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 ноля, собранных четырьмя спутниками КЛАСТЕР во время 154 переходов магнитослой-магнитосфсра на средних и высоких широтах. Выясняется зависимость толщины магнитопаузы от параметров в прилегающем магнитослос. 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
2
Содержание
Введение 10
1 Наблюдения четырьмя спутниками и методы анализа 13
1.1 Проект КЛАСТЕР.................................................. 13
1.1.1 Магнитометр FGM (Fluxgate Magnetometer)................... 14
1.1.2 Спектрометр CIS (КЛАСТЕР Ion Spectrometry)................ 17
1.1.3 Эксперимент EFW (Electric Field and Waves) ............... 19
1.2 Методы анализа.................................................. 20
1.2.1 Используемые системы координат............................ 21
1.2.2 Нахождение системы координат магнитопаузы................. 22
1.2.3 Определение скорости и толщины магнитопаузы............... 23
1.2.4 Определение плотности тока магнитопаузы................... 24
1.2.5 Определение волнового вектора............................. 25
2 Макроскопические характеристики магнитопаузы 27
2.1 Введение........................................................ 27
2.2 Параметры магнитослоя и магнитосферы вблизи магнитопаузы . . 34
2.2.1 Параметры плазмы.......................................... 43
2.2.2 Параметры магнитного поля................................. 45
2.2.3 Баланс давлений........................................... 46
2.3 Собственные параметры магнитопаузы.............................. 51
2.3.1 Геометрия магнитопаузы.................................... 53
2.3.2 Скорость, толщина и ток магнитопаузы...................... 56
2.3.3 Закон Ампера.............................................. 59
2.3.4 Открытая и закрытая магнитопауза ......................... 59
2.4 Выводы.......................................................... 62
3 Электромагнитные флуктуации в окрестности магнитопаузы 71
3.1 Введение........................................................ 71
3.2 Толщина магнитопаузы и плотность энергии магнитных флуктуаций 73
3.3 Строение тонкой магнитопаузы.................................... 74
3.3.1 Наблюдение тонкой магнитопаузы............................ 74
3.3.2 Роль электрического ноля в тонкой магнитопаузе............ 81
3.3.3 Диффузия за счет волн вблизи нижнегибридной частоты . . 82
3.3.4 Обсуждение ............................................... 84
3.4 Строение толстой магнитопаузы................................... 85
3.4.1 Наблюдение толстой магнитопаузы........................... 85
3.4.2 Диффузия за счет волн вблизи ионно-циклотронной частоты 89
3.4.3 Обсуждение ............................................... 92
3.5 Выводы.......................................................... 94
Положения, выносимые на защиту 96
Список публикаций
109
Список таблиц
З
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....................................... 31
2 Характеристики 52 токовых слоев магнитопаузы.................. 51
3 16 интервалов для исследования магнитных флуктуаций в окрестно-
сти токового слоя магнитопаузы по данным высокого разрешения (с частотой опроса 22.4 или 67 Гц)............................... 73
Слисок иллюстраций
4
Список иллюстраций
1 Строение магнитосферы Земли (Сгоокег е£ а/., 1999)......... 10
2 КЛАСТЕР в чистой комнате во время монтажа (собственность Европейского космического агенства) 13
3 Орбита и конфигурация тетраэдра КЛАСТЕР в плоскости (ХД
СЭЕ (см. раздел 1.2.1), когда апогей орбиты находится в солнечном ветре. Расстояния между аппаратами увеличены в десятки раз. Силовые линии магнитного поля построены согласно модели Цыганенко (Tsyganerlko, 1987) с индексом Кр = 2, местоположение магнитопаузы и ударной волны согласно ЭШеск а1 (1991) (давление солнечного ветра 2 нПа) и Регес1о с1 а1 (1995) (альфвеновское число Маха
от 2 до 20) (Escoubet et al, 1997).................................... 14
4 Четверка аппаратов КЛАСТЕР во время пересечения магнитопаузы
в воображении художника............................................... 15
5 Расстояния между аппаратами КЛАСТЕР в период с января 2001 по
июнь 2006гг. ......................................................... 16
6 Базовая схема феррозондового магнитометра.............................. 17
7 Прибор Fluxgate Magnetometer (FGM) для аппаратов КЛАСТЕР, состоящий из устройства цифровой обработки (Digital Processing Unit DPU) слева и двух датчиков, соединенных с DPU кабелем (Balogh
et at.., 1993, 1997, 2001)............................................ 18
8 Спектрометр CLUSTER Ion Spectrometer (CIS) на борту четверки аппаратов КЛАСТЕР способен измерять пространственные распределения ионов за один спин (4 секунды). CIS состоит из двух детекторов: ion Composition Distribution Function analyzer (CIS/CODIF) и Hot Ion Analyzer (CIS/HIA), а так же цифрового модуля обработки измерений Data Processing System (DPS) (Reme et at., 1997; Rfeme
et al, 2001).......................................................... 19
9 Схематическое изображение детектора CIS/HIA в разрезе.................. 20
10 Схематическое изображение детектора CIS/CODIF в разрезе 21
11 Эксперимент The Electric Field and Wave (EFW) на борту четвер-
ки аппаратов КЛАСТЕР разработан для измерения электрического ноля и плотности ионов (Gustafsson et al, 1997; Andr4 et al., 2001). . 22
12 Тетраэдр из четырех аппаратов КЛАСТЕР и измеряемые компоненты плотности тока (Dunlop et al., 2002b)................................... 24
13 Схематическое изображение полуденно-мсридианального сечения земной магнитосферы вблизи полярного каспа (показано только северное полушарие). Сплошная толстая линия отображает магнитопаузу, где она регулярно наблюдается. Штрихованная толстая линия показывает магнитопаузу над каспом, где она не формируется непрерывно. 30
Слисок иллюстраций
5
14 Данные с аппарата КЛАСТЕР-1 за 2000-2006 г.г. наблюдения, приведенные в системе координат, где ось абсцесс совпадает с осыо X в GSM системе координат, а по оси ординат отложены значения
y/Y2 + Z2, где Y и Z - соответствующие значения в GSM системе отсчета: (сверху вниз) среднее значение плотности, перпендикулярной температуры, параллельной температуры и модуля скорости протонов, а так же модуля магнитного поля............................. 35
15 Пример перехода из дневной магнитосферы в магиитослой аппаратом КЛАСТЕР-4 10 мая 2002 г. в промежуток времени 01:00-07:00 UT. (сверху вниз) Плотность потока энергии протонов, плотность, температура и скорость протонов, напряженность магнитного поля. 36
16 Пример перехода из магнитосферной доли через касп и дневную магнитосферу в магиитослой аппаратом СЬи8ТЕЯ-4 9 апреля 2002 г. в промежуток времени 0:00-7:00 ИТ. Формат тот же, что в рисунке 15. 37
17 Пример перехода из магнитослоя через касп в магнитосферную долю аппаратом КЛАСТЕР-4 25 марта 2002 г. в промежуток времени 06:00-09:00 11Т. Формат тот же, что в рисунке 15..................... 38
18 Пример перехода из магнитослоя через касп и плазменную мантию в магнитосферную долю аппаратом СЬи8ТЕИ-4 13 марта 2002 г. в промежуток времени 9:00-12:00 1)Т. Формат тот же, что в рисунке 15. 39
19 Пример перехода из магнитосферной доли через плазменную мантию в магиитослой аппаратом КЛАСТЕР-4 30 марта 2002 г. в промежуток времени 12:30-14:00 UT. Формат тот же, что в рисунке 15. ... 40
20 Карта 154 пересечений четырьмя аппаратами КЛАСТЕР различных типов границ между магннтослоем и магнитосферой. Типы границ перечислены в легенде........................................ 42
21 Распределение плотности (сверху) и температуры (в середине) протонов, а так же модуля магнитного поля (внизу) со стороны магнитослоя (слева) и в магнитосферы (справа) для 154 переходов квартета CLUSTER через пять групп границ между магнитослоем и магнитосферой. Цветовая кодировка в соответствии с рис. 20. Черным пунктиром показаны интегральные распределения......................... 44
22 Распределение соотношения концентрации и температуры протонов магнитослоя и магнитосферы (вверху); распределения плазменного параметра р и альфвеновского числа Маха (внизу) для 154 переходов магнитослой-магнитосфсра четверкой КЛАСТЕР через групп границ между магнитослоем и магнитосферой. Цветная кодировка соответствует рис. 20. Черным пунктиром показаны интегральные распределения......................................................... 45
Список иллюстраций
б
23 Распределение отношений напряженностей (слева) и угла (справа) между направлениями магнитного поля в магнитослос и в магнитосфере для 154 переходов квартета КЛАСТЕР. Цветовая кодировка в соответствии с рис. 20. Черным пунктиром изображено интегральное распределение. Оно также показано по отдельности для положительных (голубым) и отрицательных (желтым) В^-компонент магнитного поля в магннтослое.................................................. 46
24 (сверху вниз) Распределение лобового, теплового и магнитного давления магнитослоя, и теплового и магнитного давления магнитосферы для 154 переходов квартета CLUSTER. Цветовая кодировка в соответствии с рис. 20. Черным пунктиром изображено интегральное распределение используя все пять видов переходов....................... 49
25 Распределение отношения давления в магнитослое к давлению в магнитосфере (mpnpVр2 + п-ркрТр + B2/2(io)msh/(щквТр + B2/2h0)msp (справа: лобовое давление плазмы магнитослоя (трПрУ2)мзн умножено на cos2(ф)cos2(0), где ф и 9 - магнитная широта и долгота соответственно) для 154 переходов квартета CLUSTER. Цветовая кодировка в соответствии с рис. 20. Черным пунктиром - интегральное
распределение. Зеленым пунктиром - переходы магнитослой-дневная магнитосфера, где тепловое и магнитное давления магнитосферы меньше............................................................ 50
26 Пример пересечения магнитопаузы с прилегающим пограничным слоем низкоширотного типа. Данные четырех аппаратов КЛАСТЕР 2 марта 2002 в период 03:20-03:40 UT (сверху вниз): L, М и N компоненты магнитного поля, скорость протонов, плотность протонов и температура протонов................................................. 52
27 Пример пересечения магнитопаузы с прилегающим высокоширотным пограничным слоем "entry 1аусг"с завершающей областью захвата "trapping boundary"(ТВ). Формат тот же, что на рис. 26 . . . 53
28 Пример пересечения магнитопаузы с прилегающей плазменной мантией. Формат тот же, что на рис. 26.................................... 54
29 Местонахождение (начало векторов) и направление скорости движения (окончание векторов) магнитопаузы в (X,Z), (Y,Z) и (X,Y) плоскостях GSM системы отсчета для 52 пересечений магнитопаузы, представленных в таблице 2. Цвет указывает на различные типы прилегающего пограничного слоя......................................... 55
30 Распределение углов между направлением магнитного поля со стороны магнитослоя и со стороны магнитосферы для 52 пересечений магнитопаузы, представленных в таблице 2. Цветная кодировка согласно рис. 29......................................................... 56
Список иллюстраций
7
31 (слева направо, сверху вниз) Распределение скоростей в км/с, толщин в км, толщин в Ларморовских радиусах теплового протона маг-нитослоя рр и максимальных амплитуд тока внутри токового слоя магнитопаузы для 52 пересечений магнитопаузы, представленных в
таблице 2. Цветная кодировка соответствует рис. 29.................. 57
32 Диаграмма разброса безразмерной толщины магнитопаузы рЬв/рр в зависимости от угла между направлением магнитного поля со стороны магнитослоя и со стороны магнитосферы для 52 пересечений магнитопаузы, представленных в таблице 2. Цветная кодировка соответствует легенде рис. 29.............................................. 58
33 Диаграмма разброса толщины магнитопаузы в зависимости от величины параметра (3 (отношения теплового давления к магнитному) для 52 пересечений магнитопаузы, представленных в таблице 2. Цветная кодировка соответствует рис. 29 (Panov et ai, 2007).............. 59
34 Диаграммы разброса среднего значения «/^-компоненты плотности тока внутри токового слоя магнитопаузы в зависимости от скачка в /^-компоненте магнитного поля (вверху слева) и от толщины токового слоя магнитопаузы Ьв (вверху справа), а так же распределение величины ро(Зм)1'в/АВв для 52 пересечений магнитопаузы, представленных в таблице 2. Цветная кодировка соответствует рис. 29. . 60
35 Данные четырех аппаратов КЛАСТЕР (см. легенду вверху слева) во время пересечения магнитопаузы 16 июня 2002 г. в период 00:55:00 -00:56:00 ЦТ: Ь, М и N компоненты магнитного поля; модуль магнитного поля; угол проекции вектора магнитного поля в плоскости токового слоя магнитопаузы; Ь, М и N компоненты тока (см. легенду); плотность ионов; Ь, М и N компоненты скорости ионов; температура
ионов. Внизу также представлен пространственный масштаб 63
36 Годографы магнитного поля (вверху), скорости ионов (в середине) и тока (внизу) в (Ь,М)-плоскости (слева) и в (Ь,К)-плоскости (справа)
во время пересечения магнитопаузы, представленной на рис. 35 . . . 64
37 То же, что на рис. 35 во время пересечения магнитопаузы 10 мая 2002 г. в период 04:26:35 - 01:27:05 ЦТ............................ 65
38 То же, что на рис. 36 во время пересечения магнитопаузы, представленной на рис. 37 66
39 То же, что на рис. 35 во время пересечения магнитопаузы 21 февраля 2001 г. в период 01:21:30 - 01:22:30 ОТ............................ 67
40 То же, что на рис. 36 во время пересечения магнитопаузы, представленной на рис. 39 68
Список иллюстраций
8
41 Интегральные энергетические спектры флуктуаций магнитного поля в Ві (слева), Вм (в середине) и В^ (справа) компонентах полученные с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье. Спектры представлены для 16 интервалов, расположенных со стороны магни-тослоя от токового слоя магнитопаузы из таблицы 3. Цветная шкала отображает толщину токового слоя магнитопаузы в км........................... 75
42 То же, что на рисунке 41. Цветная шкала отображает толщину токового слоя магнитопаузы в рр................................................ 76
43 Интегральные спектры плотности флуктуаций магнитного ноля в В і (слева), Вм (в середине) и В^ (справа) компонентах полученные с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье. Спектры представлены для 16 интервалов, расположенных со стороны магнитосферы от токового слоя магнитопаузы из таблицы 3. Цветная шкала отображает толщину токового слоя магнитопаузы в км.. 77
44 То же, что на рисунке 41. Цветная шкала отображает толщину токового слоя магнитопаузы в рр................................................ 78
45 Данные четырех аппаратов КЛАСТЕР 30 март 2002 г. в промежуток времени 13:11:40-13:11:55 ЦТ. (сверху вниз) ЬМИ компоненты магнитного поля, модуль магнитного поля, агс1ап(Вь1'#а/), тангенциальная (черным) и нормальная (желтым) компоненты плотности тока, 1^-компонента электрического поля (примерно вдоль Хсэе), плотность протонов, масштаб.................................................. 79
46 Годографы магнитного поля (с частотой опроса 66 Гц), скорости (с частотой опроса 0.25 Гц) и плотности тока в плоскости токового слоя магнитопаузы 30 марта 2002 г. в промежуток времени 13:11:40-13:11:55 ИТ.................................................................. 80
47 Нормальные компоненты Е (пурпурным), - V х В (черным) и х В (голубым) членов обобщенного закона Ома, а так же сумма Е+V х В (зеленым) для аппаратов СЬиБТЕІІ-З и -4 во время последовательного пересечения трех токовых слоев магнитопаузы............................. 80
48 (слева) Спектральная плотность энергии электрических и магнитных флуктуаций, наблюдаемая внутри токового слоя 30 марта 2002 г. в промежуток времени 13:11:44-13:11:48 ЦТ. (справа) Отношение энергии флуктуаций в электрическом поле к энергии флуктуаций в магнитном поле за тот же промежуток времени.................................. 81
49 Нормальная компонента векторного произведения флуктуаций магнитного поля и тока в диапазоне частот 1-67/2 Гц (вверху) и 4-67/2 Гц (внизу) дія четырех аппаратов КЛАСТЕР (см. легенду для цветной кодировки)............................................................... 83
- Киев+380960830922