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.5

• Введение  
• Градиенты давления и электрические поля
• Квазивязкие взаимодействия, магнитное пересоединение и градиенты давления плазмы как источники крупномасштабных электрических полей
• Турбулентность высокоширотной магнитосферы
• Восточный кольцевой ток и токовые системы в высокоширотной магнитосфере
• Следы плазмоидов и формирование дисперсных структур частиц в плазменном слое
• Выводы и обсуждение
• Литература

Следы плазмоидов и формирование дисперсных структур частиц в плазменном слое

Представления о существовании регулярного поля внутри плазменного слоя часто подкрепляется данными по наблюдениям дисперсных ионных структур. Традиционная интерпретация существования дисперсных ионных структур (VDIS - Velocity Dispersed Ion Structures т.е. ионных структур, в которых наблюдается характерная зависимость энергии от широты) как внутри плазменного слоя, так и на его границе, исходит из предположения о фильтрации ионов при движении в скрещенных электрическом и магнитном полях. В соответствии с данным механизмом, если локализованный источник испускает ионы различных энергий, то за счет дрейфа в крупномасштабном электрическом поле ионы меньших энергий достигнут ионосферы на меньшей широте, чем ионы больших энергий. Низкоширотные ионные пучки (Winningham et al. [1984], Bosqued et al. [1986]) образуются при ускорении ионов ионосферного происхождения в продольных падениях потенциала образующихся в структурах типа перевернутого V. Высокоширотные дисперсные ионные пучки наблюдаются на границе плазменного слоя в хвосте магнитосферы (см. обзор Зеленый [1986]), а на малых высотах - к полюсу от аврорального овала (Zelenyi et al. [1990]). Для объяснения характеристик высокоширотных ионных пучков привлекался механизм Спейсера (см. Speiser [1965], Алексеев и Кропоткин [1970], Lyons and .Speiser [1982], Speiser and Lyons [1984], Zelenyi et al. [1990]). ускорения ионов регулярным полем утро-вечер в удаленных областях плазменного слоя. Регистрируемый на эксперименте нерегулярный характер распределения электрического поля в плазменном слое трудно совместить с традиционной интерпретацией природы пучков, предполагающей движение частиц в регулярном электрическом и регулярном магнитных полях. За последнее время был выполнен ряд работ (см. Boehm et al. [1999], Sauvaud et al. [1999]), в которых возникновение косых ионных структур во время взрывной фазы суббури связывалось с времяпролетным механизмом (регистрация на спутнике первоначально частиц с большими энергиями, а вслед за ними частиц с малыми энергиями), разработанным первоначально для интерпретации данных наблюдений на геостационарных спутниках. В работах Boehm et al. [1999], Sauvaud et al. [1999] было показано, что учет дрейфа в скрещенных электрическом и магнитном полях дает небольшую поправку в определении траекторий регистрируемых частиц и им, в первом приближении, можно пренебречь. Таким образом, результаты наблюдений косых ионных структур не противоречат данным наблюдений флуктуаций электрического поля в плазменном слое. Следует отметить, что такие флуктуации должны приводить к размыванию ионного пучка по широте и долготе, т.е. к эффективному уширению источника. Остается однако проблема формирования квазистационарных косых ионных структур, существующих в погранобластях плазменного слоя сравнительно длительное время. Разобраться в данной проблеме может помочь сравнительно длительное прохождение нагретых плазменных сгустков (плазменных пузырей, плазмоидов) из областей их образования (на геоцентрических расстояниях <20 радиусов Земли) в дальние области геомагнитного хвоста. Рис. 8 схематически иллюстрирует образование пучков при потере частиц сгустком плазмы, движущимся в хвосте магнитосферы в антисолнечном направлении. В результате несохранения магнитного момента частицы будут выходить из сгустка в область регулярного магнитного поля в долях хвоста (где частицы уже замагничены), даже если имеет место полное замыкание магнитных силовых линий внутри плазмоида (рис. 8.а). Движущийся плазмоид должен вызывать появление характерного пространственно-временного профиля частиц, показанного на Рис. 8 б. Если спутник почти неподвижен в пространстве (что характерно для



Рис. 8. Схема, иллюстрирующая образование косых ионных структур при движении плазмоида в хвост магнитосферы:
а – конфигурация магнитных силовых линий и траекторий частиц,
б - зависимость характерной энергии от L в моменты времени t и t+dt

высокоапогейных медленно движущихся и геостационарных спутников), первоначально будут зарегистрированы ионы больших энергий, а затем ионы меньших. Если L - расстояние между областью инжекции и областью наблюдения, V- скорость движения плазменного сгустка, e,m - энергия и масса частицы, то время прихода частиц с данной энергией (без учета кривизны магнитной силовой линии и изменения питч-угла частицы) , а зависимость регистрируемой энергии от времени будет иметь вид , где -геоцентрическое расстояние от плазмоида до точки наблюдения. Если спутник почти мгновенно пересекает высокоширотные магнитные силовые линии (что характерно для авроральных спутников), чем больше будет широта спутника, тем больше энергия регистрируемых частиц. Зависимость регистрируемой энергии от широты будет близка к . Так как суббуревая активность связана с заполнением магнитосферы ионами ионосферного происхождения, одновременно с косыми структурами могут регистрироваться косые структуры . При одновременной инжекции ионов водорода и кислорода на данной силовой линии на спутник одновременно придут ионы, испущенные с одинаковыми скоростями и, соответственно, одновременно должны регистрироваться максимальные потоки на энергиях отличающихся в 16 раз. Действие рассмотренного механизма предполагает максимальную вероятность наблюдения косых ионных структур и районе полуночи и отсутствие асимметрии утро-вечер следующей из действия механизма Спейсера. Построение интегрального спектра в источнике должно давать распределение по скоростям соответствующее распределению в плазмоиде.
Исследования косых ионных структур не обнаружили явной зависимости от АЕ индекса геомагнитной активноси (см. Zelenyi et al. [1990] и ссылки в данной работе). Однако отмечалось, что наиболее интенсивные ионные структуры наблюдаются на фазе восстановления суббури. Было показано также, что на малых высотах косые ионные структуры наиболее часто наблюдаются в районе полуночи (в диапазоне 20-04 MLT). Таким образом, существование косых (дисперсных) ионных структур не может рассматриваться в качестве доказательства ускорения ионов в удаленных областях плазменного слоя регулярным полем утро-вечер, а данные экспериментальных наблюдений косых ионных структур не противоречат представлениям о турбулентном характере электрических полей в плазменном слое. Отметим также, что возникновение косых ионных структур в качестве "следов плазмоидов" приводит к изменению картины формирования горячего плазменного слоя. В рамках традиционных представлений частицы, формирующие горячий плазменный слой, ускоряются на больших геоцентрических расстояниях ( ~100 ), а затем в виде пучков в погранобластях плазменного слоя транспортируются к Земле, образуя дисперсные структуры за счет дрейфа в скрещенных электрическом и магнитном полях. Отражаясь от магнитных пробок, частицы возвращаются в плазменный слой. При этом могут формироваться встречные пучки, т.е. пучки, движущиеся одновременно вдоль силовой линии в противоположных направлениях. Согласно рассмотренной картине ускорение частиц происходит преимущественно в глубине магнитосферы во время геомагнитных возмущений (как во время суббурь, так и во время микросуббурь (см. Сергеев и Цыганенко, 1980), при которых наблюдаются уярчения полярных сияний не сопровождаемые изменением авроральных индексов). Локально нагретая область плазмы в силу диамагнетизма выталкивается в область более слабого магнитного поля, т.е. в хвост магнитосферы, теряя на своем пути частицы. Последние образуют косые структуры, в которых на данной фиксированной магнитной силовой линии сначала приходят более энергичные частицы, а затем менее энергичные (времяпролетный механизм). За счет широтного движения плазменного сгустка (переход с низкоширотных на все более высокоширотные магнитные силовые линии) образуется сравнительно долгоживущая косая ионная структура по широте, в которой более энергичные частицы высыпаются на больших широтах, чем менее энергичные. Турбулентные электрические поля за времена, характерные для диффузионных процессов, размешивают горячие частицы по всему плазменному слою. При равенстве давления в дальних областях хвоста статическому (в системе отсчета движущейся со скоростью солнечного ветра) давлению частиц и магнитного поля в переходном слое возникает равновесная конфигураця. Нарушение баланса давления на магнитосферных флангах будет приводить к проникновению холодной плазмы низкоширотного погранслоя внутрь магнитосферы и ее последующей диффизии и дрейфу в плазменном слое и его продолжении в дневной части магнитосферы. В ближних областях плазменного слоя давление частиц будет нарастать в соответствии с закономерностью впервые полученной Тверским [1968] (c. 28), и получившей впоследствии название tail flaring model (Kennel [1995]).

дальше: