Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Диагностика магнитосферной конфигурации и зоны вторжений в период стационарной конвекции

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Диагностика магнитосферной конфигурации и зоны вторжений в период стационарной конвекции"

«в о* >

Сайкт-гПётербургский государственный университег

На правах рукописи

МАЛЬКОВ Михаил Васильевич УДК 550.38

ДИАГНОСТИКА МАГНИТОСФВРНОЙ КОНФИГУРАЦИИ И ЗОНЫ ВТОРЖЕНИЙ В ПЕРИОД СТАЦИОНАРНОЙ КОНВЕКЦИИ

Специальность - 04.00.22 - геофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1993

Работа выполнена в Полярном геофизическом институте Кольского научного центра Российской академии наук.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведуцая организация:

доктор физико-математических наук Сергеев В.А.

доктор физико-математических наук

Троаичев O.A. (ДАНИЮ

кандидат физико-аатематических наук

Усыанов ft.fi. С НИИ«" СПбГУ)

Институт космических исследований РАН

г.Москва

Зажита состоится "г. в /г час. на заседании специализированного совета Д.063.57.51 по заците диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/4.

С диссертацией полно ознакомиться в библиотеке СПбГУ. Автореферат разослан ___1993 г>

Ученый секретарь специализированного совета

Зайцева С.А.

(ЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТН

Актуальность проблемы.

Исследование , структура нрупномасгтабного магнитосферного магнитного поля имеет фундаментальное значение для физики магнитосфера, т.к. магнитное поле играет в магнитосфере особув роль, контролируя дветение частиц, а таете динамику и распределение горячей плазмы. Сложные динамические процессы, происходящие г хвосте магнитосферы, вдоль силовых линий магнитного поля проектируется в ионосферд, внзнвая твн в свои очередь сложный комплекс явлений Свторжениа частиц, электрические токи, изменения ионизации ионосфера), регистрирденых на ннзковысоткых спутниках а с поверхности Земли. Основная трудность исследования иагнитосфгрных причин этих эффектов заклвчается в тон, что магнитное поле испытывает сильные и сложные изменения с характерными временами порядка единиц-десятков минут. . СуцествуЕ^ие же модели магнитосферного поля дискретна и описывавт ливь некие средние конфигурации. Трудной я пока не ременной задачей является н колячественное описание конфигурация для данного момента времени, т.е.развитие методов, позволявших определять и уточнять мгновеннди магнитндя конфигурации, является актуальной научной проблемой.

Столь гге актуальной и ванной задачей является вопрос о привязке зон вторжения я конкретных структур вторжений (дискретнне дуги и диффузные высыпания, омега-структуры, изгибы а т.д.) к определенным регионам магнитосферы. Этот вопрос интересен не только сам по себе, его ремение позволило бы использовать получаемуя на Земле инфораацив для количественного изучения динамических изменений в магнитосфере. К сожалении. во многих аспектах зта проблема пока открыта. Существует, например, несколько различных точек зрения в какие области хвоста магнитосферы следует помечать основные типы - диффузные л дискретные, вторхения. Реиенив этой проблемы пока препятг.твувт трудности идентификации характеристик плазмы в ионосфере и экваториальной магнитосфере, а такме неопределенность в проектировании из-за упомянутых выае неопределенностей в выборе модели магнитосферного поля.

Наиболее простыми ситуациями для отождествления зон вторжений с оболочками кагнитосферы является длительные периоды с устойчивой конфигурацией магнитного поля магнитосферы. В таких случаях, при сопоставлении ны могли бы использовать информации, полученную спутниками в разных областях в разные моменты времени. Однако, такие периоды - периоды стационарной активности весьма редки и их подробное изучение начато недавно. Более того, имеются теоретические работы, доказывавшие невозмояность длительного стационарного состояния магнитного поля в реальном иагнитосфер-нон поде при отрицательной Вг-компоненте ММ1!. Тем не менее, в литературе приведено несколько таких примеров, когда в отсутствие суббурь наблидавтся периоды стационарного состояния магнитосферы длительностьс до нескольких часов. До сих пор однако, недоставало доказательства стабильности крупномаситабной конфигурации магнитосфера для таких ситуаций, а также для них не были подробно изучены зоны вторжений и особенности магнитосферной конфигурации. .

Цель данной работы заклвчаетса в исследовании с разных позиций особенностей крупнокаевтабной структуры магнитосферы и, в частности, в рассмотрении вопроса о магнит'осферных проекциях зон вторжений в период стационарной магнитосферной конвекции. Бо-первых, рассмотрен вопрос о методах оценки текучей магнитной конфигурации и предложен новый метод определения магнитной конфигурации для ночной магнитосферы, основанный на измерениях высыпающихся энергичных частиц на низковысотных спутниках. Во-вторых, исследованы характеристики магнитного-поля и зоны вторжений в период стационарной магнитосферной конвекции ((Ж) и даны доказательства устойчивости магнитосферной конфигурации в такой период. В-третьих, используя измерения в магнитосфере и ионосфере в период (Ж, отождествлены зоны диффузных и дискретных сияний с конкретными областями магнитосферы с использованием как проектирования по модели магнитного поля, так и другие косвенные методы.

На защиту выносятся:

1. Обоснование и результаты тестирования нового метода дистанционного зондирования магнитной конфигурации ночной магнитосферы, относящегося к моменту измерений на низковысотном спутнике.

2. Доказательства стабильности крупномасштабного магнитного

поля в период стационарной конвекции.

3. Полоаение о той, что в периоды СМИ диффузная зона вторкеннй проектируется во внутренняя магнитосферу, в силовые трубки, где поток энергии электронов достигает максимальных величин; а зона высокоширотных дискретных структур проектируется в область токового сдоя, характеризуемого малой величиной Вг-кой-понент^}

Научная новизна.

Впервые создан метод дистанционного зондирования магнитной конфигурации ночной магнитосферы на базе измерений положения границы изотропии энергичных частиц на ннзковысотных спутниках.

Исследованы крупномасптабные характеристики магнитной конфигурации и зон вторкений в период СНК и впервые показана стабильность магнитного поля магнитосферы в течение многих часов при развитой конвекции.

С использование» модели магнитного полз хвоста магнитосферы выбранного по данным магнитосферннх спутников, определенно установлены конкретные области плазменного слоя, куда проектируются диффузные и дискретные сияния в период СМК.

Научная и практическая значимость.

Заминаемые полоаениз являются оригинальными, а результаты получены впервые. Результаты работы возмовно* использовать для диагностики и мониторинга магнитной конфигурации в научных и практических целях. Полученные результаты такае ванны для развития физической модели магнитосферы.

Реализация работы.

Результаты работы использовались при выполнении тем НИР ПГИ и НИИФ СПбГЗ.

Апробация.

Результаты работы представлялись на всесоюзном симпозиуме по солнечно-земной физике в Иркутске (1986), на всесоюзном сове-

цании посвященном панаш В.П.Вабанского в Москве (1988), на международном симпозиуме КАПГ в Самарканде (1933). на Генеральной .Ассамблее МГСС в Бене (1991), на всесопзных семинарах в Апатитах (1987, 1990, 1991, 1992).

Публикации.

--О

По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из Введения, двух глав, заклвчения к приложения. Диссертация содержит 125 страниц мажинописного текста, 28 рисунков, библиография из 108 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РОБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель работе и основные положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание работы.

Глава I посвящена обосновании и реализации нового метода дистанционного зондирования магнитной конфигурации ночной магнитосфера.

В-разделе 1.1 рассматривался возможные методы определения магнитной конфигурации. В настоящее время единственно возможный способ проектирования опирается на модели магнитосферного поля. Эти модели хором описываиг средние конфигурации магнитного поля магнитосферы, однако в настоящее время плохо исследованными являвтся вопросы о том, насколько мгновенные конфигурации отличавтся от средних модельных и каковы возможные количественные ожибки при использовании моделей . для целей проектирования.

Использование магнитосферных спутников для целей диагностики не может ремить проблему из-за локальности и эпизодичности измерений.

Помочь ременив проблемы может использование энергичных частиц ( г. 30 кэВ ), движение которых в магнитосфере в основном контролируется магнитнни полем. При этом необходимо использовать такие характеристики частиц, которые однозначно определяются гео-

нетрией магнитного поля магнитосферы. Более того, измерения необходимо проводить на низких высотах, чтобы регулярно получать информации об условиях в обвирннх областях магнитосферы при 'мгновенном' пересечении спутником авроральной зоны. Одной из наиболее подходящих данным требованиям характеристик, может являться экваториальная граница изотропных высыпаний энергичных частиц. Объяснить ее можно тем, что изотропные высыпания на ночной стороне формируются в результате питч-углового рассеяния частиц на токовом слое хвоста магнитосферы.

В разделе 1.2 рассматриваются условия наруяения адиабатичнос-ти движения и заполнение конуса потерь при пересечении частицами токового слоя. Степень наруиения адиабатичности и, следовательно, изотропизация питч-углового распределения зависит от величины безразмерного параметра К, где Яс-радиус кривизны силовой линии, р - гирорадиус частицы. Зчитнвая, что радиус кривизны силовых линий магнитного поля минимален в центре слоя и выражая гирорадиус частицы через ее скорость, массу, заряд и компоненты поля, получаем значение условия перехода^ режиму неади^батичес-кого рассеяния для параметра К: К=[Вг/(ЭВх/Зг)] • С ^ 8, где - жесткость частицы (величина, измеряемая на ккзковнсотнях спутниках). Множитель в квадратных скобках определяется выбранной моделью магнитного поля. Для уточнения численного значения параметра К была проведена специальная серия расчетов в трехмерной модели. включающей в себя суперпозицив поля токового слоя и поле диполя. Результаты расчетов показали сравнительно небольвой диапазон изменения И и слабую зависимость от жесткости С, которая может быть аппроксимирована соотновением: К = 10.1 - 0.6В*1оеС.

В разделе 1.3 обсуждаются основы подхода к методу диагностики магнитной конфигурации и предлагается алгоритм дистанционного зондирования магнитного поля. Так как нав подход основан на особенностях патч-углового рассеяния энергичных частиц в ночной, магнитосфере, необходимо уточнить те области магнитосферы, где может осуществляться изотропизация потоков, частиц и указать критерии обнаружения тех особенностей энергичных частиц (границ изотропии на малых высотах), на интерпретации которых реализован алгоритм. На основании литературных данных о морфологических особенностях изотропных высыпаний энергичных частиц и оценках времен их жизни сформулирована основные критерии, по которым можно отличать изотропные высыпания из токового слоя: - изотропные высыпания должна наблв-

даться выже некоей резкой границы (границы изотропии), толцина которой составляет десятые доли градуса; - ниве границы изотропии конус потерь пуст, вние - заполнен и степень заполнения не зависит от величины потоков частиц; - существует зависимость положения границы изотропии от жесткости частиц; граница более жестких частиц должна наблюдаться на меньиих миротах; - ожидаемая область регистрации - ночная часть авроральной зоны; - изотропные высыпания должны существовать при любых условиях, за исключением электронов, время жизни которых мало (часы).

Основным условием, используемым в алгоритме, является пороговое условие изотропного питч-углового рассеяния. По навей интерпретации оно выполняется в той силовой трубке, где располагается граница изотропии. Алгоритм может режать две задачи. Первая из них заклпчается в выборе модели из семейства моделей ' Цыганенко таким образом, чтобы согласовать модельные расчеты с экспериментальными данными наблюдений. Для ее ревения достаточно информации о положении границы изотропии для одной группы частиц. Вторая задача заключается в определении профиля Вг-компо-ненты (вдоль проекции траектории спутника) на токовом слое. Для ее режения необходимы измерения положения границ изотропии для частиц разных энергий и сорта. При решении первой задачи, для достижения наилучшего согласия между расчитанным и измеренным положением границы изотропии, варьируется величина тока в токовом слое модельного поля. Для ревения второй задачи используется условие сохранения магнитного потока совместно с условием критического рассеяния.

В разделе, 1.4 рассматриваются характеристики изотропных высыпаний и приводится эмпирическое обоснование метода границы изотропии. Проанализированы данные прямых измерений энергичных протонов и электронов, полученные на двух низковысотных спутниках серии НОЙА/ТИШ для нескольких сотен орбит. Результаты анализа для спокойных и возмущенных периодов показали, что эмпирические данные наблюдений изотропных высыпаний в ночной ионосфере подтверждают ожидаемые свойства этих высыпаний вследствие рассеяния на токовом слое.

В разделе 1.5 приведены результаты тестирования метода границы изотропии. Рассмотрены результаты расчета профиля Вя-компоненты на экваторе для полуночного меридиана при различных стартовых вариантах используемых моделей. Показано,

что эти различия слабо влияет на формд итогового профиля Вг-компоненты. Отличия между разными расчетными кривыми оказались меньве, чем их различие, с модельными профилями. На расчетных профилях отчетливо видно две наиболее важных особенности в поведении Вг-компоненты: - расчетные значения Вг-компоненты лежат ниве модельных Вг и наличие минимума в расчетных значениях Вг-компоненты. Сравнение расчетных и модельных кривых с данными прямых измерений магнитного поля в магнитосфере показало, что расчетные значения лучне соответствует эксперименту.

Сопоставлено положение границ изотропии измеряемых на низковысотных спутниках с величиной магнитного поля на геостационарной орбите. Результаты сопоставления показали, что имеется сильная зависимость положения границы изотропии от соответствувщих компонент магнитного поля. Для зианего сезона коэффициент корреляции составил 0.31, а для летнего - 0.95. Полученные регрессионные соотношения показывапт, что численно положение границы изотропии меняется примерно на 1 градус на каждые 10 нТл изменения соответствувщей компоненты. Для количественного сравнения и оценки точности восстановления магнитной конфигурации, были сопоставлен« измеренные и рассчитанные по скорректированной модели компоненты НР и НЕ в точке расположения спутника в секторе 20-04 Ш.Т. Расчеты показали, что погренность определения по нажей методике величины магнитного поля, составляет не более 10% от динамического диапазона измеряемых величин. Показано также, что при сопоставлении данных наблпдается систематическое отклонение (депрессия) НР-компоненты от расчетных значений. Это мсгет говорить о том. что в реальности градиент магнитного поля на экваторе больна, чем тот, что дапт модели.

Во второй главе рассматривается глобальная конфигурация магнитного поля магнитосферы, зоны вторжений и их связь с оболочками магнитосферы в период стационарной кагнитосферной конвекции (СМК).

В разделе 2.1 по литературным данным приводятся основные сведения о структуре плазменного слоя хвоста магнитосферы и зон вторжений. В отношении диффузной зоны вторжений больминство авторов согласно с тем, что диффузная зона проектируется во внутренний магнитосферу на расстояния 4-12 Не. В отномении области дискретных структур мнения различных авторов расходятся. Для ранения данной проблемы прямым проектированием желательны однов-

репейные,наблюдения в ионосфере и экваториальной магнитосфере, а также стационарные условия наблюдений.

В разделе 2.2 рассматриваются критерии идентификации периодов стационарной, магнитосферной конвекции и приводятся данные крупномасштабной магнитной конфигурации магнитосферы в период СМК и ее отличия от средних модельных. Отбор событий должен удоволетворять следующим требованиям: первое - наличие двух - вихревой конвекции в высоких виротах, второе отсутствие суббурь в течение длительного интервала при Bz < О (отсутствие наземных признаков суббурь, отсутствие признаков взрывной фазы суббури в спутниковых измерениях, отсутствие значительных изменений в крупномасштабной структуре высыпаний, токоз и полей). Для исследования было отобрано два периода стационарной конвекции - 19.02.Р8 г. и 24.11.81 г., для которых были собраны и обработаны данные мировой сети магнитометров, камер всего неба, риоаетров, данные радара STARE, нескольких низковысотных и ыагнитосферных спутников.

Для изучения особенностей глобальной конфигурации магнитосферы нами были использованы данные трех спутников -вблизи полуденного (пересечение магнитопаузы), полуночного меридианов и в области полярного каспа. Спутниковые наблюдения показывают значительную эрозии дневной магнитосфреры. Результаты сравнения спутниковых измерений со средними модельными конфигурациями показали, что во всей дневной магнитосфере отчетливо видна сильная депрессия Bz-компоненты магнитного.поля по отношению к модельным (25-30 нТл). Это явление связано, вероятно, с частичным разрунением токового слоя магнитопаузы в процессе магнитного пересоединения. Спутниковые данные указывают экваториальное поло-

О

жение полярного каспа. на нироте /0.3 Л. Все варианты моделей дают ииротн проекций (с 10 Re либо с последней замкнутой линии) не ниже 74°Л. В ночной магнитосфере на геостационарной орбите магнитные силовые линии отличаются от модельных больжей степенью вытянутости в хвост (больжая радиальная U-компонента и болыая депрессия Н -компоненты). Радиальная компонента на полуночном меридиане составляет -60 нТл, тогда как модельные расчеты дают только -35 нТл.

В разделе 2.3 рассмотрены ранее практически не изученные характерные особенности крупномасштабной структуры вторжений авроральной плазмы и энергичных частиц в периоды СМК.

По данным наземных наблюдений и снимкам сияний со спутника

построена схема распределения сияний в период СИК для 24.11.81г. На ночной стороне область дискретных сияний располагается на виротах > 70еЛ, а диффузная зона на - 60-65 П. Между ними расположена зона пониженного сзечения. По снимкам со спутника были определены полярная и экваториальная границы свечения по порогу интенсивности 1 кй в полосе 123-100 нМ. По контурам границ свечения была вычислена величина магнитного потока через область полярной папки и авроральнуп зону. Результаты расчетов показали, что величина магнитного потока через полярную вапку и авроральнуп зону остается практически постоянной в течение нескольких часов наблюдений. Зтот результат убедительно говорит о том, что в период СНК крупномасвтабная конфигурация магнитного поля магнитосферы стабильна.

По данным регистрации энергичных частиц на двух низковысотных спутниках серии Н0АА/ТШ05, были определены три типа границ: граница полярной вапки, граница фона и граница изотропии. Анализ данных положений границ в течение периода СМИ показал их устойчивость и регулярность во времени, что также свидетельствует об отсутствии крупномасвтабных изменений иагнитосферной конфигурации. Из этих же данных необходимо отметить стабильность положения границы изотропии для электронов и протонов с энергией ^ 30 кэВ, которые по навей интерпретации маркируют проекции экваториальной линии 8=сопз1 (В2-~5 нТл и В7.~30 т 40 нТл соответственно).

В разделе 2.4 рассмотрен вопрос о построении модели магнитного поля и приведены результаты отождествления зон вторжений с областями плазменного слоя для стационарного периода 19.02.78 г.

Рассмотрены литературные данные о характеристиках магнитного поля и плазмы на расстояниях 15-20 Яе в периоды СМИ. По наземным оптическим и спектральным наблюдениям для периода СИК 19.02.78 г. построено меридиональное распределение полного потока энергии высыпающихся частиц по эмиссиям 391.4 нМ, Н^ и выделена область дифузных сияний.

По магнитным данным измерений спутника £Е05—1 была выбрана модель поля из семейства моделей Цыганенко, по которой было проведено проектирование в ионосферу и на экваториальную плоскость магнитосферы на расстояния менее 10 Яе. По результатам проектирования сделан вывод о том, что зона максимальных потоков

на уровне ионосферы попадает в область максимума высыпающихся потоков авроральных протонов и электронов на жирате 64°Л. Б экваториальной плоскости зона максимальных потоков расположена на расстоянии г~6-71?е.

Однако' данная модель не может быть использована для проектирования на более далекие расстояния, т.к. она не удоволетЕоряет спутниковым измерениям на 15-20 1?е. Поэтсму, данная модель была модифицирована таким образом, чтобы не искажая поле на расстояниях ^ 10 Не, в то же время привести модельное поле в соответствие с измеряемой величиной. Вг-кокпоненты на расстояниях 15-20 Не. Пользуясь тем фактом, что на расстояниях ~100 Яе расположена нейтральная линия и Вг-коипонента на этих удалениях мала по величинь, для простоты, профиль Вг-компонеты был дополнен линейной аппроксимацией до точки с Вг=0 на расстоянии х=100 Ие. Для проектирования с больвих расстояний использовалось соотножение сохранение магнитного потока в силовой трубке. Расчеты показали, что проекция линии пересоединвния попадает на вироту 73 Л, что близко к вироте зоны активных дискретных сияний. Такии образом показано, что область дискретных форм проектируется в область развитого токового слоя с малой величиной Вг-компоненты. Последний результат подтверждется анализом данных положения границ для периода СЁК 24.11.81 г. Область дискретных сияний для этого периода располагается немного экваториальнее границы полярной жапки и значительно выже границы изотропии электронов с энергией 1 30 кзВ (разделяющей диффузную зону и зону дискретных форм). Поскольку, в соответсвии с намин подходом, граница изотропии электронов с энергией > 30 кзВ маркирует линию В~5 нТл. то это означает, что область дискретных форы проектируется в области плазменного слоя с малой величиной Бг-компонентн.

В заключении приведены основные результаты, которые состоят в следующем:

1. Впервые развит метод дистанционного зондирования магнитной конфигурации ночной магнитосфера, основанный на измеренияк на малых высотах границы изотропии высыпаний энергичных частиц, позволяющий по заданному положению границы изотропии определять версии модели и поправочный коэффициент к нодели, а при наличии измерений на нескольких жесткостях - определять поправки к профилю экваториального поля по отношению к мо-

дельным значениям.

2. Впервые исследованы особенности и подтверждена стационарность крупномасштабной конфигурации магнитосферного магнитного поля в период СЙК на основании постоянства магнитного потока через полярнув иапку и авроральнув зону, стабильности положения областей вторжений авроральных и энергичных частиц, включая границу изотропии энергичных протонов и электронов.

3. Проектирование зон дискретных и диффузных вторжений по модели, выбранной исходя из магнитных измерений в период стационарной магнитосферной конвекции дает следующие результаты:

- диффузная зона проектируется в силовые трубки внутренней магнитосферы, в которых давление (поток энергии) авроральных электронов достигает максимальных величин;

- высокозиротнне дискретные сияния проектируются з.удаленнув область токового слоя, с малой величиной Bz-компоненты. Последний вывод подтверждается и расположением дискретных структур

к полюсу от границы изотропии энергичных электронов, указывавших на малые величины Bz-компоненты в соответствующих силовых трубках.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Сергеев В.А., Зхнин А.Г., Папитаввили В.О., йальков М.В., Леннартсои В., Глассмайер К.-Х., Федорова Н.И., Вильяме Д. Исследования стационарной магнитосферной конвекции. Препринт ПГИ-80-05-47, 1986, Апатиты. 32 с.

?.. Сергеев В.А., Мальков И.В. О диагностике магнитной конфигурации плазменного слоя по измерениям энергичных электронов над ионосферой. Геомагнетизм и аэрономия, 1988, т. 28. H 4, с.649-654

3. Мальков М.В.. Сергеев В.А. Особенности магнитосферной конфигурации при устойчивой конвекционной активности. Геомагнетизм и аэрономия, -1991. т.31, N 4, с.722-725

4. Sergeeu U.A., flparicio В.", Perraut L.S., Malkov M.U.. Pellinen R.J. Structure of the inner plas«a sheet at Bidnight during steady convection. Planet. Space Sci., 1991. v.39, H 8.

p.1083-1096

5. Sergeev (J.A.. Malkov M.U., Mursula К. XX General Asseably