Автореферат (Исследование токовой системы суббури по данным спутниковых измерений), страница 3

В разделе 2.1 дано описание алгоритма построения контуров однопетлевой модели FW,продольные токи которой текут вдоль силовых линий, рассчитанных с помощью магнитосфернойэмпирической модели внешних источников поля T89 (Tsyganenko, 1989) и модели внутренних10источников IGRF. Конфигурируется модель FW параметрами, контролирующими азимутальноеположение, интенсивность, объем и форму токов SCW, а также расстояние до экваториальной частитокового клина. В разделе 2.2 описан алгоритм выбора объема силовых токовых трубок и методрасчета генерируемого ими магнитного поля. Раздел 2.3 посвящен описанию основных настроекмагнитосферной модели FW в которые входит: определение основных входных параметровмагнитосферной модели с помощью быстрой интерпретационной модели IW (раздел 2.3.1);сопряжение ионосферных и магнитосферных долгот продольных токов в модели FW с помощьюметода последовательных приближений (раздел 2.3.2); задание геоцентрического расстояния доэкваториального сегмента токовой петли R1 (параметр RT1), определяемое методом триангуляции поданным спутника Geotail и группы спутников Cluster (Sergeev et al., 2011a), расположенных в разныхобластях хвоста и чувствительных к разным частям токовой системы (раздел 2.3.3); определениестепени вытянутости силовых линий продольных токов модели, определяемой из наблюденийгеостационарных спутников внутри токового клина (раздел 2.3.4).

В разделе и его подразделахпоказано, что: (1) RT1 ~ 14 Re в начале взрывной фазы суббури и ~20 Re в конце, при этоминтенсивность токового клина, определенная методом триангуляции, в 1.5..2 раза большеинтенсивности, рассчитанной по наземным данным в период усиления взрывной фазы; (2) отношениемодельных и наблюдаемых компонент магнитного поля (ΔBx и ΔBz) в долях хвоста систематическиотличаются при этом модельные компоненты поля примерно в 2 раза меньше наблюдаемых (Sergeevet al., 2011а); (3) модели FW и IW для построения контура токового клина используют разные моделимагнитосферного поля, и геометрия силовых линий в моделях может заметно отличаться. Впоследнем случае долготы продольных токов, определяемые из среднеширотных измерениймагнитного поля, не соответствуют долготам, задаваемым в магнитосфере, поэтому необходимачисленная процедура, позволяющая привести долготы в соответствие друг другу.

В разделе 2.4приведены результаты сравнения наблюдений спутников Cluster с прогнозом модели FW (Sergeev etal., 2011a). Было показано, что отношение наблюдаемых и предсказываемых компонент магнитныхвозмущений (BOBS/BMOD) может достигать в среднем величины ~1.5. В разделе 2.5 представленырезультаты моделирования эффектов SCW на геостационарных спутниках GOES с помощьюоднопетлевой модели FW.

Описаны результаты статистического сравнения наблюдаемых ипредсказываемых моделью амплитуд возмущений ΔHMOD и ΔHOBS, а также приведено ихстатистическое распределение относительно азимутального сектора SCW. Показано, что (1) в11периоды интенсивных суббурь амплитуды магнитных вариаций значительно и систематическиотличаются друг от друга, в среднем HOBS/HMOD ~ 2, причем величина этого отношения зависит отвремени суббури и магнитной геометрии хвоста магнитосферы перед началом взрывной фазы; (2)область диполизации находится во внутреннем секторе SCW, а амплитуды наблюдаемых возмущенийвблизи его центральной долготы в среднем на 20–25% больше предсказываемых. В разделе 2.6обсуждаются результаты главы, которые в целом показали, что несоответствия амплитуд магнитныхвозмущений можно объяснить эффектами дополнительной токовой системы (петли типа R2),образующейся на фронте инжекций плазмы, движущихся из хвоста магнитосферы к Земле.

Придостижении области интенсивного квазидипольного магнитного поля, ускоренный поток плазмыостанавливается, образуя пик давления на границе с вытянутыми силовыми линиями поля и, обтекаяэту границу в азимутальном направлении, генерирует дополнительную петлю типа R2 обратной кпетле типа R1 полярности. Другими словами, втекающий в ионосферу продольный ток петли R2расположен в западной части ночной магнитосферы, вытекающий — в восточной, при этом оба токазамыкаются в экваториальной плоскости током, текущим с утра на вечер. Генерация дополнительнойтоковой петли обратной к токовому клину полярности становится причиной подавлениянаблюдаемой геостационарными спутниками Bz-компоненты магнитного поля внутри долготногосектора петли R2.Третья глава посвящена описанию и тестированию усовершенствованной однопетлевоймодели FW до двухпетлевой модели SCW2L по данным среднеширотных и спутниковых магнитныхизмерений.ВыбордвухпетлевоймоделифизическиобосновываетсярезультатамиМГДмоделирования пересоединения в хвосте магнитосферы (Birn and Hesse, 1999; Birn et al., 2014) имоделирования инжекций плазмы с помощью самосогласованной модели Rice Convection Model(RCM-E) (Yang et al., 2012).

В разделе 3.1 обсуждаются две конфигурации двухпетлевого токовогоклина. Одна из конфигураций представляет собой азимутальные петли типа R1 и R2, контуракоторых в магнитосфере замыкаются экваториальными токами, текущими с вечера на утро и,соответственно, с утра на вечер, а в ионосфере западным и восточным электроджетами (Sergeev et al.,2014а; Birn et al., 2014). Вторая конфигурация дополняет первую наличием петель, замыкающихся вмеридиональной экваториальной плоскости, а также в вертикальной плоскости, пересекающейплазменный слой (Birn et al., 2014). Обосновывается выбор модели с двумя азимутальными петлями,замыкающимися азимутальными токами, как в ионосфере, так и в магнитосфере. В разделе 3.2 кратко12описаны настройки модели SCW2L, необходимые для решения обратной задачи по даннымспутниковых и наземных наблюдений: азимутальное положение токов R1 и R2, дополнительныепараметры модели, описывающие характеристики петли типа R2 и включение эффектовиндукционных токов в расчеты.

В разделе 3.3 обсуждается выбор между проволочной моделью сконцентрированными объемными токами и моделью с токами размытыми по азимуту, меридиану и внаправлении вертикальной оси Z. На основе расчетов радиальных профилей ΔBz-компонентымагнитного поля в ближнем хвосте магнитосферы показано, что эффекты размытия токов SCWсущественны только в непосредственной близости от этих токов.

Для количественного описанияамплитуд магнитных возмущений на поверхности Земли и в космосе, а также оценок величиндеформаций геомагнитного поля, достаточно простейшей модели с филаментарными объемнымитоками. Раздел 3.4 посвящен тестированию двухпетлевой модели SCW2L на основе данныхспутниковых и среднеширотных наземных наблюдений. Программно реализовано решение обратнойзадачи с использованием модели SCW2L и данных о вариациях Bz-компоненты магнитного поля,наблюдаемых радиальной цепочкой спутников THEMIS и GOES внутри азимутального сектора SCW(в области диполизации). В периоды двух слабых суббурь рассчитано положение экваториальноготока петли R2 (RT2 ~ 8.6 и 9.6 Re), интенсивности продольных токов обеих петель (I1 ~ 0.29 и 0.11MA, I2 ~ 0.09 и 0.05 МА) и их отношение (I2/I1 ~ 0.3 и 0.5). Отношение интенсивностей токов являетсяважной характеристикой токовой системы суббури при интерпретации наземных возмущений, таккак среднеширотные магнитные возмущения чувствительны к суммарному эффекту обеих петель (I1I2), в то время как вариации магнитного поля на спутниках, находящихся в области диполизации,контролируются преимущественно интенсивностью петли R1 (I1).

В разделе 3.5 отбирались событияразной интенсивности при разных магнитосферных конфигурациях хвоста. Исследовались тесобытия, в которых радиально сопряженные спутники GOES и THEMIS в период с 2008 по 2010 годнаходились внутри долготного сектора SCW. Анализ наблюдаемых амплитуд ΔBz-компонент поля наэтих спутниках показал следующее. (1) Наблюдаемые амплитуды диполизаций на расстояниях 6.6 Reи ~11 Re примерно в 1.5..5 раз больше модельных оценок, сделанных по данным наземных сетей.(Связано это с уменьшением горизонтальных наземных компонент поля на величину f = I1/(I1-I2),варьирующуюся от 1.5..5 со средним значением 2, под воздействием токовых петель R1 и R2 разныхполярностей).

(2) Экваториальное положение токов петли R2 зависит от интенсивности суббури (RT2< 6.6 Re для сильных возмущений и RT2 ≥ 6.6 Re для возмущений слабого и среднего уровня). (3)13Двухпетлевая модель SCW2L разумно описывает величины магнитных вариаций, как на поверхностиЗемли, так и в космосе, в частности, успешно были предсказаны амплитуды градиентов магнитногополя вблизи экваториальной границы петли R2. (4) Величина отношения токов I1 и I2, полученная изсоотношения амплитуд возмущений на поверхности Земли и в хвосте магнитосферы, варьируется от0.2 до 0.6 (с медианным значением 0.4). В разделе 3.6 приведено обсуждение полученныхрезультатов тестирования двухпетлевой модели SCW2L.В четвертой главе рассчитываются амплитуды смещений ионосферных проекций плазменногослоя, вызываемые двухпетлевой токовой системой суббури, чьи токи при I1 > 0.5 MA заметноискажают геометрию силовых линий ближней магнитосферы, вызывают пространственнуюдеформацию (расширение) плазменного слоя и области вторжения частиц в высокоширотнуюионосферу из зоны диполизации и ускорения частиц.

Для количественных оценок использоваласьдвухпетлевая модель SCW2L. В разделе 4.1 приведено краткое введение к четвертой главе. В разделе4.2 описаны формы деформаций ионосферных проекций плазменного слоя, связанных с воздействиемдвухпетлевой системы SCW, и приведены оценки амплитуд смещений этих проекций к полюсу дляхарактерных величин токов петли R1 (раздел 4.2.1). Тремя характерными формами ионосферныхпроекций являются: (1) авроральная выпуклость, возникающая внутри азимутального секторатоковой системы суббури, благодаря смещению проекций к полюсу в области диполизаций; (2)спиральные структуры проекций на западном и восточном изгибе авроральной выпуклости,образующиеся вблизи втекающего и вытекающего продольных токов, винтовое магнитное полекоторых скручивает магнитные силовые линии; (3) экваториальное смещение проекций южнееавроральной выпуклости на широтах, магнитно-сопряженных с экваториальным положением токаR2.

Количественно зависимость смещения проекций к полюсу от параметров SCW2L рассмотрена вразделе 4.2.2, в котором даны количественные оценки амплитудам смещений по широте взависимости от интенсивности тока R1 (I1), отношения токов R1 и R2 (I2/I1), а также степенивытянутости магнитных силовых линий хвоста. Показано, что интенсивность петли R1 являетсяосновным параметром, контролирующим величину смещения проекций к полюсу (остальныепараметры вносят меньший вклад), которая при I1 = 1 MA составляет ~7o..8o CGLat, что характернодля наблюдаемых расширений авроральной выпуклости в периоды сильных суббурь. Также былопоказано, что амплитуды смещений проекций могут достигать ~10 o CGLat в периоды очень сильныхвозмущений (I1 = 2 MA) и не превышают ~3o CGLat в случае слабого и среднего уровня возмущений.14Расчет деформаций магнитного поля ближнего хвоста в реальных условиях интенсивной суббуриописан в разделе 4.3.

В разделе 4.3.1 подробно описаны наблюдения двух последовательных суббурь17 марта 2013 года наземными среднеширотными станциями INTERMAGNET и THEMIS. Анализспутниковых наблюдательных данных по этим событиям приведен в разделе 4.3.2. С помощьюмодели SCW2L, усовершенствованной путем добавления к ней симметричного кольцевого тока (DR)с радиусом 4 Re и частично-кольцевого тока (DRP), оценивались параметры SCW в период двухпоследовательныхсуббурь17марта2013года(раздел4.3.3).Вычислениепараметровосуществлялось в два этапа.