КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2012, том 50, № 4, с. 292-302
УДК 550.385
АКТИВИЗАЦИЯ ДОЛЕЙ ХВОСТА В ХОДЕ МАГНИТОСФЕРНОЙ БУРИ 20.XI.2003 г.
© 2012 г. В. М. Мишин1, Ю. А. Караваев1, Л. А. Сапронова1, |С. И. Соловьев|2
1 Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск 2 Институт космофизических исследований и астрономии СО РАН, г. Якутск Поступила в редакцию 07.06.2011 г.
В каждой полярной шапке выделена "старая ПШ", наблюдаемая в спокойное время перед рассматриваемым событием, и "новая ПШ", которая возникает в ходе суббури, обрамляя старую и расширяя общую площадь ПШ. Старая и новая ПШ служат основанием старой и новой доли хвоста магнитосферы, соответственно. Обычно предполагают, что переменный магнитный поток ^ новой доли является активным — обеспечивает перенос из солнечного ветра в магнитосферу потока электромагнитной энергии (потока Пойнтинга) б'. Предполагают также, что магнитный поток старой доли пассивный, т.е. остается постоянным в ходе возмущения и не участвует в процессе переноса, что означало бы абсолютное экранирования электрического поля старой ПШ от проникновения в нее электрического поля конвекции, создаваемой пересоединением на магнитопаузе. Экранирование действительно наблюдается, но далеко не абсолютное. Мы предлагаем модель экранирования и определяем ее количественные характеристики в избранной супербуре. Коэффициент — отношение в = Т2/%2, где Т02 = const — открытый магнитный поток через старую ПШ, измеряемый перед суббурей, а — переменный магнитный поток через ту же площадь, измеряемый во время суббури. Рассмотрены три разных режима возмущения. В каждом, коэффициент в уменьшался в ходе загрузочной фазы и увеличивался на фазе разгрузки, но скорости и размах изменений показали сильную зависимость от режима. Спад в интерпретирован как результат вовлечения магнитного потока старой ПШ, который ранее считался постоянным, в процесс переноса потока Пойнтинга б' из солнечного ветра в магнитосферу. Ослабление процесса переноса на последующей разгрузочной фазе создает рост в. Оценки показали, что коэффициент в ходе каждого режима и вычисляемый поток Пойнтинга б' изменялся в разы. В целом, в отличие от существующей концепции новый сценарий описывает ранее неизвестный процесс активизации в ходе возмущения большой части доли хвоста.
С. И. Соловьев
1. ВВЕДЕНИЕ
{1}. Термин "доли хвоста" означает одну из основных структур магнитосферы Земли. Каждую из двух долей образует связка открытых силовых линий, которые принадлежат геомагнитному полю, но замыкаются через солнечный ветер (СВ). Каждая доля и соответствующая полярная шапка (ПШ) неоднородны. В спокойное время до возмущения в каждом полушарии наблюдается старая ПШ, содержащая магнитный поток Т2. На загрузочной фазе возмущения вокруг ее площади образуется новая ПШ с переменным потоком Т [1—4]. При таких обозначениях поток открытых магнитных силовых линий есть сумма Т = Т + Т2, где переменная составляющая, создаваемая пересоединением на магнитопаузе, а Т2 — вторая составляющая, которую обычно считают постоянной в ходе рассматриваемого возмущения. Авторы [5, 6] определили этот параметр как постоянную в линейном регрессионном уравнении Т (ГВб) = 0.87 + 0.12Ет, где Ет (мВ/м) — электрическое поле СВ. Известно также, что характерные значения обоих названных компонент сравнимы. Найдено, что Т2 ^ 0 в тех редких событиях, когда
длительно, в течение нескольких часов, доминирует северное ММП и модуль Ву не превышает 4 нТл [1-4].
{2}. Однако, деление долей ПШ и долей хвоста на старые и новые не стало популярным. Имеющаяся в литературе информация относительно Т2 неполна и противоречива. Значения Т2, которые приводят разные авторы, заполняют широкий диапазон 0.1-1.4 ГВб. Эти значения можно найти в статьях, цитированных выше, и в работах [5— 16]. В одних статьях этот параметр — универсальная константа, в других — минимальное значение Т как в рассматриваемом событии. С другой стороны, авторы [17—19] обнаружили, что в рассмотренных ими суббурях значение Т2 изменяется: уменьшается в разы на фазе загрузки и снова увеличивается в ходе разгрузки. Авторы назвали эти новые явления "Р-эффекты" — термин, который будет раскрыт ниже. Значимость этих новых данных и проблемы изучения Т2 определяется тем, в частности, что оценка потока электромагнитной энергии (потока Пойнтинга), поступающего в
магнитосферу из СВ есть б' = где с — эмпи-
рическая константа, V — средняя скорость пере-
носа магнитного потока Т в долях, принимаемая равной V«/2 [напр., 20—22]. Поток s' поступает непосредственно в доли хвоста и далее эта энергия переносится в замкнутый хвост, обеспечивая питание глобальных магнитосферных возмущений [23, 24]. Отсюда видно, что в вычислении мощности s' участвует параметр Т = Т — Т2.
{3}. Из приведенных данных следует, что, используя два крайних значения Т2 упомянутого выше диапазона 0.1—1.4 ГВб, мы получим два вычисленных значения s', которые различаются на два порядка. Существование такой неопределенности служит одним из стимулов настоящей статьи, но не единственным. Р-эффекты представляют интерес и независимо от их отмеченного прикладного значения. Они обнаруживают новую физику глобальных процессов взаимодействия СВ с геомагнитным полем. В приводимой ниже одной из возможных интерпретаций наблюдаемых Р-эффектов предполагается вовлечение силовых линий части старой доли хвоста в систему конвекции, созданной пересоединением на маг-нитопаузе в новой доле. Аналогичное, хотя не идентичное, явление не магнитогидродинамиче-ской природы было отмечено в [25]. Вовлечение может быть настолько сильным в ходе супербури, что средняя скорость переноса всего магнитного потока старой полярной шапки увеличивается до скорости плазмы в новой ПШ.
{4}. В [17, 19] описаны Р-эффекты с использованием данных статистической суббури, которые были получены методом наложения эпох девяти событий разной интенсивности и разных сезонов. В [18] рассмотрена аналогичная тема по данным малой изолированной суббури в коротком интервале 03.00—04.05 UT начала супербури 20.XI.2003. В настоящей статье мы продолжаем исследование Р-эффектов по данным расширенного интервала 03.00-08.02 UT 20.XI.2003, который предшествовал сильному динамическому удару СВ и началу основной фазы супербури. В этом интервале, где АЕ-индексы были порядка 400-600 нТл, имели место три различных режима возмущений, не исследованных ранее: режим типичной малой суббури, режим стационарной маг-нитосферной конвекции с наложением кратковременных разгрузок типа SMC/GAI (Steady Magneto-spheric Convection/ Global Alfvenic Interaction) и снова режим с признаками суббури, но при повышенном значении Pd—динамического давления СВ [26-28].
В разделе 2 излагаются основные известные сведения о Р-эффектах, в разделах 3 и 4 описаны использованная база данных наблюдений и методы обработки, в разделе 5 - полученные результаты и их обсуждение. Неожиданно сильное изменение режима возмущения при переходе от SMC к Р^возмущению, вызванное сравнительно сла-
бым ростом Pd, поддерживает модель Р^возму-щений по [29, 30]. Отмечены особенности Р-эф-фектов, наблюдаемые при смене режима возмущения. Поддержан основной вывод: в отличие от существующей концепции, магнитный поток доли хвоста не является единым целым, но состоит из двух открытых магнитных потоков, связанных между собой как причина и следствие. Мы предполагаем, что причина - пересоединение на маг-нитопаузе и в каспах, следствие - проникновение в старую ПШ конвекционного электрического поля, созданного пересоединением в новой ПШ.
2. р-ЭФФЕКТЫ
{5}. Авторы в [31], исследуя карты распределения в ионосфере электрического потенциала (карты конвекционных систем), отметили, что градиент потенциала и соответствующая скорость конвекции ионосферной плазмы регулярно уменьшаются в околополюсной области старой ПШ. Аналогичные признаки огибания конвекцией плазмы околополюсной области описали авторы [32, 33]. Их данные подтвердили, что электрическое поле конвекции Ее в новом хвосте, проникая в старый хвост, создает там электрическое поле E, напряженность которого систематически меньше Ее. Отсюда следует аналогичное соотношение между скоростями конвекции ионосферной плазмы V— Ex В. В этой связи, авторы [17, 18] ввели определение Т2 = РТ02, где Р < 1 — переменный коэффициент, Т02 — постоянный магнитный поток через старую ПШ и долю старого хвоста. Здесь параметр Р > 0 имеет смысл коэффициента экранирования старой ПШ от проникновения в нее электрического поля конвекции плазмы из новой ПШ. Все это не согласуется с предположением, упомянутом во введении, где Т2=const. При новом подходе и при Р = 1 старая ПШ полностью экранирована, конвекция плазмы, создаваемая пересоединением на магнитопа-узе, в старой ПШ отсутствует. При Р = 0 вся старая ПШ становится активной и ее силовые линии с общим магнитным потоком (1 — Р)Т02 участвует в переносе потока Пойнтинга. Скорость переноса есть скорость конвекции магнитного потока новой ПШ. Таким образом, в изложенном сценарии предполагается, что на фазе роста суббури силовые линии старого хвоста постепенно вовлекаются в ускоренную конвекцию, созданную пересоединением на магнитопаузе в новой доле хвоста. В этой связи, мы называем Р-эффектами уменьшение коэффициента экранирования старой ПШ Р на фазе загрузки и увеличение на разгрузочной фазе возмущения.
{6}. Развивая сценарий, мы принимаем, что малая часть старой ПШ и пронизывающий ее открытый магнитный поток 8Т02 = (1 — Р)Т02 при-
обретают скорость V ~ Ее X В, равную скорости конвекции плазмы в новом хвосте, а средняя скорость плазмы старой ПШ есть VI ~ Ее X В. При таких определениях выполняются равенства
^ = + ^02 = + 5^02 + ^2, (1)
где Т2 = Р^02 — пассивная часть магнитного потока Т02, измеряемого перед началом суббури, а 5Т02 — активный компонент, который участвует в переносе из СВ потока Пойнтинга е', дополняя вклад в е' активного потока Т1. Соответствующий дополнительный поток Пойнтинга есть Аб1 = едх¥02¥. Потоку Т02 в целом приписывается в рассматриваемом сценарии средняя по площади старой ПШ скорость в долях хвоста, равная V < V, что
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.