Крупномасштабные электрические поля в магнитосфере. Конвекция и коротация.

Солнечно-земная физика

Справочник

Крупномасштабные электрические поля в магнитосфере. Конвекция и коротация.

Принято полагать границу ионосферы на высоте порядка 1000 км. На самом деле граница условна - ионосфера плавно переходит в плазмосферу, граница которой, плазмопауза, располагается на расстоянии 4-7 Re. Плазмопауза разделяет два плазменных течения - азимутальный поток плазмы внутри плазмосферы, вращающийся вместе с вращением Земли (отсюда - электрическое поле коротации ) и конвективный поток плазмы из хвоста магнитосферы в направлении к Земле (рис 1).

Рис 1. Схема коротации плазмосферы и конвекционных потоков плазмы их хвоста. Крупный и точечный пунктир относится к возмущенному и спокойному времени. Соответствующее положение плазмопаузы - (а) и (б).

Электрическое поле конвекции направлено с утренней на вечернюю сторону и оценивается в 20-30 Кв в спокойные периоды и до 80 - 100 Кв во время суббурь.
Напряженность поля в активные периоды неоднородна по азимуту и зависит от локальной фазы суббури.
Усиление конвективного поля придвигает плазмапаузу к Земле, ослабление на фазе восстановления отодвигает от Земли.

Первые выводы о существовании и и оценки величины и направления крупномасштабного электрического поля в магнитосфере были сделаны на основе наблюдений полярных сияний и вариаций магнитного поля в высоких широтах. (рис.2 ).

Рис 2. Схема распределения электрических полей в авроральной ионосфере и соответствующая система конвекционных вихрей

Прямые измерения электрического поля сложны из-за низкой проводимости среды - потребовалось создать специальную аппаратуру и методику измерений, позволяющую учесть неизбежные искажения, вносимые в среду датчиками электрометров. Точечные измерения на ракетах и аэростатах давали противоречивую информацию, только измерения на спутниках позволили подтвердить существование конвективного электрического поля.

рис 3. Пример измерния электрического поля на спутнике "Injun-5". 1-конвекция к Солнцу, 3 - от Солнца, 2 - VxB компонента поля за счет движения спутника. Двойные стрелки - предполагаемые области продольных токов.

На рис 3 приведены результаты измерений поля поперек полярной шапки на спутнике "Инжун-5" летавшем на высоте 1200-2000км. Электрическое поле имеет интенсивность 10-30 мв/м и направлено с утра на вечер в полярной шапке.
На границе овала полярных сияний направление поля меняется на обратное. В целом имеется соответствие со схемой рис. 2.
В случае эквипотенциальности силовых линий уменьшение напряженности поля с растоянием от Земли должно быть пропорционально увеличению расстояния между силовыми линиями. Мозер приводит простые формулы для пересчета соответствия восточных компонент поля в ионосфере (E_iw) и магнитосфере (E_mw) и, соответственно, северной (E_in) и радиальной(E_mr) компонент

E_iw/E_mw =L^3/2 E_in/E_mr = 2L^3/2
Пересчет по формулам Мозера предсказывает напряженность поля на экваторе авроральной магнитосферы около 1мв/м. Такие малые поля долго не удавалось измерить с достаточной точностью. Появление нового поколения детекторов и достоверных измерений не прояснило, а скорее осложнило ситуацию. На Рис 4 представлен типичный пример измерения электрического поля на спутнике CRRES в период суббуревой активности. Переменная компонента превалирует, локальные поля (индукционные, поляризационные, электростатические) маскируют более слабое конвекционное поле. Представление о плавном крупномасштабном ламинарном течении плазмы ставится под сомнение, хаотическая, тепловая компонента скорости частиц в плазме хвоста магнитосферы на порядок превышает направленную конвективную скорость.

Все же роль конвективного электрического поля в процессе подготовки суббури и накопления энергии в магнитосфере сомнения не вызывает. Предполагается, что перед началом активной фазы суббури на подготовительной фазе, переход к отрицательной, южной ориентации вертикальной компоненты ММП приводит к увеличению электрического поля конвекции, переносу к Земле за счет ЕхВ дрейфа частиц плазменного слоя и их энергизации. Напротив, быстрый возврат к положительной Bz и спад конвективного поля часто служит триггером начала активной фаы суббури.

Подробнее - в статье Е.E. Антоновой "Конвекция и структура токов в магнитосфере Земли"

Назад, к оглавлению справочника

16.09.03