 |
Солнечно-земная физика
Справочник |
Магнитосферно-ионосферное взаимодействие
( M-I coupling)
Две различных плазменных области, соединенные магнитными силовыми линиями, создают общую токовую систему, передают энергию и ускоряют заряженные частицы, в частности, вызывающие полярные сияния.
Рис1 Три ключевых области трехмерной системы ионосферного взаимодействия [lLundin et al., 1998]
Рис.1 дает представление о трех основных элементах магнитосферно-ионосферной системы - магнитосферном генераторе, области токовой неустойчивости (coupling region) и ионосферной нагрузке.
Магнитосферный генератор.
Классический плазменный генератор, т.н. магнитогидродинамический ( МГД) - генератор в лабораторной плазме реализуется при продувке плазмы со скоростью v перпендикулярно сильному магнитному полю B. Возникающее при этом электродвижущая сила отнесенная к заряду равна (v x B/c) Эдс вызывает разделение зарядов, создавая поле поляризации E, которое частично компенсирует эдс и создает ток J. Если плазма столкновительная,
J = σ (E + v x B/c)
Электрическая проводимость σ может быть тензором, так что разные направления в пространстве отличаются. Поскольку Е направлена навстречу эдс, превалирует условие E.Jd < 0 , которое характеризует генератор, превращающий кинетическую энергию в электрическую ( при обратном знаке происходит потребление электрической энергии). Скорость плазмы может падать или поддерживаться постоянной, при наличии градиента давления вдоль направления потока плазмы.
Концепция МГД - генератора применяется для описания нескольких процессов в земной магнитосфере, в частности передачи энергии солнечного ветра на в пограничном слое и в авроральной магнитосфере - для описания крупномасштабных и транзиентных трехмерных токовых систем. При этом теория испытывает значительные трудности. Поскольку магнитосферная плазма на самом деле бесстолкновительная, заменителем столкновений выступает взаимодействие частиц с волнами (vave-particle interation ) , оценить количественно результирующий ток и импеданс не просто, так как на самом деле возможных механизмов генерации тока в магнитосфере много. Если импеданс генератора достаточно велик, он выступает как генератор тока и играет ведущую роль в создании токовой системы, если импеданс мал, мы имеем генератор напряжения и в этом случае влияние ионосферы на трехмерную систему резко увеличивается.
В принципе нагретая плазма может генерировать ток и в отсутствии направленного плазменного потока. На градиентных границах возникает диамагнитный ток Jd = cB x (gradP)/B2 , и энергия извлекается из плазмы, если присутствует электрическое поле такое, что Е J < 0.
Наконец, следует отметить, что источником тока и передачи энергии может служить не МГД - генератор, а термоэлектрический генератор, извлекающий из плазмы тепловую энергию.
Взаимодействие на силовой линии.
Плотность продольного тока с приближением к ионосфере должна расти в соответствии с конфигурацией магнитных силовых трубок, но так как плотность носителей тока растет медленнее, на высотах 0.5 - 2 Re возникает кризис, приводящий к росту продольного импеданса, который противодействует движению электрического тока. В свою очередь это приводит к возникновению продольного электрического поля, ускоряющего частицы и тем самым усиливающего продольный ток. Измеряемое падение потенциаля типично составляет несколько киловольт, но иногда достигает 30 кВ [ Arnoldy, 1981]. Предполагается, что ускоренные этим полем электроны и протоны ответственны за наиболее яркие дискретные формы полярных сияний.
На рис.1 приведена "V" - образная структура эквипотенциалей электрического поля, отражающая существование продольного поля. Следует отметить, что реальная картина полей может быль гораздо сложней, структурированной, а сам механизм генерации продольного поля еще далеко не ясен.
Ионосфера
В ионосфере продольный ток замыкается. Для того, чтобы ионосферный ток был существенным, необходима достаточно большая концентрация нейтрального газа. Тогда столкновения вращающихся вокруг магнитных силовых линий ионов с нейтральными атомами часто прерывают вращение и начинается движение поперек магнитного поля. Частичное прерывание гировращения приводит к тому, что ток развивается как вдоль направления электрического поля Е (Педерсеновский ток) , так и в перпендикулярном направлении (ток Холла).
Такой тензорный характер проводимости усложняет характпр процессов в ионосферной ветви токовой системы. Дополнительноу усложнение связано с тем, что ускоренные вдоль силовых линий частицы создают дополнительную ионизацию ионосферы, а их взаимодействие с ионосферной плазмой может носить нелинейный характер и существенно менять структуру области ускорения. Не слишком многочисленные измерения частиц в области продольного тока выявили сложную изменчивую структуру финкциираспределения частиц.
Наконец, ионосфера может накапливать энергию и отдавать обратно в магнитосферу на определенном этапе возмущения. Ионосферный ток вовлекает в движение нейтральные атомы, создавая термосферный ветер, и когда действие магнитосферного генератора прекращается, энергия, накопленная в ветре, через действие МГД - генератора уже в ионосфере, передается в магнитосферу.
Отметим, что все составляющие трехмерной токовой сети тесно связаны между собой, взаимное их влияние может значительно изменить описанные выше процессы.
Природа электрических полей и токов, регистрируемых в магнитосфере и ионосфере Земли исследовалась в пионерских работах проф. Б.А.Тверского (см. Тверской [1969, Tverskoy [1972], Тверской и Ташкинова 1972-75], Тверской [1982a,b], Аккуратов и др. [1972]). Работы, выполненные Б.А.Тверским в конце 60-х годов содержали ряд идей, оказавших большое влияние на ход последующих исследований, и были оформлены в качестве открытия 'Явления электрического магнитосферно-ионосферного взаимодействия при крупномасштабном возмущении магнитосферы' (? госрегистрации 369).
Основные выводы, содержащиеся в данных работах и использованный математический аппарат. обсуждаются в обзорах Антонова и Тверской [1996], Тверской и Антонова [1996].
Литература
- Антонова Е.Е., Тверской Б.А. О природе полосы высыпания электронов типа 'перевернутого V' и разрыва Харанга в вечернем секторе авроральной ионосферы. Геомагнетизм и аэрономия, 15(1), 105--111, 1975.
- Тверской Б.А. Об электрических полях в магнитосфере Земли, ДАН СССР, 188(3), 575--578, 1969.
- Тверской Б.А. О продольных токах в магнитосфере. Геомагнетизм и Аэрономия, 22(6), 991--995, 1982 a.
- Тверской Б.А. О природе однородных дуг полярного сияния. Геомагнетизм и Аэрономия, 22(6), 966--973, 1982 b.
- Тверской Б.А. Магнитосферно-ионосферное взаимодействие и полярные сияния. УФН, 139(4), 737--739, 1983.
- Тверской Б.А., Антонова Е.Е. Магнитосферно-ионосферные взаимодействия и их роль в физике околоземного космического пространства, 50 лет Научно-Исследовательскому Институту Ядерной Физики им. Д.В.Скобельцына, под ред. М.И.Панасюка, Е.А.Романовского, В.И.Саврина, -М. Изд-во Моск. ун-та, 81-93, 1996.
- Arnoldy, R. L., Review of auroral particle precipitation, Physics of Auroral Arc Formation,
Geophysical Monograph 25, p. 56, American Geophysical Union, Washington D.C., 1981.
- Lundin, R., G. Haerendel, and S. Grahn, Introduction to special section: The Freja Mission, J.
Geophys. Res., 103, 4119, 1998.
.
Назад, к оглавлению справочника
Для связи: lll@srd.sinp.msu.ru