Токовый слой со среднемасштабной турбулентностью и динамика плазменного слоя хвоста магнитосферы Земли тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Введение

1. Экспериментальные свидетельства перемешивания плазменного слоя

1.1. Измерения электрических полей и скоростей в плазменном слое и авроральных областях

1.2. Спектр магнитосферной турбулентности.

1.3. Коэффициент турбулентной диффузии.

1.4. Меридиональное распределение температуры в аврораль-ной области.

2. Модель турбулентного токового слоя

2.1. Неэквипотенциальность магнитных силовых линий и сжатие магнитных силовых трубок.

2.2. Равновесие в условиях конвективного и турбулентного переноса

2.3. Одномерная модель магнитостатически равновесного слоя

2.4. Определение зависимости давления от вектор-потенциала магнитного поля.

2.5. Экспериментальные оценки коэффициента турбулентной диффузии

2.6. Плазменный слой хвоста магнитосферы Земли.

2.7. Двумерные решения в хвостовом приближении.

2.8. Вытягивание силовых линий в хвост.

3. Трехмерное моделирование. Зависимость от межпланетного магнитного поля.

3.1. Используемые приближения.

3.2. Структура плазменного слоя при южной ориентации ММП

3.3. Структура плазменного слоя при северной ориентации ММП

3.4. Модель Цыганенко-96 и структура плазменного слоя

4. Моделирование формирования тета-авроры

4.1. Дуги в полярной шапке и явление тета-авроры.

4.2. Моделирование динамики плазменного слоя при северной ориентации ММП.

5. Определение коэффициента турбулентной диффузии в плазменном слое по данным проекта ИНТЕРБОЛ

5.1. Описание прибора.

5.2. Расчет коэффициента диффузии.

6. Динамический хаос и незамагниченный характер движения электронов

6.1. Незамагниченность движения электронов плазменного слоя и её возможные причины.

6.2. Анализ движении частиц в неоднородном электрическом и однородном магнитном полях.

Актуальность темы.

Многочисленные данные экспериментальных наблюдений в хвосте магнитосферы Земли привели к необходимости пересмотра основных представлений о роли различных физических процессов в данной области магнитосферы. Было показано, что флуктуирующая компонента скорости плазмы намного превышает регулярную, а транспорт плазмы осуществляется без сохранения числа частиц в магнитной силовой трубке. Проведение работ в рамках международного проекта ИНТЕРБОЛ потребовало создания модели, адекватно описывающей данные экспериментальных наблюдений. При создании такой модели необходимо было учитывать, что в большинстве случаев регулярная скорость движения плазмы много меньше звуковой и альвеновской, т. е. соблюдается условие магнитостатиче-ского равновесия. Модель должна была описывать динамику плазмы во время магнитосферных суббурь (утоныпение плазменного слоя без его сжатия во время подготовительной фазы суббури и утолщение во время взрывной фазы). Модель должна была также описывать изменение распределения плазмы в плазменном слое при изменениях величины и направления межпланетного магнитного поля (ММП).

Цели работы

Целью работы являлось исследование роли турбулентных процессов в плазменном слое хвоста магнитосферы Земли и построение модели маг-нитостатически равновесного плазменного слоя с развитой турбулентностью средних масштабов, адекватно описывающей динамику плазменного во время магнитосферной суббури и зависимость конфигурации плазменного слоя от величины и ориентации ММП.

Научная новизна

Все полученные результаты являются новыми. В ходе исследования была предсказана величина коэффициента диффузии в плазменном слое хвоста магнитосферы Земли, позднее полученная экспериментально на спутниках 18ЕЕ-2 и ИНТЕРБОЛ-хвостовой зонд. Разработанные методы компьютерного моделирования магнитостатически равновесных плазменных структур с развитой турбулентностью могут быть использованы для описания структур токовых слоев в магнитосферах планет и солнечной атмосфере.

Практическая значимость

Разработанная модель хорошо описывает динамику плазменного слоя хвоста магнитосферы Земли и может быть использована для систематизации данных экспериментальных наблюдений с целью реализации программы «Космическая погода» — предсказания магнитосферных бурь и суббурь, являющихся причиной нарушения радиосвязи, сбоев в работе космических аппаратов, наведения мощных токов в длиннопроводных линиях и ускорения коррозии трубопроводов.

Личный вклад автора

Автор диссертации внес основной вклад в получение изложенных в работе результатов, включая компьютерное моделирование и анализ данных наблюдений на спутнике ИНТЕРБОЛ-хвостовой зонд.

Апробация работы

Результаты, изложенные в диссертации, обсуждались на научных семинарах ОТПКФ и ОИВМ НИИЯФ МГУ, на 31-й и 32-й Научных Ассамблеях КОСПАР, на 3-й Международной конференции по суббурям (ICS-3), на семинаре «Математические модели ближнего космоса», на конференции «Исследования космической плазмы непосредственно и на расстоянии» посвященный памяти К. И. Грингауза, на VII Симпозиуме по солнечно-земной физике России и стран СНГ, на симпозиуме «Динамика магнитосферы и ее взаимодействие с ионосферой на различных масштабах на базе наблюдений ИНТЕРБОЛа, ISTP и наземных наблюдений», на XIX Апатитском семинаре «Физика авроральных явлений».

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1) Е. Е. Антонова, И. Л. Овчинников. Равновесие турбулентного токового слоя и токовый слой хвоста магнитосферы Земли // Геомагн. аэрон, Т. 36, № 5, С. 7-14, 1996.

2) Е. Е. Antonova, I. L. Ovchinnikov. Turbulent current sheets and mag-netospheric substorms // Proc. Third International Conference on Sub-storms (ICS-3), Versailles, France, May 1996, P. 255-258,

3) E. E. Antonova, I. L. Ovchinnikov. Current sheet with medium scale developed turbulence and the formation of the plasma sheet of Earth's magnetosphere and solar prominences // Adv. Space Res., V. 19, № 12, P. 1919-1922, 1997.

4) E. E. Антонова, И. JI. Овчинников. Квазитрехмерная модель равновесного турбулентного плазменного слоя в хвосте магнитосферы Земли и его суббуревая динамика // Геомагн. аэрон., Т. 38, № 5, С. 14-21, 1998.

5) Е. Е. Антонова, Е. А. Вихрева, И. Л. Овчинников, М. В. Степанова, М. В. Тельцов. Хаотический характер движения частиц плазменного слоя. Данные наблюдений и теоретический анализ // Геомагн. аэрон., Т. 38, № 6, С. 27-39, 1998.

6) Е. Е. Antonova, I. L. Ovchinnikov. Magnetostatically equilibrated plasma sheet with developed medium-scale turbulence: Strucrure and implications for substorm dynamics // J. Geophys. Res., V. 104, No. A8, P. 17,289-17,299, 1999.

7) E. E. Antonova, M. V. Stepanova, E. A. Vikhreva, I. L. Ovchinnikov, M. V. Teltzov. Génération of unmagnetized motion of plasma sheet electrons and its possible causes // J. Geophys. Res., V. 104, No. A9, P. 19,941-19,954, 1999.

На защиту выносятся следующие результаты:

• Турбулентная диффузия в хвосте магнитосферы земли является одним из основных факторов определяющих его динамику.

• При компенсации регулярного и турбулентного переноса плазмы может быть сформирована магнитостатически равновесная структура — плазменный слой с развитой турбулентностью.

• Построенная модель плазменного слоя с развитой турбулентностью позволила предсказать значение коэффициента турбулентной диффузии, позже полученное экспериментально.

• Модель дает возможность описывать процессы утоныпения плазменного слоя без его сжатия во время предварительной фазы суббури и его утолщения во время взрывной фазы суббури.

• Модель позволяет описывать зависимость распределения плазмы в плазменном слое при различных ориентациях ММП, включая бифуркацию плазменного слоя и формирование тета-авроры во время ММП, направленного на север.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, содержит 9б страниц, включает в себя рисунка! две таблицы и список цитируемой литературы из наименований.

Основные результаты выполненного исследования роли среднемасштаб-ной турбулентности в динамики плазменного слоя магнитосферы Земли сводятся к следующим:

1) Разработана одномерная модель магнитостатически равновесного плазменного слоя, в котором регулярное втекание плазмы полностью компенсируется турбулентной диффузией.

2) Предсказано значение коэффициента турбулентной диффузии в плазменном слое хвоста магнитосферы Земли на основе построенной модели и экспериментальных данных по распределению давления плазмы. Предсказанные значения хорошо согласуются с прямыми измерениями коэффициента турбулентной диффузии.

3) Проведено обобщение модели на двух- и трехмерные конфигурации для случая, когда характерные масштабы в одном направлении много меньше, чем в других.

4) Показано, что предложенная модель позволяет качественно объяснить уменьшение толщины плазменного слоя без увеличения давления во время предварительной фазы суббури и увеличение его толщины во время взрывной фазы.

5) Проведено моделирование формы плазменного слоя при различных величинах межпланетного магнитного поля (ММП). Показано, что при использовании модели Цыганенко-87\¥ для проецирования ионосферного электрического потенциала в хвост магнитосферы, модельная структура согласуется с наблюдаемой: при южном направлении ММП слой имеет вогнутую форму, а при северном — выпуклую;

6) Предложена гипотеза о механизме бифуркации плазменного слоя и формировании тета-авроры при северном направлении ММП.

7) Показано, что пространственные неоднородности электрического поля могут приводить к хаотизации движения электронов в плазменном слое хвоста магнитосферы Земли.

Получение данных результатов позволяет наметить создание модели, включающей турбулентный перенос и позволяющей по известному распределению электрических полей на ионосферных высотах (радарные наблюдения, модель КМЕМ и т. д.) восстанавливает структуру распределения плазмы в плазменном слое. В отличие от многих предложенных ранее моделей, данная модель не содержит свободных параметров (магнитное поле в плазменном слое и коэффициент диффузии определяются на базе данных измерений со спутников), что дает возможность её прямой экспериментальной проверки.

Автор выражает благодарность коллективу Отдела теоретической и прикладной космофизики НИИЯФ МГУ, в котором выполнялась данная работа, и сотрудникам ИКИ РАН — участникам проекта ИНТЕРБОЛ, совместно с которыми проводилась проверка предсказаний разработанной модели.

Заключение

1. Feldstein Ya. I., Galperin Yu. I. The auroral luminosity structure in the high-latitude upper atmosphere: its dynamics and relationship to the large-scale structure of the Earth's magnetosphere // Rev. Geophys. 1985. V. 23. P. 217-275.

2. Baumjohann W., Paschmann G., Nagai T. Thinning and expansion of the substorm plasma sheet // J. Geophys. Res. 1992. V. 97. № All. P. 17173-17175.

3. Angelopoulos VBaumjohann W., Kennel C.F., Coroniti F. V., Kivel-son M. G., Pellat R., Walker R. J., Liihr H., Pashmann G. Bursty bulk flows in the inner central plasma sheet // J. Geophys. Res. 1992. V. 97. № A4. P. 4027-4039.

4. Maynard N. C., Heppner J. P., Aggson T. L. Turbulent electric fields in the nightside magnetosphere // J. Geophys. Res. 1982. V. 87. № A3. P. 1445-1454.

5. Mozer F. S., Cattell C. A., Hudson M. K., Lysak R. L., Temerin M., Torbert R. B. Satellite measurements and theories of low altitude auroral particle acceleration // Space Sci. Rev. 1980. V. 27. № 2. P. 153-213.

6. Pedersen A., Cattell C.A., Falthammar C.-G., Knott K., Lindquist P. A., Manka R.H., Mozer F. S. Electric fields in the plasma sheet and plasma sheet boundary layer // J. Geophys. Res. 1985. V. 90. № A2. P. 1231-1242.

7. Klimov S.I., Romanov S.A., Nozdrachev M.N., Savin S.P., Sokolov A. Yu., Zelenyi L. M., Blencki J., Kossacki K.7 Oberc P., Popielawska B.,

8. Buchner J., Nikutowsky B. Comarative study of plasma wave activity in the plasma sheet boundary and near Earth plasma sheet // Adv. Space Res. 1986. V. 6. № 1. P. 153-158.

9. Scarf F.L., Coronity F.V., Kennel C.F., Fredricks R.W., Gurnett D. A., Smith E. J. ISEE wave measurements in the distant geomagnetic tail and boundary layer // Geophys. Res. Lett. 1984. V. 11. № 4. P. 335-338.

10. Hoshino M., Nishida A., Yamamoto T., Kokubun S. Turbulent magnetic field in the distant magnetotail: Bottom-up process of plasmoid formation? // Geophys. Res. Lett. 1994. V. 21. № 24. P. 2935-2938.

11. Borovsky J. E., Elphic R. C., Funsten H. 0., Thomsen M. F. The Earth's plasma sheet as a laboratory for turbulence in high-/3 MHD // J. Plasma Phys. 1997. V. 57. P. 1-34.

12. Ashour-Abdalla M., Zelenyi L.M., Peroomian V., Richard R.L., Bosqued J. M. Mosaic structure of plasma bulk flows in the Earth's magnetotail // J. Geophys. Res. 1995. V. 100. № AlO. P. 19191-19209.

13. Арцимович JI. А., Сагдеев P. 3. Физика плазмы для физиков // Атом-издат. Москва. 1979.

14. Кадомцев Б. Б. Коллективные явления в плазме // Наука. Москва. 1988.

15. Тверской Б. А. Об электрических полях в магнитосфере Земли // ДАН СССР. 1969. Т. 188. № 3. С. 575-578.

16. Tverskoy В. A. Electric fields in the magnetosphere and the origin of trapped radiation // Dyer E. R., ed., Solar-Terrestrial Physics/1970. Dordrecht, Holland. 1972. P. 297-317.

17. Иванов В. H., Похотелов О. А. Желобковая неустойчивость в плазменном слое магнитосферы Земли // Физика плазмы. 1987. Т. 13. № 12. С. 1446-1454.

18. Иванов В. Е., Похотелов О. А., Фейгин Ф. 3., Ру А., Перро С., Легко Д. Баллонная неустойчивость в магнитосфере Земли при непостоянном давлении и конечном ¡3 // Геомагнетизм и аэрономия. 1992. Т. 32. № 2. С. 68-74.

19. Галеев А. А., Зеленый Л. М. Модель пересоединения в плоском слое бесстолкновительной плазмы // Письма в ЖЭТФ. 1977. Т. 25. № 9, С. 407-411.

20. Зеленый Л. М. Динамика плазмы и магнитных полей в хвосте магнитосферы Земли // Итоги науки и техники. 1986. Т. 24. С. 58-186.

21. Horton W., Dong J. Q., Su X. N., Tajima T. Ion mixing in the plasma sheet boundary layer by drift instabilities // J. Geophys. Res. 1993. V. 98. № A8. P. 13375-13393.

22. Milovanov A. V., Zelenyi L. M., Zimbardo G. Fractal structures and power law spaectra in the distant Earth's magnetotail // J. Geophys. Res. 1996. V. 101. № A9. P. 19,903-19,910.

23. Zelenyi L. M., Milovanov A.V., Zimbardo G. // Multiscale magnetic structure of the distant tail: self-consistent fractal approach. P. 321-339 // Number 105 in Geophysical monograph. 1998.

24. Gurnett D. A., Frank L. A. A region of intense plasma waves turbulence on auroral field lines // J. Geophys. Res. 1977. V. 82. № 3. P. 1031-1050.

25. Weimer D. R., Goertz С. K., Gurnett D. A., Maynard N. C., Burch J. L. Auroral zone electric fields from DE-1 and 2 at magnetic conjunctions // J. Geophys. Res. 1985. V. 90. № A8. P. 7479-7494.

26. Borovsky J. E., Thomsen M. F., Elphic R. C. The driving of the plasma sheet by the solar wind // J. Geophys. Res. 1998. V. 103. № A8. P. 1761717639.

27. Knight L. R. Parallel electric fields // Planet. Space Sci. 1973. V. 21. № 5. P. 741-750.

28. Антонова E. E., Тверской Б. А. О природе полосы высыпания электронов типа "перевернутого V" и разрыва Харанга в вечернем секторе авроральной ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 1975. Т. 15. № 1. С. 105-111.

29. Лайонс Л., Уильяме Д. Физика магнитосферы. Количественный подход. // Мир. М. 1987. (Перевод с англ.).

30. Lyons L. R., Evans D. S., Lundin R. An observed relation between magnetic field-aligned electric fields and dawnward electron energy fluxes in the vicinity of auroral forms // J. Geophys. Res. 1979. V. 84. № A2. P. 457-461.

31. Bosqued J.M., Maurel С., Sauvaud J. A., Kovrazhkin R.A., Galperin Yu. I. Observations of auroral electric inverted-V structures by the Aureol-3 satellite // Planet. Space Sci. 1986. V. 34. № 3. P. 255-269.

32. Antonova Е. Е., Stepanova М. V., Teltzov М. V., Tverskoy В. A. Multiple inverted-V structures and hot plasma pressure gradient mechanism of plasma stratification // J. Geophys. Res. 1998. V. 103. № A5. P. 93179332.

33. Антонова E. E., Вихрева E. А., Овчинников И. JI., Степанова M. В., Тельцов М. В. Хаотический характер движения частиц плазменного слоя. Данные наблюдений и теоретический анализ // Геомагнетизм и аэрономия. 1998. V. 38. № 6. Р. 27-39.

34. Ivanov I., Dachev Т., Matvechuk Yu., Kresheva D., Rumeher J., Marin В., Teltsov M. Energetic particle spectrometer with adaptive recording system // Abstracts of XXIV COSPAR Meeting. Ottava, Canada. 1982. P. 351.

35. Wing S., Newell P. T. Central plasma sheet ion properties as inferred from ionospheric observations // J. Geophys. Res. 1998. V. 103. № A4. P. 6785-6800.

36. Huang C. Y., Frank L. A. A statistical study of the central plasma sheet, implications for substorm models // Geophys. Res. Lett. 1986. V. 13. № 7. P. 652-655.

37. Huang C. Y., Frank L. A. A statistical survey of the central plasma sheet // J. Geophys. Res. 1994. V. 99. № Al. P. 83-95.

38. Schindler K., Birn J. Magnetotail theory // Space Sci. Rev. 1986. V. 44. № 3-4. P. 307-355.

39. Birn J., Schindler К., Janicke L., Hesse M. Magnetotail dynamics under isobaric constraints // J. Geophys. Res. 1994. V. 99. № A8. P. 14,86314,875.

40. Birn J., Hesse M., Schindler К. MHD simulations of magnetotail dynamics // J. Geophys. Res. 1996. V. 101. № A6. R 12,939-12,954.

41. Birn J., Hesse M., Schindler К. Formation of thin current sheets in space plasma // J. Geophys. Res. 1998. V. 103. № A4. P. 6843-6853.

42. Voge A., Schindler К. Nonlinear current sheet formation in ideal plasmas // J. Geophys. Res. 1994. V. 99. № All. R 21241-21248.

43. Wiegelman T., Schindler К. Formation of thin current sheets in a qua-sistatic magnetotail model // Geophys. Res. Lett. 1995. V. 22. № 15. P. 2057-2060.

44. Lutsenko V. N., Kudela K. Almost monoenergetic ions near the Earth's magnetosphere boundaries // Geophys. Res. Lett. 1999. V. 26. № 3. P. 413-416.

45. Baumjohann W., Paschman G., Luhr H. Pressure balance between lobe and plasma sheet // Geophys. Res. Lett. 1990. V. 17. № 1. P. 45-48.

46. Kistler L. M., Baumjonann W., Nagai T., Möbius E. Superposed epoch analysis of pressure and magnetic field configuration changes in the plasma sheet I I J. Geophys. Res. 1993. V. 98. № A6. P. 9249-9258.

47. Petrukovich A.A., Mukai T., Kokubun S., Romanov S.A., Saito Y., Yamamoto T., Zelenyi L. M. Substorm-associated pressure variations in the magnetotail plasma sheet and lobe // J. Geophys. Res. 1999. V. 104. № A3. P. 4501-4513.

48. Брагинский С. И. Ц Явления переноса в плазме // Леонтовича М. А., ed., Вопросы теории плазмы. 1. Р. 183-272. ГОСАТОМИЗ-ДАТ. Москва. 1963.

49. Климонтович Ю. JI. Турбулентное движение и структура хаоса // Наука. Москва. 1990.

50. Антонова Е. Е. О неадиабатической диффузии, выравнивании концентрации и температуры в плазменном слое магнитосферы Земли // Геомагнетизм и аэрономия. 1985. Т. 25. № 4. С. 623-627.

51. Антонова Е. Е., Ганюшкина Н. Ю. Геометрия магнитного поля магнитосферы Земли и генерация продольных токов // Геомагнетизм и аэрономия. 1995. Т. 35. № 5. С. 9-15.55 5657