КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2008, том 46, № 5, с. 387-397
УДК:550.383
ТУРБУЛЕНТНЫЕ ФЛУКТУАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ И МАГНИТНОГО ПОЛЯ В МАГНИТОСЛОЕ И ФОРМИРОВАНИЕ НИЗКОШИРОТНОГО ПОГРАНСЛОЯ: МНОГОСПУТНИКОВЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ 2 МАРТА 1996 Г.
© 2008 г. С. С. Россоленко1' 2, Е. Е. Антонова1' 2, Ю. И. Ермолаев2, М. И. Веригин2,
И. П. Кирпичев2, Н. Л. Бородкова2
1 Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В.Скобельцына, МГУ 2Институт космических исследований РАН, г. Москва sv_ross@mail.ru Поступила в редакцию 21.05.2007 г.
Приведены результаты одновременного анализа характеристик плазмы и магнитного поля на спутниках ИНТЕРБОЛ/Хвостовой зонд, WIND и Geotail 2.III.1996 года. Во время изучаемых наблюдений ИНТЕРБОЛ/Хвостовой зонд пересекал низкоширотный погранслой, спутник WIND измерял параметры солнечного ветра, а спутник Geotail параметры магнитослоя. Проведено сравнение характеристик плазмы и магнитного поля в данных областях. Анализируются показания приборов Коралл, Электрон и МИФ на спутнике ИНТЕРБОЛ/Хвостовой зонд. Сравниваются флуктуации компонент магнитного поля и скорости плазмы в солнечном ветре и магнитослое по измерениям на спутниках WIND и Geotail. Проводится анализ причин, приводящих к возникновению струйных течений плазмы в низкоширотном погранслое. Показано, что амплитуда флуктуаций магнитного поля в магнитослое для исследуемого пересечения границы магнитосферы превышает значение магнитного поля под магнитопаузой вблизи каспа. Обсуждается возможность локального нарушения баланса давления на магнитопаузе и проникновения плазмы магнитослоя внутрь магнитосферы в результате флуктуаций магнитного поля и потока плазмы в магнитослое.
PACS: 94.30.ch; 94.30cj
ВВЕДЕНИЕ
Низкоширотным пограничным слоем (ЬЬВЬ) называют область, на низких широтах прилегающую к магнитопаузе. ЬЬВЬ образуется в результате проникновения плазмы магнитослоя внутрь магнитосферы. При этом происходит перемешивание холодной сравнительно плотной плазмы солнечного ветра с горячей магнитосферной плазмой. Гидродинамические характеристики плазмы ЬЬВЬ (плотность, температура, скорость) имеют значения, промежуточные между магни-тосферными значениями и значениями в магнитослое. Низкоширотный погранслой является сравнительно плохо изученной областью магнитосферы. Многие проблемы, связанные со структурой и особенностями формирования ЬЬВЬ остаются пока нерешенными (см. [4, 8, 10, 25, 38]). Так, например, в работах [18, 25] приведены аргументы в пользу существования ЬЬВЬ на замкнутых магнитных силовых линиях, а в работе [21] обосновывается существование ЬЬВЬ на разомкнутых магнитных силовых линиях.
Толщина ЬЬВЬ зависит от ориентации межпланетного магнитного поля (ММП). При южной ориентации ММП формируется тонкий низкоши-
ротный погранслой, при северной - толстый [19, 20, 22]. При длительной северной ориентации ММП [9] в ЬЬВЬ почти всегда присутствуют двунаправленные потоки электронов с энергиями порядка нескольких сотен эВ, которые больше характерных энергий электронов магнитослоя.
Проникновение плазмы магнитослоя внутрь магнитосферы приводит к заполнению магнитосферы частицами солнечного ветра и, вероятно, может существенно влиять на геомагнитную обстановку. Поэтому вопрос о формировании ЬЬВЬ может рассматриваться в качестве важной части исследований по программам космической погоды. Решение данной проблемы требует проведения подробного анализа данных экспериментальных наблюдений и разработки новых теоретических подходов.
В работах [7, 15-17, 36, 37] показано, что плазма магнитослоя проникает внутрь магнитосферы вблизи полярных каспов. Как правило, в областях проникновения плазмы удается наблюдать ряд эффектов, характерных для магнитного пересоединения. Поэтому, магнитное пересоединение обычно считается доминирующим процессом формирования ЬЬВЬ [8, 25, 37, 38]. Однако не ис-
а) Ударная волна
У
/ ' / Магнит опауза N \
/ \ ^
/ / г \ \ V
/ ( \ и
У \ ) 1
\ \ А j
> у /
\ х— у /
\ Geotail
N ¥
ИНТЕРБОЛ \
б)
Ударная волна
---------
Geotail ИНТЕРБОЛ
1
Магнитопауза 1 1 1
30
60
90 6, град
Рис. 1. Координаты спутников и схема магнитопаузы и ударной волны: а) в координатной системе: часовые углы - относительные расстояния; б) зависимость относительных расстояний от "зенитного угла".
ключаются такие процессы, как диффузия плазмы [14, 28, 29, 34] (особенно при северной ориентации ММП).
В ходе анализа процессов формирования ЬЬБЬ обычно сравниваются результаты измерений в солнечном ветре и в низкоширотном по-гранслое. Однако параметры солнечного ветра сильно модифицируются после пересечения околоземной ударной волны. Магнитослой является сильно турбулизованной областью [2, 4, 24, 28, 30, 31, 33], в которой флуктуации магнитного поля и потоков частиц намного превышают флуктуации параметров солнечного ветра. Поэтому большой интерес представляет сравнение характеристик магнитного поля и потоков плазмы в ЬЬБЬ и маг-нитослое.
В настоящей работе проводится анализ результатов одновременных наблюдений характеристик ЬЬБЬ, измеренных на спутнике ИНТЕР-БОЛ1Хвостовой зонд в диапазоне энергий ионов до 25 кэВ и электронов до 26 кэВ, что дает воз-
можность анализировать процессы перемешивания плазмы магнитослоя и магнитосферы. Анализируются характеристики солнечного ветра, измеренные на спутнике WIND и характеристики магнитослоя по результатам измерений на спутнике Geotail 2.III.1996 г. Интерес к анализу измерений связан с положением спутников ИНТЕР-БОЛ1 Хвостовой зонд и Geotail на одном и том же(вечернем) фланге. В ходе анализа будет показано, что проанализированные результаты наблюдений могут быть использованы для создания новой модели проникновения плазмы внутрь магнитосферы.
РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ
Изучение характеристик ЬЬБЬ относится к приоритетным задачам проекта ИНТЕРБОЛ. Результаты наблюдений с использованием прибора СКА-1 с высоким пространственным и временным разрешением (см. [36]) позволили изучить динамику струй плазмы магнитослоя, проникших в ЬЬБЬ в диапазоне энергий ионов до 5 кэВ. Однако, характерная энергия ионов плазменного слоя магнитосферы Земли, как правило, превышает 5 кэВ, что затрудняет использование прибора СКА-1 для изучения процессов перемешивания плазмы магнитослоя и магнитосферы. Поэтому в данном исследовании были использованы данные приборов Коралл [42], измерявшего потоки ионов в диапазоне от 0.05 до 25 кэВ, прибора Электрон [27], измерявшего потоки электронов в диапазоне энергий от 10 эВ до 26 кэВ, и прибора МИФ [12], измерявшего магнитное поле. Параметры плазмы, такие как плотность и температура ионов, вычислялись на основе измерений прибора Коралл. В работе используется универсальное время (ИТ).
Разработанные модели положения магнитопаузы и ударной волны (см. [32, 39-41] и ссылки в данных работах) позволяют проводить предварительный отбор интервалов времени, при которых один из спутников проводит измерения в ЬЬБЬ, а другой находится в магнитослое на том же фланге магнитосферы. Для анализа в данной работе был выбран временной интервал от 03 до 05 2.111.1996 года, так как при этом проводились одновременные измерения на трех спутниках практически вдоль по потоку течения плазмы солнечного ветра. На рисунке 1 представлены траектории движения спутников Ово1аИ и ИНТЕРБОЛ/Хвостовой зонд в системе координат магнитослой - межпланетная среда, разработанной в работе [41] и жестко связанной с магнитопаузой и ударной волной. В этой системе координат ось Х антипараллельна скоро-
0
сти солнечного ветра V, взятого в системе координат движущейся вместе с Землей:
e x =
(1)
= (-V* -(Уу + УЕ), -У2)ЦУ2Х + (+ УЕ)2+ У22,
где Ух, УУ, Уг - компоненты скорости V в системе координат вББ, УЕ = 29,8км/с - орбитальная скорость Земли. Ось У определяется компонентами вектора напряженности межпланетного магнитного поля В в системе вББ, ось Ъ перпендикулярна плоскости, в которой лежат оси X и У:
Г -В + (В, е *) е * /| В - (В, е *) е X, (В, е *) > 0, = 1 (2) [+В - (В, ех)ех/ В - (В, е*)еX, (В, е*) < 0.
ez = e x х e
Y■
(3)
В системе координат магнитослой - межпланетная среда используются "зенитный" угол ф и "часовой" угол ф.
$ = arccos ((г, eX)/r), Ф = arctg ((г, ez)/(г, eY)),
(4)
где r - произвольный вектор в системе координат GSE.
Вводится также относительное расстояние F от модельной магнитопаузы. В любой момент времени F = 0 на магнитопаузе, рассчитанной по модели, описанной в работе [32], и F = 1 на ударной волне, для расчета которой использовалась модель [39, 40]. На рисунке 1а траектории изображены в зависимости от "часового" угла с удалением от Земли в виде относительных расстояний F. По оси Х графика 16 отложены "зенитные" углы, по оси Y - расстояния от модельной магнитопаузы. Точки траекторий для рассматриваемого интервала времени построены с 10-минутным усреднением. Из обоих рисунков следует, что Geotail пересекал ударную волну и находился в области магнитослоя, а ИНТЕРБОЛ/Хвостовой зонд - пересекал магнитопаузу на том же фланге системы магнитосфера-магнитослой-ударная волна во время рассматриваемого временного интервала. Модели [32, 39, 40] дают только усредненные положения ударной волны и магнитопаузы. Реальное положение спутников относительно ударной волны и магнитопаузы определялось при анализе параметров плазмы и магнитного поля, измеренных непосредственно на спутниках.
На рис. 2 представлены результаты наблюдений на спутнике ИНТЕРБОЛ/Хвостовой зонд в системе отсчета GSM. На первой панели (сверху вниз) показаны результаты измерений магнитного поля прибором МИФ, на второй панели - спектрограмма электронов по данным прибора Электрон. Третья и четвертая панели демонстрируют
гидродинамические параметры плазмы: ионную концентрацию и температуру. На самой нижней пятой панели показана спектрограмма ионов по данным прибора Коралл для канала, измерявшего ионы под углом б5° к линии Земля-Солнце. Серая цветовая палитра спектрограмм, как показано на шкале справа, составлена в соответствии с логарифмом измеренной скорости счета. В нижней части рисунка указаны координаты спутника в системе отсчета
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.