КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2009, том 47, № 5, с. 388-396
УДК 550.38
РАЗРЫВНАЯ МОДА В ТОНКИХ ТОКОВЫХ СЛОЯХ МАГНИТОСФЕРЫ ЗЕМЛИ: СЦЕНАРИЙ ПЕРЕХОДА В НЕУСТОЙЧИВОЕ СОСТОЯНИЕ
© 2009 г. Л. М. Зелёный1, А. П. Кропоткин2, В. И. Домрин2, А. В. Артемьев1, 2, X. В. Малова2, 1, В. Ю. Попов3, 1
1 Институт космических исследований РАН, г. Москва 2 Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ 3Московский государственный университет, физический факультет Поступила в редакцию 22.05.2008 г.
Проведено сравнение результатов численного моделирования процесса утоньшения токового слоя в хвосте магнитосферы Земли с моделью анизотропного токового слоя в бесстолкновительной космической плазме. Исследована устойчивость токового слоя хвоста в процессе эволюции, в которой можно выделить три основных этапа: 1) преобразование начального двумерного "изотропного" равновесия, которое хорошо описывается в рамках МГД -приближения, в относительно тонкую токовую структуру; 2) дальнейшая кинетическая эволюция, в результате которой формируется практически одномерный, предельно тонкий, токовый слой; 3) релаксация системы в новое равновесное состояние, которое может быть неустойчивым. Предложен сценарий суббуревой трансформации магнитосферного хвоста и перехода его в неустойчивое состояние. Спонтанно возникающее тиринг-возмущение способствует разрыву тока. Показано, что оценка длина волны тиринг-моды, полученная из модели, согласуется с экспериментальными наблюдениями во время взрывной фазы суббури.
РЛС8: 94.30.cp, 94.30.cl, 94.05.-a
ВВЕДЕНИЕ
Одним из наиболее приоритетных направлений современной космофизики является изучение физики Солнца и солнечно-земных связей, где важнейшее место занимают процессы магнитного пересоединения. Предполагается, что они являются источником огромной энергии, выделяемой в короне Солнца во время вспышек. Происходящая при пересоединении диссипация магнитного поля приводит к разогреву плазмы до температур более 107 К и одновременному ускорению заряженных частиц до энергий, превышающих их начальные значения в сотни и тысячи раз [1]. Согласно современным представлениям пересоединение происходит в областях короны, где взаимодействуют противоположно направленные магнитные поля, т.е. вблизи нулевых магнитных точек [2, 3]. Прямые и косвенные наблюдения (особенно спутников УоНкоН, КНЕББ1, БоНо и других) выявили в короне Солнца источники жесткого рентгеновского излучения, которые хорошо согласуются с предсказаниями теории пересоединения [4].
Процессы пересоединения лежат в основе одного из важнейших проявлений взаимодействия солнечного ветра с геомагнитным полем - магнито-сферной суббури. В ходе суббури происходят глобальные геомагнитные возмущения. Вначале кинетическая энергия солнечного ветра трансформируется в энергию магнитного поля магнитосфер-
ного хвоста (фаза зарождения суббури). Затем следует быстрый процесс высвобождения запасенной энергии (взрывная фаза), при котором происходит ускорение плазмы и пересоединение магнитных силовых линий в ближней к Земле части токового слоя (ТС), а также многообразные суббуревые плазменные процессы: высыпание энергичных частиц в авроральный овал (полярные сияния), колебания магнитного поля на Земле и в космосе, общая перестройка магнитосферы с образованием замкнутых плазменных структур -плазмоидов, и др.
Накопление магнитной энергии в геомагнитном хвосте, одновременное утоньшение токового слоя, уменьшение нормальной к слою компоненты магнитного поля, - все эти факторы, сопровождающие эволюцию геомагнитного хвоста в фазе зарождения суббури, как представляется, должны приводить к разрушению токового слоя. Одной из важнейших задач оказывается изучение конкретных плазменных структур и динамических механизмов, приводящих к их взрывному разрушению. Ни одна из существующих сегодня моделей магнитосферы не дает полной картины рассматриваемых плазменных процессов. В этой связи представляются важными спутниковые наблюдения особых плазменных структур - тонких токовых слоев толщиной порядка ионного лар-моровского радиуса [5-7]. На ближней кромке токового слоя хвоста такие тонкие структуры,
вложенные в более толстый плазменный слой, могут существовать относительно долго, от 15 мин до 2-х часов [8-10], а затем быстро разрушаться. Весьма детально структура и динамика тонких ТС исследованы в ходе наблюдений, проведенных спутниками Cluster [9, 11, 12].
Поскольку в ходе развития суббури трансформация ТС сопровождается, как правило, пересоединением магнитных потоков (в частности, с образованием замкнутых магнитных петель - плазмоидов), то в качестве основной моды возмущения следует рассматривать тиринг-моду. С ней связана долгая и драматическая история попыток создания общей непротиворечивой теории суббури. Первоначально развитие тиринг-неустойчивости в ТС магнито-сферного хвоста изучалось в рамках линейной теории возмущений [13] применительно к общеизвестной модели ТС Харриса [14]. Однако, учет нормальной к слою компоненты магнитного поля [15-17] резко сузил область параметров, где возможна неустойчивость. В частности, для земной магнитосферы длина волны неустойчивой моды оказалась нереально большой - порядка 100 RE [17]. Физической причиной устойчивости ТС оказался эффект "электронной сжимаемости", при котором необходимы большие затраты энергии для возмущения плотности электронов, замагниченных нормальной компонентой магнитного поля. При этом развитие ионной тиринг моды становится энергетически невыгодным.
В последнее десятилетие проведены исследования, в которых учтены некоторые дополнительные факторы, способные изменить энергетический баланс в ТС и перевести его в неустойчивое состояние. В частности, учет пролетных электронов делает слой более неустойчивым при условии малости их температуры по сравнению с температурой ионов [18]. Кроме того, можно отметить исследования модификации тиринг-моды, вызываемой одновременной раскачкой высокочастотных колебаний за счет протекающего тока [19].
Однако, в последние годы выяснилось, что само исходное равновесие ТС в геомагнитном хвосте может быть существенно иным. Классические изотропные модели типа модели Харриса не применимы для описания существенной части наблюдаемых токовых структур в магнитосфере Земли [9, 11, 12]. Возникла необходимость создания аналитических моделей ТС с анизотропными потоками ионов. Выполненные в последние годы подробные теоретические исследования неадиабатических орбит [20] позволили построить самосогласованную кинетическую модель тонкого ТС с анизотропными ионами [21-24], в которой натяжение магнитных силовых линий уравновешено не градиентом давления плазмы вдоль плоскости слоя, а силой инерции ионов, движущихся в искривленном магнитном поле. Основной ток в та-
ких слоях поддерживается ионами, находящимися на неадиабатических спейсеровских орбитах. Такие предельно тонкие равновесные ТС (иначе называемые ВКТС - вынужденные кинетические токовые слои) обладают особыми свойствами, которые кардинально отличаются от свойств ранее известных равновесных ТС в бесстолкнови-тельной плазме [14, 17, 25]. В недавних работах [26-29] была исследована динамика формирования таких ТС из относительно толстых токовых слоев. Следующим этапом явилось исследование устойчивости анизотропного слоя, которое было проведено в работе [30].
Цель настоящей работы состоит в исследовании соотношения между двумя плазменными процессами: процессом формирования ВКТС и его последующего разрушения из-за возможных неустойчиво-стей. Для этого были использованы три модели. Первая из них - полуаналитическая самосогласованная модель тонкого токового слоя [24], стабильность которого по отношению к тиринг-моде была изучена в широкой области параметров системы [30]. Вторая модель [26-29] позволила проанализировать характеристики формирующегося ВКТС и оценить устойчивость такой токовой системы в процессе ее квазистационарной эволюции. Третья модель медленного сужения изотропного ТС [31], позволяет проследить эволюцию системы до момента начала формирования ВКТС. На основании этого исследования предложены возможные сценарии суббури.
МОДЕЛИ ТОКОВОГО СЛОЯ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ
В ряде моделей (см., например, [32, 33]) было показано, что в электрическом поле поперек слоя широкий изотропный ТС с ненулевой нормальной компонентой магнитного поля может утоньшаться и переходить в новое равновесное состояние, характерной особенностью которого является вложенность ТС в более толстый плазменный слой. Это, в свою очередь, оказывает существенное влияние на устойчивость такой конфигурации [34, 35]. Однако для описания эволюции системы на фазе зарождения суббури более подходящими, оказываются модели медленной квазистатической эволюции [31, 36-38], в которых ТС утоньшается, но не меняет своей структуры.
После утоньшения плазменного слоя, в нем становятся возможными локальные срывы равновесия - нарушения баланса магнитного натяжения и продольного градиента давления [26-29]. Эти нарушения происходят в результате быстрых перестроек магнитного поля в магнитосферном хвосте, характеризующихся малой длительностью распространения МГД сигнала.
Z
Рис. 1. Схематическое изображение тонкого токового слоя в хвосте магнитосферы Земли. Слева: взаимопроникающие потоки плазмы со скоростями V = +Vд направлены вдоль силовых линий магнитного поля. Справа: вблизи нейтральной плоскости ионы размагничиваются, описывают полуокружность в нормальном магнитном поле Бг, и переносят ток в У-направ-лении.
Динамический процесс, следующий за потерей равновесия, характеризуется намного большей длительностью, что обусловлено малостью нормальной компоненты магнитного поля и относительно высокой плотностью плазмы в слое. Эта эволюция была численно промоделирована с применением метода частиц. Нестационарное решение содержит быстрое возмущение, убегающее в обе стороны от центральной плоскости ТС как автомодельная быстрая магнитозвуковая волна разрежения. Возникающее при этом индукционное электрическое поле проникает внутрь ТС. В разных зонах слоя с этим полем связаны различные эффекты. На пе
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.