Равновесие плазмы в магнитосфере Земли и ускорительные процессы в высоких широтах

• Автор: Антонова, Елизавета Евгеньевна
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 325 с. : ил.

® Глава 1. Результаты исследований распределения давления в

магнитосферной плазме

1.1. Теоретические основы выбора давления плазмы в качестве

одного из основных параметров, определяющих динамику магнитосферы

!Ж 1.2. Экспериментальные наблюдения распределения давления в

магнитосфере: Обзор результатов высокоапогейных

спутников

1.3. Результаты исследований распределения давления плазмы в

проекте ИНТЕРБОЛ

1.4. Результаты наблюдений профиля давления по данным

низколетящих спутников

1.5. Выводы и обсуждение к Главе 1

Глава 2.

2.6. 2.7.
Генерация крупномасштабных продольных токов и поля
утро-вечер азимутальными градиентами давления
горячей магнитосферной плазмы
Крупномасштабные продольные токи в магнитосфере Земли и высыпание частиц
Крупномасштабные электрические поля в магнитосфере Земли
Топология ближних областей плазменного слоя
Крупномасштабные магнитосферно-ионосферные взаимодействия и природа поля утро-вечер
Азимутальные градиенты давления плазмы, необходимые для поддержания продольных токов
Топология магнитного поля и генерация продольных токов зоны 1
Выводы и обсуждение к Главе 2
Глава 3.

Радиальный профиль давления, конфигурация
высокоширотных токов и величина ГМ вариации
Формирование радиального профиля давления
Топология магнитосферных токовых систем и баланс
давления на магнитопаузе
Распределение поперечного тока в магнитной силовой
трубке и локализация токов в высокоширотной
магнитосфере
Распределение давления во внутренней магнитосфере и
направление кольцевого тока
Магнитное поле вблизи Земли, создаваемое
внутримагнитосферным кольцевым током

3.6. Выводы и обсуждение к Главе 3
Глава 4. Неэквипотенциальность магнитных силовых линий
Щ высокоширотной магнитосферы и формирование
пучковых и оболочечных структур в функциях распределения частиц
4.1. Результаты наблюдений неэквипотенциальности магнитных
силовых линий
4.2. Величины продольных токов на авроральных силовых
линиях и ускорение высыпающихся авроральных электронов
4.3. Механизмы продольного ускорения частиц
4.4. Особенности ускорения двойными слоями в условиях
магнитосферы Земли
4.5. Оболочечные и пучковые структуры в функциях
распределения частиц
4.6. Локализация области ускорения на авроральных силовых линиях и причина линейной зависимости продольного тока
от продольного падения потенциала
4.7. Выводы и обсуждение к Главе 4
Глава 5.

Поперечное ускорение ионов ионосферного происхождения, возникновение «коников» и заполнение геомагнитосферы ионами ионосферного происхождения
Заполнение магнитосферы ионами ионосферного происхождения и результаты наблюдений функций распределения типа «коников»
Механизм поперечного ускорение ионов при столкновении с двумерными движущимися неоднородностями (двумерный фермиевский механизм)
Эффективность ускорения тяжелых ионов Сравнение действия двумерного фермиевского механизма с другими механизмами и данными экспериментальных наблюдений
Выводы и обсуждение к Главе

Глава 6. Механизм «горячего расслоения» крупномасштабных продольных токов и формирования спокойных дуг и полос полярного сияния: теоретический анализ и данные наблюдений
6.1. Высыпания типа перевернутого V и теория горячего расслоения
6.2. Влияние самосогласованной проводимости ионосферы на расслоение продольных токов
6.3. Проверка предсказаний теории горячего расслоения на базе данных наблюдений спутника Интеркосмос-Болгария-1300
6.4. Проверка предсказаний теории горячего расслоения на базе

данных наблюдений спутника Ареол
6.5. Выводы и обсуждение к Главе

Глава 7.

Распределение температуры электронов в хвосте
магнитосферы Земли и возникновение динамического хаоса при движении частиц в неоднородных электрическом и магнитном полях
Несохранение адиабатических инвариантов при движении частиц плазменного слоя
Распределение температуры электронов поперек аврорального овала
Флуктуации потоков электронов вдоль траектории полета спутника Интеркосмос-Болгария-1300
Появление динамического хаоса при движении частицы в однородном магнитном поле и неоднородном электрическом поле
Выводы и обсуждение к Г лаве 7

Глава 8.

8.6. 8.7.

8.10.
Турбулентность плазменного слоя: Данные наблюдений и результаты моделирования квазиравновесного плазменного слоя
Результаты наблюдений турбулентности электрического поля и вихревых структур в магнитосферной плазме
Результаты наблюдений флуктуаций скорости плазмы в магнитосфере Земли
Спектры магнитосферной турбулентности и процессы их формирования
Магнитосферная турбулентность и самоорганизованная критичность
Магнитосферная турбулентность и проблема кризиса конвекции
Модель турбулентного токового слоя
Двумерная модель плазменного слоя в хвостовом приближении и суббуревая динамика плазменного слоя
Квазитрехмерная модель турбулентного плазменного слоя 221 Сравнение предсказаний теории с данными
экспериментальных наблюдений
Выводы и обсуждение к Главе 8
Глава 9. Бифуркация плазменного слоя при северной ориентации
межпланетного магнитного поля и возникновение тега-авроры
9.1. Дуги в полярной шапке и явление тета-авроры
9.2. Картина конвекции при северном ММП и бифуркация
плазменного слоя
9.3. Моделирование динамики плазменного слоя при северной

Регулярная конвекция наблюдается в полярной шапке при южной ориентации ММП и на низких широтах. Такая картина хорошо соответствует интегральному распределению продольного тока, который втекает в ионосферу в вечерние часы и вытекает в утренние. Мелкомасштабные токи замыкаются внутри овала, образуя локальные вихри электрического поля. Замыкание интегрального тока через полярную шапку и низкие широты создает характерную картину двухвихревой конвекции. Токи зоны 2 приводят к возникновению конвективных вихрей, ориентация которых противоположна ориентации вихрей, создаваемых токами зоны 1. В результате при развитии токов зоны 2 происходит уменьшение конвекционного вихря, создаваемого токами зоны 1. На низких широтах фиксируется “экранировка поля утро-вечер”. Эффект получил название альвеновской экранировки. Теоретические аспекты данной проблемы будут рассмотрены ниже. Продольные и поперечные токи меньших масштабов сконцентрированы внутри аврорального овала и на меньших широтах не проявляются.
Изучению полей крупномасштабной конвекции посвящено тысячи работ, начиная с наблюдений дрейфов ионосферных неоднородностей. Более-менее полный обзор данных работ занял бы сотни страниц текста. Поэтому в настоящем кратком обзоре мы ограничимся только основными моментами. Системы токов, построенные по результатам наземных магнитных измерений и наблюдений полярных сияний, были первым свидетельством существования крупномасштабного электрического поля магнитосферной конвекции. Первым шагом в непосредственных измерениях электрического поля являлись эксперименты на баллонах (см. обзоры Mozer et al. [1974], Mozer and Lucht [1974]). Измерения на спутниках методом двойного зонда (Неррпег [1972а,Ь, 1977]) подтвердили полученную ранее картину крупномасштабной конвекции. К последним спутниковым результатам по изучению крупномасштабной конвекции относятся данные, полученные в проекте CLUSTER (Matsui et al. [2003]) при измерениях дрейфа электронного пучка. Изучалась усредненная картина конвекции на геоцентрических расстояниях от 5 до lOR^. В работе отмечалось, что во многих случаях амплитуда флуктуаций поля превышает усредненное поле.
Данные наблюдений радаров некогерентного рассеяния (Horwitz [1978], Evans et al. [1980], Zi and Nielsen [1982], Foster et al. [1981a-c, 1982], Foster [1983], Blank et al. [1983], Holt et al. [1987], De la Beaujardiere et al. [1991]) и техника инверсии магнитограмм (Афонина и др. [1979], Akasofu [1980], Kamicle et al. [1981], Kamide and Akasofu [1981], Troshichev [1982], Трошичев [1982], Левитин и др. [1984], Feldstein and Levitin [1986], Levitin and Feldstein [1992], Mishin et al. [1986], Мишин и др. [1991], Mishin [1977, 1991], Papitashvili et al. [1994], Richmond and Kamide [1998], Lu et al. [1991, 2001] и др.) внесли большой вклад в изучение полей крупномасштабной конвекции. Все методы дают согласующиеся в основном данные о распределении крупномасштабных электрических полей в плоскости, перпендикулярной силовым линиям геомагнитного поля Е±, а именно: в области полярной шапки электрическое поле Е]_ направлено приблизительно вдоль меридиана утро-вечер, в области аврорального овала в утреннем секторе - к экватору, а в вечернем - к полюсу. Если такое пространственное распределение электрических полей в ионосфере представить в виде конвективной системы, где линии конвекции тождественны изолиниям потенциала электрического поля, то система будет иметь двухвихревой характер. В области полярной шапки поток конвекции направлен