Введение к работе
Актуальность проблемы.
Наличие в магнитосфере Земли пограничных слоев, примыкающих к магнитопаузе, является наиболее существенным подтверждением того общепринятого факта, что магнитопауза не является полностью непрозрачной границей для солнечного ветра. Материя импульс и энергия поступают в магнитосферу из межпланетной среды вследствие процессов, происходящих на >/. "»г нітопаузе. Конкретные физические механизмы образования высокоширотных и низкоширотных пограничных слоев магнитосферы Земли не до конца ясны и в настоящее время. Соответственно, неясным остается один из основных вопросов солнечно-земной физики — вопрос о переходе части энергии солнечного ветра в геомагнитосферу. С шестидесятых годов по настоящее время дискутируется вопрос о том, какой из двух механизмов — пересоединение земного и межпланетного магнитных полей или псевдовязкое взаимодействие с диффузией частиц через магнитопаузу, — является преобладающим при образовании высокоширотных и низкоширотных пограничных слоев. Первый из механизмов (пересоединение) всегда рассматривался как наиболее вероятный процесс, ответственный за проникновение плазмы солнечного ветра через магнитопаузу. При этом конкретная реализация этого механизма, его пространственные и временные масштабы неизвестны и существующие экспериментальные данные не позволяют дать однозначный ответ на этот вопрос. Полностью открытым остается вопрос о принципиальной связи высокоширотного и низкоширотного пограничных слоев. Неясно, являются ли они следствием одного физического процесса, или формируются абсолютно независимо. Препятствием для прогресса в этой области является отсутствие адекватных экспериментальных данных и методов их анализа. Запуск спутника ИНТЕРБОЛ-1 позволил существенно улучшить положение с экспериментальной базой изучения высокоширотных и низкоширотных пограничных слоев магнитосферы. На каждой орбите этот космический аппарат пересекает магнитопаузу в районе внешнего каспа и в районе
экватора. Постоянно работающие спектрометры ионов и электронов и магнитометр дают уникальную возможность комплексного изучения пограничных слоев при различных условиях в межпланетной среде. Систематические измерения такого качества и объема не были получены до сих пор в космических экспериментах. К настоящему времени накоплены данные за 5 лет непрерывной работы. В данной диссертации используются измерения, полученные в 1995 - 1998 годах.
Диссертационная работа посвящена анализу данных, полученных со спутника ИНТЕРБОЛ-1, для выяснения физических механизмов проникновения плазмы солнечного ветра в магнитосферу Земли. С этой целью была построена методика обработки экспериментальной информации, включающая анализ функций распределения ионов и электронов в области взаимодействия солнечного ветра и магнитосферы, а также модель эволюции вращательного разрыва на магнитопаузе в случае пространственно-ограниченного пересоединения, принятого в качестве рабочей гипотезы для исследования проблемы.
Основной целью работы являлся анализ плазменных образований, наблюдаемых в пограничных слоях магнитосферы Земли для того, чтобы подтвердить или опровергнуть основную рабочую гипотезу, состоящую в том, что основным поставщиком плазмы солнечного ветра внутрь магнитосферы является процесс пересоединения. При этом решались следующие задачи:
Исследование вопроса о динамике функции распределения ионов, наблюдаемых под высокоширотной и низкоширотной магнитопаузой. Получение экспериментальных свидетельств того, что такое поведение ионов плазмы возможно только при прохождении вращательного разрыва на магнитопаузе.
Исследование вопроса о положении области пересоединения при разных направлениях межпланетного магнитого поля и о возможных размерах этой области путем анализа пересечений магнитопаузы в высоких и низких широтах.
Создание модели, описывающей положение области пересоединения,
топологию вращательных разрывов на магнитопаузе и топологию плазменных образований под магнитопаузой.
Экспериментальная проверка гипотезы об ограниченном пересоединении на антипараллельных магнитных полях путем статистического анализа высокоширотных пересечений магнитопаузы.
Статистический анализ плазменных образ is ний, наблюдаемых в низкоширотном пограничном слое. Сравнение экспериментальных данных с модельными предсказаниями.
Экспериментальная проверка возможности описать высокоширотый и низкоширотный пограничные слои в рамках единой модели.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Впервые для изучения плазмы пограничных слоев был применен массозый анализ трехмерных функций распределения ионов как в высоширотной, так и в низкоширотной частях магнитосферы.
-
Впервые была сформулирована гипотеза о пространственно-ограниченном спорадическом пересоединении, как источнике высокоширотного и низкоширотного пограничных слоев.
-
Впервые была создана модель, описывающая топологию вращательного разрыва и топологию плазменных образований для произвольной ориентации межпланетного магнитного поля и параметров солнечного ветра, основанная на сформулированной гипотезе.
-
Впервые был предложен метод статистического анализа плазменных образований как в высокоширотном, так и низкоширотном пограничных слоях, основанный на построении специальной "естественной" системы координат, не зависящей от условий в межпланетной среде и основанной на топологии магнитопаузы, предсказанной моделью.
5. Впервые эспериментальным путем было показано единое происхождение высокоширотного и низкоширотного пограничных слоев магнитосферы.
Научная и практическая значимость
Созданная для анализа динамики плазмы в пограничных слоях магнитосферы база экспериментальных данных проекта ИНТЕРБОЛ имеет самостоятельнее значение как для дальнейшего исследования пограничных слоев магнитосферы, так и для широкого круга магнитосферных задач. То же можно сказать и о развитых методах анализа функций распределения. Построенная модель топологии области пересоединения и вращательных разрывов может использоваться для численного анализа процессов, происходящих на магнитопаузе Земли. Предложенная модель возникновения пограничных слоев может продвинуть вперед понимание физики магнитосферы.
Апробация
Материалы диссертации докладывались на:
Генеральных ассамблеях Европейского Геофизического общества, Ницца, Франция, 1998 г., Гаага, Нидерланды, 1999 г., Ницца, Франция, 2000 г.
Генеральной ассамблее IAGA, Уппсала, Швеция, 1997 г.
32-й ассамблее COSPAR, Япония, 1998
конференциях Американского Геофизического Союза (AGU) Fall meeting 1997, Spring meeting 1998, Fall meeting 1998.
научных семинарах отдела физики космической плазмы ИКИ РАН
научных семинарах Института геофизики и физики планет Калифорнийского университета в Лос-Анжелосе, США.
Пр теме диссертации опубликовано 5 статей в научных журналах.
Стуктура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения. Общий объем диссертации 89 страниц, включая 36 рисунков и 63 библиографических ссылки.
Основкыс результаты, выносимые на защиту:
1. Анализ плазменных образований, наблюдаемых в районе внешнего
каспа и в низкоширотном пограничном слое при разных условиях в
межпланетной среде, показывает, что:
Магнитосфера частично открыта практически при любых направлениях межпланетного магнитного поля. Характерные свойства плазмы, наблюдаемые как в гысокоширотном пограничном слое, так и на низких широтах, являются следствием затекания плазмы переходной области через вращательный разрыв на магнитопаузе и ее дальнейшей конвекции. Образование вращательного разрыва на магнитопаузе связано с процессом пересоединения. Диффузионные процессы не играют решающей роли в данном случае.
Наблюдаемая динамика функции распределения ионов зависит от положения точки пересоединения, направления конвекции, от взаимного направления внешнего и внутреннего магнитных полей и от скорости обтекающего потока магнитослоя в точке затекания частиц в магнитосферу.
9 Положение области пересоединения на магнитопаузе чувствительно к направлению межпланетного магнитного поля. Область пересоединения пространственно ограничена и при значительной величине By составляющей межпланетного магнитного поля находится на высокой широте в зоне внешнего каспа.
-
Статистический анализ высокоширотных пересечений магнитопаузы, показывает, что в данном случае реализуется модель пространственно ограниченного пересоединения, возникающего на антипараллельных полях.
-
Статистический анализ появления различных характерных типов плазменных образований в низкоширотном пограничном слое показывает:
Наблюдение плазменных образований разных типов жестко связано с направлением межпланетного магнитного поля.
Топология разных типов низкоширотного пограничного слоя находится в согласии с моделью ограниченного в пространстве спорадического пересоединения на антипараллельных полях.
4. Наиболее вероятным источником высокоширотного и низкоширотного пограничных слоев магнитосферы является пространственно ограниченное спорадическое пересоединение, возникающее в области, в которой магнитное поле переходной области и геомагнитное поле'образуют угол, больший 160. При этом пограничный слой образуется в результате конвекции сложной пространственной системы пересоединенных силовых линий и слабо конвектирующей системы многократно пересоединенных магнитосферных силовых линий.
