Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Физико-математические науки
Гелиофизика и физика солнечной системы

Диссертационная работа:

Апатенков Сергей Вячеславович. Нестационарные токовые системы в магнитосфере Земли : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 01.03.03 / Апатенков Сергей Вячеславович; [Место защиты: ГОУВПО "Санкт-Петербургский государственный университет"].- Санкт-Петербург, 2009.- 95 с.: ил.

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 5

1 Нестационарные токовые системы и среднемасштабные
динамические явления в магнитосфере-ионосфере Земли 19

  1. Основные магнитосферные и ионосферные токовые системы. Развитие суббури 19

  2. Струйные плазменные потоки (BBF). Модели плазменных пузырей. Ионосферные проявления 23

  3. Инжекции энергичных частиц, их распростанение и модели формирования 29

  4. Токовый слой хвоста магнитосферы и границы в магнито-сферной плазме 34

  5. Система Cluster и ее возможности 35

2 Исследование токового слоя в хвосте магнитосферы. 37

  1. Одномерные разрывы и методы их исследования 37

  2. База данных napping колебаний токового слоя хвоста магнитосферы и результаты исследований системой Cluster. . 43

2.3 Апробация метода MVA в сравнении с многоспутниковыми

методами для определения ориентации токового слоя. ... 47

3 Инжекции энергичных частиц 52

  1. Инжекции 23/04/2004 и их связь с магнитной диполяриза-цией 53

  2. Радиальное распространение инжекции 58

  3. Структура электромагнитного поля в окрестности фронта инжекции 63

  4. Связь инжекции с сияниями 64

  5. Ускорение частиц в долготном секторе инжекции 66

  6. Обсуждение результатов Главы 3 70

4 Плазменные границы во внутренней магнитосфере. 72

  1. Описание наблюдений в событии 16/12/2003 73

  2. Наблюдения магнитного и электрического полей, ориентация и движение границы 78

  3. Проекции в магнитном поле и явления в сопряженной области 82

  4. Наземные наблюдения сети магнитометров IMAGE, динамика границы 84

  5. Сводка результатов и наблюдений в событии 16/12/2003 и

ее обсуждение 89

5 Статистическое исследование быстроменяющихся интен
сивных ионосферных токовых систем.
94

  1. Введение 95

  2. Методика количественной характеризации ионосферных эквивалентных токов наблюдаемых сетью магнитометров IMAGE. 97

  3. Результаты статистического иссследования 104

  1. Примеры событий с наибольшими значениями производной dB/dt, наблюдаемых сетью магнитометров IMAGE в 1996-2000 г, и их характеристики. . . 104

  2. Сравнение относительных вкладов от одномерных

и двумерных токовых систем 108

  1. Суточные и широтные распределения событий со значительными вариациями dB/dt 110

  2. События 17.04.99 и 22.10.99 с наибольшими значениями dB/dt 114

5.4 Заключение к главе 5 116

Основные результаты диссертации. 118

Литература 120

Приложения 130

Приложение 1 130

Введение к работе:

В магнитосфере Земли, помимо основных и устойчивых крупномасштабных токовых систем, таких как токи магнитопаузы, хвоста, кольцевого тока, существуют динамические среднемасштабные образования. Примерами таких образований с продолжительностью порядка 1-10 минут и размерами порядка 1 земного радиуса (Re) в магнитосфере являются инжекции энергичных частиц, струйные течения в плазменном слое (BBF, bursty bulk flow), авроральные омега-структуры, локализованные интенсивные продольные токи различного происхождения и ряд других явлений. Несмотря на небольшие временные и пространственные масштабы, среднемасштабные объекты играют существенную роль в перераспределении энергии и магнитного потока, ускорении частиц, создают значительные изменения магнитной конфигурации, поэтому эти объекты представляют особый интерес с точки зрения физики космической плазмы. С другой стороны, среднемасштабные объекты -это как раз тот класс явлений, теоретическая интрепретация которых может быть проверена как экспериментально (с помощью систем спутников типа Cluster или Themis), так и в компьютерном МГД моделировании, что в общем является не частой возможностью в космической плазме. Ранее исследование среднемасштабных явлений было затруднительным из-за неоднозначности в разделении временных и пространственных вариаций по измерениям на отдельных спутниках. С запуском многоспутниковой системы Cluster появились новые возможности исследований, некоторые из которых реализованы в данной работе.

В диссертации на основе спутниковых и наземных измерений исследован экспериментально ряд среднемасштабных магнитосферных объектов и токовых структур, связанных с ними. Помимо описания новых объектов и новых свойств, полученные нами результаты позволяют сделать предположения о тесной взаимосвязи ряда магнитосферных явлений, которые ранее рассматривались как независимые физические процессы.

Актуальность темы.

Одним из фундаментальных свойств магнитосферы, как плазменного объекта, является возможность медленного накопления и взрывообразного преобразования энергии. Энергия солнечного ветра накапливается в долях хвоста в виде магнитной энергии, а затем преобразовывается в тепловую энергию плазмы. Это преобразование происходит импульсным образом, причем интен-

сивности импульсов, временные интервалы между ними, пространственные размеры, длительности импульсов и, соответственно, количество пребразо-ванной энергии могут меняться в значительных пределах. Наиболее известным и значимым явлением является магнитосферная суббуря, взрывообраз-ное выделение энергии (10—10 Вт) в течение нескольких минут - десятков минут.

Преобразование накопленной энергии происходит в плазменном слое с током направленным с утренней на вечернюю сторону, разделяющим антипараллельные магнитные поля северной и южной долей хвоста магнитосферы. Исследования подобных объектов, токового слоя и тонких границ, разделяющих плазмы с различными параметрами, важны для понимания процессов, приводящих к разрушению тока, магнитному пересоединению и суббурям, либо наоборот, процессов, создающих и поддерживающих устойчивость тонких образований. С запуском четырехспутниковой системы Cluster появились новые возможности исследований токовых слоев. Одно из слабоизученных явлений, которого будет исследовано в данной работе, - это колебания токового слоя, называемые flapping, ранее известные только по данным одиночных спутников.

Для выполнения исследований токовых систем или плазменных структур важна также и методологическая сторона. С запуском системы Cluster стали доступны новые многоспутниковые методы, основанные на анализе временных запаздываний (таймирование), определении пространственных градиентов и другие. Важным этапом является исследование применимости новых методов, их тестирование, а также проверка известных ранее односпутнико-вых методов в сравнении с независимыми новыми. В нашем случае мы исследуем точность метода анализа минимальной вариации (MVA) в применении к токовому слою хвоста магнитосферы и опишем результаты статистического исследования параметров быстроколеблющихся токовых слоев по данным системы Cluster, которые в значительной степени опираются на определение ориентации токового слоя.

Характерными проявлениями суббурь являются образование быстрых потоков плазмы к Земле из хвоста магнитосферы, ускорение частиц и вторжение их во внутреннюю магнитосферу (инжекции), развитие систем интенсивных продольных токов, интенсификация полярных сияний и ионосферных токовых систем и другое. Исследование этого набора явлений необходимо для понимания механизмов суббури, а также для моделирования и прогноза возможных ее последствий. Одним из наиболее существенных магнитосфер-

ных объектов являются струйные плазменные течения (BBF) в плазменном слое хвоста магнитосферы. Они проявляются как кратковременные импульсы повышенной скорости плазмы (сотни км/с) в направлении Земли, с увеличенной Bz компонентой поля, имеют поперечный размер порядка 2-3 Re и по различным оценкам могут переносить основную часть магнитного потока и энергии в плазменном слое.

Несмотря на продолжительные (практически с начала спутниковой эры) исследования среднемасштабных магнитосферных явлений, таких как инжекции энергичных частиц, струйные потоки (BBF), среднемасштабные формы полярных сияний и пр., остается множество неразрешенных вопросов. Среди них - что происходит с BBF при вторжении во внутреннюю магнитосферу, как глубоко могут проникать BBF и насколько долго существовать впоследствии. В частности, несмотря на возможную связь упомянутых явлений (инжекции и струйных потоков), принято описывать каждое из них в разных областях - инжекции на радиальных расстояниях вблизи геостационарной орбиты 6.6 Re, а например BBF за 10 Re, причем существует устойчивые стереотипы об их "остановке" и "исчезновении" около 10 Re- Установление связи между двумя этими объектами представляется весьма важным.

Само по себе явление инжекции также не объяснено окончательно. Как известно, при стационарной конфигурации и типичных величинах крупномасштабных электрического и магнитных полей невозможно переместить энергичные частицы глубоко во внутреннюю магнитосферу с помощью электрического дрейфа: вследствие значительных магнитных дрейфов образуются запрещенные Альфвеновские области большого размера. Для преодоления действия градиентных дрейфов была предложена модель "электромагнитного импульса" (Li et al., GRL, 1998). ЭМ импульс представляет из себя ограниченную азимутально и радиально область, в которой увеличена Еу компонента электрического поля. В модели импульс движется радиально к Земле, что создает вариации магнитного поля включающие повышенную Bz компоненту внутри импульса. Такой объект позволяет подавить градиентные дрейфы, отклоняющие частицы в его фронтальной части, и эффективно транспортировать частицы внутрь, ускоряя их. Как образуется такая структура пока не известно. Для эффективного переноса и ускорения эта модель требует малых скоростей распространения импульса (~ 100 км/с), много меньше тепловой и Альфвеновской скоростей. Вопрос о природе и скоростях радиального распространения инжекции в значительной мере пока открыт из-за малого количества их измерений, он также будет затронут в данной работе.

Для понимания инжекций, а также для проверки применимости модели ЭМ импульса, необходимо исследовать поведение электрических и магнитных полей вместе с параметрами энергичных частиц. В последние десятилетия, инжекций в основном исследовались по данным геостацинарных спутников LANL, на которых не проводятся измерения магнитного и электрического полей. В некоторых ранних работах, при использовании других спутников были отмечены рост потоков энергичных частиц в связи с возрастаниями Bz компоненты магнитного поля, а также связь последних с вариациями электрического поля. Однако односпутниковые измерения не позволяли исследовать являются ли они свойствой компактного объекта перемещающегося в пространстве, а также как ведут себя электромагнитные вариации по мере распространения инжекций. Подобные исследования стали возможны благодаря запуску системы близкорасположенных (500-10000 км) четырех спутников Cluster, которые позволяют разделять пространственные и временные вариации параметров плазмы и восстанавливать пространственную структуру-

Среди открытых вопросов касающихся авроральных явлений и возможно

имеющих отношение и к инжекциям и к BBF мы выделяем так называемые "омега структуры". Это специфические формы сияний, выступающие к полюсу от экваториальной части овала в виде факелов или областей, похожих на греческую "омега", появляются в утреннем секторе. Омега-структуры следует относить к среднемасштабным объектам, их ионосферные пространственные размеры - первые сотни километров, времена жизни десятки минут, скорости движения в восточном направлении 0.1-2 км/с. В некоторых случаях зафиксировано образование омега-структур из стримеров. С чем связаны омега структуры в магнитосфере, и какими процессами они образуются и поддерживаются в течение длительного времени - пока точно не известно. Некоторые сведения и предположения о возможной связи омега-структур с динамическими резкими плазменными границами во внутренней магнитосфере и вихревыми токовыми системами в ионосфере обсуждаются в диссертации.

Цель настоящей работы - исследовать некоторые среднемасштабные токовые системы в ночной части магнитосферы Земли при помощи многоспутниковых методов, в том числе: - исследовать свойства инжекций энергичных частиц, сравнить их со свойствами BBF и параметрами, используемыми в модели ЭМ импульса. Исследовать долгоживущую тонкую границу, разделяющую две популяции плазмы в магнитосфере, обнаруженную спутниками

Cluster. В методической части исследовать применимость односпутниково-го метода MVA для определения ориентации токового слоя хвоста магнитосферы, основываясь на сравнении с многоспутниковыми методами; получить статистические характеристики быстродвижущихся токовых слоев.

На защиту выносятся следующие положения

  1. Результаты исследования точности метода MVA и рекомендации по его использованию для нахождения ориентации токового слоя хвоста магнитосферы. Результаты статистического анализа ориентации и скоростей движения токового слоя по данным спутниковой системы Cluster.

  2. Подтверждение существования резких фронтов диполяризации и инжек-ции и их совмещение в пространстве. Экспериментальные измерения с помощью системы Cluster скоростей радиального распространения ин-жекций (100-400 км/с) и их изменение с расстоянием на 7-12 Re-

  3. Показана возможность количественно воспроизвести наблюдаемые изменения энергетического и углового распределения при сокращении магнитной плазменной трубки вследствие бетатронного и Ферми ускорения.

  4. Обнаружение тонких плазменных границ (толщиной ионного гироради-уса) разделяющих популяции плазмы с различными температурами и существующих на временных масштабах >10 минут во внешней части внутренней магнитосферы.

  5. Результаты статистического анализа характерной геометрии и MLT распределений ионосферных токовых систем с большими величинами наземных величинами dB/dt, в том числе доказательства существования утреннего максимума появляемости событий с максимальными dB/dt и важной роли в их генерации вихревых среднемасштабных ионосферных токовых систем.

Научная новизна

1. Исследован фронт инжекции энергичных частиц и показано существование регулярной электромагнитной структуры распространяющейся вместе с фронтом со скоростями значительно меньшими, чем скорости МГД волн.

  1. Оценены скорости радиального распространения инжекций на радиальных расстояниях порядка 10 Re-

  2. На основе сравнения с многоспутниковыми методами оценены погрешности односпутникового метода MVA при определении ориентации токового слоя хвоста магнитосферы.

  3. Обнаружены долгоживущие (более 10 минут) резкие плазменные границы толщиной порядка ионного гирорадиуса, разделяющие две популяции плазмы с разными температурами.

  4. Показан значительный вклад вихревых дифференциальных ионосферных токовых систем в наземные вариации магнитного поля в аврораль-ной зоне, а также статистический максимум появления таких вариаций в утренние часы MLT (в дополнение в известному околополуночному максимуму).

Среди перечисленного пункты 1, 3, 4, 5 по нашим сведениям были сделаны впервые, а пункт 2 был очень мало исследован ранее.

Практическая ценность

Создана база данных быстрых пересечений токового слоя хвоста магнитосферы системой спутников Cluster в 2001 и 2004 годах, в которой определены параметры токового слоя.

Результаты главы 4 показывают возможность продолжительного (более 10 минут) существования границ в плазме с толщиной порядка ионного гирорадиуса, разделяющих две различных плазменных популяции.

В главе 5 получены физические характеристики ионосферных токовых систем, ответственных за генерацию геомагнитно-индуцированных токов, которые воздействут на искусственные объекты, линии электропередач, трубопроводы и прочие.

Работа над диссертацией была поддержана

  1. Грантом Министерства образования и науки Российской Федерации ДОА.10.172 (2004 год);

  2. Грантом Nansen центра, 2005 год;

  3. Грантом INTAS для аспирантов №05-109-4496 (2006-2008).

Личный вклад автора

Автор принимал участие в выполнении исследований по теме диссертации совместно с коллегами - соавторами статей. Научный вклад автора отмечен дипломом сообщества Cluster в 2005 и присуждением премии имени Ю.П. Мальцева для молодых ученых в 2007 году.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: 25-й, 31-й ежегодный семинар "Физика авроральных явлений" (Апатиты, Россия, 2002, 2008) ; International Conference on Substorms-8, Banff, Canada, March 27-31, 2006 ; International Conference on Substorms-9, Graz, Austria, May 5-9, 2008; Проблемы Геокосмоса (Санкт-Петербург, Россия, 2006, 2008).

Публикации

По теме диссертации опубликованы четыре статьи в рецензируемых научных журналах (в качестве первого автора), а также четыре статьи с участием в качестве соавтора.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, и списка литературы из 87 наименований, содержит 132 страниц машинописного текста, включая 38 рисунков и 2 таблицы.


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net