Развитие асимметричного кольцевого тока во время...

Развитие асимметричного кольцевого тока во время

магнитной бури

В. В. Калегаев, К.Ю. Бахмина, И.И. Алексеев, Е.С. Беленькая

НИИЯФ МГУ Я.И. Фельдштейн

ИЗМИРАН

«Физика плазмы в солнечной системе» ИКИ 2009

2

«Физика плазмы в солнечной системе» ИКИ 2009

3

N

S TCTC

SRC

pp++

ee--

«Физика плазмы в солнечной системе» ИКИ 2009

4

Tsyganenko T96, T01, T05; Alexeev et al. A2000

«Физика плазмы в солнечной системе» ИКИ 2009

5

Параболоидная модель A2000

Трехуровневая структура1. experimental data:

solar wind and geomag. indices

- submodels

2. parameters of current systems:

stand-off dist., polar cap flux …

3. magnetospheric (external) field

B =Bsd( , R1)+Bt( , R1,R2,)+Br(,br)+Bsr(, R1,br)+Bfac(I||)Dst=DCF+DT+DR

«Физика плазмы в солнечной системе» ИКИ 2009

6

Модель частичного кольцевого тока (PRC)

03

[ , ]

4iI dl r

dBr

i Er r r i

ii

drdl

r

• I0 – полный ток

• φPR – «направление» PRC

• δφPR – долготный размер

• θPR – широта восточного

электроджета• rPR = 1/Sin2θPR

• δθPR – широтный размер

2. 2. ПараметрыПараметры1. 1. МодельМодель

«Физика плазмы в солнечной системе» ИКИ 2009

7

Вычисление магнитного поля частичного кольцевого тока

0 032 2 2

sinsin ( cos cos )

4 [ 2 (sin sin cos( ) cos cos )]

m

m

i iy m m m E E

m E m E m E E i m E

I dB r r

r r r r

0 032 2 2

[ sin sin cos( )]sin

4 [ 2 (sin sin cos( ) cos cos ]

m

m

m m E E E i iz m

i E i E i E E i i E

I r r dB

r r rr

20 0

32 2 2

sin[3 cos 2 sin 3 (sin sin sin cos cos sin ) 2( sin sin )]

sin

4 [ 2 (sin sin cos( ) cos cos )]m

Ei i m E i E E i E m i m E E i

ix

i E i E i E E m i E

r r r r dI

Br r rr

Ring-like parts

Field-aligned parts

0 032 2 2

cossin ( cos cos )

4 [ 2 (sin sin cos( ) cos cos )]

m

m

i ix m m m E E

m E m E m E E i m E

I dB r r

r r r r

20 0

32 2 2

sin[ 3 cos 2 cos 3 (cos cos cos sin sin cos ) 2( cos cos )]

sin

4 [ 2 (sin sin cos( ) cos cos )]m

Ei i m E i E m i E E i m E E i

iy

i E i E i E E m i E

r r r r dI

Br r rr

20 0

32 2 2

cos3 sin sin( )

4 [ 2 (sin sin cos( ) cos cos )]m

i iz E E m E

i E i E i E E m i E

I dB r

r r rr

«Физика плазмы в солнечной системе» ИКИ 2009

8

PRC на экваторе

IPR=106 A, θPR =30о, δφPR=30о, y = z = 0

0 90 180 270 360

grad

-20

-10

0

10B _z, nT

B ionosphere

B equator

B dip - from ionosphere

B dip - to ionosphere

B result

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

x, R_E

-40

-20

0

20B _z, nTB ionosphere

B equator

B dip - from ionosphere

B dip - to ionosphere

B result

IPR=106 A, θPR =30о, δφPR=30о, r = RE, θ = 900

«Физика плазмы в солнечной системе» ИКИ 2009

9

PRC на средних широтах

IPR=106 A, θPR =30о, δφPR=30о, r = RE, θ = 450

0 90 180 270 360

grad

-10

0

10

20

30

40B _x, nTB ionosphere

B equator

B dip - from ionosphere

B dip - to ionosphere

B resu lt

0 90 180 270 360

grad

-150

-100

-50

0

50

100

150B _y, nT

B ionosphere

B equator

B dip - from ionosphere

B dip - to ionosphere

B resu lt

«Физика плазмы в солнечной системе» ИКИ 2009

10

PRC в пространстве

4RE

«Физика плазмы в солнечной системе» ИКИ 2009

11

N

S2δφ

δφ ~ 600

0 60 120 180 240 300 360

grad.

-40

-30

-20

-10

0

10B _z, nT

-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11x, R _ E

-60

-40

-20

0

20B _z, nT

Зависимость от долготного размера

«Физика плазмы в солнечной системе» ИКИ 2009

12

N

S

Rpr

Rpr ~ 3-4 RЕ

0 60 120 180 240 300 360

, g ra d .

-40

-30

-20

-10

0

10B _z, nT

r = 2.0 R _Er = 3.0 R _Er = 4.0 R _E

-10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11x, R _ E

-80

-60

-40

-20

0

20

40B _z, nT

r = 2.0 R _E

r = 3.0 R _E

r = 4.0 R _E

Өpr

21/ sinPR PRR

Зависимость от широты восточного электроджета

«Физика плазмы в солнечной системе» ИКИ 2009

13

PRC и Dst

Dst=DCF+DT+DSR+DPRS

• CFC, TC, SRC – однородное поле во внутренней магнитосфере• PRC – асимметричное поле

_ _ ( )PR PR S PR AS PRB B B Cos

0 90 180 270 360

grad

-20

-10

0

10B _z, nT

B ionosphere

B equator

B dip - from ionosphere

B dip - to ionosphere

B result

ASY-HDst=DCF+DT+DSR+DPRS

«Физика плазмы в солнечной системе» ИКИ 2009

14

PRC- parameterization

0 50 100 150 2002 5 7 5 1 2 5 1 7 5

Hours, 06.11.2004 00:00 - 16.11.2004 23:00

-300

-200

-100

0

As

ym

_H

, nT

l

ASY-H=δHmax-δHmin

0 50 100 150 2002 5 7 5 1 2 5 1 7 5

Hours, 06.11.2004 00:00 - 16.11.2004 23:00

0.0x10 0

2.0x10 6

4.0x10 6

6.0x10 6

I, A

Total PRC

«Физика плазмы в солнечной системе» ИКИ 2009

15

Магнитная буря 6-14 ноября 2004 г.

Ipr(ASY-H)

0 50 100 150 2002 5 7 5 1 2 5 1 7 5

Hours, 06.11.2004 00:00 - 16.11.2004 23:00

0.0x10 0

2.0x10 6

4.0x10 6

6.0x10 6

I, A

1. IPR(ASY-H)

2. Dst adjusting

«Физика плазмы в солнечной системе» ИКИ 2009

16

-150

-100

-50

0

Bt

(nT

)

-250

-200

-150

-100

-50

0

Br

(nT)

020406080

100120140

Bcf

(n

T)

0 24 48 72 96 120 144 168 192 216

-450-400-350-300-250-200-150-100

-500

50D

st

(nT

)

D st

nT

d=3.2

6. 11. 04 10. 11. 04 14. 11. 04

d=2.3

-80

-60

-40

-20

0

Bp

r (

nT

)

Вклад PRC в Dst 6-14 ноября 2004

•TC (1)•PRC (2)•SRC(3)

Время жизни PRC – 10 часов

«Физика плазмы в солнечной системе» ИКИ 2009

17

Составляющие AU : роль PRC

0 48 96 144 1922 4 7 2 1 2 0 1 6 8 2 1 6

H ours, 06 .11 .2004 00:00 - 19 .11 .2004 23:00

-200

0

200

400

600

AU

, nT

AuM odel

AuKyoto

«Физика плазмы в солнечной системе» ИКИ 2009

18

Моделирование AU: вклад магнитосферных токов

-200

-160

-120

-80

-40

0

Bt

(nT

)

-250

-200

-150

-100

-50

0

Br

(nT

)

-40

0

40

80

120

160

200

Bcf

(n

T)

0 24 48 72 96 120 144 168 192 216

-200

0

200

400

Dst

(n

T)

6. 11. 04 10. 11. 04 14. 11. 04

0

100

200

300

400

Bp

r (

nT

)

Au - Kyoto

Au- m odel

«Физика плазмы в солнечной системе» ИКИ 2009

19

Выводы

• PRC существует относительно короткое время в ограниченной области пространства

• Геомагнитные индексы SYM (Dst), ASY содержат информацию о нелинейной динамике магнитосферы. Их использование в качестве входных параметров позволяет воспроизвести динамику крупномасштабных токовых систем

• Во время бури 6-11 ноября 2004 г. полный частичный кольцевой ток 6 MA, но DPR~-100 nT во время максимума бури и пренебрежимо мал на фазе восстановления.– Симметричный кольцевой ток дает главный вклад в Dst– Асимметричный кольцевой ток дает главный вклад в AU