Солнечно-земная Физика  "СиЗиФ"

Структура авроральной магнитосферы и взрывные процессы магнитосферной суббури

Л. Лазутин

страница 7

3.2.1. Фазы суббури

Правильное употребление добытых анализом эксперимента деталей тонкой временной и пространственной структуры возмущений зависит от того, насколько правильно определена или угадана глобальная структура соответствующей области магнитосферы, на которую мы эти детали простираем. Попробуем дать наше представление о сцене действия и скупых очертания её декораций.

Спокойная магнитосфера. В полуночном секторе, там, где вытянутые в хвост силовые линии переходят в квази-дипольные и где направленный к Земле градиент магнитного поля быстро нарастает, там же находится околоземная граница плазменного слоя; обе границы (15-25 Re) проектируются в ионосферу на ~ 71⁰ геомагнитной широты, где висит слабая диффузная дуга полярного сияния.

Подготовительная фаза. Рост крупномасштабного электрического поля конвекции переносит околоземную границу плазменного слоя к Земле, на квази-дипольные силовые линии, существенно их разогревая. При этом старая градиентная граница остаётся на месте в первом приближении. В результате, к концу подготовительной фазы образуется широкая (по радиусу и по широте) область авроральной магнитосферы, ещё не заполненная по всему объёму горячей плазмой, но уже имеющая резко очерченные границы: внешнюю градиентную границу и околоземную границу, где в узкой полосе увеличивается энергия частиц, растёт дрейфовый ток, начинаются медленные пульсации, на внутренней кромке плазменного слоя готовится первая взрывная неустойчивость суббури. Надо здесь уточнить, что первые активизации наблюдаются еще в процессе движения диффузной дуги к экватору, наиболее значительные из них имеют признаки брейкапа и называются "псевдобрейкапами". Можно предположить, что активизации на подготовительной фазе не случайны а необходимы: наполняя авроральную магнитосферу свежеускоренными частицами они готовят наступление активной фазы.

Активно-конвективная фаза. После первых активизаций АМ заполняется горячей плазмой, энергичными электронами и ионами. Это заполнение идёт как за счёт активизаций внутри АМ, так и за счёт конвекции от приполюсной границы новых потоков плазмы; мы видим эти волны в виде движущихся к экватору дуг полярных сияний. Пока остается электрическое поле конвекции значительным, экспансия к полюсу во время суббуревых активизаций невелика накопление и высвобождение энергии примерно равны. Приполюсная (градиентная) граница АМ становится более крутой и динамичной, мы видим это как по дропаутам в энергичных частицах и магнитном поле, так и по активным процессам в PSBL, многократно описанным. Так как источник активизации АМ и её приполюсной границы один и тот же, это солнечный ветер, то и активизации в обеих областях наблюдаются примерно в то же время, но по сути их тонкая структура остаётся независимой.

Фаза экспансии. Изменение знака Bz-компоненты ММП часто приводит к началу новой интенсификации, которая носит характер необратимой экспансии к полюсу. Так как электрическое поле конвекции резко уменьшается, поток энергичных частиц в АМ падает и не может поддерживать вытянутой конфигурации силовых линий. Процесс высвобождения энергии становится преобладающим и суббуря переходит в фазу затухания, на которой мы останавливаться не будем.

3.2.2. Суббуря, как сочетание глобальных и локальных процессов.

Существуют три уровня локализации суббуревых процессов: активизации представляют собой элементарную локализованную неустойчивость, вернее существуют несколько типов локализованных неустойчивостей; интенсификации более длительны и могут охватывать более значительный сектор АМ и, наконец, есть процессы глобальных, охватывающих всю полуночную авроральную магнитосферу. Первый такой процесс - усиление конвективного электрического поля, основной процесс загрузки (loading) энергии в магнитосферу. Второй глобальный процесс --это заполнение АМ потоками горячей плазмы, энергичными электронами и ионами и связанное с этим возникновение трёхмерной глобальной токовой системы суббури.
Поскольку мы договорились не путать авроральную магнитосферу и хвост магнитосферы, поэтому для экваториальной части этой системы правильно было бы сохранить название частичный кольцевой ток, так как он создаётся за счёт магнитного дрейфа ионов (и электронов) в квази-дипольных силовых линиях. Избыточный поток частиц в АМ сохраняется долго, десятки минут, оказывая стабилизирующее действие, сохраняя разбухшую дипольную форму АМ. Пополняясь за счёт конвективного ускорения и активизаций, частичный кольцевой ток оказывает стабилизирующее воздействие на сам процесс взрывной разрядки энергии: перход запасённой в магнитном поле энергии в кинетическую энергию частиц усиливает частичный кольцевой ток и восстанавливает вытянутую в хвост конфигурацию силовых линий, останавливая тенденцию и подготавливая новую интенсификацию суббури.

3.2.3. О механизмах активизаций суббури.

Отделив процессы в АМ от процессов на её внешней границе мы тем самым убираем в отдельную группу модели суббури, опирающиеся на процессы в PSBL, LLBL и в хвосте магнитосферы. Остаётся несколько моделей, относящихся к АМ или внутренней магнитосфере.

Пересоединение. В принципе и во внутренней магнитосфере возможно появление локальных конфигураций с вытянутыми силовыми линиями, где может возникнуть процесс пересоединения. Однако экспериментальных доказательств существования таких структур мы не знаем, и разработанные модели пересоединений относятся к хвостовой части или граничной с хвостом области магнитосферы.
Разрыв тока. Неустойчивость азимутального тока на внутренней кромке плазменного слоя была предложена Lui et al [1988, 1991] в качестве основного механизма взрывного начала суббури. Развитие этой идеи предполагает существование нескольких локализованных (С1 ) токовых разрывов стохастически распределённых в АМ. Не ясно, как локализованные микро неустойчивости сочетаются с быстрым глобальным развитием, экспансией возмущения; это служит поводом для критики данной модели.

Баллонная неустойчивость. Баллонная или перестановочная неустойчивость была предложена для объяснения взрывного начала суббури Rouх [et al [1991]. Существует обширная литература как в поддержку, так и против баллонной неустойчивости; оппоненты указывают на то, что в CPS плазма недостаточно анизотропна для развития перестановочной неустойчивости. С другой стороны, эта неустойчивость может объяснить условия для быстрого одновременного начала возмущения вдоль азимутально-протяжённого сектора, такого, как наблюдается в AAF (Elpinstone et al, 1996].

Расщепление тока. Мы уже упоминали о том, что разрыв дрейфового тока физически представить не просто - даже быстрая диффузия ионов в конус потерь потребует минут, тогда как активизация развивается за секунды. Гораздо проще осуществить локальное уменьшение тока за счёт его расщепления, радиального сдвига. Наличие двух или большего числа популяций ионов разных энергий, замагниченных и не замагниченных, создаёт благоприятную возможность для расщепления.

Рис 3.1 a) Схема движения замагниченных (10 кэВ) и незамагниченных (100 кэВ) протонов во время активизации. в) Начальное радиальное распределение плотности протонов до активизации и суммарное распределение в процессе активизации

Как показано на рис.3.1, появление дрейфующего облака энергичных ионов приводит к локальной вытянутости силовых линий, что, в свою очередь, приводит к локальному сдвигу замагниченной низкоэнергичной плазмы. Результирующая конфигурация напоминает меандр Хейкеллы и Пеллинена [Heikkila and Pellinen, 1997, Pellinen and Heikkila, 1978, 1984], показанной на рис. 3.2, предложенный ими для хвоста магнитосферы.

Рис 3.2 Схема генерации электрического поля в меандре Хейкиллы - Пеллинена.

Возникающее при этом индукционное электрическое поле может быть ответственно за ускорение авроральных частиц во время активизации. В какой-то мере модель расщепления тока является сочетанием моделей разрыва и баллонной неустойчивости. Возможно, таких сочетаний может быть несколько, что приводит к наблюдаемому многообразию типов активизаций.

Вместе с тем следует признать, что противоречия между предлагаемыми моделями и экспериментальными фактами не укладывающимися в рамки этих моделей значительны. Такие детали динамики энергичных частиц, как рост потока на порядок за единицы и доли секунды, запаздывание диполизации по сравнению с ростом потока электронов и сдвиг момента инжекции электронов и протонов остаются непонятными.

Поэтому в заключение следует сказать, что ключевой проблемой на ближайшее время остается взрывная неустойчивость суббури. В своем шутливом послании к участникам 4й конференции по суббурям в Японии ее координатор Камиде написал, …что по всем проблемам суббури есть согласие ученых, за исключением двух минут после начала активной фазы, и что неясно, стоит ли из-за этих двух минут собирать толпы ученых со всего мира… . На самом деле ситуация серьезна, т.к. несогласие в понимании суббуревых возмущений носит тупиковый характер. За многие годы развития модели пересоединения создан параллельный виртуальный мир, виртуальнвя суббуря, в которой есть детально разработанная красивая теория, устоялась терминология и логика интерпретации наблюдений, так что во многом эта виртуальная суббуря привлекательнее, чем реальная с ее противоречивыми фактами, которые легче проигнорировать, чем объяснить. Опыт показывает, что споры здесь бесполезны, необходимо независимо продолжать анализ возмущений, поиски типичных процессов и их интерпретации.

в назад		вперед		оглавление		литература
		другие обзоры