Исследование динамики токового слоя хвоста магнитосферы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.03.03, кандидат физико-математических наук Сормаков, Дмитрий Анатольевич

• Сормаков, Дмитрий Анатольевич
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Сормаков, Дмитрий Анатольевич

Введение.

Глава 1. Современные представления о динамичных среднемасштабных магнитных структурах в магнитосфере.

1.1 Магнитное пересоединение, быстрые струйные течения (BBF) и связанные с ними явления.

1.1.1 Магнитное пересоединение.

1.1.2 Быстрые струйные течения (BBF).

1.1.3. Магнитные канаты и плазмоиды (FR).

1.1.4 Области сжатого магнитного поля (TCR).

1.1.5 События переноса магнитного потока (NFTE).

1.2 Среднемасштабные колебания токового слоя (ф-волны).

1.2.1 Спутниковые исследования ф-волн.

1.2.2 Интерпретация ф-волн.

1.3. Постановка задач исследования.

Глава 2. Экспериментальное исследование среднемасштабных структур в токовом слое хвоста магнитосферы.

2.1 Статистическое исследование быстрых пересечений токового слоя по данным спутника Geotail.

2.1.1 Пространственное распределение, связь со струйными течениями.

2.1.2 Геометрия и параметры ф-волн.

2.1.3 Связь с магнитной активностью.

2.1.4 Особенности ф-волн в окрестности области пересоединения.

2.2 Оценка точности метода MVA и анализ утро-вечер асимметрии ф-волн по данным системы Cluster.

2.3 Исследование геометрии и вариаций плазменных параметров ф-волн по данным системы Themis.

2.3.1 Подтверждение геометрии ф-волн.

2.3.2 Вариации плазменных параметров в ф-волнах.

2.4 Выделение колебания токового слоя в численном МГД моделировании.

2.5 Исследование топологии магнитных канатов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование динамики токового слоя хвоста магнитосферы»

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Земная магнитосфера образуется вследствие взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли. При этом образуется каплеобразная вытянутая вдоль линии Солнце-Земля магнитная структура со сложным внутренним строением и динамикой. Одним из основных процессов, отвечающих за состояние магнитосферы, является магнитное пересоединение. При межпланетном магнитном поле с южной компонентой антипараллельном магнитному полю земного диполя, в дневной части магнитосферы происходит процесс пересоединения плазменных трубок с последующим переносом трубок на ночную сторону, где плазменные трубки вновь пересоединяются, что в итоге приводит к циркуляции магнитосферной плазмы и увеличению геомагнитной активности на Земле. Ключевой областью является тонкий токовый слой в хвосте магнитосферы, где происходят процессы ответственные за накопление и последующее взрывное преобразование накопленной магнитной энергии в кинетическую энергию частиц. Переход энергии магнитного поля в энергию частиц сопровождается микромасштабными процессами в плазме, развивающимися при магнитном пересоединении в токовом слое и кинетическими по природе, с малыми пространственными размерами порядка гирорадиуса ионов и длительностью в несколько секунд. Данные процессы управляют среднемасштабными явлениями, пространственный размер которых составляет порядка нескольких Re (радиусов Земли), а по времени они занимают несколько минут, такие процессы уже возможно моделировать в рамках описания магнитной гидродинамики (МГД). Наиболее важными из среднемасштабных процессов являются струйные высокоскоростные потоки (BBF, bursty bulk flows), отвечающие за перенос плазменных трубок в хвосте магнитосферы, а также плазмоиды, магнитные канаты и ряд других структур являющихся продуктами нестационарного магнитного пересоединения. Одним из важнейших для динамики токового слоя среднемасштабным явлением являются также колебания токового слоя хвоста магнитосферы (flapping motions), которые создают наиболее сильные вариации магнитного поля и ниже называются ф-волнами. Исследовать подобные явления по данным одиночных спутников крайне сложно, поэтому сведения о среднемасштабных структурах вплоть до последнего времени были крайне скудны и противоречивы. Соответственно, изучение физических характеристик среднемасштабных плазменных структур в возмущенной магнитосфере являлось и до сих пор является актуальной проблемой физики магнитосферы.

Ситуация изменилась с появлением спутниковых систем, таких как Cluster и THEMIS, и среднемасштабные структуры сразу же стали объектом пристального интереса. Преимущества системы Cluster по сравнению с измерениями одиночного спутника состоят в том, что благодаря четырем спутникам, разнесенным друг от друга на сравнимые расстояния в вершины тетраэдра, можно разделять и исследовать пространственные и временные характеристики среднемасштабных магнитосферных явлений. С другой стороны, вытянутая вдоль хвоста магнитосферы конфигурация спутников THEMIS позволяет исследовать среднемасштабные структуры с другой перспективы, акцентируя различия их характеристик вдоль простирания хвоста.

Настоящая диссертация посвящена исследованию динамики токового слоя хвоста магнитосферы Земли с акцентом на изучение среднемасштабных структур в возмущенном токовом слое по данным спутниковых систем и отдельных спутников. Основное внимание уделяется ф-волнам, для которых проведен анализ спутниковых измерений с целью получить недостающие сведения о (1) пространственном распределении волн; (2) их связи со струйными потоками плазмы и процессом пересоединения; (3) сопутствующих вариациях плазменных параметров в ф-волне; (4) зависимости от магнитной активности и связи с полярными сияниями в сопряженной области ионосферы. Анализ данных дополнен анализом результатов численного МГД моделирования с целью выделения ф-волн и установления характера их связи с струйными потоками плазмы. Полученный материал проанализирован с точки зрения наиболее вероятных процессов приводящих к появлению ф-волн. Несколько особняком стоит завершающий работу вопрос о топологии структур типа магнитных канатов, важный для установления конкретного варианта процесса магнитного пересоединения действующего в плазменном слое, который играет основную роль в формировании среднемасштабных структур.

Практическая ценность работы состоит в том, что в ней получены новые сведения о характеристиках и процессах генерации в токовом слое среднемасштабных структур, которые играют важную роль в динамике и энергетике магнитосферных возмущений.

Диссертация состоит из введения, двух глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Физика Солнца», Сормаков, Дмитрий Анатольевич

Основные результаты диссертации :

1. Получены новые сведения о пространственном распределении параметров и геометрии ф-волн по данным спутниковых проектов Geotail, Cluster, THEMIS:

• Вероятность появления ф-волн максимальна в центральном секторе магнитосферы и растет с радиальным расстоянием (от 10 до 30 Re), подобно изменениям вероятности появления быстрых струйных течений плазмы (BBF). Во всей этой области преимущественно наблюдается один тип ф-волн, представляющий изгибные (желобковые) возмущения токового слоя, с нормалями к токовому слою лежащими вблизи плоскости YZ.

• Ф-волны встречаются, как в магнитоактивные, так и в спокойные периоды. Хотя ф-волны часто сопутствуют быстрым струйным течениям, локальная связь между этими явлениями не является обязательной. Ф-волны наблюдаемые вблизи области магнитного пересоединения, а также при регистрации BBF отличаются короткой длительностью пересечения (10 — 50 сек.).

• Впервые выделены крупномасштабные вращения плазменной трубки в ф-волне и утро-вечерняя асимметрия параметров (скорости, длительности, наклонов) ф-волн, согласующиеся с предсказаниями МГД теории двойного градиента в случае волн, распространяющихся от внутреннего источника к флангам магнитосферы.

2. Используя энергичные электроны в качестве трассера топологии магнитной трубки, показано, что среди движущихся к Земле магнитных структур типа магнитного каната чаще встречаются структуры с открытыми трубками, а не замкнутые магнитные петли. Этот результат означает, что в средней магнитосфере преимущественно развивается импульсная мода пересоединения с одной Х-линией.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Sergeev, V.A., Sormakov, D.A., Apatenkov, S.V., Baumjohann, W., Nakamura, R., Runov, A.V., Mukai, T. and Nagai, Т., Survey of large-amplitude flapping motions in the midtail current sheet, Ann.Geophysicae, 24, 2015-2024, 2006

2. Сормаков, Д.А., Сергеев, В.А., О топологии магнитных канатов в плазменном слое магнитосферы по измерениям спутника Geotail, Космические исследования, том 46, №5, с. 16, 2008.

3. Sormakov, D.A.,Sergeev, V.A., Angelopoulos, V., Runov, A.V., Flapping-structures and bursty bulk flows in the magnetotail neutral sheet from MHD modeling results and from Themis multi-spacecraft observations, Proceedings of the 7th International Conference Problems of Geocosmos, St.-Petersburg, p. 278-283, 2008

Заключение

Подведем кратко основные итоги нашего исследования, значительная часть которого посвящена изучению быстрых пересечений токового слоя (ТС) хвоста магнитосферы, дающих информацию о характеристиках ф-волн, которые создают самые мощные вариации магнитного поля в хвосте магнитосферы. Во-первых, на основе обширной статистики оценок локальных нормалей (база пересечений спутника Geotail) и изучения индивидуальных событий с помощью радиальной конфигурации спутников Themis подтвержден и расширен вывод о преимущественном развитии в хвосте магнитосферы локализованных желобковых мод (YZ kink mode) с поперечным размером порядка нескольких Re. Сделанные ранее выводы о внутримагнитосферном происхождении этих мод (основанные на наблюдении системой Cluster преимущественного их распространения от центра к флангам) получили новые подтверждения, в первую очередь в схожести пространственных распределений (с максимумом в центре хвоста) появляемости ф-волн и быстрых струйных потоков (BBF), а также в высокой вероятности регистрации ф-волн в окрестности области пересосдинения. (струйные потоки и пересоединение являются основными кандидатами для запуска ф-волн внутри магнитосферы, помимо плазменных неустойчивостей). Связь эта, однако, не является локальной в том смысле, что значительная часть ф-волн регистрируется в точках системы, где нет струйных потоков или пересоединения. Подобная связь может существовать в случае если преимущественно наблюдаемые ф-волны распространяются от источника (струйного потока или области пересоединения), т.е. если они наблюдаются на расстоянии от источника.

Вопрос о том, являются ли наблюдаемые ф-волны результатом развития неустойчивости или распространяющимися волнами до сих пор не был детально исследован. Упомянутые выше наблюдения преимущественного движения ф-волн от центра к флангам на первый взгляд противоречат механизму неустойчивости (в большинстве анализов волны распространяются примерно с токовой скоростью, т.е. на вечернюю сторону, см Sharma et al., 2008), хотя при наличии конвекции поперек хвоста со сравнимыми скоростями (конвекция в среднем имеет такую компоненту) различие направлений конвекции в принципе возможно. Соответственно, для решения этого вопроса нужны наблюдения каких-либо свойств, отличающих две эти возможности. В нашей работе впервые приведены 2 типа наблюдений, которые судя по МГД модели «двойного градиента» (Erkaev et al., 2009, являющейся на наш взгляд наиболее реалистичной постановкой задачи для хвоста магнитосферы) предсказаны именно как отличительное свойство распространяющихся волн. Во-первых, это установленные различия средних свойств (характерной скорости, длительности пересечения, наклона нормали к токовому слою) для волн распространяющихся в разных направлениях поперек хвоста магнитосферы (#2.2). Во-вторых, это выделение крупномасштабного поперечного вращательного движения плазменных трубок в двух событиях движущихся на утро ф-волн (#2.3). В дальнейшем следует провести более детальные расчеты для проведения количественного сопоставления этих результатов с теорией (мы имели в распоряжении только пробные расчеты по этой модели), так что эти результаты следует рассматривать как первые шаги. Однако, общее согласие этих первых результатов с теорией дают основание рассматривать в качестве наиболее правдоподобной версии для преимущественно наблюдаемой моды ф-волн — волны генерируемые струйными потоками и распространяющиеся к флангам поперек хвоста магнитосферы.

Следует кратко охарактеризовать результаты анализа глобального МГД моделирования магнитосферы, которое потенциально является весьма привлекательным методом для изучения среднемасштабных структур. Используя код СвСМ, нам удалось выделить изгибные волны токового слоя с похожими свойствами (желобковая геометрия, движения к флангам) в результатах моделирования, показать их тесную (хотя и не являющуюся достаточной) связь со струйными потоками. Однако, в отличие от наблюдаемых свойств, аналоги ф-волн распространяющихся в сторону от струйных потоков не были обнаружены (либо имели много меньшую амплитуду). Нужно также отметить весьма турбулентный характер плазменного слоя в симуляциях с кодом СОСМ, и что при моделировании с теми же граничными условиями, но используя код ВАТЗЬШЭ (с существенно более диффузной картиной процессов) аналоги ф-волн не удалось выделить вообще. Не имея пока возможностей разобраться с тем, насколько специфика реализации кодов влияет на результат их применения в части ф-волн, мы решили привести эти результаты в диссертации, но не включать в число основных защищаемых положений.

Вторым основным результатом данной работы можно считать установление факта о том, что для области быстрых течений плазмы к Земле, магнитные структуры с предполагавшейся спиральной структурой магнитного поля (магнитные канаты) являются, во-первых, весьма редким явлением (структуры с биполярной Вг вариацией и значительным пиком Ву-компоненты в центре составляют порядка 11% от всех биполярных структур,

раздел #2.5). Более интересно, что большая часть из последних, замкнутой (спиральной) топологией также не обладают, что следует из исследования формы вариации потока

96 энергичных электронов, в том числе и анализа данных компактной системы спутников Cluster. Тем самым, точка зрения о возможном развитии процесса магнитного пересоединения в моде нескольких одновременно развивающихся Х-линий (множественного пересоединения) лишается основного аргумента в свою пользу, тогда как более распространенная модель импульсного развития с одной линией пересоединения получает дополнительное подтверждение.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Сормаков, Дмитрий Анатольевич, 2010 год

1. Антонова Е.Е., О неадиабатической диффузии, выравнивании концентрации и температуры в плазменном слое магнитосферы Земли, Геомагн. Аэрономия, 25, 623-627, 1985

2. Антонова Е.Е. Б.А. Тверской, О природе электрических полей во внутренней магнитосфере Земли, Геомагн. Аэрономия, 36, 1-18, 1996

3. Кубышкина Д.И., Моды флэппинг-колебаний токового слоя в хвосте магнитосферы, СПбГУ, Санкт-Петербург, доклад на конференции «Геофизика 2009» 5-9 октября 2009.

4. Angelopoulos, V., Baumjohann, W., Kennel, С. F., Coroniti, F. V., Kivelson, M. G., Pellat, R., Walker, R. J., Luhr, H., and Paschmann, G.: Bursty bulk flows in the inner central plasma sheet, J. Geophys. Res., 97, 4027^1039, 1992.

5. Angelopoulos, V., et al., Characteristics of ion flow in the quiet state of the inner plasma sheet, Geophys. Res. Lett., 20, 1711-1714, 1993.

6. Antonova, E., and I. Ovchinnikov, Magnetostatically equilibrated plasma sheet with developed medium-scale turbulence: Structure and implications for substorm dynamics, J. Geophys. Res., 104, 17289-17297, 1999.

7. Baumjohann, W.: The near-Earth plasma sheet: An AMPTEE/IRM perspective, Space Sci. Rev., 64, 141-163, 1993.

8. Chanteur, G.: Spatial interpolation for four spacecraft: Theory, in Analysis Methods for Multi-Spacecraft Data, edited by: Paschmann, G. and Daly, P., ESA, Noordwijk, 349-369, 1998.

9. Erkaev, N. V., Semenov, V. S., Kubyshkin, I. V., ICubyshkina, M. V., and Biernat, H. K.: MHD aspect of current sheet oscillations related to magnetic field gradients, Ann. Geophys., 27, 417425, 2009.

10. Fairfield, D. H., Hones Jr, E.W., and Meng, C.-I.: Multiple crossing of a very thin plasma sheet in the Earth's magnetotail, J. Geophys. Res., 86, 11 189-11 200, 1981.

11. Golovchanskaya, I. V. and Maltsev, Y. P.: On the identification of plasma sheet flapping wavesobserved by Cluster, Geophys. Res. Lett, 32, L02102, doi:10.1029/2004GL021552, 2004.

12. Halland, S. E., Sonnerup, B., Dunlop, M. W., Balogh, A.,Georgescu, E., et al.: Four-spacecraft determination of magnetopause orientation, motion and thickness: comparison with results from single-spacecraft methods, Ann. Geophys., 22, 1347-1365, 2004.

13. Harnett, E. M., R. M. Winglee, and C. Paty, Multi-scale/multi-fluid simulations of the post plasmoid current sheet in the terrestrial magnetosphere, Geophys. Res. Lett., 33, L21110, doi: 10.1029/2006GL027376, 2006.

14. Hones, E. W.: Substorm processes in the magnetotail: Comments on "On hot tenuous plasmas, fireballs, and boundary layers in the Earth's magnetotail" by Frank et al., J. Geophys. Res., 82, 5633-5643, 1977.

15. Hoshino, M., Mukai, T., Terasawa, T., and Shinohara, I.: Superther-mal electron acceleration in magnetic reconnection, J. Geophys. Res., 106, 25,972-25,997, 2001.

16. Kauristie, K., Sergeev, V. A., Amm, O., Kubyshkina, M. V., Jussila, J., Donovan, E., and Liou, K.: Bursty bulk flow intrusion to the inner plasma sheet as inferred from auroral observations, J. Geophys. Res., 108, 1040, doi: 10.1029/2002JA009371, 2003.

17. Knetter T., Neubauer, F. M., Horbury, T., and Balogh, A.: Four-point discontinuity observations using Cluster magnetic field data: A statistical survey, J.Geophys. Res., 109, A061-2, doi: 10.1029/2003JA010099, 2004.

18. Laitinen, T. V., Nakamura, R., Runov, A., Reme, H., and Lucek, E. A.: Global and local disturbances in the magnetotail during reconnection, Ann. Geophys., 25, 1025-1035, 2007.

19. Lui, A. T. Y., Meng, C.-I., and Akasofu, S.-I.: Wavy nature of the magnetotail neutral sheet, Geophys. Res. Lett., 5, 279-282, 1978.

20. Malova H. V., Zelenyi, L. M., Popov, V. Y., Delcourt, D. C., Petrukovich, A. A., and Runov, A.: Asymmetric thin current sheets in the Earth's magnetotail, Geophys. Res. Lett., 34, L16108, doi: 10.1029/2007GL030011, 2007.

21. McComas, D. J., Russel, C. T., Elphic, R. C., and Bame, S. J.: The near-Earth cross-tail currentsheet: Detailed ISEE 1 and 2 case studies, J. Geophys. Res., 91, 4287-4301, 1986.100

22. Nakagawa, T. andNishida, A.: Southward magnetic field in the neutral sheet produced by wavy motions propagating in the dawndusk direction, Geophys. Res. Lett., 16, 1265-1268, 1989.

23. Nakamura, R., Baumjohann, W., Schodel, R., Brittnacher, M., Sergeev, V. A., Kubyshkina, M., Mukai, T., and Liou, K.: Earthward flow bursts, auroral streamers, and small expansions, J. Geophys. Res., 106, 10 791-10 802, 2001.

24. Ohtani, S. I., Shay, M. A., and Mukai, T.: Temporal structure of the fast convective flow in the plasma sheet: Comparison between observations and two-fluid simulations, J. Geophys. Res., 109, A03210, doi: 10.1029/2003JA010002, 2004.

25. Petrukovich, A. A., Baumjohann, W., Nakamura, R., Balogh, A., Mukai, T., Glassmeier, K.-H., Reme, H., and Klecker, B.: Plasma sheet structure during strongly northward IMF, J. Geophys. Res., 108, 1258, doi:10.1029/2002JA009738, 2003.

26. Petrukovich, A. A., Zhang, T. L., Baumjohann, W., Nakamura, R., Runov, A., Balogh, A., and Carr, C.: Oscillatory magnetic flux tube slippage in the plasma sheet, Ann. Geophys., 24, 16951704,2006.

27. Petschek, H. E.: Magnetic field annihilation, in: AAS/NASA Symposium on the Physics of Solar Flares SP-50,W. N. Ness (Editor), pp. 425-439, NASA, Washington, D.C., 1964.

28. Raeder, J. Global Geospace Modeling: Tutorial and Review, in J. Buchner, C. T. Dunn & M. Scholer (eds), Space Plasma Simulations, Vol. 615 of Lecture notes in Physics, Springer Verlag, Berlin, 2003

29. Runov, A., Angelopoulos, V., Sergeev, V.A., Glassmeier, K.-H., Auster, U., McFadden, J., Larson, D., and Mann, I.: Global properties of magnetotail current sheet flapping: THEMIS perspectives, Ann. Geophys., 27, 319-328, 2009.

30. Schodel, R., Baumjohann, W., Nakamura, R., Sergeev, V. A., and Mukai, T.: Rapid flux transport in the central plasma sheet, J. Geophys. Res., 106, 301-313, 2001.

31. Semenov, V. S., Farrugia, C. J., Biernat, H. K., et al.: Reconnection associated surface waves atthe magnetopause, Geophys. Res. Lett., 21, 2437-2440, 1994.101

32. Semenov, V. S., Heyn, M. F., and Ivanov, I. B.: Magnetic reconnection with space and time varying reconnection rates in a compressible plasmas, Phys. Plasmas, 11, 62-70, 2004a.

33. Sergeev, V., Elphic, R. C., Mozer, F. S., Saint-Marc, A., and Sauvaud, J.-A.: A two-satellite study of nightside flux transfer events in the plasma sheet, Planet. Space Sci., 40, 1551-1572, 1992.

34. Sergeev, V.A., et al. Structure of the Tail Plasma/Current Sheet at ~ 11 Re and Changes in the course of a Substorm, J.Geophys. Res., 98, 17, 345-17,365, 1993.

35. Sergeev, V., Angelopulous, V., Carlson, C., and Sutcliffe, P.: Current sheet measurements within a flapping plasma sheet, J. Geophys. Res, 103, 9177-9188, 1998.

36. Sergeev, V., Liou, K., Newell, P. T., Ohtani, S.-I., Hairston, M. R„ and Rich, F.: Auroral streamers: Characteristics of associated precipitation, convection and field-aligned currents, Ann. Geophys., 22, 537-548, 2004.

37. Sergeev, V. A., Sormakov, D. A., Apatenkov, S. V., Baumjohann, W., Nakamura, R., Runov, A., Mukai, T., and Nagai, T.: Survey of large-amplitude flapping motions in the midtail current sheet, Ann. Geophys., 24, 2015-2024, 2006.

38. Shirataka, N., Fujimoto, M., Hasegawa, H., and TanDokoro, R.: Reproducing the bi-polar magnetic signature at the jet leading edge by 3-D reconnection with non-zero guide field, J. Geophys. Res., 111, A07201, doi: 10.1029/2005JA011521, 2006.

39. Slavin, J. A., Smith, M. F., Mazur, E. L., Baker, D. N., Iyemori, T., Singer, H. J., and Greenstadt, E. W.: ISEE 3 plasmoid and TCR observations during an extended interval of substorm activ-ity, Geophys. Res. Lett., 19, 825-828, 1992.

40. Slavin, J. A., Owen, C. J., Kuznetsova, M.M., and Hesse, M.: ISEE 3 observations of plasmoids102with flux rope magnetic topologies, Geophys. Res. Lett., 22, 2061-2064, 1995.

41. Sonnerup, B. U. and Schneible, M.: Minimum and maximum variance analysis, Analysis Methods for Multi-Spacecraft Data, edited by: Paschmann, G. and Daly, P., ISSI Scientific Report SR-001,ISSI/ESA, 185-220, 1998.

42. Toyichi, T. and Miyazaki, T.: Flapping motions of the tail plasma sheet induced by the interplanetary magnetic field variations, Planet. Space Sci., 24, 147-156, 1976.

43. A.G. Yahnin, I.V. Despirak, A.A. Lubchich, B.V. Kozelov, N.P. Dmitrieva, M.A. Shukhtina and H.K. Biernat, Relationship between substorm auroras and processes in the near-Earth magnetotail, Space Science Reviews 122: 97-106, 2006.

44. Zelenyi, L. M., Malova, H. V., Popov, V. Y., Delcourt, D., and Sharma, A. S.: Nonlinear equilibrium structure of thin current sheets: Influence of electron pressure anisotropy, Nonlin. Processes Geophys, 11, 579-587, 2004.