КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, том 42, № 4, с. 323-344
УДК 550.385.36
СТРУКТУРА СУББУРЕВЫХ АКТИВИЗАЦИЙ В ОБЛАСТИ КВАЗИЗАХВАТА
© 2004 г. Л. Л. Лазутин1, Т. В. Козелова2
1 Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ 2 Полярный геофизический институт КНЦ РАН, г. Апатиты Поступила в редакцию 09.06.2003 г.
На основании большого числа измерений магнитного поля и энергичных частиц на спутнике СЯЯЕ8 и наземных данных дается описание тонкой структуры первых нескольких минут взрывной активизации суббури. Главный результат заключается в обнаружении неизвестного ранее и невидимого с Земли в полярных сияниях быстрого возрастания потока энергичных ионов перед самым началом суббуревой диполизации магнитного поля. Высказывается предположение, что появление избыточного потока энергичных ионов триггирует локальную взрывную суббуревую активизацию. Предложена модель токового меандра, объясняющая генерацию индукционного электрического поля, токового клина и других эффектов взрывного начала суббури.
1. ВВЕДЕНИЕ
Основная последовательность событий магни-тосферной суббури установлена и описана во многих работах (см. например, [1-8]). Определены зоны развития возмущения в проекции на ионосферу, разработаны модели суббури в хвосте магнитосферы [9, 10] и в зоне квазизахвата [11-15].
Вместе с тем, один из основных процессов суббури - взрывное начало активизации - изучен недостаточно. Проблема в том, что чаще всего доступно разрешение порядка минуты и при длительности процесса в несколько минут выявить его детальную структуру невозможно.
Одним из немногих хорошо оснащенных спутников с телеметрией, позволяющей получить секундное разрешение и траекторией в зоне квазизахвата, был спутник СЯЯЕЗ. Несколько работ, раскрывающих тонкую структуру суббуревых процессов выполнено по измерениям на этом спутнике [16-20]. Настоящая работа является продолжением и обобщением предыдущих работ авторов [21-27]. На основании большого числа измерений магнитного поля [28] и энергичных частиц системой детекторов БРАБ [29] на спутнике СЯЯЕ8, а также наземных данных, дается описание тонкой структуры взрывной активизации, первых нескольких минут фазы экспансии суббури. Главный результат заключается в обнаружении неизвестного ранее и невидимого с Земли быстрого возрастания потока энергичных ионов (протонов) перед самым началом суббуревой диполизации магнитного поля и, по всей вероятности, триггирующего взрывную неустойчивость суббури.
Возрастания авроральных электронов и протонов, известные как инжекции частиц, являются одним из основных элементов взрывной неустой-
чивости суббури. Начиная с первых работ Мак-Илвайна [30] по определению положения границ инжекции было ясно, что они расположены на замкнутых оболочках в зоне захвата или квазизахвата. В процессе ускорения часть энергичных электронов тут же высыпается в атмосферу; генерируемые при этом всплески тормозного рентгеновского излучения регистрировались неоднократно на аэростатах одновременно и в том же месте, что и брейкап полярного сияния [31, 32]. Одновременно наблюдаются пульсации Р12, магнитные бухты и многие другие проявления внезапного начала взрывной фазы суббури. Известно, что регистрируемые на спутниках в геостационарной области бездисперсные инжекции энергичных частиц однозначно связаны с началом суббури в авроральной зоне [24, 33]. Изучая характеристики инжекций, мы можем надеяться выявить механизмы развития взрывной неустойчивости суббури. Одновременность инжекций электронов и протонов можно декларировать только при существенном усреднении данных, но если доступно секундное разрешение, выясняется, что имеется тонкая структура возрастания, со сложной зависимостью временной структуры всплесков от знака и энергии частиц, от питч-углового распределения и положения спутника относительно центра взрывной неустойчивости. Тонкая структура инжекций изучена недостаточно для понимания процессов, приводящих к взрывной неустойчивости суббури, хотя некоторые успехи в этом направлении имеются. Так, в [34] авторы заметили, что перед началом взрывной фазы и диполизаци-ей магнитного поля наблюдается вытягивание силовых линий в хвост магнитосферы, так же, как на подготовительной фазе, только быстрее и резче. Они назвали этот эффект "взрывной подгото-
вительной фазой" (Explosive Growth Phase). Позже было показано, что EGP наблюдается после начала глобальной взрывной фазы, но когда экспансия еще не дошла до точки наблюдения. Так что EGP следует относить к локальным эффектам подготовки повторных активизаций. В работах [18, 21], опиравшихся на измерения частиц и магнитного поля на спутнике CRRES, было показано, что такое вытягивание силовых линий вызывается появлением повышенного потока энергичных ионов с энергией в десятки и сотни кэВ.
Существующие теории суббурь во внутренней магнитосфере, на замкнутых квазидипольных силовых линиях, отводят энергичным ионам значительную, ведущую роль. В работах [11-13] начало суббури связывается с разрывом направленного на вечер дрейфового тока, текущего вблизи плоскости экватора на ближней к Земле границе плазменного слоя. Носителем этого тока являются преимущественно энергичные ионы, и их распределение и динамика определяют устойчивость или приближающуюся неустойчивость в данной области ночной магнитосферы. Баллонная неустойчивость и ее модификации [14, 15] также критически зависят от интенсивности и геометрии потоков захваченных или квазизахваченных ионов плазменного слоя и радиационного пояса. Плотность энергии ионов часто превышает плотность энергии магнитного поля, что создает благоприятные условия для развития неустойчивости. Вместе с тем, в поведении потоков ионов во время возмущений еще много неясного.
И в теоретических, и в экспериментальных исследованиях рассматривается глобальное, крупномасштабное развитие суббури. Вместе с тем, суббуревая экспансия складывается из отдельных, следующих одна за другой локализованных активизаций. Активность развивается быстро, значительные изменения происходят за несколько секунд. В принципе, телевизионные записи полярных сияний позволяют подробно проследить развитие брейкапа, однако анализ записей показывает, что сценариев разгона активных сияний довольно много [35, 36]. Напрашивается предположение о наличии важного агента, присутствия которого в картине полярного сияния мы не видим. Таким агентом скорее всего служат потоки энергичных ионов, возрастания которых, как будет показано ниже, наблюдаются раньше начала диполизации, и ускорение которых происходит преимущественно в плоскости экватора. В результате этот процесс не отражается в динамике частиц в конусе потерь или вблизи конуса потерь и не виден в сияниях и на низковысотных спутниках.
Поэтому необходимо обращаться к измерениям в плоскости экватора, причем необходимо секундное временное разрешение. Следует заметить, что взрывная фаза начинается в ограничен-
ной области, и вероятность того, что наш спутник находится именно в этой области, мала. Чаще всего спутник оказывается в зоне экспансии возмущения в одной из активизаций, задержанных по отношению к началу суббури. Правда, нет оснований полагать, что повторные активизации на пути экспансии возмущения значительно отличаются от "главной" первоначальной активизации. По характеру последствий - ускорение частиц, диполизация магнитного поля (и вновь ускорение частиц) - они идентичны, поэтому разобраться в тонкой структуре того, как очередная активизация готовится и развивается - значит сделать шаг к пониманию механизма взрывной неустойчивости суббури.
В этой работе мы рассматриваем детально временную структуру потоков ионов за несколько минут до и несколько минут после локального начала инжекции электронов и диполизации магнитного поля с упором на временные характеристики, энергетический спектр и питч-угловое распределение протонов (ионов). Особенное внимание обращается на возрастания ионов с быстрым (несколько секунд) ростом интенсивности, которые меняют локальную структуру магнитного поля и, возможно, являются первым триггирую-щим элементом взрывной активизации.
2. ИЗМЕРЕНИЯ
В работе рассмотрены измерения энергичных частиц и магнитного поля в шести пролетах спутника CRRES в ночном секторе возмущенной авро-ральной магнитосферы. Практически по всем рассматриваемым суббурям уже были публикации с использованием наземных наблюдений и данных CRRES, что освобождает нас от необходимости проводить подробные описания суббуревой активности. Отличие нашего анализа заключается в том, что мы используем максимально возможное разрешение детекторов частиц, 1-2 с. Данные по магнитному полю имеют период усреднения 2 с.
В табл. 1 приведены энергетические пороги дифференциальных каналов детектора EPAS, используемых в данной работе. Детектор положительно заряженных частиц измеряет протоны и более тяжелые ядра, поэтому, представляя экспериментальные данные, мы, соблюдая корректность, говорим - ионы. При обсуждении результатов, учитывая значительное преимущество протонов в потоке заряженных частиц, мы можем говорить об ускорении или инжекции протонов, как это принято в литературе.
2.1. Орбита 445, 24.1.1991 г. На рис. 1 представлены графики вариации H-составля-ющей магнитного поля на нескольких магнитных станциях авроральной зоны. Можно выделить четыре интенсификации суббури и соответствующие отрицательные бухты: слабая в 16.50-16.55 UT, далее
Таблица 1. Энергетические каналы детекторов ЕРЛБ спутника СЯЯЕБ
Канал № 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Электроны, кэВ 21.5-31.5 31.5-40 40-49.5 49.5-59 59-69 69-81 81-94.5 94.5-112 112-129.5 129.5-151
Протоны, кэВ 37-54 54-69 69-85 85-113 113-147 147-193 193-254 254-335 335-447 447-602
следуют одна за другой наиболее сильные бухты с началами в ~17.02 ИТ и в ~17.05 иТ (их можно было бы считать двумя ступенями одного возмущения, однако, по данным Диксона, отчетливо видно, что это две разные активизации). Четвертая бухта наблюдается в 17.09-17.14 ИТ.
На рис. 2 приведены графики изменения потока частиц и ^-компоненты магнитного поля, измеренные ИСЗ СЯЯЕ8 на этом этапе экспансии су
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.