Солнечно-земная Физика

СТРУКТУРА АВРОРАЛЬНЫХ ВТОРЖЕНИЙ В НОЧНОМ СЕКТОРЕ МАГНИТОСФЕРЫ, ч.2

Наблюдения на Дайнемикс Эксплорер-2 (DЕ-2). Структура области авроральных вторжений над ионосферой в ночном секторе рассматривалась в [41, 16). Интерпретация измерений разных спутников, включая DЕ-2 по данным [41], содержится в [42].

Рис. 2. Спектрограммы "энергия - время" электронов и ионов на спутнике DЕ-2 22.09.1981 г. по [16] на фазе восстановления суббури. Справа вверху у графиков указан интервал питч-углов. Сверху вниз: 1 - поток энергии в эрг/см2 с ср эВ авроральных электронов в интервале питч-углов 6.6-43.9 град (0' соответствует направлению вниз вдоль магнитного поля); 2 - поток вторгающихся и захваченных электронов с Е > 35 кэВ, измеренных счетчиком Гейгера Мюллера в единицах частиц/см2 с; 3 - поток энергии вторгающихся ионов в интервале питч-углов 13.9 - 43.9 град; 4 - поток энергии захваченных ионов в интервале питч-углов 96.3 - 96.4 град. Внизу приведены мировое время ~UТ, инвариантная широта INVLAT (градусы), высота спутника h (км), местное геомагнитное время MLT (часы). Вертикальными линиями обозначены граница полярной шапки (РС), приполюсная граница дискретных вторжений (R1), граница дискретных/диффузных вторжений (СРS), экваториальная граница диффузных вторжений (IВ). Внизу обозначены плазменные домены в магнитосфере по схеме ФГ85: диффузные вторжения и соответствующее диффузное свечение к экватору от овала полярных сияний, связанные с остаточным слоем- ОС; структурированные вторжения, связанные с дискретными формами полярных сияний и проектирующиеся на ЦПС; мягкие электронные вторжения, связанные с диффузным свечением в эмиссии 630 нm и проектирующиеся на ПОПС; полярный дождь в полярной шапке, проектирующийся на доли хвоста - ДX.

На рис. 2 приведено из более поздней публикации [16] пересечение околополуночного сектора магнитосферы спутником DЕ-2. Данные DЕ-2 для этого пролета, приходящегося на начало фазы восстановления магнитосферной суббури, прекрасно согласуются со схемой ФГ85 (рис. 2б). Граница между областями диффузных и дискретных вторжений совпадает с границей Лз, захвата электронов с Е > 35 кэВ. В приполюсной части области вторжения между перевернутыми V струк- турами и полярной шапкой существует район с вторжением мягкой авроральной плазмы. Таким образом, диффузные вторжения с экваториальной стороны овала дискретных форм находятся в пределах устойчивого радиационного пояса, т.е. внутри его внешней границы Лз. Согласно [17] границей раздела между областями на ионосферных высотах, обозначаемыми в [1] как СРS и ВРS, является Лз. При этом СРS располагается внутри области устойчивого захвата. Неудобство такой терминологии очевидно. Отметим, что расположение аврорального овала с дискретными формами полярных сияний (т.е. ВРS в терминологии ВЯА75 или ЦПС в терминологии ФГ85) в около- полуночном секторе к полюсу от Л, было впервые определено в [14], а затем подтверждено многими исследователями [15, 16]. В [14] было приведено расположение аврорального овала для разных уровней магнитной возмущенности и расположение границы устойчивого захвата электронов с энергией 35 кэВ, полученные при пролетах спутника Алуэтт-2. Основываясь на статистических данных, было показано наличие тесной связи экваториальной границы области существования дискретных форм с Лз. Эти результаты по существу и стали основой схемы ФГ85.

Наблюдения на спутниках DMSP. Идентификация границ областей вторжения по наблюдениям на спутниках серии DMSP проводилась для околополуночного сектора в [43, 3] и [44].

Рис. 3. Спектрограмма "энергия - время" для полуночного пересечения спутником DMSP F7 области вторжения плазмы авроральных энергий 29.11.1984 г. на фазе развития суббури по [44]. Цифры в кружках под спектрограммой обозначают положение границ, разделяющих районы с различными направлениями продольных токов, указанными жирными стрелками, идентифицируемые по одновременным измерениям магнитного поля. Границы областей авроральных вторжений Г1 - 6 в нижней части спектрограммы даны по классификации [3]. MLAT, GLAT и GLONG обозначают соответственно инвариантную широту, географическую широту и долготу.

На рис. 3 приведена спектрограмма пролета DMSP Р7 из [44], приходящаяся на фазу развития суббури. Под спектрограммой жирными стрелками указано направление крупномасштабных продольных токов, полученное из наблюдений магнитного поля на спутнике. Под рисунком обозначены основные геофизически значимые границы плазменных вторжений Г1 - Г6, определяемые по методике, описанной в [3]. Принцип идентификации границ соответствует используемому ранее в ФГ85, но добавлены границы Г4с и Г2и (см. ниже). Существенными особенностями предлагаемой в [3] методики является:

• 1) границы определяются только на основе измерений характеристик потоков вторгающейся авроральной плазмы на околоземных спутниках;
• 2) границы разделяют плазменные области, характеристики плазмы в которых отражают распределение плазмы в магнитосфере и происходящие в ней физические процессы, или различающиеся структурой геомагнитного поля в тех частях магнитосферы, которые предполагаются проектирующими на соответствующую плазменную область.

Использование такой методики позволяет провести автоматическую компьютерную идентификацию границ, основываясь на приведенных в [3] количественных алгоритмах. Ниже кратко описаны принципы определения границ, приведенных на рис. 3:

• Г1 - граница вторжения частиц - электронов и ионов с "нулевой" энергией, соответствующая границе конвекции, которая в стационарных условиях совпадает с плазмопаузой; если такие границы для электронов и ионов не совпадают, они обозначаются, соответственно, Г1э и Г1и.
• Г2э - приполюсный край области с dЕэ/dЛ > 0. Точка, где dЕэ/dЛ > 0 , характеризует начало основной (центральной) части плазменного слоя;
• Г2и - граница изотропного вторжения ионов, обусловленного рассеянием ионов на вытянутых в хвост магнитных силовых линиях и характеризующая положение околоземного края токового слоя в хвосте магнитосферы;
• Г2з - граница устойчивого захвата электронов с энергией >40 кэВ, ограничивающая область устойчивого дрейфа энергичных электронов в квазидипольном магнитном поле. Представляет собой границу диффузных и дискретных форм полярных сияний и электронных вторжений. На DMSP F7 не измерялось питч-угловое распределение плазмы, поэтому прямое определение Л,(границы Г2з),как на 0Е-2, невозможно. Однако на DMSP F7 вариации магнитного поля измерялись трехкомпонентным магнитометром, что позволило определить районы втекающих и вытекающих из ионосферы крупномасштабных продольных токов. Основываясь на тесной связи этих токов со структурой авроральных вторжений в околополуночном секторе [45, 46], граница 3 между втекающим и вытекающим током на рис. 3 соответствует Лз (Г2з).
  Г2з располагается обычно на некотором расстоянии к полюсу от Г2и. Это согласуется с меньшим гирорадиусом у электронов, чем у ионов, и смещением границы Г2з в область более искривленных магнитных силовых линий.
• Г3а и Г3б-наиболее экваториальная и приполюсная границы области, в которой происходит ускорение электронов продольным электрическим полем, т.е. границы области дискретных форм полярных сияний;
• Г4с - граница,отделяющая район структурированных вторжений (низкий коэффициент корреляции соседних спектров) от района диффузных вторжений (высокий коэффициент корреляции между соседними спектрами);
• Г5 - приполюсная граница овала полярных сияний, где поток энергии вторгающейся плазмы (как электронов, так и ионов) уменьшается по крайней мере в 4 раза. Если такие границы для электронов и ионов не совпадают, они обозначаются, соответственно, Г5э и Г5и.
• Г6 - приполюсная граница мягкого вторжения (субвизуального свечения). Структуры VDIS2 в тех случаях, когда они существуют, наблюдались между Г5 и Г6. Компьютерная идентификация их сопряжена с рядом трудностей [3], хотя VDIS2 отчетливо проявляются при отдельных пролетах DMSP [47].

Из данных на рис. 3 следует, что в активную фазу суббури с интенсивностью магнитного возмущения АЕ - 700 нТ структура области авроральных вторжений прекрасно согласуется с приведенной на рис. 1б схемой ФГ85; о чем говорит следующее:

1. Область с dЕэ/d? > 0 и диффузными вторжениями (Г1 - Г2э, и) располагается в интервале широт с втекающими токами, целиком в сторону экватора от Лз; на границе Г2э, где dЕэ/d? = 0, располагается первое отчетливо выраженное структурированное вторжение. По-видимому, это дискретная форма полярных сияний. Ее расположение вблизи границы между втекающими и вытекающими продольными токами характерно для фазы развития суббури и свидетельствует о расположении экваториальной формы полярного сияния на границе внешней радиационной зоны;

2. На фазе развития суббури границы Г2э, Г2з и Г3а практически совпадают, т.е. экваториальная дискретная форма полярного сияния распол 3. К полюсу от Л, между линиями 2 и 3 располагается область структурированных вторжений, связанных с овалом полярных сияний (Г3а Г3б). Продольный ток вытекает из ионосферы;

4. К полюсу от приполюсной яркой дуги полярного сияния располагается область более мягких структурированных вторжений (Г5э - Г6), в которой продольный ток снова меняет направление и становится втекающим. Детально связь между авроральными вторжениями и продольными токами проанализирована в [11, 48, 49].

Следует отметить, что существование яркой дискретной формы полярного сияния вблизи границы Г2э характерно для фазы развития магнитосферной суббури. На фазе восстановления граница Г4с между структурированными и диффузными вторжениями, определяемая по наблюдениям DMSP, может располагаться значительно ближе к полюсу, чем Г2э [3]. В связи с этим представляется необходимым дополнительное изучение расположения Г2з на фазе восстановления суббури - продолжает ли Г2з располагаться вблизи Г2э, как и на фазе развития суббури, или смещается скачком на более высокие широты?

В ФГ85, в соответствии с [50], "овал дискретных авроральных форм" идентифицирован как начинающийся с появления первой дуги полярного сияния и простирающийся до приполюсного края основного овала (между границами Г3а и Г5 или Г2з и Г5). Эта дуга бывает и невысокой интенсивности, может пульсировать, но обычно существует. Такая идентификация границ овала широко используется, но требует высококачественных наблюдений. Определенный таким образом "дискретный овал полярных сияний™ может включать частично область, которую иногда идентифицируют как диффузное полярное сияние (область между Г2э и Г4с) [43]. Расхождение в определении приполюсной границы бесструктурной диффузной зоны по [50] и по [43] объясняет, почему по ФГ85 максимальный поток корпускулярной энергии, вводимой из магнитосферы в верхнюю атмосферу, приходится на широты овала дискретных форм, а по данным [43] на область диффузного свечения.

При обсуждении схемы ВЯА75 обращалось внимание на то, что в активную фазу и на фазе восстановления суббури на рис. 1а положение границы раздела между диффузными и дискретными вторжениями заменено знаком вопроса. В схеме ФГ85 эта граница на всех фазах суббури располагается на Г2з. Предполагалось, что, как правило, Г2з совпадает с Г2э. Если же Г2з на фазе восстановления совпадает с Г4с, то это означает расширение области диффузных вторжений далеко к полюсу и ограничение области дискретных вторжений довольно узкой полосой на приполюсной стороне овала полярных сияний. Нам представляется предпочтительнее альтернативная интерпретация. В активную фазу развития суббури структурированные вторжения, которые могут иметь и невысокую интенсивность, существуют во всем интервале широт от Г2э (которая практически совпадает с Г2з) до Г36. В результате низкие коэффициенты корреляции между соседними спектрами характерны для всего интервала от Г2з до приполюсной границы овала полярных сияний. На фазе восстановления наиболее активные формы полярных сияний и, соответственно, структурированные вторжения сосредоточены в приполюсной части овала. Хотя граница Г2з остается вблизи Г2э, но корреляция соседних спектров в интервале широт Г2э - Г36 резко меняется от низкого значения в приполюсной до высокого в экваториальной частях. Между тем в интервале широт с высокой корреляцией соседних спектров, которые отнесены к диффузным вторжениям, на фазе восстановления могут существовать обрывки дискретных форм полярных сияний [23].

Существование дискретных форм полярных сияний, накладывающихся на диффузное свечение, в районе экваториального максимума аврорального свечения, подтверждено наблюдениями на спутнике Viking [30, 51]: "Перевернутые" V-вторжения могут быть найдены вблизи максимума свечения в ультрафиолете основного овала полярных сияний, примыкающего к границе изотропного вторжения протонов с энергиями 40 кэВ. Существование дискретных форм полярных сияний в этом районе подтверждает результаты ФГ85 и расходится с утверждением, что в этом районе всегда происходит исключительно "диффузное вторжение". Это означает, что дискретные формы полярных сияний при раздвоении аврорального овала в ночном секторе, что происходит преимущественно на фазе восстановления суббури, существуют от максимума интенсивности свечения в основной (экваториальной) части аврорального овала и далее к полюсу, но могут иметь низкую интенсивность между краями овала. Следовательно, овал дискретных форм полярных сияний, как он был определен Фельдштейном и Старковым [50], простирается от максимума свечения в ультрафио- лете в экваториальной части раздвоенного овала вплоть до приполюсной дискретной формы в полярной части овала. Основываясь на расположении границы Г2з вблизи экваториальной дискретной формы [14], следует полагать, что граница устойчивого захвата энергичных электронов также располагается вблизи экваториального максимума свечения.

Таким образом, если полагать, что границей областей СРS/ВРS в [1] и областями Г1э - Г2э/Г2з - Г3б в [3] является Г2з, то в этой части схемы ВЯА75 и ФГ85 совпадают, ибо тогда часть области диффузных вторжений (определенной по данным о коэффициенте корреляции спутниковых спектров авроральных электронов) следует отнести к экваториальной части визуально наблюдаемого овала дискретных форм полярных сияний. По-видимому, полное совпадение в расположении границы между диффузными и дискретными формами в обеих схемах происходит в фазу развития суббури, когда интенсивные дискретные формы полярных сияний заполняют весь широтный интервал аврорального овала, но оно не так отчетливо выражено на фазе восстановления суббури, когда в экваториальной части аврорального овала преобладает диффузное свечение с редкими структурными формами, а яркость полосы на полярной границе овала весьма велика.

Иногда могут возникнуть трудности с локализацией границы Г2з на спектрограммах энергия - время по данным спутников 0МБР на отдельных пролетах, когда структурированные вторжения (дискретные формы полярных сияний) отсутствуют вплоть до довольно высоких инвариантных широт -70'. Граница Г2з, как естественный физический указатель изменения конфигурации магнитных силовых линий в хвосте магнитосферы, т.е. внутреннего края (или резкого градиента) электрического тока поперек хвоста магнитосферы, существует постоянно (за исключением кратких интервалов взрывной фазы суббури). Однако появление дискретных структур, таких как дуги полярных сияний и перевернутые V, зависит от набора физических условий, которые очень часто, но не всегда выполняются вблизи внутренней границы токового слоя в хвосте магнитосферы. Этим, возможно, определяется отсутствие явно выраженного структурированного вторжения вблизи Г2з при отдельных пролетах околоземных спутников.

Приведенная на рис. 1б схема авроральных вторжений хорошо согласуется с результатами наблюдений на больших высотах (104 км над поверхностью Земли) на спутниках Viking [52] и Akebono [5, 11]. Согласно [5] диффузные вторжения располагаются ближе к экватору от дискретных форм полярных сияний, в области захваченных магнитным полем ионов. Этот район к экватору от Г2з соответствует ОС - остаточному слою (RL на схеме на рис. 1б). Дискретные полярные сияния, спектры которых свидетельствуют о существовании продольного ускорения электронов к ионосфере, сопровождаются пучками ускоренных вверх ионов и вытекающими из ионосферы продольными токами. Эта область обозначена как СРЗ на схеме рис. 1б или Г3а - Г3б на рис. 3. К полюсу от дискретных форм расположена область мягких электронных вторжений (ПОПС) часто с продольным током вниз и диспергированными вторжениями ионов второго типа VDIS-2.
Примерно аналогичная схема плазменных вторжении по данным Akebono предложена в [11], однако области Г1 - Г2э и Г2э - Г3б объединены в одну, как вторжения из внутренней и внешней частей ЦПС. Такое искусственное объединение в одну двух различных по природе плазменных областей обусловлено использованием в [11] для определения границы Г2з электронов с большими энергиями 0.25 - 1 МэВ. Граница устойчивого захвата электронов таких высоких энергий обычно лежит ближе к Земле, чем для энергий 30 - 50 кэВ, обычно используемых для определения Лз и поэтому может действительно располагаться вблизи экваториальной границы диффузных вторжений, т.е. вблизи Г1э, если полоса ОС узка. Поэтому при использовании для определения Г2з электронов столь высоких энергий создается впечатление, что вторжения происходят как бы из единого широкого плазменного слоя. Но граница популяций захваченных энергичных электронов и вторгающихся при возмущениях авроральных электронов меньших энергий соответствует энергиям -30 - 50 кэВ [4]. Если бы при определении внешней границы радиационного пояса в [11] были использованы электроны таких энергий, то это привело бы к необходимости разделения области вторжения авроральных электронов в [11] на две, лежащие внутри и вне Г2з. При этом граница внешнего радиационного пояса Г2з оказалась бы внутри ЦПС, определяемого по методике, принятой в [11], что, очевидно, не соответствует ее физическому смыслу. Таким образом, можно заключить, что расхождения между схемой ФГ85 и схемой [11] обусловлены методикой измерений, а не различиями в физических представлениях о плазменных доменах в магнитосфере.

назад		вперед		оглавление		литература
		другие обзоры