Диссертация (1149588), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Диполизации же связанные с генерацией SCW вовнутренней магнитосфере (например, у геостационарной орбиты) несколько отличаются. Ониимеют более длительное время жизни порядка 10–30 мин и бухтообразное возмущение BZнапоминает положительные бухты северной компоненты магнитного поля, наблюдаемый насреднеширотных наземных станциях. Эти диполизации могут быть результатом комбинацииэффектов нескольких событий переноса потока плазмы из хвоста магнитосферы к внутреннейгранице плазменного слоя, но могут также включать вклад иных процессов. В данномпараграфе будет рассмотрена радиальная структура таких бухтообразных диполизаций(имеющих отношение к эффектам SCW), при которых фронт диполизации достигает ближней кЗемле области магнитосферы.Ниже представлены два уникальных события, в течение которых несколько спутниковGOES и THEMIS были расположены вдоль радиального профиля и перекрывали стационарныйфронт диполизации; подобных наблюдений ранее не публиковалось.
Орбиты спутников впериоды развития событий 8 Апреля 2009 г. представлены на рис. 3.4.1, на котором такжепоказано поведение компонент поля BX и BZ, наблюдаемых спутниками THEMIS, HPкомпоненты (аналогичной BZ-компоненте поля в сферической системе координат) на94Рисунок 3.4.1. Наблюдения события 8Апреля 2009 г. радиальной цепочкойспутников GOES и THEMIS. (сверху вниз):Траектории спутников в проекции наплоскость XY (GSM); их положение вмоменты начал взрывной фазы суббури (T0= 06:57 UT и T0 = 08:48 UT) отмеченысимволами; BX-компонента вариаций наспутниках P1, P2 и P3; BZ-компонентавариаций на P1-P4 спутниках THEMIS и Hкомпонентавозмущенийнагеостационарном спутнике GOES-11 (G-11)и наземной станции UKIA, наблюдаемаявблизи одного и того же магнитногомеридиана.
Вертикальная красная линия наверхнемрисункеотмечаетобластьостановкифронтадиполизации,определенного из плазменных наблюденийи решения обратной задачи для моделиSCW2L.Примечание: обозначения спутниковTHEMISP1-5 соответствуют их названиямв следующем порядке THEMIS-B (THB,P1), THEMIS-C (THC, P2), THEMIS-D(THD, P3), THEMIS-E (THD, P4) иTHEMIS-A (THA, P1).95геостационарном спутнике GOES-11 (G-11) и наземной станции UKIA.
Все наблюдения былипроведены вблизи одной магнитной долготы. На рисунке видны два одинаковые бухтообразныхвозмущения в BZи HP-компоненте (диполизации) длительностью 30–40 минут: перваяактивизация началась в ~06:57 UT, вторая в ~08:48 UT. В течение первой диполизации всечетыре спутника THEMIS (P1 – P4) были расположены группой на расстоянии r ~ 11 Re и всеони наблюдали бухты амплитудой ~15 нТл примерно одинаковой формы. Немного меньшаяамплитуда возмущений наблюдались на UKIA (~10 нТл) и значительно меньшая на G-11 (~5нТл). В течение второго события в результате радиального движения THEMIS в направленииЗемли и восточного движения G-11, спутники в ~9 UT выстроились в радиальную цепочкувдоль меридиана 23.5 ч.
MLT. Исходя из малой величины BX-компоненты наблюдаемогомагнитного поля, спутники THEMIS находились вблизи магнитного экватора. Магнитныебухты на P2, P3, P4, G-11 и станции UKIA выглядят также как и в предыдущем событии.Однако на спутнике P1 диполизации не было, но наблюдались слабые флуктуации на фонеплавного роста BZ, вызванного движением спутника в область сильного геомагнитного поля(движением в направлении Земли). Это означает, что фронт диполизации остановился междуспутником P1 (на r ~ 7.5 Re) и P2 (на r ~ 8.6 Re) и оставался в этой области на протяжении всех40 минут развития положительной магнитной бухты.Рисунок 3.4.2 подкрепляет это предположение, показывая признаки инжекции частиц,которая наблюдалась одновременно на всех спутниках THEMIS.
В частности, в течение второгособытия было зарегистрировано только умеренное увеличение потока на спутнике P1, однакоинжекции не было, что соответствует отсутствию диполизации на этом спутнике; плавный ростпотока частиц связан, вероятнее всего, со сжатием основной популяции частиц плазмы.Спектрограммы частиц на рис. 3.4.2 иллюстрируют тесную связь между диполизацией иинжекциями плазмы во внутреннюю магнитосферу, отражая оба явления в виде резкой границыв одной и той же области между спутниками P2 и P1 (радиально разнесенных друг от друга на~1 Re). Также спектрограммы показывают, что P1 на протяжении всего события остаетсявнутри плазменного слоя, т.
е. в этом случае инжекция плазмы не достигает внутреннейграницы плазменного слоя.Приведенные на рис. 3.4.3 вариации магнитного поля с вычтенным уровнем фоновогополя IGRF демонстрируют выбор уровня отчета (взятый за пару минут до момента началадиполизации), и резкое возрастание BZ-компоненты поля (за исключением спутника P1, накотором вариации поля были слабы на фоне магнитных пульсаций). При численном решенииобратной задачи нахождения параметров токовой системы игнорируются первые несколькоминут взрывной фазы суббури, когда на фоне роста диполизации доминируют турбулентные96Рисунок 3.4.2.
(сверху вниз) Ионные иэлектронныеспектрограммы,полученные с электростатическогоанализатора (ESA) и твердотельноготелескопа (SST) на спутниках P1 (THB),P2 (THC), и P3 (THD) 8 Апреля 2009 г.Рисунок3.4.3.BZ-компонентамагнитных вариаций с вычтеннымуровнем фонового геомагнитного поля(IGRF) на спутниках P1-P3 и G-11 8Апреля2009г.Вертикальнаяпунктирная линия отмечает моментначалавзрывнойфазысуббури;закрашенная вертикальной полоскойобласть отмечает временной интервал,используемый при решении обратнойзадачи для этого события.97флуктуации магнитного поля, которые в следующие 10 мин затухают при достижении пикадиполизации. На нижнем рисунке 3.4.4приведенрадиальныйпрофильамплитудыдиполизации. На нем четко выделяется локальный минимум в области спутника P1,соответствующий ожидаемому положению экваториального тока R2 (для сравнения, натеоретическом профиле ΔBZ на рис.
3.2.1c и 3.3.1b в месте нахождения тока R2 наблюдается таже картина). С помощью анализа среднеширотных бухт возмущений были полученымагнитные долготы продольных токов SCW вблизи пика взрывной фазы PW ~ -27o и PE ~ 38o(SM), так что все спутники находились внутри азимутального сектора токового клина (см.верхний рисунок 3.4.4).После того как положения токов обеих петель были найдены, с помощью решенияобратной задачи определялись оставшиеся неопределенные параметры модели SCW2L.
Дляэтого перебирались значения нелинейного параметра RT2 в промежутке от 5.5 Re до 11 Re сшагом 0.1 Re и на каждом шаге определялись оптимальные значения параметров I1 и I2, прикоторых минимизируется величина невязки S∑(3.4.1)∑ (()() )Здесь индексы i и j–номера спутника и наземной станции, индексы «obs» и «mod» обозначают,соответственно, наблюдаемое и модельное поле, коэффициент С – поправка на эффектыиндукционных токов.
Для того чтобы найти минимум функции S (I1, I2,RT2), в выражении 3.4.1модельные величины поля на каждом шаге раскладывались на сумму(3.4.2)где I1 и I2– искомые интенсивности, аи– величина модельных вариаций поля,создаваемых токовыми петлями с интенсивностями I1 = 1 МА и I2 = 1 МА, соответственно.Затем вычислялась производная функции невязки, и далее определялись такие I1 и I2, прикоторых производные равны нулю, то есть находился экстремум функции S через производную98Рисунок3.4.4.(сверхувниз)Проекция положений спутников ипродольных токов SCW2L наэкваториальнуюплоскостьXY(GSM) в момент времени T0 = 08:48UT;радиальныйпрофильнаблюдаемых амплитуд магнитныхвариаций (в BZ и наземной Xкомпонентах),совмещенныхспредсказываемымиамплитудами,рассчитаннымимоделямиFW(черная пунктирная линия) и SCW2L(красная сплошная линия).99(3.4.3)В анализе использовались наблюдения BZ на спутниках THEMIS (P1-P4) и G-11 (i = 5) исреднеширотные X и Yкомпоненты поля с трех наземных станций (j = 3), распределенных подолготе.
Результаты подбора параметров приведены на рис. 3.4.4 (вверху). В случае второгособытия Т0 = 08:48 UT минимум невязки достаточно хорошо был определен. Соответствующиевеличины параметров для этой суббури RT2 = 8.6 Re, I1 = 0.29 МА и I2 = 0.09 МА, а отношениятоков I2/I1 ~ 0.3.На рис. 3.4.5 приведены наблюдения магнитных компонент возмущений в другомсобытии. Конфигурация спутников перед началом диполизации/инжекции (~08:30 UT) былааналогична расположению спутников в предыдущем случае, с одним только отличием, чтоспутник P1 был на расстоянии r ~ 8.2 Re вблизи электронной границы плазменного слоя ирасстояние между P1 и P2 было около 1.9 Re. Аналогично предыдущему событию, спутникнаходящийся ближе к Земле (P1) не наблюдал ни инжекций плазмы, ни диполизаций, в товремя как подобные признаки суббури наблюдались дальше в хвосте на спутниках P2, P3 и P4(см.
нижний рис. 3.4.5 и рис. 3.4.6). Магнитное поле на G-11 было квазидипольным (BZ ~ 94нТл) перед началом взрывной фазы, а величина аврорального индекса активности ΔAL ~ 60нТл. Для сравнения, аналогичные признаки диполизации для 8 Апреля были, соответственно,BZ ~ 94 нТл и ΔAL ~ 60 нТл. Для события 4 Апреля наилучший набор параметров, найденныйдля модели SCW2L, был: RT2 = 9.6 Re, 1 = 0.11 MA, I2 = 0.05 MA и отношение I2∕I1 ∼ 0.5.В обоих событиях амплитуды диполизаций на спутниках P3 и P4отличались, несмотря нато, что они находились примерно на том же радиальном расстоянии. Вероятнее всего этовызвано долготной разницей между положением спутников (P4 находился ближе к западномупродольному току SCW, чем спутник P5, см.
рис. 3.4.4) и упрощѐнная модель токового клина неможет корректно воспроизводить эффекты токов в их непосредственной близости.В заключении стоит отметить, что черная пунктирная линия на нижнем рис. 3.4.4 иверхнем рисунке 3.4.5 иллюстрирует радиальный профиль амплитуд возмущений ΔBZ,рассчитанный однопетлевой моделью FW при решении обратной задачи и с условиемотсутствия петли типа R2 (I2 = 0 МА). При сравнении с предсказанным профилем SCW2L100Рисунок3.4.5.Радиальныйпрофильнаблюдаемыхимодельных амплитуд ΔBZ и ΔX (вмагнитосфере и на поверхностиЗемли, соответственно) в моментвремени T0 = 08:41 UT (вверху) ивременныхвариацийэтихкомпонент с вычтенным фоновымгеомагнитным полем IGRF 4Апреля 2009 г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
