научная статья по теме ПРОХОЖДЕНИЕ СТРУКТУР СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА ЧЕРЕЗ МАГНИТОСЛОЙ ПО ДАННЫМ ДВУХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ THEMIS Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ПРОХОЖДЕНИЕ СТРУКТУР СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА ЧЕРЕЗ МАГНИТОСЛОЙ ПО ДАННЫМ ДВУХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ THEMIS»

КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, том 53, № 5, с. 363-373

УДК 523.62-726

ПРОХОЖДЕНИЕ СТРУКТУР СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА ЧЕРЕЗ МАГНИТОСЛОЙ ПО ДАННЫМ ДВУХ КОСМИЧЕСКИХ

АППАРАТОВ THEMIS © 2015 г. Л. С. Рахманова1, 2, М. О. Рязанцева1, 2, Г. Н. Застенкер2

1 Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ 2Институт космических исследований РАН, г. Москва rakhlud@gmail.com Поступила в редакцию 30.01.2014 г.

Изучена трансформация плазменных структур солнечного ветра при прохождении через турбулентный магнитослой на временных интервалах от нескольких секунд до нескольких минут с использованием данных измерений плотности плазмы на двух близкорасположенных спутниках миссии Themis. Показано, что околоземная ударная волна и магнитослой добавляют, в основном, высокочастотные флуктуации с частотами более 0.01—0.02 Гц к исходным вариациям плотности плазмы солнечного ветра. В результате анализа нескольких длительных интервалов обнаружено, что коэффициент корреляции может испытывать резкие изменения, уменьшаясь от больших значений до достаточно малых за несколько минут и затем снова возрастая. Статистически изучены факторы, влияющие на уровень корреляции плотности плазмы солнечного ветра и магнитослоя. Показано, что высокий уровень корреляции в большем проценте случаев наблюдается при высоких значениях модуля межпланетного магнитного поля, плотности плазмы и модуля направленной скорости солнечного ветра. Уровень корреляции также значительно увеличивается с увеличением амплитуды плазменных структур солнечного ветра.

DOI: 10.7868/S0023420615040081

ВВЕДЕНИЕ

Магнитосфера Земли подвергается постоянному воздействию солнечного ветра (СВ). Перед ней образуется стоячая ударная волна и переходная область между околоземной ударной волной и магнитопаузой — магнитослой (МСЛ).

Любое возмущение плазмы и магнитного поля солнечного ветра видоизменяется магнитослоем, прежде чем попасть к магнитопаузе. На околоземной ударной волне плазма нагревается, сжимается, замедляется и меняет направление течения. Такие характеристики течения плазмы в магнито-слое описываются простой газодинамической моделью Спрайтера [1].

Более сложные модели, чем модель Спрайтера, рассматривают влияние магнитного поля на течение плазмы (например, работы [2, 3, 4, 5]). Модели, в целом, неплохо описывают характер течения и средние параметры плазмы и магнитного поля. Однако в численных моделях, как правило, не удается воспроизвести флуктуации параметров маг-нитослоя, наблюдаемые в эксперименте (сравнение моделей и экспериментальных данных можно найти, например, в работах [6, 7]). Различия между моделями и экспериментальными данными особенно существенны для магнитного поля,

в связи с чем в литературе, как правило, проводится сравнение только флуктуаций магнитного поля в СВ и МСЛ.

Так, в работе [8] рассматривается зависимость модуля и компонент магнитного поля, измеренных в МСЛ непосредственно перед магнитопау-зой от значений тех же параметров в СВ непосредственно перед околоземной ударной волной. Показано, что бывают ситуации, когда ориентация магнитного поля у магнитопаузы может значительно отличаться от ориентации межпланетного магнитного поля: например в ~30% рассмотренных случаев компонента Бг меняет знак у магнитопаузы по сравнению с СВ, что не может быть объяснено существующими на данный момент моделями. В работе [9] авторы рассмотрели возможность предсказания знака Бг компоненты магнитного поля в МСЛ по данным межпланетного магнитного поля (ММП). Авторы показали, что в случае, когда ММП |Бг| < 1 нТл, вероятность Бг компоненте в МСЛ иметь такой же знак, как и в СВ, равна, в среднем, 0.5 (что соответствует случайному совпадению), и даже в случае Щ > 9 нТл вероятность правильного предсказания знака Бг в МСЛ не всегда равна 1. Данная вероятность возрастает, когда спутник в СВ ведет измерения в

непосредственной близости от ударной волны. Результаты этих работ показывают, что магнито-слой — важный элемент околоземного пространства, которым нельзя пренебрегать при моделировании солнечно-земных связей и прогнозировании космической погоды.

Магнитослой, в большинстве случаев, — сильно турбулентная область, о чем свидетельствуют флуктуации всех параметров в широком диапазоне частот. Исследованию этих флуктуаций посвящен ряд работ (см. [10, 11, 12] и ссылки в этих работах). В работе [6] показано, что вариации потока и магнитного поля в МСЛ делятся на два типа:

1) повторение или усиление вариаций СВ, которые прошли через околоземную ударную волну,

2) возникновение вариаций в самом магнитослое. В работе [13] авторы исследовали радиальные профили вариаций магнитного поля и потока ионов с большими амплитудами в магнитослое и показали, что такие профили подобны как для утреннего и вечернего магнитослоя, так и для высоких и низких частот. Было также показано, что амплитуды высокочастотных флуктуаций зависят от угла 9Bn между ММП и нормалью к околоземной ударной волне, уменьшаясь для углов, близких к 90°. В работе [14] было показано, что в периоды квази-параллельной ориентации ударной волны (9Bn < 45°) наблюдаются интенсивные флуктуации потока ионов и величины магнитного поля в диапазоне частот 0.02—1 Гц, и амплитуда этих вариаций, в среднем, в 2 раза больше, чем в случае квази-перпендикулярной (9Bn > 45°) ориентации ударной волны. Кроме того, авторы делают вывод, что вариации в этом диапазоне частот генерируются на околоземной ударной волне и затем переносятся потоком плазмы вдоль линий тока в МСЛ. В работе [15] на большой статистике был исследован уровень корреляций магнитного поля в двух близкорасположенных точках магнитослоя. Авторы пришли к выводу, что корреляционная длина вариаций в диапазоне частот 0.001—0.125 Гц составляет ~1 RE и практически не зависит от направлений магнитного поля и вектора скорости плазмы. Этот результат был подтвержден в работе [16], где было показано, что корреляционная длина увеличивается с увеличением амплитуды вариаций в диапазоне частот 0.001-0.125 Гц.

Для того чтобы разделить пространственные и временные вариации параметров, используются многоспутниковые исследования. Например, в работе [17] были использованы данные WIND (как монитора СВ), Geotail (как ближнего монитора СВ), Themis-B, -Cи Cluster-1, -2. Такой набор данных позволяет изучать вариации магнитного поля в МСЛ и их происхождение. Авторы показали, что во всей дневной части магнитослоя наблюдаются низкочастотные флуктуации (10-4-

10-3 Гц), и источником этих флуктуаций является солнечный ветер. Вариации с более высокими частотами и вплоть до 10-1 Гц не коррелируют на различных космических аппаратах, что указывает на локальный источник этих вариаций. Было также показано, что основным источником таких вариаций являются процессы около магнитопаузы, т.к. амплитуда вариаций увеличивается при движении спутника к границе магнитосферы.

Анализ прохождения отдельных структур из СВ в МСЛ также дает возможность изучать свойства турбулентного магнитослоя. В работе [18] анализируется прохождение межпланетной ударной волны (УВ) через околоземную УВ и ее изменение в магнитослое. Авторы показали, что УВ замедляется в МСЛ. В работе [19] исследуется прохождение мелкомасштабных плазменных структур (проходящих мимо спутника за несколько секунд) из СВ в МСЛ. В работе показано, что у мелкомасштабных структур сохраняются резкие границы и увеличивается амплитуда и длительность после пересечения околоземной УВ. В таких случаях наблюдается высокая корреляция параметров СВ и МСЛ. Однако далеко не все структуры, наблюдаемые в СВ могут быть идентифицированы в МСЛ из-за высокого уровня флуктуаций в нем. Исследование прохождения отдельных структур из СВ в МСЛ позволяет определить, каким образом околоземная ударная волна и МСЛ могут модифицировать структуры СВ, а также позволяет проводить количественные оценки для сравнения с моделями. Однако, ввиду сложностей набора статистики, такой подход не позволяет провести систематическое рассмотрение особенностей прохождения структур СВ через МСЛ. Кроме того, остается открытым вопрос, почему иногда структуры СВ наблюдаются в МСЛ, а иногда их идентифицировать затруднительно. Статистически изучить влияние ударной волны и МСЛ на модификацию структур СВ можно с помощью кросскорреляционного анализа.

Как уже было показано выше, в литературе, в основном, проводится корреляционный анализ параметров магнитного поля в СВ и МСЛ (как, например, в работах [15—17]), однако аналогичный анализ плазменных параметров СВ и МСЛ в литературе не приводится.

В данной работе исследуются модификации различных плазменных структур СВ при переходе через околоземную УВ и движении по МСЛ с помощью корреляционного анализа одновременных измерений в СВ и МСЛ. Основной объект исследования — структуры плазмы, проходящие мимо спутника за время от нескольких секунд до нескольких минут. Ниже для краткости мы будем употреблять термин "длительность структур". В работе проведен корреляционный анализ 89 часов почти одновременных наблюдений парамет-

ров плазмы в СВ и МСЛ, полученных с двух близкорасположенных космических аппаратов. Рассмотрена зависимость величины коэффициента корреляции от времени сглаживания данных. Сглаживание в данном случае равносильно фильтрации высоких частот. Проведен как статистический анализ коэффициентов корреляции, рассчитанных на различных интервалах, так и детальный анализ длительного непрерывного интервала времени. Выделены факторы, влияющие на наличие или отсутствие корреляции параметров плазмы СВ и МСЛ.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДИКА АНАЛИЗА

Для проведения корреляционного анализа мелко- и среднемасштабных структур солнечного ветра используются измерения на двух спутниках проекта Themis [20, 21], расположенных на небольших расстояниях друг от друга в СВ и в МСЛ. Проект Themis включает в себя пять идентичных по конструкции небольших спутников. При своем движении вокруг Земли в некоторые периоды времени спутники практически выстраиваются вдоль линии Солнце—Земля, располагаясь при этом в разных областях околоземного пространства, имеющих совершенно разные характер

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