Солнечно-земная
Физика

"СиЗиФ"

Структура авроральной магнитосферы и взрывные процессы магнитосферной суббури

Л. Лазутин

страница 1

Глава 1. Геометрия авроральной магнитосферы

1.1 Введение

В первую очередь нас будут интересовать процессы, происходящие в той части магнитосферы, которая опирается на ночной сектор овала полярных сияний, и которую мы называем авроральной магнитосферой (АМ). Разделяя магнитосферу на три части - центральную, внешнюю и АМ, мы имеем в виду, что первая из них контролируется внутренними источниками магнитного поля, вторая - внешними источниками, тогда как в АМ наблюдается динамическая конкуренция внешних и внутренних источников. Существующее в литературе многообразие магнитосферных областей и границ порождает неопределённость в интерпретации экспериментальных данных, вызывает дискуссии; существует обширная литература, посвящённая упорядочению представлений о структуре магнитосферы (см. обзор Старкова, 2000). В этой ситуации авроральный овал и его продолжение в пространстве, авроральная магнитосфера, могут служить базой с чётким физическим смыслом. Именно здесь, где наблюдаются активные формы полярных сияний, происходят наиболее динамические и интенсивные взрывные процессы магнитосферной суббури - интенсификации и развал (брейкап) полярных сияний и связанные с ними процессы.
Положение внутренней (околоземной) границы АМ не вызывает больших споров, она находится на квази-дипольных замкнутых силовых линиях, вблизи максимума внешнего электронного радиацонного пояса. Положение внешней границы АМ - вопрос спорный и критически важный для понимания процессов суббури.
В возмущённом состоянии (а именно о возмущённой магнитосфере идёт речь) АМ включает частично то, что называют внутренней магнитосферой (inner magnetosphere), центральный плазменный слой (CPS), и часть внешних радиационных поясов, электронного и ионного, а ее внешняя граница вероятно совпадает с граничным плазменным слоем (BSP) и пограничным слоем (LLBL).
В магнитном поле, двигаясь от Земли в АМ, мы сначала находимся в области квази-дипольных силовых линий, потом переходим в область вытянутых замкнутых силовых линий и, наконец, разомкнутых силовых линий (lobe). Где находится внешняя граница АМ по конфигурации магнитного поля точно сказать нельзя.
Может быть три варианта конфигурационной границы: 1)- между областями квази-дипольных и вытянутых силовых линий, 2)- на последней замкнутой силовой линии, 3)- и где-то между ними, на границе между вытянутыми и очень вытянутыми силовыми линиями. Схема (рис.1.1) может быть избыточной, границы 1 или 2 могут быть плавными или может быть резкой только одна из них.

Энергичные частицы (10-20-200 кэВ). По определению - авроральная магнитосфера - это область, заполненная свежеускоренными частицами, ионами и электронами с энергией от 1 кэВ до сотен кэВ. Двигаясь от Земли в экваториальной плоскости, мы встретим максимум внешнего протонного радиационного пояса, затем максимум электронного пояса и перейдём на склоны пояса, область спада интенсивности. Внешний радиационный пояс и АМ частично перекрываются; приземная граница АМ проходит по склону пояса и иногда может доходить до максимума электронного пояса.
Однозначно ответить на вопрос - как соотносятся внешние границы АМ и радиационного пояса нельзя, потому что имеет смысл сравнивать мгновенные положения границ, а что такое мгновенная граница радиационного пояса - не ясно. Дело в том, что границы поясов определяются конфигурацией всей магнитосферы по последним замкнутым дрейфовым траекториям. Локальное магнитное поле за границей может и способно удерживать частицы, но их в спокойной магнитосфере там не остаётся.
Во время возмущений эта пустая область заполняется во время инжекций, и сами дрейфовые траектории искажаются, так что границы области захваченных энергичных частиц уходят дальше от Земли. Вблизи плоскости экватора спутник, пройдя максимум радиационного пояса, ещё один или несколько раз встретится с областями повышенной интенсивности энергичных электронов и ионов. Кроме того, часто вместо плавного спада интенсивности частиц на склоне радиационного пояса наблюдается крутая граница, дропаут, причём эта граница может несколько раз проскакивать мимо спутника к Земле и от Земли. Низковысотный полярный спутник обнаружит диффузный сброс частиц в районе максимума пояса, быстро спадающий с расстоянием, и затем отдельные всплески сброса из областей новой популяции радиационного пояса совпадающих с овалом полярных сияний (Воробьев и др. 1999).
Неверное отождествление границы диффузионного сброса с границей захвата или с границей замкнутых силовых линий, которое иногда и сейчас встречается в публикациях, долго поддерживало отождествление областей ускорения частиц (и соответственно эпицентра суббури) с нейтральными линиями в хвосте магнитосферы.

Плазменный слой своей внутренней частью (CPS) надвинут на склоны радиационного пояса, и его околоземная граница простирается до последних активных форм полярных сияний, которые часто совпадают с границей овала и очерчивают внутреннюю границу авроральной магнитосферы. Внешняя часть плазменного слоя может простираться дальше внешней границы АМ. Можно полагать, что приземная, внутренняя граница АМ определяется (крупномасштабной) структурой электрического поля, внешняя граница - структурой магнитного поля. Действительно, крупномасштабное электрическое поле определяет скорость и глубину проникновения плазмы в глубь магнитосферы; во время сильных магнитных бурь электрическое поле проникает вплоть до 2-3 Re. В результате EхB дрейфа формируется резкий внутренний край плазменного слоя, в котором перед началом активной фазы суббури возникает нестабильная область азимутального возмущения тока, где и начинается суббуря.
Внешняя граница АМ несомненно зависит от структуры магнитного поля, однако даже из приведённого выше короткого обзора видно, что и о положении и о формировании этой границы однозначного мнения не существует. Так как от правильного понимания зависит решение нескольких ключевых проблем суббури, мы рассмотрим ситуацию с внешней границей АМ в отдельном разделе.
.

1.2. Внешняя граница авроральной магнитосферы.

Прежде всего, следует отметить, что проблема внешней границы АМ относится только к возмущённой магнитосфере - в спокойных условиях овал сияний сжимается или исчезает, квазидипольные магнитные линии плавно переходят в вытянутые в хвост. Полоса сияний проектируются на приземную границу плазменного слоя, в котором нет той части, что в возмущённой АМ называется CPS. Опуская подготовительную фазу и переходя сразу к ситуации в разгаре возмущения, мы видим несколько образований или явлений которые могут рассматриваться как проявления внешней границы АМ: в плазме это низкоширотный граничный слой (LLBL), граничный плазменный слой (PSBL), в проекции на ионосферу - это приполюсная дуга полярного сияния или внешняя область двойного овала [Elphinstone et al, 1995а]. В магнитном поле и в потоках энергичных частиц резкие изменения наблюдаются в виде дропаутов, которые также могут претендовать на роль внешней границы АМ. Плазменные граничные структуры рассмотрены подробно в работе (Фельдштейн и Гальперин, 1996, Newell et al.,1996), которые связывают овал полярных сияний с CPS.
Обратимся к прямым измерениям энергичных частиц.

1.2.1. Дропауты

На рис.1.2 показаны временные вариации потоков электронов и ионов, измеренных на спутнике CRRES 4 апреля 1991 при пролёте в полуночном секторе

Рис 1.2 Последовательность дропаутов, измеренная на спутнике КРЭС 4.04.1991. Сверху вниз: вариации потока электронов для нескольких энергетических каналов от 21 до 120 кэВ, вариации потока ионов (протонов) для нескольких энергетических каналов от 37 до 300 кэВ и измерения наклона силовой линии магнитного поля по отношению к плоскости экватора. Пунктирные линии - моменты выхода из дропаута

магнитосферы в геостационарной области. Резкие перепады интенсивности частиц совпадают с быстрым изменением магнитного поля - от квазидипольного к вытянутому в хвост и обратно. Это явление - дропауты ("провалы") потока частиц известно давно [Sauvaud and Winckler, 1980, Walker et al., 1976, Dandouras et al., 1986, Baker and McPherron, 1990 ] и объясняется прохождением мимо спутника границы захвата энергичных частиц, которая из плавной, неопределённой в спокойные периоды становится резкой, динамичной в периоды возмущений. При выходе из зоны захвата (например в 10:11 UT на рис.1.2 ) поток энергичных частиц падает на два порядка, при выходе из дропаута - восстанавливется до прежнего уровня (10:38 UT ). При этом меняется и питч-угловое распределение частиц, от захваченного к изотропному и обратно, причем все эти изменения могут могут быть очень быстрыми, несколько секунд и меньше. Подробный анализ динамики частиц, питч-углового распределения, связи с изменением магнитного поля даёт много интересных сведений о структуре границы, но мы сейчас не будем углубляться в эти детали. Отметим лишь, что выход за границу дропаута по потоку и функции распределения частиц можно отождествлять с PSBL в магнитосфере и с приполюсной дугой полярного сияния в ионосфере.

Остановим внимание читателя на таком вопросе: конфигурация с резким переломом силовых линий не описывается ни одной из моделей магнитного поля магнитосферы. Действительно, статистические модели, типа моделей Цыганенко [1989, 1996], основаны на усреднении большого числа измерений в данном районе, и это приводит к сглаживанию формы силовых линий. Предсказанная разными моделями конфигурация силовых линий в районе геостационарной орбиты чаще всего более вытянута в хвост, чем измеренная в эксперименте [Reeves et al., 1996].

Но что ещё следует подчеркнуть, это тот факт, что такая усреднённая силовая линия будет проецироваться на существенно более низкую широту в ионосфере, приводя к искажеиию проекции приграничных линий. И это подтверждается экспериментальными данными.(Lazutin et al., 1998)

Рис 1.3. Траектория полета аэростата (ромбы) и расчетные линии проекции спутника КРЭС для пяти опций уровня магнитной активности в модели Цыганенко-89. Линия "е" соответствует наибольшему уровню активности

На рис.1.3 приведена карта Кольского полуострова, на которую нанесён фрагмент траектории аэростата, запущенного в Апатитах, и рассчитанные по модели Цыганенко-89 линии проекции спутника CRRES, пролетавшего в это время в авроральной магнитосфере. Время совместного измерения частиц на CRRES'е и спектра Х-лучей на аэростате 24 марта 1991 - относится к главной фазе мощной мировой магнитной бури, и по этой модели и модели Цыганенко-96 проекция спутника находится в наиболее южной точке (проекция "е"), южнее аэростата . Вместе с тем результаты сравнения, которые мы здесь для экономии места демонстрировать не будем, показывают, что аэростат находился в глубине АМ, на склоне радиационного пояса, это следует из характера рентгеновских всплесков, которые на нём измерялись, в то время как CRRES находился в дропауте, т.е. за границей или около границы АМ, и, следовательно, должен проектироваться на линии "а"-"с". Это значит, что систематическое понижение широты зеркальной точки с ростом магнитной возмущенности не работает в районе внешней границы АМ; сама граница на экваторе может поджиматься к Земле, а её проекция должна уходить в более высокие широты.
Подтверждением этого вывода служит и сдвиг к полюсу внешней границы овала полярных сияний при нарастании мощности возмущения, известный много лет ещё с пионерских работ по динамике овала полярных сияний Старкова и Фельдштейна (Feldstein and Starkov, 1967).