Диссертация (1150724), страница 4
Текст из файла (страница 4)
В солнечномветре и значительной части магнитосферы выполняется условие вмороженности �⃗ =�⃗ �, что позволяет перейти от абстрактного понятия силовых линий (силовых−�⃗ × трубок) к материальным объектам — плазменным трубкам. Повторный процесспересоединения в нейтральном токовом слое хвоста магнитосферы (N2 на рис. 1)формирует замкнутую плазменную трубку (7 на рис.
1), движущуюся к Земле, и плазмоид(7’ на рис. 1), движущийся от Земли. Движение плазменных трубок к Земле, а затем ихвозвращение в подсолнечную область, завершает цикл циркуляции плазмы (7 → 9 на рис.1). Описываемый механизм генерации магнитосферной конвекции оказался реальнодействующим в магнитосфере Земли. В частности, он хорошо согласуется с двухвихревойконвекцией, наблюдаемой в ионосфере, и рядом других экспериментальных данных�⃗ � следует, что движение плазменных трубок к[Cowley, 1982]. Из уравнения �⃗ = −�⃗ × Земле эквивалентно появлению электрического поля поперек хвоста магнитосферы Ey (сутра на вечер).
Из экспериментальных данных получено, что разность потенциаловпоперек хвоста составляет от 20 кВ в спокойных условиях до 100 кВ при сильных14возмущениях, при этом среднее электрическое поле стационарной конвекции в хвостемагнитосферы равно Ey ~ 0.1–0.2 мВ/м [Cowley, 1982].Рисунок 1. Схема магнитосферной конвекции, предложенная в работе [Dungey, 1961].ДвижущиесякЗемлеплазменныетрубкиобтекаютвнутреннююобластьмагнитосферы Земли. Формально границу внутренней области магнитосферы (или просто,внутренней магнитосферы) можно определить как область, в которой в нейтральномтоковом слое вклады в полное магнитное поле B внутренних источников (поле Земли) ивнешних (токи в плазме) становятся сопоставимыми. Эта граница на ночной сторонесоответствует геоцентрическому расстоянию r ~ 6–8 RE (1 RE ≅ 6371.2 км — среднийрадиус Земли).
С другой стороны, граница внутренней области, опять же формально,отвечает условию β ~ 1 (β = pp/pB, pp и pB — плазменное и магнитное давление,соответственно; во внутренней магнитосфере β ≪ 1). Во внутренней магнитосференарушается вмороженность плазмы в магнитное поле и существенную роль играюткинетические эффекты: частицы разного сорта и энергии движутся по-разному и могутзанимать различные области пространства (кольцевой ток, радиационные пояса,плазмосфера).Изучение процессов поступления плазмы во внутреннюю магнитосферу и связанныхс ними явлений представляет собой одну из важнейших задач физики магнитосферы, т. к.благодаря этим процессам происходит заполнение кольцевого тока и радиационныхпоясов частицами с энергией от десятка кэВ и выше. Движение частиц в скрещенных�⃗ ⊥ �⃗ ) было впервые рассмотрено в работедипольном магнитном и электрическом полях ([Alfven, 1954].
Один из основных результатов этой работы заключается в формированиидвух типов траекторий энергичных (с энергией порядка ~1–100 кэВ) заряженных частиц:15замкнутых траекторий во внутренней магнитосфере (захваченные частицы, область 1 нарис. 2) и разомкнутых траекторий в плазменном слое (пролетные частицы, область 2 нарис. 2), разделенных границей.Рисунок 2. Траектории конвекции плазмы (эквипотенциали электрического поля) в плоскостинейтрального токового слоя.
1 и 2 — области с замкнутыми и открытыми траекториями холодныхчастиц, соответственно.Положение этой границы (сепаратрисы, альвеновской границы) для протонов и�⃗ , ⃗� ≈ 0) задаетсяэлектронов на полуночном меридиане магнитного экватора (�формулой [Альвен и Фельтхаммар, 1967]:1�4µ 3� = �,(1)где μ — магнитный момент частицы, BE ≈ 31000 нТ — величина магнитного поля диполяна поверхности Земли. Чем больше (меньше) величина электрического поля Ey поперекхвоста, тем ближе к Земле (дальше от Земли) располагается граница, разделяющая дватипа траекторий и соответствующая частицам заданной энергии (в формуле (1) μ зависитот энергии частиц).
В таком случае частицы из плазменного слоя могут проникать вовнутреннюю магнитосферу при резких и значительных изменениях величины поля Ey.Однако для того, чтобы частицы попали из плазменного слоя глубоко во внутреннююмагнитосферу, требуются очень большие величины крупномасштабного электрическогополя Ey (1–10 мВ/м), значительно превышающие известные величины, соответствующиемагнитосферной разности потенциала <100 кВ.На данный момент общепризнано, что возникновение новых популяций энергичныхчастиц (с энергией от нескольких десятков кэВ) во внутренней магнитосфере вызванолокальным вторжением плазмы в эту область из плазменного слоя (буквально инжекции).16Бездисперсными инжекциями плазмы называются резкие одновременные (в пределахминуты) возрастания потоков энергичных частиц разного сорта (с энергией от несколькихдесятков до нескольких сотен кэВ) [Arnoldy and Chan, 1969; Belian et al., 1981; и др.].
Ониобычно наблюдаются во внутренней магнитосфере совместно с локальной диполизацией(резкий рост поля B) и вариациями электрического поля. Для описания этого явления былапредложена модель электромагнитного импульса [Li et al., 1993; Zaharia et al., 2000]. Вэтой модели рассматривается взаимодействие частиц с распространяющимся к Землеимпульсом электрического поля E и сопряженного с ним магнитного поля B, т.
е. сраспространяющейсялокализованнойэлектромагнитнойволной.Вэтоймоделиускорение частиц и их перенос во внутреннюю магнитосферу усиливаются благодаряобратномуазимутальномумагнитномудрейфучастицынафронтеволны.Электромагнитная волна должна при этом иметь малые значения скорости (первые сотникм/с). Для набора энергии, сопоставимого с наблюдаемыми инжекциями, и переносачастиц во внутреннюю магнитосферу, например, с расстояния 9 RE от Земли на GEO,требуется время порядка нескольких минут [Li et al., 1998]. Модель электромагнитногоимпульса не является полностью самосогласованной, так как в ней не рассматриваетсяпричин возникновения и движения локальной электромагнитной волны, и не описываетсяее плазменная структура. Природа электромагнитных импульсов до сих пор не ясна.Результаты работ, отображающие основные особенности вариаций магнитного иэлектрического полей в плазменном слое хвоста магнитосферы, дают возможностьассоциировать электромагнитные импульсы с нестационарными струйными течениями.1.2 Нестационарные струйные теченияНестационарные струйные течения (НСТ; в англоязычной терминологии Bursty BulkFlows, BBFs, [Angelopoulos et al., 1992]) — кратковременные (несколько минут) илокализованные поперек хвоста (несколько RE) высокоскоростные потоки плазмы к Земле,наблюдаемые в центральном плазменном слое (в области, где β > 1) и являющиесяучастниками конвекции [Baumjohann et al., 1990].
Наиболее детально основные магнитныеи плазменные характеристики наблюдаемых НСТ и их структура показаны в работе[Ohtani et al., 2004]. В этой работе проведено статистическое исследование большогочисла (818) событий струйных течений, движущихся к Земле и наблюдаемых спутникомGeotail на расстояниях -31 RE < XGSM < -5 RE (|YGSM| < 15 RE). При отборе событий НСТскорость потока плазмы ⃗ раскладывалась на перпендикулярную ⃗⊥ и параллельную ⃗∥ к17�⃗, а затем отбирались временные интервалы, в которых ⃗⊥, превышаламагнитному полю 300 км/с. На рисунке 3 представлены вариации магнитного поля и параметров плазмы,построенные методом наложенных эпох для всех отобранных событий и описывающие впервую очередь характеристики НСТ, наблюдаемых в средней части хвоста (XGSM < 20 RE).
Начало события (ΔTB = 0 на рис. 3) соответствует моменту начала резкого(несколько десятков секунд) роста Bz компоненты магнитного поля. Примерно за 2минуты до прохождения фронта диполизации наблюдается падение Bz компонентымагнитного поля одновременно с ростом концентрации n, плазменного давления Pi,параметра β и скорости плазмы. При этом максимум ⃗⊥, может наблюдаться в разныемоменты времени относительно ΔTB = 0 в разных событиях, поэтому на рисунке 3а пик⃗⊥, не превышает 300 км/с. Максимум Bz (сплошная вертикальная линия на рис.
3)соответствует минимальным значениям n, Pi и параметра β, максимальным значениямполного давления Pt. Основные характеристики НСТ, представленные на рисунке 3 иподтверждаемые другими работами [Angelopoulos et al., 1994; Kauristie et al., 2000; идругие], позволяют интерпретировать НСТ как недогруженные плазменные трубки (спониженными n и Pi), движущиеся к Земле с формированием области сжатия передфронтом диполизации.Наиболее вероятным механизмом формирования струйных течений являетсяпроцесс пересоединения силовых линий магнитного поля в нейтральном токовом слое (N2на рис. 1). Результаты экспериментальных исследований совместно с развивающимисямоделями магнитного пересоединения позволяют сделать вывод о том, что процесспересоединения в нейтральном токовом слое является реально действующим.
Вчастности, в работах [Petrukovich et al., 1998] и [Slavin et al., 2003] было показано, чтоодновременно с НСТ, движущимся к Земле, наблюдается плазмоид — поток плазмы имагнитного поля обратной полярности (Bz < 0) в направлении от Земли. Косвеннымподтверждением формирования НСТ в процессе пересоединения может служить и тотфакт, что НСТ наиболее часто возникают в периоды высокой геомагнитной активности[Angelopoulos et al., 1994] — в периоды взрывной фазы магнитосферной суббури. В этипериоды могут наблюдаться струйные течения общей длительностью в ~10 минут(неизолированные НСТ, рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
