Солнечно-земная Физика  "СиЗиФ"

Структура авроральной магнитосферы и взрывные процессы магнитосферной суббури

Л. Лазутин

страница 4

В плоскости экватора АМ у нас нет той возможности наблюдать пространственную структуру возмущений, которую мы наблюдаем в проекции на ионосферу благодаря полярным сияниям. Один, редко два и ещё реже 3-4 спутника - вот всё, что имеется при анализе конкретных возмущений. Одно из них мы сейчас рассмотрим, чтобы проиллюстрировать простую схему разбиения возмущения на отдельные интенсификации длительностью 3-15 минут, и привести некоторые характеристики этих структур (Lazutin et all., 1998b) . На рис.2.8 приведены измерения частиц, выполненные на 4-х спутниках в геосинхронной области и ММП на спутнике IMP-8.

Рис 2.8 Регистрация потоков частиц и магнитного поля на нескольких спутниках в геостационарной области. Орбита КРЭС 484, 9.02.1991. Положение спутников дано на Рис 2.10.

На рис.2.9 приведены вариации Н - компоненты на пяти магнитометрах авроральной зоны. Пунктиром показаны моменты начала подготовительной фазы суббури и четырёх суббуревых интенсификаций.

Рис 2.9 Н-составляющая магнитограмм авроральной зоны, 9.02.1991

Те же четыре интенсификации резко выделяются по возрастаниям потока энергичных электронов на спутнике CRRES и две из них - по данным геостационарных спутников LANL. По совокупности спутниковых данных и наземных измерений, можно определить пространственные размеры областей интенсификаций (рис.2.10). Видно, что интенсификации могут быть как длительными и протяжёнными по азимуту на несколько часовых поясов, так и короткими и локализованными. Одно из важных обстоятельств, обнаруженных при анализе этого возмущения, заключалось в том, что прерывание интенсификации оказалось связанным с приходом повышенного потока энергичных ионов.

Рис 2.10 Проекция спутников на полярную ионосферу, положение магнитных станций и пространственная протяженность четырех интенсификаций 9.02.1991г. Во вставке справа показано положение проекции спутника КРЭС в плоскости X-Y

Диамагнитный и токовый эффект роста потока ионов восстанавливал конфигурацию магнитного поля с вытянутыми в хвост силовыми линиями, останавливая процесс разрядки накопленной в данном секторе АМ энергии через диполизацию магнитного поля. Мы вернёмся к анализу эффекта ионов при рассмотрении орбиты CRRES 497.

2.5. CRRES-445. Суббуря 24 января 1991 г. Активизации

На рис.2.11. приведены H-компоненты магнитограмм нескольких авроральных станций . Это была почти классическая суббуря с резким ростом Ае-индекса с 250 до 1200 нТ.

Рис 2.11 Н-составляющая магнитограмм авроральной зоны для трех рассмотренных событий.

Начало суббури То по наземным данным определено в 16.49 UT (Mainard et al, 1996). Спутник CRRES, который в это время находился вблизи магнитного экватора на L=5.4 - 6.5 и MLT 22.9-23.9, еще несколько минут после То не регистрировал существенных изменений в потоке частиц и магнитном поле. И только в Тс=16.54 UT резкий рост потока ионов и электронов указывает на начало локального возмущения. Такая задержка типична и объяснима: вероятность того, что спутник окажется в очень локализованной области первой активизации, мала, и спутник, как правило, фиксирует одну из последующих активизаций. Заметим, что в момент Тс начинается магнитная бухта на магнитограмме Уэллена (рис.2.11.). На рис.2.12. приведены вариации потока электронов, ионов и магнитного поля, измеренные на CRRES'е в течение 25 минут начиная с То.

Рис 2.12 Регистрация потоков частиц и магнитного поля. Орбита КРЭС 445, 24.01.1991. Временное разрешение 2-3 с. Вариации с периодом 30 с. вызваны вращением спутника в условиях анизотропии питч-углового распределения частиц.

Первые три минуты поток частиц не менялся, лишь в каналах E1 и P1 видна 30 s модуляция, вызванная вращением спутника. Следующие две минуты наблюдается спад в электронных каналах и медленный рост потока протонов. И, наконец, в 16.54 UT отмечается резкий скачок сначала в протонных каналах (за исключением P1), затем в электронных каналах с диполизацией магнитного поля.
Прежде всего, обратим внимание на три электронных активизации, сопровождаемых тремя ступеньками диполизации в 1654:10, 1655:30 и 1656:30 UT. Характерно, что первая активизация как бы не оставляет последствий - интенсивность электронов возвращается к невозмущённому уровню, и Bz уменьшается, силовые линии вновь вытягиваются в хвост. Только после второй активизации остаётся возмущённый фон электронов и остаточная диполизация магнитного поля.
Следующая важная деталь тонкой структуры - рост потока протонов до начала электронной интенсификации. Происходит это в две стадии: сначала начинается постепенный рост потока протонов в первых четырёх каналах (~16.52 UT), затем в 16.53:50 UT, за 20s до первого электронного всплеска резко возрастает интенсивность во всех протонных каналах кроме первого. Начальная стадия вероятно объясняется дрейфом протонов, ускоренных в предыдущей активизации, может быть в То. О дрейфе свидетельствует задержка максимума потока в низкоэнергичных каналах. Дисперсия по энергиям обнаруживается также и во втором всплеске, как мы увидим ниже. Появление дополнительного потока протонов повышает плотность энергии частиц в данной локальной области и может способствовать развитию здесь новой неустойчивости. На рис. 2.13. даётся сравнение плотности энергии протонов (пунктир) и магнитного поля (сплошная линия) для нескольких орбит CRRES'а.

Рис 2.13 Сравнение вариаций плотности энергии частиц и магнитного поля (сплошная линия) на орбитах КРЭС для нескольких суббурь. Стрелками показаны моменты интенсификаций активности.

Мы видим, что в нашем случае плотность энергии протонов начала расти ещё на подготовительной фазе, и в 16.52 UT превысила плотность энергии магнитного поля; условие 1 указывает на возможность развития неустойчивости.
Рис.2.14 и 2.15 дают подробную картину развития первой активизации в протонах и электронах.

Рис 2.14, 2.15 Тонкая структура вариаций потока протонов (слева) и электронов (справа). В нижнем секторе приведены питч-углы детекторов используемых для регистрации.

Прежде всего, мы убеждаемся, что задержка электронной инжекции на 20 секунд не является аппаратурным эффектом: в этот промежуток все электронные детекторы с питч-угловой направленностью от 0⁰ до 175⁰ по очереди передавали информацию по телеметрии. Отсутствие электронов можно объяснить тем, что область ускорения располагалась к востоку от спутника. По дисперсии можно оценить положение и размер области ускорения протонов. Задержка момента появления протонов в канале P3 (69-85 кэВ) по отношению к P6 (147-193 кэВ) составляет 6 с, а задержка максимума 30с. Скорость дрейфа для P6 вдвое меньше, чем P3 и следовательно, протоны дрейфуют от ближайшего края области ускорения 6 и 12 секунд, а от отдалённого края 30 и 60 с соответственно. Используя расчёт скорости дрейфа в дипольном поле, получим расстояние до ближайшего края области ускорения 0.65⁰ или 2.6 мин MLT и протяжённость области порядка 3⁰ .
Дисперсия по энергиям - обычное явление, когда мы рассматриваем детальную структуру инжекции протонов. Это говорит о том, что ускорение и дрейф протонов идут одновременно. Для электронных инжекций дисперсия также наблюдается; мы подробно разбирали такой случай при анализе орбиты 494. Вместе с тем, часто регистрируются вариации потока электронов без дисперсии по энергиям, как на возрастании, так и на спаде потока частиц. На рис.2.15 спад интенсивности электронов в 16.54:35 UT можно объяснить особенностями питч-углового распределения частиц и углов зрения детекторов. Однако, два спада в 16.54:18 и 16.54:50 UT и последующее восстановление происходит одновременно во всех питч-углах и энергиях. Является ли это отражением отличия в механизмах ускорения электронов и ионов или отражает вмороженность потока электронов в магнитное поле - пока неясно.
Важная деталь в соотношении электронных активизаций и диполизации магнитного поля видна при подробном рассмотрении: рост интенсивности происходит до начала диполизации. Это не просто объяснить, если связывать ускорение электронов с индукционным полем.

в назад		вперед		оглавление		литература
		другие обзоры