ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2008, том 48, № 6, с. 780-792
УДК 551.510
АСИММЕТРИЯ КОЛЬЦЕВОГО ТОКА ВО ВРЕМЯ МАГНИТНОЙ БУРИ
© 2008 г. В. В. Калегаев1, К. Ю. Бахмина1, И. И. Алексеев1, Е. С. Беленькая1, Я. И. Фельдштейн2, Н. В. Ганюшкина3
Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета, Москва 2Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова
РАН, Троицк (Московская обл.) 3Финский метеорологический институт, Хельсинки, Финляндия e-mail: keg@dec1.sinp.msu.ru Поступила в редакцию 28.01.2008 г. После доработки 04.03.2008 г.
В работе исследовалась динамика кольцевого тока во время магнитной бури. С использованием па-раболоидной модели магнитного поля был рассчитан отклик магнитосферных токовых систем на внешнее воздействие со стороны солнечного ветра, в частности, приводящий к развитию асимметричной компоненты кольцевого тока. Асимметричный кольцевой ток рассматривался как семейство пространственных токовых контуров, в северном и южном полушариях, состоящих из участков частичного кольцевого тока в плоскости геомагнитного экватора, замыкающихся через ионосферу системой продольных токов. Оценки величины полного частичного кольцевого тока выполнены из сопоставления рассчитанной асимметрии магнитосферного магнитного поля на геомагнитном экваторе с величиной геомагнитного индекса Asym-H. Для магнитной бури 6—14 ноября 2004 г. вычислены вариации симметричной и асимметричной компонент магнитного поля кольцевого тока. Рассчитаны вклады магнитосферных токовых систем в геомагнитные индексы Dst и AU.
PACS: 94.30.Jp, 94.30.Lr
1. ВВЕДЕНИЕ
Главным проявлением магнитной бури являет-
ся понижение (депрессия) горизонтальной компоненты магнитного поля, измеряемого на поверхности Земли. Наблюдения показывают, что это явление носит глобальный, планетарный характер и обусловлено вариациями крупномасштабных токов, протекающих в околоземном космическом пространстве. Глобальные магнито-сферные токовые системы (токи Чепмена-Фер-раро на магнитопаузе, токи хвоста магнитосферы и кольцевой ток вокруг Земли) формируются в результате взаимодействия солнечного ветра с геомагнитным полем. Вариации динамического давления солнечного ветра и межпланетного магнитного поля приводят к интенсификации маг-нитосферных токов и к изменению их размеров и положения в пространстве. Разные магнитосфер-ные токовые системы располагаются в областях космического пространства, обладающих разными физическими свойствами, и по-разному реагируют на внешнее воздействие. Несинхронное развитие глобальных магнитосферных токовых систем, изменение их интенсивности и положения в ответ на воздействие солнечного ветра, являются источником сложной динамики магнитосферы, которая проявляется в вариациях магнит-
ного поля измеряемых на поверхности Земли и в профилях рассчитываемых геомагнитных индексов.
Наряду с изменениями глобальных токовых систем во время геомагнитных возмущений, в магнитосфере происходит генерация новых токовых систем, существующих ограниченное время и в ограниченных областях пространства. К таким системам принято относить токи суббуревого токового клина [Friedrich et al., 1999], частичный кольцевой ток и переходные токовые системы, возникающие при определенных условиях в солнечном ветре при столкновении магнитосферы с корональным выбросом массы [Clauer et al., 2001]. Характерным свойством таких систем является краткое время жизни. Суббуревой токовый клин, переходные токовые системы включают в себя как магнитосферные, так и ионосферные и продольные токи. Время жизни таких токовых систем около 40 минут. Частичные кольцевые токи (ЧКТ) образуются на главной фазе магнитной бури при замыкании экваториального тока, протекающего в западном направлении в вечерне-ночном секторе на геоцентрическом расстоянии 3—4 Re, системой продольных токов и токами в ионосфере, и могут существовать в течении несколько часов. Главным проявлением частичного кольцевого тока является долготная
асимметрия горизонтальной компоненты магнитного поля, измеряемого на поверхности Земли на средних и субэкваториальных широтах.
Возникновение ЧКТ связано с теми же процессами, что приводят к развитию симметричного кольцевого тока во время магнитной бури: ин-жекции плазмы из плазменного слоя во внутреннюю магнитосферу и последующего раздельного движения захваченных геомагнитным полем протонов и электронов магнитосферной плазмы вдоль замкнутых траекторий вокруг Земли. Интенсивные частичные кольцевые токи возникают на начальном этапе главной фазы магнитной бури, либо при развитии изолированной суббури на фазе восстановления магнитной бури, когда захваченные геомагнитным полем частицы начинают свое движение вокруг Земли. Перестройка электрического поля в ионосфере и связанное с ней смещение высокопроводящего канала в области восточного электроджета в область низких L-оболочек создают условия для формирования трехмерной токовой системы в вечерне-ночном секторе магнитосферы — частичного кольцевого тока. В то же время частицы, совершающие полный оборот вокруг Земли, формируют симметричный кольцевой ток. Наблюдения потоков энергичных нейтральных атомов (ENA), образующихся в результате перезарядки ионов кольцевого тока на атомах экзосферы, свидетельствуют о возрастании числа ионов в вечерне-ночном секторе магнитосферы во время магнитной бури и являются экспериментальным подтверждением асимметрии кольцевого тока [Roelof, 1987; Fok et al., 2001; Kozyra and Liemohn, 2003].
Главной особенностью частичного кольцевого тока, отличающего его от крупномасштабных токовых систем, является его связь с ионосферой. Считается, что ионосферным замыканием частичного кольцевого тока являются токи восточной ионосферной электроструи [Feldstein et al., 2005]. При слабых по интенсивности магнитных возмущениях электроджет является элементом двухвихревой системы токов в высокоширотной ионосфере [Kamide and Kokubun, 1996; Feldstein et al., 2006]. Положение электроджета, интенсивность тока в нем определяются крупномасштабной конвекцией в магнитосфере. На начальном этапе развития интенсивных возмущений система ионосферных токов дополняется трехмерной токовой системой частичного кольцевого тока, что, в частности, приводит к усилению интенсивности восточного электроджета на главной фазе магнитной бури [Feldstein et al., 2006]. При этом часть тока восточного электроджета возвращается в магнитосферу через трехмерную систему продольных токов, а часть растекается по ионосфере. В рамках данной модели мы не исследуем эффект ионосферных токовых систем и под током восточного электроджета будем понимать ту
его часть, которая связана с частичным кольцевым током.
ЧКТ развиваются в интервалы магнитных возмущений на главной фазе магнитной бури и быстро распадаются в течение нескольких часов при изменении геомагнитной обстановки, чем отличаются от симметричного кольцевого тока, распадающегося в течение десятков часов [Kozyra and Liemohn, 2003; Weygand and McPherron, 2006]. Симметричный кольцевой ток существует как в спокойных, так и в возмущенных условиях, в то время как ЧКТ является одним из характерных проявлений магнитных возмущений. На главной фазе бури могут возникнуть и разрушиться несколько ЧКТ На фазе восстановления магнитной бури, при отсутствии дополнительных инжекций плазмы из хвоста, кольцевой ток симметричен. Слабая долготная асимметрия магнитного поля на поверхности Земли на фазе восстановления бури связана скорее с ионосферными токовыми системами, чем с существованием частичного кольцевого тока в магнитосфере.
Формирование частичного кольцевого тока обусловлено разделением плазмы движущейся в геомагнитном экваторе под действием градиентного дрейфа, дрейфа, связанного с кривизной магнитных силовых линий, и электрического дрейфа. Это собственно частицы, формирующие частичный кольцевой ток, захваченные частицы симметричного кольцевого тока на внутренних L-оболочках и квазизахваченные частицы передней части токового слоя хвоста магнитосферы на внешних относительно экваториальной части ЧКТ L-оболочках. Такое тесное расположение токовых систем во внутренней магнитосфере делает невозможной их идентификацию экспериментальными методами. Задачу усложняют вариации параметров солнечного ветра, приводящие к несинхронным изменениям интенсивности и положения токовых систем, а также формы и размеров всей магнитосферы. Сложности с определением положения границ магнитосферных токовых систем являются причиной великого разнообразия мнений об относительной роли магнитосферных токовых систем, и в частности, кольцевого тока, в развитии магнитной бури.
Для оценки геомагнитной возмущенности принято использовать Dst-индекс, который представляет собой симметричную часть возмущения магнитосферного магнитного поля на геомагнитном экваторе [Sugiura and Kamei, 1991]. Кольцевой ток (включая его асимметричную часть), наряду с токами хвоста и токами на магнитопаузе, является одним из главных источников вариаций магнитного поля во время магнитной бури, проявляющихся, в частности, в понижении Dst-ин-декса [Hamilton et al., 1988]. Поскольку носителями симметричной и асимметричной частей коль-
цевого тока являются одни и те же частицы, инжектированные из хвоста магнитосферы, либо имеющие ионосферное происхождение, их невозможно различить в процессе измерений, и они часто рассматриваются как единая токовая система. Суммарный эффект кольцевого тока на поверхности Земли оценивался [Alexeev et al., 2001; Калегаев и Макаренков, 2006] с использованием уравнения Бартона [Burton et al., 1975], которое представляет процесс развития кольцевого тока как результат инжекции, контролируемой электрическим полем солнечного ветра, и последующей диссипации [O'Brien and McPherron, 2001]. Было установлено, что кольцевой ток и токовый слой хвоста магнитосферы создают примерно одинаковые возмущения на поверхности Земли во время магнитных бурь умеренной интенсивности с минимальным Dst--150 нТл. Для сильных
бурь кольцевой ток становится главным источником Dst-вариации.
Хотя носителями
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.