Область квазизахвата - Авроральная магнитосфера

Область квазизахвата и Авроральная магнитосфера Областью квазизахвата (ОКЗ) следует считать ту часть магнитосферы, где энергичные частицы (Е>20 кэВ) не совершают полного дрейфового оборота в отличие от области стабильного захвата. При этом они сохраняют тот же характер движения - циклотронное вращение, скачки между зеркальными точками и дрейф (неполный) вокруг Земли ( не обязательно с сохранением адиабатических инвариантов).

Положение границ ОКЗ зависит от энергии частицы, поэтому мы точные значения не называем.
Следует различать внутренюю и внешнюю ОКЗ.

Внутреняя ОКЗ расположена под поясами, ближе к Земле, на L ≤ 1.5. Частицы попадают сюда диффузией из внутреннего радиационного пояса или из атмосферы, но не могут совершить полного оборота, так как из-за смещения центра магнитного диполя зеркальные точки на части дрейфовой траектории опускаются в атмосферу. Во внутренней ОКЗ низковысотные спутники регичтрируют всплески энергичных электронов и протонов, по которым, собственно, и изучаются особенности внутренней ОКЗ.

Внешняя ОКЗ (далее будем опускать первое слово) расположена между границей стабильного захвата (ГСЗ) и хвостом магнитосферы и по структуре магнитного поля, по популяции частиц и их динамике область квазизахвата резко отличается от хвоста и ближе к области стабильного захвата.
В ранних работах область квазизахвата рассматривалась как самостоятельная, ее называли областью неустойчивой радиации, ночным каспом или авроральной магнитосферой.

Когда же представления о хвосте магнитосферы как о месте зарождения и развития активных процессов суббури стало превалирующим, область квазизахвата исчезла из обихода и на многих схемах магнитосферы, хвост стал примыкать непосредственно к границе устойчивого захвата.
О’Брайен [2], который одним из первых ввел рис.2, объединил под названием «авроральная радиация» ночной касп и плазменный слой, чтобы выделить область, где значительные потоки заряженных частиц появляются лишь эпизодически, в отличие от области стабильного захвата. Он при этом говорил о различной топологии этих двух областей, однако эта оговорка забываются при многочисленных повторах или модификациях модели О’Брайена.
В наше время понимание того, что активные процессы суббури протекают не только или не столько в хвосте магнитосферы, но именно на замкнутых квазидипольных силовых линиях, стало всеобщим. Однако терминология осталась прежней, и при описании процессов, происходящих в области квазизахвата, применяются наименования нечеткие, либо не отражающие физической сути, например, геостационарная область или внутренняя магнитосфера, либо ее искажающие, например «центральный плазменный слой хвоста магнитосферы».

Вернемся к описанию области квазизахвата.

На рис 3 приведена схема доменов и границ в магнитосфере, отражающая конфигурацию спокойной магнитосферы.

Во время магнитных бурь внутренняя граница ОКЗ уходит к Земле вплоть до 2.5-3 земных радиусов. Внешняя граница регулируется суббуревой активостью, приближаясь к Земле на подготовительной фазе и удаляясь с началом активной ффазы суббури, в моменты диполизации.

На рис 5 структура ОКЗ прослеживается в измерениях энергичных электронов и ионов на спутнике CRRES вблизи плоскости экватора. Две популяции частиц легко выделяются глазом - уменьшающиеся с расстоянием потоки "старых" захваченных частиц радиационного пояса и ускоренная во время суббури авроральная радиация.

Поток частиц упорядоченно падает с расстоянием на два порядка, прежде чем обнаруживаются признаки фоновой границы. До этого сохраняются характерное для ОКЗ энергетический спектр и питч-угловое распределение частиц, что говорит о том, что частицы регулярно поступают сюда из радиационного пояса посредством радиальной диффузии. Регулярная структура радиального профиля области квазизахвата, сохраняющаяся в спокойное время нескольуо дней говорит о том, что питч-угловая диффузия частиц здесь достаточно умеренная. Даже частицы таких больших энергий, как мэвные электроны, имеют в геостационарной области период спада интенсивности после инжекции несколько суток. Увеличивающая с расстоянием кривизна магнитных силовых линий, пульсации и волны, особенно значительные в полуночном секторе, действительно приводят к питч-угловой диффузии и сбросу частиц в конус потерь и гибели в атмосфере, однако большая часть дрейфового периода частиц приходится на дневную полусферу, полуночный сектор проскакивается быстро и без катастрофических потерь.

И все же ОКЗ да и весь внешний радиационный пояс могли бы опустеть, если бы не ускорение и инжекция частиц во время суббурь.
На рис 5 спутник регистрирует эти быстрык возрастания в 10-100 раз потоков электроноа с энергией от 20 кэВ и выше, до нескольких сот кэВ.

Эффект дрейфового эхо
Сразу после основной инжекции мы видим всплеск "эхо" с дисперсией по энергиям - это возвращаются частицы, которым удалось совершить полный оборот вокруг Земли. Многочисленны наблюдения эхо на геостационарных спутниках, есть наблюдения и на больших расстояниях, до 15 Re.

О границе инжекции. Как можно видеть из рис 5, отождествление позиции границы ОКЗ с радиационным поясом и с хвостом магнитосферы - занятие не дающее однозначного ответа. Еще сложнее сделать это по измерениям на низковысотных спутниках. Вместе с тем, по измерениям частиц на низковысотных спутниках определяются некоторые границы, в частности, изотропная граница.
При движении спутника к высоким широтам наблюдается переход питч-углового распределения (ПУР) регистрируемых частиц от захваченного к изотропному в связи с тем, что на экваторе радиус кривизны силовой линии Rк уменьшается до величины, сравнимой с ларморовским радиусом частицы, вследствие чего устанавливается режим сильной диффузии по питч-углам. В результате образуется граница изотропного распределения захваченных протонов, которую предлагается использовать как индикатор перехода от квазидипольных силовых линий к вытянутым в хвост. Часто приходится сталкиваться с трактовкой изотропной границы как границы между областью стабильного захвата и хвостом магнитосферы. В таком подходе для области квазизахвата места не остается.
На самом деле ро измерениям солнечных протонов в магнитосфере было установлено, что изотропные потоки протонов начинаются в хвосте магнитосферы и и заполняют всю область квазизахвата до границы стабильного захвата. В отсутствии протонов СКЛ поток частиц в ОКЗ падает с расстоянием и положение регистрируемой границы сброса частиц зависит от чуствительности детектора, а не от истинной границы хвоста магнитосферы.


Авроральная магнитосфера Анализ экспериментальных данных, в чстности, большого числа пролетов спутника CRRES, подобных показанному выше, свидетельствует о том, что ОКЗ является той областью, где происходят основные процессы суббуревой активности, полярные сияния, ускорение и высыпание энергичных авроральных частиц, ионосферные возмущения и т.д. Это обстоятельство привело к тому, что у ОКЗ появилось второе название "Авроральная магнитосфера".
В проекции на ионосферу Земли, эта область образует авроральную зону, авроральным овал или кольцо Хорошевой.