Диссертация (1149588), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Простойвычислительный способ учесть индукционные эффекты состоит в том, чтобы не использоватьпри анализе вертикальную компоненту возмущений ΔZ на средних широтах, но использоватьтолько горизонтальные компоненты ΔX и ΔY, предварительно разделив величины их вариацийна величину индукционного коэффициента коррекции C1 = 1.6.
Другими словами, при решенииобратной задачи величины модельных компонент возмущений ΔXMOD и ΔYMOD подгоняются квеличинам ΔX/C1 и ΔY/C1 определенным из наблюдений.В заключение этого параграфа подчеркнем два важных момента. Во-первых, как иоднопетлевая модель FW, двухпетлевая модель SCW2L предназначена для описаниякрупномасштабной диполизации геомагнитного поля, и она не предназначена для описанияионосферных токов замыкания петель типа R1 и R2 и описания распределения магнитныхвозмущений в авроральной зоне. Поэтому в данной работе данные измерений в авроральнойзоне не используются. Характер замыкания в авроральной зоне слабо влияет на амплитудысреднеширотных возмущений, вклад в которые вносят преимущественно продольные токитокового клина (Sergeev et al., 1996).
Во-вторых, при необходимости можно скомбинироватьнесколько однопетлевых филаментарных моделей FW, чтобы смоделировать размытые впространстве токи. На практике, это может потребовать гораздо большего количестванаблюдательных данных, чем обычно имеется в наличии.87Рисунок3.2.1.МагнитныеэффектыфиламентарнойдвухпетлевоймоделиSCW2L: (а) конфигурация токов SCW2L всечении полуночного меридиана для RT1 = 15Re, RT2 = 6.6 Re; (b) среднеширотныевозмущения для I1 = 1 МА с и без петли типаR2; (c) ΔBZ возмущения вдоль линии СолнцеЗемля для петли R1 (красная), R2 (зеленая), икомбинацииR1+R2(черная);(d)распределение ΔBZ-компоненты поля вэкваториальной плоскости для моделиSCW2L.883.3Филаментарные продольные токи в сравнении с распределенными токами моделиРяд вопросов относится к выбору между моделью с филаментарными токами и моделью сраспределенными продольными токами.
Как упоминалось в гл. 2 (п. 2.1), проблемасингулярности магнитного поля вблизи тонких проволочных токов была решена ввычислительной модели FW и SCW2L путем размытия токов до трубок конечных размеров (~1Re). Характерный профиль ΔBZ вариаций поля в двухпетлевой модели представлен на рисунке3.2.1. По сравнению с исходной моделью, состоящей из одной петли типа R1 (красный контурна рис. 3.2.1a), дополнительная петля R2 дает возможность точнее локализовать фронтдиполизации и фронт инжекции плазмы во внутреннюю магнитосферу.
Роль продольных токовзаключается в том, чтобы экранировать диполизацию по бокам токового клина и ограничить еѐвнутри сектора, находящегося между петлей типа R2 и R1 (рис. 3.2.1d).Второй вопрос затрагивает радиальную ширину западного тока петли типа R2, текущегона фронте диполизации. Yang et al. (2011) оценили ширину области сжатой плазмы на фронтедиполизации величиной ~0.5 Re на расстоянии от Земли r ~ 6.6 Re. Liu et al. (2013)статистически оценили ширину области BY магнитных вариаций перед фронтом диполизации~0.8 Re на расстояниях >10–12 Re. Далее в работе будет показано, что ширина краядиполизации остается достаточно резкой (~1 Re) на протяжении всей диполизации.Основываясь на этом результате, полуширина экваториального тока петли R2 на расстоянии r =8 Re фиксировалась на величине D = 0.5 Re.Третьягруппавопросовкасаетсянеобходимостивключенияболееширокогопространственного распределения токов в азимутальном и радиальном направлениях, а такжеучета кривизны фронта диполизации.
Для исследования этого вопроса филаменты продольныхтоков петель типа R1 и R2 были искусственным образом размыты в азимутальном (а такжерадиальном и вертикальном направлениях) созданием набора из n = 5 аналогичных контуровSCW с разным азимутальным (радиальным, вертикальным) размером, но с меньшейинтенсивностью токов. Сумма токов равна полной интенсивности соответствующей петли, см.например рис. 3.3.1–4.
Далее возмущения этих модифицированных моделей сопоставлены свозмущениями в исходной филаментарной модели при одинаковой суммарной интенсивноститоков I1 и I2.На рисунке 3.3.1 представлен результат расчета профилей ΔBZ вдоль несколькихрадиальных направлений вблизи полуночного меридиана, а также долготных профилейсреднеширотных компонент магнитных возмущений (ΔH и ΔD), который показывает, что89Рисунок 3.3.1. Магнитные эффекты азимутально размытых токов в сравнении сфиламентарными для двухпетлевого токового клина шириной 60o с интенсивностью I1 = 1 МА.(a) Геометрия филаментарных (красные контура) и размытых (зеленые и черные контура) токовв проекции на экваториальную плоскость XY; (b) профиля ΔBZ-компоненты магнитныхвозмущений вдоль направлений, отмеченных разными символами на рисунке (a); (c)долготныепрофиля амплитуд наземных вариаций ΔH и ΔD на 45o исправленной геомагнитной широте(CGLat).90Рисунок 3.3.2.
Магнитные эффектыдвухпетлевоготоковогоклинаoшириной 60 , интенсивностью I1 = 0.9МАирадиальноразмытымэкваториальным током петли R1.(вверху) Геометрия токовых петель вэкваториальной(XY)имеридиональной (XZ) плоскостях;(внизу) радиальные профиля ΔBZкомпоненты магнитных возмущенийвдольнаправленияполуночногомеридиана для радиально размытого(красный)ифиламентарного(зелѐный) экваториального тока R1.Рисунок 3.3.3. То же что и на рис.3.3.2, но для токовой петли R2.91Рисунок 3.3.4. То же что на рис.
3.3.2–3,но для токовой петли с западнымэкваториальным током, размытым вдольнаправления оси Z. Красные круги наверхнем рисунке обозначают триобъѐмных трубки с током западногонаправления, одинаковой интенсивности(0.2 МА) и имитирующих вертикальноеразмытие.Чернаяокружностьпоказывает положение экваториальноготока (0.6 МА) в филаментарной версиимодели. Красный профиль на нижнемрисункепоказываетраспределениеамплитуд ΔBZ для размытых токов,черный,соответственно,дляфиламентарных.92азимутальное размытие продольных токов слабо влияет на наземные компоненты магнитноговозмущения как и на спутниковые измерения на экваторе (Z = 0).
При сопоставлении двухпрофилей на линии Солнце-Земля (Y = 0 Re) при Z = 0 и Z = 1 Re видно, что амплитуды ΔBZ идетали ΔBZ(r) профиля зависят от Z-координаты вблизи токового филамента. Однакоамплитуды ΔBZ внутри области диполизации почти однородны, область плато ΔBZ отмечена нарисунке 3.2.1d оранжево-красным цветом.Изменение радиального распределения экваториальных токов и/или размытие их ввертикальном направлении (рис. 3.3.2–4), может изменить величину максимальной амплитудыΔBZ на краях распределенных токов, но опять же в области плато внутри токового клина (рис.3.2.1d и 3.3.1b) амплитуда диполизации практически сохраняется.
Она контролируетсяинтенсивностью токовой петли типа R1 (см. рис. 3.2.1c, красная кривая), поэтому наблюденияΔBZ являются основным источником информации об интенсивности петли R1 (I1). Что касаетсяразмытия западного экваториального тока в вертикальном направлении (вдоль оси Z, рис. 3.3.4,красные кружки), то филаментарная модель с толщиной токов ~1 Re дает меньшую оценкувеличины I2. Большая оценка величины тока может быть получена, если размыть западный токвдоль Z на ширину ΔZ ~ 2 Re, то есть на полуширину экваториального хвостового тока.Связано это с тем, что при одинаковой амплитуде экваториальных токов моделей, величинаградиента BZ в случае филаментарной модели примерно в 1.5 раза больше, чем в модели сраспределенными токами. Что касается кривизны экваториального тока, приблизительноповторяющей форму фронта диполизации, то формализовать его геометрию достаточносложно, так как она формируется в процессе движения множественных BBF к Земле и ихостановки у внутренней границы плазменного слоя.
Однако кривизна линии фронтадиполизации для событий, которые будут описаны в данной работе, слабо влияет на оценкувеличины интенсивности I2 в случае еѐ расчета по данным радиальной цепочки спутников, хотяона будет играть важную роль при интерпретации наблюдений сети азимутальнораспределенных спутников.Последнее замечание касается формы и положения восточного экваториального тока впетле R1, т.
е. разрушенного тока. В отличие от фронта диполизации, достаточно трудно и едвали возможно описать сложную и динамичную структуру распределенных токов, генерируемуюмагнитным пересоединением или гипотетическим процессом разрушения тока. Поэтому в этойобласти лучше не работать. В дальнейшем, чтобы избежать интерпретации наблюденийсделанных вблизи экваториального тока R1, будет использоваться филаментарный контур R1,экваториальная часть которого будет расположена на достаточном удалении от спутниковыхнаблюдений (в данном случае на расстоянии RT1 = 15 Re).
При такой конфигурации петли R193наблюдаемые величины ΔBZ будут соответствовать области относительно однородного платовеличин ΔBZ, предсказываемых моделью.Итак, для определения параметров модели SCW2L в условиях магнитной суббури будетиспользована вычислительная версия простейшей (филаментарной) модели совместно с: (1)наблюдениями ΔBZ в приэкваториальной области (в области плато, где распределение величинмагнитных возмущений относительно однородно) для контроля интенсивности петли R1 (I1);(2) радиальной цепочкой нескольких спутников, находящихся вблизи экваториальнойплоскости, для определения положения западного тока петли R2 на фронте диполизации; (3)среднеширотными наблюдениями компонент магнитных возмущений ΔH и ΔD, для вычисленияазимутального положения и ширины токового клина (по долготному распределению величинвозмущений) и определения разностной амплитуды токов обеих петель I1–I2 (по величинам ΔHи ΔD).3.4Наблюдения стационарных фронтов диполизации в их конечном состоянииКак отмечалось выше, диполизации, переносимые быстрыми потоками плазмы (BBF),имеют узкий передний фронт (масштаба ионного гирорадиуса) и короткую длительность(минуты) (Runov et al, 2009, 2011).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
