КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2008, том 46, № 5, с. 403-407
УДК 550.385:533.9
О ТОПОЛОГИИ МАГНИТНЫХ КАНАТОВ В ПЛАЗМЕННОМ СЛОЕ МАГНИТОСФЕРЫ ПО ИЗМЕРЕНИЯМ СПУТНИКА Geotail
© 2008 г. Д. А. Сормаков, В. А. Сергеев
НИИ физики, Санкт-Петербургский Государственный Университет
dima@geo.phys.spbu.ru Поступила в редакцию 10.05.2007 г.
Одним из ключевых процессов динамики магнитосферы является магнитное пересоединение, обеспечивающее взрывообразное преобразование накопленной магнитной энергии в энергию быстрых плазменных потоков и нагрев плазменного слоя. В реальной конфигурации пересоединение приводит к генерации плазмоидов (магнитных петель) или, при наличии компоненты магнитного поля поперек хвоста (Ву), структур с винтовыми трубками, магнитных канатов (Flux Ropes, FR). В геометрии хвоста магнитосферы плазмоид/FR с осью вытянутой поперек хвоста создает винтовое поле со сменой знака Bz компоненты - см. рис. 1а, перемещение которого вдоль X приводит к биполярной вариации Bz. В отличие от плазмоида FR структура содержит сильное магнитное поле вдоль оси структуры (Ву). Наблюдения плазмоидов в дальнем плазменном слое в свое время послужили основным доказательством реализации магнитного пересоединения в хвосте во время суббурь. Множественность таких структур (и связанных с ними областей локального сжатия магнитного поля долей, известные в литературе под термином "TCR" - traveling compression region) наблюдаемых в течение индивидуальной суббури связывается с множественностью вспышек пересоединения и/или множественностью одновременно работающих областей пересоединения [5]. PACS: 94.30.cl
Основываясь преимущественно на магнитных вариациях, в недавних работах [6, 8] было отмечено, что РЯ-подобные структуры наблюдаются не только с хвостовой стороны от области пересоединения, но и с приземной стороны, в быстрых потоках плазмы, направленных к Земле (их часто именуют термином ббб). В соответствии со схемой рис. 1а перемещение РЯ структуры к Земле создает биполярную (-/+) вариацию Вг с пиком Ву центрированным вблизи области смены знака В2. Если эта интерпретация верна - она означает, что пересоединение реализуется через одновременную генерацию нескольких магнитных островов (множественное пересоединение) [6]. Подобные магнитные вариации, однако, могут быть сформированы и иными способами. Так, пересоединенная магнитная трубка, двигающаяся к Земле, может сминать фоновое поле (создавая сжатое Ву на ее фронте по предположению авторов [4]). Недавнее численное МГД моделирование [7] показало возможность такой деформации фонового поля, при которой перед прохождением пересоединенной трубки, несущей сильную положительную В2, возникает кратковременная отрицательная вариация В2, за счет наклона сжатого фонового поля, как изображено на рис. 16. Важное отличие этих возможностей от БЯ структуры состоит в их иной топологии, что можно исследовать, рассматривая в качестве трассеров топологии энергичные электроны, генерируемые в процессе пересоединения [2]. В частности, винтовая конфигурация поля БЯ структуры предполагает,
что те же силовые линии заполняют структуру до и после прохождения ее центра (т.е. в областях отрицательной и положительной вариаций Bz на рис. 1а). Так что энергичные электроны (обладающие малым гирорадиусом и большими скоростями) быстро заполняют структуру, образуя симметричные (относительно ее центра) распределения потоков. Тогда как во втором случае ускоренные электроны отсутствуют в сжатых фоновых трубках и появляются только в пересоединенных трубках, соединенных с областью ускорения, в области положительной вариации Bz - см. схему на рис. 16. На примерах рисунков 1а и 16 видно, что при одинаковом поведении компонент магнитного поля ожидается разное поведение потоков энергичных частиц, свидетельствующих о разных топологиях структур. Исследование связи возрастаний потоков энергичных электронов с вариациями Bz, By компонент магнитного поля в событиях, напоминающих FR структуры, и представляет основную задачу данной работы.
НАБЛЮДЕНИЯ
Использованы данные спутника Geotail за период с мая 1995 по май 1999. Данные о магнитном поле в GSM системе координат с 3 сек разрешением и параметрах плазмы с 12 сек разрешением были взяты с портала DARTS/Geotail (http://www. darts.isas.ac.jp/spdb/index.html). Данные об интегральных потоках энергичных электронов с энергией >38 кэВ с разрешением менее 1 сек, изме-
403
2*
а)
Z, GSM
б)
Z, GSM
2)
3)
4)
Рис. 1. Примеры двух видов структур: ( а) - магнитного каната (БИ) и б) - отдельной пересоединившийся трубки, и соответствующие им вариации компонент магнитного поля и потока энергичных электронов (/) на разных траекториях спутника (I и II).
ренные прибором EPIC, получены с портала Geotail/EPIC Digital Data (http://sd-j sp.jhuapl. edu/GeotailWebApp/).
Для автоматизированного поиска FR-подоб-ных структур с изолированным началом в быстрых потоках к Земле, наблюдавшихся в центральной части плазменного слоя, использован следующий набор критериев: (1) Отбирались события в области X < -15 RE и \Y\ <15 RE GSM, с (2) Vx > 300 км/с (поиск быстрых потоков); в течение 4 минут, предшествовавших 2-х минутному интервалу, центр которого соответствовал Vx = = 300 км/с, требовалось (3) выполнение условия \Vx\ < 150 км/с (изолированное начало) и (4) условия в > 0.5, где в - плазменный параметр - отношение плазменного давления к магнитному давлению (критерий нахождения в центре плазменного слоя). Дополнительно требовалось, чтобы (5) в течение одной минуты до или после момента превышения Vx порогового значения, By компонента хотя бы раз превышала 0.4BL (By > 0.4BL), и хотя бы раз превышала абсолютную величину Bx за этот промежуток. Здесь BL - величина эквивалентного магнитного поля в долях хвоста, оцененная по сумме наблюдаемых теплового и магнитного давлений BL = (B2 + 2ц0пкТ;)1/2, где B, T\, n -измеренные величины магнитного поля, темпе-
ратура и концентрации плазмы в токовом слое соответственно, - коэффициент магнитной проницаемости, к - постоянная Больцмана. В результате было найдено 73 события, удовлетворяющих описанным критериям. Отметим, что без требования наличия FR-подобных магнитных вариаций (используя только критерии (1)-(4)) количество событий составляло 660, так что FR-по-добные структуры являются сравнительно редкими явлениями.
На рис. 2, 3 приведены характерные примеры отобранных структур. Пример на рис. 2 (спутник располагался в точке [-28, 6, -3] RE GSM) показывает поведение магнитного поля наиболее близкое к классической FR структуре. Действительно, в пределах минуты от начала возрастания Vx наблюдается резкое увеличение величины существовавшей ранее отрицательной By компоненты магнитного поля до пика величиной —12 нТл, которому сопутствует биполярная симметричная (-\+) вариация Bz-компоненты, со сменой ее знака вблизи экстремума By (сравни со схемой на рис. 1а). В отличие от ожиданий, однако, поток энергичных электронов поддерживался на предшествующем уровне при сжатии By в течение отрицательной вариации Bz, но резко возрос при положительной вариации Bz (во второй половине
.41.00 19.41.30 19.42.00 19.42.30 19.43.00
Время, ИТ
Рис. 2. Пример БИ-структуры наблюдавшейся спутником Geotail 7.11.1999.
структуры), соответствуя топологически различным трубкам, показанным на рис. 16.
Пример на рис. 3 показывает еще одну часто встречающуюся ситуацию. В отличие от предыдущего случая, биполярная вариация Бг асимметрична и лишь кратковременно меняет знак на отрицательный. Поведение Бу компоненты подобно ее вариации на рис. 1а, присутствует и симметрич-
ное поведение потока энергичных электронов относительно центра биполярной вариации. С точностью до знака вариации потока электронов, данный пример более соответствует классической БИ-структуре (рис. 1а).
Описав характерные события, приведем результаты статистики. Из 73 случаев отобранных потенциальных БИ-подобных структур в 28 собы-
400 г
300
м
, 200 100 0
ч «5
Ч О)
«Г
4 0
-4 12 8 4 0 -4 -8 -12
30000
20000 10
оа
- 0.20 г
л н о о м н о ч С
0.16
0.12
8
0.08 !
08.08.30 08.09.00 08.09.30 08.10.00 08.10.30
Время, UT
Рис. 3. Пример FR-структуры наблюдавшейся спутником Geotail 19.XII.1995.
6В
и т м
4 fi 2
тиях вариации поля были достаточно сложны, и выделить отдельную БЯ структуру (с пиком Ву в пределах времени биполярной вариации В2) не представлялось возможным. Еще в 10 событиях пик Ву присутствовал, но был значительно смещен относительно смены знака биполярной вариации В2. В итоге только в 35 событиях наблюдалось поведение компонент магнитного поля соответствующее БЯ структурам. Из них в 17 событиях поток электронов в интервале наблюдения структуры не претерпевал изменений
(сохранялся в пределах фактора 2), так что нельзя использовать их для определения топологии. В оставшейся половине случаев в 23% изменившийся поток энергичных электронов не претерпевал изменений в пределах структуры, соответствуя поведению, показанному на рис. 1а и в примере на рис. 3. (В число этих случаев включены события, как с повышенным, так и с пониженным потоком в структуре). В 28% событий резкий рост (или спад) потока электронов сопутствовал резкому росту В2 компоненты в середине структуры, т.е.
занимал только часть этой структуры, подобно изображенному на рис. 16(3), и в примере на рис. 2. Таким образом, топологические несвязанные половины "FR-подобных" структур наблюдаются наиболее часто. Этот вывод усиливается и тем обстоятельством, что симметричное поведение потока в структуре не является исключительным свойством реальных FR структур, т.к. подобное поведение может встречаться и на внешних траекториях в случае топологически-несвязных структур (траектория типа II на рис. 16).
ОБСУЖДЕНИЕ
Предваряя основное заключение, заметим, что исследованные структуры весьма похожи на структуры, исследованные ранее другими авторами. Характерный масштаб (0.5-1 мин) пика Ву и расстояния между экстремумами Bz на рис. 2, 3, идентичен масштабу FR структур исследованных [6] и [8]. Асимметрия Bz вариаций (сохраняющей положительный знак в большинстве событий) и о
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.