Солнечно-земная Физика

СТРУКТУРА АВРОРАЛЬНЫХ ВТОРЖЕНИЙ В НОЧНОМ СЕКТОРЕ МАГНИТОСФЕРЫ, ч.4

Предлагаемые в литературе схемы проектирования геофизических явлений в магнитосферу с целью нахождения расположения их источников отражают уровень нашего понимания физических процессов в магнитосфере и реальное знание крупномасштабной структуры магнитосферы, основанное на прямых измерениях в космосе.

Известно, что структурированные вторжения в вечерние-предполуночные часы местного геомагнитного времени связаны с крупномасштабными продольными токами, вытекающими из ионосферы, а диффузные вторжения - с втекающими [46, 56]. В [57] моделируются продольные, радиальные и азимутальные токи в районе внешнего радиационного пояса, где располагается кольцевой ток (3 < L< 5). Было показано, что в вечернем секторе существует втекающий в ионосферу продольный ток. Следовательно, диффузные вторжения к экватору от аврорального овала проектируются магнитными силовыми линиями на область магнитосферы, в которой располагается основная часть плазмы кольцевого тока, т.е. ее проекция лежит между плазмопаузой и внутреннеи границеи плазменного слоя, что соответствует району внешнего радиационного пояса.

Экваториальная граница овала дискретных форм полярных сияний в околополуночном секторе совпадает с границей устойчивого захвата энергичных электронов с Е> 35 кэВ [14] Существование этой границы в магнитосфере обусловлено довольно резким изменением формы магнитных силовых линий: от квазидипольного поля во внутренней магнитосфере к вытянутому в хвост в антисолнечном направлении во внешней магнитосфере. Изменение структуры магнитного поля объясняется наличием электрического тока в нейтральном слое хвоста магнитосферы, текущего с утренней стороны магнитосферы на вечернюю. В околоземной части токового слоя часто существует резкий градиент интенсивности тока поперек хвоста.
Элфинстоун и др. [58) показали в рамках модели внешнего магнитного поля Цыганенко [59], что для широкого интервала индексов Кp и углов наклона оси геомагнитного диполя (по наблюдениям спутника Viking) существует тесная связь между модельным расположением максимума плотности тока в токовом слое хвоста и проекцией в хвост максимума свечения в авроральном овале. Максимум свечения является областью перехода от диффузного вторжения авроральных электронов к дискретному на более высоких широтах [60, 61]. Василюнас [62] продемонстрировал, что экваториальная граница аврорального овала дискретных форм проектируется магнитными силовыми линиями на внутреннюю границу плазменного слоя. Таким образом максимум плотности тока в хвосте магнитосферы располагается близко (в смысле ионосферной проекции) к внутреннему краю плазменного слоя, а авроральный овал проектируется на область магнитосферы, где поперек хвоста текут интенсивные электрические токи, дивергенцией которых являются продольные токи в овале дискретных форм сияний.
К полюсу от распределения дискретных форм существует более слабое свечение, регистрируемое как наземными оптическими методами, так и спутниковыми измерениями потоков авроральных частиц. Ионные потоки с дисперсией по скоростям второго типа (УР182) были зарегистрированы в этом районе над ионосферой на спутнике Ореол-3 [36 - 38], на промежуточных высотах на спутнике Аkebono [63] и в магнитосфере на спутниках ISEE-1 и -2 [31], а в хвосте магнитосферы на периферии плазменного слоя был зарегистрирован слой мягких электронов [40]. На рис. 1б эта область представляет отдельное структурное образование, которое над ионосферой располагается между приполюсной дискретной формой и слабыми потоками низкоэнергичной плазмы (полярный дождь) в полярной шапке. В магнитосферу это структурное образование проектируется на пограничную область плазменного слоя - в район между центральным плазменным слоем и долями хвоста магнитосферы, и далее на удаленные области плазменного слоя. Такая структура области вторжения авроральной плазмы подтверждается наблюдениями на спутниках Akebono [5, 11] и DMSP [47). В согласии с наблюдениями на спутниках Ореол и ISЕЕ показано, что приполюсная система дискретных форм на фазе восстановления суббури располагается непосредственно экваториальнее ионной структуры с дисперсией по скоростям. При этом приполюсная дуга полярного сияния служит границей раздела между основной, упорядоченной частью центрального плазменного слоя и его пограничной областью, уходящей к дальней границе плазменного слоя, как изображено на рис. 16 (возможно, к дальней нейтральной линии либо к протяженной турбулентной области плазменного слоя хвоста, реализующей продольное ускорение частиц).

Рис. 6. Структура плазменных доменов в хвосте магнитосферы по [64]. ПСФ - плазмосфера; РП - радиационный пояс; АЦПС - анизотропный центральный плазменный слой; ИГСП - изотропный граничный плазменный слой; ГСПС - граничный слой плазменного слоя; ТС - токовый слой; ДХ - доли хвоста.

На рис. 6 приведена схема распределения плазмы в ночной магнитосфере по [16], где адаптирована схема, взятая из [64], в которой переработана структура авроральных вторжений по ВЯА75. Одной из важнейших составных частей предлагаемой в [16, 64] схемы является анизотропный (центральный) плазменный слой (АЦПС), располагающийся согласно [16, 64] вне (снаружи) радиационных поясов, в области между радиационным поясом и токовым слоем в хвосте магнитосферы. Это область, где распределение энергичной плазмы действительно анизотропно, где преобладают захваченные частицы и где располагается основная часть плазмы кольцевого тока. В [16, 64] предполагается, что АЦПС проектируется на диффузное авроральное свечение к экватору от овала. Однако, как свидетельствуют измерения с околоземных спутников, в таком случае АЦПС ограничен (располагается ближе к Земле) магнитной оболочкой, соответствующей границе устойчивого захвата энергичных электронов (Лз). Следовательно, АЦПС соответствует внутренней периферии, или внутреннему краю плазменного слоя внутри зоны захвата и поэтому используемая в [16] терминология ("центральный") представляется нам неудачной.

Согласно [16, 64] на токовый слой в хвосте магнитосферы магнитными силовыми линиями проектируется изотропный (граничный) плазменный слой (ИГПС) и граничный слой плазменного слоя ГСПС). Действительно, из-за эффектов многократного неадиабатического питч-углового рассеяния энергичных частиц при пересечениях ими токов в нейтральном слое хвоста, в ИГПС наблюдается почти изотропное распределение ионов, хотя детальные измерения на космических аппаратах Galileo и Geotail показали, что это лишь первое приближение. ИГПС проектируется магнитными силовыми линиями на овал дискретных форм полярных сияний. Однако термин 'Граничный" для этого слоя нельзя признать подходящим, ибо ИГПС располагается не на границе, а в центральной части плазменного слоя хвоста магнитосферы на всем его протяжении. Вне ИГПС даже по модели [16, 64] на рис. 6 располагается ГСПС. В схеме [16, 64], как и у ВЯА75, на внешней периферии плазменного слоя отсутствует область мягкой радиации ПОПС, отделяющая плазменный слой от долей магнитосферного хвоста. Как видим, схему [16] нельзя признать удачной.

Рис. 7. Пространственно-временные схемы распределения аврорального свечения (а и б) в координатах исправленная геомагнитная широта - местное геомагнитное время и разрез по меридиану палдень-полночь проекций областей с различным типом свечения в магнитосферу (в и д) по ФГ85 (слева а и в) и П92 [40] (справа б и д). Условные обозначения: точки на границе полярной шапки - диффузное свечение к полюсу от аврорального овала (ПДС); линии с гребенкой - структурные формы полярных сияний в авроральном овале (СФ); диффузное свечение между дискретными формами (Д); точки к экватору от овала - диффузная авроральная зона (ДС); крестики - авроральное свечение внутри плазмосферы на фазе восстановления суббури (ПСС); ДХ - доли хвоста магнитосферы; НЭС - слой низкоэнергичных электронов; ГСПС - граничный слой плазменного слоя; ПС - плазменный слой; ПШ - полярная шапка; ПСФ - плазмосфера; ОС - остаточный слой; ЦПС - центральный плазменный слой; ПОПС - пограничная область плазменного слоя.

На рис. 7 приведены схемы областей аврорального свечения на высотах ионосферы (рис. 7а, 7б) и предлагаемое нами их проектирование на плазменные домены в магнитосфере (рис. 7в, 7д) в период магнитосферных возмущений (слева) по ФГ85 [2] и (справа) по Парксу и др. [40] (далее П92).
В этих схемах яркие дискретные формы полярных сияний располагаются между полярной и экваториальной зонами диффузных вторжений. Границы зон на рис. 7а (взят из ФГ85) приведены в координатах исправленная геомагнитная широта - местное магнитное время для возмущенных интервалов (Кp = 5), на основании разнообразных экспериментальных данных. В возмущенных условиях полярная диффузная зона часто сужается до 50 - 100 км вдоль приполюсной границы овала дискретных форм полярных сияний, а экваториальная диффузная зона резко расширяется (до 700 км) в утренние часы. На рис. 7б приведена только качественная схема, без координатной сетки, соответствующая фазе восстановления суббури. Обе схемы практически идентичны в структуре и взаимном расположении областей вторжений авроральной плазмы на ионосферных высотах (рис. 7а, 7б). Различия появляются при проектировании этих областей в плазменный слой хвоста магнитосферы (рис. 7в, 7д). Сопоставление схем ФГ85 и П92 проведено в [65] и выявило важные различия между ними:

1. Авроральный овал дискретных форм проектируется на ЦПС (ФГ85), а не на ГСПС (П92).

2. Диффузное свечение к полюсу от овала, в пределах которого существуют пучки ускоренных ионов, проектируется на ПОПС (ФГ85), включающий как ГСПС, так и НЭС, а не только на НЭС (П92). Слой низкоэнергичных электронов в хвосте магнитосферы проектируется на приполюсную часть области диффузного свечения.

3. Диффузное свечение к экватору от овала проектируется на ОС, располагающийся в пределах внешнего радиационного пояса с квазидипольными силовыми линиями (ФГ85), а не на ЦПС, включающий область вытянутых далеко в хвост магнитосферы силовых линий (П92).

Исследование резонансных явлений в магнитофере подтвердило, что диффузное авроральное свечение к экватору от дискретных форм располагается в области квазидипольных магнитных силовых линий [54], т.е. в области, которая проектируется в магнитосферу ближе к Земле, чем ЦПС. Дополнительная аргументация в пользу проектирования областей вторжения в магнитосферу, как изображено на рис. 7в, приведена в [2, 9, 12].

Положение границ различных областей аврорального свечения на рис. 7а было получено на основе статических исследований различных авторов. В ФГ85 приведена их динамика для различных уровней магнитной возмущенности. В [66] использованы эти статистические распределения различных типов аврорального свечения, совместно с эмпирической моделью геомагнитного поля, для определения расположения в магнитосфере источников этого свечения для магнитно-спокойных (Кp= О) и магнитно-возмущенных (Кp = 5) интервалов. С использованием модели Цыганенко [59] эти распределения спроектированы в экваториальную плоскость магнитосферы и в поперечные сечения хвоста магнитосферы на геоцентрические расстояния х = - 15 и х = - 45Рз.

Для. обоих уровней активности экваториальная граница аврорального овала на ночной стороне проектируется в экваториальную плоскость на геоцентрические расстояния 10-20 Рз. Это как раз та область, в которой максимальна плотность токов поперек хвоста в современных магнитосферных моделях. В сочетании с упомянутым выше результатом [58] это означает, что максимум интенсивности аврорального свечения в ультрафиолете располагается вблизи экваториальной границы овала дискретных форм и на внешней границе области диффузного вторжения. В возмущенные интервалы вся область центрального плазменного слоя от -5 до -50Рз является источником ярких дискретных форм полярных сияний.
В модельных поперечных сечениях хвоста на геоцентрических расстояниях 15 Рз и 45 Рз источник дискретных форм аврорального свечения в плазменном слое наиболее узкий в центре плазменного слоя (-4 Рз) и расширяется к флангам (-8 Рз).

Область мягкого аврорального вторжения к полюсу от овала при проектировании в магнитосферу оконтуривает центральный плазменный слой на больших расстояниях от нейтрального слоя. Для возмущенных условий ее толщина составляет 1 - 2Рз. Полярная шапка (район без заметного аврорального свечения и авроральных вторжений) во время возмущений проектируется на значительную часть сечения хвоста магнитосферы. По-видимому, доли хвоста, в которых магнитные силовые линии не замкнуты обоими концами на Землю, расширяются и охватывают заметную часть поперечного сечения магнитосферы. В связи с этим существенный интерес представляют новейшие измерения плазмы и магнитного поля в дальнем хвосте на спутнике Geotail [6, 7], которые показали, в частности, что электрическое поле поперек хвоста (с утренней стороны к вечерней) существует, по крайней мере, до расстояний -220 Рз. При этом магнитное поле в нейтральном слое дальнего хвоста в среднем направлено на север, как и в замкнутой магнитосфере.

В связи с двумя альтернативными схематическими представлениями о морфологии вторжений плазмы авроральных энергий в верхние слои атмосферы (ВЯА75 и ФГ85) были предложены две различные схемы структуры плазменных доменов в ночной магнитосфере, связанных со структурой авроральных вторжений магнитными силовыми линиями.

На рис. 7в приведена в согласии с ФГ85 и ГФ91 схема плазменных доменов в магнитосфере и их проектирования на высоты ионосферы. Между плазмопаузой и плазменным слоем располагается область захваченной радиации, в которой течет кольцевой ток. В схеме фГ85 эта область обозначена как остаточный слой (ОС), который проектируется на диффузное свечение к экватору от овала. ОС отделен от ЦПС границей устойчивого захвата энергичных электронов Лз. Это также внутренняя граница (или область резкого градиента) тока поперек хвоста магнитосферы, которая соответствует экваториальной границе аврорального овала дискретных форм полярных сияний. ЦПС проектируется на авроральный овал, а его внешняя (дальняя) граница проектируется на яркую дискретную форму полярного сияния на приполюсной части аврорального овала, особенно яркую на фазе восстановления ("двойной овал" по [29, 30]). Это, по-видимому, проекция новой нейтральной линии (или нескольких линий между серией плазмоидов, или протяженной турбулентной области), возникающей внутри плазменного слоя во время магнитосферной суббури. широко распространенным термином "граничный слой плазменного слоя" МГСПС) мы обозначаем область существования диспергированных по энергиям пучков ионов второго типа (VDIS2). Она располагается вне овала дискретных форм полярных сияний и является составной частью ПОПС.
В ПОПС наряду с ГСПС входит НЭС - слой мягких электронов на внешней границе плазменного слоя. Таким образом, часть плазменного слоя между ЦПС и долями хвоста (ДХ) обозначена как ПОПС. Эта область располагается между ЦПС и магнитной силовой линией, пересекающей удаленную нейтральную линию (или дальнюю турбулентную область плазменного слоя хвоста) и может иметь сложную структуру. Происхождение пучков энергичных частиц в ГСПС и дополнительной структуры на внешней части ПОПС остается пока дискуссионным. В [37, 47] предполагается, что источником пучков частиц может быть удаленная нейтральная линия в магнитосфере на расстоянии 90 - 120Рз. В [61] разработаны крупномасштабные кинетические модели, в которых источником частиц плазменного слоя является мантия, а движение ионов в хвосте при пересечении тонкого токового слоя, точнее, обращения направления магнитного поля, происходит неадиабатически.
Существование НЭС к полюсу вне области ГСПС может быть косвенным свидетельством в пользу справедливости модели [61]. Дополнительным источником частиц хвоста, в особенности, в его удаленных областях, является низкоширотный пограничный слой (НПС), что учитывается в последних версиях модели [61].

назад		вперед		оглавление		литература
		другие обзоры