Окружающее Землю плазменное кольцо и его роль в магнитосферных

процессах

Е.Е.Антонова,

И.П. Кирпичев, В.В. Вовченко, М.С. Пулинец, М.О. Рязанцева,

М.В. Степанова, И.Л. Овчинников, К.Г. Орлова, С.С. Знаткова

ИКИ, 08.02.2012

•Кольцо плазмы вокруг Земли.•Поперечные токи в кольце.•Природа Dst вариации.•Локализация начала изолированной суббури.• Авроральный овал и геомагнитный хвост.

Замкнутое кольцо полярных сияний по результатам наземных наблюдений

Loomis [1860] Фельдштейн [1960] Фельдштейн [1963]

Хорошева [1961] Хорошева [1967]

Замкнутое кольцо сияний по данным авроральных имиджеров (DE-1, Polar, Image)

Замкнутое кольцо высыпаний по данным авроральных спутников

http://pgia.ru/ (Воробьев и др. [2004-2007])http://www.swpc.noaa.gov/pmap/

Модель OVATION, Newell et al. [2002]

Плазма внутри Плазма внутри магнитосферы вблизи магнитосферы вблизи подсолнечной точкиподсолнечной точки

Пересечение магнитопаузы спутниками Пересечение магнитопаузы спутниками проекта проекта THEMISTHEMIS вблизи подсолнечной вблизи подсолнечной точкиточки 2222 июля 2007 июля 2007 г. После каждого г. После каждого пересечении магнитопаузыпересечении магнитопаузы наблюдается наблюдается плазма с характеристиками плазменного плазма с характеристиками плазменного слоя.слоя.

DeMichelis et al. [1999]

Окружающее Землю плазменное кольцо по измерениям в экваториальной плоскости

Nagata et al. [2008]

Vasyliunas [1970]

Плазменное кольцо с параметрами, соответствующими плазменному слою окружает Землю

Кирпичев и Антонова [2011]

Радиальные профили давления плазмы

12 MLT (тонкие кривые) и 0 MLT (толстые кривые)

06 MLT (тонкие кривые) и 18 MLT (толстые кривые)

Давление плазмы близко к азимутально симметричному на R<10RE

Анизотропия давления

Давление плазмы близко к изотропному на R>4.5 RE

Wang et al. [2011]

Определение величины дневного тока по результатам проекта ТЕМИС [Antonova et al., 2009]

Поперечный ток в окружающем Землю кольце

Кольцевой ток имеет высокоширотное продолжение до магнитопаузы в дневные часы – разрезной кольцевой ток (CRC).

Конфигурация поперечных токов в модели Sitnov and Tsyganenko [2008] (Ukhorskiy, private communication)

Liemohn et al. [2011]

До настоящего времени не получено простого аналитического описания магнитного поля, создаваемого CRC. Однако можно определить величину Dst, создаваемую известным азимутально симметричным распределением давления плазмы, включая давление плазмы на геоцентрических расстояниях, где течет CRC.

Соотношение Carovillano and Maguire [1968], Carovillano and Siscoe [1973] , принимающее во внимание нелинейное искажение исходного поля

sbps UUUBB 3/)2(/

Линейное соотношение Десслера-Паркера-Скопке

sps UUBB 3/2/ где ΔB – осесимметричное искажение поля в центре Земли,, Up – энергия частиц кольцевого тока, Bs – магнитное поля на земном экваторе и Us - энергия поля диполя вне земной поверхности.

где Ub – энергия поля кольцевого тока

Кольцевой ток и Dst вариация

Arrr

B

cos

cos

1

Arr

Br

cos

cos

12

rrB

cos

1

cos

12r

Br

2/ Bpc Bj

eer

ppp r

p

rrrp

2

2

21

cos

1

B

2

2

2

222 1

cos

1

rrrB

p

rj cos

pr

rrr

cos4

cos

11

cos

132

2

-400 -300 -200 -100 0 100

Dst=1.5*dh

-400

-300

-200

-100

0

100

Dst

Сравнение результатов моделирования (ось абсцисс) с экспериментально определенным Dst индексом http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dst_final/ 198602/index.html. (Вовченко и Антонова [2010]). Показано, что наблюдаемая Dst вариация создается симметричной частью кольцевого тока.

Проведен анализ формирования Dst с учетом нелинейного искажения магнитного поля известным радиальным распределением давления горячей магнитосерной плазмы из работы Hamilton et al. [1988] .

Febryary, 1986

Главный вывод: может быть восстановлена традиционная интерпретация формирования Dst в результате развития осесимметричной части кольцевого тока.

Модель описывает Dst для магнитных бурь 16-18 декабря 1971 г. (Explorer 45 ), 4-7 сентября 1984 г. и 30 ноября 1988 г. (AMPTE/CCE )

Распределение вытекающих продольных токов

Iijima and Potemra [1976] Shue et al. [2002]

Картина вытекающих продольных токов в среднем имеет вид подковы, но на снимках из космоса можно различить авроральное кольцо.

Как появилось представление о том, что авроральный овал является проекцией плазменного слоя на ионосферные высоты?

Akasofu [1964]

Было известно (Akasofu, 1964), что начало взрывной фазы изолированной суббури локализовано на экваториальном краю аврорального овала вблизи полуночи. В течении длительного времени доминировала модель Hones [1979]. Разрабатывались модели магнитного поля, которые позволяли проецировать экваториальную кромку овала в ночном секторе на сравнительно большие геоцентрические расстояния.

Распределение изолиний B=const в экваториальной плоскости, полученное в работе Fairfield (1968) привело к предположению , что линии поперечного тока при B>60 нT замыкаются токами магнитопаузы, формируя токовую систему хвоста.

Проецирование прямой линии в хвосте на ионосферные высоты с использованием моделей Цыганенко дают структуру типа подковы.

Ts96Ts01Ts87 (Stasievich, 1991)

В результате сложились представления об определяющей роли процессов в хвосте магнитосферы, которые в последнее время начали пересматриваться.

Yahnin et al. [2002]Takahashi et al. [1987]

Dubyagin et al. [2003]

Наблюдаемое положение начала изолированной суббри имеет место в области CRC, т.е. в высокоширотной части обычного кольцевого тока.

~8RE <10RE ~8RE

Локализация начала изолированной суббури

Lui [2011]

Выводы:•Окружающая Землю на геоцентрических расстояниях от ~7 до 10-13RE плазменная популяция имеет вид кольца, в котором поперечные токи замкнуты внутри магнитосферы и образуют высокоширотное продолжение кольцевого тока (CRC).•Существование CRC позволяет восстановить подвергшиеся критике представления о доминирующем вкладе симметричной части кольцевого тока в Dst вариацию.•Взрывная фазы изолированной суббури начинается внутри CRC, что позволяет рассматривать магнитосферную суббурю как часть динамики высокоширотного продолжения кольцевого тока.

Благодарю за внимание