Нестационарное пересоединение на дневной магнитопаузе тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГБ ОД

1 3 1988 На правах рукописи

УДК 530.382 550.385

ЛЕБЕДЕВА ВАЛЕНТИНА ВАСИЛЬЕВНА

НЕСТАЦИОНАРНОЕ ПЕРЕСОЕДИНЕНИЕ НА ДНЕВНОЙ МАГНИТОПАУЗЕ

Специальность: 01.03.03 - Гелиофизика и физика солнечной системы

Авторе ф е р ат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена в НИИ физики Санкт-Петербургского государственного университета.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Н. В. Еркаев доктор физико-математических наук Ю. П. Мальцев

Ведущая организация: Арктический и Антарктический Научно-Исследовательский Институт

Защита состоится М^оиЛ 1990 года в /-Г"~часов на за-

седании совета Д 063.57.51 по защите диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук в Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034. Санкт-Петербург, Университетская набережная. 7/9. , /-£-СССрС/

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Пстербд кого государственного университета.

доцент В. С. Семенов

Ученый сег.ретарь диссертационного совет. к.ф.-м.Н..

С. А. Зайцева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В диссертации предлагается обобщение модели нестационарного пересоединения на случай скрещенных магнитных полей произвольной напряжённости. При этом учитывается, что плазма по разные стороны токового слоя может иметь разную плотность и разные тангенциальные относительно токового слоя скорости. На основе модели получены модельные спутниковые измерения и проведено их сравнение с экспериментальными данными, полученными на спутниках 1ЭЕЕ 1 и 2.

Актуальность проблемы. Механизм пересоединения магнитных полей считается доминирующим механизмом, контролирующим перенос энергии из солнечного ветра в магнитосферу. Он состоит в том, что направленное на юг магнитное поле солнечного ветра пересоединяется с противоположно направленным геомагнитным полем, образуя открытые силовые линии.

Исследования показали, что пересоединение магнитных полей яв -ляется фундаментальным процессом в солнечной, космической и звездной плазме. Среди главных характеристик процесса пересоединения следует назвать изменение топологии магнитного поля, высвобождение магнитной энергии и ускорение плазмы. В настоящее время считается, что магнитное пересоединение лежит в основе таких разнообразных явленией, как солнечные вспышки; динамические процессы на секторных границах в солнечном ветре ; проникновение энергии солнечного ветра в магнитосферу; магнитосферные суббури и других.

Один из наиболее фундаментальных вкладов в теорию магнитного пересоединения был сделан Петчеком. Эта модель стала руководством при исследовании и интерпретации экспериментальных данных.

При анализе данных спутников 15ЕЕ, было обнаружено явление, названное авторами 1Яих Ьтапэкг суеи? (РТЕ). Его главной чертой, по которой это явление выделяется среди спутниковых измерений, является биполярная вариация нормальной к магнитопаузе компоненты магнитного поля, существенно превышающая уровень шума.

С присущей авторам научной интуицией ГТЕ были интерпретированы как воздействие на окружающее магнитное поле со стороны перемещающейся вдоль магнитопаузы магнитной трубки, образовавшейся в результате импульса пересоединения межпланетного магнитного поля и магнитного поля Земли. Регистрация во время ГТЕ энергичных частиц горячей магнитосферной плазмы в холодной плазме магнитошиса и наоборот, частиц солнечного ветра из магнитошиса в магнитосфере подтверждает предположение Расселла и Элфика о связи ГТЕ с магнитным пересоединением. С этим открытией в физике магнитосферы появилось понятие нестационарного и локального пересоединения.

Существует альтернативная теория, объясняющая ГТЕ воздействием на магнитопаузу импульсов динамического давления в солнечном ветре. Авторы этой модели на основании расчёта вероятности подтвердили существено более частое появление ГТЕ при южном ММП, что в корне не совпадает с выводами модели ГТЕ как результата воздействия на магнитопаузу импульсов динамического давления в солнечном ветре. С другой стороны, Пудовкин и Самсонов показали, что импульсы давления на магнитопаузе могут быть результатом развития на магнитопаузе процесса пересоединения магнитных полей.

В работе Иыганенко, автора известных моделей магнитосферы Земли, и Сайбека, одного из самых убежденных сторонников теории динамических импульсов, делается вывод, что внезапное смещение магнитопаузы к Земле, известное как эрозия магнитораузы, только на 40% можно объяснить вкладом усиленного динамического давления солнечного ветра. Остальной вклад в смещение магнитопаузы к Земле вносит процесс магнитного пересоединения, благодаря которому часть магнитного потока с дневной стороны магнитосфкры переносится на ночную. Тем не менее теория импульсов динамического давления остаётся одной из основных конкурирующих теорий при интерпретации ГТЕ. При этом очевидно, что дискуссия ведётся со стационарной моделью пересоединения и вопрос, как часто ГТЕ появляются на магнитопаузе, ставится вместо вопроса, как часто возможно зарегистрировать ГТЕ, т.к. исходя из представлений стационарной теории пересоединения, предполагается, что спутник

не может не зарегистрировать РТЕ, если таковое случилось.

Это доказывает глубокое различие во взглядах исследователей на процесс пересоединения магнитных полей и условий его протекания на магнитопаузе, а также при интерпретации явлений, зарегистрированных на магнитопаузе спутниками. Стационарное крупномасштабное пересоединение магнитных полей на магнитопаузе, признаком которого считаются концентрированные потоки ускоренной плазмы вдоль магнитопаузы, и локальное импульсное пересоединение, проявлением которого многие считают ГТЕ, рассматриваются как разные явления, в основе которых лежат разные физические процессы.

Из вышесказанного следует, что для более полного понимания как природы самого явления пересоединения магнитных полей, так и характера его протекания на магнитопаузе Земли, необходимы дальнейшие работы как в области развития экспериментальной базы, так и в теоретической области, а именно, построение моделей магнитного пересоединения. При этом необходимо учитывать, как асимметрию параметров магнитного поля и плазмы в области магнитопаузы, так и существенно нестационарный характер протекающих здесь процессов.

Целью настоящей работы, является моделирование, как стационарных, так и нестационарных процессов на магнитопаузе (РТЕ) на основе модели пересоединения магнитных полей, являющейся обобщением стационарной модели пересоединения Петчека на случай импульсного пересоединения. В работе предложен следующий шаг в развитии этой модели, а именно, рассматривается пересоединение магнитных полей произвольной напряженности, в несжимаемой плазме, имеющей разную плотность и разные тангенциальные к токовому слою скорости по разные стороны токового слоя. На основе модели рассчитывается возмущение токового слоя и параметров магнитного поля и плазмы. Расчеты вдоль выбранного направления моделируют спутниковые измерения. Вариации параметров магнитного поля и плазмы вдоль модельных спутниковых траекторий сравниваются с данными спутников 13ЕЕ 1 и 2.

Научная новизна. Получено обобщение нестационарной симметричной модели пересоединения магнитных полей в неподвижной плазме с линией пересоединения конечной длины на случай пересоединения скрещенных магнитных полей произвольной напряженности в плазме, движущейся до начала пересоединения. Плазма по обе стороны токового слоя имеет разные плотности и разные тангенциальные относительно токового слоя скорости.

Выполнено трехмерное моделирование возмущения токового слоя, вызванного процессом пересоединения, и моделирование спутниковых измерений вдоль траекторий вблизи магнитопаузы.

Выполнено сравнение модельных результатов с экспериментальными данными. Характеристики FTE, полученные на основе анализа спутниковых измерений, объяснены с точки зрения представленной модели нестационарного пересоединения магнитных полей.

Практическая ценность. Предложенная модель пересоединения магнитных полей и её численная реализация могут быть использованы при интерпретации данных спутников как уже имеющихся, так и поступающих вновь, например, со спутников проектов CLASTER и INTERBALL.

Апробация. Представленные в диссертации результаты докладывались на встрече международной рабочей группы 'The Solar Wind - Magnetosphere System1 в Граце (Австрия) 1992г., на 1-ой встрече международной рабочей группы 'Magnetic reconnection at the magnetopause and aurora dynamics' в Апатитах (Россия) 1995г., а также на научных семинарах НИИФ СПбУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Работа содержит 159 страниц машинописного текста, 45 рисунков, библиографию из 130 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе представлен обзор литературы. Показана важность процесса пересоединения в природе и лабораторных экспе-

риментах. Рассмотрение работ, посвященных анализу и интерпретации экспериментальных данных, полученных со спутников, приводит к выводу, о том, как важно иметь хорошую теоретическую модель, адекватпо описывающую физические процессы происходящие на магнитопаузе Земли. А сравнение некоторых моделей, разрабатываемых разными научными школами показало какое глубокое разногласие существует во взглядах исследователей на процесс пересоединения магнитных полей и его роль в физике магнитосферы. Назван ряд характеристик процесса пересоединения, которые необходимо учитывать при дальнейшей разработке моделей этого физического явления.

Вторая глава посвящена обзору модели нестационарного пересоединения магнитных полей.

В первом разделе рассмотрены основные физические представления, связанные с процессом пересоединения и использовапные в постановке математической задачи. В основе модели лежат фундаментальные идеи Петчека о том, что для эффективного взаимодействия магнитных полей на токовом слое достаточно, чтобы диссипа-тивные процессы, приводящие к пересоединению магнитных полей, происходи в ограниченной области токового слоя, называемой диффузионной областью. Возмущение, возникающее в диффузионной области, переносится на токовый слой и окружающую его замагни-ченную плазму магнитогидродинамическими волнами. Размер диффузионной области, в направлении перпендикулярном направлению тока в слое, по оценке Петчека обратно пропорционален проводимости плазмы, поэтому в приближении идеально проводящей плазмы диффузионная область моделируется линией, называемой линией пересоединения. Протекающие в диффузионной области процессы остаются за рамками представленной работы. Их суммарный эффект моделируется тангенциальным электрическим полем. В отличие от классических работ Петчека электрическое поле на линии пересоединения рассматривается зависящим от времени.

Во втором разделе приведены основные уравнения, использованные для решения задачи пересоединения скрещенных магнитных полей с линией пересоединения конечной длины в идеально провожя-

щей несжимаемой плазме, движущейся вдоль токового слоя. Введено приближение слабого пересоединения, согласно которому электрическое поле на линии пересоединения много меньше характерного электрического поля альфвеновской волны в конвективной зоне. Отношение названных электрических полей задает малый параметр задачи. Решение ищется в виде разложения по этому параметру.

В третьем разделе приведено решение проблемы Римана для тангенциального разрыва. В приближении несжимаемой плазмы тангенциальный разрыв распадается на систему магнитогидродинами-ческих разрывов трех типов: медленную ударную волну, альфве-новский и контактный разрыв. В результате решения проблемы Римана получены тангенциальные составляющие магнитного поля и скорости плазмы в области растекания. Они определяются начальными константами и, таким образом, не зависят от интенсивности процесса пересоединения.

В четвертом разделе вводятся векторы смещения в области втекания и в области растекания, по которым в следующих разделах определяются нормальные составляющие магнитного поля и скорости плазмы в области растекания, а также возмущение в области втекания. Показано, что векторы смещения могут быть выражены через электрическое поле на линии пересоединения и, таким образом, зависят от интенсивности процесса пересоединения. Показано, что вектор смещения, а следовательно и возмущение в области втекания, может быть выражен через нормальную компоненту вектора смещения в области растекания.

В пятом разделе для нормальной компоненты вектора смещения в области растекания получено уравнение типа уравнения Кельвина-Гельмгольца с разрывными функциями в правой части. Это уравнение описывает распространение поверхностных волн позади перемещающихся по токовому слою И1 областей (областей смены на-равления магнитного поля).

В шестом разделе показано, что уравнение Кельвина-Гельмгольца для поверхностных волн с помощью преобразования координат может быть сведено к двумерному волновому уравнению, в правой части которого в качестве источника стоят скачки функций, зави-

сящих от электрического поля пересоединения и терпящих разрыв на линии пересоединения.

В седьмом разделе волновое уравнение, полученное в предыдущем разделе решается с использованием методов обобщенных функций. Его решением является свертка правой части уравнения (функции 'источника') и фундаиентального решения двумерного волнового оператора.

В восьмом разделе получено решение задачи пересоединения в области втекания. Оно выражается интегралом Пуассона, исто-ником для которого служит возмущение токового слоя в процессе пересоединения магнитных полей.

В девятом разделе описан способ вычисления функций, входящих в функцию источника для волнового уравнения. Показано, что аргументы этих функций задают время от начала процесса пересоединения и кординату на линии пересоединения, из которой возмущение распространяется.

В десятом разделе приведены формулы для вычисления производных вектора смещения в области растекания, необходимых для определения возмущений магнитного поля и скорости плазмы в области растекания и в области втекания. Описан способ их вычисления.

В последнем одиннадцатом разделе первой главы рассмотрены схемы пересоединения магнитных полей различных ориентации в проекции на токовый слой. В этой проекции картина распространения возмущения, связанного с процессом пересоединения, выглядит особенно наглядной. Порядок рассмотрения соответсвуег истории развития представленной модели пересоединения.

Третья глава посвящена результатам численного моделирования на основе представленной модели пере со единения магнитных полей.

В первом разделе представлены результаты вычисления возмущения токового слоя при различной ориентации магнитных полей. Показано влияние движения плазмы вдоль токового слоя на форму, скорость и направление распространения возмущения токового

слоя, вызванного процессом пересоединения магнитных полей.

Во втором разделе рассматривается возмущение токового слоя, связанное с распространением поверхностных волн. Показано, что там, где волновая зона пересекается с И1 областью, токовый слой изогнут так, чтобы магнитные силовые линии могли попасть из одного полупространства в другое.

В третьем разделе исследовано смещение токового слоя в область более сильного магнитного поля после окончания процесса пересоединения и время его возвращения в начальное положение в зависимости от величины шира магнитных полей выше и ниже токового слоя. Показано, что в бездиссипативной модели токовый слой, сместившийся при пересоединении антипараллельных полей в область более сильного магнитного поля, может оставаться в этом положении сколь угодно долго в результате образования стоячей поверхностной волны. Показано, что причиной возникновения стоячей поверхностной волны в процессе пересоединения антипараллельных магнитных полей является отсутствие у поверхностных волн скорости вдоль линии пересоединения.

В четвертом разделе на основе представленной модели рассчитаны вариации магнитного поля, скорости плазмы и функции 5, моделирующей взаимное проникновение плазм, до начала пересоединения разделённых токовым слоем, вдоль модельных траекторий спутников. Анализ полученных вариаций показывает, что представленная модель правильно воспроизводит основные характеристики РТЕ, такие как биполярная вариация нормальной к токовому слою компоненты магнитного поля и ее знак, усиление модуля магнитного поля, а также потоки ускоренной плазмы и энергичных частиц.

В пятом разделе полученные результаты сопоставлены с данными спутников 1БЕЕ 1 и 2. Проведено сравнение характеристик РТЕ, полученных из анализа данных спутников с результатами модельных расчетов. Сравнение показывает, что на основании представленной модели можно объяснить не только основные характеристики РТЕ, присущие всем событиям, но и характеристики, меняющиеся от события к событию и зависящие от условий в солнечном ветре.

характера движения магнитной трубки вдоль магнитолаузы и взаимного расположения спутника и пересоединившейся трубки.

В заключении дисертации дается краткий итог проведенных исследований и формулируютя

Положения выносимые на защиту:

1. Стационарная модель пересоединения Петчека обобщена на случай нестационарного локального пересоединения скрещенных магнитных полей произвольной напряженности в плазме, имеющей разные плотности по разные стороны токового слоя и движущейся до начала пересоединения тангенциально относительно токового слоя. Линия пересоединения имеет конечную длину.

2. Стационарное пересоединение, описываемое моделью Петчека, основный признаком которого считаются потоки ускоренной плазмы вдоль магнитопаузы, и нестационарное пересоединение, проявлением которого считаются ГТЕ, описываются в рамках единой теории и единого механизма пересоединения.

3. Потоки ускоренной плазмы и энергичных частиц являются прямым следствием, как стационарного, так и нестационарного процессов пересоединения.

4. Нестационарный процесс пересоединения магнитных полей является источником поверхностных волн. Их распространение описывается уравнением типа уравнения Кельвина-Гельмгольца.

5. ГТЕ являются результатом нестационарного магнитного пересоединения на магнитопаузе Земли.

6. На основании модельных расчетов и сравнения с экспериментальными данными показано, что предложенная модель правильно описывает характеристики РТЕ, регистрируемых вблизи магнитопаузы.

7. Предложенная модель пересоединения магнитных полей и её численная реализация могут быть использованы при интерпретации данных спутников, как уже имеющихся, так и поступающих вновь,

например, со спутников проектов CLASTER и INTERBALL.

Основные резульиаиы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Lebedeva, V. V., V. S. Semenov, В. Р. Besser, Н. К. Biernat, G. А. Bachmaier, М. F. Heyn, R. Р. Rijnbeek, Computer program for time-dependent localized reconnection (field reversal region), Veroffentl. der OAW, IWF 73, Graz, 1991.

2. Lebedeva, V. V., Time-dependent reconnection of ckewed magnetic field, in: The solar wind - magnetospliere system. Proceedings of the International Workshop. Austria, Graz, September 23-25, 1992, edd. H. K. Biernat, G. A. Bachmaier, S. J. Bauer and R. P. Rijnbeek, Wien, Verlag der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, 109, 1994.

3. Semenov, V. S., I. V. Kubyshkin, V. V. Lebedeva, M. P. Heyn, H. K. Biernat, R. P. Rijnbeek, and C. J. Farrugia, A comparison and review of steady-state ancl time-varying reconnection Planet. Space Sei., 40, 63-87, 1992.

4. Semenov, V. S., I. V. Kubyshkin, V. V. Lebedeva, M. V. Sidneva, H. K. Biernat, M. P. Heyn, В. P. Besser, and R. P. Rijnbeek, Time-dependent reconnection of skewed magnetic fields, J. Geophys. Res., 97, 4251, 1992.

5. Semenov, V. S., I. V. Kubyshkin, V. V. Lebedeva, and M. V. Sidneva. Time-dependent reconnection in a current sheet with skewed magnetic fields. In: Solar Wind - Magnetosphere Interactions edited by M. F. Heyn, H. K. Biernat, V. S. Semenov, and R. P. Rijnbeek, Wien, Osterreichische Akademie der Wissenschaften, p.145, 1992.

6. Semenov, V. S., C. J. Farrugia, H. K. Biernat, V. V. Lebedeva, R. P. Rijnbeek, Reconnection-associated surface waves at the magnetopause, Geophys. Res. Lett., 21, 2437, 1994.

7. Semenov, V. S., V. V. Lebedeva, H. K. Biernat, R. P. Rijnbeek, C. J. Farrugia, Time-varying reconnection: Implications for Magnetopause Observations J. Geophys. Res., 100, 21779, 1995.