научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ КАВЕРН ПЛОТНОСТИ В ПЛАЗМОСФЕРЕ ЗЕМЛИ ПО ДАННЫМ СПУТНИКА МАГИОН-5 Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ КАВЕРН ПЛОТНОСТИ В ПЛАЗМОСФЕРЕ ЗЕМЛИ ПО ДАННЫМ СПУТНИКА МАГИОН-5»

КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2008, том 46, № 1, с. 17-26

УДК 550.385

ИССЛЕДОВАНИЕ КАВЕРН ПЛОТНОСТИ В ПЛАЗМОСФЕРЕ ЗЕМЛИ ПО ДАННЫМ СПУТНИКА МАГИОН-5

© 2008 г. Г. А. Котова1, В. В. Безруких1, М. И. Веригин1, О. С. Акентиева1, Я. Шмилауэр2

1 Институт космических исследований РАН, г. Москва 2Институт физики атмосферы ЧАН, г. Прага, Чехия Поступила в редакцию 11.11.2005 г.

По данным субспутника Магион-5 впервые прямыми методами наблюдались узкие, ограниченные по долготе, опустошенные области (силовые трубки) плазмосферы, недавно обнаруженные по данным свечения гелия на космическом аппарате IMAGE. Области пониженного содержания плазмы - каверны - занимают < ~ 10-30° по долготе и простираются от L ~ 2-3 до границы плазмосферы в соседних более плотных областях. Данные Магиона-5 свидетельствуют о том, что в областях пониженной плотности температура повышена по сравнению с соседними более плотными областями плазмосферы. Образование каверн в плазмосфере, по-видимому, связано с AE интенсификациями во время небольших магнитных бурь, тогда как сильные магнитные бури обычно приводят к общему уменьшению размеров плазмосферы. Однако, даже сильная магнитная буря 6-7.IV.2000 г. (max Kp = 9-, min Dst —290 нТ), но сопровождавшаяся изолированным импульсом АЕ, привела к уменьшению плотности только в ограниченном по долготе после полуночном секторе плазмосферы.

PACS: 94.30cv

ВВЕДЕНИЕ

Уже в первых экспериментах по исследованию плазмосферы Земли часто наблюдалась сложная немонотонная структура профилей плотности ионов с удалением от Земли, когда провалы в концентрации сменялись ее возрастанием ([3], [7] и ссылки там). По данным эксперимента по измерению ОНЧ волн на космическом аппарате OGO-4 в двух последовательных пролетах аппарата через плазмосферу около 5 часов местного времени плаз-мопауза регистрировалась на различных L-оболоч-ках (L - параметр Мак-Иллвайна) с AL ~ 1. Долготное смещение орбиты при этом составляло 20° [4], [5]. Эти наблюдения связывались авторами с вращением вместе с Землей структур плотности, образованных в более раннем околополуночном секторе местного времени предположительно под действием нестационарных электрических полей во время суббури. Хорвиц с соавторами [12] провели классификацию профилей в зависимости от L-параметра плотности ионов в плазмосфере по данным ионного масс-спектрометра с тормозящим потенциалом RIMS, работавшего на спутнике DE-1. Были выделены 6 типов профилей плотности в зависимости от числа и расположения провалов и плато плотности относительно плазмопаузы. Причины формирования различных профилей не рассматривались.

В ряде работ анализировалось среднее положение плазмопаузы в зависимости от уровня геомагнитной активности [5], [2], [6], [18], при этом, однако, отмечался сложный характер этой границы и

ее динамики. Карпентер и Лемэр [8] предложили ввести термин плазмосферный пограничный слой, который позволит точнее описать физику формирования плазмопаузы при опустошении и заполнении плазмосферы.

Отдельные области повышенного содержания плазмы плазмосферного происхождения наблюдались на геостационарных спутниках (напр., ОЕОБ 2, [23]). На спутнике ИНТЕРБОЛ-1 с помощью прибора Альфа-3 были также зарегистрированы "провалы" в плотности ионов, измеряемой вдоль орбиты спутника на вечерней стороне, причем спутник пересекал экваториальную плоскость практически перпендикулярно. "Провалы" наблюдались на одних и тех же ¿-оболочках в северном и южном полушариях, то есть, по-видимому, во всей плазмо-сферной трубке плотность плазмы была понижена, и эта трубка располагалась ближе к Земле, чем заполненная [14].

Полный обзор исследований плазмосферы в течение примерно 35 лет дан в книге Лемэра и Грингауза [15].

К сожалению, прямые измерения на спутниках, также как и волновые наблюдения вистлеров не позволяют отличить изолированные области плазмы от более сложных образований, которые в действительности могут быть продолжением плазмосферы, и где-то к ней присоединены. В ранних исследованиях плазмосферы, плазменные области, наблюдавшиеся как изолированные, некоторыми авторами интерпретировались как действительно

Рис. 1. Проекции траекторий спутника Магион-5 при входе в магнитосферу на меридиональную (вверху) и экваториальную (внизу) плоскости в геомагнитной системе координат. Расстояние по осям показано в радиусах Земли.

отделенные от плазмосферы области [9], другими авторами они рассматривались как продолжение плазмосферы в области вечернего выступа в виде "плазмосферных хвостов" [10]. Иной механизм формирования плазмосферных хвостов, которые соответствует современным наблюдениям, разработан Ж. Лемэром [16].

С помощью наблюдений вистлеров, также как и прямых экспериментов на спутниках, нелегко также отличить провалы плотности внутри плазмосферы от узких по долготе опустошенных областей. Эти последние были впервые описаны по данным свечения гелия на космическом аппарате IMAGE [20], [21]. Впервые прямыми методами такие "каверны" плотности в плазмосфере наблюдались на субспутнике Магион-5 космического аппарата ИНТЕРБОЛ-2 [14]. Эти наблюдения и будут подробно рассмотрены ниже.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ АППАРАТУРЫ

Чешский субспутник Магион-5 был запущен в августе 1996 года вместе с основным космическим аппаратом ИНТЕРБОЛ-2 на орбиту с наклонением ~б5°, перигеем орбиты ~1.2 R3 (R3 - радиус Земли) и апогеем--4r3. Основной целью запуска

этих аппаратов было исследование внутренней магнитосферы Земли. Однако после одного дня работы связь с субспутником прервалась. Связь с ним удалось восстановить только через 20 месяцев после запуска. Тем не менее, все системы аппарата работали нормально в штатном режиме. Для измерения тепловой плазмы в плазмосфере Земли на Магионе-5 был установлен плазменный анализатор с тормозящим потенциалом ПЛ-48, входящий в комплекс аппаратуры КМ-7с. Данные были получены с августа 1999 года, когда была раскрыта штанга, на которой установлен прибор, по июль 2001 года, когда ресурс спутника практически был выработан. Энергетические спектры холодных протонов измерялись в течение 0.4 с раз в ~8 с [1]. Примерно 6-ти часовой период орбиты позволял пересекать плазмосферу 4 раза в сутки, однако в силу различных причин данные имеются в большинстве своем только с одной нисходящей ветви орбиты в день, и только в отдельных случаях с двух последовательных нисходящих частей орбиты. Примеры траекторий спутника Магион-5, на которых были получены данные при пролете через плазмосферу, показаны на рис. 1. Данные были получены во всех секторах местного времени вблизи плоскости магнитного экватора.

РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ

В ПЛАЗМОСФЕРЕ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ГЕОМАГНИТНЫХ УСЛОВИЯХ

На рис. 2 представлены данные, полученные в вечернем секторе плазмосферы 9-10.III.2000 г. Слева и в центре показаны профили плотности ионов в зависимости от ¿-параметра, зарегистрированные во время двух последовательных пролетов через плазмосферу при одном и том же местном времени с интервалом в 6 часов (1-1 а, 2-2а), то есть в разных областях плазмосферы. Профили плотности на нижних и верхних графиках (1-2, 1а-2а) получены примерно с разницей по времени в 24 часа опять при одном и том же местном времени и тем самым относятся к одной и той же области плазмосферы. Видно, что левые и правые графики одного ряда (1-1а и 2-2а) весьма похожи, никаких существенных вариаций плотности не происходит, хотя профиль 2а был зарегистрирован во время заметной авроральной активности. Следует отметить, что те области плазмосферы, в которых проводились измерения, пересекали после полуночный сектор в периоды, когда никакой магнитной активности не наблюдалось.

Другой пример измерений в плазмосфере в период, когда данные были получены с двух последовательных нисходящих частей орбиты, показан на рис. 3. Измерения проводились в предполуночном секторе плазмосферы 28.X-2.XI.2000 г. Аналогично предыдущему рисунку в каждом ряду слева и в центре рисунка показаны профили плотности, полученные с интервалом 6 часов и относящиеся к

11а 22а

Плотность, см 3 Ш00е 1

18.0-19.4 МЬТ

8

50

1000

^ АЕ

500

19.55-20.48_,_,_, 0

2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

L

J

11.Ш

Рис. 2. На панелях в центре пунктирными линиями повторены левые профили (1, 2) для сравнения. Вертикальными линиями на правых графиках отмечены времена измерения показанных профилей плотности.

Плотность, см 1000

100 10 1000

100

10 1000

100

10

-3

21.4-23.4 МЬТ 8

К 6 1а К 4 Нет данных 2

0

^ 0 -50

г * 2а -100

■ ^ч

30ДХ 01.00-01.25 ,

1 22а 33а 4а 55а 66а

IV 1 оо к 1 1 V 1 п

28 29 30 31 1 2

30-31.Х ^Хь

30-3 23.40-00.40

1000

100

10 1000

100

10

41000

Нет данных 100 10

31.Х 23.10-24.00

4 5 Ь Рис. 3

различным областям плазмосферы, тогда как спектры одной колонки получены последовательно через каждые ~24 часа приблизительно в одной и той же области плазмосферы. Вариации индексов магнитной активности (http://swdcdb.kugi.kyo-to-u.ac.jp/) за период наблюдений показаны вверху справа. В левой колонке в первом же профиле, измеренном после бури (2), видно падение плотности в отдельных областях плазмосферы, профиль, измеренный 6 часов спустя (2а), уже более регулярный, но плазмопауза сместилась с Ь ~ 5, где она реги-

стрировалась перед бурей (1) до Ь ~ 4 (2а). Через сутки 30.x в 17.40 - 18.40 ОТ плотность холодной плазмы существенно упала при Ь > 2.9, но в другой области плазмосферы, которую спутник пересекал через 6 часов, было зарегистрировано вполне обычное распределение плотности, характерное для спокойных условий. 31.Х данные были получены только во время одного пролета через плазмосферу, но 1.Х ситуация повторилась: одна область - плазмосферы заполнена плазмой, другая опустошена. Отрывочные данные за 2.Х! свидетельствуют лишь о

Рис. 4. На профилях 2 и 2a стрелками отмечены положения границы яркости свечения ионов гелия, зарегистрированные на спутнике IMAGE. В верхней правой части показана спроектированная на плоскость магнитного экватора граница яркости свечения Не+ по данным космического аппарата IMAGE. Здесь стрелками отмечены места, в которых измерялись про

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