойможно определить из имеющихся наблюдательных магнитных данных.Цель работы — развитие, тестирование и программная реализация новой двухпетлевой моделитокового клина суббури для мониторинга магнитосферных характеристик в периоды взрывной фазысуббури.В её задачи входит:1.

Тестирование однопетлевой версии модели SCW путем статистического сравнения компонентмагнитных возмущений, наблюдаемых геостационарными спутниками и предсказываемых5моделью, и обоснование необходимости усовершенствования этой модели до двухпетлевойверсии (SCW2L) с её последующим тестированием;2. Программная реализация вычисления интенсивностей токов, их отношения и положенияэкваториального тока петли R2 с помощью двухпетлевой модели SCW2L и метода решенияобратнойзадачипо спутниковым и наземным магнитным наблюдениям, включаяисследование и оптимизацию параметров модели SCW2L и выбор её фиксированныхпараметров;3. Статистическое исследование зависимости положения экваториального сегмента петли R2 отконфигурации ближнего хвоста магнитосферы перед началом взрывной фазы суббури поспутниковым данным;4.

Исследование амплитуды и форм деформаций геомагнитного поля, включая зависимостьсмещения ионосферных проекций точек плазменного слоя от параметров модели SCW2L.Оценка параметров обеих петель модели SCW2L для реальных событий, оценка амплитудысмещений ионосферных проекций плазменного слоя и сравнение их величин с наблюдаемойвеличиной полярной экспансии авроральных сияний.Научная новизна1. С помощью спутниковых наблюдений и трехмерной однопетлевой классической моделитоковой системы суббури показано, что классическая однопетлевая токовая система (петля R1)должна быть дополнена второй токовой системой (петля R2), имеющей противоположную косновной токовой петле направление тока и образующейся на фронте инжекций на границеобласти квазидипольного магнитного поля.2.