Строительные исследования
страница - 0
О МАГНИТОСФЕРНО-ИОНОСФЕРНОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ В ОБЛАСТИ АВРОРАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОДЖЕТОВ.
П.А. Седых, Е.А. Пономарев (pon@iszf.irk.ru).
Институт Солнечно-Земной Физики СО РАН.
1. Введение. В резюме двух последних международных конференций [1,2.] явственно прозвучали нотки неудовлетворенности отсутствием прогресса в понимании физической сущности магнитосферных процессов, прежде всего -магнитосферной суббури. По нашему мнению, если говорить без обиняков, -здесь назрел концептуальный кризис. Четыре десятилетия назад были сформулированы две концепции взаимодействия Солнечного Ветра (СВ) с магнитосферой: концепция квазивязкого взаимодействия [3] и концепция пересоединения магнитных силовых линий[4]. В основе как одной, так и другой концепции лежит предположение о существовании в области взаимодействия СВ с магнитосферой значимых коэффициентов переноса -некоторой эффективной вязкости в первом случае и эффективной электропроводности - во втором. Оба этих коэффициента пропорциональны некоторой длине, имеющей смысл длины свободного пробега частиц в случае парных столкновений. Поскольку длина свободного пробега частиц в магнитосфере при парных столкновениях с кулоновским взаимодействием намного превосходит размеры магнитосферы, магнитосферную плазму принято считать бесстолкновительной. Однако в плазме могут существовать коллективные процессы, приводящие к обмену импульсом и энергией между частицами. Обмен идет через волны, которые должны иметь достаточную спектральную плотность энергии, чтобы обеспечить достаточную скорость обмена (квазистолкновительный режим). Таким образом, состоятельность обоих концепций сводится к проблеме отыскания плазменных неустойчивостей, способных обеспечить квазистолкновительный режим. Проблема эта не решена до сих пор, а, следовательно, под обеими концепциями передачи энергии из солнечного ветра в магнитосферу отсутствует фундамент. Думается, что это все же не главная причина кризиса. Нужные неустойчивости могут отыскаться. Более того, недавно В.В. Мишину [5], удалось показать, что при сверхзвуковом обтекании магнитопаузы потоком плазмы переходного слоя, в сдвиговом течении генерируются косые магнитозвуковые волны, проникающие в магнитосферу, и приносящие туда свой импульс. Процесс этот оказался достаточно эффективным и должен учитываться в энергетическом балансе магнитосферы. Главная же причина в том, что обе концепции оказались не подходящим фундаментом для построения последовательности физических механизмов приводящих нас от процессов в головной ударной волне к процессам формирования авроральных электроджетов.
Выход из тупика заключается в принятии новой концепции, основой которой служит известная работа Кеннела [6] "Следствия существования магнитосферной плазмы". Вкратце содержание этой концепции сводится к тому, что совместное действие конвекции и питч-угловой диффузии приводит к формированию в магнитосфере пространственного распределения газового давления, то есть - объемных токов. Дивергенция этих объемных токов дает пространственное распределение продольных токов - магнитосферных источников ионосферных токовых систем. Такой подход, ко всему прочему,
"совершенно бесплатно" дает объяснение (и адекватное описание!) суббуревого "взрыва" [7]. Рассмотрим этот вопрос чуть подробнее. Известно [8], что содержимое магнитной силовой трубки (МСТ), которое мы далее будем называть плазменной трубкой (ПТ), переходит из одной МСТ в другую в процессе конвекции без избытка и недостатка в том случае, если силовые линии магнитной силовой трубки - эквипотенциальны. Эта идеализация близка к реальности повсюду за исключением МСТ полярных сияний. Тогда, при дрейфе к Земле в дипольном поле объем ПТ сокращается пропорционально L-4 , соответственно в обратном соотношении возрастает плотность, а в отношении ~ L20/3 - возрастает давление. Однако одновременно с процессом адиабатического сжатия идет процесс опустошения ПТ, за счет питч-угловой диффузии в конус потерь. Этот процесс описывается фактором ~exp(-Jdt/т) = exp(-Jdr/VrT) = exp(-Jrdu/Vux). Таким образом, газовое давление имеет максимум на каждой линии конвекции. В соответствии с уравнением для pg [8]:
20
pg = pg Т exp 3j(1)
Здесь pg - газовое давление, L - эль - координата, г = LRe - расстояние до Земли (Я-радиус Земли), Vr, V - радиальная и азимутальная компоненты скорости конвекции экваториального следа плазменной трубки, - характерное время опустошения ПТ из-за питч-угловой диффузии. Начальное давление на некоторой границе в работе Кеннела считалось независящим от времени. Кеннел, по непонятной причине, не развил свою модель для нестационарного случая. Это сделано одним из нас в [7,8,9,10]. Характерный рельеф газового давления, получающийся при совместном действии конвекции и потерь, изображен на рисунке 1а. Он имеет вид амфитеатра с ярко выраженный максимум около полуночного меридиана и резким "обрывом" в сторону Земли. Этот "обрыв" получил название внутренней границы плазменного слоя (Inner edge of plasma sheet),(ВГПС).
Рис. 1 . Рельеф газового давления, получающийся при совместном действии конвекции плазмы и потерь вследствие высыпаний частиц в ионосферу[9]. На рис. 1б видно подобие "ущелья", которое образуется при наплывании плазменного возмущения на невозмущенный рельеф давления (в результате нестационарности граничных условий).
Проекция "амфитеатра" на земную поверхность соответствует форме и положению аврорального овала. Как и реальный овал, эта проекция совершает движения с изменением электрического поля конвекции, расширяясь при увеличении поля. При этом амплитуда в максимуме увеличивается при приближении ВГПС к Земле. Рассмотрим теперь случай, когда граничные условия в (1 ) зависят от времени. Повысим, давление на границе, скажем, в два
раза. Этот "импульс" начнет сплывать вниз по течению со скоростью конвекции, и повсюду за ним будет оставаться область удвоенной амплитуды. Если "импульс" будет непродолжительным, то вниз по течению будет двигаться область "умножения на два" ограниченных размеров. Эффект умножения двух пространственно узких сигналов всегда мал, кроме момента, когда их максимумы совпадают. Тогда происходит амплитудная "вспышка". Это и есть объяснение "суббуревого взрыва" (onset, break-up) - простое и логичное следствие неоднородности системы и движения.
На рисунке 1б. продемонстрирована вторая фазы развития рельефа давления в процессе модельной суббури.
Имея пространственное распределение давления в функции координат и времени, мы можем рассчитать пространственное распределение объемных токов:
j = c[BxVpg]/B2(2)
дивергенция (2) при стационарных условиях дает выражение для плотности продольных токов:
i
jll = cBjj {[VpgxVpB]-B/pBB3 }dl(3)
Интегрирование ведется по магнитной силовой линии дипольного поля Земли от экватора (0) до ионосферы (l).
Интересно отметить следующую особенность подынтегрального выражения. Оно зависит от угла пересечения изолиний магнитного и газового давлений. В дипольном приближении pB = const - просто окружности. Наоборот, pg = const имеют сложную конфигурацию. Знак тока jll, в конечном счете, зависит от знака синуса угла между нормалями к изолиниям давления. Это обстоятельство позволяет легко проводить качественный анализ токовой ситуации.
2.Постановка задачи. Выше мы описали предпосылки, способствующие решению проблемы магнитосферно-ионосферного взаимодействия (МИВ) в той ее части, которая касается их отношений как источника и потребителя электрического тока и электрической энергии.
Сложность проблемы- МИВ заключается в том, что токи в ионосфере определяются электрическим полем (при проводимости, заданной, как параметр), а в магнитосфере - градиентом газового давления. Связь между распределением давления и конвекцией существует, но достаточно сложная. Наша задача состоит в том, чтобы на анализе максимально простой модели, сохраняющей в то же время важнейшие черты реальности, понять, как согласовано устанавливается ток в общей электрической цепи ионосфера -магнитосфера, как работает магнитосферный генератор ионосферных токов, за счет каких источников мощности (в том числе и не электромагнитной природы) этот генератор функционирует. Частично ответ на последний вопрос уже существует. Нами было показано [8,1 0], что районы магнитосферы, работающие как МГД-компрессор, где плазма сжимается под действием амперовой силы [jxB]/c удовлетворяют условию V-Vpg>0, а районы, где газодинамические силы производят работу над электромагнитными - районы МГД генераторов -условию V-Vpg<0. Переход энергии из одного вида в другой можно записать в простой форме:
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2] [стр.3]