Диссертация (1149588)
Текст из файла
Санкт-Петербургский государственный университетНа правах рукописиНиколаев Александр ВалерьевичИССЛЕДОВАНИЕ ТОКОВОЙ СИСТЕМЫ СУББУРИ ПОДАННЫМ СПУТНИКОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ01.03.03. – физика СолнцаДиссертация на соискание ученой степениКандидата физико-математических наукНаучный руководитель – доктор физико-математическихнаук, профессор В. А. СергеевСанкт-Петербург – 20152ОглавлениеВведение………………………………………………………………………………..5Глава 1. Токовый клин суббури…………………………………………………...181.1 Признаки и фазы магнитосферной суббури……………………………...181.2 Токовый клин суббури……………………………………………………..261.3 Количественные модели токового клина…………………………………321.4 Интерпретационная модель токового клина (IW)………………………..351.5 Постановка задачи………………………………………………………….45Глава 2.
Моделирование магнитных эффектов токового клина суббури……462.1 Магнитосферная модель SCW: алгоритм построения токовогоконтураура……………………………..………………………………....…462.2 Филаментарная магнитоcферная модель SCW: объемные токи……..….492.3 Параметры модели FW и еѐ настройки…………………………………...522.3.1 Определение интенсивности ISCW и ионосферных долготпродольных токов (PW и PE)…………....……..………………….522.3.2 Корректировка ионосферных долгот (ФW и ФE) продольныхтоков SCW…………………………………………………………542.3.3 Задание параметра RT………………………………..…………….582.3.4 Определение степени вытянутости силовых линийпродольных токов SCW………………………………………..…622.4 Сравнение наблюдений с прогнозом модели одиночнойтоковой петли…………...………………………………………….…….…6432.5 Геостационарные наблюдения токовой системы суббури….……….….652.6 Обсуждение результатов…………………………………………………..70Глава 3. Двухпетлевая модель токового клина…………………………………773.1 Альтернативные геометрии токового контура обновленноймодели SCW...................................................................................................773.2 Модель SCW2L и еѐ настройки…………………………………….…….853.3 Филаментарные продольные токи в сравнении сраспределенными токами модели………………………..………………..883.4 Наблюдения стационарных фронтов диполизации в их конечномсостоянии………………………………………….………………………..933.5 Статистическое сравнение амплитуддиполизаций на 6.6 Re и 11 Re…………………………………………...1023.6 Обсуждение результатов………………………………………………....108Глава 4.
Деформация магнитосферного магнитного поля токовой системойсуббури………………………………………………………………...…..1134.1 Введение………………………………………………………...…………1134.2 Моделирование искажений ионосферных проекций, генерируемыхтоковым клином…………………………………………………….…….1144.2.1 Качественный анализ деформаций геомагнитного поля модельюSCW2L……………………………………………………….…..1144.2.2 Зависимость величины полярного смещенияпроекций от параметров SCW2L……………………………….1194.3 Наблюдение и моделирование величины полярногорасширения сияний в течение суббурь 17 Марта 2010………..………1234.3.1 Наземные наблюдения событий 17 Марта 2010………………..1234.3.2 Геостационарные наблюдения событий 17 Марта 2010……….1254.3.3 Модель SCW2L и еѐ настройки для событий17 Марта 2010, решение обратной задачи……………..………12844.3.4 Моделирование полярного расширения ионосферныхпроекций и сравнение с сияниями 17 Марта 2010..…………...1324.4 Обсуждения результатов и заключение……………………………...….136Основные результаты диссертации…………………………………………..….140Литература…………………………………………………………………………..1425ВведениеОбщая характеристика работыМагнитосфера представляет собой сложноорганизованную область в солнечном ветре, впределах которой заключено магнитное поле Земли.
Состояние магнитосферы характеризуетсямножеством плазменных и электродинамических параметров, которые в свою очередь,контролируются Солнечным ветром (СВ) и межпланетным магнитным полем (ММП)солнечного происхождения. При определенных условиях в СВ, магнитосфера способназапасать магнитную энергию и затем взрывообразно высвобождать еѐ, что в свою очередь,ведет к генерации ускоренных потоков частиц и развитию (усилению) крупномасштабныхтоковых систем и обусловленных ими магнитосферных и наземных магнитных возмущений.Изменения конфигурации геомагнитного поля в периоды магнитосферных бурь и суббурьочень значительны, а потому они меняют характер движения и ускорения заряженных частиц вмагнитосфере, и, в частности, влияют на формы полярных сияний.В диссертационной работе приведены результаты исследования основного элементакрупномасштабной трѐхмерной токовой системы суббури (называемой токовый клин суббуриили Substorm Current Wedge (SCW)), возникающей в возмущенной магнитосфере в периодывзрывной фазы магнитосферной суббури и связывающей активные области магнитосферы свысокоширотной ионосферой.
Повсеместно используется классическая модель токового клина,которая представляет собой часть тока хвоста магнитосферы, текущего с утра на вечер,перенаправленного вдоль магнитных силовых линий в ионосферу Земли (на утренней стороне),протекающего в виде западного электроджета на высоких широтах и вытекающего обратно вночную магнитосферу на вечерней стороне (петля типа R1).
Интенсивность тока в петле R1может достигать величин порядка 1 МА и более, что приводит к генерации токовым клиномобласти локализованной диполизации внутри его азимутального сектора и вихревогомагнитного поля вблизи продольных токов. В результате магнитного пересоединения вближнем магнитном хвосте, ускоренный поток плазмы с пониженной энтропией движется кЗемле и останавливается в области квазидипольного поля Земли, что приводит к образованиюпика плазменного давления на фронте потока плазмы и генерации дополнительной петлиобратного направления типа R2.
В совокупности токовые петли типа R1 и R2 формируютдвухпетлевую токовую систему суббури, исследуемую в данной работе. Магнитные эффектыпетель R1 и R2 весьма важны. Во-первых, возникновение трехмерной крупномасштабнойсистемы большой интенсивности вызывает значительные изменения геомагнитного поля,6траекторий движения частиц в магнитосфере и формирование характерных авроральныхструктур в высокоширотной ионосфере. Во-вторых, наблюдая вариации геомагнитного поля наповерхности Земли, можно вести мониторинг интенсивности разрушенного тока хвостамагнитосферы, а также с помощью доступных моделей и методов количественно предсказыватьизменение магнитосферных характеристик, вызванное токовым клином.В работе подробно исследована новая количественная модель с филаментарнымиобъемными продольными токами конечного размера, зависящая от параметров, которые можноопределить с помощью решения обратной задачи и интерпретации магнитных вариаций,наблюдаемых на среднеширотных наземных станциях и спутниках.
Модель тестироваласьпутем сравнения предсказываемых моделью магнитных возмущений с наблюдательнымиданными спутников, находящихся в разных областях, включая геостационарную орбиту иплазменный слой и доли ближнего хвоста магнитосферы. Результаты сравнений показали, чтопри отсутствии второй петли модельное и наблюдаемое на геостационарных спутникахмагнитные поля систематически отличаются (в 1.5–2 раза) и отношение их амплитуд зависит отпервоначальной конфигурации магнитного хвоста (перед началом взрывной фазы), а такжевремени суббури. Такое несоответствие модельных расчетов может объясняться эффектомдополнительной токовой петли типа R2 (обратной петле типа R1), которая образуется у фронтаинжекций плазмы, движущихся в направлении Земли, останавливающихся в областиквазидипольного магнитного поля и генерирующих пик плазменного давления в этой области.Даннаяработапосвященаразвитиюитестированиюновойколичественноймагнитосферной модели токового клина суббури, позволяющей на основе наблюдательныхданных определять параметры петель R1 и R2 и предсказывать величины компонент магнитныхвозмущений, как на поверхности Земли, так и в космосе.
В ходе тестирования и разработкиновой модели SCW2L обоснована целесообразность использования этой модели длямониторинга трехмерной токовой системы суббури.Актуальность темы исследованияРазвитие количественных моделей, описывающих возмущения геомагнитного поля впериоды суббурь является важной задачей магнитосферной физики. Такие модели существуют,однако сложность трехмерной магнитосферной конфигурации поля и сильная зависимостьгеометрии силовых линий от времени затрудняет создание универсальных моделей. Например,эмпирические (статистические) модели, создающиеся на базе многолетних спутниковыхнаблюдений в магнитосфере, в частности, модели Цыганенко (Tsyganenko, 1989; Tsyganenko,71995 и т.д.) и динамическая модель Alexeev et al.
(2001), способны описать усредненнуюконфигурацию магнитосферного поля, но не описывают суббурь. Адаптивные модели(Kubyshkina et al., 2011), построенные на базе эмпирических моделей, являются более гибкиминструментом прогнозирования величины и распределения геомагнитного поля и способны егоописать даже в возмущенные периоды, так как они подстраивают модельное магнитное полепод измерения поля спутниками.
Однако эти модели используют гладкие функции дляописания геомагнитного поля, а потому они не способны описать кратковременные илокализованные в ограниченном участке магнитосферы возмущения магнитного поля впериоды взрывной фазы суббури. В возмущенные периоды к существующим в спокойныхусловиях магнитосферным токовым системам могут добавляться иные токовые структуры,образующиеся и усиливающиеся в результате магнитного пересоединения в хвосте, которыеобуславливают генерацию локализованной области диполизации и требуют отдельного подходаи создания отдельных интерпретационных количественных моделей. В настоящий моменттакие модели не входят в программные блоки существующих моделей магнитосферы, так какони не могут быть параметризованы характеристиками солнечного ветра и требуюткомплексной интерпретации наземных и спутниковых наблюдательных данных в периодкаждой отдельно взятой суббури.
Для создания практически полезной количественной моделитокового клина суббури и еѐ включения в состав эмпирических или адаптивных моделейнеобходимо построить простую, гибкую и реалистичную вычислительную модель SCW,параметры которой можно определить из имеющихся наблюдательных магнитных данных.Цель работы — развитие, тестирование и программная реализация новой двухпетлевоймодели токового клина суббури для мониторинга магнитосферных характеристик в периодывзрывной фазы суббури.В еѐ задачи входит:1.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
