ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2015, № 3, с. 13-17
УДК 550.37550.38
О ПЕРМАНЕНТНЫХ И СПОРАДИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЯХ МАГНИТОСФЕРЫ
© 2015 г. А. В. Гульельми
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва E-mail: guglielmi@mail.ru Поступила в редакцию 02.02.2014 г.
Поставлен вопрос о воздействии перманентных колебаний Рс3 на возбуждение спорадических колебаний Pi2 (диапазоны периодов 10—45 и 40—150 с соответственно). Сформулирована гипотеза о том, что Рс3, зарождаясь перед фронтом магнитосферы Земли, проникают в геомагнитный хвост, вызывают локальное понижение тока в нейтральном слое и при благоприятных условиях стимулируют разрывную неустойчивость. Это приводит к пересоединению магнитных силовых линий и взрывоподобному высвобождению магнитной энергии, запасенной в хвосте. В результате разыгрывается суббуря, существенным элементом которой являются спорадические колебания Pi2. Указаны пути теоретического обоснования и экспериментальной проверки гипотезы.
Ключевые слова: магнитосфера, геомагнитный хвост, волна Альвена, магнитное пересоединение, теория катастроф, магнитотеллурическое зондирование, гидромагнитная диагностика.
DOI: 10.7868/S0002333715030047
1. ВВЕДЕНИЕ
В геофизике принята морфологическая классификация ультранизкочастотных (УНЧ) колебаний магнитосферы Земли, предложенная проф. В.А. Троицкой (см. обзоры [Troitskaya, Guglielmi, 1967; Троицкая, Гульельми, 1969]). Многочисленные колебательные режимы разделены на два класса — Pc (continuous pulsations) и Pi (irregularpulsations). В данной работе мы рассмотрим два основных подкласса Pc и Pi. Речь пойдет о дневных перманентных колебаниях Pc3 и о ночных спорадических колебаниях Pi2 (диапазоны периодов 10—45 и 40—150 с соответственно). Это наиболее известные УНЧ колебания. Они широко используются при магнитотеллуриче-ском зондировании земной коры, а также при мониторинге состояния околоземной среды методами гидромагнитной диагностики [Guglielmi, Pokhotelov, 1996].
Казалось бы, Pс3 и Pi2 не связаны друг с другом причинно-следственными отношениями, поскольку зарождаются в областях околоземного пространства, разделенных расстоянием не менее 150 тыс. км. Однако сравнительный анализ колебаний, представленный ниже, свидетельствует о возможном воздействии Рс3 на условия возбуждения Pi2. Точнее говоря, колебания Рс3 могут воздействовать на процесс пересоединения (reconnection) геомагнитных силовых линий, приводящий к возбуждению Pi2.
Идею пересоединения выдвинул Р.Г. Джиова-нелли в связи с проблемой интерпретации солнечных вспышек [Giovanelli, 1946]. Дж.В. Данжи
указал на фундаментальную роль пересоединения геомагнитных силовых линий в процессе возникновения магнитных бурь [Dungey, 1958]. Проблеме пересоединения посвящена обширная литература по геофизике, астрофизике и физике плазмы [Кадомцев, 1987; Зеленый, Милованов, 2004; Зеленый и др., 2010; Yamada et al., 2010]. Тем не менее, ключевые вопросы теории остаются. Они продолжают вызывать оживленные споры (см. например [Goldstein, 2001]). Более того, проблема пересоединения указана в списке основных нерешенных проблем современной физики (см. об этом http:// List_of_unsolved_problems_in_physics). С другой стороны, феноменология пересоединения проста, и мы воспользуемся этим для качественного исследования вопроса о связи между Рс3 и Pi2.
2. ПРОИСХОЖДЕНИЕ УНЧ КОЛЕБАНИЙ Pc3 И Pi2
Перманентные колебания Рс3 существуют в виде квазипериодических пульсаций геомагнитного поля. Они зарождаются в результате ионно-циклотронной неустойчивости протонов солнечного ветра, частично отражающихся от фронта околоземной ударной волны [Guglielmi, 1974]. Спорадические колебания Pi2 возникают в виде короткого цуга как последствие взрывоподобного процесса в хвосте магнитосферы [Гульельми, Троицкая, 1973; Нишида, 1980]. Перманентные и спорадические колебания объединяет то, что их свойства существенно зависят от межпланетного магнитного по-
ля. На языке теории динамических систем и теории катастроф [Гилмор, 1984] компоненты межпланетного поля В представляют собой набор управляющих параметров, комбинация которых контролирует режим колебаний.
Постоянно дующий солнечный ветер стабильно поддерживает режим возбуждения Рс3. Зарождаясь перед фронтом околоземной ударной волны, Рс3 проникают в магнитосферу и почти непрерывно регистрируются на обращенной к Солнцу стороне земного шара. Частота колебаний контролируется величиной модуля межпланетного магнитного поля |В |. Амплитуда колебаний специфическим образом зависит от угла ф между силовыми линиями поля В и вектором скорости солнечного ветра. В среднем ф « я/4 на орбите Земли, но временами ф заметно отклоняется от этого значения.
Здесь нужно уточнить, что в рамках модели [Ои§Ие1ш1, 1974] квазимонохроматические колебания Рс3 являются результатом селективного усиления магнитозвуковых флуктуаций солнечного ветра. Усиление происходит в области фор-шока, а точнее в области, простирающейся от фронта магнитосферы до переднего фронта отраженных протонов, положение которого как раз и контролируется углом ф. Из геометрических соображений ориентировочно имеем Щ « со^Л^ с 1ёф, где Л — максимальная длина усиления волн, Я± — эффективный радиус поперечного сечения магнитосферы, а постоянная порядка единицы. Данная формула применима при Лц <§ Ь. Здесь Ь — длина свободного пробега отраженных протонов. Эта длина определяется рассеянием протонов на маг-нитозвуковых флуктуациях. Таким образом, при ф ^ 0 формула не работает. Но при ф ^ п/2 она вполне применима и определенно указывает на исчезновение Рс3 в тот момент, когда вектор В становится ортогональным направлению потока солнечного ветра. При такой конфигурации межпланетного магнитного поля колебания Рс3 внезапно прекращаются.
В свое время внезапное исчезновение перманентных колебаний по данным всех обсерваторий дневной полусферы вызывало немалое удивление, а естественное стремление к более или менее произвольному истолкованию плохо понятных вещей породило ряд малоправдоподобных предположений (см. например [Троицкая, Гульельми, 1969]). Но после того, как была предложена и экспериментально обоснована модель внемагнитосферного происхождения Рс3, контуры которой обрисованы выше, внезапное прекращение колебаний при ф ^ П2 стало вполне очевидным.
Итак, |В| и ф являются параметрами, определяющими режим перманентных колебаний. Дополнительным управляющим параметром служит скорость солнечного ветра [Ои§Ие1ш1, Ро1ароу,
1994]. От нее зависит интенсивность колебаний. В общей картине не прослеживается признаков катастрофического поведения колебательной системы, если не говорить о довольно редких случаях внезапного исчезновения Рс3.
Иначе обстоит дело со спорадическими колебаниями. Для Р12 управляющим параметром служит компонента В, ортогональная плоскости эклиптики. Это компонента Вг в солнечно-эклиптической системе координат. Колебания Р12 возникают вскоре после переключения Вг с положительных значений на отрицательные. Напомним, что Вг > 0 (BZ < 0), если вектор В направлен в северную (южную) полусферу.
После переключения Вг в магнитосфере разыгрывается крупномасштабная катастрофа. Силовые линии геомагнитного поля соединяются с силовыми линиями межпланетного поля в околополуденном секторе магнитопаузы при перемене знака Вг с положительного на отрицательный. Пересоединенные линии переносятся солнечным ветром в хвост магнитосферы. Магнитная энергия хвоста нарастает и в какой-то момент противоположно направленные силовые линии быстро пересоединяются через нейтральный слой хвоста. Происходит взрывоподобное преобразование магнитной энергии, запасенной в хвосте, в кинетическую энергию заряженных частиц. Магнитосфера деформируется и начинает вибрировать, энергичные электроны вторгаются в высокие слои атмосферы, вызывая яркое свечение, в ионосфере резко усиливается ток, текущий вдоль зоны сияний, флуктуации тока возбуждают в атмосфере инфразвуковые волны, и так далее. Совокупность перечисленных явлений называют магнитосферной суббурей [Нишида, 1980]. Спорадические колебания Р12 являются важным элементом суббури. С точки зрения наземного наблюдателя суббуря обычно и начинается с появления на магнитограммах обсерваторий ночной полусферы короткого мощного цуга Р12.
Здесь уместно сделать небольшое отступление и указать на актуальность задачи усовершенствования классификации УНЧ колебаний. Морфологическую классификацию, предложенную 50 лет тому назад, полезно дополнить элементами генетической классификации, в основе которой лежат те или иные представления о механизмах возбуждения колебаний. Это поможет перевести заметную часть эмпирического материала, накопленного в ходе многолетних исследований УНЧ колебаний, на универсальный язык теории критических явлений, фазовых переходов и теории катастроф. Систематизация колебаний на основе физических представлений улучшит взаимопонимание исследователей, изучающих критические явления в магнитосфере, а также позволит находить полезные аналогии и облегчит построение обобщающих моделей геофизических катастроф, что особенно важно при решении проблем межгеосферных взаимодействий.
3. КОЛЕБАНИЯ Pc3 КАК ТРИГГЕР МАГНИТНОГО ПЕРЕСОЕДИНЕНИЯ
Итак, ключевую роль в возбуждении Pi2 и развитии суббури играет пересоединение магнитных силовых линий. Вначале пересоединение происходит на дневной стороне магнитопаузы, а затем в нейтральном слое хвоста магнитосферы. С топологической точки зрения процесс пересоединения понятен, а описанная выше последовательность событий представляется правдоподобной. Но если так, то в чем тогда корень проблемы пересоединения? Проблема вызывает широкий интерес, но ее не удается решить на протяжении почти 70 лет.
Дело здесь в следующем. С одной стороны, пересоединение должно происходить быстро. Об этом свидетельствуют астрофизические и геофизические наблюдения, а также результаты компьютерных и лабораторных экспериментов. С другой стороны, теория указывает на слишком медленный темп пересоединения. Скорость пересоединения характеризуется безразмерным числом Маха—Альвена
MA. В теории Свита—Паркера MA ~ Rm1y^2, где Rm — магнитное число Р
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.