Магнитосферная турбулентность и проецирование аврорального

овала на экваториальную

плоскость

Е.Е.Антонова,

М.В. Степанова, И.П. Кирпичев, И.Л. Овчинников, В.В. Вовченко, М.О. Рязанцева, М.С. Пулинец, С.С. Знаткова

Посвящается памяти Юрия Ильича Гальперина

14 сентября 2012 г. Юрию Ильчу Гальперину могло бы исполниться 80 лет. Одним из основных направлений его исследований был вопрос о проецировании авроральных доменов на экваториальную плоскость.

1932-2001 Schematic presentation (not to scale) of the magnetospheric tail plasma domain for the midnight meridian cross section and some structural features of the magnetotail, a in the interval of quiet auroras and b during substorm expansion phase according toFeldstein and Galperin (1993).

В магнитосфере Земли Re1010 течение плазмы турбулентного солнечного ветра вокруг магнитного поля Земли приводит к формированию турбулентного следа за обтекаемым препятствием.

Турбулентность плазменного слоя магнитосферы Земли по данным непосредственных измерений в плазменном слое анализировалась в работах Angelopoulos et al. (1992, 1993, 1996, 1999); Borovsky et al. [1997, 1998], Antonova et al. [2000, 2002]; Ермолаев и др. []2000], Овчинников и др. [2000, 2002], Neagu et al. [2001, 2002]; Troshichev et al. [2001, 2002]; Petrukovich and Yermolaev [2002]; Borovsky and Funsten [2003a,b]; Voros et al. [2003]; Volwerk et al. [2004]; Goldstein [2005; Weygand et al. [2005]; Nagata et al. [2008], Stepanova et al. [2005, 2009, 2011a,b], Wang et al.[(2010], Pinto et al. (2011) ets.

Корреляционное время флуктуаций скорости составляет ~2 мин, магнитного поля ~8 мин

[Borovsky et al., 1998]Antonova [2002]

МГД моделирование Результаты МГД моделирования, демонстрирующие формирование турбулентного плазменного слоя [El-Alaoui et al., 2010, 2011]. IMF Bz=-5 nT, nsw=20 cm-3, Vx=500 km/s.

Схема ночной магнитосферы Земли, которую Ю.И. Гальперин нарисовал в 1988-1989 гг. [Зеленый Л.М. из книги «Юрий

Ильич Гальперин. Рассказы друзей, коллег, учеников»]

Где находится граница между областью почти регулярного течения и

турбулентным хвостом?

Physics of Auroral Arc Formation, ed. S.-I. Akasofu, J.R. Kan, Geophysical monograph 25, 1981

Авроральный овал не может проецироваться на турбулентный плазменный слой, так как яркие квазистационарные дуги могут наблюдаться часами почти не меняя свои формы.

Область турбулентности в плазменном слое имеет внутреннюю

границу.

Первые результаты по определению пространственного распределения коэффициента квазидиффузии в плазменном слое были получены в работе Stepanova et al. [Ann. Geop.,

2009] по результатам измерений в проекте ИНТЕРБОЛ

Было показано, что Dyy и Dzz резко уменьшаются при R<10RE.

Статистические результаты, полученные по данным THEMIS подтвердили вывод о падении уровня турбулентности с уменьшением геоцентрического расстояния.

Stepanova et al. [JGR, 2011]

Результаты одновременного определения трех диагональных элементов тензора квазидиффузии по результатам миссии THEMIS от 5 до 30RE. Продемонстрировано резкое уменьшение уровня флуктуаций на геоцентрических расстояниях <10RE.

Внутренняя граница области с высоким уровнем флуктуаций локализована на геоцентрическом расстоянии ~10RE.

Yahnin et al. [2002]Takahashi et al. [1987]

Локализация начала изолированной суббури на геоцентрических расстояниях <10RE

Dubyagin et al. [2003]

Akasofu [1964]

Multiple results of Lui et al. [2008-2012]

Zou et al. [2009]

Nagata et al. [2008] Antonova et al. [2011]

Результаты наблюдений на малых высотах и в экваториальной плоскости, демонстрирующие существование окружающего Землю плазменного кольца

DeMichelis et al. [1999]

Kirpichev and Antonova [2011], Antonova et al. [2012].

Авроральный овал по данным DE-1, Polar, Image и модели авроральных высыпаний

http://www.swpc.noaa.gov/pmap/ http://pgia.ru/ (Vorobjev et al.. [2004-2007])

OVATION, Newell et al. [2002]

День-ночь Утро-вечер

Усредненные за период 2007- 2011 профили давления плазмы и анизотропии давления на меридианах полдень-полночь и утро вечер в соответствии с

данными миссии THEMIS

Результаты анализа распределения давления горячей магнитосферной плазмы на геоцентрических расстояниях <15RE и текущих в плазме токов показывают, что

область на геоцентрических расстояниях ~<10RE является высокоширотным продолжением кольцевого тока.

[Antonova et al., 2009a,b]

Поперечные токи в окружающем Землю плазменном кольце

Current configuration in the model Sitnov and Tsyganenko [2008] (Ukhorskiy, private communication)

Liemohn et al. [2011]

Кольцевой ток имеет высокоширотное продолжение до магнитопаузы в дневные часы – разрезной кольцевой ток (CRC).

Магнитное поле в долях хвоста < 20 нТл. Данные многочисленных наблюдений свидетельствуют в пользу соблюдения баланса давления в плазменном слое хвоста магнитосферы Земли (Michalov et al. [1968], Stiles [1978], Spence et al. [1989], Tsyganenko [1990], Baumjohann et al. [1990], Kistler et al. [1993], Petrukovich [1999], Tsyganenko and Mukai [2003]). Давление плазмы в хвосте <0.16 нПа. Данная область локализована на геоцентрических расстояниях >15RE.

В силу изотропии давления на авроральных широтах давление плазмы в авроральном овале значительно превышает давление в плазменном слое. Окружающее Землю плазменное кольцо является источником авроральных

частиц.

Выводы:•Результаты анализа турбулентности плазменного слоя и распределения давления плазмы в экваториальной плоскости позволяют уточнить картину проецирования авроральных доменов на экваториальную плоскость.•Окружающая Землю на геоцентрических расстояниях от ~7 до 10-13RE плазменная популяция имеет вид кольца, в котором поперечные токи замкнуты внутри магнитосферы и образуют высокоширотное продолжение кольцевого тока (CRC).•Взрывная фазы изолированной суббури начинается внутри CRC, что позволяет рассматривать магнитосферную суббурю как часть динамики высокоширотного продолжения кольцевого тока. •Соотношение выделяемого по результатам наблюдений в ночные часы CPS и окружающего Землю плазменного кольца окончательно не определены. Однако, проведенный анализ свидетельствует о возможности рассмотрения CPS в качестве части кольца.

Благодарю за внимание

Energy flax for aurora of I class of luminosity constitute 0.6 erg/cm2s (Akasofu and Chapman, 1972 ), threshold of auroral imagers ~0.5 erg/cm2s. Energy flux of plasma sheet particle precipitation if field-

aligned potential drop =0 keV 5.0 ,cm 15.0 if

s,erg/cm 6.03.0/23-

22/12/12/30*

e

eee

Tn

mTn

is lower than the threshold of ground-based and auroral imager observations. 1-2 order of magnitude increase of energy flux takes place in the region of upward field-aligned currents due to the appearance of field-aligned potential drops

Auroral oval observations give the picture of upward field-aligned currents

2* /115.0 eTe

Iijima and Potemra [1976]

Three regions of upward field-aligned current with different dynamics mainly create the picture of auroral oval:Region 2 upward field-aligned currents at the morning,Region 1 upward field-aligned currents at the evening, andRegion 1/Region 2 overlapping from ~22h to ~0h (the region of isolated substorm development). .

The reasons leaded to the suggestion that the auroral oval is the result of plasma sheet mapping to the ionospheric altitudes:

Akasofu [1964]

1. Hones [1979] model of substorm onset was the most popular model.

2. Mapping of strait line using Tsyganenko models at the ionospheric altitudes gives horseshoe structure.

Ts96Ts87 (Stasievich, 1991)