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.6

• 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

Выводы и обсуждение

Проведенное рассмотрение показывает, что результаты многочисленных экспериментальных наблюдений и разработанные теоретические подходы позволяют пересмотреть ряд традиционных подходов в области физики магнитосферной плазмы. В области высокоширотной магнитосферы не работают ни дрейфовое ни МГД -приближения для описания магнитосферной плазмы и крайне затруднено получение вольт-амперной характеристики плазмы. Инвариантность выражения для поперечного тока в плазме, справедливого как в бесстолкновительном так и МГД приближениях, позволяет предположить, что условие магнитостатического равновесия можно использовать в качестве основного и в реальных условиях высокоширотной магнитосферы.

Предположение о выполнении условия магнитостатического равновесия позволяет выделить в качестве основного источника поля утро-вечер крупномасштабные азимутальные градиенты давления вдоль изолиний равного объема магнитных силовых трубок в области перехода от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям с минимумом давления в районе полуночи. Градиенты давления данного типа поддерживают систему продольных токов зоны 1 Ииджимы и Потемры, а последние, замыкаясь в ионосфере, вызывают появление крупномасштабного поля, направленного с утра на вечер, и двухвихревой системы конвекции. Конвективное течение имеет регулярный характер только в областях малого плазменного параметра - в полярной шапке и во внутренней магнитосфере. При этом, в результате генерации токов зоны 2 Ииджимы и Потемры, поле утро-вечер во внутренних областях магнитосферы в значительной степени заэкранировано.

Внутри плазменного слоя, его продолжениях в дневной высокоширотной магнитосфере и полярных каспах (т.е. в областях больших значений плазменного параметра) движение плазмы носит нерегулярный характер. При этом скорости турбулентной конвекции на порядок превышают скорости крупномасштабного течения. Турбулизация плазменного слоя ведет к выравниванию температур как ионов, так и электронов и образованию температурных плато, наблюдаемых при пересечениях плазменного слоя как на больших, так и на малых высотах. В условиях развитой турбулентности перенос частиц существенно отличается от ламинарного течения. Не сохраняется число частиц в конвектирующей магнитной силовой трубке. Поток, связанный с регулярным течением, может быть скомпенсирован диффузионным потоком в случае, когда регулярное течение направлено в сторону нарастающей концентрации плазмы. При этом интегральный поток может обратиться в нуль, что дает возможность получить квазистационарное распределение плазмы, удовлетворяющее условию магнитостатического равновесия. Зависимость крупномасштабной конвекции от величины и ориентации ММП обусловлена модуляцией внутримагнитосферной токовой системы внешним источником магнитного поля. При южной ориентации ММП происходит усиление внутримагнитосферных токов, при северной - ослабление. Ослабление электрического поля в центре плазменного слоя приводит к образованию выпуклости и формированию тета-авроры. При длительной северной ориентации ММП должно происходить постепенное исчезновение градиентов давления в магнитосфере, заполнение полярной шапки и исчезновение плазменного слоя, что находится в хорошем соответствии с данными экспериментальных наблюдений.

Существующие модели токовых систем в магнитосфере не учитывают всех основных систем токов. Наряду с западным кольцевым током имеется эффективный восточный кольцевой ток, возникающий за счет разности возмущенного и спокойного профилей радиального давления. Данная разность имеет область направленного от Земли градиента, что соответствует кольцевому току восточного направления. Нарастание восточного кольцевого тока может вызывать приближение к Земле дневной части магнитопаузы и вытягивание силовых линий в хвост во время предварительной фазы суббури. Пока мало исследована роль данного тока в качестве источника неустойчивости в ближних областях хвоста, где локализовано начало взрывной фазы суббури. Отметим только, что обычно рассматриваемые токовые неустойчивости, развитие которых может приводить к разрыву тока хвоста, предполагают существование регулярного течения плазмы. Разрыв турбулентного токового слоя может произойти при нарушении условия магнитостатического равновесия под действием внешнего источника поля. Восточный кольцевой ток уменьшает поле в экваториальной области, а его резкое нарастание может привести к нарушению магнитостатического равновесия и появлению течений плазмы со скоростями порядка альвеновской. Ток ближних к Земле областей плазменного слоя в условиях магнитостатического равновесия не может замыкаться токами магнитопаузы. Он должен замыкаться токами внутри магнитосферы. В высокоширотных областях магнитосферы течет квазикольцевой ток, локализованный в дневные часы вне экваториальной области - ток разрезного кольца.

Рассмотренный механизм образования косых ионных структур и результаты наблюдений флуктуаций скорости в плазменном слое позволяют сформулировать гипотезу, объясняющую появление у магнитосферы длинного геомагнитного хвоста. При этом учитывается, что солнечный ветер обтекает не пустую геомагнитную ловушку, а область заполненную плазмой, в которой текут токи. Численное моделирование в рамках МГД приближения, проведенное Watanabe and Sato [1990], показало, что если на диполь, окруженный плазмой, налетает плазменный поток, моделирующий солнечный ветер (решалась начальная задача), то происходит сгребание плазмы за диполем в область малого значения магнитного поля и формируется плазменный слой, с температурой большей, чем исходная температура плазмы (сжатие плазмы сопровождается ее нагревом). Характер полученного решения не зависел от выбранного значения проводимости, так как основную роль играли формирующиеся плазменные градиенты. Естественно ожидать, что в бесстолкновительном случае возникнет аналогичная картина при решении начальной задачи обтекания. В сформировавшейся структуре в результате появления градиентов давления текут поперечные токи. В силу асимметрии ловушки в области перехода от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям возникает азимутатьный градиент плазменного давления и соответствующие этому градиенту продольные токи. Замыкание продольных токов в ионосфере приводит к появлению поля утро-вечер, проецирующегося из высокоширотной магнитосферы в геомагнитный хвост. Вблизи экваториальной плоскости в ночные часы и вне экваториальной плоскости в дневные часы в области больших значений плазменного параметра развивается ряд неустойчивостей (обусловленных градиентами давления, сдвигом скоростей и другими источниками свободной энергии) и электрические поля носят нерегулярный флуктуирующий характер. Крупномасштабное поле в хвосте приводит к сгребанию плазмы к центру плазменного слоя и появлению почти пустых долей хвоста. Сгребание продолжается до тех пор, пока диффузионный поток, стремящейся разрушить плазменный слой, не уравновесится конвективным потоком за счет крупномасштабного поля. В результате образуется квазистационарная магнитостатически равновесная конфигурация. В области перехода от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям за счет динамики внутримагнитосферной токовой системы возникают (преимущественно при южном направлении ММП) суббури и микросуббури, сопровождаемые появлением горячего плазменного сгустка или пузыря, не находящегося в равновесии с окружающей плазмой. Часть нагретой плазмы инжектрируется во внутреннюю магнитосферу, формируя кольцевой ток, а часть инжектируется в хвост, формируя плазмоид, движущийся от Земли. По мере движения в хвост, плазмоид теряет частицы. В результате формируются косые ионные пучки, движущиеся к Земле. Отражение пучков от магнитных пробок приводит к формированию косых ионных структур, движущихся от Земли на меньших широтах, чем исходные пучки. Таким образом осуществляется заполнение "заметаемых плазмоидом" магнитных силовых трубок ускоренной суббуревой-микросуббуревой плазмой. Так как частичная диполизация и сопровождающее ее ускорение частиц происходит достаточно часто по всему плазменному слою, практически не затрагивая близкие к Земле токовые системы и не участвуя в магнитосферно-ионосферных взаимодействиях, вероятно процесс образования менее интенсивных, чем во время суббури, пучков происходит постоянно (что может объяснить, например, возникновение BBF - Burst Bulky Flow событий). Диффузия частиц во всех направлениях приводит к появлению горячих частиц вне области пучков. При зарегистрированном Боровским коэффициенте диффузии в (см. Borovsky et al.[1998]) потребуется ~10 часов для диффузии частиц от центра плазменного слоя к его периферии. Обтекание солнечным ветром диполя с распределенными вокруг него токами и плазменным слоем за диполем отличается от обтекания диполя в вакууме. На геоцентрических расстояниях превышающих 15-20 Re, имеет место обтекание плазменной пластинки с током, передний край которой связан с внутренней магнитосферой. На больших геоцентрических расстояниях ~100-200 Re горячий поток магнитосферной плазмы направлен, в целом, от Земли в области плазмы большого давления. Характерное время диффузии , где L – характерный масштаб неоднородности плотности. Поэтому в удаленных от Земли областях поток, видимо, должен терять первоначальную форму пластинки и становиться более похожим на цилиндр. Данные наблюдения на спутнике GEEOTAIL (см. Maezava and Hori [1998]) соответствуют именно такому распределению горячей плазмы на геоцентрических расстояниях 150-200 Re . Давление горячей плазмы в центре равновесного плазменного слоя должно быть равно статическому давлению солнечного ветра. Значение коэффициента поперечной диффузии на больших геоцентрических расстояниях пока неизвестно, но при коэффициенте диффузии, равном зарегистрированному Боровским (см. Borovsky et al.[1998]), горячий плазменный сгусток не полностью расплывется даже на расстоянии в 1000 Re от области его образования.

дальше:  

Работа была поддержана грантами ММЦ-ФПИ № 11, РФФИ № 98-05-64508, и программой МИНОБРАЗОВАНИЯ РФ "Теоретическое и экспериментальное изучение динамики кольцевого тока и ближних областей плазменного слоя".