Сильные возмущения солнечного ветра и динамика магнитосферы под их воздействием

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение (Обзор литературы и постановка задачи)...........................4
Глава I. Методика проведения плазменных измерений и обработки
данных на спутниках Прогноз-7, 8, 10 и Интербол-1 ........................12
1.1 .Описание плазменных экспериментов и методики обработки данных на спутниках Прогноз-7, 8.........................................12
1.1.1. Плазменный комплекс СКС-04 и интегральный детектор заряженных частиц малой энергии................................12
1.1.2. Методика обработки данных................................17
1.2. Описание комплекса научной аппаратуры спутника
Прогноз-10.....................................................20
1.3.Методика проведения плазменных и магнитных измерений и обработка данных на спутнике ИНТЕРБОЛ-1............................21
1.3.1. Описание аппаратуры......................................22
1.3.2. Обработка данных прибора Электрон........................27
1.4. Выводы.........................................................28
Глава 2. Вариации параметров солнечного ветра, связанные с межпланетными ударными волнами.......................................... 30
2.1. Общая характеристика межпланетных ударных воли...............31
2.2. Вариации кинетических параметров плазмы на фронте межпланетных ударных волн...........................................33
2.3. Крупномасштабная структура течения плазмы за фронтом
ударной волны...................................................36
2.4. Распространение межпланетных ударных воли....................38
2.5. Энергетические характеристики ударных волн...................39
2.6. Потенциальный барьер на фронте межпланетных ударных волн 41
2.7. Низкочастотное излучение на фронте межпланетных ударных
волн....................................................................................................43
2.8. Обсуждение результатов и выводы..............................45
Глава 3. Статистика крупномасштабных вариаций параметров солнечного ветра.........................................................•...........47
3.1. Средние значения энергии и импульса солнечного ветра.........48
3.2. Изменчивость потока энергии и импульса солнечного ветра 51
3.3. Спектры флуктуаций потоков энергии и импульса................53
3.4. Обсуждение результатов и выводы..............................56
Глава 4. Кратковременные возмущения магнитного поля в дневной магнитосфере и их связь с динамикой условий в межпланетной среде 57
4.1. Используемые данные..........................................58
4.2. Событие 24 мая 1985г.........................................59
4.2.1. Положение спутников..................................59
4.2.2. Магнитосферные возмущения............................60
3
4.2.3. Одновременные вариации солнечного ветра............62
4.2.4. Количественная оценка воздействия вариаций динамического давления....................................62
4.2.5. Динамика межпланетного магнитного поля.............65
4.3. Событие 10 мая 1985 г......................................67
4.4. Событие 12 августа 1985 г..................................71
4.5. Статистическое рассмотрение межпланетных источников магнитосфсрных возмущений.......................................73
4.6. Выводы.....................................................77
Глава 5. Воздействие области горячего аномального течения плазмы солнечного ветра на магнитосферу.......................................79
5.1. Общая характеристика события 24 июля 1996г.................80
5.1.1. Наблюдения на спутнике ИНТЕРБОЛ-1 .................80
5.1.2. Наблюдения на субспутнике МАГИОН-4.................88
5.1.3. Параметры удаленного солнечного ветра по
данным космического аппарата WIND....................89
5.1.4. Поведение солнечного ветра вблизи ударной волны 91
5.1.5. Наблюдения переходной области и магнитосферы на спутнике Geotail..........................................92
5.1.6. Вариации магнитного поля на геосинхронной орбите 94
5.1.7. Динамика авроралыюго овала по данным спутника POLAR.....................................................96
5.1.8. Наземные наблюдения................................97
5.2. Интерпретация наблюдений и выводы..........................98
Глава 6. Вариации параметров солнечного ветра и межпланетного магнитного поля и развитие суббури на примере события 13.11.96........101
6.1. Условия в межпланетной среде...............................104
6.2. Развитие суббури по наземным данным и измерениям на геосинхронной орбите............................................104
6.3. Развитие суббури на границе плазменного слоя в хвосте......109
6.3.1. Наблюдения на спутнике ИНТЕРБОЛ-1 (Х=-27.5 RE) 109
6.3.2. Измерения, выполненные спутником GEOTAIL
(Х=-22 Re)...........................................Ill
6.4. Обсуждение результатов.....................................112
6.4.1. Вариации тока, текущего поперек хвоста, во время суббури...................................................112
6.4.2. Распространение плазмоида..........................116
6.4.3. Наблюдение плазменной мантии.......................118
6.5. Выводы.....................................................119
Заключение............................................................120
Список литературы.....................................................123
ВВЕДЕНИЕ
Солнечный ветер является одним из главных факторов, определяющих физические условия в околоземном межпланетном пространстве. Он представляет собой всегда существующий, но сильно изменчивый поток плазмы, возникающий в верхней короне Солнца, распространяющийся радиально от Солнца и несущий с собой магнитные поля солнечного происхождения. Солнечный ветер формируется при газодинамическом расширении солнечной короны. При тех высоких температурах, которые существуют во внешней солнечной короне (~ МО6 К), давление вышележащих слоев короны не может уравновесить термическое давление вещества короны, и корона начинает расширяться.
Указания на существование хотя бы иногда в межпланетном пространстве корпускулярного излучения, направленного от Солнца, были получены уже во второй половине XIX века [1]. Гипотеза о непрерывном солнечном ветре была экспериментально обоснована Бирманом путем исследования поведения ионизированных хвостов комет [2]. Он предположил, опираясь на экспериментальные данные о том, что молекулярные ионы в ярких комегных хвостах всегда испытывают ускорение, направленное в антисолнечном направлении, что Солнце излучает частицы не спорадически, а непрерывно во всех направлениях.
Впервые теорию протяженной солнечной короны выдвинул Чепмен [3], который рассматривал солнечную корону как статическую атмосферу, перенос энергии в которой осуществляется только за счег теплопроводности. В своей пионерской работе Паркер [4], анализируя условия равновесия вещества короны, показал, что модель статической короны Чепмена дает слишком высокие значения давления на бесконечности по сравнению с давлением в межзвездной среде. Это обстоятельство привело Паркера к выводу, что корона не может находиться в условиях гидростатического равновесия, а должна расширяться в космическое пространство под действием градиента атмосферного давления, образуя солнечный ветер. Переход скорости корональной плазмы через скорость звука происходит на расстояниях порядка 10 радиусов Солнца и около Земли скорость плазмы составляет ~ 300 ш/с. Паркер также пришел к выводу, что при расширении корональной плазмы с вмороженным в нес магнитным полем силовые линии межпланетного магнитного поля, благодаря вращению Солнца, приобретают форму спирали.
Идеи Паркера нашли блестящее подтверждение в прямых измерениях, выполненных на космических аппаратах.
Первые эксперименты, проведенные на космических аппаратах Луна-2, 3 [5] и Венера-1 [6] подтвердили, что межпланетное пространство заполнено плазмой. Эти эксперименты показали, что в отдельные периоды регистрировались потоки ионов с энергиями больше 50 эВ и плотностями потока порядка 108 частсм^с1. Существование непрерывного солнечного ветра впервые было доказано в эксперименте
5
на космическом аппарате Маринер-2 [7]. Было показано, что солнечный ветер существует постоянно, и его скорость варьируется в пределах 300-S-800 км/с. Измерения энергетических спектров ионов обнаружили, что кроме основной - протонной компоненты - в солнечном ветре присутствует также и гелиевая компонента, движущаяся, в среднем, с той же скоростью.
Систематические измерения основных параметров солнечного ветра - скорости, температуры и концентрации ионов начались в 60-е годы для отдельных периодов времени и со второй половины 70-х годов стали почти непрерывными [8]. Эти измерения показали, что солнечный ветер имеет сильно неоднородную структуру, его скорость, температура, концентрация и величина и направление магнитного поля подвержены сильным вариациям на разных временных масштабах. Среди крупномасштабных вариаций выделяются высокоскоростные (> 550 км/с) и низкоскоростные (< 350 км/с) потоки солнечною ветра и возмущения, связанные с распространением межпланетных ударных волн. Мелкомасштабные флуктуации параметров солнечного ветра связаны с прохождением разрывов, кратковременных скачков давления и его модификацией в области форшока.
Высокоскоростные потоки солнечного ветра характеризуются быстрым увеличением скорости на ведущем краю потока от предшествующего уровня до ~ 600 - 800 км/с и относительно медленным уменьшением в отстающей части в течение нескольких суток. Кроме того, при взаимодействии быстрого потока й медленного солнечного ветра на ведущем краю потока образуется область сжатия.
В настоящее время показано, что источниками высокоскоростных потоков солнечного ветра являются так называемые «корональные дыры» - области в фотосфере и нижней короне Солнца с открытой расходящейся конфигурацией магнитного поля и более низкой температурой и плотностью [9]. Корональные дыры - крупномасштабные долгоживущие образования, вращающиеся вместе с Солнцем, и именно этим объясняется достаточно частая рекуррентность региеграции высокоскороегных потоков с периодом в 27 дней. Вклад высокоскоростных потоков в общий поток солнечного ветра максимален во время минимума солнечной активности.
Медтснный солнечный ветер образуется в областях короны с замкнутыми арочными конфигурациями магнитных полей, преимущественно в районе солнечного экватора, где истечение солнечного ветра несколько подавлено. Т.к. такие области имеют наибольшую протяженность вблизи фазы роста и в максимуме солнечной активности, то низкоскоростные потоки солнечного ветра преобладают в периоды около максимума солнечного цикла.
К началу наших работ многие аспекты изменчивости потоков энергии и импульса солнечного ветра были недостаточно изучены.
Одним из важнейших источников возмущенное™ межпланетной среды являются межпланетные ударные волны. На фронте ударной волны
6
происходит большой рост всех кинетических параметров солнечного ветра, возникновение потенциального барьера и генерация низкочастотных колебаний [10-12]. Межпланетные ударные волны несут от Солнца к Земле огромные потоки энергии и импульса. Долгие годы считалось, что межпланетные ударные волны образуются исключительно в результате солнечных вспышек. Межпланетные ударные волны подразделяли на «поршневые», за которыми двигалось выброшенное во время вспышки солнечное вещество, и «взрывные», без выброса. В настоящее время считается, что большая часть межпланетных ударных волн возникает при движении быстрых выбросов коронального вещества, а оставшаяся - во вспышках [13]. Частота их появления пропорциональна солнечной активности. Изучение межпланетных ударных волн началось давно, но до наших работ систематизации наблюдений проведено не было.
Межпланетные ударные волны, высокоскоростные и низкоскоростные потоки солнечного ветра являются проявлением крупномасштабных, долговременных вариаций солнечного ветра, во время которых его параметры сильно отклоняются от среднего значения в течение многих часов.
На пути распространения солнечного ветра лежит Земля со своей магнитосферой. Естественно, что солнечный ветер, огибая магнитосферу, взаимодействует с ней, образуя 1раницу взаимодействия - магнитопаузу, которая разделяет области межпланетного и геомагнитного поля. На магнитопаузе поддерживается баланс давления солнечного ветра и магнитного поля Земли. Это означает, что любые изменения в давлении солнечного ветра должны отражаться на положении магнитопаузы и приводить к изменению магнитосфериого поля. Следовательно, вариации потока солнечного ветра, связанные с распространением высокоскоростных и низкоскоростных потоков и межпланетных ударных волн должны приводить к продолжительному воздействию на магнитосферу Земли в целом и определять ее крупномасштабную динамику'. По т.к. разные потоки солнечного ветра переносят разные потоки энергии и импульса, то их геоэффеюгивность будет различной. Кроме того, относительные вариации потоков энергии и импульса солнечного ветра могут быть различными, и соответственно, по разному влиять на магнитосфсрные процессы. Обычно, воздействие высокоскоростных потоков солнечного ветра проявляется в виде рекуррентных геомагнитных бурь [14]; резкие скачки ллогности солнечного ветра приводят к внезапным геомагнитным импульсам [15]; а приход к Земле межпланетной ударной волны вызывает внезапное начало бури [16]. Несмотря на большое количество работ, посвященных вариациям параметров солнечного ветра и явлениям, возникающим в нем, их воздействие на магнитосферу до сих нор недостаточно изучено.
Помимо продолжительных крупномасштабных вариаций параметров солнечного ветра, существуют короткие по времени и часто встречающиеся быстрые вариации динамического давления солнечного
7
ветра и изменения ориентации межпланетного магнитного поля [17-21]. Их воздейегвие наиболее часто проявляется в виде быстрых импульсных возрасганий или снижений величины магнитного поля в дневной магнитосфере. Кроме тою, причинами кратковременного возмущения ноля в дневной магнитосфере могут быть модуляция динамического давления солнечного ветра перед дневной магнитопаузой вследствие изменения ориентации межпланетного магнитного поля, быстрые волны разрежения или сжатия, возникающие из-за пересоединения или переброса магнитных силовых линий на дневной магнитопаузе. Каждое из описанных воздействий в определенных условиях может влиять на динамику возмущений магнитосферного поля, при этом характер и степень этого влияния требуют детального изучения. Остаются неясными количественные соотношения между межпланетными и магнитосферными возмущениями. Статистический анализ сопоставления быстрых возмущений магнитного поля в дневной магнитосфере с вариациями парамегров межпланетной среды до наших исследований проведен не был.
Кроме того, в конце 80-х годов были обнаружены области горячего аномального течения плазмы в форшоке солнечного вегра непосредственно перед околоземной ударной волной [22, 23]. Эти области, образующиеся при взаимодействии тангенциального разрыва в солнечном ветре с околоземной ударной волной, заполнены горячей плазмой, имеющей необычно большую компоненту скоросги в направлении, перпендикулярном линии Солнце-Земля, и незначительную компоненту скорости в антисолнечном или солнечном направлении. Па передней и задггей границах области аномального течения динамическое давление резко и ненадолго возрастает в 3-4 раза по сравнению с солнечным ветром, а внутри области радиальная компонента динамического давления падает на порядок. Области горячего аномачьного течения наблюдались и внутри магнитослоя [24, 25]. Учитывая подобные наблюдения, правомерно поднять вопрос о реакции прилегающего участка магнитопаузы на столь сильные изменения давления. Для ответа на него необходимо провести одновременные многоспутниковые измерения в нескольких сопряженных областях в солнечном ветре, форшоке, переходной области и магнитосфере, что, до недавнего времени, сделано не было.
Теоретические расчеты подтверждают, что области горячего аномального течения плазмы могут образовываться посредством кинетических процессов в форшоке при взаимодействии тангенциального разрыва в солнечном ветре с квазипараллельной околоземной ударной волной [26, 27]. Однако в этих теоретических работах [26, 27] магнитопауза не двигалась, т.е. ее положение для простоты было зафиксировагго.
Ранние исследования установили, что на эффективность взаимодействия между солнечным ветром и магнитосферой сильно влияет ориентация межпланетного магнитного поля. Эффективность
8
сильно возрастает при южном направлении межпланетного магнитного поля, когда инициируется процесс перссоединения магнитных силовых линий на дневной магнитопаузе [28]. А это приводит к сильному изменению магнитосферного поля как на дневной стороне магнитосферы, так и в ее хвостовой части. В результате перссоединения часть открытых силовых линий, одним концом соединенных с Земным диполем, переносится в хвостовую магнитосферу, приводя к медленному спаду величины поля в дневной магнитосфере и его росту' в долях хвоста. Таким образом часть кинетической энергии солнечного ветра преобразуется в магнитную энергию магнитосферы и накапливается в ее хвосте, приводя к усилению тока текущего поперек хвоста, влияя на магнитную активность в ионосфере и внутренней магнитосфере и вызывая магнитосферные суббури и магнитные бури [29].
Изменение интенсивности тока, текущего поперек хвоста, может происходить и при сжатии и разрежении магнитосферы под воздействием динамического давления солнечного ветра. Корреляция между током, текущим поперек хвоста и динамическим давлением солнечного ветра была описана в работах [30, 31]. Таким образом, вариациями интенсивности тока хвоста управляют динамическое давление и магнитное поле солнечного ветра. Однако, их вклад в динамику суббури на разных стадиях развития требует дальнейшего изучения.
Среди моделей, описывающих развитие суббури, наибольшей популярностью пользуются модель образования околоземной нейтральной линии 1321 и модель разрушения токового слоя [33]. В модели разрушения токового слоя предполагается, что баллонная или кинетическая дрейфовая неустойчивость приводит к ослаблению ,тока в плазменном слое на расстоянии X ^ -10 после чего происходит диполизация, т.е. перестройка магнитного поля и формирование токового клина в этой зоне. В процессе развития суббури область, где происходит ослабление тока, распространяется в антисолнечном направлении. Преимуществом этой модели является ее хорошее соответствие наблюдаемым характеристикам суббури в авроральной области, а существенным недостатком - отсутствие объяснения образования плазмоида.
Модель образования околоземной нейтральной линии нредсказываег, что образовавшаяся на расстоянии между -20 и -30 от Земли нейтральная линия вызывает пересосдинсние магнитных силовых линий, приводя к быстрому переносу массы, магнитного потока и энергии в солнечном и антисолнечном направлениях. Эга модель даст хорошее описание топологии магнитного поля и потоков плазмы в плазменном слое во время суббури, но все же, остается неясным, способны ли быстрые потоки плазмы, текущие к Земле, переносить столь большие потоки энергии, выделяющейся при суббури.
Поэтому является необходимым объяснение наблюдаемых характеристик развития суббури в выбранном конкретном случае с помощью существующих теоретических моделей, что позволит проверить
9
их адекватность и сделать выбор в пользу той модели описания суббури, которая лучше соответствует наблюдениям.
Итак, накопленный экспериментальный материал свидетельствует, что солнечный ветер является одним из основных, если не самым важным агентом, переносящим возмущения от Солнца к Земле. Солнечный ветер существует постоянно и обладает неисчерпаемым разнообразием свойств и качеств. Для нею характерны сильная пространственная неоднородность и большая изменчивость со временем. И именно эта постоянная изменчивость солнечного ветра является источником его переменного воздействия на магнитосферу Земли, приводящего к сильным возмущениям: сжатию и разрежению магнитосферы,
формированию рекуррентных геомагнитных возмущений, магнитосферных суббурь и магнитных бурь, влияющих, в конечном итоге, на техногенную сферу деятельности человека.
Несмотря на большое количество работ, как экспериментальных так и теоретических, связанных с исследованием разнообразных вариаций параметров плазмы солнечного ветра в широком диапазоне пространственных и временных масштабов, многие свойства и характеристики этих вариаций остаются до конца не изученными, особенно вопросы пространственною масштаба явлений и их внутренней структуры. Реакция различных областей магнитосферы на изменения в солнечном ветре во многих аспектах остается неясной. В частности, неясными остаются количественные соотношения между межпланетными возмущениями и их магнитосферными проявлениями, повторяемость различных типов возмущений и результат их суммарного действия.
Исходя из вышеизложенного были сформулированы задачи данной работы, которые состояли в следующем:
1. Исследование крупномасштабных вариаций параметров солнечного вегра, в первую очередь, его характеристик, связанных с распространением межпланетных ударных волн, высокоскоростных и низкоскоростных потоков солнечного ветра.
2. Статистические исследования свойств межпланетных ударных волн.
3. Статистический анализ связи между кратковременными (в пределах нескольких минут) возмущениями магнитного поля в дневной магнитосфере и вариациями давления солнечного ветра и межпланетного магнитного поля.
4. Изучение воздействия области горячего аномального течения на магнитосферу Земли.
5. Исследование влияния вариаций параметров солнечного ветра -динамического давления плазмы и ориентации магнитною поля - на развитие суббури.
Перечисленные выше задачи решались с помощью проведения прямых экспериментов на космических аппаратах («Прогноз-7, 8, 10», ИНТЕРБОЛ-1), обработки измерений и анатиза полученных данных. Данные других экспериментов, в том числе выполненных на других
10
спутниках, привлекались для сопоставления и получения наиболее полного набора характеристик изучаемого явления.
Практическая значимость работы. Основным содержанием диссертационной работы является изучение различных явлений, связанных с вариациями параметров солнечного ветра и их воздействием на магнитосферу Земли и именно этим определяется практическая значимость данной работы. Полученные в результате этого исследования сведения будут способствовать развитию количественных моделей солнечного ветра и лучшему пониманию механизмов его взаимодействия с магнитосферой Земли, разработке методов предсказания космической погоды.
Личный вклад автора.
Автор принимал участие в постановке задач и выборе метода их решения. Автор разрабатывал алгоритмы и программы обработки экспериментальных данных, полученных с помощью спутников «Прогноз-7, 8, 10», непосредственно участвовал в анализе полученных результатов и их интерпретации. Кроме того, диссертант лично участвовал во всех стадиях экспериментальных работ но прибору «Электрон» проекта ИНТЕРБОЛ-1 (включая разработку, все виды испытаний и управление прибором в полете), в обработке этой информации (включая разработку алгоритмов и программ физической обработки измерений) и в проведении систематического анализа данных.
Вклад автора в осуществление расчетов и анализ результатов является определяющим.
Структура работы.
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, содержит 133 страницы, 50 рисунков и 7 таблиц. Список литературы насчитывает 172 наименования.
Во введении сформулирована тема диссертации, обоснована ее актуальность, обозначены задачи работы и направления исследований, описана структура диссертационной работы.
В первой главе содержится краткое описание методики проведения измерений и обработки экспериментальных данных на высокоапогейных спутниках «Прогноз-7, 8, 10» и ИНТЕРБОЛ-1.
Вторая глава посвящена исследованию сильных возмущений в солнечном ветре - межпланетных ударных волн на основе измерений выполненных с помощью спутников «Пропюз-7, 8».
В третьей главе приводятся результаты статистических исследований долговременных и крупномасштабных вариаций кинетических параметров плазмы солнечного ветра, связанных с высокоскоростными и низкоскоростными потоками.
Четвертая глава посвящена исследованию связи между вариациями парамезров солнечного ветра и кратковременными возмущениями геомагнитного поля в дневной магнитосфере, на основе измерений выполненных с помощью спутников Прогноз-10 и ООЕБ-5, 6.
11
Пятая глава посвящена комплексному исследованию уникального события - взаимодействию области горячего аномального течения с магнитосферой Земли.
В шестой главе рассматривается влияние вариаций давления плазмы и ориентации магнитного поля в солнечном ветре на развитие суббури.
В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.
Апробация работы.
Результата, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях: совещание по анализу солнечного максимума (Иркутск, 1985), STIP симпозиум по ретроспективному анализу и будущим координированным интервалам (Лес-Диаблеретс, 1985), XXVI сессия КОСПАР (Тулуза, 1986), 1-й КОСПАР коллоквиум (Варшава, 1989), ассамблея Американского Геофизического Союза (Балтимор, 1991), Chapman Conference on the Earth’s Magnetotail: New Perspective (Каназава, 1996), XXI ежегодный Агіатитский семинар (Апатиты, 1998), XXIII, XXIV, XXV и XXVI ассамблеи Европейского геофизического общества (Ницца, 1998, 2000, 2001, Гаага. 1999), международные симпозиумы по проекту ИНТЕРБОЛ (Кошице, 1998, Звенигород, 1999, Варшава, 2001), V международная конференция по суббурям (Санкт-Петербург, 2000).
Основные результаты, изложенные в диссергации, опубликованы в работах [60 - 63, 78, 79J (глава 2), [86 - 88] (глава 3), [105, 106] (глава 4), [124, 125, 128, 129] (глава 5) и [151] (глава 6).