КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2007, том 45, № 6, с. 564-572
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ -
УДК 550.38
ТРАНЗИЕНТНЫЕ СВОЙСТВА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СТРУКТУР В ПОГРАНИЧНОЙ ОБЛАСТИ ПЛАЗМЕННОГО СЛОЯ
© 2007 г. М. С. Долгоносое1, Л. М. Зеленый1, Е. Е. Григоренко1, Ж.-А. Сово2
1Институт космических исследований РАН, г. Москва 2Центр изучения космических лучей, Тулуза, Франция Поступила в редакцию 27.03.2007 г.
PACS: 52.50.Gj; 52.65.Cc; 52.70.Nc; 94.30.Bg
Геомагнитный хвост можно рассматривать как громадную природную лабораторию, предоставляющую уникальные возможности для исследования крупномасштабных самосогласованных систем, удерживаемых только лишь магнитными полями собственных токов. Уже первые спутниковые наблюдения показали, что, несмотря на чрезвычайно высокую чувствительность к внешним параметрам (в данном случае к параметрам солнечного ветра и межпланетного магнитного поля), магнитосферный хвост всегда существует, хотя и очень динамичен.
Основное внимание исследователей в прошедшие годы было сфокусировано на изучении трансформации энергии, приходящей из солнечного ветра и попадающей в магнитосферный хвост. В принципе можно выделить два основных типа высвобождения энергии, накопившейся в хвосте магнитосферы: взрывообразным способом, приводящим к глобальной перестройке конфигурации магнитного поля, либо малыми порциями, идущими на локальное ускорение частиц. Результатом одного из таких ускорительных процессов являются пучки ионов с энергиями в диапазоне от сотен эВ до нескольких десятков кэВ, движущиеся вдоль силовых линий магнитного поля Земли в Пограничной области Плазменного Слоя (ППС) [6, 12, 13, 17]. ППС представляет собой сепара-трисный слой между открытыми и закрытыми силовыми линиями магнитного поля Земли, разделяющий при этом принципиально разные области геомагнитного хвоста, внутри которых находится плазма с совершенно разными физическими характеристиками: высокоширотные доли, заполненные чрезвычайно разреженной плазмой (находящейся на открытых силовых линиях), и плазменный слой с горячей и относительно плотной плазмой, находящейся на замкнутых силовых линиях магнитного поля. Измерения, проведенные на спутниках 1МР-7, 8, дали основания полагать, что появление энергичных ионов в ППС связано с развитием суббури [26]. Однако поздние и более детальные экспериментальные данные показали, что высокоэнергичные пучки ионов являются по-
стоянно существующей структурой внутри ППС [8, 21], регистрируемой как в активные, так и в спокойные периоды геомагнитной активности.
Данные спутника АиЯЕОЬ-З [6] показали, что такого рода транзиентные ионные структуры состоят из мелкомасштабных субструктур (как по энергиям, так и по широте наблюдения), названных бимлетами. В ранней работе [22] была предложена модель формирования ускоренных пучков, основанная на неадиабатическом механизме ускорения в скрещенных электромагнитных полях. При таком ускорении частица, попавшая в токовый слой с малой поперечной к слою компонентой магнитного поля Вп, "проворачивается" в слое на половину своей ларморовской орбиты (напоминаем, что движение частицы вблизи слоя уже не подчиняется стандартному приближению ведущего центра), т.е. смещается поперек слоя на расстояние 2рг- (рг- - ларморовский радиус частицы в поле Вп), после чего вылетает из токового слоя. Поскольку в магнитосфере всегда существует поле Еу, направленное с утренней стороны на вечернюю, возникшее за счет движения магнитосферы относительно солнечного ветра, частица при таком смещении приобретает дополнительную энер-
шi 2 шс2(Еу\2 гию АЖ = 2рЕу = = -2-[В] .
Теоретическая модель формирования бимле-тов, представленная в работе [4], описывает динамику ионов как неадиабатическое (в смысле сохранения классического инварианта - магнитного момента частицы ц) ускорение в центре токового слоя под действием приложенного "внешнего" электрического поля. Динамика иона характеризуется приближенным (т.н. квазиадиабатическим)
интегралом движения = дающим воз-
можность приближенно проинтегрировать уравнения движения частицы [7]. Отличительной чертой данного механизма ускорения является объяснение детерминистического хаоса, возникающего
Северная мантия (источник частиц)
N + 1 N N + 2
х-детектор Южная мантия
Рис. 1. Схематичное изображение численной модели. Характерные траектории частиц бимлетов, вылетающих из трех соседних резонансов с номерами N, N + 1, N + 2 получены путем численного интегрирования динамики частиц.
в системе. Хаос возникает из-за скачков инварианта 12 при пересечении токового слоя, что может приводить к захвату частиц в токовом слое и их перемешиванию в фазовом пространстве. Набор энергии такими частицами приводит к их термоли-зации, т.е. увеличению неупорядоченной составляющей полной энергии. Для определенного набора параметров (основным регулирующим параметром здесь является величина компоненты магнитного поля, перпендикулярная токовому слою) возможно существование областей "регулярности". Внутри этих областей происходит компенсация скачков инварианта 12 иона при входе и выходе из токового слоя, что ведет к формированию бимлетов, т.е. почти когерентных высоэнергичных ионных пучков. Таким образом, для бимлетов набор энергии приводит к увеличению не тепловой (хаотической), а направленной компоненты скорости.
Условия ускорения частиц внутри областей "регулярности", а также относительное положение этих областей приводят к дисперсии ионов по скоростям: более высокоскоростные ионы наблюдаются на высокоширотной границе ППС, и по мере движения спутника к экватору энергии ионов уменьшаются. Эта дисперсия, которая носит тем более выраженный характер, чем дальше от точки наблюдения находится источник ускорения ионов, может иметь как временной, так и пространственный характер. Временной характер дисперсии обусловлен времяпролетным эффектом: при одновременной инжекции частиц разных энергий, первыми детектора достигают более энергичные ионы. Пространственный характер дисперсии обусловлен тем,
что по мере движения от источника к детектору, ионы смещаются на более низкие широты вследствие конвекции, направленной к экватору и обусловленной существованием в хвосте электрического поля "утро-вечер". Такой эффект фильтрации ионов по скоростям приводит к тому, что более энергичные ионы наблюдаются преимущественно вблизи высокоширотной границы ППС, в то время как низкоэнергичные ионы наблюдаются уже внутри ППС, ближе к плазменному слою. Обычно, при однократном пересечении высокоширотной границы ППС, практически невозможно разделить временной и пространственные эффекты, и тем самым, судить о реальной длительности наблюдения бимлета [11]. Разделение этих эффектов возможно лишь при многократных пересечениях спутником высокоширотной границы ППС вследствие ее крупномасштабных колебательных движений, получивших в англоязычной литературе название флэппинг (см. например, [9, 15, 18-20]).
Численное моделирование динамики ионов в различных моделях магнитосферы [4, 5, 24] показало, что в результате взаимодействия ионов с токовым слоем образуются две ионные популяции, одну из которых составляют частицы, испытавшие сильное рассеяние и захваченные внутри плазменного слоя, а другую - частицы, испытавшие малое рассеяние за счет компенсации скачков инварианта 12 и движущиеся вдоль силовых линий магнитного поля (рис. 1). Полученные результаты полностью согласуются с предположениями, выдвинутыми в работе [4]. В работе [24] исследовано нелинейное влияние собственных токов бимлетов, переносимых частицами бимле-
та, на процесс ускорения его же частиц. Было показано, что нелинейные эффекты модифицируют тонкую структуру бимлетов, но в целом их форма и относительное положение сохраняются. Результат этой работы может служить основанием для исследования свойств бимлетов в рамках линейной модели, результаты которой представлены в настоящей публикации.
Специфика спутниковых наблюдений, связанная с проблемой разрешения пространственных и временных вариаций наблюдаемых явлений, довольно сложное движение спутника относительно бимлета как пространственно-временной структуры в совокупности с остальными факторами, влияющими на окончательный вид бимлета в точке наблюдения (в частности, местонахождение области "регулярного" ускорения, длительность процесса ускорения, фильтрация по скоростям за время полета частицы от области ускорения до точки наблюдения) - все это в значительной степени осложняет понимание экспериментальных данных. В работах [11, 23] на основе многоточечных измерений выполненных спутниками Cluster, была сделана попытка разделить пространственный и временной эффекты в наблюдении бимлетов. Авторам удалось показать, что бимлет в большинстве случаев представляет собой пространственную структуру, время жизни которой превышает 5-10 мин. Сложное движение границы ПС, часто включающее не только осцилляции, происходящие примерно в направлении север-юг, но и колебательные движения в направлении утро-вечер, которые могут быть вызваны развитием гидродинамических неустойчиво-стей плазменных структур, распространяющихся вдоль границы ППС, приводит к тому, что наблюдения бимлетов, выполненные одним спутником, могут давать заниженную оценку длительности существования бимлета (~2мин) [2]. Этим фактом обусловлено сложившееся раннее, и не вполне правильное, представление о бимлете как о коротко-живущей плазменной структуре.
В настоящей работе мы хотим оценить влияние всех упомянутых выше эффектов (местонахождения областей "регулярного" ускорения, фильтрации по скоростям во время конвективного движения в скрещенных полях, времени полета частицы от области ускорения до точки регистрации) на возможность наблюдения тех или иных дисперсионных структур внутри ППС. В данной работе мы ограничимся рассмотрением только пространственных структур (так называемых VDIS), время жизни которых во много раз превышает время прохождения частицами этих структур расстояния от источника до точки наблюдения.
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НЕАДИАБАТИЧЕСКОГО УСКОРЕНИЯ ИОНОВ В МАГНИТОСФЕРНОМ ХВОСТЕ
Наше исследование основано на численном моделировании динамики ионной
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.