Диссертация (1149588), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Указаныдостоинства и недостатки этих моделей, которые потребовали разработки современной модели,обладающейбольшейгибкостью,реалистичностьютоконесущихсиловыхлиний,свозможностью определения еѐ параметров из наземных наблюдений и еѐ способностьюрассчитывать распределение амплитуд магнитных возмущений, как на поверхности Земли, так12и в космосе. В разделе 1.4 описана интерпретационная модель токового клина IW (Sergeev etal., 1996), с помощью которой методом решения обратной задачи на основе среднеширотныхмагнитных измерений определяются параметры SCW: положение долгот продольных токов иих интенсивность, а также затронуты вопросы выбора уровня отчета магнитных возмущений ипрограммной реализации решения обратной задачи. Рассмотрены простые методы учетаэффектов индукционных токов, влияющих на вертикальную компоненту магнитныхвозмущений поля, проблемы метода инверсии при определении азимутов продольных токов, атакжеэффектысолнечно-суточнойвариацииприинтерпретациисреднеширотныхгоризонтальных компонент магнитных возмущений.
В разделе 1.5 сформулированы задачинаучного исследования.Во второй главе описана расчетная модель однопетлевой филаментарной токовойсистемы FW, предложенная Н.А. Цыганенко — первая модель, с реалистичной геометриейпродольных токов ограниченной толщины, интенсивность и положение которых может бытьполучено из среднеширотных измерений горизонтальных компонент магнитных возмущений иинтерпретационной модели IW. В главе также приведены результаты тестированияоднопетлевой исходной модели путем статистического сравнения предсказываемых магнитныхэффектов SCW на геостационарных спутниках GOES с реальными наблюдениями вариациймагнитной компоненты ΔBz. В разделе 2.1 дано описание алгоритма построения контуроводнопетлевой модели FW, продольные токи которой текут вдоль силовых линий, рассчитанныхс помощью магнитосферной эмпирической модели внешних источников поля T89 (Tsyganenko,1989) и модели внутренних источников IGRF. Конфигурируется модель FW параметрами,контролирующими азимутальное положение, интенсивность, объем и форму токов SCW, атакже расстояние до экваториальной части токового клина.
В разделе 2.2 описан алгоритмвыбора объема силовых токовых трубок и метод расчета генерируемого ими магнитного поля.Раздел 2.3 посвящен описанию основных настроек магнитосферной модели FW в которыевходит: определение основных входных параметров магнитосферной модели с помощьюбыстрой интерпретационной модели IW (раздел 2.3.1); сопряжение ионосферных имагнитосферных долгот продольных токов в модели FW с помощью метода последовательныхприближений (раздел 2.3.2); задание геоцентрического расстояния до экваториальногосегмента токовой петли R1 (параметр RT1), определяемое методом триангуляции по даннымспутника Geotail и группы спутников Cluster (Sergeev et al., 2011a), расположенных в разныхобластях хвоста и чувствительных к разным частям токовой системы (раздел 2.3.3);определение степени вытянутости силовых линий продольных токов модели, определяемой изнаблюдений геостационарных спутников внутри токового клина (раздел 2.3.4).
В разделе и его13подразделах показано, что: (1) RT1 ~ 14 Re в начале взрывной фазы суббури и ~20 Re в конце,при этом интенсивность токового клина, определенная методом триангуляции, в 1.5..2 разабольше интенсивности, рассчитанной по наземным данным в период усиления взрывной фазы;(2) отношение модельных и наблюдаемых компонент магнитного поля (ΔBx и ΔBz) в доляххвоста систематически отличаются при этом модельные компоненты поля примерно в 2 разаменьше наблюдаемых (Sergeev et al., 2011а); (3) модели FW и IW для построения контуратокового клина используют разные модели магнитосферного поля, и геометрия силовых линийв моделях может заметно отличаться.
В последнем случае долготы продольных токов,определяемые из среднеширотных измерений магнитного поля, не соответствуют долготам,задаваемым в магнитосфере, поэтому необходима численная процедура, позволяющая привестидолготы в соответствие друг другу. В разделе 2.4 приведены результаты сравнения наблюденийспутников Cluster с прогнозом модели FW (Sergeev et al., 2011a). Было показано, что отношениенаблюдаемых и предсказываемых компонент магнитных возмущений (BOBS/BMOD) можетдостигать в среднем величины ~1.5.
В разделе 2.5 представлены результаты моделированияэффектов SCW на геостационарных спутниках GOES с помощью однопетлевой модели FW.Описаны результаты статистического сравнения наблюдаемых и предсказываемых модельюамплитуд возмущений ΔHMOD и ΔHOBS, а также приведено их статистическое распределениеотносительно азимутального сектора SCW. Показано, что (1) в периоды интенсивных суббурьамплитуды магнитных вариаций значительно и систематически отличаются друг от друга, всреднем HOBS/HMOD ~ 2, причем величина этого отношения зависит от времени суббури имагнитной геометрии хвоста магнитосферы перед началом взрывной фазы; (2) областьдиполизации находится во внутреннем секторе SCW, а амплитуды наблюдаемых возмущенийвблизи его центральной долготы в среднем на 20–25% больше предсказываемых.
В разделе 2.6обсуждаются результаты главы, которые в целом показали, что несоответствия амплитудмагнитных возмущений можно объяснить эффектами дополнительной токовой системы (петлитипа R2), образующейся на фронте инжекций плазмы, движущихся из хвоста магнитосферы кЗемле. При достижении области интенсивного квазидипольного магнитного поля, ускоренныйпоток плазмы останавливается, образуя пик давления на границе с вытянутыми силовымилиниями поля и, обтекая эту границу в азимутальном направлении, генерирует дополнительнуюпетлю типа R2 обратной к петле типа R1 полярности.
Другими словами, втекающий вионосферу продольный ток петли R2 расположен в западной части ночной магнитосферы,вытекающий — в восточной, при этом оба тока замыкаются в экваториальной плоскости током,текущим с утра на вечер. Генерация дополнительной токовой петли обратной к токовому клинуполярности становится причиной подавления наблюдаемой геостационарными спутниками Bzкомпоненты магнитного поля внутри долготного сектора петли R2.14Третья глава посвящена описанию и тестированию усовершенствованной однопетлевоймодели FW до двухпетлевой модели SCW2L по данным среднеширотных и спутниковыхмагнитных измерений. Выбор двухпетлевой модели физически обосновывается результатамиМГД моделирования пересоединения в хвосте магнитосферы (Birn and Hesse, 1999; Birn et al.,2014) и моделирования инжекций плазмы с помощью самосогласованной модели RiceConvection Model (RCM-E) (Yang et al., 2012).
В разделе 3.1 обсуждаются две конфигурациидвухпетлевого токового клина. Одна из конфигураций представляет собой азимутальные петлитипа R1 и R2, контура которых в магнитосфере замыкаются экваториальными токами,текущими с вечера на утро и, соответственно, с утра на вечер, а в ионосфере западным ивосточным электроджетами (Sergeev et al., 2014а; Birn et al., 2014). Вторая конфигурациядополняет первую наличием петель, замыкающихся в меридиональной экваториальнойплоскости, а также в вертикальной плоскости, пересекающей плазменный слой (Birn et al.,2014). Обосновывается выбор модели с двумя азимутальными петлями, замыкающимисяазимутальными токами, как в ионосфере, так и в магнитосфере.
В разделе 3.2 кратко описанынастройки модели SCW2L, необходимые для решения обратной задачи по данным спутниковыхи наземных наблюдений: азимутальное положение токов R1 и R2, дополнительные параметрымодели, описывающие характеристики петли типа R2 и включение эффектов индукционныхтоков в расчеты. В разделе 3.3 обсуждается выбор между проволочной моделью сконцентрированными объемными токами и моделью с токами размытыми по азимуту,меридиану и в направлении вертикальной оси Z. На основе расчетов радиальных профилейΔBz-компоненты магнитного поля в ближнем хвосте магнитосферы показано, что эффектыразмытия токов SCW существенны только в непосредственной близости от этих токов. Дляколичественного описания амплитуд магнитных возмущений на поверхности Земли и вкосмосе, а также оценок величин деформаций геомагнитного поля, достаточно простейшеймодели с филаментарными объемными токами.
Раздел 3.4 посвящен тестированиюдвухпетлевой модели SCW2L на основе данных спутниковых и среднеширотных наземныхнаблюдений. Программно реализовано решение обратной задачи с использованием моделиSCW2L и данных о вариациях Bz-компоненты магнитного поля, наблюдаемых радиальнойцепочкой спутников THEMIS и GOES внутри азимутального сектора SCW (в областидиполизации).
В периоды двух слабых суббурь рассчитано положение экваториального токапетли R2 (RT2 ~ 8.6 и 9.6 Re), интенсивности продольных токов обеих петель (I1 ~ 0.29 и 0.11MA, I2 ~ 0.09 и 0.05 МА) и их отношение (I2/I1 ~ 0.3 и 0.5). Отношение интенсивностей токовявляется важной характеристикой токовой системы суббури при интерпретации наземныхвозмущений, так как среднеширотные магнитные возмущения чувствительны к суммарномуэффекту обеих петель (I1-I2), в то время как вариации магнитного поля на спутниках,15находящихся в области диполизации, контролируются преимущественно интенсивностьюпетли R1 (I1).
В разделе 3.5 отбирались события разной интенсивности при разныхмагнитосферных конфигурациях хвоста. Исследовались те события, в которых радиальносопряженные спутники GOES и THEMIS в период с 2008 по 2010 год находились внутридолготного сектора SCW. Анализ наблюдаемых амплитуд ΔBz-компонент поля на этихспутниках показал следующее. (1) Наблюдаемые амплитуды диполизаций на расстояниях 6.6Re и ~11 Re примерно в 1.5..5 раз больше модельных оценок, сделанных по данным наземныхсетей. (Связано это с уменьшением горизонтальных наземных компонент поля на величину f =I1/(I1-I2), варьирующуюся от 1.5..5 со средним значением 2, под воздействием токовых петельR1 и R2 разных полярностей). (2) Экваториальное положение токов петли R2 зависит отинтенсивности суббури (RT2 < 6.6 Re для сильных возмущений и RT2 ≥ 6.6 Re для возмущенийслабого и среднего уровня).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
