научная статья по теме КРУПНОМАСШТАБНЫЕ НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ В ПЕРЕХОДНОЙ ОБЛАСТИ МАГНИТОСФЕРЫ ЗЕМЛИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «КРУПНОМАСШТАБНЫЕ НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ В ПЕРЕХОДНОЙ ОБЛАСТИ МАГНИТОСФЕРЫ ЗЕМЛИ»

ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2007, том 47, № 5, с. 584-590

УДК 550.38

КРУПНОМАСШТАБНЫЕ НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ В ПЕРЕХОДНОЙ ОБЛАСТИ МАГНИТОСФЕРЫ ЗЕМЛИ

© 2007 г. Г. Д. Абурджаниа, 3. А. Кереселидзе, А. Г. Хантадзе, М. С. Чхитунидзе

Космическое агентство Грузии, Тбилиси e-mail: contact@gsa.gov.ge Поступила в редакцию 04.08.2006 г.

Исследованы модельные уравнения, описывающие динамику солнечного ветра и межпланетного магнитного поля в переходной области на дневной стороне магнитосферы Земли. Крупномасштабная структура течения вблизи критической точки магнитосферы определяется в приближении застойной зоны Чаплыгина, отождествляемой с фокальной частью переходной области. Показано, что в случае пространственной неоднородности распределения магнитного поля в замагниченной плазме могут генерироваться магнитоградиентные волны (МГВ), являющиеся новой особой ветвью ультранизкочастотных электромагнитных колебаний магнитосферного резонатора. Определены характерные частоты, периоды, фазовые скорости, длины волн и амплитуды магнитных пульсаций МГВ.

PACS: 94.30.Tz

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И МОДЕЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ

В переходной области магнитосферы низкочастотные электромагнитные колебания в полностью ионизированной малоэнергичной плазме солнечного ветра следует исследовать в двухжид-костном приближении. Основами такого предположения являются эффект торможения солнечного ветра после прохождения фронта ударной волны перед магнитосферой, а также различные условия вмороженности межпланетного магнитного поля (ММП) в протонную и электронную компоненту плазмы.

В переходной области на дневной стороне магнитосферы плотность солнечного ветра может значительно возрасти по сравнению с ее характерным значением в межпланетном пространстве [Wang et al., 2003]. Однако в первом приближении, сжимаемостью, как и трением между различными компонентами плазмы, можно пренебречь. Поэтому квазигидродинамические уравнения для протонов и электронов можно представить в следующем виде:

Мп1- = - VP + enE + — [V • H], (1) dt c

mniïf = - V Pe - enE -C [ Ve • H ], (2)

где d/dt = d/dt + (VV), d/dte = d/dt + (VeV); e - элементарный заряд; M и m - масса протонов и электронов; V и Ve - их гидродинамические скорости; n -концентрация плазмы; P и Pe - давление протонов

и электронов; Е и Н - напряженность электрического и магнитного полей; с - скорость света.

Считается, что Уе и V являются соленоидаль-ными векторами

div Ve = 0; div V = 0.

(3)

В первую очередь, получим модельные уравнения для магнитоградиентных волн в солнечном ветре. После сложения уравнений (1) и (2), пренебрегая инерцией электронов, будем иметь магни-тогидродинамическое уравнение

^ = _ у P+P) + Р- [ j • H ]

dt p p c

= - У

( P + Pe )

1

(4)

4 np

[ rotH • H ],

где j = en(V - Ve) - плотность тока; rotH = 4nj/c; p = Mn = const - плотность протонов.

В том же приближении, определяя Ve при помощи плотности тока, из уравнения (2) получим обобщенный закон Ома

E = _! [ V • H ] + — [ j • H ] -- VPe. (5)

c enc en

Из выражения (5) следует, что в двухжидкост-ном приближении в солнечном ветре всегда возникает эффект Холла (второе слагаемое в правой части уравнения (5)) [Хантадзе и др., 1980; Кадомцев, 1976]. Если взять операцию rot от уравнения (4) и в уравнение Максвелла dH/dt = -crotE подставить выражение (5), получим замкнутую систему модельных уравнений Гельмгольца для вихря ско-

рости гс*У = й и магнитного поля Н [Хантадзе и др., 1980; Хантадзе, Кереселидзе, 1984]

^-п*[V • й ] = Г; ^-пй[ V • Н] = -МГ,

Э X Ъ1 е (6)

где й = гсЛУ; Г = (4лр)-1гофоШ • Н]. Безразмерное число 5 здесь введено для удобства: при 5 = 1 эффект Холла в волновых процессах играет существенную роль, при 5 = 0 влиянием эффекта Холла можно пренебречь (одножидкостное приближение).

После сложения уравнений (6) получим обобщенное уравнение Гельмгольца, справедливое для плазмы солнечного ветра в переходной области

д( W + W) dt

= rot[V • (W + Wt)],

(7)

dH = Tot [ Ve H ],

(8)

масштабов, значительно превосходящих характерные периоды низкочастотных электромагнитных колебаний, можно считать стационарным. Следовательно, замкнутая система уравнений идеальной одножидкостной магнитной гидродинамики для солнечного ветра имеет вид:

(W) V = - V - + ^H^, р 4пр

(9)

где = еН/(Мс) - циклотронная частота протонов.

Из уравнения (7) следует, что в протонной компоненте сохраняется новый вектор й + т.е. тут магнитное поле, в отличие от электронной компоненты солнечного ветра, будет лишь частично "вмороженным". Действительно, если ввести скорость электронов в уравнение (5) при помощи выражения V = Уе + \/(еп), будем иметь

(VV) H = (H V) V, (10)

где P' = P + H2/(8n) - полное давление плазмы.

В качестве основного состояния может быть выбрано любое решение из бесконечного множества стационарных решений системы уравнений (9)-(10). Например, при P' = const можно воспользоваться известным стационарным решением Альвена-Чандрасекхара

V =

H

74 пр

(11)

что означает полную вмороженность магнитного поля в электронную компоненту плазмы.

В общем случае система уравнений (6) имеет шестой порядок по времени и отличные от нуля четыре корня дисперсионного уравнения для частот магнитогидродинамических волн [Хантадзе и др., 2004]. Две нулевые частоты, соответствующие стационарному случаю, также имеют физический смысл, так как соответствуют гидродинамическому и электромагнитному равновесию в плазменной среде, т.е. определяют невозмущенное состояние солнечного ветра. Вероятно, что в невозмущенном состоянии гидродинамическая скорость солнечного ветра У0 всюду в переходной области, за исключением, быть может, ее фокальной части, т.е. вблизи критической точки магнитосферы, будет преобладать над дрейфовой скоростью плазмы Ул ~ сЛДеН^), где Т и

Ь - температура и характерный линейный масштаб; Н0 - характерная величина магнитного поля переходной области; к - постоянная Больцмана. В таком случае первое слагаемое в правой части выражения (5) будет значительно превосходить другие слагаемые, и, следовательно, стационарное движение солнечного ветра можно рассматривать в одножидкостном приближении.

Крупномасштабное течение плазмы солнечного ветра в переходной области для временных

Фундаментальное решение (11), полученное для идеально проводящей среды, носит название магнито-вихревых колец Альвена, так как для него всегда существует отличная от нуля завихренность скорости. Это решение можно считать качественной моделью невозмущенного состояния намагниченной плазмы для некоторых практически важных задач [Хантадзе, 1973].

Однако, корректное моделирование МГД-кар-тины обтекания магнитосферы требует отказаться от условия идеальной электрической проводимости солнечного ветра, приводящего к противоречивым результатам за фронтом ударной волны. В случае конечной, хотя и очень высокой, электрической проводимости солнечного ветра топологию течения в фокальной части переходной области можно определить в кинематическом приближении, согласно какой-либо кинематической модели, учитывающей эффект торможения потока плазмы вблизи критической точки магнитосферы, например, при помощи ^оппегир, Priest,1975; Gratton et а1., 1988]. Но наиболее удобной, с точки зрения раскрытия физического механизма генерации МГВ, представляется модель застойной зоны Чаплыгина [Гуревич, 1979; Кереселидзе, 1986]. В частности, для задачи определения уравнений МГВ, эта модель позволяет воспользоваться относительно простым вариантом возмущения МГД картины течения, когда в основном, невозмущенном состоянии плазма в фокальной части переходной области может считаться неподвижной.

Введем прямоугольную систему координат с началом в лобовой (критической) точке магнитосферы. Ось х направлена вдоль границы центрального экваториального сечения магнитосферы, ось у - на Солнце, ось г - вдоль граничной силовой линии геомагнитного поля. Рассмотрим

следующую модель возмущений скорости vy и од-нокомпонентного магнитного поля hz

V = Vy(x, t) ey, Q.z = , H = H0Z(y) ez + hz(x, t) ez,

(12)

Э2 v

dt д x

y

= C

дЧ

д x2

дЧ

д tdx

+ в H

Vy = -6 C

дЧ

дx2

(13)

vy

PhCh

( СФ - 6 CH) C

vy

= 0.

(14)

CФ +61CHCФ lCHC_p ^

(15)

C = C = -

C

h

C

+ J-r + lCHCP

(16)

V У

медленные магнитоградиентные волны

CФ = C- = -

C

н

C2

CH + C с

+ \CH\Cp.

(17)

Электромагнитные волны (16) и (17) являются новыми собственными модами колебаний магни-тосферного резонатора. В отсутствие эффекта Холла (6 = 0), то есть в одножидкостном приближении, из (15) получим

где ey, ez - единичные орты вдоль осей y и z, e/(Mc)hz = дAy/дx (Ay - y - компонента вектор-потенциала).

Для условий (12) система уравнений (6) сведется к системе волновых уравнений, обладающей ненулевой завихренностью скорости и плотности тока

C = -C C =

1 /д Hoz 1

4птп\ дy kx

= Cx ^ и

(18)

Следовательно, в переходной области магнитосферы, как и в ионосфере, должны существовать три типа магнитоградиентных волн: C+ (16), C- (17) и стоячие волны

с = ± 1 H 1

п ~,ДШп дУ kx'

(19)

где СН = с/(4пеп)(дН0г/ду) - скорость магнитогра-диентной волны, являющаяся отрицательной (см. выражение (23)), вН = е/(Мс)(дН0г/ду) - параметр неоднородности магнитного поля (магнитный параметр Россби).

В подвижной системе координат 0 = х - СфХ, где Сф = ю/кх - фазовая скорость волны (ю, кх - частота колебаний и х-компонента волнового вектора), из уравнений (13) легко получим уравнение для свободных колебаний линейного осциллятора (аналогичное уравнение получается и для Ах)

Данная волна, подобно (16) и (17), имеет электромагнитную природу и также являетя новой ветвью колебаний магнитосферного резонатора.

В ионосферной плазме существование аналогичных магнитоградиентных волн впервые теоретически было предсказано в работах [Хантадзе, 1967; Tolstoy, 1967]. В дальнейшем теория МГВ была развита в работах [Хантадзе, 2001; Абурджания и Хантадзе, 2002; Aburjania et al., 2003; Aburjania et al., 2004; Хантадзе и др., 2004; Aburjania et al., 2005; Абурджания и Хантадзе, 2005]. Эти волны имеют спектры

CH =

cHE

1

3 sin 0

4 п en

Re

Решение уравнения (14) в виде во

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.

Показать целиком