Диссертация (1149588), страница 15
Текст из файла (страница 15)
3.1.1b для описаниякрупномасштабной диполизации геомагнитного поля. Отметим, что ни наблюдения, нимоделирование в данный момент не могут дать детальный ответ о том, как точно токи типа R1и R2 замыкаются и при каких условиях. Обоснованием для меридионального замыкания токовтипа R2 в экваториальной плоскости на рис. 3.1.1а является то, что эти элементы системы82должны сопровождаться азимутальным разворотом потока сжатой плазмы; они распределеныпо долготе и должны существовать в некоторой степени и в токовой системе суббури. Реальнаяже интенсивность меридиональных токов и их взаимосвязь с экваториальной петлей N4 должнабыть детально исследована, чего до сих пор сделано не было.Меридиональную петлю N2 мы не рассматриваем в нашем исследовании по несколькимпричинам.
Во-первых, она генерирует азимутальную компоненту возмущений (BY), но слабовлияет на величину и распределение амплитуд диполизации BZ. Во-вторых, она имеет малыйрадиальный размер (порядка 0.5–1 Re согласно результатам Liu et al. (2013)), которыйдостаточно сложно разрешить в наблюдениях из-за редкого спутникового покрытия. В-третьих,эта меридиональная петля бифилярна и не дает заметного вклада в поле среднеширотныхназемных возмущений магнитного поля. Более того, продольные токи с направлением типа R1,которые являются частью меридиональной токовой петли, не участвуют в процессе разрушенияи перенаправления в ионосферу поперечного хвостового тока. В целом, эффекты такихмеридиональных токовых петель не имеют большого значения для цели нашего исследования иих трудно наблюдать в реальных условиях.Картину токов аналогичную изображенной на рис.
3.1.1b, получили Yang et al. (2012)путем трассирования линий электрического тока в конфигурациях, полученных примоделировании движения плазменного пузыря (‗plasma bubble‘) к границе внутреннеймагнитосферы с помощью самосогласованной модели RCM-E (equilibrium ‗Rice ConvectionModel‘). Недавние работы, посвященные моделированию с использованием разных версиймодели RCM (Toffoletto et al., 2000; Zhang et al., 2008; Zhang et al., 2009; Yang et al., 2011),подтвердили, что инжекции плазмы во внутреннюю магнитосферу в периоды суббурь состоятиз движущихся к Земле плазменных пузырей плазмы с пониженной относительно окружающейсреды энтропией. В своей работе Yang et al.
(2012) моделировали изолированную суббурю,состоящую из предварительной и взрывной фазы. Предварительная фаза длится ~55 мин, аначальные и граничные условия задаются в соответствии с эмпирическими моделямимагнитного поля (Tsyganenko, 1995; Tsyganenko and Stern, 1996) и распределения плазменногодавления в экваториальной плоскости (Lemon et al., 2003). Параметры задавались всоответствии со стационарными условиями в солнечном ветре.
Моделирование взрывной фазыосуществлялось заданием пониженной энтропиис величины 0.30 до величины 0.05 nPa(Re/nT)5/3 в азимутально ограниченном ночном участке плазменного слоя (2h MLT на уровнеионосферы). После этого плазменный пузырь двигался в направлении Земли и его размер вдольоси Y уменьшался с ~5 Re до 2 Re. Этот метод запуска взрывной фазы отличается отупомянутого выше МГД моделирования тем, что Birn et al. (2011) в конце предварительной83фазы (фазы сжатия хвоста и усиления поперечного хвостового тока) запускали процесспересоединения, помещая в область максимальной плотности тока аномальное сопротивление.На рисунке 3.1.4(a и b) показан электрический ток, текущий через фиксированную точку(X = -7.56, Y = -5.58 и Z = 1.24 Re) в момент Т = 55 мин начала инжекции плазменного пузыря,и в момент Т = 67 мин (с и d), когда пузырь достиг геостационарной орбиты.
В момент запускаинжекции, экваториальная токовая система была распределена в плазменном слое с пиковымзначением плотности токана расстоянии. В процессе движения иостановки плазменного пузыря у границы внутренней магнитосферы, на ночной сторонегенерируются трѐхмерные интенсивные токовые системы разных полярностей (c и d). Впослеполуночном секторе (Y < -3 Re) утро-вечерний электрический ток перенаправляетсявдоль силовых линий в ионосферу, в предполуночном – вытекает из ионосферы обратно вмагнитосферу и далее замыкается через западный ток у экваториальной плоскости (Y > 3 Re).На более низких широтах усиливаются продольные токи типа R2, которые имеют обратнуюполярность, втекают в ионосферу в предполуночном секторе, вытекают из нее впослеполуночном секторе и замыкаются западным экваториальным током.
Продольные токиобеих петель генерируются на одних и тех же долготах (что в дальнейшем нами и будетиспользоваться при работе с двухпетлевой моделью токового клина), но судя по результатамтрассирования, пара продольных токов R1 и R2 находящихся на одной долготе не замыкаютсямежду собой радиальными токами.Магнитосферно-ионосферная конфигурация в RCM-E моделировании Yang et al.
(2012)схематично показана на рисунке 3.1.5. Причиной реконфигурации плазменного слоя игеомагнитного поля является движущийся к Земле пузырь с пониженной энтропией плазмы,который может в реальной магнитосфере генерироваться как магнитным пересоединением, таки другими магнитогидродинамическими неустойчивостями, приводящими к нарушениювмороженности магнитного поля в плазму (Birn et al., 2009). В магнитосфере образованиеплазменного пузыря приводит к частичному разрушению поперечного тока в плазменном слое,который перенаправляется в виде втекающего продольного тока в ионосферу на восточномфланге пузыря и через ионосферу замыкается через вытекающий продольный ток на западномкрае.
По существу, эта токовая система и есть токовый клин. Плазма на фронте пузырясжимается и движется в направлении Земли с той же скоростью, что приводит к повышениюздесь энтропии и плазменного давления и уменьшению магнитного поля в этой области(отмечена оранжевым цветом на рис. 3.1.5). Область пониженной энтропии с диполизованнымполем (внутри пузыря) отделена от структуры с повышенной энтропией фронтом диполизации(зеленая линия), на котором интенсивность магнитного поля резко возрастает.84Рисунок3.1.4.Распределениеплотности тока в плоскости XY (вединицах нА/м2) перпендикулярногомагнитному полю в экваториальнойплоскости (серые контуры) и контуруэлектрического тока, текущего через X= 7.56, Y = 5.58 и Z =1.24 Re в (a)момент времени T = 55 мини (c) T = 67мин. Цветом обозначена плотность тока(в единицах нА/м2), параллельногомагнитному полю.
Красный/желтый иголубой/синийцветаобозначаютпродольныетоки,соответственно,втекающиеивытекающиеизионосферы. (b и d) – трехмерныеизображения для рисунков (a и c).Рисунки из работы Yang et al. (2012).Рисунок 3.1.5. Картина инжекцииплазменного пузыря с пониженнойэнтропиейвовнутреннююмагнитосферу (Yang et al., 2012).85В контексте RCM-E моделирования течения плазмы предполагаются медленными посравнению со скоростью МГД волн, и в условиях квазистационарного приближенияпродольные токи в области замкнутых силовых линий в основном генерируются градиентамиплазменного давления между соседними магнитными трубками (Vasiliunas, 1970) и замыкаютсяпреимущественно Педерсеновскими токами в ионосфере.
Cильные продольные токи SCWгенерируются вдоль западного и восточного краев плазменного пузыря, внутри которогоконцентрация частиц уменьшена. Также формирование токов SCW можно объяснить и втерминах дрейфа плазмы. Недогруженные плазмой магнитные трубки внутри пузыря несут всебе меньшие по сравнению с окружающей средой градиентные токи и, таким образом,западный ток хвоста в экваториальной плоскости частично разрушается. Для того чтобы ненарушалось условие неразрывности тока, разрушенная часть поперечного тока должна бытьскомпенсирована продольными токами.В силу того, что магнитные эффекты Педерсеновских токов, замыкающих продольныетоки типа R1 и R2 на уровне ионосферы, не проявляются в наблюдениях среднеширотнойцепочки станций и наблюдениях диполизации на магнитосферных спутниках, для дальнейшейработы будет использоваться система с азимутальным замыканием продольных токов, какпоказано на рис.
3.1.1b.3.2Модель SCW2L и еѐ настройкиДвухпетлевая модель SCW2L с филаментарными продольными токами (имеется в видупроволочная модель с токами конечного объема, см. гл. 2.2), изображенная на рис. 3.1.1b,строится как суперпозиция двух петель модели FW, описанной в гл. 2.1. Конфигурация петлитипа R2 не отличается от конфигурации петли типа R1, к параметрам модели добавляетсятолько два дополнительных параметра: интенсивность петли типа R2 (I2), и RT2– радиальноерасстояние до еѐ экваториального сегмента, т.к.
долготы краев PW и PE для обеих петельберутся одинаковыми. Это упрощение подкрепляется результатами МГД иRCM-Eмоделирования, которые показывают, что генерируемые BBF петли типа R1 и R2имеютцентры тяжести приблизительно на одном меридиане (см. рис. 3.1.4 и рис. 4 в Birn and Hesse(2013)).Для того чтобы определить параметры I2 и RT2 необходимы наблюдения спутников вприэкваториальной области магнитосферы. При этом требуемая конфигурация спутниковследует из расчетов пространственного профиля магнитных возмущений модели SCW2L на86рис.
3.2.1c. Для того чтобы проинтерпретировать резкий градиент BZ в области экваториальноготока R2, необходимы наблюдения по крайней мере двух или трех спутников в этом регионе,радиально сопряженных и разделенных расстоянием сопоставимым с характерным размеромэкваториального тока R2 (~1 Re), что само по себе является редким событием.
Другоеочевидное и необходимое для анализа градиентов поля условие - это нахождение спутниковвнутри долготного сектора SCW. Как и в гл. 2.3.1, положения краѐв токового клина могут бытьопределены методом решения обратной задачи при интерпретации среднеширотных магнитныхвозмущений. Практически при условии, что петли R1 и R2 занимают один азимутальныйсектор, можно определить долготы обеих систем с помощью однопетлевой модели с полнойинтенсивностью токов равной I1-I2 (рис. 3.2.1b). Кроме определения азимутального положениятокового клина, наземные среднеширотные данные помогают определить разностный эффектвозмущений, генерируемых R1 и R2 токами, но для этого их нужно комбинировать соспутниковыми наблюдениями.Как было уже отмечено в гл. 1.4, индукционные токи, генерируемые в проводящей Землеменяющимсямагнитнымполем,усиливаютгоризонтальныекомпонентымагнитныхвозмущений (в среднем на ~50%), но ослабляют вертикальную компоненту.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
