ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2008, том 48, № 6, с. 770-779
УДК 551.510
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭФФЕКТА ЧАСТИЧНОГО КОЛЬЦЕВОГО ТОКА В ВОЗМУЩЕННОЙ МАГНИТОСФЕРЕ
© 2008 г. К. Ю. Бахмина, В. В. Калегаев
Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета, Москва e-mail: klg@dec1.sinp.msu.ru Поступила в редакцию 28.01.2008 г. После доработки 04.03.2008 г.
Предложена математическая модель магнитного поля частичного кольцевого тока, который рассматривается как пара пространственных токовых контуров, в северном и южном полушариях, каждый из которых состоит из двух кольцевых участков, в плоскости геомагнитного экватора и в ионосфере, и двух участков продольного тока, протекающих вдоль дипольных силовых линий геомагнитного поля и соединяющих кольцевые фрагменты контура. Параметрами модели являются: коширота восточного электроджета, долготный сдвиг относительно оси Солнце—Земля, угол полураствора контура и протекающий в нем полный ток. Для расчетов магнитного поля токового контура использовался закон Био—Савара—Лапласа. Выполнена оценка магнитного поля частичного кольцевого тока в характерных условиях сильной магнитной бури. Предложена методика вычисления интенсивности частичного кольцевого тока при помощи геомагнитного индекса Asym-H.
PACS: 94.30.Jp
1. ВВЕДЕНИЕ
Стационарная магнитосферная конвекция является одним из главных проявлений электромагнитного взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли. При южном направлении межпланетного магнитного поля в магнитосфере устанавливается электрическое поле в направлении утро—вечер поперек геомагнитного хвоста, которое обеспечивает дрейф магнитосферной плазмы к Земле. Во внутренней магнитосфере частицы ускоряются до более высоких энергий и, попадая в область искривленного, неоднородного магнитного поля, испытывают захват геомагнитным полем, приводящий к их круговому движению на замкнутых Х-оболочках. Вследствие дрейфа заряженных частиц вокруг Земли формируется кольцевой ток. Наряду с другими глобальными магнитосферными токовыми системами (токи Чепмена—Ферраро, ЧФ, токи магнитосфер-ного хвоста), кольцевой ток определяет структуру и динамику магнитного поля и плазменных оболочек в магнитосфере. В спокойные периоды кольцевой ток, как и другие крупномасштабные токовые системы, генерирует примерно однородное магнитное поле на поверхности Земли.
Во время магнитной бури, при длительном существовании ММП южного направления, интенсивность кольцевого тока увеличивается на порядок и более за счет усиления конвекции и нестационарных инжекций частиц из токового слоя хвоста магнитосферы, происходящих во время
суббуревых возмущений [Liemohn and Kozyra, 2002]. В ответ на развитие крупномасштабных токовых систем, во время бури происходят значительные изменения структуры магнитного поля, конфигурации магнитосферы и состава ее плазменных оболочек [Daglis et al., 1999]. Одним из характерных проявлений магнитной бури является уменьшение (депрессия) северо-южной компоненты магнитосферного магнитного поля во внутренней магнитосфере вследствие усиления токовой системы хвоста магнитосферы и кольцевого тока. Достоверно установлено измерениями, что депрессия магнитного поля, измеряемая на поверхности Земли, во время возмущений перестает быть однородной. Долготная асимметрия магнитного поля, измеряемого на геомагнитном экваторе, свидетельствует о существовании асимметричных токовых систем, одной из которых является частичный кольцевой ток [Clauer et al., 2001]. Прямые наблюдения, связанные с измерениями потоков энергичных нейтральных атомов (ENA), образующихся в результате перезарядки ионов кольцевого тока на атомах экзосферы являются экспериментальным подтверждением асимметрии кольцевого тока во время магнитной бури [Roelof, 1987; Fok et al., 2001].
В отличие от симметричного кольцевого тока (далее СКТ), формирующегося вследствие раздельного движения захваченных геомагнитным полем протонов и электронов магнитосферной плазмы вдоль замкнутых траекторий вокруг Зем-
ли, частичный кольцевой ток (далее ЧКТ) образуется при замыкании тока, протекающего в западном направлении в ночном и вечернем секторах вблизи геомагнитного экватора, системой продольных токов зоны 2 и ионосферными токами. Ионосферным замыканием частичного кольцевого тока являются токи, протекающие вдоль восточной ионосферной электроструи [Feldstein et al., 2006].
Возникновение ЧКТ связано с усилением маг-нитосферной конвекции во время геомагнитных возмущений. Считается, что ЧКТ развивается на фазе роста магнитной бури и распадается сразу после ее максимума. Хотя слабая долготная асимметрия магнитосферного магнитного поля, измеряемого на поверхности Земли, присутствует и в геомагнитно-спокойные периоды, достоверно не известно связана ли она с существованием частичного кольцевого тока в спокойной магнитосфере.
Эффект кольцевого тока на поверхности Земли может быть оценен с использованием уравнения Бартона [Burton et al., 1975]:
_ р(e) _ ,
dt t '
которое представляет процесс развития кольцевого тока как результат инжекции, описываемой функцией F(E), и последующей диссипации, описываемой членом Ъг/т. Здесь функция инжек-ции F(E) определяется через компоненту электрического поля солнечного ветра Ey, направленную с утра на вечер:
F(E) = ['(Ey - 0.5), Ey > 0.5 мВ/м
10, Ey < 0.5 мВ/м
где d — коэффициент амплитуды инжекции, а время диссипации определяется как т(ч) =
9 74 /(4 78 + E )
= 2.37e y [O'Brien and McPherron, 2001].
Поскольку симметричный и асимметричный кольцевые токи порождены одними и теми же частицами, инжектированными из хвоста магнитосферы, их невозможно различить в процессе измерений, и они часто рассматриваются как единая токовая система. Такая модель развития кольцевого тока (его симметричной и асимметричной частей) с использованием уравнения Бар-тона была реализована в работах [Alexeev et al., 2001; Калегаев и др., 2006] для оценки его суммарного вклада в Dst-вариацию.
В то же время анализ асимметрии кольцевого тока с использованием прямых наблюдений ENA и данных наземных магнитометров свидетельствует о том, что СКТ и ЧКТ развиваются несинхронно и на разных временных масштабах [Wei-gand and McPherron, 2006]. Распад симметричного
Рис. 1. Схематичное расположение частичного кольцевого тока в магнитосфере Земли.
кольцевого тока происходит вследствие, главным образом, перезарядки на нейтралах экзосферы и представляет собой значительно более медленный, чем его развитие, процесс. Для моделирования именно таких явлений предназначено уравнение Бартона. Распад ЧКТ является принципиально другим процессом. Он связан с разрушением токовой системы при изменении геомагнитной обстановки, и носит внезапный, "триггерный", характер [Kozyra and Liemohn, 2003]. Характерное время распада симметричного кольцевого тока при тех же геомагнитных условиях примерно вдвое превышает время распада частичного кольцевого тока [Weygand and McPherron, 2006].
Основной целью данной работы является построение математической модели частичного кольцевого тока и оценка вариаций его магнитного поля в возмущенные периоды. Временные характеристики частичного кольцевого тока, его формирование и распад, а также его интенсивность будут определяться по профилю геомагнитного индекса Asym-H. Будут выполнены оценки величины частичного кольцевого тока и его магнитного поля, соотношения между эффектами частичного и симметричного кольцевых токов на поверхности Земли в характерных условиях сильной магнитной бури.
2. ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ
В предлагаемой модели частичный кольцевой ток рассматривается как два пространственных токовых контура (рис. 1). Каждый контур состоит из двух участков кольцевого тока (один из участков протекает в плоскости геомагнитного экватора, второй — по ионосфере) и двух участков продольного тока, протекающих вдоль дипольных силовых линий геомагнитного поля и соединяю-
щих ионосферный и магнитосферный фрагменты токовой системы.
Ионосферным участком контура является ток, протекающий вдоль восточного электроджета. Для упрощения математических выкладок будем считать, что он располагается вдоль линии равной широты. В спокойное время восточный элек-троджет является частью ионосферной системы токов. Положение электроджета, интенсивность тока определяются крупномасштабной конвекцией в магнитосфере, которая создает двухвихре-вую систему токов в высокоширотной ионосфере [Kamide and Kokubun, 1996; Feldstein et al., 2006]. В возмущенные периоды происходит усиление интенсивности восточного электроджета, связанное с формированием частичного кольцевого тока на главной фазе магнитной бури [Feldstein et al., 2006]. При этом наблюдается как ответвление части тока восточного электроджета в магнитосферу через трехмерную систему продольных токов, так и его частичное растекание через ионосферу. После разрушения трехмерного контура ЧКТ восточный электроджет вновь превращается в элемент ионосферной токовой системы. Вариации магнитного поля, связанные с ионосферными токовыми системами, представляют самостоятельный интерес и не будут рассматриваться в настоящей работе.
Параметрами модели являются: коширота восточного электроджета 0PR, угол полураствора контура 5фРД, угол поворота контура вокруг оси геомагнитного диполя фРД (отсчет ведется от полуденного меридиана против часовой стрелки) и полный ток IPR. Для умеренно возмущенных условий можно использовать значения 0PR = 30°, = 30° [Feldstein et al., 2006]. С ростом возму-щенности восточный электроджет опускается к экватору, а раствор токового контура значительно возрастает. Различные оценки дают для полного тока величины 105—106 А и более [Liemohn et al., 2001; Trakhtengerts and Demekhov, 2004].
Магнитное поле от каждого замкнутого пространственного контура рассчитывалось при помощи закона Био—Савара—Лапласа
d B =
Ho Io [ dl, г,- ] 4 П r3
(1)
d r
где r¡ = г — rE, dl = — , rE — точка наблюдения, г — r
точка на контуре. Воспользуемся системой декартовых координат X, Y, Z, повернутой относительно оси ZSM солнечно-магнитной системы на угол (я — фрД), при этом
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.