Диссертация (1149588), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Используя записи этих камер и данные магнитометров, Акасофу в 1964г. заметил, что магнитные бухты тесно связаны с развитием авроральных свечений и поэтомуназвал это явление авроральной активацией. Однако Чепмен настоял на термине авроральнаясуббуря, который впоследствии использовался в названии работы Akasofu (1964). Позднее вобиход исследователей вошел термин магнитосферная суббуря, и в настоящее время19общепринятым является магнитная суббуря или просто суббуря.
С этого момента былопроведено большое количество исследований, которые значительно расширили нашепонимание явления суббури. Со временем стало ясно, что это явление гораздо сложнее и неимеет чѐткой структуры, так как множество распределенных по поверхности Земли и в космоседатчиков мониторинга наблюдали сложную комбинацию пространственных и временныхвариаций различных параметров.На сегодняшний день среди магнитных возмущений с разной длительностью иинтенсивностью магнитосферными суббурями принято называть часто наблюдаемый классвозмущений, который можно отличить от других по набору признаков.
Одним из такихпризнаков является брейкап — вспышка и распад дуги полярного сияния с последующимрасширением области дискретных сияний к полюсу (т.н. авроральная выпуклость, см. рис.1.1.2) со скоростью ≥1 км/с и по азимуту со скоростью ~1–2 град/мин (Akasofu, 1964).
Помимоавроральной выпуклости в области активных сияний возникают и другие крупномасштабныедискретные формы, такие как западный изгиб (Westward Traveling Surge или WTS), североюжные узкие структуры (стримеры), омега-структуры, факелы и другие (Akasofu, 1964, 2013;Keiling et al., 2012; Henderson, 2013). С развитием спутниковых систем, предоставляющихглобальные снимки сияний, а также магнитные и плазменные измерения в магнитном хвосте,стало понятно, что авроральная суббуря не является неким локальным событием, араспространяется на большие расстояния и охватывает всю магнитосферу.
В общем,магнитосферная суббуря — это глобальное возмущение, вызванное взаимодействиемсолнечного ветра и магнитосферы с загрузкой-выгрузкой магнитного потока и кинетическойэнергии плазмы в хвосте магнитосферы. Для суббурь, происходящих на фоне спокойногогеомагнитного поля (т.н. изолированные суббури), выделяют три фазы: предварительная,взрывная и фаза восстановления.Начало предварительной фазы суббури задается поворотом Межпланетного МагнитногоПоля (ММП) к югу (BZ < 0, здесь и далее имеется ввиду система координат GSM) (Coroniti andKennel, 1972), при котором на дневной магнитопаузе интенсифицируется магнитноепересоединение. Силовые линии ММП и поля земного происхождения пересоединяются вподсолнечной части магнитосферы, приводя к эрозии дневной магнитопаузы и еѐ поджатию всторону Земли при BZ < 0 (Aubry et al., 1970; Aubry and McPherron, 1971).
При пересоединениина дневной стороне образуются открытые силовые линии, которые затем через полярные шапкивместе с солнечным ветром перемещаются с дневной стороны магнитосферы на ночную. Врезультате, магнитный поток из межпланетной среды поступает в доли хвоста, таким образомувеличивая запас магнитной энергии в ночной магнитосфере, магнитное давление в долях20хвоста, а также плазменное давление в плазменном слое (ПС). Поперечный утро-вечерний токпоперек хвоста усиливается и квазидипольные линии геомагнитного поля на расстояниях до~15 Re вытягиваются. В спутниковых наблюдениях этот процесс соответствует росту |BX|- иослаблению |BZ|-компоненты магнитного поля.
Схема описанного выше процесса в хвостемагнитосферы приведена на рис. 1.1.1.В спокойные периоды, когда фоновое поле не возмущено и признаков суббури ненаблюдается, геомагнитное поле не является дипольным. Набегающий на магнитосферусолнечный ветер с дневной стороны поджимает магнитные силовые линии земного диполяближе к Земле, а с ночной стороны вытягивает их.
При этом токовый слой (ТС) относительнослаб и находится далеко от Земли, поэтому переход от дипольной конфигурации линий Земногополя к более вытянутой на ночной стороне достаточно плавный (см. схему на рис. 1.1.1). Присжатии плазменного слоя в возмущенных условиях его внутренняя граница движется ближе кЗемле вместе с поперечным токовым слоем, при этом у внутренней границы плазменного слоя r< 10 Re формируется область тонкой токовой структуры со слабым магнитным полем(несколько нТл).
Авроральные дуги, возникающие в высокоширотной ионосфере в периодыподготовительной фазы, расширяются к экватору в результате движении внутренней границыплазменного слоя к Земле и вытягивания силовых линий. Предварительная фаза, которая можетдлиться в среднем ~60 мин., характеризуется двумя ключевыми процессами: усилениемтокового слоя хвоста и запасанием магнитного потока в его долях (Petrukovich et al., 1999;Shukhtina et al., 2004).Взрывная фаза суббури высвобождает запасенную в магнитосфере энергию черезослабление поперечного тока хвоста и пересоединение силовых линий долей, которое понижаетуровень открытого магнитного потока в долях хвоста.
Начало взрывной фазы суббурипроявляется в ионосфере в виде спонтанной вспышки экваториальной дуги аврорального овала(брэйкапа), и его азимутального и полярного расширения, формирующего обширную яркосветящуюся область (Akasofu, 1964), в секторе ~20..02h местного магнитного времени (MLT)(Craven and Frank, 1991). На западном краю ярких сияний образуется западный изгиб, которыйдвижется в западном направлении со скоростью несколько км/сек (Opgenoorth et al., 1998), атакже связан с интенсивным продольным током, вытекающим на вечерней стороне (Sergeev etal., 1996).
Восточнее WTS формируется авроральная выпуклость и область диффузных сияний,которые увеличиваются в азимутальном размере и расширяются к полюсу. На рисунке 1.1.2приведена схема развития авроральных проявлений взрывной фазы суббури.21Рисунок 1.1.1. Характерные признаки Рисунок 1.1.2. Развитие авроральных сияний впредварительной фазы суббури (McPherron et период взрывной суббури:a) слабыеal., 1973a).авроральные арки дрейфуют к экватору; b) вмомент взрыва самая низкая по широте аркавспыхивает; c) засветившаяся арка расширяетсяи формирует WTS; d) распространениеактивности на утреннюю сторону; e) началофазы восстановления; f) возврат к спокойнымусловиям (Akasofu, 1968).22Одним из следствий сжатия плазменного слоя и пересоединения в ближнем хвосте впериод взрывной фазы суббури становится разрушение части тока хвоста и формированиекрупномасштабной токовой системы суббури – токового клина суббури (петля R1, SubstormCurrent Wedge или SCW) о котором в дальнейшем и пойдет речь (рис.
1.1.3). Токовый клинявляется частью разрушенного утро-вечернего тока хвоста в утреннем (восточном) сектореперенаправленной вдоль силовых линий в ионосферу (втекающий продольный ток),протекающего в высоких широтах в виде западного электроджета (токовой струи), ивозвращающегося в вечерний (западный) сектор хвоста магнитосферы в виде вытекающегопродольноготока(переносимогоускореннымимагнитосфернымиэлектронами).Формирование SCW в области ближнего хвоста сопровождается диполизацией силовых линийгеомагнитного поля, то есть усилением Bz-компоненты магнитного поля в секторе развитияэтой системы. В первые минуты взрывной фазы суббури область диполизации представляетсобой локализованную область с резко увеличенной Bz-компонентой магнитного поля, размеркоторой с развитием суббури увеличивается как радиально, так и азимутально (Ohtani et al.,1991).Кроме геометрических изменений хвоста, авроральных свечений и разрушенияхвостового тока взрывная фаза суббури также сопровождается появлением высокоскоростныхпотоков плазмы в ПС, направленных к Земле и определенных как нестационарные струйныетечения (‗bursty bulk flows‘ (BBF)) (Angelopoulos et al., 1992).
Эти спорадические потокиплазмы имеют в поперечнике (вдоль оси YGSM) размер ~2–3 Re и 1.5–2 Re в направлении ZGSM(Sergeev et al., 2004; Nakamura et al., 2004) и играют важную роль в развитии взрывной фазысуббури, являясь основным средством переноса магнитного и плазменного потока (70–80%) вхвосте магнитосферы (Angelopoulos et al., 1992). На фронте каждого BBF‘а существует тонкаяграница (порядка ионного гирорадиуса, ~800–2000 км), называемая фронтом диполизации(dipolarization front или DF). В области, лежащей за DF, Bz-компонента магнитного поля резкоувеличивается, в то время как плазменная плотность и давление понижаются. По сути, BBFпредставляет собой недогруженную плазмой диполизованную магнитную трубку, переносимуюбыстрым потоком плазмы.
Перед фронтом диполизованной трубки, в головной части BBF‘а,фоновая плазма сжимается на 25–50% (в зависимости от расстояния (Dubyagin et al., 2010)), чтонаблюдается спутниками за 1–2 минуты до прихода фронта диполизации. Причиной BBF,диполизацийиобразованияавроральноговыступаявляетсяпроцессмагнитногопересоединения, перерабатывающий накопленный в период предварительной фазы магнитныйпоток (Yahnin et al., 2006b). Проникновение BBF во внутреннюю магнитосферу сопровождаетсядестабилизацией слоя и генерацией разных мод колебаний Grigorenko et al. (2014).23Рисунок 1.1.3.
Kamide and Baumjohann (1993):(верху) разрушение части хвостового тока иего перенаправление в ионосферу Земли;(внизу) изменение геометрии хвоста.24Используя трѐхмерное МГД моделирование, Birn et al. (2009) подтвердили факт того, чтоуменьшение энтропии трубки⁄∫(где p – плазменное давление,∫⁄–объем магнитной трубки с единичным потоком, и γ = 5/3 – показатель адиабаты (Wolf et al.,2006)) является ключевым фактором, определяющим глубину и скорость проникновениянедогруженных трубок при их движении к границе внутренней магнитосферы. Dubyagin et al.(2011) проанализировав данные спутников THEMIS (Angelopoulos et al., 2008) по 147диполизациям, экспериментально подтвердили этот факт. Анализ временных вариаций BZкомпоненты поля, возникновения и эволюции быстрых потоков плазмы с положительными BZ(Birn et al., 2011), а также развития токового клина и его связи с потоками плазмы из хвостамагнитосферы (Birn et al., 2013) показал, что каждая струя плазмы генерирует аналог токовогоклина, который включает в себя ослабление поперечного тока хвоста и его перезамыканиечерез продольные токи типа R1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
