КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2007, том 45, № 4, с. 306-313
УДК 533.9.07
ДИНАМИКА ИОННЫХ ЭНЕРГО-ДИСПЕРГИРОВАННЫХ СТРУКТУР ВБЛИЗИ ВНЕШНЕЙ ГРАНИЦЫ ПЛАЗМЕННОГО СЛОЯ
© 2007 г. Р. А. Ковражкин1, Ж.-А. Сово2
1Институт космических исследований РАН, г. Москва 2Центр исследований космических излучений Франции, Тулуза Поступила в редакцию 22.12.2005 г.
Проведен анализ энерго-диспергированных структур протонов и популяций электронов по данным спутника ИНТЕРБОЛ-2 на апогейной части витков 1579 (13.IX.1997) и 1276 (2.VII.1997). На каждом витке спутник пересекал два раза авроральную зону на высотах 13500-19000 км, сначала при его движении к полюсу (первое сечение), а затем к экватору (второе сечение). Наблюдалась трансформация типов энерго-диспергированных структур вблизи внешней границы авроральной зоны при первом и втором ее сечении: VDIS в TDIS (виток 1579) и TDIS во VDIS (виток 1276). VDIS представляют собой одиночные структуры 0.3-10 кэВ, состоящие из нескольких мелкомасштабных субструктур длительностью 2-5 мин, в то время как TDIS - это повторяющиеся инжекции 1-14 кэВ длительностью 1-3 мин с периодом следования 2-4 мин. Показано, что трансформация VDIS в TDIS и TDIS во VDIS четко связана с фазой суббурь. VDIS наблюдались в магнито-спокойных условиях перед суббурей и на фазе восстановления суббури, TDIS - в главную фазу суббури.
PACS: 94.30.cl; 94.30.ct
ВВЕДЕНИЕ
Поведение плазмы вблизи внешней границы плазменного слоя (PS) представляет значительный интерес для исследования процессов нагрева, ускорения и транспорта частиц в хвосте магнитосферы. Вблизи этой границы наблюдались продольные пучки сверхтепловых ионов на многих высокоапо-гейных космических аппаратах [см., например, 1-4] в диапазоне 200-2000 км/c, ускоренные в пограничном плазменном слое (PSBL). Высокоскоростные потоки ионов были также зарегистрированы и в центральном плазменном слое (CPS) по спутникам ISEE [5-6]. Однако при очень медленном движении спутников на больших расстояниях от Земли не удается проследить динамику процессов во внешней части PS, т. к. временная шкала этих процессов не превосходит нескольких десятков минут [7]. Поэтому динамику процессов более детально можно исследовать на более низких высотах, когда область CPS-PSBL пересекается спутниками в течение минут или десятков минут. В связи с этим представляют интерес исследования пучков ионов по их авроральным "автографам" в форме ионных дискретных структур вблизи полярного края ночного аврорального овала. Поиски таких высыпаний привели к обнаружению энерго-диспергированных структур VDIS (Velocity Dispersed Ion Structures) в диапазоне 1-20 кэВ на спутнике Ореол-3 на высотах 500-2000 км [8-10]. Позднее эти структуры были зарегистрированы и на других низкоапогейных спутниках [11-13]. Измерения на больших высо-
тах (15000-45000 км) на спутниках ИНТЕРБОЛ-2, Polar и Cluster позволили более подробно исследовать пространственные и временные характеристики ионных пучков [14-16]. Измерения на апогейной части ИНТЕРБОЛ-2 [17] впервые выявили другой тип энерго-диспергированных структур ионов H+ и O+, названных TDIS (Time of flight Dispersed Ion Structures), появление которых связанно с повышением магнитной активности. Эти структуры, по всей вероятности, являются временными инжекциями из ближних областей PS. Измерения на Polar [14] показали, что такие ионные структуры скорее всего могут иметь временную природу. Анализ данных по спутникам ИНТЕРБОЛ-2 и Cluster продемонстрировал, что на внешней границе PS наблюдаются оба типа структур: VDIS и TDIS [16]. Было показано, что VDIS может являться пространственно-временной структурой, состоящей из субструктур; дисперсия в субструктурах может быть связана с время-пролетным эффектом для ионов разных скоростей и масс. Если же рассматривать VDIS как одну единую целую структуру, т.е. "оболочку", содержащую все субструктуры, то энергия ионов увеличивается с увеличением широты, как и было отмечено в ранних публикациях по VDIS [10, 11]. TDIS представляют собой несколько повторяющихся интенсивных инжекций ионов, длительностью 1.5-2 мин с периодом повторения ~3 мин на высотах 15000-20000 км. В работе [16] был проведен анализ появления структур от геомагнитных условий, и показано, что VDIS наблюдаются, в ос-
новном, в магнитно-спокойные периоды и во время фазы восстановления суббурь, в то время как ТБК часто наблюдаются во время внезапного начала и в главную фазу суббури.
В данной работе мы исследовали свойства структур на высокоапогейной части орбиты ИН-ТЕРБОЛ-2. Спутник пересекал при своем движении на этой части орбиты ночную авроральную зону дважды, сначала от экватора к полюсу, а затем от полюса к экватору, т.е. сначала до полярной шапки, а затем после прохождения полярной шапки. Таким образом, впервые представлены данные по параметрам ионных структур в ходе одного и того же витка на двух последовательных сечениях авроральной зоны. Мы привели здесь результаты исследования для двух витков спутника и выявили трансформацию ионных структур УБК в ТОК на витке 1579 (13.IX.1997 г.) и ТБ^ во УБК на витке 1276 (2.УП.1997 г.). Каждый из этих витков проходил в периоды разных фаз суббурь, поэтому можно четко связать формирование того или другого типа ионных структур с магнитной активностью.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Мы анализируем популяции ионов и электронов вблизи полярного края ночного аврорального овала, используя данные спектрометрического комплекса ИОН на спутнике иНТЕРБОЛ-2. Спутник был запущен 29.VIII.1996 г. с наклонением орбиты 62.8° и высотой апогея 20000 км. Орбитальный период спутника составлял 6 часов. Космический аппарат вращался относительно оси, направленной на Солнце, с периодом ~2 мин. Комплекс ИОН состоял из двух датчиков ионов и двух датчиков электронов; оси входных коллиматоров каждой пары для измерения ионов и пары для измерения электронов были направлены антипараллельно. Датчики были установлены так, что оси входных коллиматоров располагались перпендикулярно оси, направленной на Солнце. Спектрометры ионов представляли собой масс-анализаторы (фильтры Вина) для измерения потоков Н+, Не++, Не+, 0+ в диапазоне энергий ~5-14000 эВ/заряд. Спектрометры электронов измеряли потоки электронов в диапазоне 10-22000 эВ. Число энергетических ступеней, а также полное время сканирования спектра выбирались в зависимости от режима работы комплекса ИОН. Полное описание спектрометров ИОН приведено в [18]. Мы анализируем данные в этой работе, когда ИОН находился в режиме сканирования полного спектра протонов за 7.5 с, а спектра электронов - за 3.75 с. Мы также используем предварительные АЕ- и ЛО-индексы, чтобы характеризовать геомагнитную активность во время измерений.
На рис. 1 представлены АЕ- и АО-индексы 13.IX.1997 г. (верхняя панель). Этот день можно отнести к средне-возмущенным: сумма ^-индексов составляла за день 16+, в этот день было зафиксирова-
но несколько суббурь. Пролет спутника проходил в период, когда магнитная обстановка менялась от спокойной к суббуриевой. Стрелками на верхней панели отмечены времена прохождения полярной границы авроральной зоны на двух ее сечениях. На средней и нижней панелях рис. 1 представлены энер-го-временнЫе спектрограммы протонов и электронов с соответствующими питч-углами. Во время первого пролета авроральной зоны средняя энергия электронов составляет ~1 кэВ вплоть до ~ 17.03 UT. В период 17.03-17.09 UT средняя энергия электронов уменьшается до 0.2-0.4 кэВ. Таким образом, данные по электронам дают возможность утверждать, что спутник проходит две различные области плазменного слоя. Первая область с характерной энергией электронов ~1 кэВ соответствует зоне центрального плазменного слоя - CPS, вторая область -зоне пограничного плазменного слоя - PSBL, энергия в котором обычно составляет сотни эВ [3].
На спектрограмме протонов также отчетливо регистрируется область CPS (средняя энергия в которой составляет 3-7 кэВ) и зона энерго-дисперги-рованной структуры (17.03-17.09 UT). Эта структура имеет характерные черты VDIS: средняя энергия в ней увеличивается с увеличением инвариантной широты, структура состоит из трех субструктур, отмеченных квадратами над энерго-временной спектрограммой протонов. Отметим, что не удается четко определить дисперсию внутри каждой из субструктур (даже с использованием цветового кода потока протонов). Возможно, это связано с небольшой продолжительностью субструктур и недостаточным временным разрешением спектрометра. Другой возможностью является действительное отсутствие дисперсии из-за возможной суперпозиции время-пролетного эффекта для протонов разных скоростей и дрейфа E х B при движении частиц от источника ионного пучка до высоты наблюдения. В данном случае - при движении спутника к полюсу -низкоэнергичные протоны при своем движении должны отклоняться к полюсу (в действительности к большему UT) под действием первого механизма и к экватору под действием второго механизма. В принципе, такая суперпозиция двух процессов может привести к визуализации субструктур без явных признаков дисперсии внутри субструктур.
Далее при своем движении спутник входит в область полярной шапки, где наблюдаются небольшие потоки низкоэнергичных электронов - это так называемый "полярный дождь." После прохождения полярной шапки спутник снова входит в авроральную зону, причем отмечается резкий подъем потока электронов со средней энергией ~2-3 кэВ. Здесь мы видим только одну область плазменного слоя - CPS, начинающуюся с границы полярной шапки. Это явно указывает на перестройку плазменного слоя, т.к. на полярной границе отсутствует область низкоэнергичных популяций электронов, ассоциирующаяся с PSBL. Протонная спектрограмма показывает появление структур другого
308
KOBPAÊKËH, COBO
1o
В
m
к
AE, 5oo нТ
AO, o -500
12
18
__
UT Виток 1579
Питч-угол
90/vvwvwvwv\; a/vwwww^^
lg JE 7.1
6.0
5.4
В
rn
к
Питч-угол
90 -
0
6.6
6.0
LJ 5.4
UT 16.48 H, км 12992 ILAT 69.85 MLT, ч 20.69
16.58 14228 71.22 21.37
17.08 15310 72.00 22.00
18.00 18700 71.00 0.44
18.20 19077 69.52 1.08
18.40 18960 67.70o 1.61
Рис. 1. Трансф
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.