Магнитосферные суббури

Введение

Структура магнитосферы Земли

Существование магнитосферы у Земли обусловлено наличием у нее достаточно сильного собственного магнитного поля. При взаимодействии сверхзвукового солнечного ветра с Землей формируются ударная волна, магнитопауза, а также магнитосферные токовые системы. Порожденное ими магнитное поле, наряду с собственным магнитным полем Земли, определяет структуру большинства плазменных образований в околоземном космическом пространстве: плазменного слоя, плазмосферы, полярного овала и области захваченной радиации. Межпланетное магнитное поле (ММП), вмороженное в плазму солнечного ветра, контролирует перенос энергии и импульса внутрь магнитосферы и определяет уровень геомагнитной возмущенности, который существенно возрастает при наличии «южной» компоненты ММП, совпадающей по направлению с вектором геомагнитного диполя.
В формировании магнитосферы участвуют следующие источники магнитного поля : (а) внутриземные (токи протекающие в земном ядре), (б) поверхностные токи на магнитопаузе, экранирующие поле внутренних источников, (в) токи поперек хвоста магнитосферы и замыкающие их токи на магнитопаузе, (г) кольцевой ток (симметричный и асимметричный), (д) продольные токи, образующие трехмерные токовые системы вместе с замыкающими их токами в ионосфере и магнитосфере и ММП, проникающее внутрь магнитосферы. В отличие от внутриземных источников магнитного поля, испытывающим медленные вариации («вековой ход»), магнитосферные токовые системы подвержены резким, внезапным изменениям. Воздействие ускоренной, плотной плазмы солнечного ветра, изменение ориентации ММП, влияют на положение в пространстве и интенсивность магнитосферных токовых систем и приводят к развитию магнитных бурь и магнитосферных суббурь– самых значительных возмущений геомагнитного поля, регистрируемых в земной магнитосфере.

Магнитосферные суббури

    С древнейших времен народы, обитавшие на севере нашей планеты, привлекала и завораживала необычайная красота и загадочность северных сияний. Эти грандиозные огни полярной ночи то тянутся спокойными белесыми полосами от горизонта до горизонта, то вспыхивают разнообразными и разноцветными дугами и лучами, охватывая все небо, как будто они живут своей, неведомой человеку жизнью. У народов Севера издревле сложилась самобытная мифология, в основе которой – духи северного сияния.
    Для современного человека, оставаясь действительно восхитительным явлением природы, полярные сияния в то же время бросают вызов его науке, старающейся понять окружающий мир во всей его полноте. Серьезное научное исследование полярных сияний началось сравнительно поздно, примерно столетие назад. Это связано не в последнюю очередь с трудностями полярных экспедиций и вообще жизни человека за полярным кругом, особенно в условиях полярной ночи.
    Уже в начале этих исследований было установлено, что свечение происходит в верхних слоях атмосферы; к земле приходит излучение от атомов и молекул воздуха, находящихся на высотах выше ста километров.
    Какой агент приводит эти атомы и молекулы в возбужденное состояние? Чем определяется географическая локализация свечения? Почему происходят такие сильные вариации его интенсивности во времени и что лежит в основе формирования разнообразных структур свечения и их таких сильных вариаций? Ответы на эти и многие другие вопросы добываются лишь постепенно.
    Удалось выяснить, что обычно возбуждение атомов и молекул воздуха производится электронами, приходящими извне в атмосферу. Такой электрон имеет энергию порядка нескольких кэВ или десятков кэВ, т.е. его энергия на много порядков превышает энергию электронов в самой атмосфере, которые на этих высотах тоже имеются – это высоты ионосферы, где воздух частично ионизован. Итак, электроны приходят извне. Но как и откуда? Какова природа пространственно-временного поведения их потоков?

Исследование полярных сияний: краткая историческая справка

Овал полярных сияний – вид из космоса

Важнейшим достижением стало открытие овала полярных сияний (О.В.Хорошева, Я.И.Фельдштейн). По собранным данным наземных наблюдений было обнаружено, что область почти постоянного присутствия полярных сияний охватывает кольцом геомагнитный полюс. Это кольцо несколько вытянуто с дневной стороны на ночную (овал!), причем ближайшая к полюсу точка всегда находится вблизи полудня по местному времени (около 75-78° геомагнитной широты), а самая удаленная от полюса область находится на ночной стороне (около 65-68° геомагнитной широты). Теперь мы имеем многочисленные снимки полярных сияний, сделанные не снизу,с земли, а сверху – со спутников, из космоса. Один из них показан на этом рисунке – овал здесь отчетливо виден.

Схема магнитосферы

Когда, уже в космическую эру, при помощи спутниковой аппаратуры была обнаружена магнитосфера Земли, вскоре был открыт геомагнитный хвост (Г.Несс) и выяснено, что он является важнейшей постоянно существующей структурой в строении магнитосферы. При этом две доли хвоста, в которых магнитное поле направлено противоположным образом, к Земле и от Земли, разделяются плазменным слоем; именно в этой плазме течет тот ток, который является источником поля в долях хвоста. И было обнаружено, что именно этот плазменный слой (точнее, ближняя к Земле его часть) и представляет собой источник авроральных электронов. Именно эта плазменная структура «проектируется» вдоль силовых линий на авроральный овал; существуя постоянно, она приводит к постоянному существованию овала.

Полярные сияния

Являясь, таким образом, «зеркалом» магнитосферной структуры, полярные сияния оказываются также и «зеркалом» динамических процессов, происходящих в магнитосфере. Именно в полярных сияниях была впервые обнаружена характерная последовательность во временном поведении. Ситуация может в течение многих часов оставаться совершенно спокойной: слабая полоса сияния, простирающаяся через все небо от горизонта до горизонта. Но эта ситуация спорадически сменяется сначала уярчением и перемещением полосы как целого, а затем взрывообразным увеличением яркости, с появлением множества ярких разнообразных, быстро перемещающихся, сменяющих друг друга форм. Такое яркое «активное» сияние видно на этом рисунке.

Развитие суббури в полярных сияниях

При всем разнообразии таких спорадических явлений, в них удается все же проследить ряд общих особенностей. Закономерно следуя друг за другом, они образуют то, что было названо суббурей в полярных сияниях (С.Акасофу). Эта типичная последовательность схематически представлена на рисунке.
По современным представлениям суббуря состоит из трех фаз:

фаза зарождения;
фаза развития;
фаза восстановления.

На рис. A изображена фаза зарождения, которая на самом деле имеет продолжительность порядка первых десятков минут. В этой фазе дуга сияния остается спокойной, но она становится более яркой, расщепляется на несколько дуг и плавно перемещается к экватору. На рис. B представлено внезапное начало (onset), когда резко возрастает яркость самой низкоширотной дуги, причем происходит это только вблизи полуночи. Затем уярчение быстро расширяется в направлении к западу и к полюсу (рис. C). Образуется авроральный выступ (bulge), внутри которого сияния чрезвычайно динамичны. Появляются и исчезают дуги; формируются пульсирующие пятна. На большинстве дуг появляются складки (драпри), которые быстро перемещаются вдоль дуги. Нижние края дуги могут стать интенсивно окрашенными. Интервал времени, в течение которого происходит такое нарастание возмущения, называется фазой развития суббури. Со временем на западном краю аврорального выступа образуется резкий изгиб. Он часто совершает перемещение на запад, становясь со временем более крутым, см. рис. C и D. Другого типа формы сияния образуются к востоку от полуночного сектора: пульсирующие пятна, «омега»-формы (рис. E). Примерно через 30 – 50 мин. авроральная активность перестает перемещаться к полюсу – фаза развития заканчивается (рис. E). Теперь активность начинает затухать, сначала в низкоширотной части овала, где снова появляются спокойные дуги. В вечернем секторе движущийся к западу изгиб ослабевает, а в утреннем секторе некоторое время еще наблюдаются пульсирующие формы. Такая фаза восстановления продолжается более часа.

Магнитосферная суббуря: вариации магнитосферной конфигурации и энергетика

Схема суббури

    Исследования на спутниках позволяют выяснить, каким же именно процессам, происходящим в магнитосфере и, в частности, в геомагнитном хвосте, соответствуют явления, составляющие суббурю в полярных сияниях. Эти процессы в совокупности представляют собой магнитосферную суббурю. На рисунке схематически показано, что происходит в геомагнитном хвосте последовательно в трех фазах суббури. Слева показано меридиональное сечение полдень – полночь, а справа – экваториальное сечение.
    В фазе зарождения происходит постепенное увеличение магнитного потока в долях хвоста и утоньшение плазменного слоя (ПС) в ближней к Земле его части. Плазма в ПС движется к Земле. Это движение – конвекция, которая существует и в спокойное время (см. далее), но теперь она усиливается. В удаленной части ПС появляются пятна магнитного пересоединения, при котором пара вытянутых в хвост разомкнутых силовых линий перезамыкается, образуя замкнутую линию геомагнитного поля и (сильно деформированную) линию межпланетного магнитного поля.
    В фазе развития накопление магнитного потока в долях хвоста подавляется благодаря тому, что зоны утоньшения ПС и магнитного пересоединения в нем резко расширяются. Возникают сильные потоки плазмы, направленные к Земле, и область диполизации, где вытянутость силовых линий в хвост сильно уменьшается. Накопленная в фазе зарождения магнитная энергия в хвосте быстро трансформируется в энергию плазменных потоков.
    В фазе восстановления все эти процессы ослабевают, и геомагнитный хвост постепенно возвращается к своему спокойному состоянию.
Далее мы еще остановимся на физических механизмах, лежащих в основе этой эмпирической картины.

Вариации магнитосферных электрических полей и конвекции плазмы

    С точки зрения динамики системы, проявляющейся как авроральная (полярные сияния) и геомагнитная активность, принципиально важна связь между геомагнитным хвостом и внутренней магнитосферой − ионосферой.
    Открытые силовые линии сносятся потоком солнечного ветра с дневной стороны на ночную; но это может происходить только если на дневной стороне поток открытых линий постоянно восполняется. Это означает, что замкнутые магнитосферные линии размыкаются и пересоединяются с рвущимися, размыкающимися линиями межпланетного поля, образуя все новые открытые магнитосферные силовые линии. Конечно, такой процесс дневного магнитного пересоединения обязательно сопровождается процессом обратного воссоединения открытых магнитосферных силовых линий. И значит, в магнитосфере происходит конвекция плазмы: перетекание ее с дневной стороны на ночную в высоких широтах, над полярными шапками, и обратное течение с ночной стороны на дневную - в приэкваториальной области.
    Но в горячей и разреженной плазме, практически в отсутствие кулоновских столкновений ее частиц между собой, это движение поперек направления силовых линий есть дрейф в скрещенных полях E и B, так что имеется электрическое поле магнитосферной конвекции E = −[vB]/c. Заметим теперь, что вдоль магнитного поля магнитосферная плазма обладает очень высокой проводимостью, так что продольное электрическое поле должно быть почти нулевым. Тогда силовые линии почти эквипотенциальны, и значит, магнитосферное электрическое поле E₊ «проектируется» вдоль силовых линий на уровень ионосферы. Но ионосферная плазма − столкновительная, там имеются достаточно частые столкновения электронов и ионов с нейтралами. Следовательно, там электрическое поле порождает поперечный ток j₊. Плазма ионосферы − гиротропная среда: тензор проводимости недиагонален, помимо прямой (педерсеновской) имеется холловская составляющая тока, перпендикулярная к E и B. Эта холловская компонента тока даже преобладает, а потому линии тока на уровне ионосферы примерно повторяют эквипотенциали электрического поля, которые, очевидно, тоже перпендикулярны к обоим этим векторам. Следовательно, в высоких и средних широтах в ионосфере должны существовать два вихря тока. Магнитные возмущения, порождаемые такими токами, действительно регистрируются наземными обсерваториями.
    Педерсеновский ток направлен вдоль электрического поля и потому приводит к диссипации, jE > 0. При этом, если вихри холловского тока замыкаются в основном в самой ионосфере, то педерсеновский ток замыкается посредством токов вдоль магнитных силовых линий на токи, текущие поперек магнитного поля и внутри магнитосферы, и вне ее. Последнее означает, что на открытых силовых линиях происходит не просто снос их внешних частей в хвост вместе с потоком солнечного ветра, но и торможение этого потока: ток инерционного дрейфа ионов при этом замыкает трехмерную токовую систему, охватывающую ионосферу, магнитосферу и возмущенный солнечный ветер вблизи магнитопаузы. Таким образом, можно говорить о магнитосферном МГД-генераторе, действующем на открытых силовых линиях.
    Внутри магнитосферы конвективные движения бывают очень медленны (это не относится к периодам сильной геомагнитной активности), а поперечная ионосферная проводимость достаточно высокой. Тогда изменения магнитосферной конфигурации настолько медленны, что в каждый момент ее можно считать равновесной. Для такого магнитоплазменного равновесия теория позволяет однозначно определить конфигурацию продольных токов, замыкающихся дрейфовыми токами в магнитосфере, затем найти картину ионосферных токов и по ней, зная ионосферную проводимость, - найти картину электрических полей и (медленной!) конвекции.

Такая картина представлена в левой части рисунка. Парные замкнутые структуры в картине эквипотенциалей электрического поля в ионосфере и соответствующая пара вихрей конвекции, отвечающие спокойному времени, остаются и в фазе зарождения суббури, однако электрические поля существенно усиливаются. В правой части рисунка показана картина эквипотенциалей для фазы развития суббури. Важнейшая отличительная особенность состоит в формировании полосы очень сильной конвекции и соответственно, сильного холловского тока в ночном секторе ионосферы. Это формирование западной электроструи происходит на широте аврорального овала, там, где максимальна активность полярных сияний при суббуре.

Картина эквипотенциалей для фазы развития суббури

Протекающий в ионосфере ток западной электроструи генерирует магнитное поле. Это магнитное возмущение – самое сильное из наблюдаемых на поверхности Земли, оно может достигать нескольких тысяч нанотесла. Поскольку это возмущение от тока, сосредоточенного в узком широтном интервале и на небольшой высоте (около 100 км), то оно оказывается также сосредоточенным только на широтах аврорального овала. Так же, как и полярные сияния, оно служит важнейшим наземным индикатором магнитосферной суббури.
Типичный ход суббури прослеживается на рисунке. Здесь показаны не магнитограммы с отдельной станции, вид которых сильно зависит от долготного положения станции в период суббури, а ход индексов AU и AL, которые рассчитываются «интегрально», по одновременным данным многих станций, находящихся в разных долготных секторах.

Трехмерная магнитосферно-ионосферная токовая система. Суббуревой токовый клин

Почему при суббуре возникают авроральные электроструи? Их природа, так же, как и других токов, протекающих в магнитосфере, показанных на этой схеме, связана с нестационарной динамикой магнитосферно-ионосферной плазменной системы. Cледующая за взрывообразным «внезапным началом» (onset) суббури, происходящим в геомагнитном хвосте, эволюция системы включает в себя, как уже говорилось,быстрые движения плазмы к Земле в ближней части ПС. Движение происходит в ограниченном азимутальном секторе. В этом секторе часть тока, протекающего в ПС, отклоняется вдоль магнитных силовых линий, формируя пару продольных токов – суббуревой ток, суббуревой токовый клин. С ним связана «диполизация» предварительно вытянутого в хвост поля в этой области и инжекция облака горячей плазмы в ближнюю, квазидипольную зону.
Эволюция инжектированного во внутреннюю магнитосферу облака горячей плазмы включает в себя поляризационные эффекты из-за разнонаправленного магнитного дрейфа ионов и электронов: ионы дрейфуют на запад, а электроны – на восток. В результате ионное облако, перемещаясь поперек магнитного поля, переносит с собой положительный заряд; этот заряд компенсируется натекающими из ионосферы холодными электронами. Так что дрейфовое возмущение содержит продольные токи (ток зоны 1 и ток зоны 2) и, следовательно, замыкающие их ионосферные токи, а значит, и электрические поля. Таким образом, к процессу оказывается подключенной ионосферная омическая диссипация. В простейших моделях удается получить пространственно-временную картину такого сложного возмущения и оценить его характерные времена, которые оказываются порядка первых десятков минут. Это подтверждается исследованиями, использующими численное моделирование.

Суббуревые инжекции поставляют частицы горячей плазмы в квазидипольную зону захвата; там они формируют сначала частично-кольцевой ток, переносимый горячими ионами, дрейфующими в азимутальном направлении в неоднородном магнитном поле. Постепенно растекаясь по долготе, горячее плазменное облако образует в дальнейшем азимутально-симметричный кольцевой ток. Этот ток деформирует геомагнитное поле, т.е. создает сильное планетарное магнитное возмущение на поверхности Земли, при магнитной буре, которая, как правило, возникает в результате ряда сильных суббуревых инжекций.
Таким образом, суббуревая активность и геомагнитная возмущенность в целом оказываются в очень сильной зависимости от состояния межпланетной среды и тех ее известных возмущений, которые обусловлены солнечной активностью.

Магнитосферная динамика: последовательная смена фаз накопления магнитной энергии и конверсии ее в энергию плазменных потоков и в тепло

Фаза зарождения

Фаза развития

Фаза восстановления

    На этом и последующих рисунках показано более детально, как происходит смена суббуревых фаз. На них представлено меридиональное сечение полдень – полночь. На рисунке (а) показано, какие относительно медленные, квазистатические изменения происходят на фазе зарождения. Межпланетное поле направлено на юг, магнитные поля на дневной магнитопаузе антипараллельны, так что возникает нейтральная линия. Магнитный поток пересоединившихся открытых силовых линий сносится с дневной стороны на ночную, и таким образом в конфигурациях, сменяющих друг друга квазистатически, дневной поток уменьшается – происходит эрозия этого потока, подсолнечная точка магнитопаузы приближается к Земле. Такая тенденция изменений конфигурации сохраняется и на ночной стороне вблизи терминатора. Но дальше в геомагнитном хвосте увеличение потока вытянутых разомкрутых линий приводит к расширению, увеличению сечения хвоста. Что касается плазменного слоя, то такое изменение равновесной конфигурации сопровождается его утоньшением и перемещением его переднего края внутрь, к Земле. На большом удалении от Земли, скажем, более 40 земных радиусов, может существовать дальняя нейтральная линия, на которой может происходить частичный обратный процесс воссоединения разомкнутых силовых линий.
    На рисунке (б) показана фаза развития. Происходит быстрая трансформация запасенной в геомагнитном хвосте магнитной энергии в энергию плазменных потоков. Она стала возможной благодаря тому, что на утоньшившемся токовом слое теперь образовалась новая, околоземная нейтральная линия, позволяющая магнитному потоку разомкнутых линий быстро пересоединяться.
    На рисунке (в) показана фаза восстановления. Крупный плазменный сгусток, плазмоид, сформировавшийся между двумя нейтральными линиями, ближней и удаленной, вобравший в себя большой поток пересединившихся силовых линий, выталкивается из магнитосферы. Таким образом она возвращается к исходному, спокойному состоянию, с относительно небольшим количеством магнитной энергии, запасенным в хвосте.

Суббуря в потоках энергичных частиц. Инжекция в кольцевой ток. Связь с магнитной бурей

Регистрация потоков частиц и магнитного поля на спутнике CRRES, на ночной стороне, на геоцентрическом расстоянии около 6 R_E . Временное разрешение 2-3 с. Вариации с периодом 30 с вызваны вращением спутника в условиях анизотропии потоков. Цветом показаны потоки частиц в разных энергетических каналах.

    Быстрые перестройки магнитосферы, особенно на ночной стороне, происходящие при суббуре, порождают всплески сильных электрических полей. Дрейфуя в таких полях, частицы плазменного слоя забрасываются, инжектируются вглубь магнитосферы. Перестройки происходят как последовательность коротких импульсов, активизаций, каждая из которых занимает относительно узкий пространственный интервал.
    На рисунке мы видим ряд очень быстрых нарастаний потоков частиц, которые происходят там и тогда, где и когда магнитная конфигурация в плазменном слое сменяется от вытянутой в хвост к квазидипольной: в верхней части рисунка видны резкие возрастания нормальной к слою компоненты поля Bz. Быстрые нарастания потоков сменяются более медленными спадами, которые происходят оттого, что частицы посредством магнитного дрейфа постепенно покидают локализованную область, где они были инжектированы.
    При этом новые частицы заполняют замкнутые дрейфовые оболочки внутренней магнитосферы. Таким образом суббуревые инжекции служат для формирования пояса кольцевого тока, служащего источником возмущения при магнитной буре. Самые энергичные из таких частиц остаются затем на дрейфовых оболочках длительное время и таким образом пополняют радиационные пояса.

Вариации потоков электронов

На этом рисунке также показаны вариации потоков электронов. Они зарегистрированы на спутнике ATS 6, на геостационарной орбите (круговая экваториальная орбита радиусом 6,6 RE). Рваные острые пики отмечают появление энергичных электронов при суббурях; эти электроны затем постепенно выносятся азимутальным дрейфом за пределы области наблюдения. Электроны более низких энергий, которые остаются (около 1000 эВ) принадлежат основной популяции плазменного слоя, внутри которого спутник находится примерно в пределах половины своей орбиты.

Теоретические модели суббуревого срыва равновесия в магнитоплазменной системе магнитосферы

Когда и как происходит в магнитосфере переход от спокойного, медленного изменения конфигурации, с накоплением энергии в геомагнитном хвосте (фаза зарождения суббури) к быстрым, взрывообразным изменениям, характеризующим динамику фазы развития?
Медленную эволюцию можно представить как непрерывную последовательность переходов между рядом состояний равновесия. Сначала это устойчивые равновесия, но эволюция идет в сторону потери устойчивости. Когда система достигает маргинального состояния, т.е. состояния на границе устойчивости и неустойчивости равновесия, происходит процесс срыва равновесия. Оказывается, его можно описать простым универсальным нелинейным уравнением. На рисунке показаны его решения. За конечное время возникает возмущение конечной амплитуды.

Альтернатива: магнитное пересоединение на вновь возникшей нейтральной линии магнитного поля либо «разрыв» тока в околоземной части плазменного слоя геомагнитного хвоста

Токовый слой
(Свит, Паркер, Сыроватский)

Ударные волны, диффузионная область
(Петчек)

Проблема быстрой трансформации запасенной магнитной энергии в бесстолкновительной космической плазме: солнечные вспышки, магнитосферные суббури
Роль малых масштабов и спонтанное формирование мелкомасштабных структур: пример - ударные волны
Самоорганизация в нелинейных диссипативных системах

    Как уже говорилось, магнитное пересоединение в геомагнитном хвосте является необходимым элементом магнитосферной динамики, поскольку оно возвращает во внутреннюю магнитосферу магнитный поток, выносимый в хвост в результате действия солнечного ветра на силовые линии, размыкающиеся на дневной стороне. Однако пока еще не установлена достоверно определяющая роль магнитного пересоединения на возникающей ближней нейтральной линии для быстрой перестройки, свойственной фазе развития суббури.
    Быстрая конверсия значительной части магнитной энергии, запасенной в хвосте, может происходить и на замкнутых силовых линиях в ближней части плазменного слоя; именно при этом происходит «диполизация»: сильно вытянутые в хвост силовые линии превращаются в квазидипольные. Такой альтернативный процесс называют «разрывом тока» в ближнем хвосте.
    В любом случае, однако, быстрая конверсия может происходить только при наличии тонких токовых слоев, которые, будучи достаточно протяженными, обеспечивают необходимый темп такой конверсии. Эти токовые слои могут быть либо одиночными, либо парными, как показано на рисунке. Таким образом, здесь играет определяющую роль спонтанное формирование мелкомасштабных структур. Ударные волны являются известным примером таких структур; однако в случае бесстолкновительной плазмы токового слоя в хвосте это не единственная возможность (см. далее). Формирование очень тонких токовых структур и их участие в быстрых перестройках при магнитосферной суббуре являются проявлением общей закономерности самоорганизации в нелинейных диссипативных системах.

Быстрый процесс самоорганизации – формирования тонких токовых слоев, на которых осуществляется конверсия магнитной энергии в энергию потоков плазмы

Указанный быстрый процесс самоорганизации – формирования тонких токовых слоев, на которых осуществляется конверсия магнитной энергии в энергию потоков плазмы, удается изучить посредством численного моделирования. Как видно из двух приведенных рисунков, полученных для двух разных начальных состояний плазменного слоя, возникающие структуры могут быть принципиально различными. Может возникать пара ударных волн. Но может возникать и единственный тонкий токовый слой в центральной плоскости. При этом появляется сильная ионная анизотропия: это специфический эффект бесстолкновительной плазменной кинетики.
Тонкие токовые слои в хвосте, их структура и динамика, их роль в суббуревых возмущениях – среди главных проблем, исследуемых в эксперименте CLUSTER, проводимом одновременно на четырех близко расположенных спутниках, а также и в последующих спутниковых проектах.

Процессы, участвующие в магнитном пересоединении в диффузионной области и их характерные масштабы

M.Hesse, J.Birn,
M.Kuznetsova

Процессы, участвующие в магнитном пересоединении в диффузионной области и их характерные масштабы.
- Холловские токи, вистлерная мода, квадрупольные магнитные поля By.
- Незамагниченные ионы и электроны, негиротропное ионное и электронное давление.

    Рассмотрим сценарий дальнейшей эволюции системы, происходящей после срыва равновесия, исходящий из определяющей роли образования ближней нейтральной линии в хвосте. Тогда срыв равновесия определяется тем, что маргинальное состояние равновесия достигается относительно разрывной, «тиринг»-неустойчивости.
    Магнитное пересоединение как таковое обеспечивается в бесстолкновительном случае процессами на очень малом ЭЛЕКТРОННОМ масштабе, порядка размера электронного ларморовского радиуса в магнитном поле хвоста. Здесь происходит необходимое для пересоединения нарушение вмороженности магнитного поля в плазму. Роль конечной проводимости в обобщенном законе Ома, обеспечивающей это нарушение вмороженности, берет на себя эффект анизотропной (негиротропной) компоненты электронного потока импульса («давления»), связанный с незамагниченностью электронов на этом малом масштабе.
    Поля и потоки ионов и электронов в большей части «диффузионной» области, вне очень малой «электронной» области, определяются тем, что здесь электроны уже замагничены, а ионы – не замагничены; поэтому они движутся а электрическом поле по-разному, формируя таким образом токи Холла. Эти токи генерируют дополнительное магнитное поле By сложной геометрии, в направлении вдоль исходного тока и против него.
    Эти результаты получены в теоретических моделях, при помощи численного моделирования. Сильные вариации параметров на очень малых масштабах пока не позволяют полностью изучить картину в измерениях на спутниках. Однако часть результатов, касающаяся холловских токов и квадрупольного магнитного поля, недавно получило подтверждение в эксперименте CLUSTER.

«Разрыв» тока в околоземной части плазменного слоя геомагнитного хвоста

Как сказано выше, у той модели срыва равновесия при начале фазы развития суббури, в которой принимается, что этот срыв начинается с магнитного пересоединения на вновь возникшей ближней нейтральной линии магнитного поля, имеется альтернативу. Срыв равновесия может происходить как результат «разрыва» тока в околоземной части плазменного слоя геомагнитного хвоста. Это означает, что возникает быстрое смещение к Земле замкнутых силовых линий в относительно узком секторе по местному времени, в ближней части плазменного слоя, т.е. «диполизация». Такое движение может быть описано как «баллонное» возмущение в горячей плазме. Можно полагать, что в этом случае маргинальное состояние равновесия в хвосте раньше достигается относительно «баллонной» устойчивости, а не «тиринг»-устойчивости.
На рисунке показана специфическая трехмерная токовая система, которая возникает в фазе развития суббури. Вверху показано отклонение части тока, текущего в хвосте, посредством продольных токов в полуночную ионосферу. Внизу представлены магнитные возмущения, которые порождает эта токовая система на цепочке среднеширотных магнитных обсерваторий в северном полушарии. Если суббуревая активизация начинается именно с «разрыва» тока в хвосте, то такой «суббуревой токовый клин» должен возникать сразу, раньше других возмущений.

Проблема временной последовательности событий. Проект THEMIS

Для ответа на вопрос о том, с чего же начинается суббуревая активизация: с магнитного пересоединения на возникающей ближней нейтральной линии или с «разрыва» тока в околоземной части плазменного слоя, в ближайшее время запускается новый большой экспериментальный проект. Этот проект называется THEMIS (Time History of Events and Mesoscale Interactions during Substorm – Временная последовательность событий и среднемасштабные взаимодействия во время суббури).

Английская аббревиатура переводится как Фемида – богиня правосудия; предполагается, что она (т.е. научная программа, конечно) вынесет беспристрастный вердикт относительно указанной альтернативы. Как показано на рисунке, программа задействует большое число наземных геофизических обсерваторий в совокупности с пятью спутниками. Спутники расположены на разных орбитах так, что один раз в четверо суток они будут выстраиваться на одной прямой в ночном секторе и совершать одновременные наблюдения плазмы и полей в разных областях геомагнитного хвоста.

Последовательность событий в альтернативных моделях

Существующие модели суббуревой динамики все еще являются грубо ориентировочными. На это ясно указывает само существование двух разных альтернативных моделей, для которых здесь схематически показана последовательность событий во времени.

Модель разрыва тока		Модель магнитного пересоединения
Время	Событие	Время	Событие
0 секунд	разрыв тока	0 секунд	магнитное пересоединение
30 секунд	авроральный взрыв	90 секунд	разрыв тока
60 секунд	магнитное пересоединение	120 секунд	авроральный взрыв

Хотя эти модели и опираются на имеющийся уже огромный экспериментальный материал, накопленный за десятилетия, а также на достижения теоретической физики плазмы и мощь численного моделирования, сама физическая система и ее динамика неимоверно сложны, и пока удается их понять лишь в грубых чертах. Природа здесь все еще бросает науке самый серьезный вызов.
Ситуацию можно сравнить с наукой об атмосфере: ведь там масштабы и длительность усилий, предпринятых учеными, еще намного больше. И однако возможности описания и предсказания структуры и динамики циклонов, атмосферных фронтов, тропических ураганов и т.п. пока остаются весьма скромными.

Вид СПОНТАННОГО возмущения, определяющего быструю конверсию магнитной энергии.	Самоорганизация: формирование очень тонких почти одномерных токовых структур (зеленые линии), вложенных в исходный токовый слой (синие линии). Медленные ударные волны; ВКТС.
(В.И.Домрин, А.П.Кропоткин)