КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2007, том 45, № 3, с. 285-288
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 550.38
О ТОЛЩИНЕ ТОКОВОГО СЛОЯ ВНЕШНЕЙ ГРАНИЦЫ МАГНИТОСФЕРЫ ПО ДАННЫМ ЧЕТЫРЕХ СПУТНИКОВ CLUSTER © 2007 г. Е. В. Панов1' 2, С. П. Савин1, Й. Бшхнер2, А. Корт2
panov@mps.mpg.de 1Институт космических исследований РАН, г. Москва 2Институт изучения Солнечной системы им. Макса Планка, Линдау, Германия
Поступила в редакцию 24.07.2006 г.
PACS: 52.40.kh; 94.05.-a; 94.30.ch
ВВЕДЕНИЕ
Взаимодействие сверхзвукового потока вмороженной в межпланетное магнитное поле плазмы солнечного ветра с магнитным полем Земли приводит к образованию ударной волны и земной магнитосферы, а так же переходной области между ними - магнитослоя. Внешняя граница магнитосферы - магнитопауза - разделяет замагниченные плазмы магнитосферы и магнитослоя.
Вариации динамического давления солнечного ветра, вариации плотности плазмы вблизи ударной волны, а так же пересоединение силовых линий межпланетного магнитного поля с силовыми линиями магнитного поля Земли приводят магнито-паузу в движение [13, 15]. Экспериментальные оценки по данным двух спутников проекта ШЕЕ показали, что скорость магнитопаузы на низких широтах может быть до ~600 км/с [4, 5, 7].
Магнитопауза определяет механизм и скорость переноса ионов из прилегающего магнитослоя в магнитосферу. Возможно, что механизмы переноса зависят от толщины токового слоя магнитопаузы Ьв, которая равна длине градиента в компоненте вектора магнитного поля вдоль направления максимума вариации вектора магнитного поля. Имеющиеся теоретические модели предсказывают, что толщина токового слоя магнитопаузы не должна превышать ларморовского радиуса ионов рг- (см. например [10]). Однако, экспериментальные оценки показали, что среднее значение толщины токового слоя магнитопаузы на низких широтах составляет ~900 км. Это соответствует ~10 лармо-ровским радиусам протонов, движущихся с тепловыми скоростями - тепловых протонов рр [4, 5, 7].
Показано, что ионы магнитослоя могут частично проникать через магнитопаузу, когда Ьв ~ рг- [1]. При Ьв > рг- процессы переноса могут происходить, например, вследствие взаимодействия волна-частица [8, 9, 14].
Наблюдения показали, что флуктуации электрического и магнитного поля вблизи земной магнитопаузы присутствуют во всем наблюдаемом диапазоне частот: от ионно-циклотронной часто-
ты QIC (порядка 0.1-1 Гц) до нижнегибридной частоты 0.ш ~ (Q.ICQ.EC)l/2 (порядка 10-100 Гц), где Q.EC - циклотронная частота электронов [6].
Квазилинейная теория предсказывает, что наибольший коэффициент бесстолкновительной диффузии через магнитопаузу ~108.. .5 ■ 108 м2/с может быть достигнут вследствие взаимодействия волна-частица вблизи Q.LH [6]. Экспериментальные оценки коэффициента диффузии по данным CLUSTER подтверждают эти результаты [9, 14]. Заметим однако, что флуктуации электрического и магнитного поля вблизи D.lh наблюдаются на масштабах между инерционными длинами электронов c/ope и ионов c/op, где c - скорость света, а ope и opi - плазменные частоты электронов и ионов, соответственно [2]. Таким образом, диффузия ионов через магнитопаузу за счет взаимодействия волна-частица вблизи Q.LH эффективна только при переносе через тонкую магнитопаузу (с LB — рг). В случае LB порядка нескольких рг- показано, что эффективный перенос ионов магнитослоя в магнитосферу может происходить за счет взаимодействия волна-частица вблизи Q.IC с верхней границей коэффициента диффузии ~2 ■ 106 м2/с [8].
Четыре аппарата CLUSTER впервые позволили однозначно и систематически определять скорости и толщины токового слоя земной магнитопаузы на средних и высоких широтах. В данной работе приводятся распределения скоростей и толщин для 52 случаев пересечения земной магнитопаузы по данным спутников CLUSTER для средних и высоких широт. Полученные результаты сравниваются с ранее опубликованными результатами для низкоширотной магнитопаузы по данным проекта ISEE. На основе полученных распределений обсуждается влияние толщины токового слоя магнитопаузы на перенос ионов магнитослоя в магнитосферу посредством взаимодействия волна-частица вблизи Q.IC и Кроме того, проверяется зависимость толщины токового слоя магнитопаузы от параметров плазмы в прилегающем магнитослое, таких как динамическое давление и отношение теплового давления к магнитному.
Н И
ОС)
н и
Н и
80
40
0
-40 80 60 40 20 0
20
о 500 И 400 * 300 ^ 200 100 ^100.00 §10.00 1.00 < 0.10 10.00
PQ
12 1.00 ^ 0.10 0.01
МагнитосфераП°ГраНСЛОЙМП Магнитослой
04.30
04.32
04.34 Рис. 1
04.36
04.38 UT
НАБЛЮДЕНИЯ И ОБСУЖДЕНИЕ
Для статистического анализа были использованы измерения магнитного поля с усредненной частотой опроса 0.25 Гц, снятые магнитометром FGM [3], а так же моменты функций распределения протонов, измеренные раз в 4 секунды спектрометром CIS [11].
Пример пересечения дневной магнитопаузы магнитосферы Земли квартетом CLUSTER представлен на рис. 1. Разными типами линий изображены данные четырех аппаратов CLUSTER c 04.29.20 по 04.38.15 UT 6. IV.2004 г.: L, M и N компоненты вектора магнитного поля, модуль скорости протонов, плотность протонов и температура протонов (данные о скорости, плотности и температуре протонов имеются только для двух спутников). Компоненты магнитного поля представлены в системе отсчета токового слоя магнитопаузы. В такой системе отсчета оси L и N отложены вдоль направлений максимума и минимума вариации вектора магнитного поля, соответственно. Ось M дополняет базис LMN до правой тройки векторов. На рис. 1 токовый слой магнитопаузы соответствует градиенту в BL компоненте вектора магнитного поля около 04.34.30 UT. Слева от токового слоя показаны измерения, сделанные в магнитосфере, а так же в пограничном слое между магнитосферой и магнитопаузой (на рисунке обозначена "МП"). Наличие пограничного слоя со стороны магнитосферы характерно для магнитопаузы. Справа от токового слоя магнитопаузы показаны измерения, сделанные в магнитослое. При переходе из магнитослоя в магнитосферу набегающий поток плазмы тормозится, плотность про-
тонов понижается с -10 см-3 до -0.5 см-3, температура протонов повышается с -0.2 кэВ до -1.5 кэВ. Значения температуры и плотности со стороны магнитосферы в рассмотренном пересечении характерны для дневной части магнитосферы. Для статистического исследования, так же были использованы пересечения магнитопаузы, покрывающей хвостовую часть магнитосферы Земли (магнитосферную долю). В ней температура и плотность значительно ниже, чем в дневной магнитосфере. По данным CLUSTER были отобраны 52 случая пересечения магнитопаузы в сезоны, когда расстояния между четырьмя аппаратами CLUSTER были около 100 км (с 2.II.2002 г. по 17.VI.2002 г.) и около 300 км (с 1.VI.2003 г. по 3.V.2004 г.).
Для всех случаев вектор скорости магнитопаузы был определен из уравнения (dr14, dr24, dr34) х х (NX, Ny, Nz)t = V(dt14, dt24, dt34)T, где drab - радиус-вектор с началом в местоположении аппарата "а" и концом в местоположении аппарата "b", (Nx, NY, NZ) - единичный вектор направления скорости магнитопаузы, V - модуль вектора скорости магнитопаузы, а dtab - разница во времени пересечения токового слоя магнитопаузы между аппаратами "а" и "b" [12]. Рис. 2 отображает распределение скоростей для 52 пересечений магнитопаузы. Согласно рисунку, магнитопауза на средних и высоких широтах может двигаться со скоростью до -180 км/c. Медиана распределения соответствует -50 км/c, а среднее значение -60 км/с. Сравнивая с результатами для низких широт [4, 5], заметим, что максимальная скорость магнитопаузы на высоких широ-
О ТОЛЩИНЕ ТОКОВОГО СЛОЯ ВНЕШНЕЙ ГРАНИЦЫ МАГНИТОСФЕРЫ
287
15
10
Количество случаев
_Г
3
0 20 40 60 80 100120 140 160180
VN, км/c
Рис. 2
Количество случаев 20 г
15
10
1
% 100 400 1600 6400 50 200 800 3200
LB, км
Рис. 3
5
5
тах примерно в 3 раза ниже, а среднее значение примерно в 1.3 раза ниже, чем на низких широтах. По найденному значению скорости и длительно-
сти пересечения токового слоя магнитопаузы
Br
компоненте магнитного поля были определены толщины токового слоя. Рис. 3 содержит распределение толщин для 52 пересечений токового слоя магнитопаузы. Согласно рисунку, токовый слой магнитопаузы на средних и высоких широтах варьировался между ~50 км и ~6000 км. Медиана распределения соответствует ~800 км. Заметим, что токовый слой магнитопаузы на средних и высоких широтах в среднем составляет ~1б00 км. Это почти в 2 раза толще, чем на низких широтах, где средняя толщина магнитопаузы соответствует 900 км [4, 5]. Причиной этого может быть разный угол взаимодействия потока плазмы солнечного ветра с поверхностью магнитопаузы: на низких широтах поток плазмы солнечного ветра набегает, в среднем, перпендикулярно поверхности магнитопаузы, а на высоких широтах плазма солнечного ветра течет, в среднем, параллельно поверхности магнитопаузы. Заметим так же, что имея измерения только в двух точках, можно определить лишь проекцию скорости магнитопаузы на радиус-вектор, соединяющий эти точки. В случае, если в работах по данным ISEE [4, 5] нормаль к магнитопаузе определена неверно,
Количество случаев
20г
15
10
15 1 2 4 8 16 32 64128256 т p
LB, pp
Рис. 4
то приведенные оценки скорости, а, следовательно, и толщины токового слоя магнитопаузы занижены. Распределение толщин токового слоя магнитопаузы, нормированных на pp в прилегающем маг-нитослое представлено на рис. 4. Таким образом, толщина токового слоя магнитопаузы простирается от ~pp до ~200pp, с медианой ~10pp. Среднее значение распределения нормированных толщин токового слоя магнитопаузы ~30pp. Это в 3 раза больше, чем для низких широт.
Отметим влияние толщины токового слоя магнитопаузы на характер бесстолкновительных процессов переноса ионов магнитослоя в магнитосферу. Эффективный процесс переноса ионов магнитослоя в магнитосферу за счет взаимодействия волна-частица вблизи Ù.LH может осуществляться лишь на магнитопаузе с толщиной токового слоя LB ~ рг, то есть, согласно приведенной статистической картине, в менее, чем 5% случаев из рассмотренных 52 пересечений магнитопаузы. В остал
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.