Диссертация (1150724), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Учитывая тот факт, что AM02 неподходит для описания локальных нестационарных явлений, для построения модельныхконфигураций использовались измерения магнитного поля спутников P1, P2 и P3 вмомент времени перед началом события НСТ (т. е. в 08:30 и 08:47 UT для 4 и 8 апреля,соответственно). Результаты расчетов величины V по модели AM02 представлены нарисунках 10д и 11д в виде фиолетовых кружочков. Сравнение результатов расчетарадиальных V по формулам [Wolf et al., 2006] и по адаптивной модели дает хорошеечисленное согласие между ними (до фактора ~1.4, рис. 12). Это говорит о том, чтоприменение формул (5), (6), (7) допустимо и на расстояниях от Земли r ~ 7–11 RE, еслииспользовать измерения спутников, расположенных вблизи магнитного экватора.1.6 РезультатыАнализ двух событий 4 и 8 апреля 2009, в которых НСТ остановился внутрикомпактной группы спутников THEMIS, показал:1.
Фронт диполизации останавливающегося НСТ остается его характерной чертойвплоть до внутренней области ночной магнитосферы, также как область сжатия плазмыперед фронтом и область падения концентрации n, давления p и энтропии S за ним (рис.9). На примере этих двух событий видно, что различные процессы во внутреннеймагнитосфере не приводят к кардинальным изменениям в структуре медленно35Рисунок 10. Наблюдения 4 апреля 2009: (а) – (в) временные вариации υx компоненты скоростиплазмы, плазменного давления p и параметра энтропии S, рассчитанного по формулам (6) – (8)[Wolf et al., 2006]. Радиальные вариации плазменного давления p и параметра энтропии S,наблюдаемые на спутниках THEMIS P1 – P3; треугольниками отмечено положение спутников вначале события НСТ, а кружками отмечены значения параметра энтропии, рассчитанные припомощи модели AM02 перед самым началом события НСТ.36Рисунок 11. Наблюдения 8 апреля 2009: (а) – (в) временные вариации υx компоненты скоростиплазмы, плазменного давления p и параметра энтропии S, рассчитанного по формулам (6) – (8)[Wolf et al., 2006].
Радиальные вариации плазменного давления p и параметра энтропии S,наблюдаемые на спутниках THEMIS P1 – P3; треугольниками отмечено положение спутников вначале события НСТ, а кружками отмечены значения параметра энтропии, рассчитанные припомощи модели AM02 перед самым началом события НСТ.37Рисунок 12. Радиальные профили величины объема плазменных трубок V для событий 4 апреля2009 (верхняя панель) и 8 апреля 2009 (нижняя панель). Красные и зеленые линии соответствуютрасчетам по формуле 6 [Wolf et al., 2006] для спутников THEMIS P1 и P2, соответственно.Треугольниками отмечено положение этих спутников в момент регистрации начала диполизациина спутнике P3. Кружки, соединенные линиями, отображают профили величины V, рассчитаннойс помощью адаптивной модели AM02 перед (черный цвет) и после (синий цвет) начала событияНСТ.38движущихся к Земле НСТ.
Оказывается, что и в этой области основные характеристикиНСТ согласуются с интерпретацией плазменных пузырей. Согласно этой интерпретации(рис. 6) плазменная трубка будет двигаться как целое до области ее остановки, т. е. до техпор, пока она будет оставаться недогруженной плазмой трубкой (n↓, S↓) с большейамплитудой δBz компоненты магнитного поля, по сравнению с окружающими трубками.2.
Впервые полученные радиальные профили параметра энтропии показали, что НСТостанавливается в области, где параметр Sb = pV5/3 внутри струйного течения примерноравен (с точностью до фактора 2) параметру энтропии S0 в фоновой плазме (рис. 10д и11д). Этот результат согласуется с результатами работы [Dubyagin et al., 2011],описываемой в разделе 1.4. Недавно [Birn and Hesse, 2013, 2014], анализируянестационарные конфигурации, показали, что в процессе пересоединения в нейтральномтоковом слое могут создаваться недогруженные плазменные трубки, характеризующиесямалыми значения параметра энтропии Sb. В этих работах наглядно показано, что НСТ,характеризующиеся данными значениями Sb, способны проникать во внутреннююмагнитосферу, сохраняя свою структуру и величину Sb по мере движения.3.
Прохождение НСТ значительно изменяет распределение давления p и параметраэнтропии S во внутренней магнитосфере (рис. 13). Так, давление в окрестности областиостановки увеличивается в 2 и 1.5 раза для первого и второго события, соответственно.Этот результат находиться в хорошем согласии с результатами моделирования [Birn andHesse, 2013]. На рисунке 14 из этой работы видна область сжатия перед фронтомструйного течения, в которой величина давления в 1.5–2 раза выше чем в окружающейневозмущенной области (зеленый цвет).
Ранее область сжатия перед регистрируемыми навходе во внутреннюю магнитосферу НСТ обсуждалась в работе [Dubyagin et al., 2010]. Вработе [Yang et al., 2011], в которой использовалась модель RCM-E (Rice ConvectionModel), перед фронтом движущегося к Земле плазменного пузыря также была показанаобласть повышенного в 2.5 раза давления толщиной в 1 RE. При пересечении фронта НСТпараметр энтропии на расстоянии r ~ 11 RE от Земли уменьшается в 3 (и больше) раза(рис. 13). Интересно, что возмущения во внутренней магнитосфере, вызванные НСТ,сохраняются и продолжаются даже после его остановки. Как показано на рисунке 13,существенные вариации потоков плазмы (отображаются в давлении p) в обоих событияхпродолжались порядка 10–15 минут, в то время как длительность существованияповышенного давления на r ~ 7–8 RE и магнитного поля δBz (и пониженной энтропии S) наr ~ 11 RE составила 30 и 50 минут для первого и второго событий, соответственно.39Рисунок 13.
Для событий 4 и 8 апреля 2009: сопоставление связанных с SCW среднеширотныхмагнитных бухт (∆H, синие линии) и наблюдений на спутниках THEMIS (красные линии —спутник P1, зеленые — спутник P2, черные — спутник P3): плазменного давления p, энтропии S иполного магнитного поля Bz.40Рисунок 14.
Из работы [Birn and Hesse, 2013]: плазменное давление p (цветом) и эквипотенциалидля объема плазменных трубок V (белые линии). Пурпурные контуры показывают областиусиленных продольных токов.4. В работах [Birn and Hesse, 2013, 2014] (МГД моделирование) и [Yao et al., 2012]было показано, что возмущения плазменного давления p и энтропии S (т. е. объема V),вызванные НСТ, дают основной вклад в генерацию продольных токов в токовом клинесуббури(SCW).Формированиеэтихтоковобусловленодействиеммеханизма,�⃗ � �(∇ × ∇)описываемого теоремой Вассилюниса-Тверского и выражаемого ∥ = �(Beq — магнитное поле в нейтральном токовом слое).
Результаты этих работ хорошосогласуются с наблюдениями, представленными на рисунке 13. Из этого рисунка видно,что длительность и форма вариаций среднеширотных магнитных возмущений наповерхности Земли (∆H) согласованы с длительностью и вариациями давления p,энтропии S и магнитного поля Bz, наблюдаемыми спутниками THEMIS. Следует такжеотметить, что продолжительное время существования возмущений во внутреннеймагнитосфере может приводить к накоплению эффектов от множественных событий НСТ(см., например, нижние две панели на рис.
7 на стр. 31) в периоды сильнойвозмущенности и формированию более глобальной долгоживущей системы SCW (см.,например, [Nishimura et al., 2012]).41Глава 2Связь нестационарных струйных течений и инжекций плазмыво внутреннюю магнитосферу2.1 Инжекции плазмы во внутреннюю магнитосферу как результатнестационарных струйных теченийИнжекциями плазмы принято называть резкие увеличения потоков энергичныхчастиц (с энергией от нескольких десятков до сотен кэВ), наблюдаемые спутниками вовнутренней области магнитосферы [напр., Arnoldy and Chan, 1969]. Первые наблюденияэтого явления были проведены около 50 лет назад, а само явление было хорошо изучено втечение этого времени. Однако за многие годы исследований не было полученооднозначного ответа на вопрос, как формируются инжекции плазмы во внутреннююмагнитосферу.
Среди возможных механизмов формирования инжекций (см. раздел 1.1),наиболее вероятным является тот, в котором инжекции создаются нестационарнымиструйными течениями, хотя однозначная связь между этими явлениями до сих пор неустановлена. Бездисперсные (одновременный рост потоков энергичных частиц) инжекцииплазмы во внутреннюю магнитосферу и НСТ имеют ряд общих признаков (например,явление диполизации, см. раздел 1.2). Довольно продолжительное время инжекции,наблюдаемые на геостационарной орбите, считались идентификатором начала взрывнойфазы суббури [Hones et al., 1968; Belian et al., 1978; и др.]. Однако в работе [Boakes et al.,2011] было показано, что только в 1/3 событий из большого списка суббурь (2000–2002года) начало взрывной фазы сопровождалось классическими проявлениями инжекций нагеостационарной орбите (спутники LANL).
Еще в 1/3 событий во внутреннеймагнитосфере не наблюдалось роста потоков частиц вообще, а в оставшейся 1/3 событийбыли обнаружены неоднозначные вариации потоков. В свою очередь, в таких работах, как[Shiokawa et al., 1997; Ohtani et al., 2006; Takada et al., 2006], были сделаны выводы онизкой эффективности проникновения НСТ во внутреннюю магнитосферу (~20–30%).Суммируя результаты этих работ, можно сделать вывод о том, что подавляющеебольшинство НСТ не доходит до геостационарной орбиты.Проникновение НСТ во внутреннюю магнитосферу наиболее вероятно при сильновытянутой конфигурации хвоста магнитосферы [Takada et al., 2006].
Модель плазменных42пузырей (энтропийная модель движения НСТ), подробно описанная в разделе 1.3, даетпростое предсказание глубины проникновения НСТ. Согласно этой модели НСТ долженостанавливаться в области, в которой параметр энтропии в окружающей его плазме S0равен параметру энтропии внутри НСТ Sb. В разделе 1.5 на примере двух событий былопоказано экспериментально, что для останавливающихся на входе во внутреннююмагнитосферу НСТ это предсказание энтропийной модели (S0 ≈ Sb) выполняется сточностью до фактора 2.
В экспериментальной работе [Dubyagin et al., 2011] был сделанвывод о том, что при условии сильно вытянутой конфигурации хвоста только НСТ,характеризующиеся самыми малыми значениями параметра энтропии Sb, способныпроникатьвовнутреннююмагнитосферу.Прямаяэкспериментальнаяпроверкапредсказаний энтропийной модели НСТ во внутренней магнитосфере возможна всобытиях, в которых на радиально протяженной конфигурации спутников струйноетечение будет зарегистрировано на входе во внутреннюю магнитосферу, а его остановкапроизойдет внутри этой группы спутников глубоко во внутренней области (вблизигеостационарнойорбиты).Однако,несмотрянабольшоечислоспутников,расположенных на геостационарной орбите, с помощью наблюдений этих спутников неможет быть произведена идентификация НСТ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
