научная статья по теме РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ПЛАЗМЫ В ГЕОМАГНИТНОМ ХВОСТЕ В ОБЛАСТИ ПЕРЕХОДА ОТ ДИПОЛЬНЫХ К КВАЗИДИПОЛЬНЫМ И ВЫТЯНУТЫМ МАГНИТНЫМ СИЛОВЫМ ЛИНИЯМ: СОБЫТИЯ 13.Х.1995 Г. И 13.III.1996 Г Космические исследования

Текст научной статьи на тему «РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ПЛАЗМЫ В ГЕОМАГНИТНОМ ХВОСТЕ В ОБЛАСТИ ПЕРЕХОДА ОТ ДИПОЛЬНЫХ К КВАЗИДИПОЛЬНЫМ И ВЫТЯНУТЫМ МАГНИТНЫМ СИЛОВЫМ ЛИНИЯМ: СОБЫТИЯ 13.Х.1995 Г. И 13.III.1996 Г»

КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, том 42, № 4, с. 352-362

УДК 550

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ПЛАЗМЫ В ГЕОМАГНИТНОМ ХВОСТЕ В ОБЛАСТИ ПЕРЕХОДА ОТ ДИПОЛЬНЫХ К КВАЗИДИПОЛЬНЫМ И ВЫТЯНУТЫМ МАГНИТНЫМ СИЛОВЫМ ЛИНИЯМ: СОБЫТИЯ 13.Х.1995 г. И 13.III.1996 г.

© 2004 г. И. П. Кирпичев

Институт космических исследований РАН, г. Москва Поступила в редакцию 15.12.2003 г.

Приведены результаты анализа распределения давления горячей магнитосферной плазмы и поперечных токов в плазме на расстояниях от 8 до 12 ЯЕ вблизи экваториальной плоскости для пролетов 13.Х.1995 г. и 13.III.1996 г. на спутнике ИНТЕРБОЛ-1. Давление определялось по данным измерений потоков частиц приборами КОРАЛЛ, ДОК-2 И СКА-2. Особенности эксперимента позволяли вычислять давление с высокой точностью и проводить определение распределения магнитостати-чески равновесных токов в плазме. Показано, что на участках монотонного нарастания давления в направлении к Земле могут быть выделены области плато плазменного давления. Обсуждена возможная природа мелкомасштабных вариаций и областей с плато. Проводится сравнение измеренных профилей давления с профилями давления модели Цыганенко и Мукаи-2003. В предположении магнитостатического равновесия вычислены текущие в плазме поперечные токи.

ВВЕДЕНИЕ

Вопрос о профилях давления в магнитосферной плазме в последние годы продолжает оставаться одним их наиболее актуальных вопросов физики магнитосферы. Этот интерес связан с исследованиями природы кольцевого тока и токов в хвосте магнитосферы Земли. При соблюдении условий магнитостатического равновесия (скорость регулярного движения плазмы много меньше звуковой и альвеновской) градиент давления плазмы уравновешивает силу Ампера, поэтому при изотропном распределении частиц по питч-углам ток в плазме определяется соотношением

5 _ [ВУр] _ 2 '

в

(1)

где В - локальное магнитное поле, Ур - градиент изотропного давления.

Определение давления плазмы требует измерений потоков плазмы в широком диапазоне энергий и питч-углов.

В магнитоспокойных условиях основной вклад в величину давления вносят протоны. Вклад давления электронов магнитосферы в полное давление обычно не превышает 15% [1, 2]. На геоцентрических расстояниях, превышающих 7ЯЕ, задачу определения давления облегчает наблюдаемая в эксперименте изотропия давления (см. [3]).

Обычно при измерениях давления в хвосте магнитосферы Земли (см. [2-12]) точность определения давления ионов ограничивается энергетическим разрешением используемых приборов.

На спутнике ИНТЕРБОЛ-1 измерения спектров и временного профиля частиц осуществлялись рядом приборов: КОРАЛЛ, ДОК-2 и СКА-2. Взаимная интеркалибровка этих приборов (см. [14-16]) дала возможность проводить анализ формы спектра ионов в широком диапазоне энергий от 0.05 кэВ до 3 МэВ. В этом случае в областях, где давление близко к изотропному, спектры ионов позволяют достаточно надежно определять распределение давления вдоль траектории спутника. Предварительные результаты определения давления содержатся в работах [16-18].

В настоящей работе проводится анализ распределения давления вдоль траектории полета спутника ИНТЕРБОЛ-1 для 13.Х.1995 г. и 13.III.1996 г. Проводится также сравнение зарегистрированных профилей давления с моделью Цыганенко и Мукаи 2003 [12]. В приближении магнитостатического равновесия вычисляются текущие в плазме поперечные токи.

ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИИ И МЕТОДИКА АНАЛИЗА

Восстановление спектров ионов в широком энергетическом диапазоне потребовало интеркалибровки приборов, проводивших измерения разными методиками с различным временным и угловым разрешением. Прибор КОРАЛЛ - плазменный спектрометр, работающий в энергетическом диапазоне 0.05-25 кэВ [19], проводил измерения в 32 энергетических каналах. Время получения одного энергетического спектра составляло 4 с,

2 15

вбм

[ вбм

-15 15

15

10

Н -10

-15 15

101-

- -10-

10-15

Рис. 1. Локализация траекторий спутника ИНТЕРБОЛ-1 относительно магнитных силовых линий, вычисленных с использованием модели магнитного поля Цыганенко-96: Цифрами обозначены: 1 - начало, рассматриваемого витка; 2 - конец, интервал между ромбами - 1 час. а) - 13.Х.1995 г. (начало - 20.00 ИТ); б) - 13.III.1996 г. (начало - 16.00 ИТ).

а

функции распределения - около 2 мин (время оборота спутника). Спектрометр заряженных частиц ДОК-2 [13] обеспечивал измерение энергетических спектров протонов в диапазоне энергий Е = 22-850 кэВ с разрешением 7-9 кэВ с высокой статистической точностью и временным разрешением до 1 с. В результате измерения прибором ДОК-2 удавалось получить 56 точек в области энергетического спектра, где ранее число измеряемых интервалов не превышало 10. В силу конструктивных особенностей временное разрешение прибора ДОК-2 в зависимости от скорости из-

менения потоков менялось от 1 с до 10 мин. Спектрометр энергичных частиц СКА-2 [20] позволял регистрировать потоки протонов с энергией от 0.1 до 150 МэВ в восьми энергетических диапазонах (в данной работе использовался диапазон 1-3 МэВ). Временное разрешение спектрометра СКА-2 составляло 18 с. Так как период обращения спутника составлял 2 мин, хорошее питч-угловое разрешение было не всегда достижимо, но в ряде случаев удавалось достаточно четко выявить тип распределения частиц - изотропный или анизотропный.

н

х

80 604020-0 104

103102 101 100 10-1 10-2-

О^ 102

св

, Н < 5

и О о а о

Й

10000 2 51000

ОЕ?

100 =

,1000

У

10

10000

100

22.00 22.30 23.00 23.30 00.00 00.30

-7.1 -6.6 -6.0 -5.4 -4.8 -4.2

-9.1 -8.6 -8.1 -7.6 -7.0 -6.4

268М -0.6 -0.8 -1.1 -1.3 -1.5 -1.6

Я, ЯЕ 11.6 10.9 10.2 9.4 8.6 7.8

Рис. 2. Локальные распределения плазмы и магнитного поля.

Сверху вниз: величина магнитного поля; потоки высокоэнергичных частиц (прибор СКА-2): 1 - электроны с энергией 0.15-0.3 МэВ (ориентация детектора - 45° к оси вращения спутника (к направлению на Солнце)), 2 - протоны 1-3 МэВ, ориентация детектора - 45°, 3 - протоны 35-100 кэВ, ориентация детектора - 90°; спектрограмма ДОК-2 (ориентация детектора - 66°), спектрограмма КОРАЛЛ (ориентация детектора - 62°). а) - 13.Х.1995 г.; б) - 13.III.1996 г.

Н х

сч

се , н

^ ¡5

а

о «

о

80 6040200

104 104 104 101 100 10-4 10-2

102,

10000 =

Ей

< -

РмС^ ОЕ?

а

1000 100

п

п ,

1000

10

10000

100

18.30 19.00 19.30 20.00 20.30 21.00

2.0 1.8 1.5 1.2 1.0 0.7

^68М 10.9 10.3 9.6 8.9 8.2 7.4

0.7 0.5 0.2 -0.1 -0.4 -0.8

Я, Яе 11.1 10.4 9.7 9.0 8.2 7.4

Рис. 2. Окончание.

Характерной особенностью динамики частиц лентных флуктуаций скорости составляет около

плазменного слоя является турбулентный харак- 180 с [22]. Гидродинамические параметры плаз-

тер флуктуаций скорости плазмы (см. обзор [21] мы сильно варьировали при усреднении на вре-

и ссылки в нем). Корреляционное время турбу- менных масштабах меньших 180 с. Поэтому ниже

(а)

^ и а

о & ^ г

э а ^

я О 8

а

&

05

С

о и О

«К „ч

м «С 8й к * 8 ^

я

а И

к м

к

о £ ш

а

Ч

и к к о ч

100

-100

г 1 Г"! 1 П п 1 [Ц^ п

\

А м 1 г\ Л

п

У I . [л |

1.5 1.4 1.3 1.2 1.1

1.0

0.6

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

Ш1

ч

г. а 1Лл

V Ч_

1Ш1

л

[МГ

ш

ж***Т

Ж** ЖЖ*

ж

*ж**

*ж»

обм обм

Я

22.00 22.30 23.00 23.30 00.00 00.30

-7.1 -6.6 -6.0 -5.4 -4.8 -4.2

-9.1 -8.6 -8.1 -7.6 -7.0 -6.4

-0.6 -0.8 -1.1 -1.3 -1.5 -1.6

11.6 10.9 10.2 9.4 8.6 7.8

Рис. 3. Внешние условия и распределения (расчетное и модельное) внутреннего плазменного давления. Сверху вниз: ориентация ММП относительно оси ^обм; величина ММП; динамическое давление солнечного ветра; временной профиль внутреннего плазменного давления (измеренного - жирная кривая и модельного - звездочки). а) - 13.Х.1995 г.; б) - 13.III.1996 г.

0

(б)

Мд

а

§ &

э а ^

я О о с а

&

-100

гг,,^--- 1 1

и

-

- Г Г"-^, г Ь

и,. | 1 1 | 1

Ед 5.° 1 1 1 1 ) 1

РЧ МП, 4.5 М IV

4.0 | 1 | 1 41 1 1Г

о

г

о

е о к н ч е а П

с н н

е ч и л, О СМ с,

м е а

а р

нн ие Дл т е я

я

а

д

2.4

2.2

2.0

1.8

1.6

1.4

^обм ^обм

Я

А

обм

18.30 19.00 19.30 20.00 20.30 21.00

2.0 1.8 1.5 1.2 1.0 0.7

10.9 10.3 9.6 8.9 8.2 7.4

0.7 0.5 0.2 -0.1 -0.4 -0.8

11.1 10.4 9.7 9.0 8.2 7.4

Рис. 3. Окончание.

давление определялось только на интервалах, превышающих 2 мин. Особенности эксперимента (вращение спутника вокруг оси, параллельной ли-

нии Земля-Солнце) не позволяли также отслеживать эффекты, связанные с быстрыми спорадическими течениями плазмы в направлении к Земле

0

вдоль оси X (BBF) [27]. Поэтому реальные значения давления в направлении Земля-Солнце могут отличаться от вычисленных в периоды BBF.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

В качестве примеров распределения давления в области перехода от дипольных к вытянутым и квазидипольным магнитным силовым линиям (ОПДВ) в геомагнитном хвосте проанализируем два события: 13.X.1995 г. и 13.III.1996 г. В обоих случаях орбита спутника ИНТЕРБОЛ-1 проходила почти вдоль плазменного слоя и пересекала область ОПДВ с ночной и вечерней стороны соответственно. Это хорошо видно из рисунка 1а, б, где траектории спутника наложены на модельную конфигурацию магнитного поля Цыганенко-96.

Плазменные и магнитные структуры, регистрируемые рядом приборов (рис. 2а, б), позволяют выделить два района:

- собственно плазменный слой - область, где локальное магнитное поле достигает значений порядка десяти нТ и наблюдаются высокие потоки ионов с энергией 10-20 кэВ:

- область входа в кольцевой ток, для которой характерно увеличение локального магнитного поля и ионных потоков с энергией выше 1 МэВ.

Проникновение в зону кольцевого тока хорошо идентифицируется в момент времени 23.45 UT для события 13.X.1995 г. Во втором событии такое разграничение представляется затруднительным - возможно из-за некоторой возмущенности магнитосферы в рассматриваемый период времени (это хорошо заметно по инжекциям энергичных частиц, т.е. по присутствию ряда дисперсионных структур, видных на спектрограмме ДОК-2).

Следует отметить, что в период 21.45-23.05 UT вариации потоков высокоэнергичных ионов (E ~ ~ 1-3 МэВ) возрастают более чем на порядок, что,

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»