Изучение токовых слоев на границе магнитосферы Земли по данным четырех спутников кластер

• Автор: Панов, Евгений Валентинович
• Шифр специальности: 01.03.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 111 с. : ил.

Аннотация
Взаимодействие солнечного ветра с магнитным полем Земли приводит к образованию ударной волны и сложно устроенной магнитосфере, а также переходной области между ними - магнитослоя. Внешняя граница магнитосферы - магнитопауза - регулирует перенос импульса и массы солнечного ветра в магнитосферу Земли. Ряд одно-спутниковых миссий, а так же двух-спутниковые проекты ISEE и АМРТЕ показали, что толщина токового слоя магнитопаузы вблизи подсолнечной точки намного превышает теоретические оценки (порядка ионного ларморовского радиуса). При этом, сам токовый слой магнитопаузы является источником плазменных неустойчивостей, порождая флуктуации электрического и магнитного поля во всем наблюдаемом диапазоне частот (от ионно-циклотронной до нижнегибридной частоты). Предшествующие миссии, однако, не давали возможность считать отдельно частные пространственные и временные производные измеряемых параметров. Как следствие, не было дано четкого ответа о природе неустойчивостей на магнитопаузе и генерируемой ими электромагнитной турбулентности. Четырех-спутниковый проект CLUSTER впервые на средних и высоких широтах позволил и систематически оценивать скорость и толщину токового слоя магнитопаузы, получать плотность тока напрямую из ротора магнитного поля, а так же определять волновой вектор возмущений, предоставив эффективный инструмент для изучения строения токового слоя магнитопаузы и связанной с ним турбулентностью. В данной работе собраны результаты систематического анализа как внешних условий магнитопаузы, так и собственных параметров магнитопаузы, используя измерения функций распределения ионов и магнитного поля, собранных четырьмя спутниками КЛАСТЕР во время 154 переходов магнитослой-магнитосфсра на средних и высоких широтах. Выясняется зависимость толщины магнитопаузы от параметров в прилегающем магнитослое. Изучается строение токового слоя магнитопаузы и свойства электрических и магнитных флуктуаций в его окрестности. На основе этого материала делаются оценки электромагнитного вклада в эффективный коэффициент диффузии при рассеянии частиц на волнах за счет флуктуаций магнитного поля и плотности тока в окрестности тонкой и толстой магнитопаузы.

1 Наблюдения четырьмя спутниками и методы анализа

1.1 Проект КЛАСТЕР

1.1.1 Магнитометр FGM (Fluxgate Magnetometer)

1.1.2 Спектрометр CIS (КЛАСТЕР Ion Spectrometry)

1.1.3 Эксперимент EFW (Electric Field and Waves)

1.2 Методы анализа

1.2.1 Используемые системы координат

1.2.2 Нахождение системы координат магнитопаузы

1.2.3 Определение скорости и толщины магнитопаузы
1.2.4 Определение плотности тока магнитопаузы
1.2.5 Определение волнового вектора
2 Макроскопические характеристики магнитопаузы
2.1 Введение
2.2 Параметры магнитослоя и магнитосферы вблизи магнитопаузы
2.2.1 Параметры плазмы
2.2.2 Параметры магнитного поля
2.2.3 Баланс давлений
2.3 Собственные параметры магнитопаузы
2.3.1 Геометрия магнитопаузы
2.3.2 Скорость, толщина и ток магнитопаузы
2.3.3 Закон Ампера
2.3.4 Открытая и закрытая магнитопауза
2.4 Выводы
3 Электромагнитные флуктуации в окрестности магнитопаузы
3.1 Введение
3.2 Толщина магнитопаузы и плотность энергии магнитных флуктуаций
3.3 Строение тонкой магнитопаузы
3.3.1 Наблюдение тонкой магнитопаузы
3.3.2 Роль электрического поля в тонкой магнитопаузе
3.3.3 Диффузия за счет волн вблизи нижнегибридной частоты
3.3.4 Обсуждение
3.4 Строение толстой магнитопаузы
3.4.1 Наблюдение толстой магнитопаузы
3.4.2 Диффузия за счет волн вблизи ионно-циклотронной частоты
3.4.3 Обсуждение
3.5 Выводы
Положения, выносимые на защиту
Список публикаций

Список таблиц

Список таблиц
1 Список асимптотических параметров магнитослоя и магнитосферы
для переходов магнитослой-магнитосфера спутниками КЛАСТЕР в периоды с 02 февраля по 17 июня 2002г., при расстоянии между аппаратами 100 км, и с 01 июля 2003г. по 03 мая 2004г., при расстоянии между аппаратами 300 км
2 Характеристики 52 токовых слоев магнитопаузы
3 16 интервалов для исследования магнитных флуктуаций в окрестности токового слоя магнитопаузы по данным высокого разрешения (с частотой опроса 22.4 или 67 Гц)
2 Макроскопические характеристики магнитопаузы

в каждом из переходов магнитослой-магнитосфера.
На рис. 25 отношение полного давления магнитослоя к полному давлению в магнитосфере [трпрУ2+прквТр+В‘2/2(1о)мзн/ЫРквТр+В2/2^0)МЗР, где {трпрУ2)Мзн - лобовое давление магнитослоя, (пРквТр)мзн - тепловое давление магнитослоя, (В2/2д0)мст - магнитное давление магнитослоя, (прквТр)мзр - тепловое давление магнитосферы и (В2/2^0)мзр - магнитное давление магнитосферы. В правой части рис. 25 лобовое давление плазмы магнитослоя (тпрпрУ2)мзн умножено на соз2(ф)соз2(9), где ф и 9 магнитная широта и долгота, соответственно. В то время, как плазма магнитослоя над каспом и магнитосферной долей (черным, синим, пурпурным и красным), в среднем, довольно хорошо сбалансирована магнитосферным давлением ({Рмзн/Рмяр) ~ 1) (в левой части рис. 25), лобовое давление плазмы магнитослоя над дневной магнитосферой находится в лучшем соответствии, когда оно умножено на соз2(ф)соз2(9). Это является следствием довольно большого числа переходов через дневную магнитосферу на магнитосферных флангах. Однако, даже после такой искусственной корректировки, в существенном количестве переходов из или в дневную магнитосферу (сплошным зеленым) полное давление магнитослоя значительно превышает магнитосферное. Оказалось, что в 24 из 154 перехода, когда магнитное поле в магнитослое было больше, чем в магнитосфере, являются именно этими случаями с сильно нарушенным балансом давлений. Распределение соотношения давлений с двух сторон магнитопаузы в этих 24 случая показаны на рис. 25 штрихованной зеленой линией. Дополнительный анализ выявил, что в 23 из 24 случаев уже сумма магнитного и теплового давлений в магнитослое больше, чем в магнитосфере, т.е. положив, что вклад лобового давления плазмы магнитослоя равен нулю. Более того, в 10 из 23 случаев сумма теплового и магнитного давления в магнитослое была больше, чем в магнитосфере более, чем в два раза. Таким образом, во время этих переходов магнитопауза формировалась сильно нестационарным образом. Формирование магнитопаузы при таких условиях необходимо изучить в будущем.