Диссертация (1149588), страница 14
Текст из файла (страница 14)
В самом деле, предполагается, что пересоединение и/или разрушениетока происходят в ближней части токового слоя, откуда потоки плазмы инжектируются вобласть геостационарной орбиты. Внутренняя токовая петля R2 первоначально образуетсявнутри или в непосредственной близости от геостационарной орбиты.
Максимальнаяамплитуда возмущения наблюдается в области, лежащей между токовыми петлями (гдемагнитные эффекты петель складываются, см. верхний рис. 2.6.2). Следствием смещениятоковой петли R2 в направлении хвоста будет понижение отношения HOBS/HMOD нагеостационарной орбите, что и проявляется на рис. 2.5.3c. На более поздней стадии взрывнойфазы суббури, когда петля R2 уходит дальше за геостационарную орбиту, еѐ вклад в Нкомпоненту магнитных возмущений вычитается из вклада внешней петли R1 на наземных75Рисунок 2.6.2. (вверху) конфигурациясиловых линий поля при сильныхвозмущениях с петлей типа R2, лежащейвнутри геостационарной орбиты.
Краснымовалом отмечена область остановкипотока плазмы и область повышенногоплазменного давления. В данном случаеназемные станции наблюдают разностныйэффект обеих петель, а спутник GOESсуммарный, следовательно, HOBS/HMOD > 1(см. рис. 2.5.3b и c). Но в ходе развитиявзрывной фазы суббури, конфигурациялиний становится более дипольной, иобласть локального пика давленияотодвигается за геостационарную орбиту(внизу). В этом случае геостационарныйспутник и наземные станции находятся водинаковых условиях и видят одинаковоразностный эффект (HOBS/HMOD ~ 1).76станциях и на спутниках GOES.
Таким образом уравнивается интенсивность тока, полученнаяиз наземных и космических наблюдений, и отношение HOBS/HMOD стремится к 1.В заключении отметим, что похожая двухпетлевая структура продольных токовобсуждалась также в работе Cowley (2000), но с другой точки зрения, а необходимостьмодификации геометрии токового клина, путем включения меридиональных токов замыканиябыла предложена еще Lui and Kamide (2003). Согласно результатам моделирования Birn et al.(1999, 2014), оба варианта замыкания продольных токов азимутальными, либо радиальнымитоками в плазменном слое, вполне возможны. Однако реальная конфигурация токовой системысуббури, в частности, где продольные токи замыкаются на уровне ионосферы и в плазменномслое, остается не до конца изученной.Однопетлевая модель токового клина FWс реалистичными продольными токами,описанная в этой главе, стала основой для построения более сложной структуры – двухпетлевойфиламентарной магнитосферной модели SCW2L, изображенной на рис.
2.6.1. В главе 3 будутприведены результаты тестирования этой модели по наземным и спутниковым наблюдениям.77Глава 3.Двухпетлевая модель токового клинаРезультаты количественного тестирования однопетлевой модели токового клина FWприведенныевпредыдущейглавевыявилисистематическиенесоответствиямеждунаблюдаемыми и предсказываемыми амплитудами магнитных возмущений. Анализ показалнеобходимость включить в классическую модель SCW дополнительный контур петли типа R2,образующейся на фронте инжекций плазмы во внутреннюю магнитосферу (модель ―SubstormCurrent Wedge 2-Loop‖, SCW2L).
В данной главе будут рассмотрены (1) альтернативныегеометрии трѐхмерной токовой системы суббури, и (2) результаты наблюдений иинтерпретации амплитуд диполизации магнитного поля, обосновывающие приемлемостьдвухпетлевой версии SCW2L, сделанные на геоцентрических расстояниях от 6.6 Re до 11 Re.3.1Альтернативные геометрии токового контура обновленной модели SCWПреимущество «проволочного» приближения модели SCW заключается в том, чтомагнитосферную токовую систему можно представить как совокупность вычислительнопростых элементов, контролируемых относительно малым числом свободных параметров,которые делают технически возможным решение обратной задачи и мониторинг возмущений.Оригинальная вычислительная модель FW является хорошим примером, демонстрирующимгеометрическую и концептуальную простоту этого приближения.
В этой главе будетпредставлена модель, усовершенствованная таким образом, чтобы отражать физическуюприроду генерируемых электрических токов и реконфигурацию магнитного поля в периодыдиполизации, и, в то же время, с возможностью экспериментально отслеживать эволюциютоковой системы.В действительности, токовая система гораздо сложнее, нежели любая еѐ схема или проволочнаямодель.
Не только электрические токи этой системы размыты в пространстве, они такжеобычно включают в себя элементы с сильно динамичной геометрией. К примеру, Lui andKamide (2003) собрали достаточно много наблюдательных свидетельств того, что наиболееинтенсивная часть токовой системы суббури не относится к азимутальной петле типа R1, аявляется размытой в пространстве меридиональной токовой системой, изображенной на рис.3.1.1а в виде зеленых петель N2. Однако, именно азимутальная петля SCW (наиболее насинтересующая) описывает эффекты разрушения хвостового тока и диполизации геомагнитногополя, в то время как принципиальная роль более интенсивных (в интеграле) меридиональныхпетель заключается в обеспечении магнитосферно-ионосферной связи и поддержанияазимутальной конвекции плазмы.78Рисунок 3.1.1. Альтернативная версия схемы токового клина: (а) согласно моделированию Birnet al.
(2014), (b) согласно Sergeev et al. (2011а) и (для магнитосферной части) Cowley (2000) иYang et al. (2012).79Рисунки 3.1.1a и 3.1.1b схематически иллюстрируют две современные версии трѐхмернойтоковой системы, имеющие отношение к токовому клину суббури и BBF (частично вопрос ужезатрагивался в Гл. 1, п.1.1). Дополнительная азимутальная петля типа R2, показанная нарисунке 3.1.1b, обсуждалась ранее в работе Cowley (2000) в терминах частично-кольцевого тока(см.
рис. 3.1.2) полярности R2 и токового клина полярности R1. Однако, рис. 3.1.1а показываетиную общую структуру токовой системы, которая была построена исходя из результатов МГДмоделирования динамики хвоста магнитосферы и исследований токового клина суббури,развивающегося в результате возникновения BBF, генерируемых магнитным пересоединениемв ближнем хвосте магнитосферы. Схема токовой системы, включающая в себя токовые петлиN1 (красная), N2 (зелѐная) и N3 (синяя) была предложена Birn and Hesse (1999) (см.
рис. 3.1.1a),затем эта картина была дополнена контурами N4 (черный) и N5 (фиолетовый) в работе Birn andHesse (2014). Рассмотрим подробнее схему токовой системы суббури, представленной на рис.3.1.1а.Вопросы МГД моделирования магнитного пересоединения, возникновения ускоренныхпотоков плазмы и движения магнитных трубок с пониженной энтропией к Земле былиизложены авторами в работах Birn et al. (2011) и Birn and Hesse (2013). Рассмотрим эволюциютоковойсистемысуббури,полученнойврезультатемоделированиямагнитногопересоединения, вызывающего несколько последовательных BBF (см. рис. 3.1.3). Развитиетоковой системы начинается с одного ускоренного потока плазмы, генерируемого уполуночного меридиана (t = 130), за которым следует еще два BBF на утренней и вечернейстороне магнитного хвоста (t = 160). Как уже отмечалось в гл.1, потоки плазмы являютсядиполизованными трубками (с большой величиной BZ-компоненты поля) с малой энтропией.Эти трубки накапливаются у границы квазидипольных силовых линий, когда множественныеBBF достигают области сильного магнитного поля вблизи геостационарной орбиты, тамостанавливаются и начинают азимутальное движение, обтекая внутренней магнитосферы.Каждый поток плазмы искажает геомагнитное поле и является носителем локализованнойсистемы продольных токов, подобной SCW (элементарный токовый клин) (Lui et al., 2013), ипри накоплении диполизованных трубок вблизи Земли сумма элементарных токовых клиньев вконечном итоге становится одним широким по азимуту токовым клином.
Этот результатхорошо отражается на рис. 3.1.3, на котором синим цветом, обозначающим низкую энтропию и,соответственно, увеличенную BZ-компоненту поля, помечены достаточно обширные областидиполизации (t = 200 и t = 250), соответствующие области остановки и эволюции трех BBF.Можно сказать, что BBF связан не только с фронтом диполизации, движущимся к Землесовместно с потоками плазмы с низкой энтропией, но и вносит вклад в накопление низко-80Рисунок 3.1.2. Схема общеготокового контура авроральнойзоны; вид из хвоста магнитосферы,пунктирной(штрих-пунктирной)линией отмечена северная (южная)ветвь токовой системы (Cowley,2000).Рисунок 3.1.3. Энтропия(цвет) и вектора∫ ⁄скорости потока в плоскости XY вразные моменты времени взрывнойфазы.
Черные сплошные линииобозначают контуры постоянногоBZ с интервалом 10 нТл; крайняялиниясправасоответствуетвеличине BZ = 0 (Birn and Hesse,2014).81энтропийных трубок и расширение области диполизации на границе внутренней магнитосферы.Усиление BZ-компоненты магнитного поля в этой области авторы связывают с магнитнымиэффектами экваториальной петли N4 на рис. 3.1.1а. К ней добавляется меньший токовыйконтур N5, который относится к области повышенного плазменного давления перед фронтомдиполизации с локальным подавлением BZ-компоненты. Концентрированный западный ток навнутренней границе фронта диполизации (на масштабах ионного гирорадиуса) также хорошоизвестная из спутниковых наблюдений черта кратковременных диполизаций и нестационарныхструйных течений (Ohtani, 1998; Runov et al., 2009; Liu et al., 2013).Другими эффектами диполизации является уменьшение |BX| на более высоких широтах,что связано с ослаблением поперечного хвостового тока петлями N1 и N3.
Увеличение |BY|,происходит в результате деформации магнитного поля потоками плазмы после их остановки иазимутального обтекания границ внутренней магнитосферы, что приводит к генерации токовойпетли N2 на рис. 3.1.1a. ПетляN2 вносит свой вклад в токи R1 на внешней стороне и в токи R2на внутренней. Остановка потока плазмы у границы внутренней магнитосферы также тесносвязана с образованием пика плазменного давления на внутренней границе плазменного слоя(Dubyagin et al., 2010), что дает возможность оценить интенсивность продольных токов типа R2(j||) с помощью теоремы Василюнаса-Тверского (Vasiliunas, 1970):j∥ = −(∕B) ⋅∇p×∇V,где ∇p – градиент давления, а∫(3.1.1).С первого взгляда может показаться, что токи в петле N4 на рис. 3.1.1a никак не связаны стоковым клином.
Однако если рассмотреть комбинацию токовых петель N1, N2, и N4 при ихсопоставимых интенсивностях, то в сумме мы получим токовую систему, аналогичную той, чтоизображена на рис. 3.1.1b. Восточный край петли N4 дает вклад в токи типа R1, западный крайв токи типа R2, а радиальные токи петель N4 и N2 при сопоставимых интенсивностяхослабляют друг друга, так как находятся в непосредственной близости и текут впротивоположных направлениях. Birn and Hesse (2014) оценили интенсивности этих токовыхпетель (IN1 = 0.36 MA, IN2 = 0.36 и IN4 = 0.2 MA) и отметили возможность использованиядвухпетлевой геометрии токовой системы суббури, изображенной на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
