Солнечно-земная Физика  "СиЗиФ"

Структура авроральной магнитосферы и взрывные процессы магнитосферной суббури

Л. Лазутин

ПГИ/НИИЯФ МГУ

опубликовано в сборнике ПГИ "Физика околоземного космического пространства", т.1, Апатиты, 2000"

Оглавление

Введение --->
Глава 1. Геометрия авроральной   магнитосферы

1.1. Введение
1.2 Внешняя граница авроральной магнитосферы.
   1.2.1 Дропауты
1.3. Положение инжекций
1.4. Выводы

Глава 2. Тонкая структура магнитосферной суббури

2.1 Введение
2.2. Структура суббури в полярных сияниях
2.3. CRRES-494,13.02.1991. Связь сияний и инжекций электронов
   2.3.1 Наземные наблюдения
   2.3.2. Измерения на спутнике СRRES. Структура суббури в полярных сияниях
   2.3.3 Сравнение тонкой структуры полярных сияний и возрастания энергичных электронов
   2.3.4 Обсуждение результатов
2.4. CRRES-484. Суббуря 9 февраля 1991. Интенсификации
2.5. CRRES-445. Суббуря 24 января 1991. Активизации
2.6. CRRES- 497 и 545. Р-Е-Р-Е структуры и энергетические спектры частиц
   2.6.1. Суббуря 14-15 февраля 1991 г.
   2.6.2. Тонкая структура
   2.6.3. Суббуря 6 марта 1991г.

Глава 3.  Проблемы суббуревой активности

3.1 Сводка результатов анализа данных CRRES
   3.1.1. Интенсификации
   3.1.2. Электронные активизации
   3.1.3. Роль протонов (ионов)
   3.1.4. Структура P-E-P-E
   3.1.5. Быстрые изменения
3.2. Дискуссия
   3.2.1. Фазы суббури
   3.2.2. Суббуря, как сочетание глобальных и локальных процессов
   3.2.3. О механизмах активизаций суббури

Введение

Проблематика магнитосферных суббурь обширна и неисчерпаема. В данной работе мы затронем ее небольшой раздел, описывающий суббуревые явления, относящиеся к процессам взрывного ускорения авроральных частиц - электронов и ионов с энергиями от нескольких единиц до сотен кэВ. Сами эти процессы еще далеки от понимания, есть лишь схемы, модели, без уверенной опоры на экспериментальные закономерности. Происходят эти взрывные неустойчивости преимущественно на активной фазе суббури, или на фазе экспансии, или на фазе брейкапа как ее называет М.И. Пудовкин. Брейкап полярных сияний является наиболее ярким, но не единственным проявлением интенсификации магнитосферных процессов, которых во время отдельной суббури может быть несколько. Нас будут интересовать все детали динамики частиц, полей и свечений во время интенсификаций - несмотря на длительную уже историю исследований, четких экспериментальных фактов еще недостаточно, в первую очередь потому, что необходимое временное разрешение - единицы секунд - достигается редко и еще потому, что искать нужно в правильном месте, а не в стороне от эпицентра возмущения, как это часто бывало.
Действительно, вопрос о трехмерной структуре возмущенной магнитосферы чрезвычайно важен. Осмысливая или просто описывая то или иное явление, мы сразу ищем для него оправу пространственной структуры, и динамику этой структуры в процессе явления. Поэтому первую главу мы посвятили этому вопросу. Следует предупредить читателя, что это очень сжатое и субъективное изложение, имеющее в данном случае вспомогательную роль и не претендующее на исчерпывающий анализ и подробный обзор литературы.
На протяжении многих лет проблема геометрии брейкапа, локализации взрывной неустойчивости, решалась, как ни странно, скорее на основе веры, чем знания - решающих экспериментальных аргументов не хватало. И до сих пор существуют две взаимоисключающие геометрии: одни верят, что неустойчивость происходит вблизи области пересоединения магнитных силовых линий в хвосте магнитосферы, другие помещают ее на замкнутые силовые линии, в область захвата. Рис.1.1 иллюстрирует различия в представлениях о геометрии суббуревой неустойчивости. Остановимся коротко на трех основных механизмах активизаций суббури.

1. Пересоединение. В течение длительного периода с пересоединением магнитных силовых линий связывали как начало активной фазы суббури, так и последующую экспансию активности к полюсу, формирование WTS и т.д. Для пересоединения необходима особая структура магнитного поля с параллельными силовыми линиями встречного направления, которая наблюдается в хвосте магнитосферы, поэтому изначально эпицентр неустойчивости предполагался на 20-50 Re . В последнее время с учетом экспериментальных фактов поиски области пересоединения "передвинулись" к Земле, на 10-15 Re и ближе. Действительно, на самой границе области захвата наблюдаются быстрые потоки плазмы, перестройка магнитного поля и другие активные процессы, которые можно было связать с активизациями суббури. Путем необходимой корректировки модели магнитного поля можно соединить эту область с зоной полярных сияний. Вместе с тем многочисленные факты, свидетельствующие о развитии суббуревой неустойчивости на квази-дипольных силовых линиях, убеждают многих исследователей суббури в нереальности этой концепции. Скорей всего процессы в хвосте и в PSBL развиваются во время суббури независимо от основных активизаций внутри АМ и связаны с внешней частью двойного овала сияний или с приполюсной дугой сияния (Elphinstone, 1995).
В принципе и во внутренней магнитосфере возможно появление локальных конфигураций с вытянутыми силовыми линиями, где может возникнуть процесс пересоединения. Однако экспериментальных доказательств существования таких структур мы не знаем, и разработанные модели пересоединений относятся к хвостовой части или граничной с хвостом области магнитосферы.

2.Разрыв тока. Неустойчивость азимутального тока на внутренней кромке плазменного слоя была предложена Lui et al [1988, 1992] в качестве основного механизма взрывного начала суббури. Развитие этой идеи предполагает существование нескольких локализованных ( < 1 ) токовых разрывов стохастически распределённых в АМ. Многие экспериментальные факты свидетельствуют в пользу этой модели, однако она пока еще очень схематична. Не ясно, как локализованные микронеустойчивости сочетаются с быстрым глобальным развитием, экспансией возмущения; это служит поводом для критики данной модели.

3. Баллонная неустойчивость. Баллонная или перестановочная неустойчивость была предложена для объяснения взрывного начала суббури Rouх et al [1991]. Для ее осуществления необходима повышенная концентрация и большие градиенты давления плазмы, что имеет место на внутренней границе плазменного слоя. Существует обширная литература как в поддержку, так и против баллонной неустойчивости (см. напр. Samson et al, 1996); оппоненты указывают на то, что в CPS плазменное давление недостаточно анизотропно для развития перестановочной неустойчивости. С другой стороны, эта неустойчивость может объяснить быстрое одновременное начало возмущения вдоль азимутально-протяжённого сектора, дуги, такой, как наблюдается в AAF (Elphinstone et al, 1995a].

И баллонная неустойчивость и модель разрыва тока не требуют какой-либо специальной конфигурации магнитного поля в районе брейкапа, достаточно, чтобы создалась локальная особенность распределения частиц и поля. В результате, неустойчивость может повторяться многократно и локализовано, что наблюдается на самом деле. В этом их существенное отличие от модели пересоединения.
Однако каждый из этих подходов имеет свои трудности. Так, из зоны сияний можно путем коррекции существующих моделей протянуть силовые линии в область хвоста, но вот активные сияния в субавроральной зоне, 60-63⁰ и ниже явно сидят на квази-дипольных силовых линиях глубоко в зоне захвата, сохраняя при этом все основные признаки нормальных суббуревых активизаций. Явный аргумент против модели пересоединения. С другой стороны, когда экспансия активных сияний доходит до области 75-80⁰, которая по общему мнению проецируется далеко в хвост магнитосферы трудности испытывают сторонники модели разрыва тока. Это противоречие является следствием плохого знания реальной конфигурации магнитосферы перед и во время суббуревых интенсификаций.

Во второй главе приводится анализ динамики частиц и полей в зоне захвата или т.н. зоне геосинхронных орбит основанный на выполнявшихся в последние годы работах с участием автора. Комплексный анализ конкретной суббури т.н. "case study" обычно трудны для чтения, поэтому здесь дается сокращенное изложение, а за подробным анализом следует обращаться к оригинальным работам. Координаты наземных геофизических обсерваторий, данные которых использовались в работе, приведены в Таблице 1.

в начало		вперед		оглавление		литература
		другие обзоры