Солнечно-земная
Физика

 "СиЗиФ"

Структура авроральной магнитосферы и взрывные процессы магнитосферной суббури

Л. Лазутин

страница 3

Глава 2.Тонкая структура магнитосферной суббури
2.1. Ведение

Первая общепризнанная классификация структуры суббури была предложена Акасофу [1968]; как только она стала общепризнанной, появились предложения по её модернизации, т.к. реальные возмущения всегда отличались от элементарной, изолированной суббури с её подготовительной, активной фазами и фазой затухания. Ростокер и др.[1980] предложили термин "множественные" начала или интенсификации суббури. Сергеев [1977] представил сложное возмущение как суперпозицию минисуббурь, имеющих каждая те же фазы, что и суббуря. Структуризация развивающейся к северо-западу авроральной выпуклости (WTS) на отдельные импульсные формы была описана впервые, вероятно, Воробьёвым и Реженовым (1975) и развита во многих работах, в частности в работах Сергеева и Яхнина [1983].
Существенно, однако, не название структурных элементов сияний или других элементов суббури и не описание морфологии сияний, которая рассматривалась и описывалась не один раз в забытых давно работах 30х-60х годов.
Существенно, какие процессы виделись авторам в описываемых структурах. По господствующим в 70х-80х годах представлениям, взрывное начало активной фазы связывалось с процессом пересоединения магнитных силовых линий в хвосте магнитосферы и высвобождением при этом магнитной энергии ("аннигиляции" магнитного поля), перекачкой её в кинетическую энергию частиц. Развивая эту идею, и многие авторы связывали импульсное развитие сияний к полюсу во время брейкапа с появлением новых линий пересоединения, уходящих всё дальше в хвост магнитосферы.
Вместе с тем еще с момента открытия радиационных поясов Земли высказывались предположения о том, что эпицентр взрывной неустойчивости располагался гораздо ближе к Земле, на замкнутых силовых линиях, в области захвата энергичных частиц. В частности, по результатам первых двух этапов комплексного эксперимента "САМБО" был опубликован ряд работ по структуре суббури, обобщённых в вышедшей в 1979 г. монографии автора [Лазутин, 1979, 1986], в которых развивалась модель суббури на замкнутых силовых линиях. Ьолее того, мы отвергали представление об этой неустойчивости, как о глобальном процессе. Глобальным был процесс накопления энергии, управляемый солнечным ветром через конвективное электрическое поле поперёк хвоста магнитосферы. По поводу суббуревых интенсификаций был выдвинут принцип локальности. Приведём несколько выдержек из этой работы.

"Область ускорения расположена на расстояниях до 5-7 радиусов Земли, её эпицентр локализован в пространстве с характерным размером в проекции на границу атмосферы порядка нескольких десятков километров.
Отметим, что долготная локализация области резкого изменения магнитного поля приводит также к появлению продольной компоненты индукционного электрического поля, что может быть важно для ускорения и сброса частиц. Характерное время ускорения частиц во взрывных процессах - менее нескольких минут.
Магнитосфера возвращается к спокойному уровню не за один скачок, а в результате нескольких последовательных ступеней; вероятно, ускорение частиц во время развития неустойчивости приводит к усилению токовых систем, временно стабилизирующих ситуацию. В сложных возмущениях последовательность локализированных активизаций может прерываться новыми периодами усиления конвекционного электрического поля, процессом накопления энергии, который также неоднороден в пространстве из-за неоднородности носителей.
Таким образом, в интерпретации возмущений появляется возможность перейти от классификации по группировке морфологических признаков (фаза суббури) к выделению физических процессов в определённых локализованных областях. Если в общих представлениях о фазах элементарной, изолированной суббури принцип локальности почти ничего не меняет, то интерпретация процессов в сложных возмущённых суббурях - а именно такие встречаются чаще всего - изменяется значительно. Распространённую точку зрения по поводу интерпретации сложных возмущений можно коротко выразить следующим образом. В сложных возмущениях суббури так тесно следуют одна за другой, что выделить фазы суббури невозможно, они накладываются одна на другую. Такая точка зрения неприемлема для нас не только потому, что объявляет несостоятельной (или ставит под сомнение) любую попытку разобраться в процессах, происходящих при сложных возмущениях, но и не верна по определению. Действительно, если определить фазы суббури из энергетических соображений, то подготовительная фаза одной суббури не может налагаться на фазу восстановления предыдущей суббури, потому что на подготовительной фазе происходит преимущественное накопление энергии в магнитосфере, а на фазе восстановления - медленные потери энергии, и один процесс исключает другой.
Если же трактовать процессы в сложных возмущениях, исходя из принципа локальности, с позиций относительной независимости происходящих в разных участках магнитосферы процессов, то следует говорить не о временной последовательности, а о пространственно-временной суперпозиции разных локальных стадий суббури. В каждом участке магнитосферы в период сложных возмущений могут наблюдаться, совпадая во времени, стадии накопления энергии, активного высвобождения или остаточного сброса частиц в зависимости от предшествующей активности, распределения частиц и динамики электрического и магнитного полей."

Прошло 20 лет, и гипотеза об околоземном положении аврорального брейкапа и других интенсификаций из неприемлемой для большинства исследователей суббури перешла в разряд вполне вероятных, хотя сохраняются сторонники "хвостовой" гипотезы. Фельдштейн и Гальперин [1996] в критическом обзоре структур и границ магнитосферы поместили область активных сияний в CPS, и, следовательно, экваториальную дугу, с которой начинается брейкап - в область квази-дипольного поля. Наконец Луи и др. [1988, 1992] предложили конкретный механизм неустойчивости, разрыв дрейфового тока, который работал на внутренней кромке плазменного слоя
Другие идеи, цитированные выше, также обсуждались за прошедшие десятилетия: вспыхнула и затухла дискуссия о "загрузке" и "разгрузке" энергии в магнитосферу, обсуждалась возможность сосуществования разных фаз суббури в разных областях магнитосферы. Появились и новые идеи о структуре суббури, в частности можно коротко остановиться на одной из последних, "модульной" концепции суббури [Elpinstone et al, 1996]. По этой концепции есть несколько первичных модулей, из которых складывается сложное возмущение, причём некоторые из них могут не развиваться в цепочке модулей, что создаёт разнообразие наблюдаемых возмущений. Кроме того, есть модули второго порядка, которые разнообразят протекание главных модулей, как лепные карнизы и пилястры украшают и придают неповторимость архитектурным сооружениям. К модулям первого порядка относятся: подготовительная фаза и сияния в дневном овале, начало суббури (onset), авроральная выпуклость, двойной овал и полярные дуги. Вторичные модули более многочисленны и менее чётко определены: спирали, завихрения, стримеры, омега структуры, undulations в полярных и экваториальных дугах, дуговые выбросы, стационарные выпуклости, пульсирующие сияния. При всей её избыточности, модель Эльпинстоуна содержит ряд рациональных элементов и, кроме того, подробное описание модульных элементов полярных сияний может служить справочным дополнением к классификации сияний, данной в классических работах С.И. Исаева и М.И. Пудовкина [1968, 1972].

2.2. Структура суббури в полярных сияниях

Подготовительная фаза характеризуется ограниченной авроральной активностью, во время которой дуги движутся к экватору, меняя свою яркость: возможны локальные вспышки яркости ("псевдобрейкап") и затухание перед началом активной фазы. Экспансия или классический брейкап начинается с уярчения дуги с переходом от диффузной к активной и продолжается расширением, броском к полюсу активных форм сияний и заканчивается формированием выпуклости (Rostoker et al, 1980, 1987). Часто на западном краю выпуклости виден изгиб, движущийся на запад (WTS). Следом за экспансией наблюдается фаза затухания, во время которой область свечения сжимается, сияния тускнеют и пропадают. Все это окаймляется приполюсной дугой, которая активизируется или затухает независимо от происходящего южнее.
Классическая изолированная суббуря - явление редкое; обычно наблюдается суперпозиция суббурь или длительное магнитосферное возмущение, в котором периоды успокоения чередуются с интенсификациями активных форм сияний, развитие которых может напоминать или существенно отличаться от классического брейкапа, например наряду с бросками к полюсу наблюдается экспансия сияний к экватору. Развиваясь, активная часть длительного возмущения охватывает область овала полярных сияний протяжённостью до 10 часов местного времени по долготе и от 600 до 750 магнитной широты и ещё больше в экстремальных случаях. Внутри этой полости могут наблюдаться помимо WTS, и изгиб с восточным фронтом, и отдельные E-W и W-S дуги, и другие формы сияний.
Помимо характерного временного интервала интенсификаций ~5-50 минут, в который укладывается и классическая суббуревая экспансия и псевдобрейкапы, существует и более короткий временной интервал 15-90 секунд, активизации, который отражает время жизни отдельной динамической формы, или элементарной неустойчивости суббури, стоящей за ней. Структура и динамика активных форм полярных сияний отражает динамику потоков высыпающихся в атмосферу электронов и ионов с энергией в единицы кэВ.
В высыпании электронов с энергией в десятки и сотни кэВ которые активно исследовались с помощью аэростатных датчиков тормозного рентгеновского излучения, ситуация очень похожая: если бы мы могли их высветить, мы бы увидели и дуги, и динамичные локализованные формы и диффузные пятна. Подробное описание суббури в Х-лучах было дано в монографии (Лазутин, 1986). Что происходит с потоками энергичных частиц вблизи плоскости экватора - мы рассмотрим в двух следующих разделах. В тех случаях, когда удаётся сопоставить пространственную структуру высыпания энергичных электронов и полярных сияний, получается хорошее совпадение. Один такой случай будет рассмотрен в следующем разделе.

2.3. CRRES-494,13.02.1991. Связь сияний и инжекций электронов

В нескольких последующих разделах мы используем измерения на спутнике СRRES в начале 1991г. Он имел переходную геостационарную орбиту с периодом 12 часов и апогеем 6.3 Re. Во всех обсуждаемых случаях он находился в полуночном секторе вблизи магнитного экватора, в апогее. Использовались данные спектрометра энергичных частиц EPAS (Korth et al, 1992) и магнитометра (Singer et al, 1992). Спектрометр имел 14 дифференциальных энергетических каналов для электронов и 12 каналов для протонов и перекрывал диапазоны 21-154 и 37-200 кэВ соответственно. Таблица 2 дает сводку энергетических диапазонов детекторов.

Таблица 2. Энергетические каналы спектрометра частиц MEB на спутнике CRRES

Электроны Ионы
Канал Энергия,кэВ Канал Энергия,кэВ

E1

21.5--31.5

P1

37--54

E2

31.5--40

P2

54--69

E3

40--49.5

P3

69--85

E4

49.5--59

P4

85--113

E5

59--69

P5

113--147

E6

69--81

P6

147--193

E7

81--94.5

P7

193--254

E8

94.5--112

P8

254--335

E9

112--129.5

P9

335--447

E10

129.5--151

P10

447--602

E11

151--177.5

P11

602--805

E12

177.5--208

P12

805--3200

E13

208--242.5

 --

 --

E14

242.5--285

 --

 --


В данном разделе мы представляем исследование конкретной магнитосферной изолированной суббури имевшей место в 20-21 UT 13 февраля 1991г., когда одновременно регистрировались полярные сияния телевизионной камерой в обсерватории Лопарская и энергичные частицы и магнитное поле спектрометром частиц ЭПАС и магнитометром на борту спутника СRRES на орбите 494 (Lazutin et al, 1999). Геометрия магнитосферной суббури, особенно проблема сопряженности аврорального брейкапа и взрывных процессов в магнитосфере относятся к одной из ключевых проблем физики суббури, и мы используем этот редкий случай одновременных наблюдений для детального исследования тонкой трёхмерной структуры возмущения.
Одна из задач этой работы - установить связь между наблюдаемыми в магнитосфере импульсными ускорениями т.н."инжекциями" энергичных частиц и положением активизаций по наземным данным.

2.3.1. Наземные наблюдения

Рисунок 2.1 представляет записи H-составляющей нескольких магнитометров авроральной зоны. Координаты станций указаны в таб. 1. Это была относительно слабая суббуря, -300 nT в максимуме, но её структура была не простой.

Рис 2.1. Н-составляющая магнитограмм авроральной зоны, 13.02.1991

Она состояла из четырёх интенсификаций, разнесённых в пространстве и во времени, каждая со своим брейкапом и отрицательным скачком в H- компоненте. Возможно, что это возмущение следовало бы называть системой перекрывающихся суббурь. Возможно также, что первые две интенсификации кто-то сочтёт псевдобрейкапами, поскольку экспансия к полюсу была весьма ограниченной.
Независимо от терминологии, обозначим четыре главных интенсификации: первая происходила с 20:00 UT на меридиане Диксона, вторая началась около 20:30 UT вблизи Лопарской, третья - в 20:40 UT в широкой полосе долгот, от Диксона до Скандинавии и последняя, начавшаяся в 21.07 UT была сдвинута далеко к полюсу, мы видим её только на магнитограмме на острове Медвежьем. Наибольшее внимание мы уделим второй интенсификации, поскольку она была зафиксирована телекамерой в Лопарской.
ТВ камера была включена в 20.16 UT, когда над Лопарской уже светило сияние в виде широкой диффузной дуги, связанной, очевидно, с первой, "Диксоновской" интенсификацией. Эта дуга или система дуг и явилась колыбелью для второй, "Кольской" интенсификации. Интересующая нас интенсификация была короткой, она началась в 20.32 UT и затухла к 20.38 UT. Можно выделить несколько составляющих её активизаций;

Рис 2.2 ТВ-кадры полярных сияний для нескольких моментов суббури 13.02.1991г

Рис 2.2 представляет ТВ-кадры сияний над Лопарской во время этих активизаций. Подробнее мы обсудим структуру сияний в разделе 2.3.3.

2.3.2. Измерения на спутнике СRRES.

Как следует из питч-углового распределения частиц, которое мы здесь не будем обсуждать подробно, спутник находился в радиационном поясе, достаточно далеко от границы захвата. На рис.2.3. представлены вариации

Рис 2.3 Вариации потока электронов и ионов с усреднением 30с и напряженности магнитного поля в событии 13.02.1991

интенсивности электронов и протонов в нескольких дифференциальных каналах с усреднением 30с и локальные вариации магнитного поля. Два возрастания интенсивности видны на этом рисунке - возрастание протонов во время первой интенсификации и возрастание электронов во время второго брейкапа. Очевидная дисперсия по энергиям, с запаздыванием в низкоэнергичных каналах и отсутствие электронного возрастания, говорят о том, что область ускорения протонов была расположена на востоке от CRRES. Во втором, электронном возрастании отсутствовали свежеускоренные протоны и в электронах видна небольшая, но отчётливая дисперсия по энергиям, что свидетельствует о положении центра возмущения к западу от СRRES, т.е. активная область от первой до второй интенсификации скачком переместилась на запад.
Магнитометр на борту СRRES показывает уменьшение с 20.00 UT и медленную диполизацию в интервале 20.15 - 20.32 UT. Опыт анализа поведения магнитного поля по другим орбитам СRRES говорит о том, что такой медленный характер диполизации наблюдается когда спутник находится в стороне от активной области.

Рис 2.4 Проекция на карту Кольского полуострова расчетной проекции вдоль силовой линии спутника КРЭС (ромбики) и расчетных границ области ускорения энергичных электронов (крестики). Сплошная окружность - поле зрения ТВ камеры Лопарская, пунктирная окружность - то же для угла зрения 45 градусов.

На рис 2.4. приведена карта Кольского полуострова, на которой отмечено положение проекции спутника вдоль силовой линии на ионосферу, рассчитанное по модели Цыганенко-89. Размеры значков приблизительно отражают размер погрешности, который следует ожидать из-за статистической природы модели.

2.3.3. Сравнение тонкой структуры полярных сияний и возрастания энергичных электронов.

Период вращения спутника CRRES составляет 30 с, что определяет нижний предел временного разрешения по полной функции распределения частиц. Лучшее временное разрешение порядка 2 с можно получить, используя все питч-углы, как представлено на рис.2.5.

Рис 2.5 То же, что и на рис. 2.3 с временным разрешением 1-3с.

Если предположить, что электроны в процессе магнитного дрейфа проходят через область ускорения, то начало возрастания создается частицами, пришедшими из ближайшего к спутнику сектора области ускорения, тогда как максимум возрастания создается частицами, прошедшими всю область ускорения и получившими максимальное приращение энергии. В результате путем расчета дрейфовых траекторий можно оценить положение и размеры области ускорения, учитывая задержку возрастания в разных энергетических каналах. Для расчета использовались величины напряженности и градиента магнитного поля полученные по модели Циганенко-89 (Tsyganenko, 1989).

Рис 2.6 К расчету магнитного дрейфа электронов

На рис.2.6 приведены результаты расчета дрейфа частиц для нескольких дифференциальных каналов; траектория начиналась в момент максимума и прослеживалась назад к источнику, который определяется точкой пересечения кривых дрейфа. Расчет показывает, что электроны всех энергий начали дрейф на расстоянии 7.2 градуса западнее спутника за 55 с до максимума в канале 100 кэВ. Длительность дрейфа следует скорректировать в связи с тем, что частицы, приходящие на спутник, имели более низкую стартовую энергию и, следовательно, дрейфовали медленнее. С учетом поправки получим момент начала ускорения в 20.34:05 UT.
Вернемся к данным по полярным сияниям. Просмотр записи показывает, что интересующая нас интенсификация сияний имела тонкую структуру: можно выделить три активизации сияний с интервалом порядка одной минуты. Эти три активизации можно видеть на рис.2.2. Наиболее яркой была первая, в 20.31.55 UT, следующая началась в 20.33:20 UT, но обе они по времени не соответствуют возрастанию энергичных электронов на CRRES'е. И только третья активизация, которая начинается в 20.33.45 UT и которая была самой слабой из трёх, по времени подходит в качестве сопряженного явления. Кроме того, сравнение долготных границ активизации сияний и положения границ источника энергичных электронов (крестики на рис 2.4) показывает их хорошее совпадение.
Сравнение пространственного расположения активизаций по широте показывает, что и здесь третья активизация имеет преимущество. Используя файл данных кеограммы, мы создали несколько имитаций записей фотометров направленных в зенит, на нескольких широтах вдоль меридиана Лопарской. Рис.2.7 представляет результат; уровни записей яркости смещены, чтобы разделить "фотометры" по широтам.

Рис 2.7 Фотометрия полярных сияний на четырех позициях вдоль центрального меридиана Лопарской по данным ТВ камеры и пульсации магнитного поля на обс. Ловозеро. Пунктиром обозначено расчетное время начала ускорения электронов, зарегистрированных спутником КРЭС.

Видно, что первая и вторая интенсификации смещены к полюсу по отношению к проекции СRRES, тогда как третья активизация хорошо перекрывается с ней по широте.

2.3.4. Обсуждение результатов

1. Проблему сопряженности можно выразить в двух главных вопросах: "Какова геометрия магнитных силовых линий во время брейкапа?", и "Насколько совпадают в пространстве и во времени два (или несколько) разных процессов в магнитосфере и ионосфере, такие как уярчение полярных сияний и ускорение энергичных частиц?". Чтобы точно ответить на первый вопрос, надо знать ответ на второй и наоборот. Получается замкнутый круг.
На самом деле мы знаем приблизительные ответы на оба этих вопроса, и наша задача найти более точные ответы. У нас есть модели магнитного поля для приблизительной проекции спутника на ионосферу вдоль силовой линии, и есть физические модели брейкапа, которые предсказывают, как связаны наблюдаемые явления, в нашем случае ускорение энергичных электронов в магнитосфере и вспышки полярных сияний, т.е. ускорение низкоэнергичных авроральных электронов.

2. Основание магнитной силовой линии для спутника мы находили по модели Циганенко-89. Надо сказать, что эта модель, как и многие другие, подвержена определённой критике [Pilkkinen, 1996]. Особенно большие неточности можно ожидать при высокой активности, однако в нашем конкретном случае активность была умеренной и расчёт оказался достаточно хорошим, в том смысле, что для объяснения результатов не потребовалось корректировки. Можно сказать, исходя из результатов анализа, что будь проекция спутника на 0.300 полюснее, он был бы обязан зарегистрировать энергичные электроны от второй активизации; будь она на 0.20 южнее, мы могли не увидеть возрастание электронов от третьей активизации.
Так что по широте ошибка не превышает 0.300 , т.е. 30 км. Расчётное положение проекции KRRES'а по долготе также нас вполне устраивает.

3. Для исследования процессов сопряжённости важно хорошее совпадение во времени. Действительно, во время брейкапа за 3 - 5 минут происходят динамические изменения полей и потоков частиц во многих частях магнитосферы. Поэтому совпадение процессов в пределах нескольких минут ещё ни о чем не говорит. Если согласиться с тем, что активизации являются основной элементарной структурой суббури, её активной частью, то, разнесенные в пространстве события могут рассматриваться как проявления одного и того же процесса только если их разнос во времени не превышает минуты. Иначе велика опасность проводить сравнение явлений, относящиеся к двум разным активизациям.
В нашем случае мы, повидимому, избежали этой опасности, т.к. из трёх активизаций полярных сияний смогли выбрать одну единственную.

4. Проведённое сравнение показывает, что ускорение энергичных электронов во время брейкапа не происходит в широкой области "инжекций", но существенно локализовано. Мы не можем утверждать, что эта локализация идентична областям активизации полярных сияний, но перекрытие областей ускорения по долготе очевидно, и обе области имеют совпадающую южную (экваториальную) границу. Существование крутой экваториальной границы ускорения энергичных частиц не вполне согласуется с существующими моделями брейкапа. Если энергичные частицы ускоряются индукционным электрическим полем, возникающим в результате диполизации магнитного поля то область ускорения не должны иметь резкой экваториальной границы, совпадающей с областью активизации полярных сияний. Если модели широкого, длительного фронта инжекций энергичных частиц не вписываются в наблюдения, необходимо иметь модели, объясняющие кратковременность и пространственную поляризацию ускорения. В основе такой модели могла бы быть идея "меандра" азимутального тока, предложенная Хейкиллой и Пеллиненом [ Heikkila and Pellinen, 1977 ].

 назад вперед оглавление литература
  
   другие обзоры