В.И. Трухин, К.В. Показеев, В.Е. Куницын - Общая и экологическая геофизика (1119248), страница 53
Текст из файла (страница 53)
На высоких широтах иногда возникает более длительное (до нескольких дней) и значительное поглощение. Здесь повьппение концентрации определяется в основном протонами солнечных космических лучей (с энергиями в несколько МэВ), которые проникают в ионосферу только в районе геомагпитных полюсов (полярных шапок), где магнитные силовые линии разомкнуты. Гл. 15. Верхняя атмосфера, ионосфера и ближний космос 295 Область ионосферы на высотах 100 — 200 км, включающая слои Е и Р'ы отличается регулярными изменениями. Это обусловлено тем, что именно здесь поглощается основная часть коротковолнового ионизующего излучения Солнца. Существующая теория ионизационно-рекомбинационного равновесия довольно хорошо объясняет основные регулярные изменения Л'е и ионного состава в течение дня и в зависимости от уровня солнечной активности.
Динамика главного максимума ионизации в области Р2 существенно сложнее динамики областей Е и Гы Конечно,. в СРЕДНИМ ЭЛЕКтРОННаЯ КОНЦЕНтРаЦИЯ Л'е В СЛОЕ Гсз В ОСНОВНОМ определяется солнечной активностью, но она сильно меняется день ото дня. Максимум суточного хода по времени нередко сильно сдвинут относигельно полудня, при этом сдвиг зависит от широты, сезона и долготы. Существует сезонная аномалия, связанная с необычным увеличением электронной концентрации зимой по сравнению с летом. В экваториальной области до полудня чаще наблюдается один, а после полудня и ночью два максимума 1Уе, расположенных ~о обе стороны от магнитного экватора в геомагнитных широтах ~15' (экваториальная аномалия).
После восхода Солнца максимумы (гребни экваториальной аномалии) начинают расходиться, перемещаются в более высокие широты и исчезают, в то время как на экваторе образуется новый максимум. На высоких широтах в области Рз часто наблюдается образование широтной зоны пониженной ионизации (анровала»), идущей параллельно зоне полярных сияний с повышенной ионизацией. Данные примеры показывают существенное влияние ряда геофизических факторов на ионизацию и динамику ионосферы помимо основного фактора ионизирующего солнечного излучения.
В частности, в области экваториальной аномалии существующие геомагнитное поле (почти параллельное поверхности Земли вблизи геомагнитного экватора) и восточно-западная компонента электрического поля вызывак>т дрейф заряженных частиц в поперечном обоим полям направлении. Такой дрейф приводит к выносу плазмы из района экватора, где максимальна ионизация, в области более низких широт. Возникает явление фонтан-эффекта, так как плазма поднимается в экваториальной области и постепенно поворачивает по направлению на север в Северном полушарии и на юг в Южном, что вызвано увеличением наклона геомагнитных силовых по обе стороны от геомагнитпого экватора.
296 Вл. 1б. Верхняя атмосфера, ионосфера и блион:нии космос На рис. 15.2, а и 15.2., б приведены в изолиниях (в единицах 10 см ~) примеры сечений электронной концентрации А1е в области провала и экваториальной аномалии, полученных методом радиотомографии. Сечения приведены в координатах географическая широта — высота в километрах. Спутниковая радиотомография ионосферы позволяет получать двумерные сечения концентрации ионосферпой плазмы.
Соответствующие радиосигналы со спутников принимаются нескслькими приемниками на Земле ~67). На рис. 15.2, и приведено сечение ионосферы между Москвой и Мурманском, на котором хорошо просматривается ионосферный провал в районе 63' широты. На рис. 15.2, б показано радиотомографическое сечение области экваториальной аномалии в Юге-Восточной Азии (между Манилой и П1анхаем). Здесь на 22-26' широтах (12-16' магнитных широтах) находится северный гребень экваториальной аномалии ~164). Метод спутниковой радиотомографии позволяет не только получать двумерные сечения концентрации плазмы, по и определять потоки плазмы, рассматривая последовательные во времени сечения ~168). На рис.!5.2, в дан пример определения потоков плазмы (произведения плотности и скорости плазмы)., хорошо иллюстрирующий явление фонтан-эффекта.
Магнитосфера Магнитосфера Земли — область околоземного космического пространства, где физические процессы управляются в основном геомагнитным полем. В первом грубом приближении это полость в потоке плазмы солнечного ветра. Внешней границей магнитосферы является магнитопауза, отделяющая геомагнитное поле от обтекающего Землю солнечного ветра.
Оценка положения магнитопаузы определяется равенством динамического давления солнечного ветра и давления геомагнитного поля: 1 2 1 М епрЪ В 2 " " 2до где Л1, и 1'а концентрация и скорость солнечного ветра, В— геомагнитное поле на магнитном экваторе,. иср -- масса протона. Подставляя значения для спокойного солнечного ветра 300 < < 1~е < 400 км~'с и 4 < Аа < 6 см з, получаем для положения магнитопаузы (8,8 — 10,4) йд, что сопоставимо со средним экспериментальным значением 10,8йе, )72].
Определение нижней границы магнитосферы достаточно условно, плотность энергии геомагнитпого поля превышает плотность энергии вмороженной в магнитное поле плазмы на Гл. 15. Верхпяя асомоефера, ионосфера и блнлсннй космос 297 600 400 200 54 56 58 60 62 64 66 )пирога 800 600 400 200 (2 !4 !6 !8 20 22 24 26 28 30 Широ1а 700 600 500 400 300 в !2 !4 !6 18 20 22 24 26 28 Широта Рис. 1ос.2.
Примеры двумерных сечений электронной концентрации Юс в области провала (а) и экваториальной аномалии (б), полученные методом радиотомографии. Сечения приведены в координатах географическая широта -. высота в километрах. На рис. 16.2, в дан пример определения потоков плазмы (произведения плотности на скорость плазмы) 298 1'л. 1б. Верхнлл атмосфера, ионосфера н блиаеспий космос в: 1!вправленно на Солане Рнс. 15.3.
Схема земной магнитосферы высотах более 130 — 150 км. Тем не менее нередко условной нижней границей магнитосферы считают высоту около 1000 км, выше которой концентрация иопизованных компонент становится больше, чем нейтральных. Движущийся от Солнца сверхзвуковой солнечный ветер, налетая на магнитосферу Земли, резко тормозится и образует ударную волну (на рис. 15.3 показана ближайшей к Солнцу поверхностью). Подсолнечная точка фронта ударной волны располагается на расстоянии около 13 йе.
На фронте ударной волны происходит изменение направления движения частиц солнечного ветра. Их направленная скорость уменьшается, а тепловая скорость растет так, что плазма между фронтом ударной волны и магнитопаузой нагревается до нескольких миллионов градусов. Эта разогретая плазма обтекает магнитосферу, образуя магнипсный переходный слой, в котором магнитное поле и движения плазмы солнечного ветра становятся менее упорядоченными. Во внутренней магнитосфере геомагнитное поле (до расстояний Зйе,) близко к полю магнитного диполя. Во внешней магнитосфере геомагпитпое Гл. 1б.
Верхняя атмаефара, ионосфера и бяиакний ааамаа 299 поле на дневной стороне сжато солнечным ветром до расстояния -10Л~. На дневной стороне расположены каспы воронки, образованные силовыми линиями геомагнитного поля, расширяющиеся от поверхности Земли вплоть до магнитопаузы. Через каспы, разделяющие силовые линии дневной магнитосферы и геомагнитного хвоста, плазма из магнитного переходного слоя может проникать в глубь магнитосферы. На ночной стороне магнитосферы расположен геомагнитный хвост (диаметр 40йв, протяженность 10зВв), который образуется двумя пучками силовых линий с противоположным направлением поля.
Между пучками геомагнитного хвоста расположен плазменный слой (с толщиной 5Вэ) — область со слабым магнитным полем и повышенной концентрацией горячей плазмы, нагретой внутримагпитосферными процессами до 5 10~ К. Ток, ответственный за резкое изменение направления магнитного поля в долях хвоста, протекает в нейтральном токовом, слое внутри плазменного слоя.
Этот ток поперек хвоста направлен с утренней стороны на вечернюю. Он обусловлен дрейфом заряженных частиц под действием центробежной силы (центробежный дрейф) и силы, связанной с градиентом магнитного поля (градиентный дрейф) ~13б). Проникновение солнечного ветра внутрь магнитосфсры может происходить через пограничные слои, располагающиеся па дневной (входной слой) и ночной (плазменная мшопил и плазменный слой) сторонах магнитосферы. Проникновение происходит вдоль пересоединившихся магнитных силовых линий. Пересоединение межпланетного магнитного поля плазмы солнечного ветра и геомагнитного поля носит импульсный характер и может происходить па магнитопаузе и в геомагпитпом хвосте в ограниченных по размеру (-Вв) областях. Область на дневной стороне, где происходит пересоединение, определяется знаком северо-южной компоненты межпланетного магнитного поля В,.
При В, > 0 пересоединение происходит в плазменной мантии в области каспа, при В, ( 0 магнитные поля пересоединяются во входном слое в области подсолнечной точки, где они анти- параллельны. Пересоединившиеся силовые линии переносятся солнечным ветром с дневной стороны магпитосферы на ночную, образуя геомагнитный хвост. Такой перенос происходит также и в результате вязкого трения при обтекании магнитосферы солнечным ветром.
Эффективность переноса магнитного потока под действием аномальной вязкости между магнитосферой Земли и межпланетной плазмой сравнима с эффектом переноса за счет зоо !'л. 15. Верхняя атмосфера, ионосфера и блихсний космос пересоединения. На ночной стороне происходит новое пересоединение, которое восстанавливает первоначальную конфигурацию магнитного поля солнечного ветра.
Под действием существующего электрического поля, направленного поперек хвоста, и магнитного поля хвоста плазма дрейфует от плазменной мантии к плазменному слою и из плазменного слоя по направлению к Земле. Такое движение плазмы называется магнитосферной конвекцией. Электрическое поле поперек хвоста обусловлено магнитным пересоедипением и вязким трением между солнечным ветром и магнитосферой. Благодаря крупномасштабной конвекции плазма способна покидать магнитосферу через дневную магнитопаузу, при этом концентрация холодной плазмы за пределами плазмосферы резко уменьшается (по сравнению с концентрацией плазмы в плазмосфере, в которую копвекция не проникает). Плазмосферой называется область с повьппенной концентрацией ( 10э см в) плазмы ионосферного происхождения и тепловой энергией 1,0 эВ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
