|
Солнечно-земная
Физика
|
Я. И. Фельдштейн, Ю. И. Гальперин
СТРУКТУРА АВРОРАЛЬНЫХ ВТОРЖЕНИЙ В НОЧНОМ СЕКТОРЕ МАГНИТОСФЕРЫ, ч.1
КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 1996, 34, ? 3, с. 227-247
Новейшие спутниковые наблюдения структуры крупномасштабных вторжений плазмы авроральных энергий на высоты верхней атмосферы в ночном секторе сопоставлены с широко обсуждаемыми в литературе схемами Виннингхама и др. [1] и Фельдштейна Гальперина [2]. Обсуждена связь плазменных вторжений на малых высотах с плазменными доменами во внутренней и внешней магнитосфере. Предложена система "естественных трассирующих индикаторов", которые, из физических соображений, располагаются вдоль магнитных силовых трубок, являются плазменными границами в магнитосфере и идентифицируемы экспериментально на разных высотах. В развитие используемой в [2] структуры плазменных вторжений предложена новая идентификация ее границ [3], основанная только на наблюдениях спутников на малых высотах. Содержится сводка предлагаемой взаимосвязи структурных областей плазменных вторжений на авроральных высотах с плазменными доменами магнитосферы, а также приведена сводка основных границ плазменных вторжений и их геофизических проявлений на высотах верхней атмосферы, а также их трассирования в магнитосферу.
Оглавление
<> ВВЕДЕНИЕ
1. СТРУКТУРА ОБЛАСТИ ВТОРЖЕНИЯ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВ НА МАЛЫХ ВЫСОТАХ
2. ДИНАМИКА ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ И НЕКОТОРЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СВЯЗИ
ОБЛАСТЕЙ СВЕЧЕНИЯ СО СТРУКТУРОЙ МАГНИТОСФЕРЫ
3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОБЛАСТЕЙ ПЛАЗМЕННЫX ВТОРЖЕНИЙ В МАГНИТОСФЕРУ
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
5. ЛИТЕРАТУРА
ВВЕДЕНИЕ
В статье рассмотрена структура авроральных вторжений в области, ограниченной околополуночным сектором, который магнитными силовыми линиями проектируется на все сечение плазменного слоя от долей хвоста до плазмопаузы. Высокоширотные области на меридианах, отстоящих на 3 и более часа от полуночи, проектируются частично на граничные слои около магнитопаузы и находятся вне рамок данного рассмотрения.
Как и большинство существующих, предлагаемая ниже схема не может претендовать на универсальность. Помимо отмеченного выше ограничения по местному времени, она может быть усовершенствована при более детальном рассмотрении структуры приполюсной части области вторжения [4, 5]. Особое внимание привлекает обнаруженная в последнее время сложная взаимосвязь процессов в удаленной части хвоста и в полярной шапке [6, 7]. Не до конца следует считать изученным взаимное расположение диффузных и дискретных вторжений авроральной плазмы на разных фазах магнитосферной суббури, их расположение относительно границы устойчивого захвата энергичных электронов с энергией Е > 50 кэВ на малых высотах и внутренней границы плазменного слоя в магнитосфере [3].
Широкое распространение получила схема авроральных вторжений Виннингхама и др. [1], которая в дальнейшем будет обозначаться ВЯА75, основанная на детальном исследовании вторжений частиц по данным со спутников
ИСИС-1 и -2. В литературе обсуждается также и отличающаяся от нее схема, предложенная Фельдштейном и Гальпериным [2] (далее ФГ85), основанная на анализе данных серии спутников Ореол-1, -2 [8]. В [9] эта схема развита и подтверждена новыми данными, причем использованы данные спутника Ореол-3 (далее [9] обозначается ГФ91).
Рис. 1. Схематическое представление различных типов морфологии вторжения авроральных электронов на разных фазах магнитосферной суббури и их взаимосвязь с плазменными доменами в магнитосфере по Виннингхэму и др. [1] - (а) и Фельдштейну и Гальперину [2] - (6).
VА - внешний радиационный пояс, СРL - центральный плазменный слой (СРS на рис. 1а, см. текст), ВРL - граничный плазменный слой (ВРS на рис. 1а), RL - остаточный слой, РР - плазмопауза, Л, - граница устойчивого захвата энергичных (-50 кэВ) электронов, Ли- фоновая граница этих электронов, RС - кольцевой ток.
Фазы су66ури: спокойное состояние до су66ури - 1, максимум суббури - 2, фаза восстановления - 3, заключительная стадия фазы восстановления -4.
На рис. 1 приведены схематически широтные распределения различных типов вторжений авроральных электронов на разных фазах суббури и их взаимосвязи с основными магнитосферными плазменными доменами согласно [1] вверху и [2] внизу. Область вторжения авроральных электронов по ВЯА75 располагается к полюсу от радиационного пояса (VА на рис. 1а) и состоит из СРS и ВРS - диффузных и дискретных вторжений авроральной плазмы, обозначенных как вторжения из центрального и граничного плазменного слоя (соответственно позже заменены на СРS и ВРS).
Согласно ВЯА"75 "существование СРS связано с околоземным плазменным слоем или с центральной частью плазменного слоя, которую можно видеть на поперечном сечении хвоста магнитосферы [10]. В дальнейшем этот компонент будет обозначаться как СРS (центральный плазменный слой)... Из общепринятой геометрии магнитосферы следует полагать, что район ВРS связан с верхней (в северном полушарии) и с нижней (в южном полушарии) пограничными областями плазменного слоя. В дальнейшем этот компонент
В СРЗ по [1] средняя энергия электронов Еэ увеличивается к более высоким широтам, в ВРS
средняя энергия сохраняется на высоком уровне вплоть до приполюсной границы области вторжения. В спокойные интервалы и на заключительной стадии фазы восстановления граница СРS/ВРS совпадает, примерно, с приполюсной границей существования положительного широтного градиента dЕэ/dЛ > 0, где Л - инвариантная широта. В максимуме суббури и на фазе восстановления точное положение СРS/ВРS заменено знаком вопроса, который расположен, однако, вблизи границы области с dЕэ/dЛ > 0. Возможно, что в последних двух случаях граница СРS/ВРS сдвинута несколько к полюсу от знака вопроса [3]. Согласно [1] вторжения в СРS носят диффузный, а в ВРS дискретный (структурированный) характер, и связаны соответственно с диффузными и дискретными формами аврорального свечения. Следует иметь в виду, что разделение района аврорального свечения (вторжения) на области только диффузного или только дискретного характера в значительной мере условно. Диффузное свечение существует между дискретными формами полярных сияний во всем авроральном овале дискретных форм [2], так же как и диффузные вторжения электронов 1 кэВ регистрируются во всей авроральной области от приполюсной до экваториальной границы [11].
Область вторжения по ФГ85 состоит из трех частей: остаточный слой (ОС), центральный плазменный слой (ЦПС) и пограничная область плазменного слоя (ПОПС) [12]. Границами ОС являются плазмопауза (экваториальная граница) и граница устойчивого захвата энергичных электронов Лз (высокоширотная). Лз характеризуется исчезновением питчугловой анизотропии энергичных электронов с максимумом интенсивности на питчугле 90'. В ОС происходит увеличение энергии к более высоким широтам dЕэ/dЛ > 0 и вторжения носят диффузный характер. Спектры авроральных электронов над ионосферой и на геостационарной орбите вдоль силовых линий практически идентичны, что свидетельствует об отсутствии продольной разности электрических потенциалов и ускорительного процесса в ОС. Отличие ОС в [2] от СРS в [1] не только семантическое, оно наиболее четко проявляется в оценке положения границы Лз, которая служит внешней границей внешнего радиационного пояса. Эта внешняя граница может быть образована потерями из-за неадиабатического рассеяния энергичных электронов на ночной стороне на внутреннем крае нейтрального слоя с током поперек хвоста. Другая причина появления резкого спада интенсивности захваченной радиации - потери через дневную магнитопаузу при дрейфе частиц вокруг Земли. Очевидно, что ОС в [2] располагается на L-оболочках внутри радиационного пояса. СРS в [1] примыкает к радиационному поясу с внешней стороны, т.е. располагается к полюсу от Лз, следовательно, проектируется в магнитосферу на центральный плазменный слой.
Общая закономерность электронных вторжений с увеличением широты - в диффузной зоне средняя энергия электронов возрастает, в области структурных высыпаний - уменьшается [13, 11]. Физика этого явления обусловлена адиабатическим ускорением в центральном плазменном слое и градиентным дрейфом в остаточном слое при дрейфе плазмы к Земле их хвоста магнитосферы.
В ФГ85, в отличие от ВЯА75, Лз в ночном секторе располагается на экваториальной границе овала дискретных форм полярных сияний для любого уровня магнитной возмущенности, разделяя области дискретного и диффузного свечения. Совпадение Лз с экваториальной границей овала было показано впервые в [14] и подтверждено впоследствии в [15 - 17]. Поэтому диффузная зона по ФГ85 располагается внутри внешнего радиационного пояса, а не снаружи зоны устойчивого захвата.
ВРS по [1] связан со структурированными электронными вторжениями и дискретными формами полярных сияний, т.е. с авроральным овалом. Термин ВРS помимо феноменологического описания характеристик вторгающихся потоков подразумевает их проектирование на граничную область плазменного слоя. В отличие от этого, в [2] область структурированных вторжений разделена на две составляющие: более интенсивные вторжения, связанные с ускорением электронов в дискретных формах полярных сияний, проектирующиеся на центральный, или основной, плазменный слой (ЦПС), и более мягкое вторжение к полюсу от ярких полярных сияний, проектирующееся на ПОПС. Распределение ярких дискретных форм внутри ЦПС крайне неоднородно, области продольного ускорения электронов вкраплены в диффузное, бесструктурное вторжение частиц.
В противовес мнениям, основанным на результатах предварительных измерений с низким временным разрешением, ЦПС и его нейтральный слой очень изменчив, динамичен и неоднороден [18 - 20]. Это область мелкомасштабных интенсивных продольных токов, питающих дискретные формы полярных сияний в авроральном овале. Содержащееся в [1] предположение, что дискретные формы полярных сияний проектируются на граничный плазменный слой, способствовало распространению в 80-е годы мнения, что суббури начинаются в граничном плазменном слое [21, 22]. Это мнение обосновывалось тем
фактом, что начало активной фазы авроральной суббури по схеме [23] приходится на область экваториальной дуги овала полярных сияний. Были предложены различные модели генерации суббурь в граничном слое [24 - 26]. Возникающие при таких моделях трудности обсуждались в [9], и в настоящее время стало практически общепринятым, что генерация суббурь происходит во внутренней магнитосфере на границе ОС и ЦПС, а не в ПОПС [27]. В максимуме суббури и на фазе восстановления наиболее яркое свечение наблюдается на приполюсном краю ЦПС, что отмечено жирным прямоугольником на рис. 1б. Широтное распределение интенсивности свечения в ЦПС приобретает двугорбость с максимумами вблизи приполюсной и экваториальной границ ЦПС. Природа вторгающихся потоков авроральной плазмы в этих двух областях может быть различна [28]. Детальный анализ такого двугорбого распределения интенсивности свечения выполнен в [29, 30].
Таким образом, в ФГ85 соотнесены авроральный овал, для которого характерны интенсивные мелкомасштабные продольные токи, связанные с дискретными формами сияния, с ЦПС и нейтральным слоем в хвосте магнитосферы, Кроме того, в ФГ85 область структурированных вторжений разделена на две составляющие (проектируемые, соответственно, на ЦПС и ПОПС) в отличие от единой ВРS у ВЯА75 [1]. Эти отличия схем носят не сематический характер, а отражают физическую сущность и локализацию процессов в магнитосфере, приводящих к генерации продольных токов и дискретных форм сияний. ПОПС, обладающая специфическими характеристиками, примыкает с внешней стороны к ЦПС. Наряду с постепенным уменьшением температуры и плотности горячей плазмы к внешней границе ПОПС, в этой области наблюдались интенсивные, диспергированные по скоростям пучки ионов вдоль магнитных силовых линий [31]. Кроме того, такое разделение отражает более тонкую структуру граничных областей плазменного слоя, а также возросший уровень наших знаний о структуре магнитосферы и плазменных вторжений в верхнюю атмосферу после 1975 г.
Основываясь на обнаружении в [32, 33] на периферии плазменного слоя высокоскоростных пучков ионов, Истмэн и др. [34, 35] выдвинули концепцию существования граничного слоя плазменного слоя (PSBL), как активного района на периферии плазменного слоя, играющего ключевую роль в передаче энергии от солнечного ветра вглубь магнитосферы. Так как на высотах ионосферы таким активным районом является овал полярных сияний, то утверждалось, что PSBL проектируется на область дискретных форм полярных сияний, т.е. на ВРS по [1] или ЦПС по [2]. После этого в течении многих лет действительно принималось на веру, что PSBL проектируется магнитными силовыми линиями на область дискретных форм полярных сияний. Эта точка зрения шла вразрез с предложенной в [2] и была дополнительно опровергнута в [9, 12], согласно которым проекция дискретных авроральных форм располагается в пределах центральной части плазменного слоя.
После открытия на спутнике Ореол-3 в пределах полярной диффузной авроральной зоны ионных пучков с дисперсией по скоростям второго типа (VDIS2) [36 - 38], область существования таких пучков энергичных ионов на периферии авроральных вторжений вблизи границы с полярной шапкой была естественно отождествлена с PSBL. Однако, такое проектирование противоречило ставшим к тому времени традиционными представлениям о связи PSBL с дискретными формами полярных сияний. Зеленым и др. [37], а более полно в [38] и [11] показано, что VDIS2 рас- полагается как правило, к полюсу от последней дискретной формы вторжения частиц (перевернутой V-структуры). Таким образом определение PSBL, как области существования высокоскоростных ионных пучков к полюсу от аврорального овала, и одновременно проектирующейся на область дискретных форм, внутреннее противоречиво.
Эта противоречивая интерпретация расположения области PSBL нашла отражение в литературе. PSBL в [39, 28, 30] связывается с активной дискретной формой полярных сияний на периферии аврорального овала, а в [9, 12, 37, 4] с областью более слабого свечения к полюсу от дискретных форм, проектирующейся на периферию плазменного слоя между ЦПС и долями хвоста магнитосферы. По-видимому, область быстрых ионных пучков располагается на некотором расстоянии от границы долей хвоста, ибо над ионосферой структура VDIS2 охватывает только часть интервала широт с мягкими электронными вторжениями. Другая структура открыта Парксом и др. [40] в хвосте магнитосферы на расстоянии ~20 Rз (Rз - радиус Земли). Структура представляет слой низкоэнергичной плазмы НЭС (LEL), расположенный между PSBL и долями хвоста, с движущимися в разных направлениях пучками ионов и электронов с энергиями < 100 эВ.
В связи с такой противоречивостью в традиционном использовании термина PSBL нам представляется целесообразным сохранить за термином PSBL обозначение области в магнитосфере, которая содержит энергичные пучки ионов и проектируется на полосу низкоэнергичных вторжений к полюсу от овала дискретных форм, где регистрируются структуры VDIS2, т.е. вне области дискретных форм. При таком определении в схеме ФГ85 PSBL является частью ПОПС, в который кроме PSBL входит составной частью также LEL. Наземные и спутниковые наблюдения согласуются с такой интерпретацией, при которой мягкое электронное вторжение и ионные пучки с дисперсией по скоростям представляют собой ионосферную проекцию PSBL. Интенсивная дискретная форма полярного сияния вблизи приполюсной границы овала полярных сияний в активную и восстановительную фазы суббури идентифицируется как приполюсная граница ЦПС, которая, возможно, проектируется в магнитосферу на внутреннюю нейтральную линию, образующуюся в плазменном слое в период магнитосферных суббурь.
В настоящей статье, продолжающей и развивающей [12], проблема ночных вторжений рассмотрена по следующим причинам:
- 1) в последние годы выполнено много новых исследований по феноменологии ночных вторжений, что позволяет более строго обосновать систему идентификации их границ;
- 2) идентификацию вторжений на малых высотах следует осуществлять, основываясь на параметрах наблюдаемых потоков плазмы, без привлечения пока еще дискуссионных данных о структуре удаленных частей магнитосферы.
Copyright (c) НИИЯФ МГУ 2002.
Для связи: lll@srd.sinp.msu.ru
