Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Генерация ионосферных токов вязким течением пограничного слоя магнитосферы

ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Генерация ионосферных токов вязким течением пограничного слоя магнитосферы"

РТ6

г з *

На правах рукописи

ПЛОТНИКОВ Игорь Яковлевич

ГЕНЕРАЦИЯ ИОНОСФЕРНЫХ ТОКОВ ВЯЗКИМ ТЕЧЕНИЕМ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ МАГНИТОСФЕРЫ

Специальность 04.00.23 — "Физика атмосферы и гидросферы"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Якутск — 1998

Работа выполнена в Институте космофизических исследований и аэрономии Сибирского отделения Российской Академии Наук (ИКФИА СО РАН).

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация —

Защита диссертации состоится в 10'

академик РАН Г.Ф. Крымский (ИКФИА СО РАН)

доктор физико-математических наук, профессор B.C. Семенов (Научно-исследовательский физический институт Санкт-Петербургского государственного университета);

доктор физико-математических наук, М.Г. Гельберг (ИКФИА СО РАН)

Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцина Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова

¿г. /г.

1998 г.

на заседании Диссертационного совета К 200.40.01 в ИКФИА СО РАН пс адресу:-677891, г. Якутск, пр. Ленина 31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИКФИА СО РАН.

и* 41.

Автореферат разослан.

1998 г

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат физико-математических наук

Л.П. Шадрине

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Исследование процессов переноса заряда, импульса и энергии частиц в околоземном пространстве является одним из актуальных направлений в современной физике ионосферы и магнитосферы.

Следствия переносов частиц, а в особенности, генерация электрических токов, играют важную роль в протеканнп различных физических явлений в ионосферно - магнитосферном взаимодействии. Связанные с токами магнитные эффекты повсеместно регистрируются в различных областях ближнего космоса. Их непосредственное действие,формирующее как физический объект магнитосферу, установлено по данным космических измерений в окрестностях Земли и по результатам исследований ряда других планет.

Энергоемкость магнитосферных токов сравнима с энергией корпускулярного воздействия Солнца на верхнюю атмосферу Земли. Поэтому электрические токи являются важнейшим динамическим фактором состояния солнечно - земных связей в полярных регионах, где ослаблена эффективность волновой солнечной радиации.

Выполненные к настоящему времени исследования процесса генерации высокоширотных магнитосферных токов ограничиваются рассмотрением локального подхода и ряда других приближений, адекватность которых трудно заранее оценить. В случае с электрическими токами основным эффектом является дальнодействие, широко распространенное в магнитной гидродинамике. Соответствующее этому согласованное описание токов на магнитопауое и в ионосфере, в котором учтено, что первая из структур выполняет функцию источника, а другая функцию нагрузки, может быть последовательным и содержательным в рамках более глобального функционального подхода.

Основной целью диссертации является теоретическое исследование процесса стационарной передачи энергии солнечного ветра во внешнюю магнитосферу с последовательным учетом магнитогидродинамическпх (МГД) и дальнодействующих эффектов.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые проведено теоретическое исследование замкнутой системы процессов генерации электрического поля и тока вязким течением плазмы в пограничном слое магнитосферы на основе МГД - моделирования электродвижущих сил (ЭДС) обтекания солнечным ветром магнитопаузы с учетом всех основных факторов, влияющих на формирование ЭДС, таких, как диссипатив-

ность, дальнодействие, конечность размеров пограничного слоя и неоднородность ориентации геомагнитного поля вблизи магнитосферной границы. ■'.'•..Впервые установлен и объяснён эффект противотечения, заключающийся в немонотонном профиле вязкого течения вблизи обтекаемой магнитной стенки: в промежуточной области между неподвижной стенкой и обтекающим ее внешним потоком могут формироваться возвратные маг-нитогидродинамические струи.

Впервые установлено, что стационарно ограниченное протекание солнечного ветра в магнитосфере определяется уровнем ионосферной проводимости и мало зависит от уровня проводимости солнечного ветра.

Показано, что образование двух пограничных слоев: низкоширотного и высокоширотного, согласуется с неоднородной ориентацией геомагнитного поля вблизи магнитосферной границы.

Впервые показано, что регулярные закономерности наблюдаемых вблизи магнитопаузы профилей течения и магнитного поля, а также связь ншз-коширотного и высокоширотного пограничных слоев с областями I и III токов и расположение их в высокоширотной ионосфере удовлетворительно описываются МГД - моделью генерации ЭДС вязким потоком солнечного ветра, обтекающим магнитосферу.

Научная и практическая ценность работы заключается в том, что развитая в ней теория позволяет правильно понять и количественно предсказать закономерности явления генерации магнитосферно - ионосферных токов течением солнечного ветра в магнитопаузе.

Автор выносит на защиту:

1. МГД - модель вязкого течения с генерацией электрических токов в нагрузке, которая описывает новый электростатический эффект взаимодействия проводящей жидкости и магнитного поля, состоящий в разделении потока на антипараллельные струи с поперечными размерами, ¡зависящими от относительной эффективности диссипативных процессов в генераторе и нагрузке.

2. Результаты приложения описанной МГД - модели к магнитосфере, выявившие зависимости протяженности хвоста и масштабов течений в пограничном слое от токов замыкания в ионосфере, состоящие в их регулировании пропорциональном ее электропроводности, а также результаты анализа экспериментальных данных, показывающие, что обнаруженные по космическим измерениям плазмы и попей не-

однородности в магнитопаузе отвечают сдвиговому характеру течения и обусловлены передачей в ионосферу энергии солнечного ветра в форме электрических токов.

3. Результаты расчетов, свидетельствующие о важной роли фактора неоднородности конфигурации геомагнитного поля на магнитопау-ое в протекании процесса передачи пмпульса солнечного ветра на ионосферный уровень, а также результаты анализа экспериментальных данных, показывающие, что наблюдаемые особенности широтной стратификации пограничных слоев удовлетворительно воспроизводятся моделями генерации высокоширотных ионосферных токов I и III.

4. Результаты исследования зависимости площади поперечного сечения магнитосферного пограничного слоя от режимов генерации ЭДС, показывающие, что величина площади определяется ионосферной проводимостью в режиме генерации электрического тока и магнпто-сферной проводимостью в режиме генерации напряжения.

Личный вклад автора. Автор активно участвовал в постановке задачи и в выборе методов ее решения. Вклад автора в разработке аналитического решения оадачи, осуществлении расчетов и анализе результатов является определяющим.

Апробация. Результаты, вошедшие в диссертацию, обсуждались и докладывались на Международных симпозиумах КАПГ по солнечно - земной физике (Ашхабад, 1979), 5-th General Assembly IAGA/IAMAP (Prague, 1985), по полярным геомагнитным явлениям (Суздаль, 1989), 30 th COSPAR Scientific Assembly (Hamburg, 1994); на YII Всесоюзной школе - семинаре по ОНЧ (Якутск, 1985); на Всесоюзном семинаре моделей ближнего космоса (Москва, 1993); на российских научных XYII (1994), XYIII (1995) ежегодных Апатитских семинарах (Апатиты); на научных семинарах в институте ИКФИА, а также опубликованы в работах [1] - [10].

Публикации. Основные результаты диссертационнго исследования □публикованы в 10 работах, список которых приведен в конце автореферата.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 8 6 страниц, 10 рисунков и библиографический список 1сиольг»ованной литературы из 89 публикаций.

Содержание работы

В первой главе диссертации выполнена постановка стационарной задачи ЭДС, производимой в окрестности лобовой точки магнитосферы обтекающим ее солнечным ветром на основе магнитогидродинамического подхода.

Модельное описание профилей магнитного поля {0,0, В(х)} и ЭДС [V х В] основано на уравнении магнитной индукции в кинематическом приближении:

,d2B dB „ _ n Л-рт- + Аах— + 2 аВ = О, ах2 ах

где Л — коэффициент диффузии магнитного поля, а — произвольный с размерностью градиента скорости множитель в заданном несжимаемом течении V = {—4ах, 2ау, 2az}.

В уравнении для области магнитосферной границы пренебрегается неоднородно стями по всем координатам,кроме поперечной в граничном слое толщиной d « A/u << R, что соответствует приближению плоской магни-топаузы, где -и — скорость солнечного ветра и R — характерный размер магнитосферы.

Принято, что в лобовой магнитопаузе имеется особая точка {0,0,0}, где V = 0 и в окрестности которой формируется обтекание магнитного препятствия невязким потоком. При этом магнитопауза трактуется как слой электрического тока j =- (l/¿i0)rotB с непротехаемой внутрь магнитосферы границей х = 0, где ц0 — магнитная проницаемость. Задача решается при значении а « и2/А и граничных условиях В(х = 0) = Во и (dB/dx)](x=o) = 0, где Во — магнитная индукция в дневной области внешней магнитосферы.

Из двух различающихся распределениями вихревой rot[V х В] ф- 0 и потенциальной div[V хВ]^0 ЭДС по отношению к генерации ионосферных токов принимается во внимание только составляющая, связанная с плотностью зарядов Q = e0divE = —e0div[VxB]. Поэтому с учетом rotV = 0 их возможный источник div[V х В] = V • rot[B] — В • rot[V] состоит из двух компонент —VXB и VyB, отличающихся направлениями дальнодействий ЭДС, первый поддерживает ток вдоль слоя и второй — поперек него.

Поскольку обтекающий магнитосферу поток содержит не только безвихревое течение, то задача решается при условии d » D значительной по толщине магнитодаузы, где D — толщина пограничного сдвигового (rotV 0) течения вблизи ее внутренней границы. Этому условию отве-

чает малый эффект поперечного ЭДС

У-пЛрВ] << В • пЛ[У]

или пренебрежение в лобовой области магнитосферы источником ионосферных токов.

Вторая глава диссертации посвящена изложению аналитического решения стационарной задачи генерации ЭДС и тока вязким МГД - течением применительно к низкоширотному пограничному слою (ЬЬВЬ) в магнитосфере и связанной с ним вдоль геомагнитных силовых линий аврораль-ной ионосфере. В рамках упрощений МГД - задачи Куэтта и сосредоточенных элементов внешней цепи изучается принцип генерации электрического тока сдвиговым течением и влияние ионосферной проводимости на перенос импульса солнечного ветра в магнитосферу.

Теоретическое описание основано на законе Ома j = ст(Е +- [V х В]) и уравнениях непрерывности электрического тока

= О

и движения вязкого потока

й2У

со скоростью V — {0, У(х), 0} в магнитном поле В = {0, В(г), В0}, где Во -однородное приложенное магнитное поле, сг и 77 - коэффициенты проводимости и вязкости.

Распределение давления Р вдоль течения во внимание не принимается. С учетом соотношений Б « 21 « Я (2/ - ширина) параметров поперечного сечения и Ь » Я протяженности в уравнениях для тонкого слоя пренебрегается элементами кривизны, что соответствует приближению прямолинейного течения. При этом известное по экспериментам в области ЬЬВЬ сдвиговое течение магнитосферной плазмы трактуется как поток между подвижной (х = 0) и неподвижной (х = £>) стенками бесконечно длинной трубы с прямоугольным сечением О х 21.

Поскольку магнитопауза в области ЫЛЗЬ является единственным источником, где осуществляется передача импульса движения обтекающего ее солнечного ветера в магнитосферную плазму, задача решается при граничных условиях

У(0) = У0 и У(2>) = 0,

которые означают прилипание частиц к подвижной и неподвижной стенкам, которые трактуются как магнитопауза и потокопауза. Прилипание

7

отсутствует вблизи двух других границ z = / и z = —/, соответствующих контакту LLBL с высокоширотным пограничным слоем (мантией).

Граничные условия

*(0) = 0 и Ф(О) = (v0B0D - g Up)

. для электрического потенциала (Е = —gradф) в режиме генерации тока отвечают равенству токов во внутренних и внешних цепях, которые представляют генератор LLBL и ионосферную нагрузку с сопротивлением г.

На рис. 1 (соответствует рис. 2.2 в диссертации) представлены профили безразмерных скоростей v = V/Vq и электрических потенциалов Y = Ф/VqBqD по ширине трубы в двух физически принципиально различных условиях. Верхнее распределение соответствует МГД - потоку, не создающему вязких напряжений на неподвижной стенке, совпадающей с линией £ = — 1, где £ = 1 — 2x/D. Это условие характеризуется соотношением v = (А/2>)На2 — 2 между сопротивлением нагрузки и геометрическими и физичекими параметрами для области течения, где и = 2arlLjD, На = BoDy/a/т] - число Гартмана. Нижние профили образуются при коротко замкнутой (v = 0) нагрузке. Немонотонное распределение скорости v объединяет поток увлеченный подвижной стенкой ( = 1 и противотечение вблизи неподвижной стенки С = — 1-

Эффект противотечения ассоциируется с существующей в магнитосфере конвекцией плазмы в солнечном направлении. Известная гипотеза Аксфорда и Хайнса (Axford W.I., Hines С.О., Canad. J. Phys., 1961., N°39., Р.1433) о вязком обтекании магнитосферы солнечным ветром непротиворечиво развивается в полученных решениях простейшего МГД -механизма с учетом джоулевой диссипации в ионосфере. Вместо проводимости в характеристическом числе Гартмана Hal = B$D3/ILrr) содержатся геометрический фактор D/IL внутренего сопротивления генератора и сопротивление г ионосферной нагрузки.

Оценка длины магнитосферного хвоста составляет и 102Re, где Re ~ радиус Земли. Приведенная оценка находится в удовлетворительном согласии с величиной 1 : 8 полуденно - полуночной ассиметрии распределения магнитосферного поля, измеренного на космических аппаратах до расстояний > 80Re от Земли (Fairfield D.H., J. Geophys. Res., 1993., V.98., N° A12., P.21265).

В третьей главе диссертации задача согласованной генерации ЭДС и тока решается для квазивязкого течения в низкоширотном пограничном слое магнитосферы в связи с генерацией утренне - вечерних магнито-сферно - ионосферных токов и продольных токов в полярной шапке. В

8

Рпс. 1. Профили скоростей V и электрических потенциалов У двух вязких потоков, один из которых со свободной границей (верхний график) и другой с коротко замкнутой нагрузкой (нижний график):

( — беораомерная координата по ширине трубы; С» — точка контакта увлекаемого потока и противотечения.

отличие от простейшей модели МГД - течения в трубе здесь исследуется роль распределенных магнитосферных токов в стационарном эффекте свободной границы вязкого потока, т.е. в естественно ограниченном ЬЬВЬ по толщине.

Рассмотрение механизма магнитосферно - ионосферного взаимодействия проведено на основе системы уравнений:

¿А .

ах

Ip + hPi = £

D

J Ipdx+ IqPqLo = J £ dx,

о 0

полученной для электрических цепей по правилам Кирхгофа, где )м - поверхностная плотность магнитосферного тока; 1о и Ii - полные токи в ионосфере авроральной и полярной шапки; 1м и I - полные токи в маг-нитосферном пограничном слое на высоких и низких широтах; £ - ЭДС в LLBL; 21/0 - диаметр полярной шапки; р = 1/lLcr, /э0 = l/2L0ka0 и /3i = 1/Lohai - погонные сопротивления в слое, авроральной ионосфере и ионосфере полярной шапки; h - толщина ионосферы; tTj - проводимость ионосферы в полярной шапке; ось Ох направлена по нормали к слою.

Из глобальной магнитосферно - ионосферной токовой системы учитываются только токи I и III по Иджима и Потемра утреннего и вечернего секторов местного времени. Интенсивность токов I в каждом из секторов авроральной области описывается величиной I(D). Токи I на ионосферном уровне замыкаются током /о, а на уровне высокоширотной магнитопау-зы — противоположно направленным 1^, Образуется замкнутая система связывающая утренне - вечерние токи.

Кроме того, независимо для каждого из секторов допускается распределенный ток jm утечки из LLBL, который питает ионосферный ток Д в области полярной шапки. Считается, что эффект утечки замкнут с током магнитопаузы посредством полярного тока III в области дневного каспа и магнитосферным током I в экваториальном слое.

Для распределенных токов заданы граничные условия 1м = h и /(0) = h(0) + /м• Генерация распределения ЭДС в LLBL описывается уравнением динамического равновесия магнитных и вязких сил при обычных краевых условиях £(0) = £0 и £(D) = 0, дополненных соотношением (dV/dx) \X=D = 0 для свободной поверхности вязкого течения на потокопаузе.

10

При этом стационарная толщина £)0 слоя определяется решением трансцендентного уравнения

• sh (6Dq) = 5 (1 + р/Pi) (А) + ¿opo/pi)!

где <52 = Bq/IRmt}(pi + p). В соответствии с приближенным решением Da sä LoPo(p + pi)/pi, она сравнима с размером ионосферной токовой системы. Это удовлетворительно согласуется с характеристиками LLBL, определенными по данным измерений на космических аппаратах.

В четвертой главе диссертации решается задача стационарной генерации ЭДС квазивяоким потоком солнечного ветра, обтекающим маг-нитосферный касп в приближении плоского слоя. Дается магнитогидроди-нампческое описание мантийной структуры в дневном каспе. Исследуется влияние неоднородности геомагнитного поля в магнптопаузе и ионосферного шунтирования магнитосферных токов III на характеристики расхода течения в высокоширотном пограничном слое.

Рассматривается прямолинейное сдвиговое МГД - течение V = {О, О, V(x)} в слое с толщиной D в трехмерном приложенном магнитном поле Во = {сх,—ксу, (к — 1 )cz) с каспенной особенностью в точке (0,0,0). Здесь использованы координаты правосторонней системы с осями, соответственно, направленными х - поперек слоя к Земле, у - по поверхности магнитопаузы в утреннюю сторону и л - вдоль потока, обтекающего магнитосферу, с = М/Л4 - параметр неоднородности поля каспа, М -магнитный момент Земли, R = 20Re - расстояние от каспа до Земли и к - параметр эллиптичности изолинии Во = const или пятна каспа на плоскости х = const.

В отличие от предыдущей главы, в расчетах стационарных ионосфер-но - магнитосферных токов I, /о и 1\ используется уравнение fE-dl = 0 для потенциального электрического поля, генерированного плотностью ЭДС £(х) = [V х (В + В0)], где В = {0,0, В(х)} - магнитная индукция, обусловленная плотностью тока в мантии. Здесь принято, что ионосферный ток Ii замыкает т4>ки III утреннего и вечернего секторов местного времени, а противоположно направленный ток I = (L/¡iQ)[B(0) — B(D)] замыкает их на уровне мантии в дневном каспе, где L - длина слоя вдоль потока. При этом внешний ток 10 и сопротивление 5R0 являются характеристиками возможного электродинамического взаимодействия между источниками ЭДС мантии и LLBL.

Полуширина слоя квазивязкого течения в каспе определяется выражением

I— (<тА— 1)3?о/2рь (1)

Рис. 2. Профили скорости (а) течения и индуцированного магнитного поля (б-г) в дневном каспе, рассчитанные при различных значениях параметров 7 , к и магнитного числа Рейнольдса Bßm.

где параметр

А = |piL \В{0) - B{D)} + пек J Vdx J |,=0

имеет размерность удельного опротивленпя и считается приведенным удельным сопротивлением плазмы в магнптоферном мантии.

Распределение ЭДС слоя описывается на основе частных решений МГД -уравнений индукции, движения и энергии:

АДВ + rot [V х (В + В0)] = 0 7?ДУ + [1 х(В + В0)]-VP = 0 (VV)P - (7 - 1) [^(rotV)2 +■ (rotB)VA'oH = 0.

которые удовлетворяет граничным условиями V(Q) = V0, В{0) = 0 в маг-нитопаузе и (дР/дх)\о = 0, (dV/dx)\D = 0 в потокопаузе. Здесь 7 -отношение удельных тепло емкостей, а двумя последними равенствами в условиях задается потокопауза — стационарная свободная граница х = D для вязкого потока.

На рис. 2 (соответствует рис. 4.2 в диссертации) представлены безразмерные скорость v(() — V(x/D)/V0 и магнитное доле b(() = B(x/D)/cD в кинематическом приближении, при На — 0 или предельно вязком потоке плазмы в каспе. Кривые, обозначенные &0,соответствуют однородному потоку 1)0,11 bl — сдвиговым потокам vi.

Интересной особенностью условий в каспе является то, что при отсутствии соотношения V(D) = 0, описывающего "прилипание" вязкого потока на границе, допускаются динамическая (V(D) ф 0 при (дР/дг)\о = 0) и статическая (V(D) = 0 при (dP/dz)\D -ф- 0) потокопаузы. В первом варианте, проанализированном в работе Трошичева (Трошичев O.A. Маг-нитосферные исследования., 1983., iV° 2., С.54) считается, что однородное течение в пограничном слое происходит от внешнего избыточного давления в лобовой области магнитосферы.

Во-втором варианте сингулярное на границе х = D уравнение энергии регуляризуется при соотношении

На\ = [(2 - 7)(472 - ^ + 9)3/2 - I674 + З273 + 5672 - 727 + 27],

с учетом которого рассчитывается толщина £>« = у На*л/\т]/с равновесного сдвигового течения в каспе.

1,8 2,0

Рис. 3. Зависимости толщины £>, и полуширины I мантии в каспе, сот-ветственно, от отношения тепло емкостей 7 и от числа Гартмана На при различных ¡значениях параметра формы каспа к.

На рис. 3 (соответствует рис. 4.3 в диссертации) это иллюстрируется зависимостью относительной толщины D„f D0 от 7 при наборе параметров к — 0.1, 0.2...0.6, где -Do - толщина LLBL. Качественно зависимость (нижние кривые) имеет отрицательный коэффициент линейной связи,такой, что максимальное отношение ~ 7 толщин высоко - и низкоширотных пограничных слоев отвечает изотермическому (7 = 1) течению. Приведенная оценка удовлетворительно согласуется с определениями толщин мантии и LLBL в космических экспериментах (Paschmann G. et all., D.Reidel, Hingham, Mass., 1974., P.249) и (Rosenbauer H. et all., J. Geophys. Res., 1975., V.80, iV« A19, P.2723). • " .

Расчеты по формуле (1) представлены в правом верхнем углу на рис. 3 (3 верхние кривые) зависимостью относительной полуширины £/10 от 11а при низкой ионосферной проводимости (pi р), полуширине /0 = 3?0/2рВе, и наборе параметров к = 0.25,0.5,0.75. Качественно зависимость близка к обратной пропорциональности. Видно, что с учетом динамики ионосферной проводимости проявляется ее влияние на площадь сечения £0 х D, каспенного потока плазмы и наряду с внешними причинами, известными по экспериментам, теория мантии предсказывает вариации массового расхода плазмы магнитосферного происхождения.

Заключение

В работе выполнено теоретическое исследование магнитогидродпна-мического процесса передачи импульса солнечного ветра в ионосферу и согласованной генерации электрического поля и токов в магнитосфере.

Основные результаты, полученные в диссертации, можно сформулировать следующим образом:

1. Впервые поставлена и решена задача согласованного описания процесса вязкой генерации электрического поля и токов применительно к маг-нитосферному пограничному слою и хвосту в рамках магнитогидродина-мического подхода с использованием правил Кирхгофа, которые позволяют получать замкнутое решение задачи.

2. Впервые установлен и объяснен эффект противотечения, заключающийся в немонотонном профиле вязкого течения вблизи обтекаемой магнитной стенки: в промежуточной области между неподвижной стенкой и обтекающим ее внешним потоком могут формироваться возвратные маг-нптогпдродинампческие струи.

3. Впервые установлено, что в рамках магнитогидродинамического подхода стационарно ограниченное протекание солнечного ветра в магня-

тосфере определяется уровнем ионосферной проводимости и мало зависит от уровня проводимости солнечного ветра. Только наличие нестационарного механизма пере со единения земного и межпланетного магнитных полей может приводить к существенному увеличению потока энергии из солнечного ветра в магнитосферу и ионосферу.

4. Показано, что конечность анизотропии магнитосферной проводимости является основным фактором, который наряду с уровнем эффективной проводимости в пограничном слое "определяв т размеры областей I и III токов и их расположение в высокоширотной ионосфере.

5. Впервые показано, что регулярные закономерности наблюдаемых вблизи магнитопаузы профилей течения и магнитного поля удовлетворительно воспроизводятся в рамках магнитогидродинамического моделирования и соответствуют двум пограничным слоям: низкоширотному и высокоширотному, что согласуется с неоднородной ориентацией геомагнитного поля вблизи магнитосферной границы. Сравнение результатов расчета с измерениями пространственного распределения плотностей частиц, их массовой скорости и магнитного поля в магнитосферных пограничных слоях показало, что согласованная модель генерации ЭДС вязким потоком, основанная на магнитогпдродинамическом подходе и включающая учет основных факторов, влияющих на процесс генерации электрического поля и токов (неоднородность ориентации магнитного поля, дальнодействие и конечность анизотропии проводимости), адекватно объясняет особенности передачи энергии солнечного ветра в магнитосферу и ионосферу.

Библиографический список публикаций автора по теме диссертационного исследования

[1] Плотников И.Я. О магнитосферном генераторе электрического тока. / Физика верхней атмосферы высоких широт. Результаты комплексных геофизических исследований. Якутск: ЯФ СОАН СССР. — 1975. — С.81-92.

[2] Плотников И.Я. К вопросу о магнитосферном МГД - генераторе. / Физические процессы в верхней атмосфере высоких широт. Якутск: ЯФ СОАН СССР. — 1976. — С.83-97.

[3] Плотников И.Я. Перенос электроэнергии в анизотропно - проводящей среде. / Бюллетень НТИ. Октябрь 1977. Якутск: ЯФ СОАН СССР. — 1977. — С.23-25.

[4] Крымский Г.Ф., Плотников И.Я. Непрерывные решения МГД - уравнений в окрестности лобовой магнитопаузы. / Симпозиум КАПГ по солнечно - земной физике. Ашхабад. — 1979. — С.24-25.

[5] Плотников И.Я. Пограничный спой магнитосферы и передача энергии в ионосферу. / Динамические характеристики естественных низкочастотных излучений. Якутск: ЯФ СОАН СССР. — 1987. — С.105-109.

[6] Плотников И.Я. Вязкое течение в пограничном слое магнитосферы. // Геомагнетизм и аэрономия. — 1989. — Т.29, — N«5. — С.843-846.

[7] Плотников И.Я. Функциональная модель пограничного слоя магнитосферы. / Международный симпозиум. "Полярные геомагнитные явления". Суздаль, 1989. Апатиты: КНЦ АН СССР. — 1989. — С.74-78.

[8] Плотников И.Я. Вязкое течение плазмы в дневном каспе магнитосферы. / Исследование геофизических явлений в Якутии. Якутск. ЯНЦ СО РАН. — 1993. — С.38-45.

[9] Плотников И.Я. Магнитный касп в вязком потоке плазме. / Математические модели ближнего космоса. Москва, 1993. М.: МГУ.— 1993. — С.6-7.

[10] Плотников И.Я. Гидромагнитная модель дневного каспа земной магнитосферы. // Геомагнетизм и аэрономия. — 1996. — Т.Зб, — 3. — С.50-58.

Подписано в печать 3 .11.98 г. Заказ iV° 22 2 Формат 60 х 84г/1в . Бумага офсетная. Печать офсетная. Ткраж 100 экз. Объем 1 п.л.

ГУП "Полиграфист".

677007, г. Якутск, ул. Петровского, 2.

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата физико-математических наук, Плотников, Игорь Яковлевич, Якутск

Г 'Я Ъ

'\--.J и»-]* ..

российская академия наук

сибирское отделение

институт космофизических исследований

и аэрономии

На правах рукописи

ПЛОТНИКОВ Игорь Яковлевич Ц, ^

ГЕНЕРАЦИЯ ИОНОСФЕРНЫХ ТОКОВ ВЯЗКИМ ТЕЧЕНИЕМ ПОГРАНИЧНОГО СЛОЯ МАГНИТОСФЕРЫ

Специальность 04.00.23 — "Физика атмосферы и гидросферы"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель —

академик РАН

_ «_» _

КРЫМСКИМ Гермоген Филиппович

Якутск — 1998

Оглавление

Введение 4

Глава 1. Магнит ос ф ерно — ионосферные электрические токи 10

1.1. Магнитосферные источники высокоширотных токов 10

1.2. Магнитогидродинамическое течение вблизи магнит-

ной стенки........................ 21

Выводы.......................... 32

Глава 2. Генерация ЭДС и токов вязким МГД — течением 33

2.1. Простейшая физическая модель магнитогидродина-мического генератора.................. 34

2.2. Проявление дальнодействия магнитогидродинамиче-

ского генератора..................... 39

Выводы.......................... 44

Глава 3. Источник ЭДС магнитосферных токов I 45

3.1. Вязкое течение в пограничном слое магнитосферы . 46

3.2. Связь масштаба пограничного слоя с анизотропией

магнитосферной проводимости........................52

Выводы....................................................54

Глава 4. Гидромагнитная модель дневного каспа земной магнитосферы 55

4.1. Источник ЭДС магнитосферных токов III ...... 55

4.2. Вязкое МГД - течение в дневном каспе магнитосферы 60

4.3. Анализ приближенного решения..... ....... 64

Выводы.......................... 71

Заключение 72

Библиографический список использованной литературы 75

Введение

Исследование процессов переноса заряда, импульса и энергии частиц в околоземном пространстве является одним из актуальных направлений в современной физике ионосферы и магнитосферы.

Следствия переносов частиц, а в особенности генерация электрических токов, играют важную роль в протекании различных физических явлений в ионосферно - магнитосферном взаимодействии. Связанные с токами магнитные эффекты повсеместно регистрируются в различных областях ближнего космоса. Их непосредственное действие, формирующее как физический объект магнитосферу, установлено по данным космических измерений в окрестностях магнитопаузы— внешней границы магнитного поля Земли — и по результатам исследований ряда других планет.

Энерговыделение ионосферно - магнитосферных токов сравнимо с энергией корпускулярного воздействия Солнца на верхнюю атмосферу Земли. Поэтому электрические токи являются важнейшим динамическим фактором состояния солнечно - земных связей в полярных регионах, где ослаблена эффективность волновой солнечной радиации.

Выполненные к настоящему времени исследования процесса генерации высокоширотных магнитосферных токов ограничиваются рассмотрением локального подхода и ряда других приближений, адекватность которых трудно заранее оценить. В случае с электрическими токами основным эффектом является дальнодействие, широко распространенное в магнитной гидродинамике. Соответствующее этому согласованное описание токов на магнитопаузе,

выполняющей функцию источника, и в ионосфере с функцией нагрузки может быть последовательным и содержательным в рамках более глобального функционального подхода [1] - [10].

Основной целью диссертации является теоретическое исследование стационарного процесса передачи энергии солнечного ветра (СВ) во внешнюю магнитосферу с последовательным учетом магнитогидродинамических (МГД) дальнодействующих эффектов.

Представления об энерговыделениях при переносе импульса солнечного ветра вглубь магнитосферы вплоть до ионосферных высот весьма многообразны. Для поставленной цели ключевыми послужили те из них, которые объясняют образование формы энергии, связанной с непрерывным протеканием токов в магнитосфере и ионосфере.

В данной работе исследованы основные электростатические источники, питающие токовые системы в ионосферной области, связанной вдоль геомагнитных силовых линий с низкоширотным и высокоширотным пограничными слоями магнитосферы. Разработанные теоретические модели электродвижущих сил (ЭДС) вязких МГД - течений в стационарной внешней магнитосфере в явном виде учитывают ионосферную омическую нагрузку.

В первой главе дается обзор представлений о механизмах магнитосферно - ионосферных явлений и рассматривается процесс обтекания солнечным ветром окрестности лобовой точки магнитосферы. В обоснованном магнитогидродинамическом приближении получено решение для профиля магнитного поля в маг-нитопаузе с особой точкой, в окрестности которой формируется обтекание потоком магнитного препятствия. С учетом того, что на внутренней поверхности магнитопаузы в обтекающем потоке с удалением от лобовой точки линейно нарастают тангенциальные напряжения, указывается на возможность значимого перено-

са плазмы и ее импульса во внутренний магнитосферный пограничный слой, который в согласии с экспериментальными данными разделяется на ЬЬВЪ и мантию.

Во второй главе исследован процесс генерации ЭДС вязким МГД - течением в низкоширотной (экваториальной) области магнитосферы. В рамках упрощений задачи Куэтта и сосредоточенных элементов внешней цепи описан принцип генерации ионосферных токов сдвиговым течением, установленным экспериментально в области ЪЬВЪ. Выполнены качественно верные его приложения в физике магнитосферного хвоста и возвратной конвекции, зависящих от электропроводности ионосферной нагрузки.

Среди рассчитанных профилей куэттовских течений особое внимание уделено одному из них, соответствующему вязкому потоку со свободной границей. Он интересен тем, что в согласии с наблюдениями показывает возможные характеристики ограниченного распространения тангенциального импульса солнечного ветра в ЬЪВЬ на утреннем и вечернем флангах магнитосферы.

Третья глава посвящена изучению взаимосвязи процессов разделения и переноса зарядов, производимых в ЬЪВЬ и стекающих в ионосферу через анизотропно проводящую магнитосферу. С учетом различий по величине электропроводности ионосферы в авроральных и полярных областях развита распределенная модель низкоширотного пограничного слоя. Отличительная от известных моделей особенность ее заключена в электрической связи между утренним и вечерним флангами магнитосферы. Возможные пути растекания магнитосферно - ионосферных токов рассчитываются посредством представленного в дифференциальной форме известного правила Кирхгофа.

Существенное место отведено выяснению характеристик приведенной магнитосферной проводимости, с величиной которой свя-

зано стационарное пространственное положение свободной границы, формируемой вязкой передачей импульса СВ в область низкоширотной магнитопаузы. С учетом условий разделения потоков электромагнитной энергии, переносимой в высокоширотную ионосферу продольными токами I и III, и на основе уравнений баланса магнитных и вязких напряжений в LLBL обсуждается возможность согласования экспериментальных и вычисленных профилей течения в магнитосферном пограничном слое.

Утечка тока из LLBL в область продольных токов III является значимым, как специально выясняется далее, обстоятельством взаимного влияния МГД - процессов в LLBL и мантии. В четвертой главе описана модель генерации вязким течением продольных токов III, где в электрической схеме на ионосферном уровне учтено возможное шунтирование ЭДС этих магнитосферных пограничных слоев.

В трехмерной линейной МГД - модели генераторов ЭДС в дневных каспах отражена их особая роль в поступлении импульса СВ в магнитосферу. Как выше отмечено, каспенная конфигурация силовых линий геомагнитного поля имеет компонент, перпендикулярный к поверхности магнитопаузы, в связи с чем может проявляться ее открытость для вязкой передачи импульса СВ. Оценки ее эффективности получены по согласованию данных измерений в каспах с модельными решениями для качественно разных однородных и сдвиговых течений. Их воздействие на неоднородность магнитного и плазменного давления в каспе и продольные токи III обсуждается в ряду дополнительных возможностей для выяснения элементов сложной картины токовых явлений, обнаруженных по экспериментальным данным в полярной шапке1.

В заключении обобщаются ключевые моменты низкочастотного МГД - подхода к описанию ионосферно - магнитосферных

токовых структур и обозначены перспективы последовательного и целенаправленного его применения для изучения нестационарных явлений в ионосферных токах.

Результаты, вошедшие в диссертацию, обсуждались и докладывались на Международных симпозиумах КАПГ по солнечно -земной физике (Ашхабад, 1979), 5-th General Assembly I AG A/I AM АР (Prague, 1985), по полярным геомагнитным явлениям (Суздаль, 1989), 30 th COSPAR Scientific Assembly (Hamburg, 1994); на YII Всесоюзной школе - семинаре по ОНЧ (Якутск, 1985); на Всесоюзном семинаре моделей ближнего космоса (Москва, 1993); на российских научных XYII (1994), XYIII (1995) ежегодных Апатитских семинарах (Апатиты); на научных семинарах в институте ИКФИА, а также опубликованы в работах [1] - [10].

Автор выносит на защиту:

1. МГД - модель вязкого течения с генерацией электрических токов в нагрузке, которая описывает новый электростатический эффект взаимодействия проводящей жидкости и магнитного поля, состоящий в разделении потока на антипараллельные струи с поперечными размерами, зависящими от относительной эффективности диссипативных процессов в генераторе и нагрузке.

2. Результаты приложения описанной МГД - модели к магнитосфере, выявившие зависимости протяженности хвоста и масштабов течений в пограничном слое от токов замыкания в ионосфере, состоящие в их регулировании, пропорциональном ее электропроводности, а также результаты анализа экспериментальных данных, показывающие, что обнаруженные по космическим измерениям плазмы и полей неоднородности в магнитопаузе отвечают сдвиговому характеру течения и обусловлены передачей в ионосферу энергии солнечного ветра в форме электрических токов.

3. Результаты расчетов, свидетельствующие о важной роли фактора неоднородности конфигурации геомагнитного поля на магнитопаузе в протекании процесса передачи импульса солнечного ветра на ионосферный уровень, а также результаты анализа экспериментальных данных, показывающие, что наблюдаемые особенности широтной стратификации пограничных слоев удовлетворительно воспроизводятся моделями генерации высокоширотных ионосферных токов I и III.

4. Результаты исследования зависимости площади поперечного сечения магнитосферного пограничного слоя от режимов генерации ЭДС, показывающие, что величина площади определяется ионосферной проводимостью в режиме генерации электрического тока и магнитосферной проводимостью в режиме генерации напряжения.

ГЬава 1

Магнитосферно — ионосферные электрические токи

Результаты многочисленных экспериментов, выполненных на космических аппаратах, свидетельствуют о наличии интенсивных процессов генерации магнитосферных токов, реализующихся в магнитопаузе, плазменном слое и вблизи ионосферы. Измерения солнечного ветра и геомагнитного поля, выполненные в окрестности границы магнитосферы [11] - [20], свидетельствуют о преобладающей роли процесса обтекания [21] - [31] в формировании наблюдаемой конфигурации магнитопаузы в тех случаях, когда магнитное поле токов является препятствием с лобовой точкой (см. также монографии [32, 33], обзоры [34, 35], диссертации [36, 37! и ссылки там).

В настоящей главе выполнена постановка МГД - задачи токового слоя в невязком течении, обтекающем плоское препятствие.

1.1. Магнитосферные источники высокоширотных токов

Высокоширотная ионосфера, как южного так и северного полушарий, делится на несколько областей в соответствии с ее физическими свойствами и характеристиками электроной и ионных компонентов. Одна ее часть — авроральный овал, опредеяемый по полярным сияниям, характеризуется протеканием интенсивного ~ 106 А электрического тока, образующего ОР.....2 систему.

Другая более высокоширотная область — полярная шапка содер-

и

жит ряд различающихся по масштабам токовых систем, из них наиболее известные БР-3 и БР-4 системы.

Особенность динамики большинства из них заключена в сходстве с БР-3, в которой направления токов в произвольные моменты времени изменяются на противоположные. Соответственно, по локализации и динамическим признакам они отличаются от БР-2, где токи вариируют лишь по величине. Различное поведение ионосферных токов позволяет отнести их к разным типам систем с постоянными или эпизодически переменными токами. В связи с разнообразием характеристик систем интерес представляют физические основы их внеатмосферных источников, производящих разные типы токовых проявлений в процессе ионосферно -магнитосферного взаимодействия.

Известно, что происхождение токовых систем связано с воздействием на магнитосферу Земли солнечной плазмы и межпланетного магнитного поля (ММП). В работах [38, 391 по данным регрессионного анализа и эмпирического моделирования установлена связь между вариациями магнитосферного поля и параметрами солнечного ветра (СВ). Получены свидетельства, что его плотность п ~ 10 см-3 и скорость V ~ 400 км/с являются определяющими факторами формирования постоянных токовых систем: БР-2 и ей подобных. При этом знакопеременные компоненты ММП порождают БР-3 и, соответственно, другие ионосферные системы переменных токов.

В механизмах генерации ионосферно - магнитосферных токов существенным обстоятельством является то, что полярные области ионосферы вдоль геомагнитных силовых линий связаны с внешней частью магнитосферы. Этот обширный регион околоземного космического пространства расположен между ее сердцевиной с характерным размером 6Дб {Не — 6370 км - радиус

Земли) и обтекаемой солнечным ветром границей — магнитопа-узой, удаленной от Земли на расстоянии R^ = 10Rg в дневном секторе и > 100R% в ночном.

По современным представлениям [40] эта область содержит несколько токовых слоев, а также ряд оамагниченных плазменных образований, в которых предположительно идут процессы разделения зарядов, питающие глобальные токовые системы. Наиболее удаленные от Земли масштабные токовые слои: DCF и токи плазменного слоя, первые создают магнитопаузу — внешнюю границу магнитосферы и вторые разделяют нейтральной поверхностью магнитные потоки северной и южной долей магнитосферного хвоста. В большей степени определенно непосредственное отношение к ионосферным токам имеют листовые системы I, II и III продольных токов, т.е. текущих вдоль геомагнитных силовых линий, обнаруженные по магнитным измерениям [41] на высотах более 1000км от ионосферной поверхности и связанные по теории [42] с неоднородным давлением магнитосферной плазмы.

Показаные на рис. 1.1 из работы [41] токи I и II текут в авро-ральной области, а токи III в полярной шапке. Они имеют разные интенсивности и представлены соответственно в порядке их уменьшения. При этом все они состоят из втекающих в ионосферу и вытекающих из нее токов. Полный ток втекает в ее утреннем секторе и вытекает в вечернем, что указывает на доминирующий вклад токов I. И так как вдоль геомагнитных силовых линий область I [43] проектируется на утренний и вечерний фланги экваториальной области магнитосферной границы, то к ним в работе проявлен особенный интерес, связанный с необходимостью изучения механизмов генерации постоянных токов I.

По наземным и спутниковым магнитным измерениям определены пропорциональные по интенсивности ионосферные и про-

т

I ли < 100 Т

12 т

Рис. 1.1. Распределение продольных токов в авроральной области и полярной шапке [41]:

I - токи, втекающие в ионосферу; II - токи, вытекающие из ионосферы; АЪ -высокоширотный индекс геомагнитной воомутценности

дольные токи. Поскольку коэффициент пропорциональности контролируется педерсеновской проводиммостью ионосферного Е -слоя [44], считается, что омическая нагрузка в ионосфере расходует энергию магнитосферного генератора электрического тока. Необходимое для этого ее количество поставляет СВ — главный источник внешней энергии, поступающей в магнитосферу через обтекаемую им магнитопаузу.

В настоящее время в ряду перспективных механизмов передачи энергии СВ в магнитосферу особое место отводится плазменному течению вблизи экваториальной магнитопаузы в области, занятой геомагнитным полем. Выполненные на космических аппаратах [45] магнитные и плазменные измерения показывают, что толщина этого низкоширотного пограничного слоя (по принятой абревиатуре ЬЬВЬ) магнитосферы увеличивается до значения > Яе пропорционально удалению от ее лобовой точки. При этом зарегистрированные величины потерь скорости > 200 км/с

„ _о

и плотности > 5 см частиц свидетельствуют об эффективном фрикционном торможени�