Диссертация (1149588), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Автор построил токовую систему с продольными токами необходимой геометрии спомощью деформаций двух колец с током, а именно, их смещения на ночную сторону,наклонения их относительно экваториальной плоскости (поворот вокруг оси X), небольшоговытягивания в направлении хвоста магнитосферы и размытия токовых контуров вограниченном объеме (см. рис. 1.3.2). С помощью этой модели в комбинации с эмпирическоймоделью фонового поля (Tsyganenko, 1996) автору удалось спроецировать в ионосферу наборконцентрических кругов в экваториальной плоскости и показать авроральную выпуклость,формирующуюся в пределах азимутального сектора SCW (в области диполизации) (см.
рис. 6 и7 в Tsyganenko (1997)). Однако данная модель не могла аккуратно описать наземную частьвозмущений и не обладала достаточной гибкостью и реалистичностью токовых контуров,которые необходимы для решения обратной задачи.Бахмина и Калегаев (2008) для расчетов магнитного поля продольных токов вмагнитосфере использовали аналитическую модель частично-кольцевого тока, в которойпродольные токи имели противоположную SCW полярность, текли вдоль дипольных силовыхлиний, и которые замыкали кольцевые участки токового контура в экваториальной иионосферной части. Авторы получили аналитическое выражение для расчета векторамагнитного поля, генерируемого SCW, однако данная модель имеет важный недостаток при34Рисунок1.3.1.Картиныискаженийгеометрии силовых линий ближнего хвостамагнитосферы и соответствующие имавроральные формы (Vasilyev et al, 1986).Рисунок 1.3.2. Трехмерная картина построенияпростой модели SCW: a) кольцо с током вэкваториальной плоскости; b) комбинация двухколец с током, обеспечивающих прототипмагнитного поля для модели токового клина; с)контура электрических токов в модели SCW,полученные размытием и вытягиванием токовдвухпетлевого прототипа на рисунке b)(Tsyganenko, 1997).35применении еѐ к моделированию глобальных эффектов токового клина – дипольность силовыхлиний.В 90-х годах, развивая метод инверсии, предложенный Horning et al.
(1974), Sergeev et al.(1996a) разработали интерпретационную модель (IW). Модель способна оценивать основныепараметры токовой системы суббури (величину и азимутальное положение продольных токов)с помощью наземной среднеширотной цепи станций (см. табл. 1.3.1), при этом учитывалавклады других крупномасштабных токовых систем. Эту модель Sergeev et al. (1996)использовали для расчета и сопоставления положений долгот продольных токов с краямиавроральной выпуклости, полученными из снимков спутника Viking. Используя данные 9событий, авторы показали соответствие вытекающего продольного тока и положения западногокрая авроральной выпуклости (см.
рис. 1.3.3) и оценили точность определения положениядолгот SCW ~0.5 MLT. Vagina et al. (1996), используя модель IW и метод инверсии, сравнилиположение SCW с диполизациями и бездисперсными инжекциями плазмы, регистрируемымиспутниками GOES и LANL на геосинхронной орбите. Авторы показали магнитнуюсопряженность азимутального сектора SCW с локализованной областью диполизации, которыесопровождаются синхронным увеличением потоков энергичных протонов и электронов.Модель с более реалистичными продольными токами, текущими по силовым магнитнымлинияммоделиТ89(Tsyganenko,1989)(http://geo.phys.spbu.ru/~tsyganenko/T89c.html),использовали Козелов и Козелова (2003) для оценки геометрических изменений ближнегомагнитосферного хвоста. Используя эту модель и данные спутника CRRES авторырассматривали характер движения заряженных частиц в области (5–12 Re), а также решалиобратную задачу по наблюдениям спутника CRRES, и восстанавливали параметры токовойпетли.В следующем разделе будет подробнее описана интерпретационная модель, которая иныне используется нами при диагностике магнитосферных процессов в периоды взрывнойфазы суббури.1.4Интерпретационная модель токового клина (IW)Модель IW включает в себя три токовые системы (см.
рис. 1.4.1): симметричныйкольцевой ток (DR), токовый клин суббури (SCW) и частично-кольцевой ток (DRP). Частичнокольцевой ток замыкается на уровне ионосферы восточным электроджетом (протекающим на36Таблица1.3.1.Списоксреднеширотныхстанций,используемых при решенииобратной задачи в работеSergeev et al. (1996a).Рисунок1.3.3.Примерсопоставления UV-снимков соспутникаVikingирассчитанныхположенийвтекающего и вытекающего вионосферу продольных токовSCW (Sergeev et al., 1996).Рисунок 1.4.1.
Интерпретационнаямодель токовой системы суббури (IW),включающая в себя токовый клин,кольцевой и частично-кольцевой токи,а также учитывающая азимутальноеразмытие продольных токов (5o)(Sergeev et al., 1996; Vagina et al., 1996).37660 CGLat), а кольцевой ток представляет собой тонкое кольцо радиуса 6 Re с токомзападного направления.Модель внутренних источников магнитного поля International Geomagnetic Reference Field(IGRF, http://www.ngdc.noaa.gov/IAGA/vmod/igrf.html) использовалась при трассированиисиловых линий, несущих продольные токи, при этом магнитные эффекты внешних источниковполя не учитывались. Трассирование осуществлялось из точек плазменного слоя на R = 6 Re навысоту 110 км. Для уменьшения расчетного времени при решении обратной задачи строились360 элементарных токовых клиньев c азимутальным раствором 1o и западным электроджетом,протекающем на 66o CGLat.
На каждой среднеширотной станции с помощью интегрированияпозаконуБио-Савара-Лапласапредварительновычислялисьамплитудымагнитныхвозмущений, вызываемых одноградусными токовыми клиньями с интенсивностью I = 1 МА,которые затем при решении обратной задачи суммировались. Интерпретационная модельвключает в себя 7 свободных параметров: 3 линейных (интенсивности токовых систем ISCW, IDRPи IDR), и 4 нелинейных (долготы продольных токов токового клина и частично-кольцевого токаPW, PE, PN и W – угловая ширина DRP тока). Магнитное возмущение на каждой станции вмодели IW представляется в виде:,(1.4.1)где индексами i и j указаны, соответственно, станция и горизонтальная компонента магнитногополя (ΔН или ΔD). Обратим внимание на то, что эффекты индукционных токов, которыеувеличивают горизонтальные компоненты вариаций поля, при решении обратной задачи неучитывались.
Влияние индукционных токов и положения западного электроджета рассмотренов работе Vagina et al. (1997), в которой авторы оценили интенсивность западного электроджета(IAEj) с помощью высокоширотной цепочки наземных магнетометров по алгоритму,предложенному Kotikov et al. (1987). Сравнение величины IAEj с током SCW (ISCW),вычисленным с помощью метода инверсии дало зависимость ISCW / IAEj = 1.59 +0.11 • (66-Ф).Для электроджета, протекающего на широте Ф = 66o CGLat, это отношение составляет ISCW /IAEj = 1.59.
По порядку величины полученная оценка согласуется с ранними расчетамиMareschal and Kisabeth (1977), сделанными для сферической Земли и внешнего источника поля,аналогичного SCW. Таким образом, оценки ISCW в рамках моделирования эффектов токовогоклина можно скорректировать на коэффициент 1.6. В наших вычислениях мы учитывали этоткоэффициент для расчета интенсивности и использовали только горизонтальные компонентывариаций поля ΔH и ΔD, регистрируемых станциями на широтах от 20o до 50o, расширяяобласть широт при слабом уровне возмущений до 56o.38В периоды взрывной фазы суббури основной вклад в наземные возмущения магнитногополя,регистрируемыеназемнымистанциями,даѐтсовокупностьэффектовтрѐхкрупномасштабных токовых систем, описываемых семью свободными параметрами.
Выборсреднеширотных станций, которые находятся на достаточном удалении от высокоширотнойчасти SCW, позволяет абстрагироваться от размытия западного электроджета и продольныхтоков при решении обратной задачи. (Более подробно этот вопрос будет рассмотрен в Гл. 3, п.3.3). Перебором нелинейных параметров модели IW вычисляется невязка наблюдаемых ипредсказываемых моделью компонент магнитных возмущений:√ ∑(1.4.2)где N – количество станций, а индексы «obs» и «mod», соответственно, наблюдаемое имодельное поле.
Для вычисления невязки необходимо первоначально определить моментначала взрывной фазы суббури (Т0). Время T0 определяется с помощью AE- (AL-)индексаавроральной активности, который в момент начала взрывной фазы резко возрастает (убывает)(см. пример на рис. 1.4.2, моменты Т0 отмечены вертикальными линиями). Затем момент началабухтообразных возмущений определяется в магнитограммах среднеширотных станций (см.пример на рис. 1.4.3). Величина магнитного поля в момент Т0 на магнитограммах считаетсяуровнем отсчета амплитуды бухтообразных возмущений ΔH и ΔD. Вычитая из наблюдаемых Hи D-компонент магнитного поля (в период взрывной фазы) величину уровня отсчета(отмеченного на магнитограммах станций горизонтальными линиями), мы получаемнаблюдаемые ΔHOBS и ΔDOBS, которые затем сравниваются с модельными ΔHMOD и ΔDMOD,предсказываемыми моделью IW. Пример вычисления параметров модели IW приведен нарисунке 1.4.4.Определение параметров SCW по наземным данным имеет свои погрешности.
Одной изних является меняющееся от года к году магнитное поле Земли. Конфигурация магнитногополя Земли со временем меняется, соответственно, меняется и геометрия одноградусныхэлементарных токовых клиньев (о которых упоминалось выше), а, следовательно, и ихназемные эффекты. На рисунке 1.4.5 приведена совокупность расчѐтов линейных и нелинейныхпараметров SCW для трѐх суббурь разной интенсивности 2 октября 2006 года с использованием«элементарных» магнитных эффектов SCW рассчитанных для эпохи 2000 (синие кружки) и2008 (красные точки) годов. Максимальное изменение определяемого значения интенсивностиISCW для слабого события составило не более 0.04 МА (~20%), для средней интенсивности не39Рисунок 1.4.2.
АЕ-индекс для событий02/10/2006. Чѐрными линиями отмеченыначала трѐх последовательных суббурьнебольшой интенсивности (Т0 ≈ 5:10 UT) и(Т0 ≈ 6:15 UT) и средней (Т0 ≈ 7:15 UT).Моменты начала суббурь совпадают срезким подавлением AL-индекса и резкимвозрастанием АЕ.Рисунок 1.4.3. Пример магнитограммсреднеширотных станций (Sergeev et al.,1996a).Рисунок 1.4.4. Наблюдаемые (сплошныекривые) и модельные (пунктирные кривые)долготные профиля ΔH- и ΔD-компонентдля события 24/07/1986 (Sergeev et al., 1996).Вертикальнымилиниямиотмеченыположения продольных токов (PW и PE).40Рисунок 1.4.5.
Параметры SCW длясуббурьразнойинтенсивности,вычисленныеспомощьюпредварительнорассчитанныхмагнитныхвариаций,создаваемыходноградусными токовыми петлями в2000 (синий) и 2008 (красный) годах. Погоризонтальной оси отложено времявзрывной фазы суббури ΔТ (=Т1-Т0).41более 0.02 MA (~10%), и не более 0.03 МА (<3%) для событий сильной возмущенности.Расхождение оцененных долгот западного и восточного края SCW во всех случаях, можетдостигать ~150 (~1h MLT) солнечно-магнитной долготы (SMLon). Вывод, который следует извышесказанного, заключается в том, что необходимо пересчитывать «элементарные» эффектыодноградусных токовых петель для выбранного интервала времени, в течение которогоосновное магнитное поле изменится незначительно.
В нашей работе рассматривались события впериод с 2006 до 2010 года с рассчитанными «элементарными» эффектами SCW для эпохи2008-го года.Определение положений продольных токов затрудняется неоднородностью долготногораспределения среднеширотных станций и сложной динамикой магнитосферных процессов,протекающихвмагнитосферевразныхусловиях.Например,нередкоеразвитиедополнительных токовых петель типа R1 на фазе восстановления предыдущей суббури в случаенескольких последовательных активизаций.Вклад в поле наземных возмущений вносит также солнечно-суточная вариация (Sqвариация). Система Sq — это двухвихревая токовая система, с центром ~30° GLat (фокусы)вблизи полуденного меридиана в каждом полушарии (рис.
1.4.6). Токи этой системы текутвокруг фокусов по часовой/против часовой стрелки в южном/северном полушарии, при этоммеридианы фокусов не совпадают. Sq-токи большой интенсивности формируются наосвещенной стороне Земли между экватором и средними широтами и не имеют прямогоотношения к магнитосферным процессам, т.к. создаются ветровыми перемещенияминейтрального газа атмосферы на ионосферных высотах.Для определения уровня магнитных возмущений, создаваемых Sq-токами на каждоймагнитной станции, для минимума и максимума солнечной активности выбирается временнойпериод (например, от 30 до 120 дней) в определенный сезон.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
