Автореферат (Исследование токовой системы суббури по данным спутниковых измерений), страница 2

Разработана новая, соответствующая современным представлениям об инжекциях плазмы вовремя суббурь вычислительная двухпетлевая модель токовой системы суббури (SCW2L),позволяющая интерпретировать наземные и спутниковые магнитные измерения, а такжеполучать количественную информацию о магнитных эффектах SCW в ближнем хвостемагнитосферы и на поверхности Земли.

На основе двухпетлевой модели SCW2L программнореализовано решение обратной задачи для оценки параметров SCW по данным наземныхсетей и спутников.63. Исследования деформаций геометрии магнитного хвоста токами SCW2L показали, чтоосновным параметром, контролирующим амплитуду расширения сияний к полюсу, являетсяинтенсивность петли R1, а эффекты токовой петли R2 при определенных условиях могутобуславливать расширение сияний в экваториальном направлении.Положения, выносимые на защиту1.

Токовая система суббури, помимо классического токового клина должна включать в себявторую петлю обратной полярности (типа R2), образующейся на фронте инжекций плазмы вобласть квазидипольного магнитного поля. Программно реализована и протестированадвухпетлевая модель токового клина суббури (SCW2L), которую можно использовать дляопределенияпараметровSCWиколичественногоисследованияеёназемныхимагнитосферных трёхмерных эффектов.2. На основе наблюдений с применением новой модели токового клина суббури SCW2Lполучены количественные сведения: (1) о величине и соотношениях интенсивностейпродольных токов обеих петель; (2) о зависимости положения экваториального сегмента петлиR2 от магнитной конфигурации хвоста в периоды суббурь разной интенсивности; (3) обамплитудах деформации геомагнитного поля и смещений ионосферных проекций плазменногослоя в зависимости от параметров двухпетлевой модели SCW2L.3.

Показано, что величина изменения широты ионосферной проекции плазменного слояконтролируется интенсивностью тока петли R1 - другие параметры вносят меньший вклад.Искажение конфигурации силовых линий, вызываемое токовым клином, обуславливает: (1)образованиеавроральнойвыпуклостивобластивторженияэнергичныхчастицввысокоширотную ионосферу; (2) генерацию западного изгиба на крае авроральнойвыпуклости; (3) вносит вклад в разворот аврорального стримера к западу (востоку) при егодвижении в меридиональном направлении от полюса к экватору.Практическая ценностьВ диссертации представлены результаты исследования токовой системы суббури, которыерасширили представления о структуре этой токовой системы и позволили разработать модель дляинтерпретации и расчета трехмерных магнитных возмущений токового клина в периоды взрывной7фазы суббури.

Предлагаемая модель позволяет: (1) оценивать параметры токового клина суббури наоснове космических и наземных измерений магнитного поля, (2) рассчитывать его эффекты наповерхности Земли и в магнитосфере на расстояниях до ~15 Re, (3) исследовать измененияконфигурации магнитосферного поля под действием продольных токов SCW и (4) связь этихизменений с явлениями в высокоширотной ионосфере и в плазменном слое.Развитие количественной модели токового клина суббури позволит в дальнейшем использоватьеё как инструмент диагностики магнитных возмущений в периоды суббурь и интенсивности тойчасти разрушающегося тока хвоста, которая связывает ночную магнитосферу с ионосферой. Созданиегибкой и простой расчетной модели токового клина позволит в будущем усовершенствоватьсуществующие эмпирические и адаптивные модели для моделирования глобального геомагнитногополя в возмущенные периоды, то есть использовать эту модель в качестве дополнительного элементаадаптивного моделирования.Степень достоверности результатов1.

Построенная модель токового клина позволяет воспроизводить распределение амплитудмагнитных возмущений, наблюдаемых на поверхности Земли в средних широтах и в ближнеймагнитосфере.2. Структура токовой системы развиваемой модели соответствует физическим представлениям опроцессе разрушения тока хвоста магнитосферы и об инжекциях плазмы в областьинтенсивного квазидипольного магнитного поля в периоды магнитосферных суббурь.Результаты МГД моделирования пересоединения в хвосте магнитосферы (Birn et al., 2014), атакже моделирование с помощью самосогласованной RCM модели (Yang et al., 2012) такжеподтверждают двухпетлевую структуру токовой системы.Личный вклад автораИсходный алгоритм построения контура однопетлевой модели токового клина и расчета егомагнитных эффектов был предложен Н.А.

Цыганенко (Sergeev et al., 2011а). Автор проводил всепредставленные в работе модельные расчеты, разрабатывал программы для обработки магнитныхнаблюдательных данных и реализовывал алгоритм решения обратной задачи на языках8программирования IDL и FORTRAN. Автор работы также участвовал в интерпретации результатов инаписании статей по результатам исследований.Результаты, представленные в работе, были получены на равных правах с соавторами.Апробация работыРезультаты исследования представлены в качестве устных докладов на 8 и 9 международнойконференции «Problems of Geocosmos» (2010 и 2012 гг.), на 7-й Международной научно-практическойконференции молодых специалистов “Геофизика-2009”, на 32, 33, 35 и 36-ом ежегодных семинарах«Physics of Auroral Phenomena» (2009, 2010, 2012 и 2013 г.), на Генеральной Ассамблее ЕвропейскогоГеофизического Союза в Австрии (Вена, 2013 г.), на 11-й международной конференции по суббурям вг.

Люнебург (Германия, 2012 г.), на 12-й международной конференции по суббурям в г. Исэ (Япония,2014 г.), а так же научном семинаре, посвящённому Евросоюзовскому проекту ECLAT в г. Грац(Австрия, апрель 2013 г.). Также результаты научной работы докладывались на семинарах кафедрыФизики Земли, были поддержаны грантами РФФИ и грантами Комитета по Науке и Высшей Школе(КНВШ) г. Санкт-Петербург в 2010, 2012 и 2013 году.ПубликацииРезультаты проведенных исследований по теме работы были приведены в четырех статьях,опубликованных в журналах Journal of Geophysical Research и Annales Geophysicae, и в сборникетрудов 36 ежегодного семинара “Physics of Auroral Phenomena” в г. Апатиты.Структура и объем работыДиссертация содержит 150 страниц машинописного текста, 72 рисунка и 2 таблицы. Состоит извведения, четырёх глав, заключения и списка литературы (112 наименований).Содержание работыВ первой главе представлена историческая справка о развитии представлений о токовойсистеме суббури, описаны её первые расчетные модели, их достоинства и недостатки.

В разделе 1.1описаны основные признаки магнитосферной суббури, её фазы и её связь с токовой системой суббури9(SCW). В разделе 1.2 приведена краткая историческая справка о возникновении концепции токовойсистемы суббури, а также описаны наблюдаемые с поверхности Земли и из космоса признаки SCW,характеризующие токовый клин как крупномасштабную трёхмерную структуру. Раздел 1.3 посвященописанию первых моделей (Horning et al., 1974; Vasilyev et al., 1986; Tsyganenko et al., 1997), которыеиспользовались для получения количественной информации о магнитных эффектах SCW в разныхобластях магнитосферы и на поверхности Земли, и методах их практического применения дляинтерпретации наблюдаемых магнитных возмущений (Sergeev et al., 1996).

Указаны достоинства инедостатки этих моделей, которые потребовали разработки современной модели, обладающейбольшей гибкостью, реалистичностью токонесущих силовых линий, с возможностью определения еёпараметров из наземных наблюдений и её способностью рассчитывать распределение амплитудмагнитных возмущений, как на поверхности Земли, так и в космосе. В разделе 1.4 описанаинтерпретационная модель токового клина IW (Sergeev et al., 1996), с помощью которой методомрешения обратной задачи на основе среднеширотных магнитных измерений определяются параметрыSCW: положение долгот продольных токов и их интенсивность, а также затронуты вопросы выборауровня отчета магнитных возмущений и программной реализации решения обратной задачи.Рассмотрены простые методы учета эффектов индукционных токов, влияющих на вертикальнуюкомпоненту магнитных возмущений поля, проблемы метода инверсии при определении азимутовпродольныхтоков,атакжеэффектысолнечно-суточнойвариацииприинтерпретациисреднеширотных горизонтальных компонент магнитных возмущений.

В разделе 1.5 сформулированызадачи научного исследования.Во второй главе описана расчетная модель однопетлевой филаментарной токовой системы FW,предложенная Н.А. Цыганенко — первая модель, с реалистичной геометрией продольных токовограниченной толщины, интенсивность и положение которых может быть получено изсреднеширотныхизмеренийгоризонтальныхкомпонентмагнитныхвозмущенийиинтерпретационной модели IW. В главе также приведены результаты тестирования однопетлевойисходной модели путем статистического сравнения предсказываемых магнитных эффектов SCW нагеостационарных спутниках GOES с реальными наблюдениями вариаций магнитной компонентыΔBz.