КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, том 53, № 2, с. 105-117
УДК 550.383
ДИНАМИКА МАГНИТОСФЕРЫ ВО ВРЕМЯ ГЕОМАГНИТНЫХ БУРЬ
21—22.I.2005 И 14-15.XII.2006 г.
© 2015 г. В. В. Калегаев1, Н. А. Власова1, Ж. Пенг2
1Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына
МГУ им. М.В. Ломоносова 2Национальный центр космических наук Академии наук КНР, Китайская Народная Республика
klg@dec1.sinp.msu.ru Поступила в редакцию 29.07.2013 г.
C использованием модели магнитосферного магнитного поля А2000 проведено исследование динамики крупномасштабных магнитосферных токовых систем во время геомагнитных бурь 21—22.I.2005 и 14—15.XII.2006. Развитие бури контролируется, как межпланетным магнитным полем, так и давлением солнечного ветра, которые создают условия для поступления плазмы во внутреннюю магнитосферу. Показано, что главную роль в развитии магнитной бури 21—22.I.2005 сыграл мощный импульс давления солнечного ветра в отличие от бури 14—15.XII.2006, инициированной изменением ориентации межпланетного магнитного поля. Как следствие Dst-вариация геомагнитного поля во время бури 21—22.I.2005 определяется, в основном, развитием кольцевого тока, а 14—15.XII.2006 — сравнимыми по величине вкладами кольцевого тока и токов хвоста магнитосферы. Результаты моделирования подтверждены данными о динамических особенностях потоков трех популяций ионов с энергией 30—80 кэВ (на низких широтах — L < 2, а также на широтах ниже и выше границы изотропных высыпаний) по измерениям на солнечно-синхронных спутниках NOAA (POES 15, 16, 17).
DOI: 10.7868/S002342061502003X
ВВЕДЕНИЕ
Магнитосфера Земли находится под постоянным и активным воздействием солнечного ветра. Вариации параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля (ММП) вызывают геомагнитные возмущения, среди которых магнитные бури являются наиболее значительными. Основными факторами развития магнитной бури считаются усиление давления солнечного ветра и южное направление ММП [1]. В результате воздействия солнечного ветра в магнитосфере происходят глобальные изменения, связанные с интенсификацией крупномасштабных магнито-сферных токовых систем (токи на магнитопаузе, токи поперек хвоста магнитосферы и кольцевой ток вокруг Земли) и с изменением их размеров и положения в пространстве. Динамическое воздействие на магнитосферу приводит к ряду явлений, не обязательно происходящих одновременно: поджатию магнитопаузы, усилению магнито-сферной конвекции, инжекции плазмы во внутреннюю магнитосферу, росту авроральной активности и расширению овала полярных сияний [2, 3, 4, 5]. Особенности развития этих процессов, которые могут являться, как непосредственной реакцией магнитосферы на воздействие меняющихся условий в солнечном ветре (СВ), так и следствием внутримагнитосферной динамики,
могут служить для оценки состояния магнитосферных токовых систем.
Существующие методы и модели позволяют оценить эффекты разных токовых систем по данным измерений. Соотношение Десслера— Паркера—Скопке [6, 7] дает возможность вычислить возмущение магнитного поля кольцевого тока (КТ) в центре Земли по данным о полной энергии ионов кольцевого тока. Вклад токов маг-нитопаузы Бе/ в возмущение магнитного поля на поверхности Земли может описываться эмпирическим соотношением вида Во/ = ь4Р - с, полученным в работе [8], где Р — динамическое давление солнечного ветра, а величины Ь и е определяются на основе статистического анализа. Магнитное поле токовой системы хвоста магнитосферы контролируется магнитным потоком через доли хвоста и может быть оценено по наблюдениям овала полярных сияний [9]. Результаты исследований динамики магнитосферных токовых систем во время геомагнитных бурь свидетельствуют о том, что для бурь средней мощности вклады в Бй-вари-ацию КТ и токов магнитосферного хвоста могут быть сопоставимы [10, 9, 11, 12, 13].
Кольцевой ток, ток хвоста магнитосферы и ток на магнитопаузе являются главными источниками регулярного магнитного поля в магнитосфере. В геомагнитно-спокойных условиях, протекая относительно далеко от поверхности Земли, они
создают практически однородное магнитное поле во внутренней магнитосфере [14, 15]. Однако во время геомагнитных возмущений вариация магнитного поля на поверхности Земли перестает быть однородной [16]. Нарушение долготной симметрии магнитного поля является следствием возникновения относительно короткоживущих токовых систем в возмущенной магнитосфере: частичного кольцевого тока, суббуревого токового клина и других.
Факторы солнечного ветра контролируют динамику магнитосферных токовых систем, которая проявляется, в том числе, в наблюдаемых вариациях границ областей высыпания, долготных распределений и интенсивностей потоков заряженных частиц. По результатам исследования потоков высыпающихся протонов в работе [17] показано, что отрицательные отклонения Dst-ин-декса во время геомагнитных возмущений второй половины 1999 г. сопровождались увеличением высыпаний. Показано, что источником этих высыпаний является область инжекции из плазменного слоя хвоста магнитосферы. Согласно этим представлениям, потоки высыпающихся ионов являются показателем интенсивности инжекции в КТ, а не распада КТ [17]. На основе одновременных измерений на спутниках серии POES в работе [18] исследовалось положение границы изотро-пизации (ГИ) в зависимости от состояния межпланетной среды и геомагнитной активности. ГИ — область, выше по широте которой потоки протонов имеют изотропное питч-угловое распределение; ниже ГИ распределение становится анизотропным с очень низким уровнем потока высыпающихся ионов [19]. В работе [18] показано, что с ростом геомагнитной активности наблюдается движение ГИ к экватору; при этом, если смещение дневной части ГИ контролируется давлением солнечного ветра, то движение в вечернем секторе связано с асимметрией "утро—вечер" межпланетного магнитного поля.
Цель представленной работы — исследование динамики магнитосферных токовых систем во время двух геомагнитных бурь 21—22.1.2005 и 14—15.XII.2006, связанных с необычными условиями в межпланетном пространстве. Работа является продолжение работы [20], в которой исследовались особенности динамики потоков трех популяций ионов во время двух геомагнитных бурь 21—22.I.2005 и 14—15.XII.2006 по данным измерений на трех ИСЗ: POES 15, 16, 17. На основе сравнительного анализа временных профилей величин потоков ионов в различных областях на орбите ИСЗ (в приэкваториальной области, ниже границы изотропизации и на высоких широтах, в области изотропных высыпаний) , а также положений максимумов высыпающихся частиц и границ изотропизации сделаны выводы о состоянии магнитосферы во время исследуемых бурь. В пред-
ставленной работе с использованием полученного в [20] экспериментального материала проводится анализ динамики магнитосферных токовых систем по парабол оидной модели магнитосфер -ного магнитного поля А2000 [9, 14]. Главное внимание уделено механизмам формирования кольцевого тока под воздействием ММП и импульса давления солнечного ветра. Данные о потоках частиц, полученные на трех ИСЗ POES 15, 16, 17, использованы для сравнения с результатами моделирования магнитосферных токов на разных фазах бурь. Совместный анализ расчетов по модели магнитосферного магнитного поля и данных спутниковых измерений позволяет понять механизмы формирования буревых магнитосферных токовых систем.
МАГНИТНЫЕ БУРИ 21—22.I.2005 И 14—15.XII.2006
Магнитные бури 21—22.I.2005 (буря 1) и 14—15.XII.2006 (буря 2) стали результатом взаимодействия корональных выбросов массы с магнитосферой Земли. Подробный анализ условий в околоземном пространстве во время этих бурь содержится, в частности, в [21, 22, 20]. Временные профили давления СВ (Р), компонент и модуля ММП и Dst-вариации представлены на рис. 1. Пунктирной линией на нижней панели представлен профиль Dst*: Dst-вариации, скорректированной на давление солнечного ветра. "Скорректированное Dst" может быть получено вычитанием из Dst-вариации магнитного поля от токов на магнитопаузе, рассчитанных по модели [8]. Оно представляет собой, главным образом, эффект источников, дающих только отрицательные вклады в суммарное магнитное поле (токов хвоста и
кольцевого тока): Dst = Dst - byfP + c [8]. Согласно оценкам, полученным в работе [23], b = = 7.26 нТл/нПа0 5 и с = —11 нТл.
Примерно в течение суток до прихода фронта ударной волны 21.I.2005 и 14.XII.2006 наблюдалась поздняя фаза восстановления после геомагнитных возмущений 17—19.I.2005 и 07—12.XII.2006. Величины ММП и давления солнечного ветра не превышали ~5 нТл и ~1 нПа соответственно, направление ММП было квазирадиальным. Фоновые значения Dst составляли около —25 нТл для обеих бурь.
В результате воздействия коронального выброса массы (КВМ) 21.I.2005 произошло сильное поджатие магнитосферы Земли: расстояние до подсолнечной точки сократилось до ~6 Яз, согласно расчетам по модели [24] с использованием величин усредненных часовых параметров СВ. Несколько раз в течение 17—20 UT дневная маг-нитопауза пересекала геостационарную орбиту. Особенностью данного возмущения было не-
обычное поведение ^-компоненты ММП, которая имела положительное значение во время главной фазы геомагнитной бури, когда достигло значений —97 нТл.
14.XII.2006 в результате воздействия КВМ также произошло сжатие магнитосферы Земли. В аналогичных условиях северного ММП не произошло развития магнитной бури, хотя расстояние до подсолнечной точки сократилось до ~7 Яз. Только через 7 ч произошел переход к устойчивым отрицательным значениям Бг (~ —15 нТл), что привело к геомагнитной буре с Dstmn = —157 нТл.
Можно видеть общие черты в развитии магнитных бурь 21-22.1.2005 и 14-15.XII.2006: экстремальное сжатие магнитосферы потоком солнечного ветра (зарегистрированы пересечения магнитопаузы спутником ООЕБ-12); северная ориентация ММП после прихода КВМ; близкие по форме временные профили Dst (плоский затянутый минимум — "плоская фаза"). Ниже будет показано, что наблюдались и сопоставимые по
величине потоки ионов, формирующих кольцевой ток.
В то же время геомагнитные бури 21—22Л.2005 и 14—15.XII.2006 име
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.