Диссертация (1150724), страница 5
Текст из файла (страница 5)
4 [Dubyagin et al., 2010]), состоящие из несколькихимпульсов (n↓, Pi↓, Bz↑) длительностью в ~1 минуту [Angelopoulos et al., 1992, 1994;Schödel et al., 2001b]. Для неизолированных НСТ область сжатия (n↑, Pi↑, Bz↓) отчетливовидна только перед первым импульсом (первым фронтом диполизации).18Рисунок 3. Магнитное поле и плазменные параметры, построенные методом наложенных эпох для818 событий НСТ, движущихся к Земле и наблюдаемых в центральном плазменном слоеспутником Geotail [Ohtani et al., 2004]. Начало события (ΔTB = 0) соответствует моменту временисразу перед резким ростом Bz компоненты магнитного поля (прерывистая вертикальная линия).Сплошной вертикальной линией отмечена максимальная амплитуда Bz.19Рисунок 4.
Из работы [Dubyagin et al., 2010]: наблюдения спутника THEMIS-D (P3). Верхняя и нижняяпанели: XGSM (синий цвет), YGSM (зеленый цвет) и ZGSM (красный цвет) компоненты магнитного иэлектрического полей, соответственно. Средняя панель: полное плазменное давление и вклады из различныхдетекторов (красный цвет – прибор ESA, ионы; синий цвет — ESA, электроны; фиолетовый цвет — SST,ионы). Вертикальными линиями отмечена область с несколькими импульсами диполизации.20В работах [Zesta et al., 2000] и [Sergeev et al., 2000] была показана тесная связьструйных течений c авроральными стримерами — динамичными узкими структурами всияниях.
Возникая на полярной кромке аврорального овала, эти структуры продвигаютсяк его экваториальной кромке. Такая динамика стримеров подразумевает наличие в хвостемагнитосферыузкойплазменнойструктуры,продвигающейсякЗемле,—нестационарного струйного течения. Поперечный (поперек хвоста магнитосферы) размерНСТ из прямых измерений был впервые оценен в работе [Sergeev et al., 1996] поориентации нормалей к границе нескольких НСТ из одновременных наблюденийспутников ISEE-1 и ISEE-2. Этот размер получался равным ΔY ~ 1–3 RE. ОценкапоперечногоразмераНСТбылатакжеполученасопоставлениемавроральныхнаблюдений с измерениями в плазменном слое в нескольких работах [Angelopoulos et al.,1997; Kauristie et al., 2000; Nakamura et al., 2001].
Суммируя результаты этих работ можносделать вывод, что в поперечном направлении НСТ занимают область размером ΔY ~ 2–4 RE; эта оценка была подтверждена статистикой прямых измерений группы четырехспутников Cluster, представленной в работе [Nakamura et al., 2004].При приближении к Земле скорость НСТ падает [Ohtani et al., 2004; Dubyagin et al.,2010; Lee et al., 2012] и может составлять порядка ~100 км/с на входе во внутреннююмагнитосферу (r ~ 8–10 RE). В работах, в которых для идентификации НСТ применялсякритерий для скорости переноса плазмы (например, υ > 400 км/с [Baumjohann et al., 1990;Angelopoulos et al., 1994]) было получено, что число НСТ со скоростью >400 км/с резкопадает с уменьшением расстояния от Земли.
В работе [Schödel et al., 2001a] былопредложено для более надежной идентификации НСТ (особенно в ближней к Земле частиплазменного слоя) использовать критерий для скорости переноса магнитного потока�⃗ �y, так как в отдельных событиях скорость переноса магнитного потока может�⃗ × оставаться на достаточно высоком уровне, несмотря на малые значения скорости плазмы.�⃗ � > 2 мВ/м, что в 10 раз больше уровняВ этой работе использовался критерий �⃗ × стационарной конвекции в хвосте (Ey ~ 0.2 мВ/м) и эквивалентно переносу магнитногополя Bz ≈ 5 нТ со скоростью 400 км/с.
Авторы работы показали, что частота появленияНСТ, определенных таким образом, в действительности не зависит от радиальногорасстояния при его значениях r ≥ 15 RE и начинает уменьшаться только при r < 15 RE.�⃗ �y = 3 мВ/м при поперечномИнтересно, что скорость переноса магнитного потока �⃗ × размере НСТ ΔY = 3 RE эквивалентна падению электрического потенциала поперек хвостаEy ~ 60 кВ, что оказывается сопоставимым со средней величиной электрическогопотенциала магнитосферной конвекции [Cowley, 1982].
Таким образом, несмотря на21малые временные и поперечные пространственные масштабы НСТ дают значительныйвклад в глобальную циркуляцию плазмы в магнитосфере, что подтверждается встатистических работах [Angelopoulos et al., 1992, 1994].Исследования авроральной динамики указывают на то, что НСТ способныпроникать во внутреннюю магнитосферу (например, r < 6.6 RE в работе [Sergeev et al.,2000]). Также НСТ и инжекции плазмы во внутреннюю магнитосферу имеют ряд общихпризнаков.
Как уже было сказано в разделе 1.1, бездисперсные инжекции обычнонаблюдаются совместно с явлением локальной диполизации. Это говорит о том, что этичастицы были ускорены в локальной области магнитосферы. Диполизация также являетсяодной из основных характеристик НСТ. Ускорение частиц до энергий, наблюдаемых винжекциях, может происходить в процессе пересоединения в нейтральном токовом слоехвоста магнитосферы и при последующем сокращении движущейся плазменной трубки(бетатронное и Ферми ускорение). Инжекции также являются одним из основныхпроявлений магнитосферной суббури [например, Yahnin et al., 1990], как и НСТ.
Однако вряде работ были сделаны выводы о малой эффективности формирования инжекцийструйными течениями.В работе [Takada et al., 2006] был проведен анализ 72 событий НСТ, наблюдаемых вцентральном плазменном слое группой спутников Cluster (апогей r ~ 19 RE). Для каждогособытиябылопроведеносопоставлениеснаблюдениямиспутникаTC-1,располагавшегося ближе к Земле (апогей r ~ 13 RE) в одном секторе MLT со спутникомCluster, регистрирующим НСТ. Из 72 событий только в 24 событиях (1/3 всех событий) наспутнике TC-1 наблюдалось явление диполизации, т. е.
только 24 НСТ дошли довнутреннего спутника. В этих 24 событиях наблюдался тонкий плазменный слой,соответствующий сильной вытянутости хвоста магнитосферы, а спутник TC-1 находилсяна расстояниях r ≳ 8 RE от Земли. Основываясь на этих данных, авторы работыпредположили, что НСТ не способны проникать во внутреннюю магнитосферу и либо недоходят до нее, либо вынуждены обтекать эту область. В работе было предложенокачественное объяснение полученных результатов, представленное на рисунке 5:диполизация на внутреннем спутнике наблюдается только тогда, когда он находится внедипольной области (верхняя часть рис. 5); в свою очередь диполизации не наблюдается,если спутник TC-1 находится внутри дипольной области (нижняя часть рис.
5).Следует отметить, что на первом этапе этой работы отбор событий диполизации наTC-1 и НСТ на Cluster проводился независимо. В тех событиях, когда TC-1 находился вобласти геостационарной орбиты и наблюдал диполизацию, часто отсутствовали данные22Рисунок 5. Иллюстрация магнитосферной конфигурации для событий с диполизацией наспутнике TC-1 (сверху) и без диолизации (снизу) из работы [Takada et al., 2006].спутников Cluster, поэтому из результатов данной работы нельзя однозначно заключить,что инжекции на GEO могут создаваться без участия НСТ. Для того чтобы установить,способны ли НСТ проникать во внутреннюю магнитосферу (и на GEO), необходимо датьответ, какими факторами и величинами контролируется глубина (минимальноерасстояние от Земли) их проникновения и динамика.1.3 Параметр энтропии и модель плазменного пузыряПри выполнении условия вмороженности плазменные трубки не обмениваютсячастицами и энергией с окружающими их трубками, так что их термодинамическиепараметры меняются по адиабатическому закону.
В случае адиабатического приближенияи изотропного плазменного давления p внутри плазменной трубки должен сохранятьсяпараметр S = pVγ; здесь = ∫ ⁄ — объем трубки с единичным магнитным потоком(интегрирование проводится вдоль силовой линии), а γ = 5/3 — показатель адиабаты. Этотпараметр S принято называть параметром энтропии [Wolf et al., 2006], а справедливостьприближения изотропности давления внутри плазменных трубок подтверждаетсяэкспериментальными исследованиями.
В частности, в работе [Wang et al., 2013] сиспользованием наблюдений группы спутников THEMIS было показано, что в большейчасти плазменного слоя хвоста магнитосферы наблюдаются изотропные распределенияионов с энергиями от единиц до десятков кэВ, которые дают основной вклад в плазменноедавление p. С другой стороны, для неравновесного или анизотропного давления p вплазменной трубке параметр энтропии также будет сохраняться [Birn et al., 2009], однаков этом случае для его вычисления необходимо проводить интегрирование вдоль трубки поформуле23[EricksonandWolf,1980], 3⁄5 = �3⁄5 .используяэмпирическиемодели(2)глобальногомагнитосферного магнитного поля, получили, что величина pVγ в хвосте магнитосферывозрастает с ростом расстояния от Земли [см.
также Garner et al., 2003; Wang et al., 2009;и др.]. Монотонный рост параметра pVγ с удалением от Земли (d(pVγ)/dr > 0) соответствуетмонотонному убыванию с расстоянием магнитного поля B(r) в нейтральном токовом слое(dB/dr < 0). В этом случае при выполнении условия вмороженности перенос плазменныхтрубок к Земле будет приводить к быстрому росту градиентов давления и, как результат,подавлению конвекции, т. е. к так называемому “кризису конвекции”.
В теоретическойработе [Pontius and Wolf, 1990] было показано, что в такой конфигурации перенос плазмык Земле, в том числе в условиях подавленной стационарной конвекции, можетосуществляться посредством плазменных трубок с пониженным плазменным давлением pи параметром энтропии Sb, по сравнению с окружающими их трубками (S0).
Движущиесяк Земле и недогруженные плазмой трубки авторы работы назвали плазменными пузырями(англ.: plasma bubbles).Динамика плазменных пузырей, как и влияние на нее пониженных давления p иэнтропии Sb, была исследована с применением численного моделирования [Chen and Wolf,1999; Birn et al., 2006, 2009; Yang et al., 2010a, 2011; Wolf et al., 2009; и др.]. Результатыэтих исследований заключаются в следующем.
В результате какого-либо процесса(например, процесса пересоединения) в хвосте магнитосферы может быть образованаплазменная трубка (плазменный пузырь), характеризующаяся меньшими значениямиконцентрации n (или температуры T) и, как следствие, плазменного давления p, посравнению с окружающими ее плазменными трубками. Эта плазменная трубка будетвынуждена сжаться за короткое время (<1 минуты) для достижения равновесия сокружающей средой [Birn et al., 2004]. Недостаток плазменного давления p в нейкомпенсируется повышенным значением магнитного давления pB = B2/8π внутри трубки.Низкие значения p и высокие значения Bz на экваторе соответствуют меньшему посравнению с окружающей средой (S0) значению параметра энтропии Sb внутриплазменного пузыря.
За счет повышенного B локально возрастет сила Ампера,действующая на плазменный пузырь, для которого она уже не будет уравновешиваться�⃗ � . Под действием этой возросшей силыимеющимися градиентами давления: �∇⃗ < �⃗ × плазменный пузырь будет двигаться к Земле. Уменьшение тока jb через плазменныйпузырь за счет меньшего количества переносчиков заряда и более сильного магнитного24поля B внутри приводит к поляризации плазменного пузыря, то есть к генерацииотрицательного(положительного)заряданавечерней(утренней)сторонеивозникновению соответствующей системы продольных токов, схожей с токовым клиномсуббури (SCW). Электрическая поляризация плазменного пузыря эквивалентна егодвижению к Земле относительно соседних плазменных трубок.Исследования показывают [Birn et al., 2004], что начальный импульс плазменногопузыря, например, обеспечиваемый процессом пересоединения, мало влияет на глубинупроникновения в область сильного магнитного поля.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
