КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2012, том 50, № 6, с. 441-451
УДК 533.95
ИЗМЕРЕНИЕ ТРАНСПОЛЯРНОГО ПОТЕНЦИАЛА В ЛАБОРАТОРНОЙ
МАГНИТОСФЕРЕ
© 2012 г. И. Ф. Шайхисламов, В. М. Антонов, Э. Л. Бояринцев, В. Г. Посух, А. В. Мелехов, Ю. П. Захаров, А. Г. Пономаренко
Институт лазерной физики СО РАН, г. Новосибирск ildars@ngs.ru Поступила в редакцию 01.06.2011 г.
В работе представлены результаты измерений трансполярного потенциала в лабораторной магнитосфере. Обнаружена его примерно линейная зависимость от кинетической энергии ионов набегающего потока. Измерения электрического потенциала в плазме показали наличие асимметрии вдоль линии утро—вечер. Вблизи пограничного слоя на утренней стороне потенциал систематически выше, а на вечерней стороне — систематически ниже средних значений. Наблюдаемая разность в потенциале плазмы в низкоширотной экваториальной части магнитосферы по знаку и величине примерно соответствует трансполярному потенциалу на полюсах диполя. Полученные лабораторные данные дают прямое подтверждение модели магнитосферного генератора.
1. ВВЕДЕНИЕ
Идея лабораторного моделирования взаимодействия Солнечного ветра с магнитным полем Земли родилась более ста лет назад в экспериментах Биркеланда. Развитие техники и теории физики плазмы в 60—70хх годах открыли новые перспективы. В ряде стран было создано в общей сложности более двадцати установок для моделирования земной магнитосферы, лабораторный аналог которой получил название Террелла. Суть экспериментов состояла в обтекании магнитного диполя потоком плазмы, в основном тета-пинча, и регистрации магнитных, электрических и плазменных возмущений миниатюрными зондами и скоростным фотографированием. Для сопоставления результатов с натурными данными была разработана концепция ограниченного физического моделирования [1]. Огромная разница в масштабах лабораторного эксперимента и планетарных магнитосфер не позволяет реализовать полное и точное подобие [2]. Суть ограниченного подхода в том, что можно достигнуть физического подобия определенных процессов, если выдержать соотношение безразмерных параметров с точностью много больше или меньше единицы.
В экспериментах Террелла были качественно воспроизведены такие основные черты планетарных магнитосфер, как магнитопауза и плазменная полость вокруг диполя, каспы и высокоширотные области проникновения плазмы, ближняя часть хвоста. В некоторых работах исследовались такие структур, как радиационные пояса [3] и продольные токи [4]. Делались попытки реализовать магнитосферный цикл Данжи и магнитное пересоединение в хвосте с применени-
ем внешнего магнитного поля, вмороженного в плазму [5]. В настоящее время лабораторные эксперименты в этой области включают такие проблемы, как устойчивость плазмы, захваченной в дипольном магнитном поле [6]; генерация альве-новских волн [7]; ускорение частиц на ударной волне [8]; лабораторная проверка концепций магнитной защиты космических аппаратов [9]; магнитных парусов [10]; эффекты взаимодействия мощного магнита на борту космического аппарата с окружающей плазмой [11, 12]; лабораторное моделирование процесса экстремального сжатия магнитосферы Земли сверхмощным потоком плазмы, выброшенного с Солнца [13—15].
Одной из проблем, где лабораторное моделирование может дать вклад в понимание аналогичных процессов в планетарных магнитосферах, являются продольные токи [16, 17] и связанный с ними трансполярный потенциал. Продольные токи (ПТ), впервые описанные в работе [18] играют ключевую роль в магнитосферно-ионосфер-ном взаимодействии Земли. Магнитосферные токи могут втекать в ионосферу через токи Бирке-ланда и замыкаться в ионосфере, протекая поперек магнитного поля благодаря конечной проводимости Педерсена. Ток зоны-1 на дневной стороне проецируется на пограничный плазменный слой и является прямым результатом взаимодействия СВ с земным магнитным полем. Существует также система токов зоны-2 обратной полярности, которая наблюдается на более низких широтах, проектирующихся в плазмосферу. Многочисленные измерения трансполярного потенциала, который пропорционален величине тока зоны-1 и интегральной проводимости Педер-
E
Л°граничнад " .слой.
'Г
X
Рис. 1. Схема магнитосферного генератора.
сена ионосферы, обнаружили сильную зависимость от направления межпланетного магнитного поля. Для южного направления ММП типичной величины этот потенциал примерно в три раза больше, чем для северного [19, 20].
В теоретических моделях неоднородность и кривизна магнитного поля, градиент давления плазмы и вязкость рассматриваются как источники ПТ и трансполярного потенциала [21, 22]. Зависимость магнитосферно-ионосферного взаимодействия от ММП объясняется процессом пересоединения на дневной магнитопаузе. В рамках аналитической парабалоидной модели генерация трансполярного потенциала описывается как проникновение электрического поля ММП примерно с эффективностью 10% внутрь магнитосферы [23]. Эмпирическая модель [24] развитая далее [25] объясняет насыщение трансполярного потенциала обратным влиянием ПТ на движение плазмы и магнитное поле вблизи магнитопаузы. Был также проведен ряд исследований на основе численного моделирования с использованием глобальных МГД кодов. В работе [26] было показано, что учет конечной проводимости ионосферы приводит к генерации токов зоны-1, которые в свою очередь влияют на общие свойства магнитосферы. Энергичная плазма КВМ [27] и скачки ди-
намического давления СВ [28] значительно усиливают токи зоны-1 и трансполярный потенциал.
Одна из первых моделей магнитосферного МГД генератора была предложена в работе [29]. В дальнейшем она развивалась, например, в [30, 31]. В работе [32] получена подробная картина МГД генератора и токов зоны-1 в численном моделировании магнитосферы Земли в отсутствии ММП. На рис. 1 схематично изображен генератор, создающий электрическое поле внутри магнитосферы и движущий ПТ зоны-1 в Северном полушарии. Здесь и далее используется система координат GSM. На обоих флангах низко-широтного пограничного слоя плазма движется вдоль границы магнитосферы поперек магнитного поля. Такое движение создает электрическое поле, направленное от утра к вечеру. В пограничном слое возникает положительный потенциал в утреннем секторе (Y < 0), и отрицательный в вечернем секторе (Y > 0). Этот перепад потенциала передается по силовым линиям магнитного поля, которые для внутренней стороны пограничного слоя проецируются на полюса диполя. Поскольку скорость флангового течения плазмы меняется вдоль силовых линий, то генерируется азимутальная компонента магнитного поля SBFAC так, что вектор Умова-Пойтинга SP направлен от пограничного слоя к полюсам. Если ионосфера прово-
дящая, то магнитосферные генераторы замыкаются и течет ток. Жирными линиями нарисованы две токовые цепи — в терминаторной плоскости (серая) и топологически аналогичная на дневной стороне (черная). Обе цепи замыкаются через ионосферу. Геометрия возвратного тока за пределами магнитосферы неоднозначна и часть его может течь через высокоширотный касп.
Статистический анализ измерений трансполярного потенциала показывает, что в отсутствии ММП он пропорционален квадрату скорости СВ и для У0 = 300 км/с примерно равен ~9 кВ [33]. В работе [34] численные расчеты в рамках парабо-лоидной модели дали величину А и ~ 8 кВ. По данным наблюдений также обнаружилось, что скачки давления СВ вызывают отклик в повышении трансполярного потенциала независимо от направления ММП [20].
Как описано в предыдущих публикациях авторов [16, 17, 35], лабораторные эксперименты по обтеканию магнитного диполя лазерной плазмой обнаружили, что помимо формирования четко выраженной дневной части магнитосферы, на полюсах генерируется интенсивная система продольных токов. Детальные измерения полной величины и локальной плотности ПТ, магнитных возмущений на полюсах обнаружили их подобие токам зоны-1 на Земле. Лабораторные ПТ наблюдались только в том случае, если они могли замыкаться через проводящую поверхность диполя. Сравнение случаев с проводящей и диэлектрической поверхностью диполя выявило специфические магнитные возмущения, вызываемые ПТ, и их связь с электрическим потенциалом в экваториальной части магнитопаузы.
В настоящей работе исследуется механизм образования трансполярного потенциала и связь с параметрами потока в лабораторной магнитосфере в отсутствии поперечного магнитного поля вмороженного в плазму. Используется плазма те-та-пинча, длительность потока которой на порядок превышает характерное время обтекания диполя так, что взаимодействие можно считать ква-зи-стационарным. Использование плазмы тета-пинча обусловлено тем, что оперативное изменение скорости лазерной плазмы затруднительно (зависит как -Т0-25 от интенсивности лазерного облучения мишени). Изменение скорости плазмы тета-пинча достигается регулированием задержки между клапаном напуска газа и импульсом разряда. Для измерения трансполярного потенциала применялась специальная конструкция из четырех пластин, выполненных в виде сегментов сферы и покрывающих полюса диполя. Полученные данные обнаружили зависимость трансполярного потенциала от скорости потока близкую квадратичной, т.е. аналогично измерениям для Земли. Измерение зондом Ленгмюра плаваю-
щего потенциала плазмы вдоль линии утро-вечер в экваториальной плоскости обнаружили систематическую асимметрию в его распределении. В пределах пограничного слоя потенциал плазмы на утренней стороне выше, чем на вечерней, и эта разница соответствует трансполярному потенциалу, измеренному независимо с помощью пластин. Проведенные опыты прямым образом подтверждают модель магнитосферного генератора, дополняют предыдущие эксперименты с лазерной плазмой по измерению продольного тока и открывают новые возможности в исследовании данной проблемы методами лабораторного моделирования.
2. СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА
Опыты проводились на стенде КИ-1, включающим вакуумную камеру длиной 5 м и диаметром 1.2 м с рабочим давлением 10-6 Тор. Поток водородной плазмы создавался импульсным индукционным генератором посредством нагрева и ионизации газа. Напуск газа осуществлялся имп
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.