I. ОБНАРУЖЕНИЕ ХВОСТА МАГНИТОСФЕРЫ

Факт существования нейтрального слоя магнитного ноля в хвосте магнитосферы, обнаруженного впервые па спутнике ИМП-1 (Ness, Scearce, 5еек, 1964, 1964, Ness, 1965), существенным образом меняет наши представления о свойствах магнитосферы и о целом ряде геофизических явлений, в особенности на высоких широтах. Этот факт, грубо говоря, сводится к тому, что на всем пространстве от 9—10 до 31 Re (6374 км), где спутник пересекает плоскость эклиптики с ночной стороны магнитосферы, магнитные силовые линии оказываются сильно вытянутыми в сторону от Солнца, а направление вектора поля резко меняет знак на противоположный в очень тонком (порядка 600 км) нейтральном (или токовом) слое.
Величина напряженности поля в районе 10 Re порядка 50γ) и очень медленно падает с удалением в ночную сторону.
Более тщательный анализ данных (5реiзег, Ness, 1967) выявил существование слабой нормальной к нейтральному слою компоненты магнитного поля. Это значит, что силовые линии, в особенности в ближайшей к Земле области, не строго параллельны токовому слою, л пересекают его под очень острым углом. Выявлены были и другие особенности. Толщина нейтрального слоя, минимальная в наиболее удаленных областях вдоль полуденно-ночного меридиана (порядка 500 км), увеличиваетея до 5000 км при приближении к Земле и к утренней стороне хвоста. В соответствии с этим нормальная к слою составляющая магнитного поля растет от величины, меньшей 1γ, до величины 1—4γ. По данным спутника Эксплорер-33 магнитный хвост Земли и нейтральный слой четко прослеживаются в апогее спутника, т. е. вплоть до расстояний порядка 80Re(Nезз еt аl., 1966).
Вслед за ИМП-1 целый ряд спутников, и в частности Вела-2 (Ваmе еt аl., 1967), ОГО-3 (Fгаnk, 1967а, Ь), производили тщательные измерения радиации в хвосте магнитосферы. Предварительные данные могут быть грубо суммированы следующим образом. Нейтральный слой поля окружен сравнительно толстым (4—6 Re) слоем повышенной интенсивности электронов (слой плазмы) с энергией от нескольких десятков электроивольт до нескольких десятков кило­электронвольт. Интегральный спектр — степенной с показателем γ= -(3±1). Средняя энергия электронов лежит в интервале 0,2—12 кэв, что соответствует эффективной температуре Те (5—50)10⁶ °К, и плотности энергии NеEе (0,26—1) • 10^-9 эрг/см³. (Магнитная энергия такой же плотности содержится в поле В=11—22γ.) Интенсивность резко обрывается на границе слоя плазмы, толщина которого порядка 4—6 Re около полуденно-ночного меридиана и растет в утреннюю сторону хвоста магнитосферы.

Наблюдаются временные изменения интенсивности двух типов: 1) флуктуации средней энергии без существенного изменения интегрального потока; 2) резкое падение интенсивности, трактуемое либо как выход спутника из слоя плазмы, либо как сброс частиц. Нарастание интенсивности происходит за минуты. Более мелких пульсаций не наблюдалось. Всплески интенсивности электронов с энергией, превышающей 45 кэв, ранее трактуемые как «острова» (Апdеrзоn, Наrris, Раdi, 1965; Аnderson, 1965), объясняются в основном пороговым эффектом приборов, которые регистрировали лишь хвост энергетического распределения электронов, испытывающий большие колебания при незначительном изменении средней энергии электронов. Однако отдельные всплески интенсивности малоэнергичных электронов и электронов средних энергий регистрировались приборами спутника Электрон-2 также и вне слоя плазмы на силовых линиях хвоста магнитосферы (Вернов и др., 1965а, б).

Спектр энергии протонов в том же интервале энергbй (от нескольких десятков электронвольт до нескольких десятков килоэлектронвольт) сходен с электронным. Средняя энергия и плотность частиц приблизительно такая же, как и у электронов (0,1—1 см^-3). Потоки соответственно на два порядка меньше (5.10⁷ см^-2 сек^-1 на расстояниях более 10 Re для энерии протонов Ер>190 эв).
Наконец, существенные данные получены для мягких протонов во внутренних частях магнитосферы, где силовые линии поля замкнуты. Пологий максимум в L-профиле интенсивности протонов с энергией <190 эв <48 кэв лежит в области L~6—8 (Frank, 1967Ь), т. е. дальше, чем максимум протонов с энергией ер> -100 кэв (L= З,5—4,5), в соответствии с общей закономерностью распределения протонов различных энергий по магнитным оболочкам. Полная, проинтегрированная по всей области L, энергия малоэнергичных протонов Ep~5.10²¹ эрг — такого же порядка, что и протонов с энергией ер>100 кэв, которые ранее расматривались как основные носители энергии частиц в магнитосфере (Davis,Williamson, 1963).

Описание вытянутой в сторону от Солнца магнитосферы удобнее всего производить в так называемой солнечно-магнитосферной системе координат, в которой ось х направлена на Солнце, а ось z — вдоль проекwbb магнитного момента на плоскость, перпендикулярyю оси х. Если ось х направлена на Север, то ось у—на вечернюю сторону. Магнитный момент Земли лежит в плоскости хz, а плоскость нейтрального слоя на доcтаточно удаленных расстояниях от Земли параллельна поекости ху. Когда ось диполя совпадает с осью z, плоскость нейтрального слоя лежит в плоскости ху. Наблюдаемое (Веhannoп, Nезз, 1966) смещение Δ нейтрального слоя относительно плоскости ху в направлении z при наклонном положении магнитной оси может быть приближенно описано эмпирической формулой (Мurrayama, 1966) (1.1)
где ψ — угол между осью диполя и осью z.
На близких расстояниях (L=10) форма силовых линий магнитного поля в хвосте магнитосферы начинает больше контролироваться положением магнитного момента Земли, чем направлением солнечного ветра. Поэтому при больших углах ψ поверхность нейтрального слоя (или минимального значения магнитного поля вдоль силовых линий в области. где уже нельзя говорить о резком их изломе) изгибается и приближается к плоскости геомагнитного экватора.

Гл.2. РАЗЛИЧНЫЕ МОДЕЛИ МАГНИТОСФЕРЫ

До открытия нейтрального слоя можно отметит три различных направления в развитии гипотез о характере магнитосферы.
1. Классическое направление (так можно назвать самое раннее и имеющее наиболее фундаментальное основание направление) предполагает факт полной вмороженности магнитных полей межпланетного пространства в плазму и отводит определяющую роль нормальной составляющей поверхностных сил на границе магнитосферы. Оно было заложено работами Чепмена и Ферраре (Shapman, Fеггаго, 1931 —1932) задолго до рождения магнитной гидродинамики и самого понятия «вмороженности», но с принципиальной точки зрения не претерпело изменений до последнего времени (см. обзоры: Раrкеr, 1962; Сhарmаn, 1963; Веаrd, 1964; Шабанский, 1965)/
Существенной чертой этой модели является вытянутость магнитосферы в сторону от Солнца, но полная замкнутость силовых линий с ночной стороны Земли на любом расстоянии.

Характер дневной границы магнитосферы и первые две гармоники возмущения дипольного поля оказались малочувствительными к достаточно широким пределам изменения параметров солнечного ветра и различным использованным приближениям.
Это подтвердилось в последние годы измерениями на спутниках с полуденной, утренней и вечерней стороны магнитосферы. Однако прямые и косвенные данные указывали на существсование большей асимметрии поля в направлении день-ночь в экваториальной плоскости (азимутально несимметричная гармоника возмущения, создаваемая током на границе магнитосферы), чем давали любые модели. Результат этот относится, в частности, к одной из последних наиболее тщательно подсчитанной модели (Меаd, Вoагd, 1964; Меаd, 1964), в которой температура потока и, следовательно, гидростатическая изотропная часть давления предполагаются отсутствующими. Несмотря на то, что ночная сторона геомагнитной полости не охвачена потоком (результат игнорирования изотропной составляющей давления), силовые линии поля с ночной стороны несколько поджаты по сравнению с силовыми линиями певозмущенного диполя. Последнее справедливо и в простейшем случае обжатия диполя идеально проводящей плоскостью, дающем наибольшую относительную по отношению с другими моделями азимутально несимметричную гармонику, однако все же далеко недостаточную для объяснения существующей асимметрии.
За исключением малочисленных попыток ввести формальным образом большую, чем в классических моделях, асимметрию поля возмущения для объяснения широтного смещения дневной и ночной внешних границ захваченной радиации на малых высотах (Fairfield,1964) и суточной вариации возмущенного поля, факт большой по сравнению с предсказываемой азимузимутально несимметричной гармоники поля возмущения до последнего времени игнорировался на фоне других проблем.
В рамках этой же модели проводился учет возможных потенциальных сил на границе магнитосферы, влияющих, однако, не на форму границы, а лишь на движение плазмы в магнитосфере (Gold, 1959, !962а, б;Axford, Hines, 1961; Ахford, 1962, 1963, 1964; Шабанский 1965 а,б,в).

Разновидностью рассматриваемой модели магнитосферы, содержащей большое число гипотетических элементов. является модель, основанная на предположении, что тангенциальные силы на границе магнитосферы играют доминирующую роль в определении формы высокоширотных силовых линий поля. Силовые линии поля, выходящие из Земли на больших широтах, под действием этих сил сильно вытяпуты в сторону от Солнца, образуя далеко простирающийся хвост, подобный кометному (Piddington 1960,1962, 1963 а,б). В этой разновидности модели неявно предполагается, что влияние тангенциальных сил не распространяется глубоко от границы магнитосферы, так что силовые линия магнитного поля, выходящие из Земли не на слишком высоких широтах, мало возмущены с ночной стороны.
Существенно другую картину представляет модель Десслера (Dessler, 1964; Dessler, Mitchel, 1966,а, b), так же основанная на идее полной вмороженности. Она предполагает вытянутость силовых линий поля в хвост магнитосферы уже на сравнительно низких широтах. Эффект этот дочтигается за счет потока испаряющейся из атмосферы плазмы, который и вытягивает силовые линии поля в сторону от Солнца. Длина хвоста оценивается в одну астрономическую единицу. По внешнему виду эта модель больше напоминает реальную модель, в которой нейтральный слой поля близко (L<10) подходит к Земле с ночной стороны.

2. Модель Данжи (Dangey, 1961, 1962, 1963, 1965а] предполагает отсутствие полной вмороженности геомагнитного поля в магнитосферную плазму и возможность пересоединения силовых линий межпланетного магнитном поля с высокоширотными силовыми линиями земного поля. Если межпланетное магнитное поле имеет компоненту, направленную к Югу, то процесс пересоединения в нейтральных точках N1 идет так, как схематически по казано на рис. 3: в лобовой точке магнитосферы силовая линия межпланетного поля соединяется с силовой линией земного поля, а межпланетный ветер вытягивает эту линию в хвост, где во второй нейтральной точке происходит обратный процесс замыкания силовой линии геомагнитного поля.
Рис. 3. Пересоединение направленных на Юг силовых линий межпланетного поля с геомагнитным Dungey, 1963).

Если предположить, что основание силовой линии за полоборота Земли как раз продрейфовывает через полярную область в антисолнечном направлении и завершает цикл пересоединения, то из сопоставления скорсти солнечного ветра (3-10⁷ см/сек) с линейной скоростью дрейфа силовой линии в ионосфере (10⁴ см/сек} можно оценить длину хвоста до нейтральной точки, которая оказывается порядка 10³ RЕ. Соответствующая скорость диффузии магнитного поля через плазму намного превышает скорость диффузии при кулоновской диссипации.
В моделях, развивающих эти. представления (Levy Petchek, Siscoe, 1964; Ахford, Реtchek, Siscoe, 1965; Axford 1966) , уже не предполагается столь тесная связь магнитного поля с межпланетным и отсутствует искуственная оценка длины хвоста, однако сохраняется и в какой-то мере обосновывается идея быстрой аннигиляции противоположно направленных (или терпящих резкий излом) силовых линий геомагнитного поля с ночной стороны. Нейтральный слой поля в этих моделях не столь четко выражен, как в реальной модели или в модели Десслера.

3. Модель Альфвена (Аlfven, 1955, 1958, 1963), разсматриваемая в ряде работ (Каг1sоn, 1962, 1963; Не1mer, 1963; А1fven еt а1, 1964; Самохин, 1966), кардинально отличается от более распространенных направлений.
I и 2. Эффект вмороженного в солнечный ветер магнитного поля с компонентой, перпендикулярной геомагнитному экватору, учитывается как существование (в системе координат, связанной с Землей) электрического поля, пронизывающего всю область невозмущенного дипольного поля. Дрейф заряженных частиц в плоскости геомагнитного экватора в электрическом и возмущенном геомагнитном поле приводит к существованию ограниченной области, куда частицы из бесконечности не проникают. Это и трактуется как область, занимаемая магнитосферой.

В этой картине межпланетное и геомагнитное поля составляют единое целое.
Подобное описание при правильной формулировке должно быть эквивалентно магнитогидродинамической картине так как при отсутствии электрических токов скорость электрического дрейфа частиц в бесстолкновительной плазме подчиняется уравнениям, формально совпадающим с уравнениями магнитной гидродинамики для массовой скорости идеально проводящей жидкости.
Для того, чтобы дрейфовое описание было эквивалентно более общкпринятому магпитогидродинамическому описанию обтекания солнечным ветром магнитосферы, следует на некоторой поверхности (она и служит границей магнитосферы) задать скачки тангенциальных составляющих магнитного и электрического полей. Это значит задать поверхностный электрический ток и заряд. В расматриваемой модели молчаливо предполагается что такая поверхность отсутствует.
Существует ли в действительности подобная поверхность? что касается поверхностных токов, то они обнаруживаются прямыми измерениями скачка магнитного поля на границе магнитосферы. Скачок электрического поля прямыми измерениями установить нельзя. Но если бы его не было и элсктрическое поле (в системе координат, связанной с Землей) хотя бы во внешних частях магнитосферы совпадало с полем в солнечном ветре, то оно вдоль поверхности равного потенциала (т. е. вдоль силовых линий магнитгого поля) было бы перенесено в неподвижную ионосферу, вызвав в ионосфере электрический дрейф основания силовых линий или ток Холла в противоположном направлении.

Если в солнечном ветре присутствует южная компонента магнитного поля, то основание силовых линий будут двигаться в направлении к Солнцу, ссли северная, то наоборот, в антисолнечном направлении. Очевидно что если ионосферные токи и возникнут в момент перемены знака магнитного поля (а следовательно и электрического поля, ибо скорость ветра всегда направлена от Солнца), то они быстро затухнут (в основном за счет идеальной поляризуемости плазмы, которая уничтожает поле внутри магнитосферы). Дело обстоит точно так же, как в случае движения в магнитном поле твердого проводящего тела. В случае магнитосферы ограничивающие ее геомагнитные силовые линии скреплены с Землей через ионосферу.

Таким образом, межпланетное магнитное поле, магнитная энергия которого значительно меньше энергии направленного движения частиц солнечного ветра, не вносит заметного вклада (если исключить процессы пересоединения и т, д.) в определение формы магнитосферы. Межпланетное магнитное поле может давать геофизический эффект в момент изменения знака северной компоненты, который проявляется как кратковременный ток в ионосфере, вызванный изменением поляризации магнитосферы. Вполне возможно, что слабые положительные и отрицательные внезапные импульсы магнитного поля на Земле н в магнитосфере, не сопровождающиеся магнитными бурями (Nishida Саhill, 1964), имют подобное происхождение.
Возвращаясь к оценке модели магнитосферы 3, можно сказать, что прямолинейная трактовка лоренцевского преобразования электрического поля, которая допускается в этой модели, не отвечает реальному объекту. Такая трактовка по идее сходна с механизмом ускорения галактических космических лучей в электрическом поле солнечного корпускулярного потока (Аlfven, 1949, 1950), который неоднократно критиковался (см., например, монографию Паркера (Рагкег, 1963)).

2.2. После открытия нейтрального слоя

После открытия нейтрального слоя в хвосте магнитосферы последние из перечисленных моделей магнитосферы группы 1 и 2, предложенные почти одновременно с открытием нейтрального слоя (но базирующиеся в основном на данных спутников Эксплорер-10, Эксплорер-14 и косвенных экспериментальных фактах), оказались весьма близкими по характеру к реальной картине ( в особенности модель Десслера (Dезз1ег, 1964), в которой нейтральный слой четко выражен и подходит близко к Земле). Токовый слой в хвосте магнитосферы оказался как раз тем недостающим в закрытых моделях «внутренним» источником поля, которого не хватало для объяснения большой асимметрии напряженности поля в окрестности Земли в направлении день — ночь. К реальной картине распределения поля легко могут быть привлечены модели закрытого типа, в которых формально добавлен источник поля возмущения в хвосте магнитосферы в виде подходящего токового слоя. Модель магнитосферы с нейтральным слоем поля в хвосте оказалась хорошо приспособленной к морфологии полярных токовых систем и полярных сияний. Основная трудность, однако, оставалась в понимании природы обраразования нейтрального слоя и происходящих в нем процессов.

Для качественного обсуждения принятой в настоящее время модели обратимся к рис. 4, на котором схематически представлены меридианальное по линии Земля - Солнце сечение магнитосферы (для случая, когда магнитный момент Земли перпендикулярен линии Земля —Солнце) и поперечный разрез хвоста магнитосферы.
Поверхностные токи Jcf на границе магнитосферы и Jt в нейтральном слое хвоста магнитосферы обеспечивают скачки тангенциаль ной составляющей магнитного поля на соответствующих поверхностях и искажают магнитное поле диполя.
Рис. 4. Меридиальыый по линии день — ночь разрез магнитосферы с нейтральным слоем (а) и поперечный разрез хвоста магнитосферы, если смотреть с ночной стороны в сторону Солнца (б).
Кольцевой ток J^R, протекающий внутри магнитосферы, на рисунке не изображен. На внешней поверхности магнитосферы нормальная составляющая магнитного поля отсутствует (полная вмороженность). В окрестности нейтрального слоя хвоста магнитотосферы нормальная составляющая поля может быть конечной (в особенности вблизи Земли), так что силовые линии наклонены к плоскости нейтрального слоя, испытывая в нем резкий излом*).

*Само понятие «резкий излом» весьма относительно. Например, в модели Аксфорда, Петчека и Сиско (Ахford, Реtchек, Siзсое, 1965) силовые линии терпят излом на краях сравнительно толстого (несколько Re) нейтрального слоя, в котором присутствует лишь иормальная компонента поля. Излом силовой линии в этой модели существует лишь с чисто макроскопической точки зрения как тангенциальный разрыв в косой ударной волне, привлеченной Петчеком (Petchek, 1964) для объяснения большой диссипации при аинигиляции полей в нейтральном слое. В упомянутой модели происходит стягивание силовых линий и ускорение навивающихся на них частиц таким образом, что сохраняется второй инвариант. Силовые линии сохраняют свою индивидуальность и «излом» не влияет на захваченные частицы. В нашем случае под «резким изломом» мы понимаем микроскопическую структуру, в которой может нарушаться не только второй, но и первый инвариант движения частиц.

Давление плазмы в нейтральном слое поля, вообще говоря, неизотропно, но в любом случае больше, чем давление плазмы в прилегающей к слою области с конечным магнитным полем. Слой плазмы повышенного давления будет простираться из хвоста магнитосферы вдоль магнитной поверхности, разделяющей область замкнутых силовых линий поля (сердцевина магнитосферы) и разомкнутых или терпящих резкий излом силовых линий поля (хвост магнитосферы). Меридианальное сечение слоя затекающей на эту границу плазмы изображено на рис. 4а в виде быстро суживающих «рогов». По мере приближения к Земле плотность плазмы в рогах должна быстро падать из-за роста напряженности магнитного поля. Однако очевидно, что рога представляют собой наиболее удобный канал проникновения плазмы из нейтрального слоя и солнечного ветра на поверхность Земли. И действительно, граница сердцевины магнитосферы пересекается с поверхностью Земли по линии, сходной с линией полярных сияний, т. е. с линией наибольшей повторяемости (в данное местное время) или одновременного по всем долготам возникновения полярных сияний. Линия полярных сияний представляет собой вытянутый в ночную и смещенный в утреннюю сторону от геомагнитного полюса овал. Геомагнитная широта овала с дневной стороны ~78°, с ночной ~67° (Хорошева, 1961, 1962, 1963; Фельдштейн, 1963, 1966, Акаsofu, 1965).

Магнитный эффект электрического тока в рогах незначителен, так как поверхностные токи по обе стороны от рогов направлены противоположно и дают взаимно компенсирующие магнитные поля. В нейтральном слое (вплоть до его точки ветвления в рога) поверхностные токи направлены в одну и ту же сторону (на вечер) и могут рассматриваться как единый ток J_T. Возмущение магнитного поля, создаваемое током J<>Т в сердцевине магнитосферы, характеризуется уменьшением однородной гармоники поля возмущения поверхностных токов Jсf на дневной границе магнитосферы и увеличением азимутально несимметричной гармоники поля Jcf

Факт существования нейтрального слоя магнитного поля в хвосте магнитосферы проясняет целый ряд вопросов, связанных с характером магнитного поля в сердцевине магнитосферы и морфологией полярных сияний. Ни одна из моделей магнитосферы с замкнутыми силовыми линиями магнитного поля в хвосте магнитосферы, т. е. без дополнительного подходящего «внутреннего» источника поля возмущения (типа нейтрального слоя), не могла дать наблюдаемую в направлении оси х асимметрию магнитного поля в сердцевине (азимутально несимметричная гармоника). Асимметрия эта, в частности, проявляется в смещении по широте высокоширотной границы пояса энергичных (Eе>280 кэв) электронов при переходе с дневной стороны па ночную (Williams, Ра1mer 1965). Эта граница в среднем проходит у поверхности Земли на широте 67° ночью и 71° днем.
Вычисленная на основании сохранения второго инварианта движения частиц магнитная оболочка долготного дрейфа в моделях без источника J_F смещалась на этих широтах в лучшем случае на Δφ~1,5° (Williams,Mead 1965; Антонова, Шабанский, 19686), вместо требуемых Δφ~4° при переходе с дневной стороны на ночную. Учет поля тока JT, увеличивающий азимутальную асимметрию поля в сердцевине, может объяснить наб­людаемое смещение (Williams, Mead, 1965). Аналогичным образом находит себе объяснение и характер овала полярных сияний как проекции вдоль силовых линий поля области повышенного давления плазмы в нейтральном слое и внешней границы магнитосферы. Последняя в меридианальном сечении (рис. 4,а) имеет форму «воронки» с дневной стороны.
С другой стороны, встречает затруднение ннтерпретация тех явлений, которые, казалось, объяснялись в моделях с замкнутой с ночной стороны магнитосферой. В частности, это касается полярной системы ионосферных токов, которая (на основе представлений о переносе электрического потенциала с границы магнитосферы) объяснялась как движение плазмы над ионосферой (вместе с силовыми трубками магнитного поля), вызванное тангенциальными силами типа силы трения, действующей со стороны солнечного ветра на боковые поверхности замкнутого хвоста магнитосферы (Ахford, Hines, 1961; Шабанский, 1965а, б, в).
Па рис. 5 схематически показано, как связано движение плазмы в экваториальном сечении магнитосферы (а) с движением корней высокоширотных силовых трубок поля в ионосфере (б). Электрический ток Холла в ионосфере течет в противоположном этому движению направлении, образуя два вихря в полярной области с усиленным током на утренней и вечерней стороне (злектрождет) и распределенным током через полюс.

Обычно утренний вихрь тока во время полярных бурь бывает в 2—3 раза интенсивнее, чем вечерний, направление тока через полюс сильно отклоняется в утреннюю сторону от линии Земля — Солнце. Реальную картину можно было формально рассматривать как суперпозицию двух симметричных вихрей (DР2 и западного электроджета (DР1, охватывающего оба вихря (Оbajashi 1967); (см. подробнее раздел 5.2), Эту особенность еще можно было как-то понять в замкнутой модели, привлекая вращение Земли (Ахford, Нines, 1961) и вызванные вращением силы инерции в замкнутом хвосте (Шабанский, 1965 6, в).

Рис 5. Схематическая картина конвекции плазмы в экваториальном сечении хвоста магнитосферы в замкнутой модели Ахford, Hines, 1961, а) в проекции этого движения вдоль силовых линий на поверхность Земли дающая Dp2 гармонику ионосферной токовой системы, б) (Шабанский, 1965а, б, в)

Но в модели с вытянутыми вдоль направления солнечного ветра силовыми линиями хвоста магнитосферы невозможно без коренной ломки представлений найти аналог тангенциальных сил типа сил трения, вызывающих движение, соответствующее DР2 гармонике; а тем более DP1 гармонике. Во втором случае необходима сила, вызывающая вращение плазмы пучка силовых линий (выходящих из полярной области) в направлении вращения Земли, обгоняющее Землю (западный электроджет).
Акасофу (Акаsofu, 1966а) высказал предположение, что подобное «противоестественное» вращение пучка может быть вызвано приходом плазмы в ионосферу из удаленных областей хвоста. Так как диаметр сечения пучка падает по мере приближения к Земле, угловая скорость вращающейся с пучком плазмы растет за счет сохранения полного момента вращения.
Однако подобный эффект может быть лишь кратковременным, пока не высыпятся захваченные хвостом частицы: самой плазме, захватываемой из солнечного ветра вращающимися пучками хвоста, сначала следует сообщить необходимый момент вращения. При этом, в целом, вращение пучка будет тормозиться, вызывая в ионосфере эффект, обратный ожидаемому.

В последнее время, по-видимому, претерпела некоторое изменение сама картина полярной токовой системы, вернее, ее формальная интерпретация. Из анализа морфологии полярных ионосферных токов и сияний (Аkasofu, Сhарman, Мепg, 1965; Акаsofu, 1965, 1966б; Со1е, 1966; Фельдштейн, 1966; Старков, Фельдштейн, 1967) можно заключить, что овал полярных сияний, отождествляемый с границей между сердцевиной и хвостом магнитосферы, охватывает не оба полярных токовых вихря, а лишь утренний западный электроджет. Вечерний вихрь (меньший по размерам и интенсивности) лежит вне овала и может рассматриваться как вторичный, образованный наведенными или затекающими на более низкие широты токами (рис. 6).
Интерпретация тока через полюс не однозначна. Его можно рассматривать либо как распределенный с вечерней стороны ток западного электроджета, либо как самостоятельную систему. В первом случае западному электроджету соответствует вращение пучка силовых линий хвосте с угловой скоростью, большей чем угловая скорость вращения Земли. Во втором случае дополнительно к этому следует принять движение силовых линий хвоста в направлении к нейтральному слою
На последнем эффекте сосредоточено внимание в модели Аксфорда, Петчека и Сиско (Аxford, Реtcek, Siscoe, 1965), предположивших существование движения плазмы к нейтральному слою и к Земле под действием стягивающихся силовых линий поля. В этой модели нейтральный слой, на границах которого силовые линии магнитного поля терпят излом, расширяется от нейтральной точки N поля в хвосте магнитосферы (см рис. 1) до нескольких Re на расстоянии 6~10 от центра Земли. Скорость стягивания силовых линий к Земле порядка альфвеновской скорости вне слоя. Так как угол между силовыми линиями порядка 0,1 рад, скорость плазмы в направлении к слою порядка 0,1 альфвеновской.

Рис 6. 1-гармоинка ионосферной токовой системы для интенсивной бури (Аkasofu, Сhарman, Мепg, 1965).

Магнитная энергия частично превращается в кинетическую энергию движения плазмы к Земле. При этом, подразумевается, что работает механизм диссипации в косых ударных волнах (Реtcek, 1964). Можно оценить энергию, втекающую в ионосферу за единицу времени:
(2.1)
где 2R_Т~2.10¹⁰ см — диаметр хвоста, ho — толщина слоя в Rе, mр— масса протона, Nо — плотность плазмы вне слоя в см^-3, В~20γ — поле вне слоя. При ho порядка нескольких Re эта энергия сравнима с энергией полярных сияний и ионосферных токов.

Легко видеть, что описанная модель не вполне подходит к реальной картине поля в хвосте магнитосферы. В действительности толщина слоя, в котором силовые линии терпят излом, значительно меньше, чем предполагает модель. Если «подправить» модель, приспосабливая ее к реальной картине, то скорость плазмы в направлении к слою будет значительно меньше альфвеновской, так же как и энергия, переносимая в ионосферу, меньше оценки (2.1).
Однако основная идея об аннигиляции магнитных полей в нейтральном слое может быть сохранена. Движение силовых линий к нейтральному слою при определенных условиях дает ионосферный ток нужного направления через полюс и одновременно механизм ускорения частиц в слое. Статическая модель Десслера (Dessler, 1964), внешне больше подходящая к реальной картине, этими возможностями не обладает.

2.3. Динамическая модель
Если принять за основу динамическую модель с непрерывно идущей аннигиляцией и восстановлением магнитного поля, то естественно задаться вопросом: где именно происходит прямой переход от замкнутых силовых линий к разомкнутым и обратный процесс соединения. При этом мыслимы две возможности.

1. Плазма солнечного ветра затекает вдоль границы сердцевиной магнитосферы и хвостом (вдоль рогов и вытягивает силовые линии в центральных областях нейтрального слоя, где встречаются потоки, огибающие сердцевину с обеих сторон и образующие подобие кумулятивного эффекта. Этот процесс может сопровождаться диссипацией магнитной энергии благодаря относительному движению плазмы в слое и силовых линий поля вне слоя. Восстановление поля сердцевины может идти как за счет энергии внутриземных токов, так и за счет соединения разомкнутых силовых линий хвоста.
В обсуждаемом случае это соединение должно происходить на утренней и вечерней сторонах слоя. Если процессу размыкания силовых линий приписывать движение корней силовых линий к высоким широтам, а процессу соединения — к низким, то в рассматриваемом случае в магнитосфере будет реализоваться токовая система, обратная Dp2 гармонике.
Однако прямое сопоставление процесcов размыкания и соединения выше определенному движению силовых линий в ионосфере хотя и довольно естественно, но вовсе не обязательно. Например, легко себе представить вытягивание и размыкание силовой линии, сопровождающееся ее движением в ионосфере наболее низкие широты. При наличии быстрой диссипации магнитного поля в слое, о которой нам мало что известно, этот вопрос, а priori, не может быть решен однозначно. Кроме того, как увидим в разделе 4.4, при наличии определенного электрического тока в плазме "движение» силовых линий относительно плазмы может происходить без всякой диссипации. Поэтому в принципе возможна реализация случая, когда плазма и силовые линии в основной толще хвоста неподвижны, несмотря на наличие в слое потока плазмы, направленного от Солнца.
С учетом различия в происхождении потока в слое эта картина сходна с моделью Десслера (Dessler,1964) Отличие, однако, в том, что она допускает пересоединение силовых линий магнитного поля в слое под острым углом, т. е. существование в слое нормальной компоненты магнитного поля. При этом сохраняется возможноть ускорения частиц, так как при наличии компоненты электрического тока в слое, направленной от Солнца, электрическое поле в системе координат, связанной с движущейся в слое плазмой, отлично от нуля и направлено в утреннюю сторону магнитосферы.

2. Плазма солнечного ветра не затекает вдоль границы сердцевины магнитосферы в центральную область нейтрального слоя, а размыкает силовые линии сердцевины в лобовой или, что более вероятно, на боковых частях магнитосферы с утренней и вечерней стороны. Размыкание и снос силовых линий поля в хвост может происходить без какого-либо механизма пересоединения геомагнитных силовых линий с межпланетным магнитным нолем (Dungey, 1961), т .е. и при отсутствии межпланетного поля (Рiddington, 1962). Восстановление поля сердцевины, так же как и в предыдущем случае, может идти как за счет энергии внутриземных токов, так и за счет соединения разомкнутых линий, но уже в центральных областях нейтрального слоя. При размыкании силовых линий поля и сноса их в хвост вместе с ними частично будет захватываться плазма сердцевины и плазма солнечного ветра. Балансирует этот процесс втекание плазмы в сердцевину в основной центральной части нейтрального слоя. Это движение плазмы в слое (с теми оговорками, которые были сделаны и для случая 1) будет сопровождаться смещением корней силовых линий к меньшим широтам, т. е. Dp2-гармоникой ионосферной токовой системы, или по крайней мере одним распределенным током через полюс. При определенных условиях, так же как и в случае 1, под действием электрического поля в системе координат, неподвижной относительно Земли, может происходить процесс ускорения частиц.

Совокупности экспериментальных данных, и в особенности сведений о направленности потока частиц в самом нейтральном слое, недостаточно, чтобы отдать предпочтение какой-либо из этих двух возможностей. Более естественным образом связанная со случаем 2, но не исключенная и в случае 1, система ионосферных токов, описывающаяся Dp2-гармоникой, не может служить достаточным аргументом в пользу возможности 2, так как сама эта система, как уже было выше отмечено, может не иметь самостоятельного значения.
В этом случае основной процесс в хвосте магнитосферы, проявляющийся в существовании западного электроджета вдоль овала полярных сияний,—вращение пучков силовых линий хвоста со скоростью, большей угловой скорости крашения Земли. В дальнейшем мы дадим этому возможное объяснение. Сейчас же отметим, что оба случая I и 2, сопутствующие основному движению в хвосте, имеют право на существование и содержат одинаковые возможности ускорения частиц в слое.

Так как (относительно) энергичные частицы в хвосте !магнитосферы концентрируются (в плазменном слое) вокруг нейтрального токового слоя, то естественно думать, что именно в нейтральном слое происходит процесс ускорения, который, очевидно, связан с трансформацией магнитной энергии (аннигиляцией) в кинетическую энергию движения частиц. При этом трансформация зависит от относительного движения силовых линий вне токового слоя и движения плазмы в токовом слое и может происходить как в процессе размыкания (случай I), так и в процессе соединения (случай 2) силовых линий. Неизвестно, полностью ли восстанавливается за счет солнечного ветра магнитная энергия Земли в процессах, балансирующих процессы аннигиляции. Но если допустить, что магнитная энергия Земли поддерживается на постоянном уровне за счет внутриземных токов, в свою очередь определяющихся скоростью вращения Земли, то можно оценить замедление Земли, предполагая, что вся энергия аннигиляции поля черпается из внутренних источников.

Учитывая, что масса Земли мe=5,9. 10²⁷г, момент инерции I=2/5/mer²~ 10⁴⁵ г.см², и принимая для скороcти энергии аннигиляции поля значение скорости энергии диссипации ионосферных токов и полярных сияний Ф =dE/dt ~10¹⁸ эрг/сек, получим из выражения для кинетической энергии вращения E=Iω² /r искомую оценку изменения периода вращения Земли: (2.2)
За сутки период изменяется на δT =1,5.10^-9 сек (dω/dt~ 1,5-10^-23 сек^-2). Это почти на два порядка меньше регулярного векового замедления (за счет приливов) и на четыре-пять порядков меньше наблюдаемых и трудно объяснимых скачкообразных изменений скорости вращения Земли (Мunk, МсDonalds, 1960).

Таким образом, внутриземной источник восстановления магнитного поля, энергия которого тратится на ускорение частиц и ионосферные токи, практически не исчерпаем.

Стационарное состояние магнитосферы характеризуется формой и удаленностью полуденной границы, диаметром сечения хвоста, протяженностью нейтральное слоя в сторону Земли, распределением поля между сердцевиной и хвостом магнитосферы, силой кольцевой тока. Очевидно, что при заданном кольцевом токе эти параметры магнитосферы однозначно определяются динамическим (направленным от Солнца) и изотропным давлением солнечного ветра. Это справедливо как для статической модели (в которой в стационарном состоянии переходов силовых линий из сердцевины в хвост и обратно не совершается), так и для принятой нами динамической модели магнитосферы.
Возмущенное состояние магнитосферы, соответствующее большему давлению солнечного ветра, характеризуется, в частности, усилением поля в хвосте магнитосферы (Веhammon, Nезs, 1966), смещением овала полярных сияний на более низкие широты и усилением тока в нем. Это означает увеличение доли силовых линий поля, уходящих в хвост магнитосферы.

Можно задать вопрос, чем регулируется в динамической модели скорость процессов переброса силовых линий в хвост и скорость обратных переходов, которые при заданной силе солнечного ветра однозначно определяют относительную долю магнитной энергии в хвосте магнитосферы. На первый взгляд обратной связи между этими процессами нет, т. е. не видно причин, по которым должен увеличиваться процесс переброса, если аннигиляция приведет к ослаблению или исчезновению слоя и замыканию силовых линий поля в хвосте. Однако можно высказать предположение, которое кажется правдоподобным. Если слой уменьшается или исчезает при заданной силе солнечного ветра, то уменьшается азнмутально несимметричная гармоника и возрастает однородная гармоника поля возмущения токов Jcf, Jт в сердцевине магнитосферы. Подобный же эффект может быть вызван кольцевым западным электрическим током Jr, протекающим во внутренних частях магнитосферы, который вне кольца также увеличивает однородную составляющую гармоники поля возмущения. Дневная граница магнитосферы при этом становится более тупой.
Именно это обстоятельство может вызвать усиление процессов переброса силовых линий в хвост и восстановление равновесия. При усилении солнечного ветра процессы переброса должны возрастать больше, чем процессы аннигиляции. Это приведет к новому равновесному состоянию, в котором доля магнитной энергии в хвосте возрастает по сравнению с невозмущенным значением, нейтральный слой подходит ближе к Земле, ток в нем усиливается, овал полярных сияний опускается.

Таким образом, регулятором процесса служит взаимодействие солнечного ветра с дневной границей магнитосферы, приводящее к наиболее вытянутой форме магнитосферы (при наличии нейтрального слоя).
В диамической модели возмущенное состояние хаарактеризуется усилением процессов аннигиляции и связанным с ним процессом ускорения частиц в нейтральном слое хвоста магнитосферы. В настоящее время полярные сияния связывают с высыпанием частиц вдоль рогов из нейтрального слоя и в воронку с дневной стороны магнитосферы. Характерные черты развития полярных сияний и западного электроджета подробно описаны в обзорах Акасофу (Акаsofu,1966а, б). Отметим лишь одну особенность. При слабых возмущениях овал полярных сияний просто смещается на более низкие широты, но при более сильных возмущениях он разрастается, главным образом с ночной стороны, в широкую полосу (см. рис. 7, на котором показана форма полосы в зависимости от 15-минутного AL-индекса магнитной активности, характеризующего интенсивность тока в полярном злектроджете.

Рис 7. Конфигурация зоны полярных сияний для четырех уровней, измеряемых 15-минутным АL-индексом, характеризующим интенсивность полярного электроджета (Старков, Фельдштейн, 1957).

Из сопоставления с данными о захваченной радиации следует, что граница сердцевины проходит по низкоширотному краю этой полосы. Продвижение высокоширотного края полосы к полюсу по мере возрастания возмущения говорит об усилении слоя плазмы, окружающей нейтральный слой, и высыпании частиц из него.

2.4. Депрессия поля во время магнитной бури
Если на ускорение частиц тратится энергия магнитного поля в хвосте магнитосферы, то это должно сопровождаться усиленным «перебросом» силовых линий из сердцевины в хвост магнитосферы (в соответствии с выше приведенными рассуждениями об автоматической регулировке доли магнитной энергии в сердцевине и хвосте магнитосферы). Аннигиляция поля может привести к временному общему ослаблению внешен части геомагнитного поля, так как при восстановлении поля за счет внутриземных источников мы вправе ожидать более длительные (чем для усилившихся процессов аннигиляции) характерные времена восстановления**).

**) Эта идея перекликается с идеей Пиддингтона 1963 Ь) о возможном механизме понижения поля во время главной фазы. Однако основа, на которой разбивается идея Пиддингтона, делает эту мысль ошибочной. Если предполагать полную вмороженность поля без трансформации магнитной энергии в тепловую, то усиленный солнечный ветер также приведет к перераспределению магнитной энергии в сторону относительного увеличения энергии в хвосте и уменьшению магнитной энергии в сердцевине магнитосферы. Однако в противоположность предположению Пиддингтона такой процесс не будет сопровождаться ослаблением поля в сердцевине. Наоборот, величина напряженности поля в сердцевине и, в частности, на поверхности Земли возрастет под влиянием усилившегося давления солнечного ветра на лобовую поверхность магнитосферы, как это и происходит в начальной фазе магнитной бури.
Главная фаза бури, характеризующаяся понижением горизонтальной составляющей поля в экваториальной области на величину δВо порядка нескольких десятков или сотен гамм, проходит три стадии с характерными периодами продолжительности (рис. 8): 1) быстрое (за несколько часов) понижение поля от возросшего на несколько десятков гамм во время первой фазы бури уровня; 2) более медленная фаза частичного восстановления поля; 3) медленное (несколько дней) окончательное восстановление невозмущенного уровня. Эти стадии можно связать с характерными периодами изменения полной магнитной энергии и перераспределения магнитной энергии в Земле Ее, в сердцевине Ем и хвосте магнттосферы Ет.

Рис. 8. Схематическое изображение среднего возмущения поля δВ на экваторе Земли в зависимости от времени t с момента начала магнитной бури. Область δВ>0 — первая фаза бури, δВ<0 — главная фаза бури. Главную фазу в свою очередь можно разбить на три стадии.

Энергия в хвосте магнитосферы
(2.3)
если принять В=20γ, длину хвоста поста L=10 Re диаметр хвоста 2 R_T=40Re
Магнитную энергию в сердцевине с достаточной точностью можно оценить как магнитную энергию диполя вне объема Земли:

(2.4)
где М_Е— магнитный момент Земли в гс-см³, а Во~0.31 гс—-поле у поверхности Земли на экваторе.
Энергия поля в Земле, если допустить, что Земля ч породно намагничена,
(2.5)

Полная энергия

(2.6)
Как видим, энергия поля в хвосте составляет лишь малую долю от энергии в сердцевине и в Земле.

Предположим, что во время первой наиболее быстрой стадии магнитное поле из недр Земли не успевает продиффундировать наружу, а отношение Ет/Ем остается приблизительно постоянным за счет перераспределения поля между сердцевиной и хвостом по мере аннигиляции поля в хвосте. Тогда к концу стадии полное уменьшение энергии поля будет в основном определяться ослаблением поля в сердцевине 6σЕ=σЕм =- σЕт при σЕе=0 (где σЕт— энергия аннигиляции) и из (2.4) получим уменьшение поля на экваторе σВо к концу первой стадии;

(2.7)
Полагая, например, σВо =-100γ, будем иметь σЕт~5•10²² эрг. Из экспериментальных оценок σВт/σt~ 10¹⁸ эрг/сек. Это дает для первой стадии продолжительность σt=5.10⁴ сек, совпадающую по порядку величины с наблюдаемой.

Во время второй стадии частичного восстановления поля аннигиляция прекращается и происходит диффузия поля из Земли за счет затухания экранирующих его токов в земной коре. К концу стадии восстанавливается равновесие между полем внутри слегка размагнитившейся Земли и вне ее. Очевидно, что при этом σЕ=σЕе+σЕм=σЕт, σЕе=2σЕт, и величина остаточного возмущения σВ'о, если учесть (2.7), к концу стадии

(2.8)
т. е. в три раза меньше максимальной амплитуды возмущения. Приблизительно такая картина и наблюдается.

Прямая оценка характерного времени диффузии поля затруднена отсутствием сведений о проводимости Земли и распределении внутриземных токов. Однако косвенные данные о времени затухания земных токов вблизи поверхности Земли, экранирующих магнитное поле внешних источников (диамагнетизм Земли), указывают на время порядка суток. Очевидно, что и диффузия поля σВj от внутренних источников будет происходить за такое же время.

Третья стадия может быть отождествлена с восстановлением магнитной энергии в Земле до невозмущениого значения за счет внутриземных токов, поддерживающихся на заданном уровне гипотетическим механизмом динамовращения Земли.

Одновременная регистрация магнитных возмущений в хвосте магнитосферы на спутнике ИМП-1 (Веhannon, Ness, 1966) и наземными станциями позволяет проанализировать поведение поля в этих двух областях во время магнитных бурь. Оказалось, что после внезапного начала поле в хвосте возрастает. Однако зачастую оно иозвращается к прежнему (или более низкому) уровню к моменту максимума главной фазы на низкоширотных cтанциях. Это может свидетельствовать в пользу одновременной депрессии поля на Земле и в хвосте магнитосферы во вторую половину главной фазы бури (депресии, вызванной аннигиляцией магнитного поля в хвосте магнитосферы).