Ускоренные ионные структуры в пограничной области плазменного слоя хвоста магнитосферы Земли

Оглавление
Введение...........................................................................3
1. Пограничный плазменный слой, его пространственная структура, динамика и значение для циркуляции энергии в магнитосфере Земли...............................15
1.1. История открытия и пространственно-временная структура пограничного плазменного слоя (ПГ1С)............................................................15
1.2. Различные динамические явления, наблюдаемые в ППС геомагнитного хвоста, и их связь с процессами в авроральной области...........................................24
1.3. Источники ионов в геомагнитном хвосте....................................29
1.4. Модели ускорения частиц, наблюдаемых в ППС...............................32
1.5. Итоги исследований ППС и открытые вопросы................................42
2. Спутниковые измерения в геомагнитном хвосте. Идентификация ППС но спутниковым данным.................................................................44
2.1. Спутник Интсрбол-1 (Хвостовой Зонд): орбита, измерения плазмы и магнитного поля в геомагнитном хвосте.........................................................44
2.2. Измерения плазмы и магнитного поля в хвосте магнитосферы Земли спутником Geotail............................................................................47
2.3. Спутниковый квартет Cluster..............................................50
2.4. Методы идентификации ППС.................................................53
3. Пространственно-временная структура ППС но данным квартета Cluster..............59
3.1. Преимущества многоточечных измерений и методика оценки временных и пространственных размеров ускоренных ионных структур...............................59
3.2. Определение минимальной длительности и размеров структур ускоренных ионов в направлениях перпендикулярных магнитным силовым линиям.............................68
3.3. Длительность и характерные пространственные размеры ускоренных ионных структур...........................................................................86
Заключение....................................................................89
4. Влияние направления ММП и геомагнитной активности на ускорение ионов в
магнитосферном хвосте...............................................................91
4.1. Влияние межпланетных условий на вероятность наблюдения ускоренных ионных
структур в ППС хвоста...............................................................93
4.2. Наблюдения структур ускоренных ионов в ППС хвоста на разных фазах
геомагнитной активности.............................................................95
4.3. Особенности ионных и электронных распределений в ППС, характерные для спокойных и возмущенных геомагнитных интервалов....................................100
Заключение....................................................................103
5. Ускоренные ионные структу ры в ППС геомагнитного хвоста во время спокойных и слабо-возмущенных геомагнитных интервалов. Резонансный механизм ускорения.... 106
5.1. Наблюдение ускоренных ионов в ППС хвоста во время спокойных и слабовозмущенных геомагнитных интервалов...............................................108
5.2. Статистические исследования плазменных характеристик, наблюдаемых в ППС
хвоста во время спокойных геомагнитных интервалов.................................119
5.3. Мультиплетныс ионные спектры в ППС геомагнитного хвоста.................128
5.4. Продольные электрические токи в ППС во время спокойных и слабо-возмущенных
геомагнитных интервалов...........................................................133
5.5. Заключение. Особенности неадиабатического ускорения ионов в ТС хвоста во время спокойных и слабо-возмущенных геомагнитных периодов.........................139
6. Структуры ускоренных ионов в ППС геомагнитного хвоста во время возмущенных
геомагнитных интервалов. Ускорение ионов вблизи Х-линии..............................143
6.1. Наблюдение ускоренных ионов в ППС хвоста во время возмущенных геомагнитных интервалов..............................................................144
6.2. Статистические исследования плазменных характеристик, наблюдаемых в ППС хвоста во время возмущенных геомагнитных интервалов..................................148
6.3. Продольные электрические токи в ППС во время возмущенных геомагнитных итервалов............................................................................158
6.4. Заключение. Особенности исадиабатичсского ускорения ионов в ТС хвоста во время возмущенных геомагнитных периодов..............................................169
7. Низкочастотные колебания альвсновского типа, наблюдаемые в высокоширотной
части ППС во время распространения высокоскоростных ионов.........................177
7.1. Наблюдения низкочастотных колебаний магнитных силовых трубок ППС........180
7.2. Связь низкочастотных возмущений магнитных силовых трубок ППС с транзиентными возрастаниями энергии холодных ионов в долях хвоста............... 187
7.3. Экспериментальное исследование критерия развития неустойчивости Кельвина-Г ельмгольтца.....................................................................192
7.4. Энергетические характеристики низкочастотных альвеиовских волн в ППС 196
Заключение...................................................................198
Заключение........................................................................200
Литература........................................................................208
2
Введение
Диссертация содержит результаты экспериментальных исследований структуры и динамики пограничного плазменного слоя хвоста магнитосферы Земли, проведенных на основе наблюдений высоко-апогсйных российских и зарубежных космических аппаратов, сопутствующих наземных и межпланетных измерений, а также их теоретическую интерпретацию.
Актуальность проблемы
Одной из актуальнейших проблем космической физики является проблема ускорения заряженных частиц до 01ромных энергий. Эти процессы тем более интересны, что они нарушают привычное «классическое» представление об устройстве природы, согласно которому всё должно стремиться к равновесному состоянию хаоса, при котором любая упорядоченная структура внутри системы со временем разрушается. Однако новейшие открытия, в том числе и в физике космической плазмы, часто выходят за рамки классических представлений. Несмотря на кажущуюся «экзотичность» упорядоченных структур, обладающих большой свободной энергией, подобные явления чрезвычайно распространены в космосе: это, в первую очередь, потоки высокоэнергичных заряженных частиц солнечных и галактических космических лучей, механизмы ускорения которых, на Солнце и в звездах, сейчас активно изучаются. Однако подобные процессы происходят и вблизи Земли - в земной магнитосфере, что существенно облегчает их прямое детальное исследование в спутниковых экспериментах. Ускорение заряженных частиц до энергий в десятки, а иногда и в сотни раз превышаюищх их первоначальные значения, происходит, в основном, в геомагнитном хвосте, который образуется на ночной стороне Земли за счет вытягивания силовых линий геомагнитного поля потоком солнечного ветра, обтекающим магнитосферу. Геомагнитный хвост представляет собой грандиозную самосогласованную магнитоплазменную конфшурацию, в которой происходит накопление и диссипация энергии, поступающей из солнечного вегра [65, 159]. При этом геомагнитный хвост представляет собой довольно упорядоченную и устойчивую систему, сохраняющую свою структуру вплоть до десятков миллионов километров от Земли.
Наиболее мощное выделение энергии, как правило, происходит при трансформации топологии магнитного поля - магнитном пересоединении, которое происходит как в астрофизических объектах, гак и в магнитосферах Земли и планет. В последнем случае это явление особенно интересно для физики плазмы, так как, во-первых, происходит в очень горячей бесстолкновитсльной разреженной плазме, которую трудно создать в лабораторных установках, и, во-вторых, это явление доступно для детального изучения с помощью теперь
3
уже много спутниковых измерений. Магнитное пересосдинение может происходить на разных временных и пространственных масштабах, иметь различную геометрию и мощность энерговыделения. Наиболее известны конфигурации с X и О - линиями [129], однако в природе магнитное пересосдинение, конечно, может иметь и гораздо более сложную нерегулярную топологию, и такие малоизученные процессы представляют особый интерес как для экспериментальной космофизики, гак и для физики плазмы в целом.
Ускорение и нагрев плазмы в хвосте земной магнитосферы происходят в его токовом слое (ТС), и, традиционно, эти процессы связывались с пересоединением магнитных силовых линий, которое, согласно спутниковым наблюдениям, может происходить на различных расстояниях от Земли (от ~ десятков тысяч до миллиона километров). Заряженные частицы, ускоренные в ТС до энергий, в десятки и сотни раз превышающих их начальные значения, быстро движутся к Земле, формируя «канал», называемый пограничным плазменным слоем (ТТПС), по которому энергия и импульс плазмы переносятся из дальних областей хвоста к Земле [69].
Многочисленные спутниковые наблюдения в ППС, начало которым было положено экспериментами на спутниках IMP-7,8 в конце 70-х годов [82, 62], были направлены, в первую очередь, на построение средней картины распределения плазмы и полей, хотя уже тогда отмечалась сложная динамика этой области. Движущиеся в ППС потоки и пучки ускоренных заряженных частиц достигают Земли, частично высыпаясь вблизи высокоширотной границы полярного овала, образуя сложные энерго-диспсргированные структуры, часто наблюдаемые в ионных спектрограммах [224.197, 189]. Наряду с высыпанием имеет место и частичное отражение ускоренных заряженных частиц в сильном магнитном поле вблизи Земли, в результате чего эти частицы возвращаются в ППС, где формируют встречные, движущиеся от Земли, потоки 1217]. Ввиду существования в хвосте конвекции, обусловленной электрическим полем утро-вечер и направленной к экваториальной плоскости, отраженные потоки ускоренных частиц наблюдаются в ППС на более низких широтах, чем «прямые». По мере увеличения времени пролета ускоренных частиц за счет их многократных отражений в хвосте и вблизи Земли, частицы вес болсс и более смещаются в сторону низких широт, постепенно изотропизуясь но скоростям, и, в конце концов, пополняя плазменный слой (11C) [81,209]
Таким образом, ППС является интерфейсом между горячей квазиизотропной плазмой центрального ПС, находящейся на замкнутых силовых линиях магнитного поля, и высокоширотной частью магнитосферного хвоста, где горячая плазма отсутствует, а силовые линии магнитного ноля «открыты», то есть одним концом связаны с межпланетным магнитным полем (ММП). Фактически Г1ПС представляет собой окрестность магнитной
4
сепаратрисы, разделяющей магнитные поля с топологически различными свойствами. Поэтому, изучая структуру и характерне гики функций распределения ускоренных заряженных частиц, движущихся в ПІІС, можно дистанционно исследовать некоторые свойства их источников, расположенных в удаленных от Земли областях ТС.
Несмотря на значительный прогресс в исследовании ионных и электронных распределений, наблюдаемых в ГІПС, многие проблемы, связанные с особенностями ускорения заряженных частиц в ТС хвоста, до сих пор оставались нерешенными. В первую очередь открытым был вопрос о том, является ли магнитное пересоелинение единственно возможным источником ускорения плазмы в хвосте или же эффективное ускорение плазмы возможно и вне области перссоединения. Эффективное ускорение заряженных частиц при их неадиабатическом взаимодействии с ТС дальнего хвоста в области, где существует достаточно малое, однако, ненулевое магнитное поле, рассматривалось в ряде теоретических работ [1, 14, 141, 46, 291, однако экспериментально такая возможность не была подтверждена. Также мнения исследователей разделились и по вопросу о характере такого ускорения: происходит ли оно в импульсном или в квазистационарном режиме. Эга проблема напрямую связана с определением пространственных и временных характеристик ускоренных плазменных структур, наблюдаемых в ППС, что невозможно было осуществить только на основе односпутниковых измерений.
Понимание механизмов накопления и диссипации энергии в системе с горячей бесстолкновительной плазмой, находящейся в магнитном поле со сложной топологией, сохраняющей свою глобальную конфигурацию на огромных временных и пространственных масштабах, безусловно, представляет существенный интерес для физики плазмы. Эта проблема может иметь и практическое значение в связи с созданием устойчивых магнитоплазменных конфигураций для удержания горячей плазмы. И хотя конкретные параметры лабораторной и космической плазмы могут различаться, величины основных безразмерных параметров, характеризующих условия трансформации энергии, оказываются близки, и, таким образом, выводы, сделанные при анализе процессов в космической плазме, могут быть применимы для некоторых приложений в лабораторной плазме.
Цель работы состоит в детальном экспериментальном исследовании (по данным измерений на российских и зарубежных космических аппаратах, в том числе на многоспутниковой системе Cluster) ионных и электронных функций распределения, наблюдаемых в П1ІС геомагнитного хвоста на различных радиальных расстояниях от Земли. Основу исследований составили более 2000 пересечений ППС, происходивших на расстояниях от Земли от 15 до 220 Re (где Re - радиус Земли, равный -6371 км) на разных
5
фазах геомагнитной активности и при различных условиях в межпланетной среде. При этом основное внимание было уделено:
1) анализу статистических распределений частоты наблюдения и энергий ускоренных ионных структур, регистрируемых в ППС различных секторов магнитосферного хвоста, в зависимости от уровня геомагнитной активности (величины AL индекса) и направления межпланетного магнитного поля (ММП);
2) выработке методики и определению пространственных и временных характеристик ускоренных ионных структур, наблюдаемых в ППС хвоста четырехспутниковой системой Cluster во время спокойных и возмущенных геомагнитных периодов, с цслыо выяснения механизмов их формирования;
3) выяснению вопроса о местоположении источников ускорения ионов в ТС хвоста и о связи источников ускорения с областью магнитного псрссоединсния;
4) выяснению природы длинноволновых колебаний магнитных силовых трубок ППС и их возможной связи с потоками ускоренных ионов, движущихся в ППС вдоль силовых линий магнитного поля.
Научная новизна работы
Все результаты, представленные в диссертации, являются новыми и получены автором (в ряде случаев с соавторами):
К ним относятся следующие выводы:
1) Во время спокойных и слабо возмущенных геомагнитных интервалов (\AL\ < 300 нТ) неадиабатическос ускорение ионов в дальних областях ТС хвоста может происходить одновременно в нескольких локализованных в пространстве источниках, называемых резонансами. Резонансы расположены в области уже замкнутых силовых линий магнитного поля и не связаны непосредственно с магнитным псресоединением. В результате, в 1ІГІС хвоста формируются локализованные в физическом пространстве и в пространстве скоростей ионные пучки и потоки, движущиеся вдоль силовых линий магнитного ноля. Ширина функций распределения ионов по скоростям в таких структурах мала, и составляет: AV\\IV\\ < 0.2.
2) В спокойные и слабо возмущенные геомагнитные интервалы неадиабатическое ускорение ионов в ТС происходит в квазистационарном режиме, и длительность наблюдения ускоренных ионов в ПІІС хвоста может превышать 20 мин. Неадиабатическое ускорение ионов в ТС происходит за счет их перемещения
6
вдоль направления квазистационарного электрического ноля утро-вечер, обусловленного обтеканием магнитосферы потоком солнечного ветра.
3) Во время спокойных или слабо возмущенных геомагнитных интервалов потоки и пучки ускоренных ионов представляют собой пространственные структуры, размер которых в направлениях перпендикулярных силовым линиям магнитного поля, не превышает 6000 км, в то время как их продольный размер соизмерим с длиной магнитной силовой трубки, вдоль которой распространяются ускоренные ионы.
4) Во время спокойных геомагнитных периодов неадиабатическое ускорение ионов на замкнутых силовых линиях магнитного поля может происходить в удаленных областях ТС, находящихся на расстояниях от Земли более 110 Яе.
5) В результате исадиабатичссксго ускорения ионов, одновременно происходящего в нескольких пространственно разнесённых источниках, в ионных распределениях по скоростям, регистрируемых в П11С, наблюдаются, по крайней мерс, два четких и узких пика, энергии которых зависят от номера N соответствующего резонанса как: Л^/3. Эти результаты впервые экспериментально подтвердили концепцию
резонансных режимов ускорения частиц в ТС магнитосферного хвоста.
6) Во время возмущенных геомагнитных периодов ускорение ионов в ТС происходит вблизи магнитных Х-линий, которые в такие интервалы могут находиться существенно ближе к Земле (на расстояниях < 80 Яе). В результате в ППС наблюдаются болсс энергичные, чем в спокойные периоды, ионные пучки. Эти пучки также движутся вдоль силовых линий магнитного поля, однако имеют более широкие по параллельным скоростям функции распределения: А> 0.3.
Также впервые на большой статистике наблюдений ускоренных ионных структур в ППС хвоста было показано, что:
1) ускоренные ионные структуры наблюдаются при любых уровнях геомагнитной активности, практически равновероятно но всех трех секторах хвоста, что является косвенным доказательством того, что процессы ускорения ионов постоянно происходят в ТС;
2) вероятность наблюдения потоков или пучков ускоренных ионов в ППС хвоста зависит от среднего часового угла ММП, усредненного как минимум за 1 час до наблюдения ускоренных ионов. Установлено, что квазистационарнын режим неадиабатического ускорения ионов в пространственно-локализованных резонансах реализуется в хвосте, в основном, при направлениях ММП, близких к азимутальным. При северном направлении ММП вероятность наблюдения таких
7
ускоренных структур уменьшается, а при сильном южном ММП их нет совсем. Напротив, ускорение энергичных ионных пучков с широкими по параллельным скоростям распределениями дифференциального потока происходит, в основном, при южном направлении ММП и полностью отсугствует при северном ММП;
3) существует связь низкочастотных (/* ~ 0.004 - 0.02 Гц) поперечных колебаний альвсновского типа магнитных силовых трубок ППС и высокоскоростных (Кц > 2 Ра, где Уа - локальная альвеновская скорость) потоков ионов, распространяющихся вдоль силовых линий магнитного поля высокоширотной 1раницы ППС. Возможной причиной возникновения низкочастотных колебаний магнитных силовых трубок ППС является неустойчивость Кельвина-Гельмгольца. Научная и практическая ценность работы
Представленные в диссертации результаты экспериментально доказывают существование особого режима диссипации энергии в «спокойном» геомагнитном хвосте, при котором высвобождение энергии, сопровождаемое ускорением ионов, происходит не в одном крупномасштабном источнике, который, как правило, формируется вблизи области магнитного пересоединения, а в нескольких локализованных и долгоживущих источниках - резонансах, находящихся на замкнутых силовых линиях магнитного поля с малой, но положительной компонентной магнитного поля, нормальной к ТС. Размер резонансных источников по порядку величины сравним с ларморовским радиусом ускоренных ионов.
Полученные экспериментальные доказательства пространственной локализации и достаточно большого времени жизни ускоренных ионных структур свидетельствуют об устойчивости резонансных источников ускорения и, тем самым дают стимул для разработки новых трехмерных самосогласованных моделей иеадиабатического ускорения ионов в ТС.
Апробация работы.
Результаты, вошедшие в диссертацию, были представлены в более чем 50 докладах на различных научных конференциях и семинарах в России и за рубежом.
• На ассамблеях и семинарах С08РА11 (Генеральные ассамблеи: 2004 г., Париж; 2006 г., Пекин; 2008 г., Монреаль; 2010 г., Бремен; Семинары: Израиль 2004 г., 2006 г., 2008 г.).
• На ассамблеях Европейского Геофизического Союза (2000 — 2004 г.г., Ницца; 2005-2007 г.г., 2009 г. Вена).
• На 10-й ассамблее по геомагнетизму и аэрономии (1АСА) (2005 г., Тулуза, Франция).
8
• На 6-й ассамблее Геофизического Союза стран Азии и Океании (2009 г. Сингапур).
• На конференциях проекта Интербол (2000 г. Киев; 2001 г. Польша; 2002 г., Болгария).
• На конференциях проекта Cluster (2008 г., Тенериф, Испания; 2009 г. Венеция, Италия; 2009 г. Упсала, Швеция; 2010 г. Пояна-Брасов, Румыния).
• На международных конференциях по суббурям (5-я конференция, г. Санкт-Петербург, 2000 г.; 6-я конференция, г. Сиэтл, США, 2002 г.).
• на всероссийской конференции по физике солнечно-земных связей г. Иркутск, 2001
• на Международном симпозиуме памяти проф. Ю. Гальперина, Москва, 2003 г.
• NATO Advanced Research Workshop and COSPAR Colloquium, Прага, Чехия, 2003
• на Международном симпозиуме “Recent Observations and Simulations of the Sun-Earth System”, Варна, Болгария, 2006 г.
• на IV международной конференции «Солнечно-земные связи и предвестники землетрясений», с. Паратунка, п-ов Камчатка, 2007 г.
• на 4-й Альвеновской конференции, г. Аркашон, Франция, 2007г.
• на международной конференции, посвященной Международному гелиофизическому году, г. Звенигород, 2007 г.
• на международной конференции «Плазменные явления в солнечной системе: открытия К.И. Грингауза - взгляд из XXI века". Москва, 2008 г.
• 31-м и 32-м ежегодных Апатитеких семинарах "Физика авроральных явлений", Апатиты, 2008, 2009 г.г.
• на международной конференции “Plasma-wave processes in the Earth’s and planetary magnetospheres, ionospheres and atmospheres”, Нижний Новгород, 2009 г.
• на 4-th International Sakharov Conference on Physics, Москва, 2009 г.
• на конференциях по Программе ОФН, 2008, 2009 г.г.
а также на семинарах ИКИ РАН. НИИЯФ МГУ, семинарах университетов
Токио и Киото, ISAS (Япония), университета Калабрии (Италия), CESR
(Франция)
9
Личный вклад автора
Практически во всех исследованиях, представленных в диссертации, автору принадлежат постановка научной задачи, разработка метода исследований, анализ данных и интерпретация результатов.
Краткое содержание диссертации
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения и списка литературы, содержит 219 страниц (включая 90 рисунков, 4 таблицы и бибшюграфшо из 231 наименований).
Во введении сформулированы проблематика, актуальность и цели исследования ППС геомагнитного хвоста Земли, дана общая характеристика работы. Также затронут вопрос об используемой в работе русскоязычной терминологии.
В первой главе приведен обзор истории исследований ПГ1С и современного состояния знаний о его структуре и динамике. Кратко описаны существующие модели ускорения заряженных частиц, формирующих ППС, и их соответствие с наблюдениями.
Во второй главе описаны научные приборы на различных космических аппаратах, ставшие источниками экспериментальных данных, используемых в диссертации. Здесь также обсуждается методика идентификации ускоренных ионных структур, которые являются главным объектом исследований данной работы.
Третья глава посвящена обсуждению пространственно-временных характеристик ускоренных ионных структур, наблюдаемых в ППС, и методике их определения по данным четырехспутникового проекта Cluster.
В четвёртой главе рассмотрено влияние внешних условий (направления ММГ1) на эффективность ускорительных процессов в ТС геомагнитного хвоста. Также обсуждаются зависимости вероятности наблюдений в ППС ускоренных ионных структур, их энергий, и пространственного распределения источников ускорения в направлении утро-вечер, от уровня геомагнитной активности (часового индекса геомагнитной активности AL).
В пятой главе выполнены исследования структуры ионных и электронных распределений в Г1ПС хвоста во время длительных (~ нескольких часов) спокойных и слабовозмущенных геомагнитных условий (|ЛЦ < 300 нТ). В результате, впервые удалось экспериментально установить наличие в ТС геомагнитного хвоста квазистационарных резонансных источников неадиабатического ускорения ионов, находящихся в области замкнутых силовых линий магнитного поля, т.е. не являющихся областями, в которых происходит магнитное псресоединсние. Показано, что ускорение ионов в таких источниках происходит за счет квазистационарного электрического поля утро-вечер.
10
В шестой главе обсуждаются структуры ионных и электронных распределений в ППС хвоста, характерные для более возмущенных геомагнитных условий (\АЦ > 300 нТ), чем рассмотрсш!ые в предыдущей главе. Установлено, что в такие периоды ускорение ионов происходит, в основном, вблизи областей магнитного пересоединсния, что приводит к уширснию ионных распределений в пространстве скоростей и к появлению в ППС более энергичных ионов (с энергиями до 200 кэВ). Показано, что в такие периоды существенную роль в ускорении ионов играют индукционные электрические ПОЛЯ.
В седьмой главе выполнены исследования низкочастотных « Ор где Ор -локальная ионная циклотронная частота) электромагнитных колебаний, наблюдаемых
вблизи высокоширотной границы ППС. Статистически установлено, что низкочастотные колебания (0.004 - 0.02 Гц) наблюдаются в те интервалы времени, когда вдоль
высокоширотной границы ППС распространяются потоки высокоскоростных ионов
(скорость которых превышала локальную альвсновскую скорость в 2 и более раз). При этом, волновые возмущения магнитных силовых трубок высокоширотной части ППС
распространяются к Земле с локальной альвеновской скоростью и имеют длины волн ~5 - 20 Яе. Показано, что наиболее вероятным механизмом возбуждения этих длинноволновых электромагнитных колебаний является неустойчивость Ксльвина-Гельмгольтца.
В заключении сформулированы основные результаты исследований и результаты, выносимые на защиту.
В списке литсрагуры приведены цитируемые источники в алфавитном порядке.
И
Основные результаты данной работы изложены в следующих публикациях в
отечественной и зарубежной литературе:
1. Grigorenko Е.Е., А.О. Fedorov, L.A. Avanov and L.M. Zelcnyi. Transient intermittent structures in the plasma sheet-tail lobes interface, Proceedings of the V,h International Conference on Substorms, ESA SP-443,493-498,2000.
2. E.E. Grigorenko, Л.О. Fedorov, L.M. Zelcnyi. Statistical properties of beamlets in the Earth's magnetotail, Adv. Space Res., 30, 7. P. 1809-1816,2002.
3. E.E. Grigorenko, Л.О. Fedorov, L.M. Zelcnyi. Statistical study of transient plasma structures in magnetotail lobes and plasma sheet boundary layer: Interball-1 observations, Annaly Geophysicae, 20, 329-340, 2002.
4. E.E. Grigorenko, Л.О. Fedorov, J.A. Sauvaud, L.M. Zelcnyi. Bcamlct-Iikc non-dispersed PSBL plasma structures and their signatures in auroral region (statistical analysis of Interball-1 and -2 observations), Prceedings of VI International Conference on Substorms, 346-351,2002.
5. E.E. Grigorenko, Л.О. Fedorov, L.M. Zelcnyi, J.-A. Sauvaud. Coupling of transient plasma structures observed in the plasma sheet boundary layer and in the auroral region, Adv. Space Res., 31,5, 1271-1276,2003.
6. Зеленый JI.M., E.E. Грнгоренко, А.О. Федоров. Пространственно-временные ионные структуры в хвосте магнитосферы Земли: бимлеты как результат неадиабатического импульсного ускорения плазмы, Письма в ЖЭТФ, 80, 10, 771-783, 2004.
7. Григоренко Е.Е., Л.М. Зеленый, А.О. Федоров, Ж.-А. Саво. Влияние глобальной компоненты межпланетного магнитного поля на свойства импульсных ускорительных процессов в дальних областях хвоста магнитосферы Земли, Физика плазмы, 31, 3, 1-18, 2005.
8. Grigorenko Е.Е., Д.О. Fedorov E.Yu. Budnik, J.-A. Sauvaud, L.M. Zelenyi, H. Reme, M.W. Danlop, E. Penou. The spatial structure of beamlets according to CLUSTER observations, Planetary’ and Space Sci., 53, 1-3, 245-254, 2005.
9. Зеленый Л.М. и Григоренко E.E. Миссия “Cluster”, восставшая из огня подобно Фениксу, Природа, 5, 46-53, 2005.
10. Зеленый Л.М. и Григоренко Е.Е. Квартет “Cluster” исследует тайны магнитосферы, Природа, 6, 31-40, 2005.
11. Grigorenko Е.Е., L.M.Zelenyi, A.O.Fedorov, J.-A.Sauvaud. Imprints of non-adiabatic ion acceleration in the earth’s magnetotail: Interball observations and statistical analysis, Advances in Space Res., 38, 1, 37-46, 2006.
12. Zelenyi L.M., E.E. Grigorenko, J.-A. Sauvaud, R. Maggiolo. Multiplet structure of acceleration processes in the distant magnetotail, Geophys. Res. Lett., 33, L06105, doi: 10.1029/2005GL024901, 2006.
13. Maggiolo R, J.A. Sauvaud, D. Fontaine. A. Teste, E. Grigorenko, A. Balogh, A. Fazakerley, G. Paschmann, D. Dclcourl, II. Reme. A Multi-satellite Study of Accelerated Ionospheric Ion Beams Above The Polar Cap, Annales Geophysica, 24, 6, 1665-1684, 2006.
14. E.E. Grigorenko, J.-A. Sauvaud, L.M. Zelenyi. Spatial-Temporal characteristics of ion beamlets in the plasma sheet boundary layer of magnetotail, J. Geophys. Res., 112, A05218. P. doi: 10.1029/2006JA011986, 2007.
15. Л.М.Зеленый, M.C. Долгоносов, E.E. Григоренко, Ж.-А. Саво. Универсальные закономерности неадиабатического ускорения ионов в токовых слоях, Письма в ЖЭТФ, 85,4,225-231,2007.
16. Долгоносов М.С., Зеленый Л.М., Грнгоренко Е.Е., Сово Ж.-А. Траизиснтные свойства пространственных структур в пограничной области плазменного слоя, Космические Исследования, 46, 6, 563-571, 2007.
17. S. Sharma, R. Nakamura, A. Runov, Е. Е. Grigorenko, Н. Hasegawa, М. Hoshino, Р. Louam, С. J. Owen, A. Pctrukovich, J.-A. Sauvaud, V. S. Semenov, V. A. Sergeev, J. A. Slavin, B. U. "O. Sonncrup, L. M. Zelcnyi, G. Fruit, S. Haaland, H. Malova, and K. Snckvik. Transient
12
and Localized Processes in the Magnetotail: A Review, Annales Geophysicae, 26, 955-1006, 2008.
18. Grigorenko, E. E., M. Hoshino, M. Hirai, T. Mukai, and L. M. Zelenyi. “Geography” of ion acceleration in the magnetotail: X-line versus current sheet effects, J. Geophys. Res., 114. A03203, doi: 10.1029/2008JAO13811, 2009.
19. Grigorenko E.E., L.M. Zelenyi, M.S. Dolgonosov, J.-A. Sauvaud, Spatial and temporal structures in the vicinity of the Earth’s tail magnetic separatrix. Cluster observationsЛ Astrophysics and Space Science Proceedings.Eds. H. Laakso, M. Taylor, C.P.Escoubet, 435-453, 2009.
20. O. Chugunova, V. Pilipenko, E. Grigorenko, V. Martincs, J.-A. Sauvaud. Ground and ionospheric response to a bcamlet in the magnetotail, "Physics of Auroral Phenomena". Proceedings of XXXI Annual Seminar, 97-100,2008.
21. L.M. Zelenyi, M.Dolgonosov, E.E. Grigorenko, J.-A. Sauvaud. Peculiarities of the non-adiabatic ion acceleration in the current sheet of the Earth magnetotail. in Future Perspectives of Space Plasma and Particle Instrumentation and International Collaborations edited by M. Hirahara, I. Shinohara, Y. Miyoshi, N. Tcrada, and T. Mukai, American Institute of Physics, 5-14,2009.
22. E. Grogorenko, R. Koleva. Variability of discrete plasma structures in the lobe-plasma sheet interface, Compt. Rend. Acad. Bulg. Sci., 62, 11, 1449-1454, 2009.
23. Grigorenko, E. E., Burinskaya, Т. М., Shcvelev, М., Sauvaud, J.-A., and Zelenyi, L. M. Large-scale fluctuations of PSBL magnetic flux tubes induced by the field-aligned motion of highly accelerated ions, Annales. Geophysicae, 28, 1273-1288,2010.
24. Григорсико E.E., Колева P., Зеленый Л.М. и Сово Ж.-А. Ускоренные ионы, наблюдаемые в пограничном плазменном слое: пучки или потоки?, Геомагнетизм и Аэрономия, 50, 6, 749-761, 2010.
13
Обозначения и термины, используемые в диссертации.
В тексте обозначения векторов выделены жирным шрифтом, а проекций векторов — курсивом. В качестве основных систем координат используются:
1) геоцентрическая солнечно-эклиптическая система координат (ОБЕ) в которой ось X направлена вдоль линии Земля-Солнце, ось Ъ - вдоль нормали к плоскости эклиптики и ось У дополняет правую систему ортогональных векторов.
2) геоцентрическая солнечно-магнитосферная система координат (СБМ), в которой ось X направлена вдоль линии Земля-Солнце, ось Ъ является проекцией оси магнитного диполя на плоскость (К2) системы координат вЭЕ. Ось \ дополняет правую систему ортогональных векторов.
Численные значения физических величии даны в традиционной для данной отрасли науки единицах:
моменты времени - но мировому времени, и'Г
расстояния - в радиусах Земли, Ян (1 Ие = 6371 км)
скорость - в км/с
плотность ~ в см'3
энергия - в эВ
магнитное поле — в нТ
электрическое поле - в мВ/м
плотность электрического тока - в нА/м2
плотность потока энергии - в Дж/(м2сек)
Словосочетания «расстояние от (до) Земли» или «радиальное расстояние от (до) Земли» подразумевают расстояние от точки измерения до Земли вдоль линии Земля-Солнце (вдоль X). Также необходимо упомянуть об используемой в работе русскоязычной терминологии. Используемая в диссертации терминология основана на личном опыте автора и, возможно, не является оптимальной. Во избежание недоразумений, при первом использовании некоторых русскоязычных названий, в скобках приводятся их англоязычные аналоги. Ниже приводится список основных используемых сокращений. иТ - мировое время 11е - радиус Земли
І1ПС - пограничный плазменный слой
ПС - плазменный слой
ТС - токовый слой
НС — нейтральный слой
ММП - межпланетное магнитное поле
14
Глава 1. Пограничный плазменный слой, его пространственная структура, динамика и значение для циркуляции энергии в магнитосфере Земли.
1.1. История открытия и пространственно-временная структура Пограничного Плазменного Слоя (ППС).
С момента своего открытия в середине 60-х [159], геомагнитный хвост земной магнитосферы притягивает внимание исследователей как гигантский природный резервуар, в котором накапливается и высвобождается энергия, поступающая в магнитосферу из солнечного ветра. Геомагнитный хвост образуется за счет вытягивания силовых линий дипольного магнитного поля Земли на ночную сторону потоком солнечного ветра, обтекающим магнитосферу. Спустя примерно 10 лет после открытия хвоста, были описаны его основные плазменные области (рис.1.1) [16]:
1) пограничный слон, образуемый плазмой солнечного ветра, проникающей под магнитопаузу. Свойства плазмы в пограничном слое близки к её характеристикам в магнитослое, однако, её скорость несколько меньше. Пограничный слой формируется всюду на границе магнитосферы и на разных её участках носит разные названия: на малых геомагнитных широтах на дневной стороне магнитопаузы и на её флангах, он называется низкоширотным пограничным слоем. Высокоширотный поіраничньїй слой на ночной стороне магнитосферы принято называть плазменной мантией, а на сс дневной стороне -входным слоем.
2) Под плазменной мантией в северной и южной долях хвоста расположены протяженные области, называемые высокоширотными долями хвоста, или просто долями, заполненные холодной, как правило, разреженной плазмой (п < 0.1 см'3), замагниченной сильным магнитным полем, которое в северной доле хвоста направлено к Земле, а в южной - от Земли (|В| ~ 10 - 40 нТ, в зависимости ог расстояния до Земли; отношение теплового давления плазмы к магнитному давлению (5 « 1.0). Магнитные силовые линии высокоширотных долей хвоста открыты, то есть соединены с Землей лишь одним концов, другой же их конец связан с межпланетным магнитным полем.
3) Плазменный слой (ПС) хвоста магнитосферы находится на более низких геомагнитных широтах, чем высокоширотные доли хвоста, имеет толщину в несколько Rk и простирается поперёк всего хвоста от утреннего до вечернего флангов магнитосферы. В отличие от высокоширотных долей хвоста, 1IC заполнен горячей (тсмиерагура несколько кэВ) изотропной плазмой, тепловое давление
15
которой может в разы, а в его центральных областях в десятки и даже в сотни раз превышать магнитное давление (Р > 1.0) [34]. ПС является динамичной областью, в его центральных областях часто наблюдаются потоки ускоренной плазмы, движущиеся к Земле, причем скорость их направленного движения перпендикулярна локальному магнитному полю и составляет несколько сотен км/с [35, 177] Своим существованием геомагнитный хвост обязан току, текущему поперек хвоста в окрестности нейтральной плоскости (где происходит смена направления магнитного поля) в слое, называемом Токовым Слоем (ТС). ТС является сложной структурой, динамика которой во многом зависит от соотношения между захваченными и пролетными частицами [19]. Кроме того, ТС может быть неоднородным и состоять из нескольких «вложенных» токовых структур [228]. Толщина ТС изменяется в зависимости от фазы геомагнитной активности в пределах от 1-2 Як до размера - ионной инерционной длины (-600 км) [198, 184, 27]. Динамика этих, безусловно, интересных и важных для исследований областей, выходит за рамки данной работы.
Рис. 1.1. Схематическое изображение поперечного (в плоскости (К^оэм) сечения геомагнитного хвоста.
Уже на заре исследований геомагнитного хвоста внимание специалистов привлекли сложные нестационарные процессы, происходящие на границе ПС с высокоширотными долями хвоста [82, 217]. Первые важные результаты, продемонстрировавшие особый характер явлений, происходящих на границе ПС, были изучены экспериментаторами из
Вмсокошироп
ДОЛИ ХВОСТІ
I
Магнитосферный
погранслой
16
группы Франка на ИСЗ IMP-7,8 в конце 70-х годов [62, 82]. Было обнаружено, что при пересечении спутником границы Г1С, на расстояниях от Земли -30 - 40 Re, часто регистрировались быстрые плазменные потоки, движущиеся к Земле со скоростями ~ нескольких сотен км/с. Функция распределения ионов по скоростям в этих потоках (рис. 1.2) сильно отличалась от изотропных распределений Максвелла, даже при их сдвиге на дрейфовую скорость. Линии уровней функции распределения имели специфический «фасолевидный» вид, т.е. почти круговая форма линий уровня при больших значениях Vx сменяется приплюснутой, почти прямолинейной при уменьшении Vx. Примерно такие же анизотропные распределения (7J <Т±)наблюдались спутниками ISEE [41, 83]. Такая форма
функций распределений напоминала перуанскую фасоль и получила в англоязычной литературе название “lima-bean”.
Авторы работы [62] рассмотрели 20 случаев наблюдения таких потоков. Хотя специальных исследований их корреляции с геомагнитной активностью (ГА) не проводилось, авторы заметили, что в большинстве случаев высокоскоростные потоки наблюдались на границе ПС во время фазы восстановления. Однако, в более поздних исследованиях, выполненных на ИСЗ ГБЕЕ - 1, 2, была замечена неоднозначность связи явлений, происходящих на границе ПС, с наземными проявлениями ГА [138, 167, 69].
Vy,k м/с
Рис. 1.2. Функция распределения протонов в плоскости (ХУ), измеренная на границе ППС 26 января 1975г. спутником IMP 7 [62].
17
То, что наблюдаемые потоки представляют собой именно пограничное явление, было подтверждено анализом синхронных измерений на ИСЗ ПИР - 7, 8, которые, находясь на расстоянии ДZsм = 6.6. Ян друг от друга, последовательно (с интервалом ~ 70 мин) регистрировали пересечение границы ПС при его медленном расширении (со скоростью ~ 10 км/с), и наблюдали быстрые потоки плазмы, движущиеся к Земле со скоростями 350 и 700 км/с соответственно. Эти потоки исчезали при попадании спутника вглубь ПС.
Несколько позднее, когда стали возможными измерения трехмерных функций распределений ионов (данные спутников 18ЕЕ), было произведено детальное сравнения функций распределений ионов, измеренных в высокоширотной части хвоста, на границе ПС и в центральном ПС. В результате, было окончательно подтверждено существование пространственной границы - пограничной области - которая разделяет высокоширотную долю хвоста и центральный плазменный слой как северной, так и южной полусферы [138, 69, 174, 91, 92]. Эта область была названа Пограничным Плазменным Слоем (ППС) и признана важнейшей областью хвоста, с точки зрения транспорта энергии и импульса плазмы из источников ускорения, расположенных в дальних областях хвоста, к Земле [69]. Авторы подчеркивали большую значимость ППС даже в сравнении с экваториальной плоскостью хвоста, в которой, как следовало из некоторых \1ГД - моделей магнитного пересоединения в хвосте [42, 186] должны были бы распространяться наиболее интенсивные потоки плазмы, ускоренной в области магнитного пересоединения.
Измерения, производимые спутниками 18ЕЕ, обладали лучшим временным (и как следствие пространственным разрешением) по сравнению с предыдущими миссиями, кроме того, стало возможным измерять трехмерную ионную функцию распределений но скоростям. В результате было получено много новой информации, в частности, в работе [217] впервые сообщалось о том, что ускоренные ионные пучки могут двигаться вдоль магнитного поля не только к Земле, но и от Земли и часто навстречу друг другу (измерения производились в хвосте, на расстояниях 16 - 22 Яе от Земли). При движении спутника вглубь ППС, происходит трансформация функции распределении ионов по скоростям из распределений, образованных пучком ускоренных ионов, движущимся с малыми питч-углами и в одном направлении, (как правило, к Земле) в функцию распределения, образованную уже двумя пучками, движущимися также преимущественно вдоль магнитного поля, но уже во встречных направлениях (к Земле и от Земли), ну и наконец, ближе к ПС происходит изотропизация функции распределения ионов по скоростям (рис. 1.3).
Б работе [69] па примере анализа нескольких случаев, продемонстрировали, что встречные ионные пучки, так же как и пучки, идущие в одном направлении, наблюдаются в ППС независимо от фазы геомагнитной активности и в широком диапазоне энергий (до 100
18
кэВ). Однако, аналогичные исследования, выполненные в работе [138] показали, что наиболее энергичные пучки наблюдаются во время фазы восстановления.
Ур
о
ппс
ПС
Рис. 1.3. Типичные распределения дифференциального потока ионов в пространстве скоростей (F^F,), наблюдаемые спутниками Cluster на расстоянии от Земли X = -18 Re, на
высокоширотной границе ППС (пучок ионов, движущийся с малыми питч-углами, в одном направлении (к Земле)); внутри ППС (встречные ионные пучки) и в ПС (почти изотропное по скоростям распределение ионов).
В связи с этими наблюдениями в работе [42] было высказано предположение о том, что встречные, движущиеся от Земли пучки ускоренных ионов, имеют источником своего ускорения магнитную Х-линию, которая во время суббури может быть сформирована в ближнем хвосте, то есть между спутником и Землей. Однако, эти предположения противоречили фактам наблюдения встречных пучков во время спокойных периодов, когда Х-линия должна была бы находиться в дальних областях хвоста, т.е. за спутником. В результате общепринятым стало объяснение появления встречных пучков в ППС, отражением «прямых», движущихся к Земле пучков, от магнитных зеркал, сформированных сильным магнитным полем вблизи Земли. Свидетельствами в пользу этого объяснения являются, в первую очередь, факт наблюдения встречных пучков на более низких широтах (внутри ППС) и их более низкая интенсивность по сравнению с прямыми пучками, за счет частичного высыпания в высокоширотной авроральной области [209, 174].
19