Диссертация (1150724), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Так спутники LANL обеспечиваютмониторинг распределений энергичных частиц, но не имеют приборов, способныхизмерять магнитное поле, а спутники GOES предоставляют данные только о магнитномполе.В работе [Gabrielse et al., 2014] на большой статистике наблюдений спутниковTHEMIS в хвосте магнитосферы на расстояниях r ~ 6–30 RE была продемонстрированатесная связь между характеристиками инжекций и НСТ, наблюдаемых на одном и том жеспутнике. В частности, на расстояниях r > 12 RE ~75% инжекций (т. е. возрастанийпотоковэнергичныхчастиц)наблюдалисьодновременноспотокамиплазмыпревышающими 100 км/с. Учитывая результаты этой работы, для исследования факторови условий, при которых возможно проникновение НСТ во внутреннюю магнитосферу,можно использовать предположение, что остановившееся во внутренней магнитосфереНСТ создаст инжекцию плазмы в этой области.
Цель данной главы — с использованиемэтого метода диагностики исследовать условия и факторы, при которых возможныинжекция плазмы во внутреннюю магнитосферу и проникновение НСТ в эту область.432.2 Наблюдения и анализ событийВданнойглавеисследуютсясобытия,вкоторыхизолированныеНСТрегистрируются на входе во внутреннюю магнитосферу (r ~ 8–15 RE). Используется дванабора событий: (а) события с НСТ, зарегистрированными спутником Geotail (1995–2005гг.), и (б) события из работы [Dubygin et al., 2011] (спутники THEMIS, 2008–2009 гг.).Инжекции на геостационарную орбиту являются удобным показателем глубиныпроникновения НСТ. Предполагается, что прошедший до геостационарной орбиты (илиглубже) изолированный НСТ должен создать инжекцию плазмы в этой области, котораятакже может быть обнаружена в долготном секторе большой протяженности по резкомувозрастанию потоков энергичных частиц (с дисперсией по энергиям) вследствие ихазимутального движения вдоль дрейфовых оболочек.
В такой ситуации диагностикаглубины проникновения слабо зависит от долготного положения спутника нагеостационарной орбите. Кроме того, на геостационарной орбите распределено по долготебольшое число спутников LANL (до 6 спутников в указанные годы), измеряющих потокиэнергичныхчастиц.Следуеттакжеотметить,чтоНСТявляютсясильноструктурированными объектами с небольшим поперечным размером, и зачастуюнаблюдаются сильные вариации плазменных и магнитных параметров внутри этихобъектов.Рассматриваемые события НСТ, которые регистрировались спутником Geotail впериод с 1995 по 2005 год, отвечали следующим критериям отбора.
Во-первых, во всехсобытиях спутник находится на расстоянии 8–15 RE от Земли в долготном секторе ±3 часаMLT от полуночи. Во-вторых, учитывая, что скорость НСТ вблизи внутреннеймагнитосферы значительно падает (см. раздел 1.2), для идентификации событий в этойобласти применялся критерий на одновременный резкий рост компоненты магнитного�⃗ �y > 1поля Bz > 5 нТ (явление диполизации) и скорости переноса магнитного потока �⃗ × мВ/м (для сравнения, средняя величина поля конвекции в хвосте Ey ~ 0.2 мВ/м).
В третьих,как минимум в течение 10 минут перед началом события не должно было наблюдатьсяникакой активности (других НСТ), а сам спутник перед регистрацией диполизациидолжен был находиться в центральном плазменном слое (при β ≥ 1).Первоначально при анализе этих событий и для расчета параметра энтропии поформулам (5), (6), (7) ([Wolf et al., 2006]; см.
раздел 1.4) использовались данные прибораLEP (Low Energy Particles, частицы с энергиями ≲ 40 кэВ), имеющие 12-секундноеразрешение. Дальнейший анализ показал необходимость учета более высокоэнергичныхчастиц, потоки которых измеряются прибором EPIC (Energetic Particle and Ion44Composition, энергии электронов > 35 кэВ и протонов > 8 кэВ) — высокоэнергичная частьспектра в некоторых событиях вносит поправку в 100% и более в величины плазменногодавления p и параметра энтропии S = pVγ. Данные прибора EPIC оказались доступными недля всех отобранных событий, поэтому их число в итоге уменьшилось с ~200 до ~100.Кроме этого, временное разрешение анализируемых данных упало до 1-минутного.После отбора все события были разделены на две группы — события НСТ, послекоторых наблюдается инжекция на геостационарной орбите (группа 6.6Inj) и события безинжекции (группа No6.6Inj).
Для определения наличия инжекции на геостационарнойорбите использовались данные спутников LANL, расположенных на разных долготах иизмеряющих потоки частиц с энергиями > 50 кэВ. В работе [Liou et al., 2001] былапроведена оценка временной задержки между началом взрывной фазы суббури (поавроральным наблюдениям) и инжекцией на геостационарную орбиту (GEO, спутникиLANL). Оценка этой задержки получилась равной от 2 до 8 минут. В связи с этим,идентификация инжекций проводилась по следующим критериям: (1) увеличение потоковэнергичных частиц должно наблюдаться не позднее 10 минут после регистрации фронтадиполизации на спутнике Geotail; (2) увеличение потоков до фактора 2 в течение 5 минутдолжно происходить в двух или более энергетических каналах геостационарного спутникадля протонов или (и) электронов.
При идентификации инжекций в основномиспользовались данные спутников, расположенных ближе к полуночи, где наблюдалсябездисперсный рост потоков частиц. Однако, в тех случаях, когда в околополуночномсекторе не было спутников, использовались данные спутников, расположенные вне этогосектора.
В этих случаях наблюдались инжекции с дисперсией, а в критерий (1) вносиласьнебольшая поправка для учета времени дрейфа частиц. В некоторых случаях отчетливыепризнаки одиночной инжекции наблюдались сразу на двух и более спутниках. Оказалось,что, как и в работе [Boakes et al., 2011], примерно в 1/3 событий наблюдаются сложныевариации потоков энергичных частиц. После исключения этих событий из рассмотрения,как и событий с отсутствующими данными спутников LANL, осталось 61 событие.Пространственное расположение спутника Geotail в этих событиях показано на рисунке15.
Красными точками и синими окружностями отмечены события с инжекцией (23события, группа 6.6Inj) и без инжекции (38 событий, группа No6.6Inj), соответственно.На рисунке 16а представлены различные характеристики рассматриваемых НСТ.Индексом “max” отмечены максимальные значения величин, наблюдаемых внутри НСТ втечение 3 минут после регистрации фронта диполизации, т. е. момента времени сразуперед резким ростом Bz компоненты магнитного поля (время T0). Индексом “b” отмечены45значения величин соответствующие минимальному значению энтропии S = pV5/3. Прирасчете параметра энтропии использовались значения плазменного давления p,полученные из спутниковых данных, а расчет объема V проводился по формулам (5), (6),(7).
Видно, что глубоко проникающие НСТ (группа 6.6Inj) имеют большие значенияамплитуды диполизации (Bz,max) и значения давления (pb), меньшие значения параметраэнтропии (Sb), в сравнении с НСТ, останавливающимися дальше от Земли (группаNo6.6Inj). Кроме того, нет заметных различий в скорости для этих двух групп (υx,b).Интересно, что глубоко проникающие НСТ в большинстве своем наблюдаются близко кгеостационарной орбите (r < 10 RE), в то время как НСТ группы No6.6Inj доминируют нарасстояниях r > 11 RE (см.
рис. 15).Рисунок 15. Положение спутника Geotail в плоскости X–Y системы GSM в рассматриваемыхсобытиях НСТ (1995–2005 гг.). Красные точки соответствуют событиям с инжекцией на GEO,наблюдаемой спутниками LANL (23 события, группа 6.6Inj), синие кружочки – событиям безинжекции на GEO (38 событий, группа No6.6Inj).Для того, чтобы исключить эффект от такой необычной радиальной зависимости, мыоставили в рассмотрении НСТ, наблюдаемые на расстояниях 8.5–10.7 RE, где примерноодинаковое число событий из обеих групп.
Сравнительный статистический анализметодом наложенных эпох событий групп 6.6Inj и No6.6Inj представлен на рисунке 16б.Видно, что по-прежнему нет различий в скорости НСТ между группами 6.6Inj и No6.6Inj.События в группе 6.6Inj отличаются бо́льшими значениями амплитуды диполизации (Bz) именьшими значениями параметра энтропии (S = pV5/3) в сравнении с группой No6.6Inj.Важно также заметить, что средний уровень плазменного давления (pp), как до фронтадиполизации (до T0) и так внутри НСТ, систематически выше для событий с инжекцией на46Рисунок 16.
(а) Основные характеристики рассматриваемых НСТ, зарегистрированных спутникомGeotail, в зависимости от радиального расстояния r: плазменное давление p, υx компонентаскорости плазмы, Bz компонента магнитного поля, параметр энтропии S. Индекс “max”соответствует максимальному значению параметра в интервале T0+3 минуты (внутри НСТ);индекс “b” соответствует значению параметра в момент времени с минимальным значениемпараметра энтропии S = pV5/3. Красные точки — группа событий 6.6Inj, синие треугольники —группа No6.6Inj.
(б) Метод наложенных эпох для событий НСТ, зарегистрированных спутникомGeotail: плазменное давление pp, концентрация ионов ni, υx компонента скорости плазмы, Bzкомпонента магнитного поля, параметр энтропии S. Момент времени T0 соответствует моментувремени регистрации фронта диполизации; красные точки и линии — события группы 6.6Inj,синие кружочки и линии — группа No6.6Inj.47GEO (6.6Inj). Это говорит о том, что существуют систематические различия вконфигурации хвоста магнитосферы в двух группах событий.Набор событий спутников THEMIS, исследуемых в работе [Dubyagin et al., 2011],послужил полезным дополнением к событиям спутника Geotail.
В этих наборах примерноодинаковое число событий, но спутники THEMIS предоставляют данные с высоким, 3секундным, разрешением. Кроме того, в событиях спутников THEMIS для регистрацииНСТ на входе во внутреннюю магнитосферу используется два (в некоторых случаях три)спутника. При этом в каждом событии есть спутник, всегда расположенный на примерноодном и том же расстоянии (r ~ 11 ±1 RE). Критерии отбора этих событий были схожими скритериями для первого набора.
Так два спутника Themis всегда должны были находитьсяна расстоянии 5–12 RE внутри сектора 21:00 – 03:00 MLT в центральном токовом слое(применялся критерий |Bx|/Bz < 1.5). Эти два спутника должны были располагатьсярадиально — на расстоянии ~2 RE друг от друга с разницей не более 0.25 часа MLT (илиdY < 0.5 RE для расстояний ~8 RE). Для идентификации НСТ на наиболее удаленном отЗемли спутнике ставилось условие на наличие изолированной диполизации с амплитудойdBz > 4 нТ с одновременным (в течение 30 секунд) ростом скорости переноса магнитного�⃗ �y > 1 мВ/м. Никаких ограничений на скорость переноса плазмы непотока �⃗ × применялось.
Всего за период с 2008 по 2009 год было отобрано 55 событий, в которыхспутники THEMIS располагались на расстоянии 8–11 RE от Земли (рис. 17). В 44 (из 55)НСТ был зарегистрирован на входе во внутреннюю магнитосферу, т. е. на внутреннемспутнике (r ~ 9 RE).Рисунок 17. X–Y координаты спутников THEMIS в системе GSM. Положения спутников,соответствующие одному и тому же событию соединены линией (линиями). Толстой линиейотмечено положение геостационарной орбиты (6.6 RE).48В данном наборе анализировались плазменные характеристики, учитывающие какнизкоэнергичную (прибор ESA), так и высокоэнергичную (прибор SST) часть спектрачастиц (с энергиями от 5 эВ до >900 кэВ).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
