Баланс давления на магнитопаузе и характеристики низкоширотного пограничного слоя в магнитосфере Земли

• Автор: Россоленко, Светлана Сергеевна
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 146 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1.

1.1. Структура магнитосферных доменов и локализация LLBL в магнитосфере Земли

1.2. Турбулентность магнитослоя

1.3. Краткий обзор результатов исследований LLBL

1.4. Теоретические подходы, описывающие проникновение плазмы магнитослоя внутрь магнитосферы
1.5. Особенности измерений параметров плазмы и магнитного поля в проектах ИНТЕРБОЛ и в ТЕМИС
Глава 2.

2.1. Условия баланса давлений на магнитопаузе

2.2. Давление на фланге магнитосферы вблизи экваториальной плоскости по результатам измерений в проекте Интербол/Хвостовой зонд: событие 21 сентября 1995 г
2.3. Баланс давлений на магнитопаузе вблизи подсолнечной точки
2.4. Флуктуации магнитного поля в магнитослое и баланс давлений па магнитопаузе
Глава 3.
3.1. Обзор результатов исследований толщины LLBL и ее зависимости от различных факторов
3.2. Зависимость толщины LLBL от параметров ММП и солнечного ветра и от локализации в магнитосфере Земли
3.3. Зависимость толщины LLBL от уровня флуктуаций в солнечном ветре
3.4. Зависимость толщины LLBL от угла между нормалью к ударной волне и направлением магнитного поля в солнечном ветре
3.5. Сравнение результатов исследований толщины LLBL с теоретическим анализом
Заключение
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Магнитосфера Земли представляет собой гигантскую космическую лабораторию, в которой удается проводить наблюдения, не внося существенных возмущений в измеряемые параметры, что часто не удается сделать в лабораторных условиях. В 19б0х-1970х годах прошел период основных открытий в области физики магнитосферы, впервые были идентифицированы основные области и границы в магнитосфере Земли. Полученный за последние годы экспериментальный материал привел к перестройке многих основных представлений в физике магнитосферы. Все большее внимание уделяется изучению магнитосферной турбулентности, проблемам формирования и устойчивости распределения горячей плазмы. Решение многих проблем приобрело практический интерес, появилось понятие космической погоды. Предсказание космической погоды потребовало, в частности, проведения подробных исследований процессов проникновения плазмы солнечного ветра внутрь магнитосферы, формирования магнитосферных погранслоев.
При переходе через околоземную ударную волну происходит существенная модификация параметров плазмы солнечного ветра, возникает турбулентный магнитослой. Проникновение плазмы магнитослоя через магнитопаузу внутрь магнитосферы приводит к заполнению магнитосферы частицами солнечного ветра. На высоких широтах образуется плазменная мантия, на низких - низкоширотный погранслой. Ниже в целях сокращения записи для обозначения низкоширотного погранслоя используется английская аббревиатура LLBL (LLBL - Low Latitude Boundary Layer). Изучение LLBL позволяет прояснить процессы передачи массы, импульса и энергии из магнитослоя внутрь магнитосферы, и тем самым, определить характер взаимодействия плазмы солнечного ветра и магнитосферы Земли. В LLBL происходит перемешивание плазмы магнитослоя с плазмой плазменного слоя и его продолжения в дневные часы. Как правило, при наблюдениях спектров частиц в LLBL удается выделить отдельные популяции. Проникновение частиц магнитослоя внутрь магнитосферы может влиять на геомагнитную обстановку. Поэтому вопрос о формировании LLBL может рассматриваться в качестве важной части исследований по программам космической погоды. Решение данной проблемы требует проведения подробного анализа данных экспериментальных наблюдений и разработки новых теоретических подходов.
Пограничные слои были предметом исследований многих ученых, начиная с 1972 г. Впервые экспериментально погранслой магнитосферы, позже названный плазменной мантией, был зарегистрирован на спутнике Vela 4В [Hones et al., 1972]. LLBL был

выделен несколько позже в дневной области магнитосферы благодаря наблюдениям на спутнике Imp б [Eastman et al., 1976] и затем во флангах магнитосферы по данным приборов аппарата Ileos 2 [Haerendel et al., 1978]. Первая теоретическая модель, описываемая LLBL в рамках концепции динамо, была развита намного раньше экспериментальных наблюдений LLBL и представлена в работе [Coleman, 1970].
Низкоширотный погранслой в настоящее время является сравнительно плохо изученной областью магнитосферы. Многие проблемы, связанные со структурой и особенностями формирования LLBL остаются пока нерешенными (см. [Шевырев и др., 2002; Fedorov et al., 2003; Hasagawa et al., 2003; Nemecek et al., 2003; Vaisberg et al., 2004] и др.). Так, например, в работах [Lotko et al., 1995; Nemecek et al., 2003] приведены аргументы в пользу существования LLBL на замкнутых магнитных силовых линиях, а в работе [Lyons et al., 2004] обосновывается существование LLBL на разомкнутых магнитных силовых линиях.
Было предложено несколько теорий проникновения плазмы в LLBL, основанных на анализе данных усовершенствованных приборов, установленных на спутниках, пересекавших LLBL. Определенную ясность внесли многоспутниковые наблюдения пограничных слоев в проекте ИНТЕРБОЛ и на аппаратах проекта Cluster. Новые возможности открылись перед исследователями низкоширотного пограничного слоя в связи с полетами пяти аппаратов проекта THEMIS, все орбиты которых впервые лежат практически в экваториальной плоскости.
Теория формирования LLBL в результате пересоединения силовых линий магнитного поля при ламинарном течении плазмы встретилась с определенными трудностями (см. ниже). Так, например, не удавалось объяснить экспериментально измеренную зависимость толщины LLBL [Mitchell et al, 1987] от компоненты Bz межпланетного магнитного поля [Sandahl, 1999].
Картина поведения параметров плазмы и магнитного поля в магнитослое существенно отличается от картины распределения поля и плазмы вблизи магнитопаузы, постулируемой в моделях пересоединения на магнитопаузе. Магнитослой является чрезвычайно активной областью, наполненной различными волновыми модами, свойства которых содержат информацию о набегающем потоке солнечного ветра и которые ответственны за перенос и перераспределение энергии и импульса внутри магнитослоя (см. [Шевырев, 2005] и ссылки в данной работе). Вариации параметров плазмы и магнитного поля в магнитослое могут достигать значительных величин и наблюдаются в широком диапазоне временных масштабов ([Sibeck et al., 2000], [Застенкер, 2008])

Проект ИНТЕРПОЛ
Международный проект ИНТЕРБОЛ стартовал 3 августа 1995 года запуском первой пары аппаратов: спутника Интербол/Хвостовой зонд и его субспутника Магион-4. Эти аппараты имели высокую орбиту, выходили в солнечный ветер и магнитослой. Спутник Интербол/Хвостовой зонд продолжал работать до конца 1998 года. Эволюция его орбиты показана на рис. 1.20. Проект был предназначен для изучения различных процессов в плазме и магнитном поле в солнечном ветре и магнитосфере Земли, для исследования динамических процессов в мапштослое, на ударной волне и магнитопаузе, в каспах и в авроральной области Земли, а таюке для изучения их взаимосвязи.
Аппарат Интербол/Хвостовой зонд был стабилизирован в пространстве вращением вокруг своей оси, постоянно ориентированной на Солнце [Кремнев и др., 1996]. Эта ориентация устанавливалась в специальных сеансах связи с точностью до 1 градуса. Ввиду орбитального движения Земли (и соответственно аппарата) вокруг Солнца ось вращения спугника отклонялась от заданного направления на 1° в сутки. В соответствии с техническими условиями через каждые 7-10 суток проводилась коррекция ориентации аппарата.
На борту спутника находился комплекс приборов для определения модуля и направления магнитного поля, измерения параметров электронной и ионной составляющих плазмы; определения потоков заряженных частиц в нескольких диапазонах энергий; исследования спектральных свойств осцилляций электрических и магнитных полей.
Изучение характеристик LLBL относилось к приоритетным задачам этого проекта. На спутнике Интербол/Хвостовой зонд проводились измерения потоков ионов в широком энергетическом диапазоне приборами КОРАЛЛ, ДОК-2 и СКА-1, что давало возможность восстанавливать ионные спектры с высокой точностью. Результаты наблюдений с использованием прибора СКА-1 с высоким пространственным и временным разрешением [Vaisberg at al„ 1997] позволили изучить динамику струй плазмы магнитослоя, проникших в LLBL в диапазоне энергий ионов до 5 кэВ.
Однако, характерная энергия ионов плазменного слоя магнитосферы Земли, как правило, превышает 5 кэВ, что затрудняет использование прибора СКА-1 для изучения процессов перемешивания плазмы магнитослоя и магнитосферы. Поэтому в настоящем исследовании были использованы, в основном, данные прибора КОРАЛЛ [Yermolaev at al., 1997], измерявшего потоки ионов в диапазоне от 0,05 до 25 кэВ, прибора Док-2 [Lutsenko et al., 1998], регистрировавшего ионы с энергиями 20-800 кэВ, прибора Электрон [Sauvaud et al., 1997], измерявшего потоки электронов в диапазоне энергий 10-