Структура корпускулярных высыпаний в высокоширотной ионосфере тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

Санкт-Петербургский государственный университет

На правах рукописи

, ' 1 Л 7 УДК 550.385:550.37

■ у - >»

- 9 ЙЮЛ 1397

Шишкина Елена Михайловна

Структура корпускулярных нысыпаннй в высокоширотной

ионосфере

Специальность 01.03.03 - гелиофизика и физика солнечной системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена в Государственном Научном Центре Российской Федерации Арктическом и антарктическом научно-исследовательском

институте

11аучные руководители: доктор физико-математических наук

Трошичев O.A.

кандидат физико-математических наук Котиков АЛ.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Сергеев В.А.

доктор физико-математических наук Распопов О.М.

Ведущая организация: Полярный геофизический институт КНЦ РАН

г.Мурмансь

Защита состоится "_"_1997г. в_час. на заседании

специализированного совета Д063.57.51 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ. Автореферат разослан "_"_1997г.

Ученый секретарь о/ J

сисциалилфоиаиного совета с/иС^С/Зайцева С.А. •

В диссертации проанализированы спутниковые данные о высыпаниях частиц в полярных областях, исследовано поведение авроралыюго овала п зависимости от параметров межпланелюй среды и индексов геомагнитной активности. На ночной стороне авроралыюго овала рассмотрены некоторые процессы, связанные с развитием авроральной суббури.

Актуальность проблемы. Изучение характеристик высыпающихся частиц в высокоширотных областях позволяет сопоставить зоны вторжения частиц в ионосфере с областями в магнитосфере. Такое отождествление помогает понять, что происходит в магнитосфере во время развития суббури и как' влияют параметры межпланетной среды на поведение магнитосферы.

В настоящее время накоплен огромный объем спутниковых данных, интерпретация которых бывает противоречива. Эти противоречия могут быть частично объяснены тем, что используются различные выборки данных, соответствующие различным внешним условиям, поэтому работы, в которых существующие экспериментальные данные были бы обобщены, позволили бы уточнить существующие теоретические представления о взаимодействии геомагнитного поля с солнечным ветром.

Уточнение размеров и местоположения дневного каспа позволило бы лучше понять процессы, происходящие на дневной магнитопаузе, поэтому разработка метода идентификации области собственно каспа и идентификации магнитосфериых областей, обеспечивающих высыпания частиц в области клефта, исследование влияния параметров межпланетного магнитного поля на поведение области каспа также кажутся необходимыми. Хотя этой проблеме посвящено большое количество работ, в них признается,

что идентификация области собственно каспа по характеристикам

*

электронных высыпаний бывает затруднена вследствие отсутствия четкой границы между этой областью и прилегающими к ней областями высыпаний из пограничного слоя и мантии на дневной стороне магнитосферы.

Изучение размеров полярной шапки и разности потенциалов поперек асе в зависимости от межпланетного электрического поля, проникающего в полярные шапки, позволило бы определить состояние всей магнитосферы в целом по диаметру полярной шапки.

Отождествление областей магнитосферы с зонами вторжений на ночной стороне невозможно без рассмотрения процессов, связанных с развитием суббурн. Возникновение трехмерных токовых систем и создание каналов повышенной проводимости в ночной зоне авроральной ионосферы должно отражаться на характеристиках высыпающихся частиц. Таким образом, изучение этих характеристик позволяет лучше понять физику процессов, осуществляющих магнитосферно-ионосферные связи.

Особенный интерес представляют оценки энергии, вносимой высыпающимися частицами в авроральный овал и полярную шапку, а также оценки энергии, высвобождающейся во время пересоединения магнитных силовых линии в хвосте магнитосферы. Зная величину этой энергии, мы можем судить о том, на какие процессы в атмосфере и на поверхности Земли могут оказывать влияние процессы в магнитосфере.

Цель диссертационной работы. Целью данной работы является разработка автоматизированного метода определения границ аврорального овала, построение его статистической конфигурации и исследование его поведения в зависимости от параметров межпланетной среды, а также оценка энергии, вносимой высь ¡лающимися частицами в полярные области ионосферы. Исследование поведения аврорального овала на ночной сторон? невозможно без комплексное рассмотрения процессов, связанных с развитием суббури, которым в настоящей работе удечено особое внимание. Научная новизна. В работе разработан автоматизированный метод определения границ аврорального овала по характеристикам высыпающихся частиц гля любой ориентации межпланетного магнитного поля. Этот новый

метод позволил на статистически значимом объеме экспериментальных данных установить размеры и чсстоположснио азрорального овала, определить размеры и форму полярной шапки и изучить влияние на них межпланетного магнитного поля и уровня геомагнитной активности.

Установлена .связь между размером полярной шапки и разностью потенциалов поперек нее и электрическим полем, поступающим в процессе пересоединения магнитных силовых линий из солнечного ветра в полярные шапки.

Исследована связь между границами аврорапьного овала, структурами в , нем и границей обращения конвекции.

Проведена оценка энергии, вносимой в высокоширотные области ионосферы в зависимости от уровня геомагнитной активности и межпланетного магнитного поля.

Для оценки энергии, выделяющейся вследствие пересоединения магнитных силовых линий в ходе взрывной фазы суб&урн разработан метод определения зональной компоненты электрического поля в ионосфере и магнитосфере по наземным магнитным данным. Проведено сопоставление полученных этим методом оценок с независимыми данными об электрических полях радара E1SCAT.

Исследована связь структуры высыпаний на ночной стороне аврорального овала со структурой западного электроджета. Подтверждено наличие "занавесочных" продольных токов, ограничивающих по широте отдельные струи в западном элеюроджете.

Практическая ценность работы состоит в разработке метода определения границ аврорального овала для любых условчй в межпланетной среде, разработке метода определения широтной компоненты электрического поля и ионосфере и магнитосфере по смещению струн электроджета в полуночном

б

секторе к полюсу и к экватору, а также в энергетических оценках, приведенных в работе.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Диссертация содержит 128 страниц машинописного текста, 24 рисунка, 4 таблицы и библиографию из 128 наименований.

Содержание работы.

Во введен»« обусловлена актуальность темы исследований, сформулированы цели работы, описана научная новизна полученных результатов, кратко изложено содержание работы.

В первой главе представлен обзор существующей по теме диссертации литературы.

Вторая глава целиком посвящена морфологии корпускулярных вторжений в полярной ионосфере. Основной базой для данных исследований послужили данные американских метеорологических спутников БМБР, которые имеют циркумполярную орбиту на высоте 840 км и измеряют потоки высыпающихся электронов и ионов с энергиями от 30 эВ до 30 кэВ.

В параграфе 2.1 описан метод определения приполюсной границы аврорального овала, позволяющий уверенно идентифицировать ее для любых условий в межпланетном магнитном поле (ММП). Известно, что в условиях северного ММП в полярной шапке наблюдаются дуги полярных сияний, при этом полярная шапка заполнена всплесками элеетронных высыпаний, что затрудняет определение ее границы. В то же время более тяжелые ионы тех же энергий не могут преодолеть конвекцию, уносящую силовые трубки, опирающиеся на полярную шапку, в антисолнечном направлении, поэтому ионные высыпания в полярной шапке остаются незначительными даже при северной ориентации ММП. Использование численных потоков ионов для

определения границ аврорального овала позволяет решать эту задачу при любой ориентации ММП.

Так как численные потоки существенно изменяются во времени, для сравнения результатов, полученных за разные пролеты спутника использовалась нормировка численных потоков частиц на максимальную для данного пересечения овала величину. Спад численных потоков частиц на приполюсной кромке аврорального овала происходит достаточно быстро, поэтому широты, на которых численные потоки уменьшаются до 20% или 10% от максимальной величины отличаются не намного. В спокойных . условиях широты, на которых численные потоки электронов и ионов уменьшаются до 20% от максимальной для данного пересечения величины, различаются не больше, чем на 0.5°; поэтому мы выбрали этот уровень как пороговый для определения приполюсной границы аврорального овала. В возмущенны* условиях на ночной стороне наилучшее согласование границы высыпаний, определенной по численным потокам ионов и электронов достигается, если выбрать в качестве пороговой величины уровень в 10%.

Чтобы устранить очень узкие по широте всплески или, наоборот, провалы в высыпаниях, данные были усреднены за 1°, 0.5°, 0.25°. Сравнение

I

результатов показало, что широта границы высыпаний при этом изменялась не более, чем на 1°. Мы выбрали как оптимальное усреднение за 0.5".

Таким образом, алгоритм определения приполюсной границы аврорального овала сводится к следующему:

1) электронные и ионные численные потоки усредняются за 0.5° и нормируются на максимальную величину для данного пересечения аврорального овала; ' .

/

2) определяется широта, на которой эти нормированные потоки падаюг до уровня в 20% от максимальной величины. Широты границ, найденных для

ионов н электронов, сравниваются. Если разница между ними не превышает 1.5°, то мы считаем, что граница найдена;

3) если разница превышает 1.5°, мы опускаем пороговый уровень до 10% от максимальной величины;

4) если мы не добились соответствия между границами электронных и ионных высыпаний, то проверяются уровни в 25% и 30%; если соответствие не достигнуто, то случай исключался из дальнейшего статистического рассмотрения (такие случаи составляют около 5% от числа всех рассмотренных случаев).

В параграфе 2.2 исследуется связь между размером полярной шапки вдоль меридиана 06-18 часов и межпланетным электрическим полем. Считается, что опирающиеся на полярную шапку силовые линии геомагнитного поля не замкнуты и пересоединяются с силовыми линиями солнечного ветра. Размер полярной шапки уменьшается при повороте ММП к северу по сравнению с ее размером при южной ориентации ММП. Таким образом, размер полярной шапки может рассматриваться как показатель состояния магнитосферы в целом. Показано, что наилучшим образом размер полярной шапки связан с РС-индексом, являющимся мерой поступающего из солнечного ветра в полярную шапку электрического поля (коэффициент

д

корреляции 0.92) и с электрическим полем пересоединения Ет = уВ^п—, где

V - скорость солнечного ветра, ВТ = ^В] +В* - тангенциальная компонента ММП, 0 - угол между вт и вертикальной геомагнитной осью (коэффициент корреляции 0.93).

Показано, что связь между размером полярной шапки, определенным по обращению ионосферной конвекции, с межпланетным электрическим полем выражена менее ярко.

Параграф 2.3 посвящен уточнению размера и местоположения дневного касиа. Полученные резульгаты хорошо согласуются с известными

ранее фактами и подтверждают, что связь между положением каспа и АЕ-нндксом выражена лучше, чем связь с вертикальной компонентой ММП. Отчетливо прослеживается сезонный ход положения каспа: летом касп смещается на 1-2° к полюсу относительно его положения зимой.

Параграф 2.4 посвящен определению экваториальной границы аврорального овала и границы между мягкой и жесткой диффузными зонами аврорального опала. Показано, что эта последняя граница близка к границе обращения конвекции. Приведены среднестатистические конфигурации аврорального овала в спокойных и возмущенных условиях. Показано, что • смешение аврорального овала с ростом возмущенности геомагнитного поля максимально на дневной стороне. Данные были обработаны так, чтобы убрать зависимость положения границ аврорального овала от /1/:-индекса н В, -компоненты. Проанализирована зависимость конфигурации аврорального овала от азимутальной компоненты ММП. Полученные результаты показали, что даже в очень спокойных условиях полярная шапка сохраняет заметную величину (радиус ее имеет величину от 5 до 12°), а зависимость от азимутальной компоненты сводится к смещению приполюсной границы полярной шапки в северном полушарии на утреннюю сторону при смене Знака Ву с минуса на плюс и на вечернюю сторону при изменении Ву от положительных значений к отрицательным. В южном полушарии направление смещения противоположное.

В параграфе 2.5 исследуются потоки энергии, вносимые высыпающимися частицами в мягкую и жесткую зоны аврорального овала. Изучены связи между АЕ и В1 ММП, с одной стороны, и потоками энергии, с другой, для различных секторов МЬТ. Показано, что потоки энергии в полярной шапке в среднем на два порядка ниже, чем в авроральной зоне, а на дневной стороне нтшж энергии, вносимый в жесткую диффузную зону овала сравним с потоком энергии, вносимым в дискретную зону.

Параграф 2.6 посвящен анализу спектров высыпающихся частиц над дугами сияний в авроральной зоне и в полярной шапке. Аппроксимация спектров набором максвелловских распределений позволяет по параметрам этих распределений определять тепловую и направленную скорости и плотность данной популяции частиц. Сопоставление полученных параметров плазмы с известными из литературы параметрами плазмы в различных областях магнитосферы позволяет определить источник частиц. Показано, что в полуденные часы преобладают высыпания из мантии, низкоширотного пограничного слоя, а на ночной стороне максимальное количество частиц исходит из плазменного слоя. Анализ спектров частиц, высыпающихся над дугами сияний в различных секторах аврорального овала и в полярной шапке показал, что спектры частиц над дугами в различных М1Л" секторах полярной шапки имеют сходный характер. Спектры частиц над дугами в авроральном овале различны для разных МЬГ секторов. В дневной части овала наблюдается наибольшие потоки мягких частиц; на ночной стороне спектры высыпающихся частиц схожи со спектрами частиц над дугами сияний в полярной шапке, что говорит о том, что они имеют один и тот же источник. Таким образом, установлено, что дуги в полярной шапке вызываются высыпаниями частиц из плазменного слоя.

В последнем параграфе второй главы приведены основные результаты, полученные в ней.

Третья глава посвящена изучению процессов , происходящих во время суббури па ночной стороне аврорального овала и их связи с высыпаниями частиц.

В параграфе 3.1 показано, что на ночной стороне аврорального овала область повышенных высыпании совпадает с областью, в которой наблюдаются продольные токи различного направления. Анализ спектров высыпающихся частиц вне этой области и внутри нее показал, что в области

• как втекающих, так и вытекающих продольных токов наблюдается ускорение ионов и электронов. Такое одновременное ускорение частиц свидетельствует о разогреве плазмы в области источника продольных токов, вызываемом развитием плазменной неустойчивости. Эта возникающая в хьосте магнитосферы область аномального сопротивления разрушает токи, текущие поперек хвоста магнитосферы н заставляет их замыкаться через ионосферу, создавая трехмерную токовую систему суббури. В этой области вследствие "турбулентности плазмы происходит ее изотропизация по питч-углам, что обеспечивает повышение потоков высыпающихся частиц. Отсутствие в анализируемых спектрах моноэнергичных • пиков, соответствующих ускоренным продольной разностью потенциалов частицам, объясняется тем, что данные усреднялись за 0.5° и пространственное разрешение их оказалось недостаточным.

Далее описывается использованная в работе методика расчета меридионального профиля эквивалентных ионосферных токов по данным цепочки магнитометров в предположении, что эквивалентные токи вытянуты вдоль геомагнитной широты. Сопоставление этих токов, рассчитанных для конкретных суббурь, показало, что, хотя на фазе восстановления области максимальных ионосферных токов совпадают с областями повышенной проводимости, во время акгивной фазы суббури картина может быть более сложной. Сразу после брейкапа почти по всей ширине аврорального овата наблюдаются повышенные потоки высыпаний, однако, западный электроджет имеет слоистую структуру (распадается на несколько струй в 2-по широте). Эти струи ограничены по широте слоями продольных токов > не позвопяющими электроджету занять всю область повышенной проводимости.

В параграфе 3.4 предложен метод оценки восточно-западной компоненты ионосферного электрического поля. В ходе суббури в области

протекания западного электроджета появляется несколько токопых струй. В экваториальной части этой области мы наблюдаем смещение к экватору границы джета и максимума дифференциальных токов с примерно постоянной скоростью, совпадающей со скоростью смещения электроджета на предварительной фазе суббури. Движение приполюсного электроджета более сложно. Во время взрывной фазы суббури наблюдаются резкие броски электроджета к .полюсу, затем, на фазе восстановления, более медленное смещение этой же струн к экватору. Такие движения могут быть интерпретированы в терминах теории пересоединения магнитных полей как суперпозиция движений , вызываемых двумя типами магнитосферных электрических полей: вихревого и потенциального. Потенциальное электрическое поле, направленное вдоль геомагнитной широты, можно оценить по скорости смещения к экватору западного электроджета, если допустить, что это смещение вызвано действием скрещенных электрического и магнитного полей:

' с

где с - скорость света, В1 - О б Гаусса, И - скорость смещения к экватору западного электроджета.

Если считать, что электрическое поле передастся в ионосферу из магнитосферы вдоль силозых линий, то можно оценить и электрическое поле в магнитосфере:

где А/ /Л/„ - отношение азимутальных размеров области, занятой лпектроджетом в ионосфере к расстоянию между продольными токами Бнркелапдовой петли в магшпосфере.

1.1

Во время взрывной фазы суббури мы можем полагать, - .о двпжсиие приполюсного электроджста вызвано вихревым электрическим полем, возникающим, п плазменном слое во время пересоединення:

с ' ' й /„

где V," - скорость смещения к полюсу джета, связанного с линией пересоединення.

Знание широтной компоненты электрического поля позволяет оцепить и ряд других электродинамических параметров суббури: скорость Е" + Е"

пересоединения н = с—-или выделившуюся за время взрывной фазы

суббури магнитную энергию:

и Джоулевы потери в области протекания западного электроджета:

IV; = \\ЕЧ,сЬЛ.

Расчеты показали, что выделившаяся во время взрывной фазы суббури энергия имеет порядок величины ~1021эрг, а Джоулевы потери достигают величин порядка ~1019эрг.

Сопоставление полученных описанным методом оценок электрического поля, направленного вдоль геомагнитной широты, с данными измерений радара Е^САТ показало хорошее соответствие.

В параграфе 3.5 предложен метод оценки "занавесочных" продольных токов в полуночном секторе авроралыюго овала для тех событий, когда мы можем считать ионосферные токи вытянутыми вдоль геомагнитной широты (Ю/6Н < 1/3, где 81) и 8Н - вариации компонент горизонтальной составляющей геомагнитного поля). В этих условиях мы можем оценить продольный ток как

где ось X направлена на восток, а У - на север; I,, и !„ - интефальные проводимости Педерсена и Холла; Е, - зональная компонента электрического ноля, /, - ток в элск-фоджете.

Сопоставление наших оценок продольного тока с продольными токами, рассчитанными по спутниковым измерениям поперечной компоненты магнитного поля показало хорошее совпадение результатов.

В параграфе 3.6 приведены основные выводы, полученные в третьей

главе.

В заключении перечислены основные результаты работы, которые состоят в следующем:

1. Разработан метод определения границ аврорального овала, применимый для любых условий в межпланетном магнитном поле.

2. Определена статистическая конфигурация аврорального овала для спокойных и возмущенных условий. Показано, что даже в спокойных условиях радиус полярной шапки остается достаточно большим: 9-15°. Показано, что влияние АЕ индекса, являющегося мерой магнитной активности, проявляется ярче, чем влияние В, компоненты ММП.

3. Влияние азимутальной компоненты ММП на конфигурацию аврорального овала проявляется в смещении на утреннюю или вечернюю, сторону в зависимости от знака Ву приполюсной границы аврорального овала как целого. Таким образом, полярная шапка сохраняет квазикруговую форму, а не принимает каплеобразную или грушевидную форму для любых значений азимутальной компоненты.

-) Сопоставление границ аврорального овала с границей обращения конвекции показало, что граница обращения конвекции находится внутри аирорхтмю! о оаалд вблизи границы жестких высыланий.

5. Анализ спектров высыпающихся частиц показал, что дуги сияний полярной шапки имеют тот же источник, что и дуги в ночном секторе аврорального овала.

6. Область продольных токов на ночной стороне аврорального овала совпадает с областью дискретных высыпаний.

7. Характер спектров в этой области указывает на то, что ускорение частиц вызывается не только продольной разностью потенциалов, но и разогревом плазмы в целом в хвосте магнитосферы.

8. Предюжен метод оценки зонального электрического поля в ионосфере по , динамике западного элекгроджета. Сопоставление оцененного этим методом электрического поля с электрическими полями, полученными по данным радара Е1ВСАТ, показало хорошее совпадение результатов.

9. Оценки высвободившейся в ходе взрывной фазы суббури энергии и Джоулевых потерь в области протекания западного электроджета показали, что Джоулевы потери составляют лишь малую часть энергии, высвобождающейся во время суббури.

10. Предложен метод оценки зональных продольных токов в ночном секторе аврорального овала в тех случаях, когда можно считать, что токи элекгроджета текут вдоль геомагнитной широты.

Кроме того в заключении сформулированы положения, выносимые на

защиту:

1. Разработан автоматизированный метод определения границ аврорального овала; определена статистическая конфигурация аврорального овала для спокойных и. возмущенных условий. Показано, что влияние азимутальной компоненгы ММП проявляется в смещении приполюсной границы овала на утреннюю или вечернюю сторону в зависимости от знака Ву, а форма полярной шапки остается квази-круговой.

2. Показано, что дуги сияний в шапке имеют тот же источник, что и дуги в

ночном секторе аврорального овала.

3. Показано, что ускорение частиц в области продольных токов на ночной стороне обусловлено не только возникновением продольной разности потенциалов, но и разогревом плазмы в целом в хвосте магнитосферы.

4. Предложен метод оценки зональной компоненты электрического поля в области протекания электроджетов на ночной стороне аврорального овала. Сопоставление с экспериментальными данными показало хорошее соответствие.

Результаты, составившие основу представляемой диссертации, изложены в

следующих публикациях:

1. Котиков А.Л., Шишкина Е.М., Расчет пространственного распределения продольных токов в полуночном секторе авроральной зоны во время суббури, Гсомагн. и аэроном., 37,57, 1997.

2. Kotikov A.L., Frank-Kamenetsky A.V., Latov Yu.O., Troshichev O.A., Shishkina E.M., Murphree J.S., Elphinstone R.D., Filamentary structure of the westward electrojet in the midnight sector auroral distribution during substorms: comparison with Viking auroral observations, J. Atmosph. Tenr. Phys., 55, 1763, 1993.

3. Kotikov A.L., Shishkina E.M., Troshichev O.A., Sergienko T.I., Double structure of ionospheric conductivity in the midnight auroral oval during a substorai, J. Atmosph. Terr. Phys., 57, 177, 1995.

4. Pudovkin M.I., Semenov V.S., Kotikov A.L., Shishkina E.M., Dynamics of auroral oval electrojets and energetics of substorms, J. Atmosph. Terr. Phys., 57, 1S7, 1995.

5. Shishkina EM., Kotikov A.L., The problem of field-aligned currents reconstruction, Physics of Auroral Phenomena, Proc. XIX Annual Seminar, Apatity, ?6, 1

6. Shishkina E.M., Troshichcv O.A., Meng C.-I., Newell P.T., Energy introduced by precipitating particles into the diffuse and discrete zones of the auroral oval and into the polar cap: effects of IMF and substorm activity, Proc., Third Intern. Conf. on Substroms (ICS-3), Versailles, France, ESA SP-389, 1996.

7. Shishkina E.M., Troshichev O.A., Meng C.-I., Newell P., Auroral oval determination by precipitating particles: effects of IMF By component, in press.

8. Troshichev O.A., Bolotinskaya B.D., Shishkina E.M.. Features of particle precipitation in the cusp region as observed by DMSP satellite, J. Geomag. Geoelectr., .44, 1175, 1992.

9. Troshichev O.A., Shishkina E.M., Identification of the poleward boundary of the auroral oval using characteristics of ion precipitation, J. Geophys. Res., 101, 5035, 1996.

10.Troshichev O.A., Shishkina E.M., Lu G., Richmond A.D., Relationsiiip of the ionospheric convection reversal to the hard auroral precipitation boundary, J. Geophys. Res., 101, 15423, 1996.