научная статья по теме ОЦЕНКА ПЛОТНОСТИ ТОКА И АНАЛИЗ ГЕОМЕТРИИ ОКРУЖАЮЩЕЙ ЗЕМЛЮ ТОКОВОЙ СИСТЕМЫ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ОЦЕНКА ПЛОТНОСТИ ТОКА И АНАЛИЗ ГЕОМЕТРИИ ОКРУЖАЮЩЕЙ ЗЕМЛЮ ТОКОВОЙ СИСТЕМЫ»

КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, том 52, № 1, с. 54-62

УДК 550.383

ОЦЕНКА ПЛОТНОСТИ ТОКА И АНАЛИЗ ГЕОМЕТРИИ ОКРУЖАЮЩЕЙ

ЗЕМЛЮ ТОКОВОЙ СИСТЕМЫ

© 2014 г. И. П. Кирпичев1,2, Е. Е. Антонова2,1

Институт космических исследований РАН, г. Москва 2Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ ikir@iki.rssu.ru, antonova@orearm.msk.ru Поступила в редакцию 20.03.2013 г.

Приведены результаты исследования распределения давления плазмы, градиентов давления и магнитного поля вблизи экваториальной плоскости в окружающем Землю плазменном кольце в магни-тоспокойных условиях. Использованы данные наблюдений в ходе международной миссии THEMIS. Получена картина распределения плотности поперечных токов вблизи экваториальной плоскости в предположении соблюдения условия магнитостатического равновесия на геоцентрических расстояниях от 6 до 12RE При оценке интегрального поперечного тока учтено, что в дневные часы минимумы магнитного поля на магнитных силовых линиях не локализованы в плоскости экватора. Получены оценки интегрального поперечного тока, демонстрирующие возможность замыкания ночных поперечных токов на геоцентрических расстояниях до ~ 12RE внутри магнитосферы, формируя высокоширотное продолжение кольцевого тока.

Б01: 10.7868/8002342061401004Х

1. ВВЕДЕНИЕ

Вопрос о распределении токов в магнитосфере Земли входит в число основных проблем магни-тосферной динамики. При создании моделей магнитного поля, как правило, выбирается определенная конфигурация токов, параметры которой фитируются по данным магнитных измерений. Так, например, в одной из последних моделей [1] экваториальные токи в магнитосфере представлены в виде суммы ортогональных базисных функций с различными масштабами, что позволило выявить существование ранее неизвестных токовых систем во время магнитных бурь.

Важным моментом при определении конфигурации квазистационарных токовых систем в рамках МГД подхода является выполнение условия магнитостатического равновесия. Данное условие выполняется, если скорость движения плазмы много меньше звуковой и альвеновской. Если давление плазмы близко к изотропному, условие магнитостатического равновесия приобретает вид

№] = ур, (1)

где ] — плотность тока, B — магнитное поле, Р — давление плазмы. Соотношение (1) позволяет определить плотность тока, если известно распределение давления и магнитного поля.

Несмотря на более чем полувековую историю космических исследований вопросам распределения давления в магнитосфере посвящено сравнительно небольшое число работ (см. [2—12] и ссылки в данных работах). При этом основное внимание было приковано к плазменному слою геомагнитного хвоста, где геометрия магнитного поля имеет сравнительно простую конфигурацию. Было продемонстрировано соблюдение условия баланса давлений поперек плазменного слоя [13, 14] и по данным спутника Оео1аИ создана модель распределения давления на геоцентрических расстояниях > 10ЯЪ [15].

Распределение давления на геоцентрических расстояниях <10РБ изучалась как по данным вблизи экваториальной плоскости [2—4, 7, 9—12], так и по данным низколетящих спутников [5, 8]. Преимущество последних связано с возможностью быстрого (за несколько минут) получения радиального профиля давления, что особенно важно во время магнитных бурь и суббурь. Недостатки обусловлены необходимостью проецирования на экваториальную плоскость с использованием какой-либо модели магнитного поля. Данные измерений в экваториальной плоскости дают реальные значения давления. Но высо-коапогейные спутники пересекают магнитосферу за несколько часов. При этом, давление может сильно изменяться (например, в процессе суббуревых инжекций). Однако, анализируя усредненные профили давления можно определить усред-

ненные градиенты и получить оценки плотностей токов, текущих в экваториальной плоскости.

Измерения на спутнике AMPTE/CCE позволили получить оценки плотности поперечных токов вблизи экваториальной плоскости [2—4] на геоцентрических расстояниях <8.8RE. В работе [4] для определения плотности токов использовано глобальное распределение давления в экваториальной плоскости. В работах [2—4] было показано, что на геоцентрических расстояниях <8.8RE давление с точностью ~2 близко к азимутально симметричному. Измерения на 5 спутниках миссии THEMIS дали возможность получить картину распределения давления вблизи экваториальной плоскости на геоцентрических расстояниях до 15RE [12, 16]. Результаты проведенного анализа показали, что плазма с характеристиками соответствующими структуре ранее выделяемой в качестве центрального плазменного слоя формирует окружающее Землю плазменное кольцо вплоть до дневной магнитопаузы [16]. Результаты, полученные в работах [16, 17, 18] подтвердили полученные ранее [2—4] выводы по изотропии давления в высокоширотной магнитосфере в ночные часы и существование небольшой (~1.2) анизотропии в дневные. Было показано, что в период работы миссии THEMIS давление плазмы близко к изотропному на геоцентрических расстояниях >5-6RE.

В настоящей работе используются данные наблюдений на пяти спутниках миссии THEMIS за период с апреля 2007 по сентябрь 2012, находящиеся в открытом доступе. Получено глобальное усредненное распределение давления с учетом уточнений, внесенных при перекалибровке данных в 2012 г., определена глобальная усредненная картина распределения крупномасштабных градиентов давления и впервые получена глобальная усредненная картина распределения плотностей поперечных токов на геоцентрических расстояниях от 6 до 12Re. Особый интерес, при этом, представляют дневные часы в связи с результатами работ [19, 20], в которых было продемонстрировано существование достаточно больших интегральных поперечных токов в этой области.

2. МЕТОДИКА АНАЛИЗА ДАННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ

Результаты измерений потоков частиц и магнитного поля миссии THEMIS находятся в открытом доступе на сайте http://themis.ssl.berke-ley.edu/data. Для определения давления использовались данные приборов ESA (электростатического анализатора ионов в диапазоне энергий от 1.6 эВ до 25 кэВ и электронов от 2 эВ до 32 кэВ) и SST (твердотельного телескопа, регистрирующего ионы в диапазоне энергий от 25 кэВ до 6 МэВ и

электроны от 25 кэВ до ~900 кэВ) [21—22]. Магнитное поле определялось по данным прибора FGM [23]. На первых этапах анализа в работе [12] были использованы бортовые моменты, определенные по данным приборов ESA и SST. В настоящей работе проводилось вычисление полного плазменного давления, включая вклады ионов (предположительно протонов) и электронов, по спектрам, полученным из полной функции распределения с разрешением 3 с. При этом проводился анализ измеренных спектров и их стыковки в перекрывающихся диапазонах. Ниже описаны процедура вычислений и проблемы, возникающие при вычислениях.

Прежде всего, проводилась селекция по ближайшему соответствию (по времени) данных различных приборов (ESA, SST, FGM), работающих в разных модах с заранее несогласованным временем. Т.е. выделялись моменты времени, когда одновременно присутствовали данные всех выбранных приборов. Несмотря на проводимое командой THEMIS уточнение калибровки приборов, остаются интервалы времени, когда наблюдается несовпадение значений дифференциальных потоков в почти пересекающихся энергетических интервалах. Такие несовпадения могут возникать за счет разных режимов работы приборов ESA и SST при резких нестационарных изменениях потоков частиц, например, в моменты суббуревых инжек-ций или возникновения высокоскоростных потоков частиц. Чтобы избежать грубых ошибок при автоматическом отборе, была предложена следующая селективная методика: спектры SST при низких энергиях (~ 30—40 кэВ) аппроксимировались степенной функцией и продлевались до энергий ESA (~25 кэВ). Если наблюдалось расхождение величин, превосходящее 20%, то событие не рассматривалось. Еще одной основной проблемой измерений частиц на THEMIS является искажение спектров при прохождении через защитную оболочку жесткой радиации. При этом на спектрах ESA появляются характерные особенности — большие дифференциальные потоки вне зависимости от энергий. Командой THEMIS был предложен софт, который позволяет в некоторой степени бороться с этой проблемой. Данная методика также была нами применена при отборе анализируемых событий.

В данной работе оценивается усредненные за большой период величины плотности токов и интегрального тока на определенном геоцентрическом расстоянии. Для рассматриваемого периода был характерен крайне низкий уровень геомагнитной активности, что обеспечивало достаточно высокую статистику для интервалов наблюдений с низким уровнем геомагнитной активности.

Для анализа двумерного распределения полного плазменного давления выделены участки

(а)

10

и

10

(б)

г >

О

10

50

XSM, &Б

10

2.0

1.5 -5

1.0

0.5

50 Xsм,

а Па

я

0

5

Рис. 1. Распределение плазменного давления (Р) в плоскости геомагнитного экватора.

(а) — экспериментальные медианные значения, (б) — сглаженные с помощью полученных аппроксимаций (указаны уровни постоянного давления). Также указано положение модельной магнитопаузы [25] при средних за период наблюдений значениях динамического давления солнечного ветра в 1.8 ± 0.2 нПа.

траекторий спутников, когда положения орбит в SM системе координат были локализованы в слое толщиной 1РБ по Z координате. Протяженность этой области в плоскости геомагнитного экватора по X и У составляла от —15 до 15РБ. Элементарным событием считалось измерение функции распределения за 3 с в режиме полной моды.

Все значения давления накапливались в ячейках соответствующих полярной системе координат: Аг = 0.5Рб, Дф = 10°. Для каждой ячейки (заполнение варьировалось от 5 до 120) находилась медиана. В данной работе мы не рассматриваем область с г < 6ЯБ. Как уже указывалось выше, при г > 6ЯБ давление плазмы близко к изотропному [2—4, 16—18]. При г < 6ЯБ давление становится существенно анизотропным и изменяется характер радиального хода давления [16], что затрудняет выбор аналитической аппроксимации радиального хода давления. Статистика значительно уменьшается на геоцентрических

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

Пoхожие научные работыпо теме «Космические исследования»