ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2011, том 51, № 4, с. 456-461
УДК 550.383
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ПЛАЗМЫ В ЭКВАТОРИАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ МАГНИТОСФЕРЫ ЗЕМЛИ НА ГЕОЦЕНТРИЧЕСКИХ РАССТОЯНИЯХ ОТ 6 ДО 10^ ПО ДАННЫМ МЕЖДУНАРОДНОГО ПРОЕКТА THEMIS © 2011 г. И. П. Кирпичев1, 2, Е. Е. Антонова2, 1
Учреждение РАН Институт космических исследований, Москва 2Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва e-mail: ikir@iki.rssi.ru; antonova@orearm.msk.ru Поступила в редакцию 28.12.2010 г.
Определена структура усредненного распределения давления плазмы в окружающем Землю на геоцентрических расстояниях от ~6 до плазменном кольце. Использовались данные измерений моментов функций распределения на спутниках международного проекта THEMIS. Произведено статистическое исследование распределения плазменного давления в экваториальной плоскости при > XSM > — и > YSM > — 15^£. Проведен анализ радиальной зависимости давления плазмы на меридианах день—ночь и утро—вечер. Показано, что окружающее Землю кольцо плазмы имеет структуру близкую к азимутально-симметричной. Проведено сравнение полученных результатов с полученными ранее данными по распределению давления. Показано, что в пределах ошибок определения давления, в перекрывающихся областях полученные результаты согласуются с результатами, полученными ранее.
1. ВВЕДЕНИЕ
Давление плазмы относится к основным параметрам, определяющим распределение токов в плазменных системах и устойчивость плазмы. При отсутствии баланса градиента давления и силы ампера плазма начитает быстро двигаться, и происходит разрушение плазменной конфигурации. На настоящий момент не существует общепризнанной модели, описывающей механизмы формирования, а также динамику характерных крупномасштабных областей внутренней магнитосферы. Для выявления общих закономерностей динамических и стационарных плазменных процессов внутри магнитосферы, становится необходимым знание давления, понимаемого как второй момент функции распределения. Определение давления плазмы внутри магнитосферы может иметь и непосредственное практическое значение в связи с проблемой предсказания "Космической погоды" (см. [АПопоуа йа1., 2003]).
В гиротропной плазме тензор давления является диагональным, и вводятся давления вдоль и поперек магнитных силовых линий (рц, р±) . Несмотря на большое количество спутниковых измерений в околоземной космической плазме, полная картина распределения плазменного давления в магнитосфере до сих пор не получена. Большое число работ посвящено измерениям давления плазмы в хвосте
магнитосферы (см. обзор [Spence et al., 1989]). Tsyg-anenko and Mukai [2003] создали модель давления плазмы в хвосте магнитосферы на базе данных спутника GEOTAIL. Глобальное распределение давления во внутренних областях магнитосферы Земли на геоцентрических расстояниях <8.8 RE было получено по данным экваториального спутника AMPTE/CCE в работах [DeMichelis et al., 1997; 1999; Milillo et al., 2001; Lui, 2003]. Давление восстанавливалось на основе ионной функции распределения в энергетическом интервале от ~1 кэВ до 4 МэВ. Сравнительно плохо исследована область перехода от дипольных к вытянутым в хвост магнитным силовым линиям. Ряд профилей давления в данной области был получен на спутнике Интербол/Хво-стовой зонд в работах [Antonova et al., 2002; Pisarenko et al., 2003; Кирпичев 2004; Kirpichev et al., 2005].
С запуском 5 спутникового проекта THEMIS (см. специальный выпуск Space Science Review, v. 141, 2008) появилась возможность решить многие проблемы физики магнитосферы. Так, например, в работе [Xing et al., 2009] изучалась азимутальная асимметрия давления плазмы по данным THEMIS за период с декабря 2007 по май 2008 на геоцентрических расстояниях от 10 до 12RE. Было показано, что вытекающие продольные токи в ночном секторе могут поддерживаться за счет измеренных азимутальных градиентов давления.
К актуальным проблемам относится получение распределения давления плазмы в окружающем Землю плазменном кольце, характеристики плазмы в котором соответствуют характеристикам плазменного слоя. Проект THEMIS работал в период низкой геомагнитной активности. Инжекция плазмы во внутренние области магнитосферы во время магнитосферных суббурь и формирование асимметричного кольцевого тока во время магнитных бурь приводит к азимутальной асимметрии давления с максимумом в районе полуночи. При статистическом анализе распределения давления вклад асимметричной компоненты минимален в периоды низкой геомагнитной активности. Поэтому результаты измерений давления плазмы за более чем 3 года работы спутников проекта THEMIS позволяют получить картину распределения давления соответствующую невозмущенному состоянию магнитосферы.
В настоящей работе будет получена статистически усредненная картина распределения p и pL в экваториальной плоскости по данным проекта THEMIS и проведен ее анализ. Будет показано, что на геоцентрических расстояниях от 6 до 10RE распределение давления близко к азимутально-сим-метричному. Будет обсуждена конфигурация поперечных токов в рассматриваемой области поддерживаемых радиальными градиентами давления.
2. ДАННЫЕ И МЕТОД ИХ ОБРАБОТКИ
В работе были использованы данные, полученные в ходе многоспутникового эксперимента THEMIS (http://themis.ssl.berkeley.edu/, http://cdaweb.gsfc.nasa. gov/) (см. [Angelopoulos, 2008]) за период с августа 2007 по сентябрь 2010 г. Анализировались моменты функций распределения ионов и электронов, восстанавливаемые двумя различными приборами:
• ESA — электростатический анализатор ионов в диапазоне энергий от 1.6 эВ до 25 кэВ и электронов от 2 эВ до 32 кэВ,
• SST — твердотельный телескоп, регистрирующий ионы в диапазоне энергий от 25 кэВ до 6 МэВ и электроны от 25 кэВ до ~900 кэВ.
Период вращения спутников вокруг собственной оси позволял вычислять моменты функций распределения каждые 3 секунды. Локальное магнитное поле с таким же временным разрешением в 3 сек было получено по данным магнитометра FGM [Auster et al., 2008].
Ионный состав в данном эксперименте не определялся, поэтому далее предполагается, что основной вклад в давление вносят протоны, что является хорошим приближением в магнитоспокойные периоды [Daglis et al., 1999]. Рассматриваемый в статье интервал соответствует данному условию. Большая
а
15 10 5 0 -5 -10 -15 xsm, re
Рис. 1. Распределение р^ — среднего значения перпендикулярных к магнитному полю составляющих тензора полного плазменного давления (ионов и электронов) (а). Дополнительно нанесены — среднее положение магнитопаузы по модели [8Иие е! а1., 1998] и уровни постоянной величины модуля локального магнитного поля (нТл); отношение стандартного отклонения к среднему значению для величины р^, выраженное в процентах (б).
часть времени характеризовалась тем, что ВТ было больше —40 нТ а минимальное значение составляло БТ--80 нТ. Для построения двумерного распределения полного плазменного давления (сумма по ионам и электронам Е8Л и 88Т) проводилось разбиение экваториальной плоскости (ХУ) на ячейки по 0.5^£ в солнечно-магнитосферной (8М) системе координат. Допустимый интервал по координате
5 10 15
2.0
1.5
св
С
1.0 я
0.5
15 10 5 0 -5 xsm' re
б
10 -15
100 ^
л' н о
80 и
60
о л
1-е
о
с «
св
40
IS
о S
20 S
га
Н
U
15 10 5 0
Xsm, re
Рис. 2. Тоже, что на рисунке 2, но для рц — компонента вдоль магнитного поля.
ZSM: —4RE < ZSM < 4RE. В каждой ячейке накапливались и усреднялись измерения со всех пяти спутников.
При приближении к Земле (ближе 6RE) проникающая радиация приводит к искажению показаний ESA (см. [McFadden et al., 2008]). Поэтому в качестве внутренней границы анализируемой области была выбрана окружность с радиусом 5.5RE. Вариации положения магнитопаузы затрудняют выбор положения внешней границы магнитосферы при статистическом анализе. Поэтому в качестве внешней границы построения распределения давления выбирался квадрат со стороной равной 15RE с центром, совпадающим с центром Земли. При этом
значения давления за пределами магнитопаузы соответствуют усредненным значениям давления плазмы в магнитослое. Вблизи подсолнечной точки такое давление может почти полностью компенсировать давление магнитного поля внутри магнитосферы (см. [Знаткова и др., 2011] и ссылки в данной работе). Поэтому усредненное положение магнито-паузы в дневные часы должно проявляться при анализе радиального профиля давления.
Анализировались диагональные компоненты тензора давления в системе координат, привязанной к локальному магнитному полю, т.е. компонента давления вдоль магнитного поля p и компонента давления перпендикулярно магнитному полю pL. Орбиты всех пяти спутников THEMIS имеют наклонение, которое наиболее подходит для изучения явлений, происходящих в экваториальной плоскости. При пересечении спутником каждой из ячеек в плоскости (XY) в каждой из рассматриваемых ячеек проводилось усреднение давления по 5 минутному интервалу времени.
3. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ВБЛИЗИ ЭКВАТОРИАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ
На рис. 1 и 2 показаны двумерные картины распределения перпендикулярной и параллельной компонент давления (рис. 1а и 2а) и отношения стандартного отклонения к среднему значению, выраженные в процентах (рис. 1б и 2б). Шкала справа на рис. 1а и 2а показывает значения давления, соответствующие оттенкам серого цвета. При этом, минимальным значениям давления отвечает черный цвет, а максимальным белый. Шкала справа на рис. 1б и 2б показывает значение статистической погрешности (отношения стандартного отклонения к среднему значению) в процентах. При этом белый цвет соответствует минимальной статистической погрешности. Результаты представлены без проведения сглаживания. Дополнительно нанесены контуры среднего значения модуля локального магнитного поля, измеренного на спутниках и положение магнитопаузы по модели [Shue et al., 1998] для средних за период наблюдений значений параметров межпланетного магнитного поля Bz = 0.5 нТ и динамического давления солнечного ветра pdyn = = 2 нПа.
Из рис. 1б и 2б следует, что статистическая достоверн
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.