Transcript Доклад
ИКИ, 08.02.2012
Окружающее Землю плазменное кольцо и его роль в магнитосферных процессах
Е.Е.Антонова
, И.П. Кирпичев, В.В. Вовченко, М.С. Пулинец, М.О. Рязанцева, М.В. Степанова, И.Л. Овчинников, К.Г. Орлова, С.С. Знаткова
•
Кольцо плазмы вокруг Земли.
•
Поперечные токи в кольце.
•
Природа Dst вариации.
•
Локализация начала изолированной суббури.
•
Авроральный овал и геомагнитный хвост.
Замкнутое кольцо полярных сияний по результатам наземных наблюдений
Loomis [1860] Фельдштейн [1960] Фельдштейн [1963] Хорошева [1961] Хорошева [1967]
Замкнутое кольцо сияний по данным авроральных имиджеров (DE-1, Polar, Image)
Замкнутое кольцо высыпаний по данным авроральных спутников
Модель OVATION, Newell et al. [2002] http://www.swpc.noaa.gov/pmap/ http://pgia.ru/ (Воробьев и др. [2004-2007])
Плазма внутри магнитосферы вблизи подсолнечной точки
Пересечение магнитопаузы спутниками проекта THEMIS вблизи подсолнечной точки 22 июля 2007 г. После каждого пересечении магнитопаузы наблюдается плазма с характеристиками плазменного слоя.
Окружающее Землю плазменное кольцо по измерениям в экваториальной плоскости
Vasyliunas [1970] DeMichelis et al. [1999] Nagata et al. [2008]
Кирпичев и Антонова [2011]
Плазменное кольцо с параметрами, соответствующими плазменному слою окружает Землю
Радиальные профили давления плазмы
12 MLT (тонкие кривые) и 0 MLT (толстые кривые) 06 MLT (тонкие кривые) и 18 MLT (толстые кривые)
Давление плазмы близко к азимутально симметричному на
R
<10
R E
Анизотропия давления
Давление плазмы близко к изотропному на
R
>4.5
R E
Wang et al. [2011]
Поперечный ток в окружающем Землю кольце
Определение величины дневного тока по результатам проекта ТЕМИС [Antonova et al., 2009] Кольцевой ток имеет высокоширотное продолжение до магнитопаузы в дневные часы – разрезной кольцевой ток (CRC).
Конфигурация поперечных токов в модели Sitnov and Tsyganenko [2008] (Ukhorskiy, private communication) Liemohn et al. [2011]
Кольцевой ток и Dst вариация
До настоящего времени не получено простого аналитического описания магнитного поля, создаваемого CRC. Однако можно определить величину Dst, создаваемую известным азимутально симметричным распределением давления плазмы, включая давление плазмы на геоцентрических расстояниях, где течет CRC.
Линейное соотношение Десслера Паркера-Скопке
B
/
B s
2
U p
/ 3
U s
где Δ
B
– осесимметричное искажение поля в центре Земли,,
Up
– энергия частиц кольцевого тока,
B s –
магнитное поля на земном экваторе и
U s
- энергия поля диполя вне земной поверхности. Соотношение Carovillano and Maguire [1968], Carovillano and Siscoe [1973] , принимающее во внимание нелинейное искажение исходного поля
B
/
B s
( 2
U p
U b
) / 3
U s
где
U b –
энергия поля кольцевого тока
B
r
1 cos
r
r
cos
A
B
r
1 cos
r
j
c
p
B
/
B
2
p
B
r
1 cos
B r
r
2 1 cos
r
cos
A
B r
r
2 1 cos
p
p
p
e
r
r
e
r
2 1
r
2 2
p
B
2
r
2 1 cos 2
r
2 1
r
2 2
j
r
cos
p
r
1 cos 2
r
2 1
r
3 1 cos 4
r
cos
p
Febryary, 1986 Проведен анализ формирования Dst с учетом нелинейного искажения магнитного поля известным радиальным распределением давления горячей магнитосерной плазмы из работы Hamilton et al. [1988] .
100 0
Сравнение результатов моделирования (ось абсцисс) с экспериментально определенным
-100 -200 -300 -400
Dst индексом http://wdc.kugi.kyoto u.ac.jp/dst_final/ 198602/index.html
.
(Вовченко и Антонова [2010]). Показано, что наблюдаемая Dst вариация создается симметричной частью кольцевого тока.
-400 -300 -200 -100 Dst=1.5*dh 0 100
Модель описывает Dst для магнитных бурь 16-18 декабря 1971 г. (Explorer 45 ), 4-7 сентября 1984 г. и 30 ноября 1988 г. (AMPTE/CCE )
Главный вывод: тока. может быть восстановлена традиционная интерпретация формирования Dst в результате развития осесимметричной части кольцевого
Распределение вытекающих продольных токов
Iijima and Potemra [1976]
Картина вытекающих продольных токов в среднем имеет вид подковы, но на снимках из космоса можно различить авроральное кольцо.
Shue et al. [2002]
Как появилось представление о том, что авроральный овал является проекцией плазменного слоя на ионосферные высоты?
Akasofu [1964] Было известно (Akasofu, 1964), что начало взрывной фазы изолированной суббури локализовано на экваториальном краю аврорального овала вблизи полуночи. В течении длительного времени доминировала модель Hones [1979]. Разрабатывались модели магнитного поля, которые позволяли проецировать экваториальную кромку овала в ночном секторе на сравнительно большие геоцентрические расстояния.
Распределение изолиний
B
=const в экваториальной плоскости, полученное в работе Fairfield (1968) привело к предположению , что линии поперечного тока при токовую систему хвоста.
B
>60 нT замыкаются токами магнитопаузы, формируя
Проецирование прямой линии в хвосте на ионосферные высоты с использованием моделей Цыганенко дают структуру типа подковы.
Ts87 (Stasievich, 1991) Ts01 Ts96 В результате сложились представления об определяющей роли процессов в хвосте магнитосферы, которые в последнее время начали пересматриваться.
~8R E Локализация начала изолированной суббури <10R E ~8R E
Takahashi et al. [1987
]
Yahnin et al. [2002] Dubyagin et al. [2003]
Наблюдаемое положение начала изолированной суббри имеет место в области CRC, т.е. в высокоширотной части обычного кольцевого тока.
Lui [2011 ]
Выводы:
•Окружающая Землю на геоцентрических расстояниях от ~7 до 10-13 вариацию.
R E
плазменная популяция имеет вид кольца, в котором поперечные токи замкнуты внутри магнитосферы и образуют высокоширотное продолжение кольцевого тока (CRC).
•Существование CRC позволяет восстановить подвергшиеся критике представления о доминирующем вкладе симметричной части кольцевого тока в Dst •Взрывная фазы изолированной суббури начинается внутри CRC, что позволяет рассматривать магнитосферную суббурю как часть динамики высокоширотного продолжения кольцевого тока.