Диссертация (1149588), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Для выбранного интервалавремени определяются спокойные дни для каждого часа, при этом спокойным днем считаетсядень, в течение которого трехчасовой Kp-индекс <1. Далее допускается, что вклад токамагнитопаузы (DCF) в магнитное поле возмущений, в течение данного часа, прямопропорционален Dst-индексу активности. На этом упрощении строится зависимость Bx- и Byкомпонент магнитного поля от Dst для каждого часа каждого интервала времени в виде:(1.4.3)42Рисунок 1.4.6. Конфигурация двухвихревой Sq- Рисунок 1.4.7. Примеры расчета суточноготоковой системы.хода поля (Sq-вариаций) для несколькихназемных станций (23 марта 2007 года).43Свободные члены дают искомые значения, которые затем интерполируются для произвольнойминуты любого часа.
Из рисунка 1.4.7 видно, что на промежутке ~6 часов вариации Bx всреднем составляют ~35–40 нТл, что на промежутке 30 минут дает ΔBx ~ 3 нТл. В нашейработе Sq-вариации на коротких интервалах времени (не более ~30 минут) не учитывались всилу того, что вклад Sq-системы на таких временных масштабах для большинства станцийнезначителен (~1–5 нТл).Итак, для быстрого определения основных параметров токовой системы суббури(положение долгот PW и PE и интенсивности ISCW) в нашей работе широко использоваласьинтерпретационная модель IW, включающая в себя три токовые системы (SCW, DRP и DR) и 7линейных и нелинейных параметров (ISCW, IDRP, IDR – линейные; PW, PE, PN, W — нелинейные).К недостаткам метода определения параметров с помощью моделиIW относятсяфиксированное положение аврорального электроджета на 66o CGLat и неоднозначностьрезультатов интерпретации при решении обратной задачи в условиях неизолированныхсуббурь.
К достоинствам можно отнести возможность расчета параметров с помощьюнаблюдательных данных среднеширотной цепочки магнитовариационных станций, безвовлечения в расчет спутниковых наблюдений, а также достаточно хорошую точностьопределенияположенийпродольныхтоков.Точностьрезультатовинтерпретациисреднеширотных данных тестировалась в работе Sergeev et al. (1996а), которые показали, чтометод позволяет определить положения продольных токов SCW с отклонением от областиярких дискретных сияний ~0.5 MLT, а величина токов SCW для событий разной интенсивностиможет составлять от 0.08 МА до 1.35 МА.Стоит отметить недавнюю работу Chu et al. (2014), в которой авторы использовали такуюже модель (включающую в себя три токовые системы) для интерпретации среднеширотныхмагнитных наблюдений и восстановления параметров SCW.
Авторы сравнили полученныеположения продольных токов с интегрированными по широте картинами полярных сияний,снятых спутником IMAGE (см. рис. 1.4.9) и получили аналогичное соответствие краевполярных сияний положениям продольных токов SCW.Итак, на данном этапе исследований с помощью модели IW можно получать информациюо положениях продольных токов SCW и их интенсивности. Однако для сравнения магнитныхэффектов SCW в космосе и на поверхности Земли, исследования глобальной деформациигеометрии хвоста магнитосферы и получения информации о формах авроральных сияний,связанных с развитием токового клина, необходима гибкая количественная модель спродольными токами, текущими по реалистичным силовым линиям геомагнитного поля.44Рисунок 1.4.9.
Картины сияний(интегрированные по широте от 60o до80o с шагом по долготе 0.2h MLT),полученные со спутника IMAGE.Чернымилиниямиотмеченыоцененные положения продольныхтоковметодоминверсии.Представленный результат полученChu et al. (2014).45Постановка задачи1.5В задачу диссертационной работы входит:(1)Тестирование однопетлевой версии модели SCW путем статистического сравнениякомпонент магнитных возмущений, наблюдаемых геостационарными спутниками ипредсказываемых моделью, и обоснование необходимости усовершенствования этоймодели до двухпетлевой версии (SCW2L);(2)Программная реализация вычисления параметров модели SCW2L и решения обратнойзадачи по спутниковым и наземным магнитным наблюдениям, включая исследованиеи оптимизацию параметров модели SCW2L и выбор еѐ фиксированных параметров;(3)Статистическое исследование отношения величин токов I1 и I2 и зависимостиположения экваториального сегмента петли R2 от конфигурации ближнего хвостамагнитосферы перед началом взрывной фазы суббури по спутниковым данным;(4)Исследование амплитуды и форм деформаций геомагнитного поля, включаязависимость смещения ионосферных проекций точек плазменного слоя от параметровмодели SCW2L.
Оценка параметров обеих петельмодели SCW2L для реальныхсобытий, оценка амплитуды смещений ионосферных проекций плазменного слоя исравнение их величин с наблюдаемой величиной полярной экспансии авроральныхсияний.46Глава 2.Моделирование магнитных эффектов токового клина суббуриНесмотря на то, что токовый клин суббури был признан трехмерной токовой системойвзрывной фазы суббури еще 40 лет назад, ее существующие модели до сих пор не выходят запределы простой проволочной схемы.
Очень мало известно о том, как хорошо эти моделиспособны воспроизвести магнитные наблюдаемые вариации в магнитосфере во время суббурь,а отсутствие реалистичной модели SCW затрудняет тестирование предсказаний моделей спомощью магнитных спутниковых наблюдений.В этой главе будет описана новая магнитосферная модель SCW с реалистичнойгеометрией продольных токов имеющих конечный объем, с удобной параметризациейинтенсивностью токов и их положением, которые можно определить из наземныхсреднеширотных магнитных наблюдений. Метод построения и расчета магнитного поля моделибыл предложен Н.А.
Цыганенко в 2009 г. (см. п. 2.1 и 2.2, а также публикацию Sergeev et al.(2011а)). Продольные токи модели строятся с помощью эмпирической модели магнитного поляT89 и модели поля внутренних источников IGRF. Экваториальная часть системы расположена втоковом слое ближнего хвоста, чья форма и положение зависят от угла наклона магнитногодиполя, который, в свою очередь, контролируется мировым временем (UT) и днем года. Вионосфере на высоте 120 км продольные токи замыкаются западным электроджетом споперечным размером ~230 км (модель не предназначена для авроральной зоны).
В главеприведенырезультатыINTERMAGENTтестирования(http://intermagnet.org)моделиипосравненияданнымназемнойпредсказанийсетистанциймагнитногополямагнитосферной моделью с данными спутников.2.1Магнитосферная модель SCW: алгоритм построения токового контураМодель токового клина реализуется с помощью следующих численных процедур. Во-первых, задается четыре геометрических параметра токового клина (см. рис. 2.1.1):геоцентрическое расстояние до экваториального тока (RT), геоцентрическое расстояние доионосферных электроджетов (RI) и положение долгот западного и восточного продольного тока(ФW и ФE).
Модельный токовый слой представляет собой поверхность, форма которойконтролируется углом наклона диполя Земли в модели T89. Так как экваториальный сегментSCW повторяет разрушенную часть хвостового тока, он должен находиться на той же47Рисунок 2.1.1. Магнитосфернаямодель токового клина и еѐосновные параметры (Sergeev et al.,2011а).48поверхности и совпадать с положением хвостового тока при любой долготе и наклоне диполя.Однако эмпирическая модель не дает достаточно простого уравнения для искаженной формытокового слоя. Поэтому, задав основные параметры RT, ФW и ФE, необходимо определитьгеометрическое место точек, составляющих экваториальный сегмент AB токового клина,лежащих на геоцентрическом расстоянии RT между точками А и В (см. рис.
2.1.1) инаходящихся в центральной плоскости токового слоя. В точках А и В южные и северныесегменты продольных токов сходятся (в А) или расходятся (в В), обеспечивая непрерывностьэкваториального тока. Центральная плоскость токового слоя может быть определена какминимум тремя способами, каждый из которых дает немного отличающийся от другихрезультат: (1) поверхность максимальной плотности тока, (2) поверхность минимальногозначения полного вектора магнитного поля |B|, и (3) поверхность, где радиальная компонентамагнитного поля меняет знак, т.е. Br = 0.
В нашей работе применялся последний вариант, какнаиболее точный вычислительный способ.Для построения модельного токового контура использовалась модель T89, котораяобеспечивает, с одной стороны, быстрые вычисления и, с другой стороны, простотупараметризации. Стоит отметить, что для целей работы необходимо рассчитать фоновоемагнитное поле только в ограниченном секторе широт, именно поэтому не так важен тот факт,что поле модели Т89 неточно экранировано и не имеет четко определенной магнитопаузы. Вмодель Т89 входит три источника экваториального поля, одним из которых является кольцевойток и два других относятся к хвостовому источнику. Чтобы обеспечить замкнутуюконфигурацию магнитных силовых линий в ночной стороне магнитосферы, использоваласьнаиболее спокойная версия модели Т89, соответствующая малым значениям трехчасового Криндекса (Кр = 0, 0+), при котором интенсивности хвостовых источников сохранялась наизначальном уровне, рассчитанном по наблюдательным магнитным данным, а величинакольцевого тока помножалась на безразмерный параметр RCF, позволяющий в широкихпределах варьировать степень вытянутости поля в ночной стороне.
При RCF = 0экваториальная точка токового слоя с координатами XGSM = 15 Re и YGSM = 0 Re проектируетсяв ионосферу на геомагнитную широту ~70o, а для RCF = 6 на широту ~63o. Соответствующеемагнитное возмущение на поверхности Земли от хвостового/кольцевого источников для,соответственно, минимального и максимального значения RCF варьируется от -5 нТл до -160нТл.
С учетом положительного вклада токов на магнитопаузе, общий вклад внешнихисточников на поверхности Земли составляет, приблизительно, от +10 до -120 нТл, чтосоответствует пределам изменения DST-индекса в условиях спокойных и сильных возмущений.49Определив экваториальный сегмент токовой системы как геометрическое место точек нагеоцентрическом расстоянии R = RT, где Br = 0, мы вычисляем продольные сегменты SCW.Процедура проецирования начинается с точек А и В, откуда четыре силовые линиитрассируются на ионосферные высоты (в южном и северном полушарии), с помощьюсуммарного поля моделей внешних и внутренних источников Т89 и IGRF, соответственно.
Присопоставлении результатов моделирования с наблюдениями в конкретный момент временитUT, учитывается фактическое положение токового слоя, зависящего от угла наклона диполя, иисточников поля внутри Земли, путем преобразования положения и векторов поля В междугеографической и GSM системой координат. Все преобразования осуществляются с помощьюпакетапрограммразработанныхGEOPACK-2008,(http://geo.phys.spbu.ru/~tsyganenko/modeling.html).ИоносфернаяН.А.частьSCWЦыганенко(западныйэлектроджет) представляет собой сегмент, соединяющий ионосферные точки проекцийпродольных токов на высоте R = RI (D-E и F-G на рис. 2.1.1). Соединяются точки с помощьюлинии, состоящей из 21 отрезка, при этом изменения геомагнитной широты отрезков линейнозависят от изменения геомагнитной долготы.2.2Филаментарная магнитоcферная модель SCW: объемные токиОпределив геометрию токового клина и задав его интенсивность, можно рассчитатьмагнитное поле, создаваемое им в любой точке пространства, путем дробления контура SCWнамассив малых элементов и вычисления интеграла типа Био-Савара-Лапласа для векторногопотенциала:∮(2.1)||где I–интенсивность тока, dl – элемент тока и |r-r’| - расстояние от элемента тока до точкинаблюдения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
