Transcript pps
СТРУКТУРА ИОНОСФЕРЫ
В ОБЛАСТИ ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО
ДЖЕТА
М.Г. Дёминов
ИЗМИРАН, г.Троицк, Московская область
2008
Поляризационный джет (PJ) – интенсивный
направленный на запад дрейф плазмы ( 1 км/с до 45 км/с по спутниковым данным) в узкой полосе
широт (от менее чем 10 до 2-30) вытянутой в
зональном направлении.
Он возникает на субавроральных широтах в
вечерние и околополуночные часы в период роста
геомагнитной активности.
PJ был открыт Гальпериным и др. (1973).
PJ называют также субавроральным ионным
дрейфом (SAID) (Spiro et al., 1979) и он ассоциируется
с субавроральным электрическим полем (SAEF)
(Karlson et al., 1998).
Цель работы – анализ изменений в ионосфере
связанных с поляризационным джетом.
Частота появления PJ по данным спутника Astrid
Figueiredo S., Karlsson T., Marklund G.T. // Ann. Geophys. 22, 923-934, 2004.
Figueiredo S., Karlsson T., Marklund G.T. // Ann. Geophys. 22: 923-934, 2004.
Пример наблюдения поляризационного джета на ИСЗ DE-B
27.03.1982, 22.28-22.29 MLT, высота 300-308 км
Eestward drift
lg ( Ne , m-3 )
V i , кm/s
Ion density
lg ( Ni , m-3 )
Anderson et al. // J. Geophys. Res., 106, 29585, 2001
11
O+
10
9
NO+
11
10
0
-1
-2
-3
58
60
62
64
Invariant latitude , (degrees)
66
Пример наблюдения PJ
|Vd| = 3.6 км/с,
и связанного с ним
пика температуры ионов
Ti = 5000 K,
увеличения температуры электронов
Te = 2700 K,
уменьшения концентрации электронов
Ne = 1.7 104 см-3
со спутника DE-B на высоте 315 км
в 94 день 1982 г. в 21 MLT
со спутника DE
Moffett et al. // Ann. Geophys. 16, 450-459 (1998)
Параметры ионосферы по данным НРР EISCAT
9-10 апреля 1990 г. в 24.25 UT,
когда электрическое поле EN достигало 225 мВ/м
St-Maurice et al. // Ann. Geophys. 17, 1182-1198, 1999.
Форма плазмопаузы (IMAGE)
Spasojevic et al.// J. Geophys. Res. 108. № A9. P. 1340 , 2003
Формирование поляризационного джета в предполуночные часы
связано с цепочкой процессов в магнитосфере и ионосфере:
1. Увеличение электрического поля на субавроральных широтах
из-за смещения к Земле внутренней границы плазменного слоя в
период роста геомагнитной активности (магнитосферный процесс)
(Southwood, Wolf, 1978; Harel et al., 1981; Senior, Blanc, 1984).
2. В области увеличения электрического поля продольный ток
направлен направлен вниз в ионосферу и это приводит к
уменьшению ионосферной проводимости (ионосферный процесс)
(Ляцская и др., 1978; Дёминов и др., 1979; Ляцкий, Мальцев,, 1983)
3. Уменьшение ионосферной проводимости приводит к
дальнейшему увеличению электрического поля, до значений
характерных для поляризационного джета (магнитосферный и
(Дёминов, Шубин, 1989)
Частичный кольцевой ток (с учетом высыпаний протонов,
создающих продольный ток, и токов в ионосфере) также может
быть причиной джета (Трахтенгерц, Демехов, 2005)
1. Уравнение для электрического поля:
–{ P (b(Eb)) – H (Eb) ] = JIIb = – (M (Eb)), (1)
где
b = B/B, P = (1/2) (PN + PS) , H = (1/2) (HN + HS),
M = (1/2) c e nT / B0 , nT = B0 (ni/B)ds .
Свойства E в области поляризационного джета, где M >> H,
в коорд. – магнитная коширота, = (/12) MLT – местное время
при фиксированных M и электрическом поле в полярной шапке
E P const ,
E const ,
JIIb (1/R0) (M/) E const
Poleward el. field
P , (1/Ohm) M , (1/Ohm)
EN , (mV/m)
Equinox, 22 MLT
100
50
4
2
Quiet
Disturbed
60
40
20
0
25
26
27
28
Magnetic colatitude, (degrees)
2.1. Ионосферные процессы
Ni/t + (Ni Va)/z + a (VE )Ni = qi – li + (Pi/P) JIIb/e
где
a = 1/(1 + (in/i)2) , VE = (EB)/B2
Poleward el. field
EN , (mV/m)
P , (1/Ohm) M , (1/Ohm)
Equinox, 22 MLT
100
50
4
2
160
120
80
40
25
26
27
28
Magnetic colatitude, (degrees)
2.2. Ионосферные процессы
Нагрев:
Ti = Tn + mn U2/3kB (для высот ниже 400 км)
где
U2= (Vi – Vn)2 = (E*/B)2/(1 + (i/i)2) ,
E* = E + (Vn B)
Скорость рекомбинации O+ :
O+ + N2 NO+ + N, k1
O+ + O2 O2+ + O, k2
l(O+) = N(O+), = k1N(N2) + k2N(O2)
kj = kj(Teff)
Teff = (miTn + mnTi + mimnU2/3kB) / (mi+mn)
Температура электронов Te , ионов Ti и концентрация электронов
Ne в области поляризационного джета (сплошные линии)
и для фоновых условий (штриховые линии)
h, км
400
300
Te
Ti
200
0
2000
4000
T,K
6000
3
4
lg (Ne , см-3)
5
Зависимость коэффициентов реакций от
температуры Teff
kj , 10-12 см-3 c-1
k1
O+ + N2 NO+ + N
30
k2
O+ + O2 O2+ + O
20
k1
10
1000
2000
3000
= k1 n(N2) + k2 n(O2)
k2 / 10
4000
5000
6000
Teff , K
Teff = ( miTn + mnTi + mimnU2/3kB ) / (mi+mn)
Ионный состав в области поляризационного джета
1 - фоновые условия без джета
2 - начальная стадия (EN = 50 мВ/м, плюс эффект JII)
3 - поляризационный джет (EN = 150 мВ/м и JII)
+ - данные об ионном составе со спутника DE-B
h, км
1
2
500
M+
400
3
1
O+
300
O+
M+
200
100
2
3
4
5
2
lg ( Ni , см -3 )
3
4
5
The example of observation of the polarization jet at the satellite DE-B (Anderson et al.,
Eestward drift
lg ( Ne , m-3 )
V i , кm/s
Ion density
lg ( Ni , m-3 )
1991): 27.03.1982, 22.28-22.29 MLT (02:58:30-03:00:30 UT ), altitude 300-308 km
11
O+
10
9
NO+
11
10
0
-1
-2
-3
58
60
62
64
Invariant latitude , (degrees)
66
Температура электронов Te , ионов Ti и концентрация электронов
Ne в области поляризационного джета (сплошные линии)
и для фоновых условий (штриховые линии)
h, км
400
300
Te
Ti
200
0
2000
4000
T,K
6000
3
4
lg (Ne , см-3)
5
Параметры ионосферы по данным НРР EISCAT
9-10 апреля 1990 г. в 24.25 UT,
когда электрическое поле EN достигало 225 мВ/м
St-Maurice et al. // Ann. Geophys. 17, 1182-1198, 1999.
Зависимость инвариантной широты среднеширотного (главного)
ионосферного провала ФТ в главную фазу магнитной бури от
магнитного поля кольцевого тока DR
(Деминов, Карпачев, Афонин, Аннакулиев// Геомагнетизм и аэрономия, 35, №6, 1995)
ФT
65
18-22 MLT
02-04 MLT
55
45
0
-100
DR , nT
-200
0
-100
DR , nT
-200
Eastward sub-auroral ion drifts or ASAID
Voiculescu, Roth// Ann. Geophys., 26, 1955–1963, 2008
21 September 2003
12 October, 2003