КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, том 52, № 4, с. 296-306
УДК 533.95
ПРОДОЛЬНЫЕ ТОКИ И МАГНИТОСФЕРНЫЙ ГЕНЕРАТОР В ЭКСПЕРИМЕНТАХ ПО ОБТЕКАНИЮ МАГНИТНОГО ДИПОЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМОЙ
© 2014 г. И. Ф. Шайхисламов, В. М. Антонов, Ю. П. Захаров, Э. Л. Бояринцев, А. В. Мелехов, В. Г. Посух, А. Г. Пономаренко
Институт лазерной физики СО РАН, г. Новосибирск ildars@ngs.ru Поступила в редакцию 13.09.2012 г.
В работе приводятся результаты лабораторного эксперимента по моделированию магнитосферного генератора продольных токов и трансполярного потенциала Земли в отсутствии межпланетного магнитного поля. Измерение полного продольного тока в режиме короткого замыкания генератора и трансполярного потенциала в режиме разрыва цепи позволили определить внутренне сопротивление генератора. Предложена модель, которая объясняет ток насыщения и внутреннее сопротивление обратной связью между продольным током и фланговым движения плазмы. Эта связь описывается через эффективное сопротивление, пропорциональное скорости потока и отношению ширины пограничного слоя к размеру магнитосферы. Для условий эксперимента расчетное сопротивление генератора оказалось в хорошем соответствии измеренной величине. Оценки для магнитосферы Земли показывают, что внутреннее сопротивление МГД генератора в пограничном слое обычно намного меньше, чем обратная интегральная проводимость ионосферы.
Б01: 10.7868/80023420614040098
ВВЕДЕНИЕ
Идея лабораторного моделирования взаимодействия солнечного ветра (далее СВ) с магнитным полем Земли родилась более ста лет назад в экспериментах Биркеланда. Развитие техники и теории физики плазмы в 60—70хх годах открыли новые перспективы. В ряде стран было создано в общей сложности более двадцати установок для моделирования земной магнитосферы, лабораторный аналог которой получил название Террел-ла. Суть экспериментов состояла в обтекании магнитного диполя потоком плазмы, и регистрации магнитных, электрических и плазменных возмущений миниатюрными зондами и скоростным фотографированием. Для сопоставления результатов с натурными данными была разработана концепция ограниченного физического моделирования [1]. Огромная разница в масштабах лабораторного эксперимента и планетарных магнитосфер не позволяет реализовать полное и точное подобие [2]. Суть ограниченного подхода в том, что можно достигнуть физического подобия определенных процессов, если выдержать соотношение безразмерных параметров с точностью много больше или меньше единицы.
В экспериментах Террелла были качественно воспроизведены такие основные черты планетарных магнитосфер, как магнитопауза и плазмен-
ная полость вокруг диполя, каспы и высокоширотные области проникновения плазмы, ближняя часть хвоста. Одной из проблем, где лабораторное моделирование может дать вклад в понимание аналогичных процессов в планетарных магнитосферах, являются продольные токи [3—5] и связанный с ними трансполярный потенциал. Продольные токи (ПТ), впервые описанные в работе [6] играют ключевую роль в магнито-сферно-ионосферном взаимодействии Земли. Магнитосферные токи могут втекать в ионосферу через токи Биркеланда и замыкаться в ионосфере, протекая поперек магнитного поля благодаря конечной проводимости Педерсена. Ток зоны-1 на дневной стороне проецируется на низкоширотный пограничный слой и является результатом непосредственного взаимодействия СВ с земным магнитным полем. Существует также система токов зоны-2 обратной полярности, проецирующихся на широты ниже южной границы овала вплоть до плазмосферы. Многочисленные измерения трансполярного потенциала, который пропорционален величине тока зоны-1 и интегральной проводимости Педерсена ионосферы, обнаружили сильную зависимость от направления межпланетного магнитного поля. Для южного направления ММП типичной величины трансполярный потенциал примерно в три раза больше, чем для северного направления [7, 8].
Картина различных систем ПТ, наблюдавшихся 6—7.ГУ.2000 г. в условиях сильной геомагнитной активности подробно описана в работе [9]. На основе наземных магнитных наблюдений было показано, что одновременно могут существовать до 7 частично перекрывающихся контуров ПТ. Токи возбуждаются тремя генераторами напряжения, расположенными в различных плазменных слоях и зонах магнитосферы на дневной и ночной стороне, и в промежуточном секторе. В частности, ПТ зоны-1 на дневной стороне генерируется в пограничном слое магнитопаузы в результате пересоединения дипольного поля с ММП южного направления, в то время как на ночной стороне генерируются на токовом клине суббури.
В теоретических моделях неоднородность и кривизна магнитного поля, градиент давления плазмы и вязкость рассматриваются как источники ПТ и трансполярного потенциала. Зависимость магнитосферно-ионосферного взаимодействия от ММП объясняется процессом пересоединения на дневной магнитопаузе. В рамках аналитической парабалоидной модели генерация трансполярного потенциала описывается как проникновение межпланетного электрического поля примерно с эффективностью 10% внутрь магнитосферы [10]. Эмпирическая модель [11] объясняет насыщение трансполярного потенциала обратным влиянием ПТ на движение плазмы и магнитное поле вблизи магнитопаузы. Был также проведен ряд исследований на основе численного моделирования с использованием глобальных МГД кодов. В работе [12] было показано, что учет конечной проводимости ионосферы приводит к генерации токов зоны-1, которые в свою очередь влияют на общие свойства магнитосферы. Высокоскоростная плазма корональных выбросов массы [13] и скачки динамического давления СВ [14] значительно усиливают токи зоны-1 и трансполярный потенциал.
В настоящей работе рассматривается механизм генерации ПТ в дневном секторе магнитосферы в условиях, когда ММП мало или отсутствует. Детальный статистический анализ величины интегрального ПТ зоны-1 на дневной стороне в различных условиях показывает, что, несмотря на хорошее качественное соответствие с моделью пересоединения на магнитопаузе в присутствии ММП южного направления, имеются определенные противоречия, указывающие на то, что могут одновременно действовать другие процессы генерации ПТ [8]. Альтернативный механизм основан на вязкостном взаимодействии плазмы с дипольным полем в пограничных слоях, впервые предложенный еще в 1961 г. [15]. Эффективная вязкость возникает как результат развития различных неустойчивостей, например Кельви-на-Гельмгольца, приводящих к уширению по-
E = - V хуЙ/,
„ - ' ' 'У
пограничный слой X
Рис. 1. Схема магнитосферного генератора.
гранслоя. Уширение погранслоя может также вызывать аномально низкая проводимость плазмы.
В применении к дневной магнитопаузе, одна из первых моделей магнитосферного МГД генератора была предложена в работе [16]. В дальнейшем она развивалась, например, в [17, 18]. В детальном численном моделировании магнитосферы Земли в отсутствии ММП [19] установлено, что источник трансполярного потенциала и токов зоны-1 расположен в области низкоширотной магнитопаузы и работает за счет конечной вязкости и электропроводности. На рис. 1 схематично изображен МГД генератор, создающий электрическое поле внутри магнитосферы и движущий ПТ зоны-1 в Северном полушарии. Аналогичная цепь имеется и в Южном полушарии. Здесь и далее используется геомагнитная система координат GSM. На обоих флангах низкоширотного пограничного слоя плазма движется вдоль границы магнитосферы поперек магнитного поля. Такое движение создает внутри погранслоя электрическое поле, направленное от утра к вечеру так, что возникает положительный потенциал в утреннем секторе (Y < 0), и отрицательный в вечернем секторе (Y > 0). Этот перепад потенциала передается по силовым линиям магнитного поля, которые для внутренней стороны пограничного слоя проецируются на полюса диполя. Поскольку скорость флангового течения плазмы меняется вдоль силовых линий, то за счет члена (B V) Vv в уравнении индукции генерируется азимутальная компонента магнитного поля SBFAC так, что вектор Умо-ва-Пойтинга Sp направлен от пограничного слоя к полюсам. Если ионосфера проводящая, то распределенные магнитосферные генераторы замыкаются и течет ток. Внутри погранслоя ток течет против электрического поля, а электродвижущей силой является сила Лоренца. Нагрузкой высту-
пает ионосфера. Полужирными линиями нарисованы две токовые цепи — в плоскости терминатора (серая) и аналогичная по топологии на дневной стороне (черная). Обе цепи замыкаются через ионосферу. Геометрия возвратного тока за пределами магнитосферы неоднозначна и часть его может течь через высокоширотный касп.
Статистический анализ измерений трансполярного потенциала показывает, что в отсутствии ММП он пропорционален квадрату скорости СВ и для У0 = 300 км/с примерно равен ~9 кВ [20]. В работе [21] численные расчеты в рамках парабо-лоидной модели дали величину ЬЛ ~ 8 кВ. По данным наблюдений также обнаружилось, что скачки давления СВ вызывают отклик в повышении трансполярного потенциала независимо от направления ММП [22].
Как описано в предыдущих публикациях авторов [4, 5, 23—25], лабораторные эксперименты по обтеканию магнитного диполя лазерной плазмой обнаружили, что помимо формирования четко выраженной фронтальной части магнитосферы, на полюсах генерируется интенсивная система продольных токов. Детальные измерения полной величины и локальной плотности ПТ, магнитных возмущений на полюсах обнаружили их подобие токам зоны-1 на Земле. Лабораторные ПТ наблюдались только в том случае, если они могли замыкаться через проводящую поверхность диполя. Сравнение случаев с проводящей и диэлектрической поверхностью диполя выявило специфические магнитные возмущения, вызываемые ПТ, и их связь с электрическим потенциалом в экваториальной части магнитопаузы. Было обнаружено, что трансполярный потенциал пропорционален энергии ионов в набегающем потоке. Экспериментально подтверждено, что на внутренней границе пограничного слоя в плазме имеется положительный потенциал на утренней (западной) стороне и отрицательный на вечерней (восточной) стороне, и что разность этих потенциалов в плазме по величине соответствует трансполя
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.