Солнечно-земная
Физика

проект "СиЗиФ"

Е.E. Антонова

Конвекция и структура токов
в магнитосфере Земли

Обзорная статья в сборнике НИИЯФ МГУ, посвященном памяти Б.А. Тверского

ч.3


Турбулентность высокоширотной магнитосферы

Трудно ожидать возникновения устойчивого распределения плазмы, в которой существуют азимутальные градиенты давления, генерируется крупномасштабное поле и течения имеют ламинарный характер. Азимутальные градиенты давления являются источником развития желобковых мод, проанализированных Ивановым и Похотеловым [1987] в случае плазмы малого давления и баллонных мод Ивановым и др. [1992] в случае плазмы большого давления.

Сдвиг скоростей может вызвать развитие неустойчивости Кельвина-Гельмольца. Большое число работ (см. Галеев и Зеленый [1977], обзор Зеленый [1986] и более поздние публикации) посвящено возможности развития тиринг-моды в хвосте магнитосферы. Развитие каждой из неустойчивостей направлено на уничтожение причины , ее породившей. Поэтому следует ожидать развития процессов направленных на уничтожение градиентов давления в магнитосфере, в результате которых в определенных областях могут появиться области плато по давлению (отсутствия градиентов), в которых не будут течь поперечные токи. Асимметрия магнитосферы поддерживается обтеканием солнечным ветром. Поэтому высокоширотные азимутальные градиенты будут восстанавливаться в процессе обтекания (включая проникновение частиц солнечного ветра внутрь магнитосферы и заполнение магнитосферы ускоренными ионами ионосферного происхождения) и поддерживаться за счет энергии солнечного ветра в процессе обтекания.

Результаты наблюдений электрических полей на авроральных силовых линиях и в хвосте магнитосферы Земли показали (см. Mozer et al. [1980], Weimer et al. [1985], Maynard et al. [1982],), что амплитуды регистрируемых электрических полей в авроральной плазме значительно превышают регулярное поле утро-вечер. На базе данных наблюдений было сделано естественное предположение (см. Антонова [1985]) о неадиабатической диффузии и выравнивании гидродинамических параметров в плазменном слое. Флуктуации поля при неэквипотенциальности магнитных силовых линий должны приводить к разрыву магнитных силовых трубок и интенсивному перемешиванию плазмы. Результаты наблюдений распределения скорости плазмы в хвосте магнитосферы на спутниках ISEE-2, AMPTE/IRM (см. Angelopoulos et al. [1992,1993,1996], Borovsky et al. [1997,1998]) показали, что регулярная скорость движения плазмы плазменного слоя на порядок меньше стохастической. Таким образом, крайне популярная картина регулярной конвекции в плазменном слое (см. рис. 5 а), в которой имеет место регулярное течение с утренней стороны на вечернюю, должна быть заменена на картину, в которой доминирует нерегулярное стохастическое движение (см. рис. 5 б).

Данные наблюдений флуктуаций скорости в хвосте магнитосферы Земли послужили основой для создания теории плазменного слоя с развитой турбулентностью средних маштабов (см. Антонова и Овчинников [1996,1998], Antonova and Ovchinnikov [1997]). В рамках данной теории предполагалось, что турбулизация плазменного слоя приводит к неадиабатической диффузии частиц, интегральный поток задается соотношением и выполняется условие магнитостатического равновесия поперек плазменного слоя. Считалось, что перемешивание плазменного слоя приводит к выравниванию температуры. Постоянство температуры в плазменном слое, как уже отмечалось выше, подтверждено большим числом экспериментальных измерений.
Выполнение магнитостатического равновесия <поперек слоя также(см.обзор Tsyganenko [1990]) подтверждено экспериментально.

Рис.5. Схема, иллюстрирующая характер высокоширотной магнитосферной конвекции:
а – теоретическая картина конвекции, полученная в предположении о регулярном характере течения в высокоширотной магнитосфере,
б – реальная картина течений в высокоширотной магнитосфере с учетом существования электрических полей средних масштабов

Предполагалось, что в квазистационарном состоянии равновесный поток равен нулю, что давало возможность найти связь давления плазмы с вектор потенциалом магнитного поля и решить уравнение Града-Шафранова. Данные экспериментальных наблюдений Kistler et al. [1993] во время суббури были использованы для определения коэффициента диффузии, который мог бы обеспечить наблюдаемую толщину плазменного слоя. Экспериментально полученный Borovsky et al. [1998] коэффициент диффузии (равный 2.6.105 км2 оказался близким к полученному теоретически Антоновой и Овчинниковым [1996]. Таким образом, турбулентный транспорт в плазменном слое, видимо, определяющим образом влияет на процессы его образования. Компенсация диффузионным потоком регулярного конвективного потока оказывается возможной благодаря тому, что регулярное течение в плазменном слое направлено в сторону нарастания концентрации. Таким образом, в квазистационарном состоянии не происходит переноса частиц и высокоширотная магнитосферная плазма оказывается стагнирующей, несмотря на наличие быстрых нерегулярных течений. Отметим также, что теоретически предсказанные и экспериментально измеренные коэффициенты диффузии оказались существенно больше коэффициента диффузии Бома (долгое время считавшегося максимально возможным коэффициентом диффузии в плазме), что приводит к пересмотру многих устоявшихся понятий в теории переноса. Ослабление регулярного электрического поля приведет к расплыванию плазмы по всему геомагнитному хвосту, что реально и наблюдается при длительной северной ориентации ММП. Такое ослабление первоначально возникает в центре плазменного слоя (см. Антонова и Овчинников [1998]), что вызывает бифуркацию плазменного слоя (частицы плазменного слоя проникают в доли хвоста и плазменный слой начинает приобретать форму креста). В полярной ионосфере это соответствует появлению дуг в полярных шапках или тета-авроры.

дальше:  Восточный кольцевой ток и токовые системы

начальная страница сайта авторский указатель сайта
Для связи:
lll@srd.sinp.msu.ru (lll=LLL)