Изучение динамики внутренней магнитосферы в периоды геомагнитных возмущений

Магнитосфера Земли образуется при взаимодействии потока солнечного ветра с магнитным полем Земли. В результате формируется полость, заполненная частицами солнечного ветра и ионосферы Земли. Топологические особенности магнитных силовых линий и траектории движения энергичных частиц позволяют выделить четыре основных характерных области магнитосферы: “сердцевина”, область квазизахвата, “хвост” и касп.

В области квазизахвата на геоцентрических расстояниях от ~6 R_E до ~10 R_E силовые линии магнитного поля сжаты в дневные часы, а в ночные часы вытянуты в направлении от Солнца как за счет токов магнитопаузы, так и, в основном, за счет токов хвоста. В области квазизахвата происходит ускорение и инжекция частиц во внутренние области магнитосферы во время магнитосферных суббурь. Потоки частиц малых энергий в области квазизахвата контролируются крупномасштабными электрическими полями конвекции и полями меньших масштабов. Радиус кривизны силовых линий в области токового слоя хвоста для основной массы частиц становится сравнимым с ларморовским радиусом. Движение частиц в таких условиях может являться неадиабатическим. В результате, с одной стороны возникает стохастизация движения, приводящая к изотропии давления плазмы, а с другой – могут возникать сложные структуры на функции распределения частиц.

Особый интерес представляют области перехода от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям, где текут мощные поперечные и продольные токи, и по данным ряда наблюдений локализовано начало взрывной фазы суббури. Исследование динамики частиц и флуктуаций магнитного поля в околоземной магнитосфере во время суббури по данным ИСЗ CRRES, имеющего в апогее 6.7 Re, является актуальным для исследования процессов в данной области, в частности, для построения модели суббури.

Распределение частиц в ближнем плазменном слое магнитосферы Земли

По данным измерений частиц в диапазоне энергий от 0.1 до сотен кэВ на L ~ 2.3-6.7 на спутнике CRRES видно, что во внутренней магнитосфере полное давление частиц возрастает как во время суббури, так и во время псевдобрейкапа и в связи с небольшими интенсификациями. Анализ энергетического состава ионов показал, что энергия ионов, которые дают основной вклад в эти возрастания давления, меняется от значений больше 60 кэВ в случае суббури до значений менее 30 кэВ в случае небольшой интенсификации.

Кроме того показано, что в радиальном профиле полного давления частиц имеется дополнительный максимум на L ~ 4.8. Этот максимум наблюдается через примерно 20-30 минут после начала небольшой интенсификации магнитной активности (АЕ ~ 200 нТл), а возрастание давления на L ~ 5.4 – почти одновременно с псевдобрейкапом (АЕ ~ 450 нТл). С началом большой суббури (АЕ ~ 1100 нТл) возрастание высокоэнергичной части давления ионов наблюдается на L ~ 6.3, которое сопровождается одновременным резким падением давления низкоэнергичных (< 30 кэВ) частиц. Таким образом, крупномасштабное электрическое поле конвекции и поля меньших масштабов, а также динамические изменения в электрическот и магнитном полях являются основными процессами, которые формируют распределение частиц и профиль давления.

 

Давление и потоки частиц и на CRRES во время события 24 января 1991г.: Z-компонента магнитного поля, перпендикулярные Jperp и параллельные Jpara потоки ионов, давление низкоэнергичных (LEPA) и более энергичных (EPAS) ионов и давление магнитного поля.

Исследование областей неадиабатического движения протонов в ночном секторе магнитосферы

По данным CRRES оценивалась геометрия областей неадиабатического движения протонов в ночном секторе ближней (5-12 R_E) магнитосферы. Анализировалась динамика этих областей при переходе от подготовительной к взрывной фазе суббури. Была разработана и использовалась динамическая модель магнитосферы, составленная из статической статистической модели Цыганенко-89 и магнитного поля дополнительной токовой системы. Наблюдаемые на CRRES возмущения магнитного поля использовались для определения параметров этой дополнительной токовой системы. Получено, что в ночном секторе магнитосферы на 5-6 R_E во время подготовительной фазы суббури формируется граница, которая разделяет области с разным характером движения частиц и искривляется в радиальном направлении в виде выступа. Локализованная область ускорения протонов с энергиями 85-190 кэВ в начале суббури располагалась на вечерней стороне этого выступа на ~ 6.3 R_E, а затем перемещалась в хвост со скоростью ~230 км/с.

 

Примеры конфигурации дополнительной токовой системы и силовых линий, проходящих через спутник CRRES и геостационарный спутник 1990-1995

Исследование динамики частиц и флуктуаций магнитного поля в околоземной магнитосфере во время суббури

Вариации потоков частиц и магнитного поля в околоземной магнитосфере во время суббури исследовались по данным спутника CRRES на 5-7 Re от Земли. Показано, что вариации имеют многомасштабную структуру и их характер меняется при переходе к взрывной фазе суббури. В конце подготовительной фазы за 2 минуты до начала брейкапа, одновременно с бездисперсионной инжекцией энергичных (54-147 кэВ) ионов, появляются чередующиеся вспышки низкоэнергичных ионов (0.633-9.6 кэВ) и электронов (7.31- 21.7 кэВ) длительностью в 100-120 сек с квазипериодом в 3.5 мин. На иллюстрации приведены вспышки ионов “a”, “c”, “e” и электронов “b”, “d” и “f”, зарегистрированные на CRRES в суббурю 12 марта 1991. Вспышки ионов происходят во время малых флуктуаций dBt и не связаны с определёнными изменениями . Вспышки электронов происходили на 1-2 минуты позже, чем вспышки ионов и сопровождаются небольшой диполизацией и возрастанием флуктуаций магнитного поля с квазипериодом ~ 40-60 сек.

 

Развитие вспышек низкоэнергичных ионов и электронов по данным спутника CRRES во время суббури 12 марта 1991 г. Скользящие сглаженные за 60 с значения Z компоненты магнитного поля, Bz, флуктуации полного магнитного поля dBt=Bt-, потоки ионов и электронов в (см^-2 с-1 ср^-1 кэВ^-1) для некоторых каналов энергий. Брейкап начался в 2026UT.

Наблюдаемые вспышки низкоэнергичных частиц согласуются с картиной резонанса дрейфовая волна – стоячие колебания магнитных силовых линий. Локальная диполизация магнитного поля совпадает с уменьшением потоков низкоэнергичных ионов, инжекцией энергичных электронов и появлением более мелкомасштабных флуктуаций магнитного поля. Эти выводы дополняют выводы других авторов, полученные на другом экспериментальном материале и свидетельствующие в пользу зарождения суббури в околоземном плазменном слое на расстояниях < 10 R_e.

 

Схема, иллюстрирующая резонанс дрейфовой волны со стоячими колебаниями магнитных силовых линий, связанный с фронтом энергичных ионов, дрейфующих на запад. Силовые линии представлены прямыми линиями от экваториальной плоскости до ионосферы (вид в северном полушарии). Волнистая линия на экваториальной плоскости – проекции силовых линий во время осцилляций, которые до начала осцилляций были на одной L оболочке. Силовые линии с минимальным положением в некоторый момент (точки ’a ’,’c’ и ‘e’) содержат максимальный положительный заряд. Им соответствуют наблюдаемые в суббурю 12 марта 1991 г вспышки ионов. Точки же ’b ’,’d’ и ‘f’ находятся в тот же момент времени в максимально смещённом положении и имеют отрицательный заряд. Им соответствуют вспышки электронов.

Исследование флуктуаций магнитного поля во время суббури

Иррегулярные флуктуации магнитного поля на масштабах 8-150 с исследовались при помощи вейвлет-анализа по данным спутника CRRES на 6-7 R_e от Земли во время суббури. Показано, что эти флуктуации имеют многомасштабную структуру, в некоторых случаях наблюдается сдвиг по частоте. Флуктуации в разных компонентах магнитного поля имеют различный временной масштаб. Появление наиболее мелкомасштабных флуктуаций в рассмотренных случаях совпадает с инжекцией энергичных частиц. Эти выводы дополняют выводы других авторов, полученные на другом экспериментальном материале.

Основные публикации

Kozelova T.V., Lazutin L.L., Kozelov B.V. Dipolarization and Disturbance Currents in the Magnetosphere as Observed by the CRRES Satellite // Geomagnetism and aeronomy,V.39, #1, 15-26, 1999.

Б.В. Козелов, Т. В. Козелова. Динамика областей неадиабатического движения частиц в ближней магнитосфере во время суббури. Геомагнетизм и аэрономия. т.43. N.4. с. 523-532. 2003.

Kozelova T.V., Kozelov B.V., Lazutin L.L. Particle Diamagnetism and Local Dipolization // Geomagnetism and aeronomy, V.43 #4, 513-522, 2003.

Kozelova T.V., B. V. Kozelov, L.L.Lazutin, Local gradient of energetic ion flux during dipolarization on 6-7 Re // Adv.Space Res., V.33, P.774-779, 2004

Kozelova T.V., Kozelov B.V. Substorm-associated magnetic field fluctuations in inner plasma sheet. Book of Abstracts. Problems of Geocosmos. May 24-28, St. Petersburg, P. 112-113. 2004.

Kozelova T., Lazutin L., Kozelov B., Meredith N. Substorm low-energy particle decrease near the inner edge of the plasma sheet. ‘Physics of Auroral Phenomena ’, Proc. XXIX Annual Seminar, 2006.

Kozelova T., L. Lazutin, B. Kozelov et al., Alternating bursts of low energy ions and electrons near the substorm onset, Ann. Geophys. 2006

Lazutin L. L., T. V. Kozelova, N. P. Meredith, M. Danielides, B. V. Kozelov, J. Jussila, and A. Korth. Studies of the Substorm on March 12, 1991: 1. Structure of Substorm Activity and Auroral Ions. ISSN 0010-9525, Cosmic Research, 2007, Vol. 45, No. 1, pp. 27–38.

Lazutin L. L., T. V. Kozelova, N. P. Meredith, M. Danielides, B. V. Kozelov, J. Jussila, and A. Korth. Studies of the Substorm on March 12, 1991: 2. Auroral Electrons. Acceleration, Injection, and Dynamics. ISSN 0010-9525, Cosmic Research, 2007, Vol. 45, No. 2, pp. 89–96.

Kozelova, T.V., L. L. Lazutin, and B. V. Kozelov, Total ion pressure changes with L shell in the nightside inner magnetosphere // J. Geophys. Res., doi:10.1029/2007JA012799, 2008