научная статья по теме НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТОСФЕРНОГО ИСТОЧНИКА ДНЕВНЫХ СУБАВРОРАЛЬНЫХ ПРОТОННЫХ ВЫСЫПАНИЙ ВО ВРЕМЯ СЖАТИЯ МАГНИТОСФЕРЫ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТОСФЕРНОГО ИСТОЧНИКА ДНЕВНЫХ СУБАВРОРАЛЬНЫХ ПРОТОННЫХ ВЫСЫПАНИЙ ВО ВРЕМЯ СЖАТИЯ МАГНИТОСФЕРЫ»

КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, том 53, № 1, с. 85-92

УДК 550.338

НЕКОТОРЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТОСФЕРНОГО ИСТОЧНИКА ДНЕВНЫХ СУБАВРОРАЛЬНЫХ ПРОТОННЫХ ВЫСЫПАНИЙ ВО ВРЕМЯ

СЖАТИЯ МАГНИТОСФЕРЫ

© 2015 г. А. Г. Яхнин, Т. А. Попова, Т. А. Яхнина

Полярный геофизический институт КНЦРАН, г. Апатиты ayahnin@gmail.com Поступила в редакцию 09.04.2014 г.

Рассмотрены некоторые особенности области источника высыпаний протонов и электромагнитных ионно-циклотронных волн на дневной стороне во время сжатия магнитосферы. Для локализации этой области использованы вспышки протонного свечения, наблюдавшиеся спутником IMAGE в дневном секторе к экватору от овала протонных сияний. Данные геостационарных спутников LANL, проекции которых во время сжатия магнитосферы оказывались внутри вспышки протонного свечения, позволили установить, что область источника протонных высыпаний обычно находится вне плазмосферы. В периоды повышенной геомагнитной активности эта область располагается ближе к Земле. По данным спутников NOAA показано, что в дневной внешней магнитосфере высыпания энергичных протонов с относительно низкой интенсивностью наблюдаются и до сжатия магнитосферы, что указывает на выполнение здесь условий для развития ионно-циклотронной неустойчивости. Сжатие магнитосферы приводит к резкому увеличению инкремента неустойчивости и, как следствие, к резкому росту потоков высыпающихся протонов и превышению уровня, необходимого для регистрации протонных сияний со спутника IMAGE.

DOI: 10.7868/S0023420615010082

ВВЕДЕНИЕ

Высыпания протонов в субавроральной области (к экватору от границы изотропных высыпаний, которая приблизительно совпадает с границей овала протонных сияний) сопровождаются генерацией электромагнитных ионно-цикло-тронных (ЭМИЦ) волн в диапазоне Рс1 (0.1— 5 Гц) [1]. Это позволяет связать такие высыпания с развитием ионно-циклотронной (ИЦ) неустойчивости в экваториальной магнитосфере. Для развития ИЦ неустойчивости необходимо, чтобы поперечная анизотропия питч-углового распределения энергичных (Е = 1—100 кэВ) протонов превысила некоторый пороговый уровень (Асг) [2]. Неустойчивость развивается при А > Асг > > 0. В случае максвелловского распределения протонов по скоростям с продольной (относительно фонового магнитного поля) температурой Т и поперечной температурой Т±, анизотропия имеет вид А = Т1/Т — 1. Инкремент неустойчивости пропорционален анизотропии (А) и концентрации энергичных протонов (пь). Влияние концентрации холодной (Е = 1—10 эВ) плазмы (пс) на инкремент неустойчивости определяется тем, что в более плотной холодной плазме уменьшается фазовая скорость волны и, соответственно, растет число резонансных протонов. Однако, после превышения некоторого значения концентрации холодной плазмы, зависящего от параметров сре-

ды, инкремент неустойчивости с ростом пс уменьшается (например, [3]). Значительную роль в процессе развития неустойчивости играет распространение волны вдоль магнитного поля (например, [4, 5]).

Резонансное взаимодействие ЭМИЦ волн и энергичных протонов приводит к рассеянию частиц по питч-углам, заполнению конуса потерь и, как следствие, к высыпанию протонов. Высыпание энергичных протонов может привести к появлению протонных сияний (излучения возбужденных атомов водорода, образовавшихся в результате перезарядки высыпающихся в атмосферу протонов) [6]. Тот факт, что высыпания энергичных частиц происходят вдоль силовых линий, позволяет использовать протонные сияния для изучения локализации области источника высыпаний, ее пространственно-временной динамики, и физических условий в этой области.

Основным резервуаром холодной плазмы в магнитосфере является плазмосфера. Концентрация плазмы в плазмосфере монотонно уменьшается с расстоянием от Земли и на расстояниях ~3— 6 Яъ (в зависимости от геомагнитной активности) резко падает, образуя плазмопаузу [7]. Эволюция плазмосферы во время геомагнитных возмущений приводит к появлению структур холодной плазмы за плазмопаузой. Такой структурой является, например, плазмосферный "хвост", который фор-

мируется в периоды усиления магнитосферной конвекции и "поставляет" холодную плазму в дневную магнитосферу вплоть до магнитопаузы (см., например, [8]).

Специфические локализованные протонные высыпания, связанные с теми ЭМИЦ волнами, которые на земной поверхности регистрируются как "монохроматические" геомагнитные пульсации Pel и IPDP [1], наблюдаются вблизи градиентов холодной плазмы (на плазмопаузе или на краю плазмосферного хвоста) (см., например, [9—12]). Это обусловлено как зависимостью инкремента ИЦ неустойчивости от концентрации и ионного состава холодной плазмы, так и канали-рованием волн на градиентах концентрации плазмы [5, 13, 14].

В то же время статистические исследования показывают, что ЭМИЦ волны наиболее часто наблюдаются не на широтах плазмопаузы, а на больших расстояниях от Земли в дневной магнитосфере [15, 16]. Это, по-видимому, связано с тем, что в этой области постоянно наблюдается повышенная анизотропия питч-углового распределения энергичных протонов [17], обусловленная расщеплением дрейфовых оболочек [18] и движением частиц по "орбитам Шабанского" [19, 20]. Оба этих механизма обеспечивают большую анизотропию протонов при большей асимметрии "день—ночь" магнитного поля магнитосферы. Степень асимметрии "день—ночь" определяется динамическим давлением солнечного ветра. Соответственно, вероятность наблюдения ЭМИЦ волн в дневной магнитосфере увеличивается с ростом динамического давления солнечного ветра [21].

Когда величина динамического давления солнечного ветра меняется скачком, резкое увеличение магнитосферного магнитного поля приводит к резкому росту поперечной анизотропии питч-углового распределения протонов [22]. Соответственно растет инкремент ИЦ неустойчивости на дневной стороне. Связанное с развитием неустойчивости высыпание протонов к экватору от овала протонных сияний может привести к вспышке протонных сияний [23—25]. Взаимосвязь вспышек протонных сияний с развитием ионно-циклотронной неустойчивости в приэкваториальной области дневной магнитосферы подтверждается их корреляцией с всплесками ЭМИЦ волн и геомагнитных пульсаций в диапазоне Рс1 [25-28].

Роль плазмосферной плазмы в развитии ИЦ неустойчивости на дневной стороне во время сжатия магнитосферы не вполне ясна. Авторы работы [28] рассмотрели 54 случая регистрации ЭМИЦ волн в приэкваториальной магнитосфере во время сжатия магнитосферы; все случаи, кроме одного, наблюдались на L > 6. С одной стороны, этот факт говорит о том, что развитие неустой-

чивости, скорее всего, не связано с плазмопаузой. С другой стороны, развитие неустойчивости на больших расстояниях на дневной стороне может быть связано с плазмосферной плазмой, которая появилась здесь при формировании плазмосферного хвоста. Заметим, что диапазон значений концентрации холодной плазмы в плазмосферном хвосте близок к значениям концентрации в плаз-мосфере для одних и тех же расстояний от Земли [29, 30].

В данной работе мы рассмотрим некоторые особенности той области дневной магнитосферы, где происходит генерация ЭМИЦ волн и протонных высыпаний во время резкого сжатия магнитосферы. Для локализации области неустойчивости мы будем использовать наблюдения вспышек протонного свечения на дневной стороне к экватору от овала протонных сияний со спутника IMAGE.

В частности, мы попытаемся ответить на вопрос, связано ли развитие ИЦ неустойчивости во время сжатия магнитосферы с наличием в дневной магнитосфере плазмосферной плазмы. Для этого будут рассмотрены события, когда проекция на ионосферу одного из геостационарных спутников LANL, измеряющего концентрацию холодной плазмы, попадала в область вспышки протонного свечения. Наблюдаемую на геостационарной орбите концентрацию холодной плазмы мы сопоставим с концентрацией плазмы внутри плазмосферы и за плазмопаузой, определенной по эмпирической модели [30].

Известно, что при увеличении геомагнитной активности вблизи Земли концентрация энергичных заряженных частиц растет (см., например, [31, 32]). Соответственно, можно ожидать, что с ростом геомагнитной активности приземный край области развития ИЦ неустойчивости будет приближаться к Земле. Чтобы это проверить, мы рассмотрим зависимость положения проекции в магнитосферу экваториального края вспышки протонного свечения от геомагнитной активности.

Поскольку в дневной магнитосфере поперечная анизотропия питч-углового распределения энергичных протонов должна существовать постоянно вследствие асимметрии "день—ночь" магни-тосферного магнитного поля, можно предположить, что ионно-циклотронное взаимодействие происходит здесь и в отсутствии резких скачков давления солнечного ветра. Если это так, то и до резкого сжатия магнитосферы на тех же широтах, где наблюдается вспышка протонного свечения, могут наблюдаться высыпания протонов небольшой интенсивности. Мы проверим это предположение, используя наблюдения потоков протонов на низкоорбитальных спутниках NOAA POES.

ДАННЫЕ

РЕЗУЛЬТАТЫ

Для отбора событий мы использовали базу данных вспышек протонного свечения в субавро-ральной области на дневной стороне из работы [25]. Эти вспышки, наблюдавшиеся прибором FUV на спутнике IMAGE [33], соответствовали резким скачкам (AP/At > 1 нПа/мин) динамического давления солнечного ветра. (IMAGE — это космический аппарат с эллиптической полярной орбитой с апогеем 7.2 RE и перигеем 1000 км. Прибор FUV (Far Ultra Violet imager) позволяет получать глобальные изображения протонных сияний с разрешением около 2 минут). Примеры изображений протонных сияний, полученных во время сжатия магнитосферы можно найти в работах [23—27]. Для данной работы отобраны события, удовлетворяющие двум условиям: 1) долготный сектор вспышки протонного свечения должен быть сопряжен с наземной станцией, на которой регистрируются коррелированные со вспышкой геомагнитные пульсации в диапазоне Pe1 (регистрация Pe1 является подтверждением того, что протонные высыпания обусловлены развитием ИЦ неустойчивости) и 2) один из геостационарных спутников LANL, имеющих экваториальную круговую орбиту с радиусом ~6.6 R

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

Пoхожие научные работыпо теме «Космические исследования»