научная статья по теме СРАВНЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ПЛАЗМЫ В ЭКВАТОРИАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ И НА МАЛЫХ ВЫСОТАХ В МАГНИТОСПОКОЙНЫХ УСЛОВИЯХ Геофизика

Текст научной статьи на тему «СРАВНЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ПЛАЗМЫ В ЭКВАТОРИАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ И НА МАЛЫХ ВЫСОТАХ В МАГНИТОСПОКОЙНЫХ УСЛОВИЯХ»

ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 3, с. 300-303

УДК 550.383

СРАВНЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ПЛАЗМЫ В ЭКВАТОРИАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ И НА МАЛЫХ ВЫСОТАХ

В МАГНИТОСПОКОЙНЫХ УСЛОВИЯХ © 2014 г. Е. Е. Антонова12, В. Г. Воробьев3, И. П. Кирпичев2, О. И. Ягодкина3

Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, г. Москва

2Институт космических исследований РАН, г. Москва 3Полярный Геофизический институт КНЦ РАН, г. Апатиты (Мурманская обл.) e-mails: antonova@orearm.msk.ru, vorobjev@pgia.ru Поступила в редакцию 25.12.2013 г.

Проведено сравнение распределения давления плазмы в экваториальной плоскости с давлением плазмы и распределением границ электронных высыпаний на малых высотах при низком уровне геомагнитной активности. Давление в экваториальной плоскости определялось по данным измерений пятиспутниковой международной миссии THEMIS, давление на малых высотах по данным спутников DMSP. Учтены изотропия давления в экваториальной плоскости и соблюдение условия магнитостатического равновесия при низком уровне геомагнитной активности. Давление плазмы в таких условиях постоянно вдоль магнитной силовой линии и может рассматриваться в качестве "естественного маркера" линии магнитного поля. Показано, что основным источником высыпаний аврорального овала является плазменное кольцо окружающее Землю на геоцентрических расстояниях от ~6 до ~10—12^£.

DOI: 10.7868/S001679401403002X

1. ВВЕДЕНИЕ

Результаты исследования распределения плазмы вблизи экваториальной плоскости на геоцентрических расстояниях до 8.8RE а спутнике AMPTE/CCE [DeMichelis et al., 1997] и на спутниках миссии THEMIS [Кирпичев и Антонова, 2011; Antonova et al., 2013, 2014] на геоцентрических расстояниях до 15RE показали, что давление плазмы близко к изотропному и азимутально симметричному на геоцентрических расстояниях от ~6RE до ~10—12RE. Плазменная структура, окружающая Землю на геоцентрических расстояниях от ~6Re до ~10—12RE, имеет вид кольца. Поперечные токи в кольце замкнуты внутри магнитосферы и являются высокоширотным продолжением кольцевого тока (разрезной кольцевой ток — CRC (cut ring current)). CRC поддерживается направленными к Земле градиентами давления плазмы. Он отличается от традиционного кольцевого тока локализацией дневных поперечных токов. Эти токи не сконцентрированы вблизи экваториальной плоскости. Они размазаны по силовой линии магнитного поля [Antonova et al., 2009a, b; Кирпичев и Антонова, 2014].

Существование CRC токовой системы, не учитывавшейся в разработанных моделях магнитного поля с фиксированной геометрией токовых систем, ставит проблему проецирования аврораль-

ных областей на экваториальную плоскость (точнее, на поверхность минимальных значений магнитного поля на магнитной силовой линии), так как традиционное проецирование с использованием моделей магнитного поля может приводить к существенным ошибкам. Однако в условиях магнитостатического равновесия давление плазмы P постоянно на магнитной силовой линии, так как при изотропии давления [jB] = VP, где j — плотность тока, B — магнитное поле. Поэтому сравнивая распределение давления на больших и малых высотах можно осуществлять проецирование экваториальных областей на ионосферу и ионосферных областей на экваториальную плоскость.

Распределение давления на малых высотах было получено в работах [Wing and Newell, 1998; Wing et al., 2013] по результатам измерений на спутниках DMSP. Распределение давления на малых высотах проецировалось в работе [Wing and Newell, 1998] на экваториальную плоскость с использованием модели Цыганенко-1989. Распределение давления на высотах DMSP во время различных фаз магнитосферной суббури было получено в работе [Wing et al., 2013]. Однако не было проведено сравнение электронных высыпаний с распределением давления.

Статистическая обработка и анализ результатов наблюдений на спутниках DMSP F6 и F7 привели

СРАВНЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ПЛАЗМЫ

YSM> re

301

15

xsm> re

Рис. 1. Распределение давления плазмы в экваториальной плоскости по данным миссии THEMIS в магнитоспокой-ных условиях при динамическом давлении солнечного ветра Pdin = 1.8 ± 02 нПа, IMF Bz = 0.2 нТл, By = 0 нТл, \Dst[ > > 5 нТл, \AE < 200 нТл.

к созданию интерактивной модели авроральных высыпаний (APM — Auroral Precipitation Model) размещенной по адресу http://apm.pgia.ru/. В ходе моделирования по характеристикам авроральных частиц были выделены три зоны высыпаний: AOP (auroral oval precipitation) — структурированные высыпания аврорального овала, DAZ (diffuse auroral zone) — зона диффузных авроральных высыпаний экваториальнее АОР и SDP (soft diffuse precipitation) — зона мягких диффузных высыпаний к полюсу от АОР. Подробное описание модели можно найти в работах [Воробьев и Ягодкина, 2005; Vorobjev et al., 2013]. Картина ионных высыпаний анализировалась в работе [Воробьев и Ягодкина, 2014], где было также проведено сравнение электронных и ионных высыпаний. Однако распределение давления не было исследовано.

В настоящей работе проведено сравнение положения границ областей электронных высыпаний с распределением давления, полученным по данным DMSP F6 и F7 за 1986 г. в магнитоспокойных условиях. Давление на малых высотах сравнивается с распределением давления в экваториальной плоскости, полученным по данным миссии THEMIS, с целью идентификации положения источников авроральных высыпаний различного типа.

2. СРАВНЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ В ЭКВАТОРИАЛЬНОЙ

ПЛОСКОСТИ И НА МАЛЫХ ВЫСОТАХ

Распределение давления в экваториальной плоскости, полученное по данным миссии THEMIS за период с апреля 2007 по сентябрь 2012 г. при динамическом давлении солнечного ветра Pdin = 1.8 ± 02 нПа, IMF Bz = 0.2 нТл, By = = 0 нТл, \Dst\ > 5 нТл, |AE| < 200 нТл показано на рис. 1 оттенками серого цвета. При получении распределения давления использовалась цилиндрическая система координат (R, ф, Z), где R — геоцентрическое расстояние, ф — азимутальный угол, Z — расстояние от экваториальной плоскости. Отбирались участки орбит при —0.5RE < Z < 0.5R^ солнечно-магнитосферной системы координат. Давление плазмы восстанавливалось по измеренным спектрам частиц [Antonova et al., 2013, 2014]. На рисунке 1 нанесены также изолинии P = const. Вблизи геостационарной орбиты P ~ 1 нПа и уменьшается до ~0.2 нПа на геоцентрических расстояниях, превышающих 13RE. Данное распределение хорошо согласуется с распределением давления на геоцентрических расстояниях >10Re в ночные часы в магнитоспокойных условиях в модели [Tsyganenko and Mukai, 2003].

Планетарное распределение давления ионов в диапазоне энергий 0.3—30 кэВ на высоте ионосферы (~110 км) полученное по данным спутни-

302

АНТОНОВА и др.

00

Рис. 2. Распределение давления ионов на малых высотах и границы электронных высыпаний в соответствии с моделью APM [Vorobjev et al., 2013] при AL = —200 нТл, Dst = —5 нТл. Штриховой линией показаны границы DAZ и SDP, пунктиром — границы AOP.

ков DMSP F6 и F7 за 1986 г. при AL = -200 нТл, Dst = —5 нТл иллюстрирует рис. 2. Величина давления в оттенках серого цвета показана на вертикальной шкале в правой части рисунка. Штриховыми линиями отмечены границы DAZ и полярная граница SDP, пунктирными — границы AOP. Из рисунка 2 следует, что давление плазмы не превышает -0.2 нПа только в DAZ и SDP. В AOP давление плазмы больше -0.2 нПа. Давление растет с уменьшением широты и составляет -1 нПа на экваториальном крае этой области. Проведенный ранее анализ свидетельствует об анизотропии давления в DAZ, поэтому в данной области не выполняется условие постоянства давления вдоль магнитной силовой линии. Сравнение с рис. 1 свидетельствует о возможности проецирования DAZ на геоцентрические расстояния, не превышающие -6RE. Давление в AOP близко к изотропному и хорошо соответствует распределению давления в окружающем Землю плазменном кольце на геоцентрическом расстоянии не превышающем - 12RE. Показанное на рис. 1 давление является суммой давления ионов и электронов, поэтому показанное на рис. 2 давление ионов несколько (примерно на 15%) меньше полного давления. Необходимо также принять во внимание существование продольных падений потенциала в областях вытекающего продольного тока. Такие продольные падения потенциала увеличивают энергию магнитосферных электронов и их потоки, формируя спокойные авроральные дуги. Они также уменьшают потоки магнитосферных ионов, поэтому вычисленное давление на малых высотах в AOP может быть меньше давления в экваториальной плоскости. Давление плазмы в SDP меньше 0.2 нПа.

Окружающее Землю плазменное кольцо в ночные часы непрерывно переходит в плазменный слой. Характерной особенностью усредненного распределения давления в хвосте является существование баланса магнитного давления в долях хвоста и в центре плазменного слоя [Baumjohann et al., 1990; Petrukovich et al., 1999]. При типичном магнитном поле в долях хвоста в 20 нТл, давление в центре слоя составляет 0.16 нПа. Среднее давление в хвосте в соответствии с [Tsyga-nenko and Mukai, 2003] равно 0.229 нПа. При этом хвостовой считалась вся область при X < — 10RE, часть которой в соответствии с работой [Antonova et al., 2013, 2014] принадлежит окружающему Землю плазменному кольцу. Таким образом, практически вся AOP должна проецироваться на окружающее Землю плазменное кольцо, а не на собственно плазменный слой.

3. ВЫВОДЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Проведенное сравнение давлений плазмы на малых и больших высотах показало что:

1. большая часть авроральных высыпаний должна проецироваться на значительно меньшие геоцентрические расстояния, чем собственно плазменный слой;

2. AOP проецируется на окружающее Землю плазменное кольцо, что хорошо объясняет кольцевую форму аврорального овала, зафиксированную еще в момент открытия аврорального овала;

3. область мягких диффузных высыпаний (SDP) к полюсу от аврорального овала может проецироваться на плазменный слой.

Необходимо отметить, что ранее ночная часть рассматриваемой кольцевой плазменной струк-

СРАВНЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ПЛАЗМЫ

303

туры идентифицировалась

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