Модель токов в хвосте магнитосферы Земли и токов на магнитопаузе для различных направлений межпланетного магнитного поля тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

.о

ее» ^ 4— ^

а. МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

_им. М.В. ЛОМОНОСОВА_

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Д.В. СКОБЕЛЬЦЫНА

На правах рукописи УДК 523.62-337

БОБРОВНИКОВ Сергей Юрьевич

Модель токов в хвосте магнитосферы Земли и токов на магнитопаузе для различных направлений межпланетного магнитного поля.

(01.04.08 - Физика и химия плазмы)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА - 1998

Работа выполнена на кафедре космических лучей и физики космоса физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

И.И. Алексеев (НИИЯФ МГУ) Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук С.Н. Кузнецов (НИИЯФ МГУ) кандидат физико-математических наук В.А. Пилипенко (ИФЗ) Ведущая организация: ИЗМИРАН

Защита диссертации состоится _ 1998г. в

/¿7 час. на заседании диссертационного совета К-053.05.24 в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119899, Москва, НИИЯФ МГУ, 19 корп. ауд. 2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ. Автореферат разослан

"¿ЬР" ¿и^А^и^Л 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук / Ю.А. Фомин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы. В настоящее время накоплен богатый экспериментальный и теоретический материал о процессах в околоземном космическом пространстве. Современнные приборы на борту космических аппаратов позволяют регистрировать потоки частиц, электрические и магнитные поля с большим разрешением. Уровень математических методов обработки информации и средств телекоммуникации дает возможность оперативно получать информацию с космических аппаратов и наземных станций и выделять из общего потока экспериментального материала необходимые для исследования данные. Современные вычислительные мощности позволяют строить сложнейшие модели динамических процессов в магнитосфере Земли. Однако, несмотря на огромные достижения в области магнитосферной физики, до сих пор нет полного общепринятого понимания многих процессов в околоземном пространстве.

В последнее время отмечается ключевая роль токового слоя хвоста магнитосферы в интенсивных геомагнитных возмущениях (бурях и суббурях). В ряде работ показано, что токовый слой может давать такой же вклад в £>,гвариацию во время магнитных бурь как и кольцевой ток. Отмечается также, что токовый слой в большей степени чем другие источники магнитосферного магнитного поля влияет на процессы в высокоширотных областях ионосферы. Величина тока в нейтральном слое и расстояние до его передней границы определяют границы высыпания в авроральной зоне. Показано, что токовый слой вносит существенный вклад в магнитное поле в дневной магнитосфере, особенно во время магнитных бурь и магнитосферных суббурь. В настоящее время существует широкий спектр теоретических моделей токового слоя, позволяющих изучать как среднестатистический его вклад в магнито-сферное магнитное поле, так и его динамику. Однако до сих пор не существует ни полного согласия в интерпретации экспериментальных

данных, ни самосогласованной динамической модели токового слоя.

В ряде работ, на основе согласованного исследования временных рядов в параметрах солнечного ветра и индексах геомагнитной активности (АЕ, АЬ), получены результаты, свидетельствующие в пользу того, что динамика магнитосферы может быть исследована на основе малого числа уравнений или параметров. Определение подходящего набора параметров и его обоснование является важнейшей задачей физики магнитосферы и особенно магнитосферной суббури.

Одной из наиболее интересных и динамически развивающихся областей магнитосферной физики является изучение процессов накопления и взрывного высвобождения энергии, свойственных магнитосферной суббуре. Хорошо изучена подготовительная фаза суббури. Обнаружено, что начало суббури может конролироваться межпланетным магнитным полем. Множество исследований показало, что вслед за поворотом ММП к северу после длительного периода южного направления, начинается взрывная фаза суббури. Однако до сих пор нет общепринятой теории описывающей эту связь. Более того, выборочные и статистические исследования показали наличие суббурь, произошедших в отсутствии существенных изменений в параметрах солнечного ветра.

Пересоединение на магнитопауза магнитных полей переходного слоя и магнитосферы, играющее ключевую роль на подготовительной стадии суббури, также является центральным вопросом магнитосферной физики, Особый интерес в этом направлении представляет определение условий, при которых пересоединение возможно, а также расположение областей пересоединения на магнитопаузе. Существуют по крайней мере две наиболее известные модели ("компонентная" и "антипараллельная"), дающие ответ на вопрос о местоположении и интенсивности пересоединения. Однако пока нет исчерпывающей картины пересоединения в зависимости от ориентации ММП.

В связи с вышеизложенным, построение самосогласованной модели

токового слоя, исследование динамики магнитосферы во время суббури и построение модели расположения на магнитопаузе областей пересоединения на основе единого подхода является важной и актуальной задачей.

Цели настоящей работы:

- построение самомогласованной модели токовой системы хвоста магнитосферы Земли;

- обоснование возможности исследовать динамику магнитосферы на основе малого числа глобальных параметров;

- построение модели, позволяющей определять вероятное местоположение на магнитопаузе областей пересоединения магнитных полей переходного слоя и магнитосферы для любого направления межпланетного магнитного поля.

Научная новизна и практическая ценность. Разработанная самосогласованная модель токовой системы хвоста магнитосферы Земли, позволяет на основе параболоидной модели магнитосферы моделировать сильно возмущенную магнитосферу. Полученные ограничения на параметры модели определяют такие значения параметров, которые требуют перестройки магнитосферной конфигурации свойственной магнитосферной суббуре. Предложенный сценарий изменения глобальных параметров модели магнитосферы позволяет по новому интерпретировать факт начала взрывной фазы суббури после поворота межпланетного магнитного поля к северу.

Представленная модель расположения на магнитопаузе магнитных полей переходного слоя и магнитосферы для любого направления межпланетного магнитного поля, дает новую основу для обработки и интерпретации данных космических аппаратов о потоках радиации и магнитных полях в районе каспов и в окрестности магнитопаузы.

Вклад автора. Автором разработан вычислительный комплекс по рас-

чету магнитного поля токовой системы магнитосферного хвоста, который вошел в общий программный комплекс параболоидной модели магнитосферы. Проведены расчеты силовых линий магнитного поля и линий тока, равновесного профиля давления плазмы, скачка магнитного поля при пересечении магнитопаузы. Результаты, изложенные в работе, получены автором самостоятельно. В совместных публикациях каждый из соавторов внес равный научный вклад.

Апробация работы. Основные материалы диссертации представлялись на третьей (ГСЗ-З, 1996г) и четвертой (1СЯ-4, 1998г) Международных Конференциях по Суббуре, Международной Ассамблеи МАГА (1997г), на четвертом российском симпозиуме "Математические модели ближнего космоса" (199бг), на международной конференции "Проблемы геокосмоса" (1996г).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы, изложена на 119 страницах, иллюстрирована 23 рисунками. Список литературы содержит 128 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении коротко изложена ситуация в области исследования околоземного космического пространства, обрисован спектр явлений, наиболее интенсивно изучаемых в настоящее время - интенсивные геомагнитные возмущения (магнитные бури и магнитосферные суббури), процессы в окрестности магнитопаузы и районе касг.ов (пересоединение магнитны* полей переходного слоя и магнитосферы, потоки энергичных частиц). Отмечена ключевая роль токового слоя магнитосферного хвоста в магннтосферных процессах и важность построения адекватной эксперименту динамической модели токовой системы хвоста. Тем самым отмечена актуальность работы и обоснована тема диссертации. Приведены основные результаты работы.

В первом парграфе первой главы, посвященной моделированию токовой системы хвоста магнитосферы Земли, приведены экспериментальные данные о геометрии и структуре магнитосферного хвоста, описаны основные области и образования (плазменная мантия, низкоширотный пограничный слой, плазменный и нейтральный слои, доли хвоста, кольцевой ток), представлены количественные характеристики.

Во втором параграфе представлен обзор математических моделей токового слоя хвоста магнитосферы Земли с указанием преимуществ и недостатков описываемых моделей. Представлены, как хорошо известные и широко используемые модели Цыганенко различных годов и параболо-идная модель Алексеева, так и целый ряд менее известных. Отмечается важность рассмотрения замкнутой задачи, то есть построения модели учитывающей как ток в нейтральном слое так и токи замыкания на магнитопаузе.

Третьий параграф посвящен разработке метода построения модели токовой системы магнитосферного хвоста в параболоидной модели магнитосферы. Обосновывается правомерность замены рашения задачи взаимодействия плазмы солнечного ветра с магнитосферой земли решением задачи экранировки внутримагнитосферных источников токами на магнитопаузе и использования магнитостатичесхого приближения при моделировании магнитного поля токовой системы хвоста. Таким образом везде в магнитосфере, за исключением области, занятой токовым слоем, магнитное поле представляется в виде градиента скалярного потенциала и решается задача Неймана для уравнения Лапласа. Задание граничных условий позволяет получить единственное решение в виде разложения в ряд по функциям Бесселя. В самом токовом слое магнитное поле представляется в виде ротора векторного потенциала и определяется однозначно из условия непрерывности всех компонент магнитного поля. Кроме четырех ключевых параметров модели (растояние до подсолнечной точки магнитопаузы, расстояние до переднего края токового

слоя, толщина токового слоя, величина магнитного поля у его передней границы) конкретный вид решения зависит от одной функции /(/9, уз) в параболоидных координатах. Во вором пункте этого параграфа приведены возможные варианты функции /(/3, <р) и, следовательно, возможные варианты моделей. Коротко описаиы их преимущества и недостатки. На основе одной из них проводилось сравнение с экспериментальными данными, которое показало хорошее согласие с наблюдениями.

В последнем пункте третьего параграфа осуществляется попытка построения самосогласованной в первом приближении модели токового слоя. Полученный профиль давления плазмы в токовом слое, соответствующий модельному магнитному полю и конфигурации токов качественно правильно описывает ситуацию в хвосте магнитосферы.

В четвертом параграфе приводятся основные результаты, полученные в первой главе.

Вторая глава посвящена исследованию возможности применения па-раболоидной модели магнитосферы для изучения динамических процессов в магнитосфере Земли. Исследования последних лет, проводившиеся на основе анализа временных рядов в параметрах солнечного ветра и индексах геомагнитной активности (АЕ, АЬ), показали, что магнитосфера может рассматриваться как малоразмерная система. Ее динамика может быть описана небольшим числом (2 — 4) уравнений или с небольшим набором параметров. В то же время, выбор конкретного набора параметров оставляется на усмотрение исследователя. Мы попытаемся исследовать динамику магнитосферы на основе небольшого количества глобальных параметров параболоидной модели: расстояния до подсолнечной точки магнитопаузы, расстояния до переднего края токового слоя и величины магнитного потока в полярной шапке.

В первом параграфе, на основе расчета токов на мапштопаузе и Вг компоненты магнитного поля, показано, что наличие отличного от нуля тока в хвосте магнитосферы соответствует минимуму энергии взаимо-

действия солнечного ветра с магнитосферой Земли. При этом показано, что величина тока не может возрастать неограниченно, то есть параметры модели не могут быть выбраны произвольным образом. При некоторых значениях параметров магнитосфера переходит в состояние, которое не может больше описываться в рамках нашей модели. Определена зависимость между параметрами модели, соответствующих такому переходу, которая позволяет определить критическое (максимальное) значение магнитного потока в полярной шапке в зависимости от расстояния до подсолнечной точки и переднего края токового слоя.

Возрастание магнитного потока регистрируется во время подготовительной фазы магнитосферной суббури, поэтому второй параграф посвящен анализу динамики параболоидной модели во время суббури. В начале параграфа приведен обзор экспериментальных данных и теоретических представлений о процессах в хвосте магнитосферы, присходя-щих во время суббури, а также исследований касающихся связи поворота ММП к северу и начала взрывной фазы суббури. На основе статистического и выборочного анализа, в ряде работ было показано, что после длительного периода южной ориентации межпланетного магнитного поля, вслед за поворотом ММП к северу регистрируется начало взрывной фазы суббури. Дополнительные исследования показали, что на момент начала суббури могут влиять также и изменения в азимутальной компоненте ММП и динамическом давлении солнечного ветра.

Затем проведено исследование поведения глобальных магнитосфер-ных параметров во время магнитосферной суббури. На основе обзора работ других авторов выявлено характерное поведение параметров модели, а также дано обоснование именно такой динамики параметров во время суббури. После поворота ММП к югу усиливается приток энергии из солнечного ветра в магнитосферу Земли. При этом расстояния до подсолнечной точки и до переднего края токового слоя уменьшаются, а магнитный поток в долях хвоста возрастает. Уменьшение расстояния до

подсолнечной точки происходит вследствие возрастания интенсивности продольных токов и токовой системы хвоста. Одновременно с увеличением магнитного потока в долях хвоста происходит приближение токового слоя к Земле, поскольку именно такой согласованный процесс соответствует минимуму энергии взаимодействия плазмы солнечного ветра с магнитосферой Земли. Конкретные величины параметров модели контролируются значениями параметров солнечного ветра - динамическим давлением и величиной северо-южной компоненты межпланетного магнитного поля, а также условием магнитостатического равновесия в хвосте магнитосферы.

После поворота межпланетного магнитного поля к северу после длительного периода южной ориентации, в течении небольшого интервала времени (5-7 мин.), когда величина тока в токовом слое еще не начала убывать, происходит увеличение расстояний до переднего края то-ковго слоя и подсолнечной точки магнитопаузы, поскольку интенсивность продольных токов резко уменьшается и их отрицательный вклад в дневную магнитосферу и положительный вклад в ночную магнитосферу исчезает. В связи с увеличением обоих расстояний, магнитный поток продолжает возрастать. Увеличение магнитного потока в этот период времени связано с тем, что, при неизменной величине тока у переднего края токового слоя и его удалении от Земли, величина тока на фиксированном геоцентрическом расстоянии возрастает. То есть увеличивается ток в дальнем хвосте, что приводит к возрастанию магнитного потока в долях хвоста. При этом величина магнитного потока быстро достигает своего критического значения. Этот момент мы связываем с началом взрывной фазы суббури. Хотя реально параболоидная модель магнитосферы перестает быть справедливой уже в окрестности критического значения, мы считаем, что нам удалось проследить динамику процесса, который привел магнитосферу в метастабильное состояние. Это состояние можно поставить в соответствие образованию тонкого токового слоя

в ближайшей к Земле части токового слоя и уменьшению в этой области величины магнитного поля, что характерно для начала взрывной фазы суббури.

В конце главы кратко сформулированы основные результаты.

В третьей главе представлена модель расположения на магнитопаузе областей пересоединения магнитных полей переходного слоя и магнитосферы. В начале главы приведен перечень работ по данной тематике. Наиболее известные модели - это "компонентная" и "антипараллельная" модели пересоединения.

В "компонентной" модели пересоединение происходит вдоль наклонной линии с центром в подсолнечной точке магнитопаузы, наклон которой зависит от направления межпланетного магнитного поля. Так, при строго южной ориентации ММП пересоединение происходит вдоль экваториальной линии с центром в подсолнечной точке. В то же время, при строго северной ориентации ММП пресоединение прекращается. В "антипараллельной" модели пересоединение происходит прежде всего там, где магнитные поля переходного слоя и магнитосферы более всего антипараллельны. Таким образом, при строго южной ориентации пересоединение происходит во всем интервале широт между каспами в ме-ридианальном сечении день-ночь и лишь в экваториальной плоскости в другие локальные времена. С другой стороны, в отличее от "компонентной" модели пересоединения, эта модель предсказывает продолжение пересоединения к полюсу от каспов при строго северной ориентации ММП.

Наблюдения свидетельствуют в пользу как "компонентной", так и "антипараллельной" моделей пересоединения. Например, непосредственные наблюдения картины частоты событий переноса потока свидетельствуют, что они группируются вокруг наклонной подсолнечной липни пересоединения, особенно в периоды южной ориентации ММП. С другой стороны, наблюдения дисперсии в высыпающейся холодной плазме

говорят в пользу того, что пересоединение продолжается в полярной области каспа во время северной ориентации ММП, а области пересоединения сдвигаются от локального полдня под влиянием восточно западной компоненты ММП. Тот факт, что короткие авроральные события на дневной стороне образуются в местах удаленных от локального полудня, и сдвигаются в солнечном направлении, также могут считаться свидетельством антипараллельного пересоединения.

В первом параграфе приводятся сведения относительно моделей переходного слоя и магнитосферы, используемых в численных расчетах. В качестве модели магнитосферы используется параболоидная модель, включающая новую модель токового слоя построенную в первой главе. В качестве модели переходного слоя используется модель Кобеля и Флюкигера. Их модель опирается на два важных допущения. Первое -это отсутствие токов в переходном слое. Во-вторых, они полагали, что ударная волна и магнитопауза могут быть смоделированы как софокус-ные параболоиды.

Таким образом, мы определяем три области пространства, в которых моделируем магнитное поле:

(1) невозмущенный солнечный ветер (однородное магнитное поле),

(2) переходный слой (модель Кобеля и Флюкигера), и

(3) магнитосфера (параболоидная модель).

На рисунке 1. приведена картина силовых линий магнитного поля всех трех областей при южной ориентации межпланетного магнитного поля.

Исходя из предположения о том, что пересоединение начинается, когда величина тока на магнитопаузе превышает некоторый порог, и того факта, что величина тока однозначно определяется скачком магнитного поля через магнитопаузу, во втором параграфе расчитывается картина изолиний постоянной величины скачка магнитного поля через магнитопаузу для любого направления межпланетного магнитного поля. Мы

выбираем значение в 50 пТ для минимального скачка величины поля поперек магнитопаузы, требуемого для инициализации пересоединения, из сравнения магнитного потока в ионосферном каспе с потоком, пересекающим магнитопаузу для строго северной и строго южной ориентации ММП.

Наша модель дает предсказания о расположении областей пересоединения для любой ориентации ММП. Так, для строго южной ориентации мы предсказываем пересоединение в широком интервале широт и долгот на дневной магнитопаузе. Наклон этой области увеличивается с поворотом межпланетного магнитного поля к северу, и пересоединение будет продолжаться к полюсу от каспов при строго северном направлении ММП. При не строго северном направлении мы ожидаем пересоединение как на дневной магнитопаузе так и к полюсу от каспов.

Модель дает возможность получить информацию об областях пересоединения также и при учете Вх компоненты межпланетного магнитного поля. При этом становится заметна ассиметрия относительно экваториальной плоскости. При строго солнечном направлении ММП пересоединение ожидается на дневной магнитопаузе со сдвигом с северу и к полюсу от южного каспа. При строго антисолнечном направлении ММП пересоедаинекие ожидается на дневной магнитопаузе со сдвигом с югу и к полюсу от северного каспа.

В третьем параграфе приводится короткое обсуждение результатов численного моделирования, в котором отмечается, что так же как и более ранние модели, наша модель пересоединения на магнитопаузе, представленная здесь успешно объясняет широкий спектр хорошо известных явлений в магнитосфере и каспах, включая свидетельсво о наклонной линии пересоединения вблизи подсолнечной точки, пересоединение на экваториальной границе каспа в периоды сильного южного ММП и на полярной границе каспа в периоды северного ММП, сдвиги утро/вечер в положении каспа в зависимости от В3 компоненты ММП, и большей

шириной каспа для южного, а не северного ММП. Кроме того, модель учитывает некоторые менее известные характеристики. В частности, модель предсказывает продолжение пересоединения как в экваториальной, так и в полярной магаитопаузе для всех ориентации ММП кроме точно северной. Результаты, полученные в этой модели, согласуются с анализом данных АМРТЕ/ИШ и АМРТЕ/ССЕ.

В заключении приведены основные результаты, полученные в диссертации:

1. Предложен способ построения моделей токового слоя в параболо-идной модели магнитосферы. Построена модель токовой системы хвоста хорошо описывающая геоцентрическую зависимость поля в хвосте магнитосферы Земли.

2. Решена в первом приближении проблема магнитостатического равновесия токового слоя магнитосферного хвоста. Показано, что существует равновесная конфигурация плазмы, соответствующая модельному магнитному полю.

3. Найдены границы применимости модели и их связь с переходом магнитосферы в метастабильное состояние и возможным началом магнитосферной суббури. Представлен сценарий при котором глобальные параметры модели достигают критических значений, и который приводит магнитосферу в метастабильное состояние.

4. Представлена модель расположения на магвитопаузе областей пересоединения магнитных полей переходного слоя и магнитосферы для любой ориентации межпланетного магнитного поля. Модель согласуется с данными наблюдений на космических аппаратах АМРТЕ/ССЕ, АМРТЕ/11Ш и объясняет широкий спектр явлений б окрестности магнитопаузы и районе каспов.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. I.I. Alexeev, S.Yu. Bobrovnikov, Tail current sheet dynamics during substorm, Proceedings of ICS-3, Versailles 1996, May, p. 417-422

2. И.И. Алексеев, С.Ю. Бобровников, Динамика токового слоя маг-нитосферного хвоста во время суббури, Труды конференции "Проблемы геокосмоса", Санкт-Петербург, Июнь 1996, С. 67-74.

3. I.I. Alexeev, S.Yu. Bobrovnikov, Tail current sheet dynamics during substorm, Proceedings of WDS'96, Prague 1996, September, p. 31-37.

4. И.И. Алексеев, С.Ю. Бобровников, Динамика токового слоя магни-тосферного хвоста во время суббури, Геомагнетизм и аэрономия, Т. 37, N.5, С. 24-31,1997

5. I.I. Alexeev, D.G. Sibeck, S.Yu. Bobrovnikov, Concerning the Location of Magnetopause Merging as a Function of the Magnetopause Current Strength, Abstracts of 8lh Scientific Assembly of IAGA with ICMA and STP Symposia, Editors: R. Bostrom, T. Carozzi, I. Arlefjard, A.-S. Whalberg, P. Dovner, 1997, p. 252

Рис. 1: Картина силовых линий магнитного поля невозмущенного солнечного ветра, переходного слоя и магнитосферы при южной ориентации межпланетного магнитного поля.